楊春和，王 磊，曾義金，郭印同，楊廣國(guó)，劉 奎

（1.巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所），湖北武漢 430071；2.中石化石油工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

水泥環(huán)是固井施工后在套管與地層之間形成的環(huán)狀水泥石結(jié)構(gòu)，具有封隔地層、加固井眼的作用[1]，其封固性能直接影響著油氣井[2–3]、地?zé)峋甗4–5]、地下儲(chǔ)能庫(kù)[6–7]等的長(zhǎng)期安全生產(chǎn)與運(yùn)行。從套管–水泥環(huán)–地層的角度來(lái)看，環(huán)空密封失效的發(fā)生存在于水泥環(huán)的3 個(gè)部位：水泥環(huán)本體、一界面（套管–水泥環(huán)界面）和二界面（水泥環(huán)–地層界面）。與前面2 個(gè)部位相比，由于井壁面不規(guī)則、鉆井液殘留等原因，固井二界面的膠結(jié)質(zhì)量不易控制，是整個(gè)環(huán)空封隔的最薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)前油氣井固井質(zhì)量問(wèn)題的根源大都是固井二界面封固系統(tǒng)的失效[8]。

針對(duì)固井二界面的膠結(jié)特性，顧軍等人[9]詳細(xì)闡述了固井二界面封固系統(tǒng)及其重要性；郭辛陽(yáng)等人[10]認(rèn)為固井微環(huán)隙是導(dǎo)致密封失效的重要原因之一，二界面存在的濾餅及水泥石體積收縮會(huì)導(dǎo)致微環(huán)隙形成。多位學(xué)者[11–15]開展了固井二界面力學(xué)膠結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了不同類型的評(píng)價(jià)裝置，模擬了高溫高壓環(huán)境下鉆井液在巖心上形成濾餅、鉆井液動(dòng)態(tài)沖洗濾餅和水泥環(huán)的形成養(yǎng)護(hù)等過(guò)程，并采用壓剪或沖剪的方式獲得了界面膠結(jié)強(qiáng)度。楊振杰[16]、M.Maagi 等人[17]在其研究中呈現(xiàn)了掃描電鏡下水泥漿–濾餅–巖石過(guò)渡界面的復(fù)雜膠結(jié)特征；N.Opedal 等人[18]采用CT 掃描重構(gòu)的方法，研究了沖剪作用后水泥石–地層界面的貫通破壞路徑。

文獻(xiàn)調(diào)研可知，以往的研究主要聚焦于水泥環(huán)–地層界面的膠結(jié)剪切強(qiáng)度，很少針對(duì)膠結(jié)抗拉強(qiáng)度開展研究，主要瓶頸在于尚未系統(tǒng)建立含界面試樣的制備及相應(yīng)的測(cè)試方法，二界面張拉破裂是一種典型的破裂模式，可由水泥石收縮、溫度壓力擾動(dòng)等因素誘發(fā)[19–20]。此外，以往的評(píng)價(jià)方法也較少考慮巖性和界面粗糙度這2 個(gè)重要因素，評(píng)價(jià)維度較為單一。為此，筆者綜合考慮了巖性、界面粗糙度、鉆井液污染、沖洗液清洗和水泥漿體系等主要因素，形成了巖石–水泥石組合體試樣制備方法，從沖洗效率、膠結(jié)細(xì)觀結(jié)構(gòu)、抗拉強(qiáng)度、破裂形貌等多個(gè)維度，建立了較為全面系統(tǒng)的固井二界面膠結(jié)抗拉強(qiáng)度室內(nèi)評(píng)價(jià)方法，通過(guò)多因素試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性，并初步獲得了各因素對(duì)固井二界面膠結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 評(píng)價(jià)方法的建立

考慮固井二界面的形成過(guò)程和影響因素的多樣性，該評(píng)價(jià)方法主要包括巖樣制備、巖樣界面鉆井液沉積與沖洗液清洗、巖石–水泥石組合體試樣制備、巖石–水泥石界面細(xì)觀結(jié)構(gòu)表征和界面膠結(jié)抗拉強(qiáng)度測(cè)試等步驟。

