水平井固井一界面泥膜分布规律及其特性

顾 军 李士超 田亚芳 李 刚 赵鑫鑫 李林蔚 唐 雨

1. 中国地质大学（武汉）资源学院 2. 中国石化中原石油工程有限公司固井公司 3. 中国石油青海油田公司采气一厂

0 引言

油气水平井界面环空窜流严重影响了水平井完井的质量[1-5]，无论是常规水平井还是页岩气水平井固井效果均不尽人意[6-8]。钻井液在固井一、二界面均形成附着层，固井二界面附着层被称为泥饼，固井一界面附着层厚度很薄而被称为泥膜。固井一界面是水泥环、泥膜、套管三者形成的一个复合胶结面，泥膜容易在各种力的作用下部分缺失而在水泥环和套管间形成微裂隙，从而降低其界面胶结的强度。研究表明，固井一界面是油气井环空胶结的薄弱处和流体窜流通道之一[9-11]。有学者在研究影响界面胶结的影响因素中，通过室内试验和对比井场资料，发现泥膜变厚会降低其界面胶结强度[12]，并且胶结强度可直接决定其水力密封完整性[13,14]。亦有学者建立了在无泥膜存在条件下，套管内压力连续变化时的套管—水泥环—围岩体系弹塑性力学模型[15]。但是，对不同井斜角下套管外表面的泥膜厚度分布规律及其对界面胶结强度的影响，迄今尚未见到相关文献报道。鉴于水平井不仅有水平段，还有直井段、造斜段、增斜段和稳斜段。因此，笔者基于自主设计的井斜角控制装置和泥膜厚度测量装置，选取不同井斜角（0°、30°、60°、86°）作为特征角度，首先研究不同井斜角下的泥膜厚度及其分布规律；然后，为了研究泥膜对界面胶结强度的影响，设计同样4个特征角度下界面胶结强度的测试方法，并对固井一界面胶结面进行了宏观分析。

1 实验部分

1.1 实验仪器与材料

GJS-B12K型变频高速搅拌机、瓦楞恒速搅拌器、TG-1280B型强度养护箱、WDW-Y10A电子万能实验机、游标卡尺、软铁丝、玻璃棒、导线、AG3规格纽扣电池、1.5 V螺口小灯泡、模拟探针（导电良好铁片）、燃烧匙、PVC给水管、PVDC保鲜膜、BOPP封箱胶带、3 000 mL大烧杯、钢尺。采用钢管模拟套管，长度L=10/15 cm，外直径D=3.3 cm。

实验用钻井液取自中国石油玉门油田公司酒东探区现场水基钻井液，实验用水泥浆配方为100%嘉华G级水泥+44%自来水。

1.2 井斜角控制装置和泥膜厚度测量装置的设计

井斜角控制装置由玻璃棒，钢管（模拟油井套管）和软铁丝组成（图1）。井斜角（α）通过钢管两端面的高差（Δh）控制。因cosα=Δh/L，钢管长度L=15 cm，当井斜角分别为0°、30°、60°、86°时，通过调节软铁丝长度，使Δh分别为15.00 cm、12.99 cm、7.50 cm、1.05 cm即可。

图1 井斜角控制装置示意图

泥膜厚度测量装置由游标卡尺、1.5 V螺口小灯泡、导线、AG3规格纽扣电池、模拟探针组成（图2）。

图2 泥膜厚度测量装置示意图

1.3 泥膜分布规律的实验方法

固井施工中通常使用一定量的冲洗隔离液（其用量一般为可充填环空裸眼段300～500 m），因此固井一界面虚泥膜已经接近完全除去[16]，即泥膜分布观察结果应与井下套管被冲洗隔离液除去虚泥膜的实泥膜分布状态基本吻合。但是，若除去虚泥膜，钢管外表面实泥膜厚度薄、流动性大，泥膜厚度难以测量，综合考虑实验条件限制和测量误差，选择在泥膜较厚的情况下，通过测量未除虚泥膜的泥膜厚度作为实验数据来源，以便用来印证实泥膜分布规律观察结果。鉴于此，泥膜分布规律实验分为两部分，即带虚泥膜的泥膜厚度测量和实泥膜的分布观察。

