顧 軍 李士超 田亞芳 李 剛 趙鑫鑫 李林蔚 唐 雨

1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院 2. 中國(guó)石化中原石油工程有限公司固井公司 3. 中國(guó)石油青海油田公司采氣一廠

0 引言

油氣水平井界面環(huán)空竄流嚴(yán)重影響了水平井完井的質(zhì)量[1-5]，無(wú)論是常規(guī)水平井還是頁(yè)巖氣水平井固井效果均不盡人意[6-8]。鉆井液在固井一、二界面均形成附著層，固井二界面附著層被稱為泥餅，固井一界面附著層厚度很薄而被稱為泥膜。固井一界面是水泥環(huán)、泥膜、套管三者形成的一個(gè)復(fù)合膠結(jié)面，泥膜容易在各種力的作用下部分缺失而在水泥環(huán)和套管間形成微裂隙，從而降低其界面膠結(jié)的強(qiáng)度。研究表明，固井一界面是油氣井環(huán)空膠結(jié)的薄弱處和流體竄流通道之一[9-11]。有學(xué)者在研究影響界面膠結(jié)的影響因素中，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和對(duì)比井場(chǎng)資料，發(fā)現(xiàn)泥膜變厚會(huì)降低其界面膠結(jié)強(qiáng)度[12]，并且膠結(jié)強(qiáng)度可直接決定其水力密封完整性[13,14]。亦有學(xué)者建立了在無(wú)泥膜存在條件下，套管內(nèi)壓力連續(xù)變化時(shí)的套管—水泥環(huán)—圍巖體系彈塑性力學(xué)模型[15]。但是，對(duì)不同井斜角下套管外表面的泥膜厚度分布規(guī)律及其對(duì)界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響，迄今尚未見(jiàn)到相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。鑒于水平井不僅有水平段，還有直井段、造斜段、增斜段和穩(wěn)斜段。因此，筆者基于自主設(shè)計(jì)的井斜角控制裝置和泥膜厚度測(cè)量裝置，選取不同井斜角（0°、30°、60°、86°）作為特征角度，首先研究不同井斜角下的泥膜厚度及其分布規(guī)律；然后，為了研究泥膜對(duì)界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)同樣4個(gè)特征角度下界面膠結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試方法，并對(duì)固井一界面膠結(jié)面進(jìn)行了宏觀分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

GJS-B12K型變頻高速攪拌機(jī)、瓦楞恒速攪拌器、TG-1280B型強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)箱、WDW-Y10A電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺、軟鐵絲、玻璃棒、導(dǎo)線、AG3規(guī)格紐扣電池、1.5 V螺口小燈泡、模擬探針（導(dǎo)電良好鐵片）、燃燒匙、PVC給水管、PVDC保鮮膜、BOPP封箱膠帶、3 000 mL大燒杯、鋼尺。采用鋼管模擬套管，長(zhǎng)度L=10/15 cm，外直徑D=3.3 cm。

實(shí)驗(yàn)用鉆井液取自中國(guó)石油玉門油田公司酒東探區(qū)現(xiàn)場(chǎng)水基鉆井液，實(shí)驗(yàn)用水泥漿配方為100%嘉華G級(jí)水泥+44%自來(lái)水。

1.2 井斜角控制裝置和泥膜厚度測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

井斜角控制裝置由玻璃棒，鋼管（模擬油井套管）和軟鐵絲組成（圖1）。井斜角（α）通過(guò)鋼管兩端面的高差（Δh）控制。因cosα=Δh/L，鋼管長(zhǎng)度L=15 cm，當(dāng)井斜角分別為0°、30°、60°、86°時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)軟鐵絲長(zhǎng)度，使Δh分別為15.00 cm、12.99 cm、7.50 cm、1.05 cm即可。