1.1 巖石–水泥石組合體試樣制備

1）巖樣制備。先將巖石樣品加工成?50 mm ×25 mm 的圓柱巖樣，接著利用數(shù)控高精度雕刻機(jī)和線切割設(shè)備在巖樣中部制作界面，再將巖樣與后續(xù)水泥漿接觸的表面制備成粗糙起伏的形貌，以模擬井壁?？筛鶕?jù)地層巖性，選擇頁(yè)巖、砂巖、灰?guī)r等不同巖性的巖石制備巖樣。

2）巖樣界面處理。巖樣表面沉積鉆井液，模擬鉆井液在井壁面沉積形成濾餅的過(guò)程，可考慮鉆井液類型、溫度、壓力和時(shí)間等因素的影響。巖樣表面用沖洗液清洗，模擬固井工序中前置沖洗液清洗殘留鉆井液的過(guò)程，可考慮沖洗液類型和不同沖洗條件，采用沖洗效率指標(biāo)評(píng)價(jià)沖洗效果。沖洗效率的計(jì)算公式為：

式中：η為沖洗效率；m0為巖樣的初始質(zhì)量，g；m1為鉆井液沉積并倒出表層流動(dòng)部分后巖樣的質(zhì)量，g；m2為清洗后巖樣的質(zhì)量，g。

3）巖石–水泥石組合體試樣制備。將處理完界面的巖樣放入模具，澆注水泥漿，在設(shè)定的溫度、壓力條件下充分養(yǎng)護(hù)，確保水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，可考慮水泥漿類型、養(yǎng)護(hù)溫度、壓力、時(shí)間等因素。對(duì)養(yǎng)護(hù)后組合體試樣水泥石部分的端面進(jìn)行切割打磨，得到可用于抗拉強(qiáng)度測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)組合體試樣（?50 mm × 25 mm 圓柱）。

1.2 界面細(xì)觀結(jié)構(gòu)表征

利用工業(yè)顯微鏡觀測(cè)巖石–水泥石組合體試樣的界面，分析界面處巖石–水泥石膠結(jié)狀態(tài)、鉆井液殘留分布、孔洞–微裂縫形態(tài)等特征。

1.3 界面膠結(jié)抗拉強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備及試驗(yàn)原理

利用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所自主研制的RMT-150C 巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試巖石–水泥石界面抗拉強(qiáng)度，測(cè)試過(guò)程中為避免加載接觸區(qū)域應(yīng)力集中，采用了國(guó)際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)推薦的弧面加載方式（見圖1）。界面抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

圖1 試樣中部界面的受力狀態(tài)Fig. 1 Stress state of middle interface of rock sample

式中：σft為界面抗拉強(qiáng)度，MPa；P為組合體界面中心位置起裂擴(kuò)展時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載，N；D為試樣直徑，mm；h為試樣厚度，mm。

觀測(cè)并分析張拉破裂后的巖石–水泥石界面，獲得裂縫路徑、界面形貌、有效膠結(jié)區(qū)域等特征。

2 新評(píng)價(jià)方法合理性驗(yàn)證試驗(yàn)

考慮巖性、界面粗糙度、鉆井液沉積、沖洗液沖洗和水泥漿等影響固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度的主要因素，設(shè)計(jì)了界面膠結(jié)抗拉強(qiáng)度評(píng)價(jià)試驗(yàn)，一方面檢驗(yàn)所建評(píng)價(jià)方法的有效性，另一方面初步評(píng)價(jià)各因素對(duì)界面膠結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響。具體的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表1，各因素下進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table 1 Experimental scheme design

選擇頁(yè)巖和砂巖2 種巖性的巖樣，頁(yè)巖巖樣取自重慶涪陵龍馬溪組頁(yè)巖露頭，砂巖巖樣取自鄂爾多斯盆地致密砂巖露頭，測(cè)試了頁(yè)巖和砂巖巖樣的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見表2。由表2可知，頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度均顯著高于砂巖，砂巖的滲透率顯著高于頁(yè)巖。

表2 不同巖性巖樣的力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of rock sample with different lithology

對(duì)于巖樣界面粗糙度，共設(shè)置了3 種界面形態(tài)：1）光滑界面，表面完全平整光滑，是一種理想狀態(tài)；2）輕微起伏界面，粗糙度為0.2 mm，用于模擬真實(shí)井壁的輕微凹凸起伏狀態(tài)；3）較大起伏界面，粗糙度為1.0 mm，較大的凹凸起伏對(duì)應(yīng)局部地層破碎較嚴(yán)重、存在輕微掉塊垮塌的區(qū)域（見圖2）。