1.3.1 带虚泥膜的泥膜厚度测量

①选用长度L=15 cm钢管，并制取特定井斜角下的井斜角控制装置；②将井斜角控制装置放置在3 000 mL空烧杯中。采用变频高速搅拌机（8 000 r/min×5 min）搅拌钻井液，缓缓倒入空烧杯，淹没钢管至液面距离钢管中心10 cm，并浸泡4 min；③模拟钻井液上返过程，使用燃烧匙舀钻井液至备用烧杯中，控制钻井液液面平缓下降至脱离钢管；④置井斜角控制装置于阴凉处20 min，控制钢管外表面泥膜处于半干状态，便于“针入法”测量泥膜厚度；⑤使用泥膜厚度测量装置（图2），分别测量、记录钢管外表面测量点泥膜厚度（图3）。当模拟探针接触到泥膜外缘时，模拟探针、导线、纽扣电池、螺口小灯泡就会形成闭合回路，灯泡发光。记下此时游标卡尺的示数H1。活动卡脚继续下降，直至探针碰到钢管时，灯泡达到最大亮度，记下示数H2，两次读数之差即为泥膜厚度。

图3 套管测量点位置示意图

1.3.2 实泥膜的分布观察

该实验选用长度L=15 cm钢管，并在带虚泥膜的泥膜厚度测量实验步骤①、②、③基础上进行。

①为了模拟冲洗隔离液作用原理，将井斜角控制装置的带虚泥膜钢管平缓下放至自来水中，浸泡3 min，再自水中平缓上提出（模拟洗井）；②置井斜角控制装置于阴凉处8 h，至泥膜晾干，逐个观察描述泥膜分布。

1.4 界面胶结强度测量方法

该实验选用长度L=10 cm钢管，并在实泥膜的分布观察步骤①基础上进行。

①置井斜角控制装置于阴凉处40 min，至钢管外表面实泥膜丧失流动性；②制取2 cm厚水泥环，结合PVC给水管、PVDC保鲜膜和BOPP封箱胶带，制取防液漏密封装置。并将实验组钢管竖直置于防液漏密封装置中；③采用瓦楞恒速搅拌器（先3 000 r/min×10 s，后12 000 r/min×35 s）搅拌100%嘉华G级水泥，水灰比取0.44。将水泥浆倒入防液漏密封装置中；④采用TG-1280B型强度养护箱，95 ℃水浴养护上步骤中防液漏密封装置，养护时间为1 d；⑤取出并拆封上步骤中防液漏密封装置。将水泥环与钢管未胶结部分进行刮拭处理，然后用钢尺量出水泥环与钢管胶结面的高度h，并做记录，然后用WDWY10A型电子万能实验机测量其胶结强度（图4），依次记录界面剪切力，然后计算得到界面胶结强度[17]：

式中p表示界面胶结强度，MPa；F表示界面剪切力，kN；h表示钢管与水泥环胶结部分的高度，cm；D表示钢管外直径，本实验为3.3 cm。

图4 界面剪切力测试示意图

2 实验结果与分析

在带虚泥膜的泥膜厚度测量实验中，泥膜厚度受固相颗粒沉降作用和钻井液重力流动作用影响。

固相颗粒沉降有两种作用形式：Ⅰ是钻井液液深加大，固相颗粒聚集，钻井液本体黏稠化，黏附力变大，使钢管所有部位泥膜厚度均变大。该作用主要与钢管埋深有关。Ⅱ是井斜角从0°增大到86°时，固相颗粒沉降在钢管轴向横截面上半部分外表面。钢管上表面固相颗粒沉降变多，上表面泥膜较大程度加厚；左、右表面上半部分较少固相颗粒沉降，左、右表面上半部分泥膜轻微加厚，左、右表面下半部分和下表面无固相颗粒沉降，左、右表面下半部分和下表面泥膜厚度不受影响。

钻井液重力流动也有两种作用形式：Ⅰ是钢管埋深不变、井斜角从0°增大到86°时，钢管上表面虚泥膜在重力作用下流动，会在钢管左、右表面发生部分黏附和下表面大量堆积。因此，当井斜角增大，钻井液重力流动作用使上表面泥膜厚度变小，左、右表面泥膜轻微加厚，下表面泥膜较大程度加厚。Ⅱ是井斜角不变、埋深改变时，钢管同一轴向长度的径向外表面泥膜均向紧邻低部位另一轴向长度的径向外表面发生重力下的流动堆积加厚，使钢管所有位置的轴线方向下部位相对上部位泥膜均变厚。

2.1 井斜角对泥膜厚度的影响

据不同井斜角下钢管上、下、左、右表面的泥膜厚度实测数据平均值作图5，从中可以看出，井斜角分别为0°、30°、60°、86°时，钢管在上、下、左、右表面的上部位、中部位、下部位的泥膜厚度依次变大。