圖1 井斜角控制裝置示意圖

泥膜厚度測(cè)量裝置由游標(biāo)卡尺、1.5 V螺口小燈泡、導(dǎo)線、AG3規(guī)格紐扣電池、模擬探針組成（圖2）。

圖2 泥膜厚度測(cè)量裝置示意圖

1.3 泥膜分布規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方法

固井施工中通常使用一定量的沖洗隔離液（其用量一般為可充填環(huán)空裸眼段300～500 m），因此固井一界面虛泥膜已經(jīng)接近完全除去[16]，即泥膜分布觀察結(jié)果應(yīng)與井下套管被沖洗隔離液除去虛泥膜的實(shí)泥膜分布狀態(tài)基本吻合。但是，若除去虛泥膜，鋼管外表面實(shí)泥膜厚度薄、流動(dòng)性大，泥膜厚度難以測(cè)量，綜合考慮實(shí)驗(yàn)條件限制和測(cè)量誤差，選擇在泥膜較厚的情況下，通過(guò)測(cè)量未除虛泥膜的泥膜厚度作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源，以便用來(lái)印證實(shí)泥膜分布規(guī)律觀察結(jié)果。鑒于此，泥膜分布規(guī)律實(shí)驗(yàn)分為兩部分，即帶虛泥膜的泥膜厚度測(cè)量和實(shí)泥膜的分布觀察。

1.3.1 帶虛泥膜的泥膜厚度測(cè)量

①選用長(zhǎng)度L=15 cm鋼管，并制取特定井斜角下的井斜角控制裝置；②將井斜角控制裝置放置在3 000 mL空燒杯中。采用變頻高速攪拌機(jī)（8 000 r/min×5 min）攪拌鉆井液，緩緩倒入空燒杯，淹沒(méi)鋼管至液面距離鋼管中心10 cm，并浸泡4 min；③模擬鉆井液上返過(guò)程，使用燃燒匙舀鉆井液至備用燒杯中，控制鉆井液液面平緩下降至脫離鋼管；④置井斜角控制裝置于陰涼處20 min，控制鋼管外表面泥膜處于半干狀態(tài)，便于“針入法”測(cè)量泥膜厚度；⑤使用泥膜厚度測(cè)量裝置（圖2），分別測(cè)量、記錄鋼管外表面測(cè)量點(diǎn)泥膜厚度（圖3）。當(dāng)模擬探針接觸到泥膜外緣時(shí)，模擬探針、導(dǎo)線、紐扣電池、螺口小燈泡就會(huì)形成閉合回路，燈泡發(fā)光。記下此時(shí)游標(biāo)卡尺的示數(shù)H1?；顒?dòng)卡腳繼續(xù)下降，直至探針碰到鋼管時(shí)，燈泡達(dá)到最大亮度，記下示數(shù)H2，兩次讀數(shù)之差即為泥膜厚度。

圖3 套管測(cè)量點(diǎn)位置示意圖

1.3.2 實(shí)泥膜的分布觀察

該實(shí)驗(yàn)選用長(zhǎng)度L=15 cm鋼管，并在帶虛泥膜的泥膜厚度測(cè)量實(shí)驗(yàn)步驟①、②、③基礎(chǔ)上進(jìn)行。

①為了模擬沖洗隔離液作用原理，將井斜角控制裝置的帶虛泥膜鋼管平緩下放至自來(lái)水中，浸泡3 min，再自水中平緩上提出（模擬洗井）；②置井斜角控制裝置于陰涼處8 h，至泥膜晾干，逐個(gè)觀察描述泥膜分布。

1.4 界面膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)量方法

該實(shí)驗(yàn)選用長(zhǎng)度L=10 cm鋼管，并在實(shí)泥膜的分布觀察步驟①基礎(chǔ)上進(jìn)行。

①置井斜角控制裝置于陰涼處40 min，至鋼管外表面實(shí)泥膜喪失流動(dòng)性；②制取2 cm厚水泥環(huán)，結(jié)合PVC給水管、PVDC保鮮膜和BOPP封箱膠帶，制取防液漏密封裝置。并將實(shí)驗(yàn)組鋼管豎直置于防液漏密封裝置中；③采用瓦楞恒速攪拌器（先3 000 r/min×10 s，后12 000 r/min×35 s）攪拌100%嘉華G級(jí)水泥，水灰比取0.44。將水泥漿倒入防液漏密封裝置中；④采用TG-1280B型強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)箱，95 ℃水浴養(yǎng)護(hù)上步驟中防液漏密封裝置，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1 d；⑤取出并拆封上步驟中防液漏密封裝置。將水泥環(huán)與鋼管未膠結(jié)部分進(jìn)行刮拭處理，然后用鋼尺量出水泥環(huán)與鋼管膠結(jié)面的高度h，并做記錄，然后用WDWY10A型電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)量其膠結(jié)強(qiáng)度（圖4），依次記錄界面剪切力，然后計(jì)算得到界面膠結(jié)強(qiáng)度[17]：