圖2 巖樣表面粗糙度設(shè)置Fig. 2 Roughness setting of rock surface

對(duì)于巖樣的界面處理，采用取自重慶涪陵頁(yè)巖氣井鉆井現(xiàn)場(chǎng)的油基鉆井液和沖洗液，共設(shè)置3 種鉆井液沉積與沖洗方案：1）新鮮干凈表面，不做任何處理，作為空白對(duì)照組；2）10 mL 鉆井液沉積6 h+10 mL 沖洗液（60 ℃）沖洗+10 mL 清水（60 ℃）沖洗，對(duì)應(yīng)清洗較為充分的情況；3）10 mL 鉆井液沉積6 h+10 mL 清水（60 ℃）沖洗，對(duì)應(yīng)清洗效果較差的情況。

制備巖石–水泥石組合體試樣時(shí)，分別選擇了常規(guī)水泥漿、3% 彈韌性水泥漿、6% 彈韌性水泥漿、9% 彈韌性水泥漿和樹脂水泥漿等5 種水泥漿，在60 ℃、常壓條件下養(yǎng)護(hù)28 d，以確保水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，對(duì)水泥石部分的端面進(jìn)行切割和打磨，得到可用于試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)組合體試樣（?50 mm × 25 mm 圓柱），制備完成的典型組合體試樣見圖3。

圖3 制備完成的部分典型組合體試樣Fig. 3 Some prepared typical rock-cement composite specimens

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 界面沖洗效率

采用沖洗液+清水沖洗界面粗糙度為0，0.2 和1.0 mm 的頁(yè)巖巖樣，沖洗效率分別為93.0%，91.2%和89.6%?？梢钥闯觯S界面粗糙度增大，沖洗效率小幅度降低，原因在于頁(yè)巖表面凹陷低洼位置的鉆井液不易清洗干凈。采用清水、沖洗液+清水沖洗界面粗糙度0.2 mm 頁(yè)巖巖樣時(shí)的沖洗效率分別為76.5%和91.2%，表明清水無(wú)法有效清洗頁(yè)巖表面附著的油基鉆井液，而加入沖洗液可顯著提高沖洗效果。在相同的鉆井液沉積和清洗條件下，由于頁(yè)巖結(jié)構(gòu)致密，滲透率較?。?.21 μD），鉆井液殘留較少，沖洗效率較高（91.2%）；而砂巖結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，滲透率較大（0.76 mD），鉆井液殘留較多，且附著緊密，不易清洗，清洗效率僅為63.1%。

3.2 界面膠結(jié)細(xì)觀結(jié)構(gòu)

巖石–水泥石典型的界面膠結(jié)細(xì)觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。在沖洗液和清水聯(lián)合沖洗后，由于頁(yè)巖表面的沖洗效率較高，頁(yè)巖–水泥石界面無(wú)明顯缺陷，整體膠結(jié)良好（見圖4（a）和圖4（b）），界面處的水泥石部分存在膠結(jié)過(guò)渡帶，厚度約0.33～0.87 mm，該區(qū)域內(nèi)水泥石膠結(jié)相對(duì)疏松，含較多孔隙；隨著界面粗糙度增加，膠結(jié)過(guò)渡帶厚度增大，且缺陷區(qū)域更大。頁(yè)巖表面僅用清水沖洗時(shí)，頁(yè)巖–水泥石界面附近可觀測(cè)到殘留鉆井液分布，局部厚度超過(guò)600 μm，濾餅內(nèi)部還含有較多微裂縫、孔洞，界面整體膠結(jié)較差（見圖4（c））。砂巖表面用沖洗液和清水沖洗后，由于沖洗效率較低，砂巖–水泥石界面處殘留的鉆井液連續(xù)分布，界面處具有較多孔洞、微裂縫等缺陷，界面整體膠結(jié)最差（見圖4（d））。

圖4 巖石–水泥石界面膠結(jié)細(xì)觀結(jié)構(gòu)Fig. 4 Meso-structure of the rock-cement interfaces