图5 不同井斜角条件下钢管轴向泥膜厚度变化规律图

此时，钢管外表面泥膜厚度受固相颗粒沉降作用Ⅰ、Ⅱ和钻井液重力流动作用Ⅱ的影响，其中钻井液重力流动作用Ⅱ起主要作用。

固相颗粒沉降作用Ⅰ使钻井液液深大处钻井液黏稠度大，黏附力变大，使同一轴向长度的径向外表面泥膜相对紧邻高部位轻微加厚。固相颗粒沉降作用Ⅱ也使同一轴向长度左、右表面上半部分的固相颗粒沉降数量略多于紧邻高部位，其泥膜轻微程度加厚，同时，也使同一轴向长度上表面的固相颗粒沉降数量多于紧邻高部位，其泥膜略大程度加厚。在钻井液重力流动作用Ⅱ作用下，钢管同一轴向长度的径向外表面泥膜均向紧邻低部位另一轴向长度的径向外表面发生重力下的流动堆积，泥膜较大程度加厚。

为了进一步分析井斜角对钢管上、下、左、右表面泥膜厚度的影响规律，基于图5中不同井斜角条件下钢管上、下、左、右表面中部位的泥膜厚度实测数据平均值可作图6。从图6可以看出：

图6 钢管上、下、左、右表面泥膜厚度与井斜角的关系图

1）钢管上表面泥膜厚度随井斜角的增大而增大。钢管上表面泥膜厚度受固相颗粒沉降作用Ⅰ、Ⅱ和钻井液重力流动作用Ⅰ的影响，其中，固相颗粒沉降作用Ⅱ占主导地位。随着井斜角的增大，钻井液固相颗粒在钢管上表面沉降变多，黏附力增大，从而上表面泥膜厚度变大。

2）钢管左、右、下表面泥膜厚度均在井斜角为0°、30°、60°、86°时，呈先递增后递减再递增的趋势，井斜角为30°为最大值点。钢管左、右表面泥膜厚度受固相颗粒沉降Ⅰ、Ⅱ和钻井液重力流动作用Ⅰ的影响，下表面泥膜厚度受固相颗粒沉降Ⅰ和钻井液重力流动作用Ⅰ的影响。其中，钻井液重力流动作用Ⅰ对钢管左、右、下泥膜厚度均具有主导性影响。随井斜角的增大，钻井液重力流动对钢管左、右、下表面的泥膜再分配作用先增强后轻微削弱再增强，在井斜角为30°时达到最大，并且其对下表面的影响比对左、右表面更为显著。

3）井斜角从0°增大到86°时，钢管左、右表面泥膜厚度改变幅度小，上、下表面泥膜厚度改变幅度大。

固相颗粒沉降作用Ⅰ对钢管左、右、下表面作用强度相同，对泥膜厚度分异无影响。固相颗粒沉降作用Ⅱ和钻井液重力流动Ⅰ，对钢管上、下表面泥膜厚度的影响均比对左、右表面的影响小。实验中表现为井斜角增大时，钢管外表面泥膜厚度改变幅度不一致的现象。

对图6的横轴和纵轴位置互换，可得图7。从图7可以看出：①当井斜角为0°时，钢管上、下、左、右四个表面彼此对称，泥膜厚度接近、均比较薄；②当井斜角为30°时，下表面泥膜厚度最大，钢管上表面泥膜厚度次之，左、右表面泥膜厚度最小；③当井斜角为60°时，钢管上表面泥膜厚度最大，下表面泥膜厚度次之，左、右表面泥膜厚度最小；钢管下、左、右表面泥膜厚度均较薄，三者厚度相近，上表面泥膜厚度较大；④当井斜角为86°时，钢管上表面泥膜厚度最大，下表面泥膜厚度次之，左、右表面泥膜厚度最小；钢管左、右表面泥膜厚度均较薄，下表面泥膜厚度较大，上表面泥膜厚度很大。

图7 不同井斜角条件下钢管外表面泥膜分布图

2.2 井斜角对实泥膜分布的影响

在实泥膜厚度分布观察实验中，泥膜厚度受固相颗粒沉降作用Ⅰ、Ⅱ、钻井液重力流动作用Ⅰ、Ⅱ和模拟洗井作用影响。不同井斜角条件下钢管外表面实泥膜分布状况如图8所示。

模拟洗井作用：浸泡过程使钢管外表面虚泥膜疏松、部分脱落，下放上提过程模拟前置清洗液冲刷虚泥膜。浸泡过程对钢管外表面泥膜厚度呈同等程度削减效果，下放上提过程模拟得到油井现场洗井后泥膜在重力流动后的差异化分布，此过程对钢管上、下表面泥膜冲刷作用较小，左、右表面冲刷作用较大，在实泥膜分布方面的突出表现为，井斜角从0°增加到86°时，泥膜偏薄和钢管裸露区域面积占比增大。