式中p表示界面膠結(jié)強(qiáng)度，MPa；F表示界面剪切力，kN；h表示鋼管與水泥環(huán)膠結(jié)部分的高度，cm；D表示鋼管外直徑，本實(shí)驗(yàn)為3.3 cm。

圖4 界面剪切力測(cè)試示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在帶虛泥膜的泥膜厚度測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，泥膜厚度受固相顆粒沉降作用和鉆井液重力流動(dòng)作用影響。

固相顆粒沉降有兩種作用形式：Ⅰ是鉆井液液深加大，固相顆粒聚集，鉆井液本體黏稠化，黏附力變大，使鋼管所有部位泥膜厚度均變大。該作用主要與鋼管埋深有關(guān)。Ⅱ是井斜角從0°增大到86°時(shí)，固相顆粒沉降在鋼管軸向橫截面上半部分外表面。鋼管上表面固相顆粒沉降變多，上表面泥膜較大程度加厚；左、右表面上半部分較少固相顆粒沉降，左、右表面上半部分泥膜輕微加厚，左、右表面下半部分和下表面無(wú)固相顆粒沉降，左、右表面下半部分和下表面泥膜厚度不受影響。

鉆井液重力流動(dòng)也有兩種作用形式：Ⅰ是鋼管埋深不變、井斜角從0°增大到86°時(shí)，鋼管上表面虛泥膜在重力作用下流動(dòng)，會(huì)在鋼管左、右表面發(fā)生部分黏附和下表面大量堆積。因此，當(dāng)井斜角增大，鉆井液重力流動(dòng)作用使上表面泥膜厚度變小，左、右表面泥膜輕微加厚，下表面泥膜較大程度加厚。Ⅱ是井斜角不變、埋深改變時(shí)，鋼管同一軸向長(zhǎng)度的徑向外表面泥膜均向緊鄰低部位另一軸向長(zhǎng)度的徑向外表面發(fā)生重力下的流動(dòng)堆積加厚，使鋼管所有位置的軸線方向下部位相對(duì)上部位泥膜均變厚。

2.1 井斜角對(duì)泥膜厚度的影響

據(jù)不同井斜角下鋼管上、下、左、右表面的泥膜厚度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平均值作圖5，從中可以看出，井斜角分別為0°、30°、60°、86°時(shí)，鋼管在上、下、左、右表面的上部位、中部位、下部位的泥膜厚度依次變大。

圖5 不同井斜角條件下鋼管軸向泥膜厚度變化規(guī)律圖

此時(shí)，鋼管外表面泥膜厚度受固相顆粒沉降作用Ⅰ、Ⅱ和鉆井液重力流動(dòng)作用Ⅱ的影響，其中鉆井液重力流動(dòng)作用Ⅱ起主要作用。

固相顆粒沉降作用Ⅰ使鉆井液液深大處鉆井液黏稠度大，黏附力變大，使同一軸向長(zhǎng)度的徑向外表面泥膜相對(duì)緊鄰高部位輕微加厚。固相顆粒沉降作用Ⅱ也使同一軸向長(zhǎng)度左、右表面上半部分的固相顆粒沉降數(shù)量略多于緊鄰高部位，其泥膜輕微程度加厚，同時(shí)，也使同一軸向長(zhǎng)度上表面的固相顆粒沉降數(shù)量多于緊鄰高部位，其泥膜略大程度加厚。在鉆井液重力流動(dòng)作用Ⅱ作用下，鋼管同一軸向長(zhǎng)度的徑向外表面泥膜均向緊鄰低部位另一軸向長(zhǎng)度的徑向外表面發(fā)生重力下的流動(dòng)堆積，泥膜較大程度加厚。

為了進(jìn)一步分析井斜角對(duì)鋼管上、下、左、右表面泥膜厚度的影響規(guī)律，基于圖5中不同井斜角條件下鋼管上、下、左、右表面中部位的泥膜厚度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平均值可作圖6。從圖6可以看出：

圖6 鋼管上、下、左、右表面泥膜厚度與井斜角的關(guān)系圖

1）鋼管上表面泥膜厚度隨井斜角的增大而增大。鋼管上表面泥膜厚度受固相顆粒沉降作用Ⅰ、Ⅱ和鉆井液重力流動(dòng)作用Ⅰ的影響，其中，固相顆粒沉降作用Ⅱ占主導(dǎo)地位。隨著井斜角的增大，鉆井液固相顆粒在鋼管上表面沉降變多，黏附力增大，從而上表面泥膜厚度變大。

2）鋼管左、右、下表面泥膜厚度均在井斜角為0°、30°、60°、86°時(shí)，呈先遞增后遞減再遞增的趨勢(shì)，井斜角為30°為最大值點(diǎn)。鋼管左、右表面泥膜厚度受固相顆粒沉降Ⅰ、Ⅱ和鉆井液重力流動(dòng)作用Ⅰ的影響，下表面泥膜厚度受固相顆粒沉降Ⅰ和鉆井液重力流動(dòng)作用Ⅰ的影響。其中，鉆井液重力流動(dòng)作用Ⅰ對(duì)鋼管左、右、下泥膜厚度均具有主導(dǎo)性影響。隨井斜角的增大，鉆井液重力流動(dòng)對(duì)鋼管左、右、下表面的泥膜再分配作用先增強(qiáng)后輕微削弱再增強(qiáng)，在井斜角為30°時(shí)達(dá)到最大，并且其對(duì)下表面的影響比對(duì)左、右表面更為顯著。

3）井斜角從0°增大到86°時(shí)，鋼管左、右表面泥膜厚度改變幅度小，上、下表面泥膜厚度改變幅度大。

固相顆粒沉降作用Ⅰ對(duì)鋼管左、右、下表面作用強(qiáng)度相同，對(duì)泥膜厚度分異無(wú)影響。固相顆粒沉降作用Ⅱ和鉆井液重力流動(dòng)Ⅰ，對(duì)鋼管上、下表面泥膜厚度的影響均比對(duì)左、右表面的影響小。實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為井斜角增大時(shí)，鋼管外表面泥膜厚度改變幅度不一致的現(xiàn)象。

對(duì)圖6的橫軸和縱軸位置互換，可得圖7。從圖7可以看出：①當(dāng)井斜角為0°時(shí)，鋼管上、下、左、右四個(gè)表面彼此對(duì)稱，泥膜厚度接近、均比較?。虎诋?dāng)井斜角為30°時(shí)，下表面泥膜厚度最大，鋼管上表面泥膜厚度次之，左、右表面泥膜厚度最??；③當(dāng)井斜角為60°時(shí)，鋼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?。讳摴芟?、左、右表面泥膜厚度均較薄，三者厚度相近，上表面泥膜厚度較大；④當(dāng)井斜角為86°時(shí)，鋼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；鋼管左、右表面泥膜厚度均較薄，下表面泥膜厚度較大，上表面泥膜厚度很大。

圖7 不同井斜角條件下鋼管外表面泥膜分布圖

2.2 井斜角對(duì)實(shí)泥膜分布的影響

在實(shí)泥膜厚度分布觀察實(shí)驗(yàn)中，泥膜厚度受固相顆粒沉降作用Ⅰ、Ⅱ、鉆井液重力流動(dòng)作用Ⅰ、Ⅱ和模擬洗井作用影響。不同井斜角條件下鋼管外表面實(shí)泥膜分布狀況如圖8所示。

模擬洗井作用：浸泡過(guò)程使鋼管外表面虛泥膜疏松、部分脫落，下放上提過(guò)程模擬前置清洗液沖刷虛泥膜。浸泡過(guò)程對(duì)鋼管外表面泥膜厚度呈同等程度削減效果，下放上提過(guò)程模擬得到油井現(xiàn)場(chǎng)洗井后泥膜在重力流動(dòng)后的差異化分布，此過(guò)程對(duì)鋼管上、下表面泥膜沖刷作用較小，左、右表面沖刷作用較大，在實(shí)泥膜分布方面的突出表現(xiàn)為，井斜角從0°增加到86°時(shí)，泥膜偏薄和鋼管裸露區(qū)域面積占比增大。

由圖8可以看出，①當(dāng)井斜角為0°時(shí)，沿鋼管軸向上，自上向下泥膜逐漸變厚；在徑向上，泥膜呈現(xiàn)環(huán)狀分布，厚度相仿。鋼管上部位泥膜具有一定厚度，在失水時(shí)翹皮剝落。拋開泥膜剝落的意外因素，黏附在鋼管外表面的泥膜略薄，分布均勻，覆蓋完整。②當(dāng)井斜角為30°時(shí)，沿鋼管軸向上，自上向下泥膜逐漸變厚；在徑向上，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。在鋼管上表面上部位，泥膜厚度很薄，已有零星鋼管裸露區(qū)，鋼管其他位置泥膜略厚些。③當(dāng)井斜角為60°時(shí)，沿鋼管軸向上，自上向下泥膜逐漸變厚；在徑向上，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。鋼管下表面上部位，泥膜厚度很薄，可見(jiàn)較大面積鋼管裸露區(qū)，鋼管其他位置泥膜均有一定厚度。④當(dāng)井斜角為86°時(shí)，沿鋼管軸向上，泥膜厚度相近，下部位泥膜略厚；在徑向上，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 泥膜對(duì)界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響