由图8可以看出，①当井斜角为0°时，沿钢管轴向上，自上向下泥膜逐渐变厚；在径向上，泥膜呈现环状分布，厚度相仿。钢管上部位泥膜具有一定厚度，在失水时翘皮剥落。抛开泥膜剥落的意外因素，黏附在钢管外表面的泥膜略薄，分布均匀，覆盖完整。②当井斜角为30°时，沿钢管轴向上，自上向下泥膜逐渐变厚；在径向上，上表面泥膜厚度最小，下表面泥膜厚度最大，左、右表面泥膜厚度居中。在钢管上表面上部位，泥膜厚度很薄，已有零星钢管裸露区，钢管其他位置泥膜略厚些。③当井斜角为60°时，沿钢管轴向上，自上向下泥膜逐渐变厚；在径向上，上表面泥膜厚度最大，下表面泥膜厚度最小，左右表面泥膜厚度居中。钢管下表面上部位，泥膜厚度很薄，可见较大面积钢管裸露区，钢管其他位置泥膜均有一定厚度。④当井斜角为86°时，沿钢管轴向上，泥膜厚度相近，下部位泥膜略厚；在径向上，上表面泥膜最大，有很厚的固相黏附物，下表面泥膜厚度次之，有略厚的固相黏附物，左右表面泥膜近乎全部消失。

2.3 泥膜对界面胶结强度的影响

不同井斜角条件下界面胶结强度的测试结果如图9所示。从图9可以看出，带泥膜组界面胶结强度随着井斜角增大而增大，而裸钢管组界面胶结强度则比带泥膜组大得多。

究其原因，从裸钢管和带泥膜的固井—界面胶结剖面照片（图10）可以看出，对于裸钢管组，固井一界面处没有泥膜，固井一界面实质上是水泥环和钢管形成的简单胶结面，水泥水化产物通过吸附作用[18-21]和机械摩擦力，产生很大的胶结强度，界面抗剪黏结性能优异。因此裸钢管组界面平均胶结强度为0.197 3 MPa，约为带泥膜组（α=0°）的21.45倍。

对于带泥膜组（α=0°），钢管外表面黏附的泥膜厚度略薄，无缺失部分，泥膜是界面胶结的薄弱环节，因此其界面平均胶结强度仅为0.009 2 MPa。

对于带泥膜组（α=30°），钢管上表面上部位，泥膜厚度很薄，有零星钢管裸露区，其他部位泥膜相对略厚。因此其界面平均胶结强度为0.0195 MPa，约为带泥膜组（α=0°）的2.12倍。

对于带泥膜组（α=60°），钢管下表面上部位，泥膜厚度很薄，有较大面积钢管裸露区，其他部位泥膜均有一定厚度。因此其界面平均胶结强度为0.0357 MPa，约为带泥膜组（α=30°）的1.83倍。

图8 不同井斜角条件下钢管外表面实泥膜分布状况照片

对于带泥膜组（α=86°），钢管上表面的泥膜厚度相对要大得多，肉眼可见有很厚的干泥膜翘起，左右表面则出现大片钢管裸露区。钢管上表面泥膜很厚，对界面胶结强度影响较小，而左右表面有大片的钢管裸露区，因此其界面平均胶结强度为0.068 5 MPa，约为带泥膜组（α=60°）的1.92倍。

综上所述，随着井斜角从0°增大到86°，界面胶结强度依次增大，这与钢管裸露区在其外表面实泥膜中面积占比逐渐变大是一致的。

3 结论

1）带虚泥膜时，钢管上表面的泥膜厚度随井斜角的增大而增大，而左、右、下表面的泥膜厚度均呈先递增后递减再递增的趋势，并且随井斜角增大，钢管左、右表面泥膜厚度改变幅度小，上、下表面泥膜厚度改变幅度大。

图9 井斜角与界面胶结强度的关系图

图10 裸钢管和带泥膜的固井一界面胶结剖面照片

2）随着井斜角的增大，钢管表面的实泥膜由均匀分布变为薄厚相间分布，并且除去虚泥膜时，外表面厚度较薄部分的泥膜尤其是钢管裸露区面积占比增大。

3）裸套管组界面胶结强度远大于带泥膜组界面胶结强度，并且随着井斜角增大，带泥膜组界面胶结强度趋于增大。

4）随着井斜角增大，界面胶结强度依次增大与钢管裸露区在其外表面实泥膜中的面积占比密切相关。