不同井斜角條件下界面膠結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，帶泥膜組界面膠結(jié)強(qiáng)度隨著井斜角增大而增大，而裸鋼管組界面膠結(jié)強(qiáng)度則比帶泥膜組大得多。

究其原因，從裸鋼管和帶泥膜的固井—界面膠結(jié)剖面照片（圖10）可以看出，對(duì)于裸鋼管組，固井一界面處沒(méi)有泥膜，固井一界面實(shí)質(zhì)上是水泥環(huán)和鋼管形成的簡(jiǎn)單膠結(jié)面，水泥水化產(chǎn)物通過(guò)吸附作用[18-21]和機(jī)械摩擦力，產(chǎn)生很大的膠結(jié)強(qiáng)度，界面抗剪黏結(jié)性能優(yōu)異。因此裸鋼管組界面平均膠結(jié)強(qiáng)度為0.197 3 MPa，約為帶泥膜組（α=0°）的21.45倍。

對(duì)于帶泥膜組（α=0°），鋼管外表面黏附的泥膜厚度略薄，無(wú)缺失部分，泥膜是界面膠結(jié)的薄弱環(huán)節(jié)，因此其界面平均膠結(jié)強(qiáng)度僅為0.009 2 MPa。

對(duì)于帶泥膜組（α=30°），鋼管上表面上部位，泥膜厚度很薄，有零星鋼管裸露區(qū)，其他部位泥膜相對(duì)略厚。因此其界面平均膠結(jié)強(qiáng)度為0.0195 MPa，約為帶泥膜組（α=0°）的2.12倍。

對(duì)于帶泥膜組（α=60°），鋼管下表面上部位，泥膜厚度很薄，有較大面積鋼管裸露區(qū)，其他部位泥膜均有一定厚度。因此其界面平均膠結(jié)強(qiáng)度為0.0357 MPa，約為帶泥膜組（α=30°）的1.83倍。

圖8 不同井斜角條件下鋼管外表面實(shí)泥膜分布狀況照片

對(duì)于帶泥膜組（α=86°），鋼管上表面的泥膜厚度相對(duì)要大得多，肉眼可見(jiàn)有很厚的干泥膜翹起，左右表面則出現(xiàn)大片鋼管裸露區(qū)。鋼管上表面泥膜很厚，對(duì)界面膠結(jié)強(qiáng)度影響較小，而左右表面有大片的鋼管裸露區(qū)，因此其界面平均膠結(jié)強(qiáng)度為0.068 5 MPa，約為帶泥膜組（α=60°）的1.92倍。

綜上所述，隨著井斜角從0°增大到86°，界面膠結(jié)強(qiáng)度依次增大，這與鋼管裸露區(qū)在其外表面實(shí)泥膜中面積占比逐漸變大是一致的。

3 結(jié)論

1）帶虛泥膜時(shí)，鋼管上表面的泥膜厚度隨井斜角的增大而增大，而左、右、下表面的泥膜厚度均呈先遞增后遞減再遞增的趨勢(shì)，并且隨井斜角增大，鋼管左、右表面泥膜厚度改變幅度小，上、下表面泥膜厚度改變幅度大。

圖9 井斜角與界面膠結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系圖

圖10 裸鋼管和帶泥膜的固井一界面膠結(jié)剖面照片

2）隨著井斜角的增大，鋼管表面的實(shí)泥膜由均勻分布變?yōu)楸『裣嚅g分布，并且除去虛泥膜時(shí)，外表面厚度較薄部分的泥膜尤其是鋼管裸露區(qū)面積占比增大。

3）裸套管組界面膠結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于帶泥膜組界面膠結(jié)強(qiáng)度，并且隨著井斜角增大，帶泥膜組界面膠結(jié)強(qiáng)度趨于增大。

4）隨著井斜角增大，界面膠結(jié)強(qiáng)度依次增大與鋼管裸露區(qū)在其外表面實(shí)泥膜中的面積占比密切相關(guān)。