3.3 界面抗拉強(qiáng)度

采用上文的評(píng)價(jià)方法分析巖性、界面粗糙度、界面清潔度和水泥漿對(duì)巖石–水泥石界面抗拉強(qiáng)度的影響。界面粗糙度0.2 mm 頁(yè)巖和砂巖巖樣經(jīng)相同鉆井液污染，采用沖洗液和清水沖洗后，與3%彈韌性水泥漿形成巖石–水泥石界面的抗拉強(qiáng)度如圖5所示。從圖5 可以看出，頁(yè)巖–水泥石界面的抗拉強(qiáng)度為0.35 MPa，砂巖–水泥石界面的抗拉強(qiáng)度僅為0.01 MPa，這是因?yàn)樯皫r沖洗效率較低（63.1%）、殘留的鉆井液過(guò)多造成的。

圖5 巖性對(duì)巖石–水泥石界面抗拉強(qiáng)度的影響Fig. 5 Influence of lithology on the tensile strength of rockcement interface

界面粗糙度分別為0，0.2 和1.0 mm 的頁(yè)巖巖樣，用相同鉆井液污染，采用沖洗液和清水沖洗后，與3%彈韌性水泥漿形成巖石–水泥石界面的抗拉強(qiáng)度如圖6 所示。從圖6 可以看出：在光滑（粗糙度為0 mm）和較小粗糙度（粗糙度為0.2 mm）的情況下，水泥石和頁(yè)巖表面的膠結(jié)面積差異較小，界面抗拉強(qiáng)度變化不大，約0.35 MPa；當(dāng)粗糙度較大時(shí)（粗糙度為1.0 mm），膠結(jié)面積有較大幅度增加，界面抗拉強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，達(dá)到0.62 MPa。

圖6 界面粗糙度對(duì)巖石–水泥石界面抗拉強(qiáng)度的影響Fig. 6 Influence of surface roughness on the tensile strength of rock-cement interface

界面粗糙度為0.2 mm 的頁(yè)巖巖樣經(jīng)鉆井液污染+沖洗液和清水沖洗、鉆井液污染+清水沖洗、保持原狀等3 種方式處理后，與3%彈韌性水泥漿形成巖石–水泥石界面的抗拉強(qiáng)度如圖7 所示。從圖7可以看出；隨著界面殘留的鉆井液增多，抗拉強(qiáng)度急劇降低；在界面完全清潔的狀態(tài)下，界面抗拉強(qiáng)度為0.83 MPa；鉆井液污染后，用沖洗液與清水聯(lián)合沖洗，界面抗拉強(qiáng)度降至0.35 MPa，而只用清水沖洗，界面抗拉強(qiáng)度僅為0.09 MPa。

圖7 界面清潔度對(duì)巖石–水泥石界面抗拉強(qiáng)度的影響Fig. 7 Influence of surface cleanliness on the tensile strength of rock-cement interface

界面粗糙度為0.2 mm 的頁(yè)巖巖樣經(jīng)鉆井液污染，與彈韌性水泥漿（彈性材料加量為3%，6% 和9%）、常規(guī)水泥漿和樹脂水泥漿形成巖石–水泥石界面的抗拉強(qiáng)度如圖8 所示。由圖8 可知：頁(yè)巖–樹脂水泥石界面的抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到1.34 MPa；頁(yè)巖–常規(guī)水泥石界面的抗拉強(qiáng)度為0.60 MPa；頁(yè)巖–彈韌性水泥石界面的抗拉強(qiáng)度相對(duì)最低，為0.29～0.35 MPa，且隨著彈性材料加量增大，界面抗拉強(qiáng)度呈緩慢降低趨勢(shì)。

圖8 水泥漿對(duì)巖石–水泥石界面抗拉強(qiáng)度的影響Fig. 8 Influence of cement slurry on the tensile strength of rock-cement interface

總體來(lái)看，各因素下3 次重復(fù)試驗(yàn)的結(jié)果離散性較小，表明該評(píng)價(jià)方法的重現(xiàn)性較好；不同因素之間的測(cè)試結(jié)果具有較顯著的差異，說(shuō)明該評(píng)價(jià)方法的區(qū)分度較好。

3.4 界面破裂形貌分析

巖石–水泥石界面張拉破裂典型形貌如圖9 所示。從圖9 可以看出，破裂模式為張拉裂縫，裂縫在界面處起裂并沿著界面擴(kuò)展，巖石–水泥石組合體沿界面斷裂為兩半。

圖9 巖石–水泥石界面張拉破裂形貌Fig. 9 Tensile fracture morphology of rock-cement interface

經(jīng)沖洗液和清水聯(lián)合清洗后界面比較潔凈的狀態(tài)下，在頁(yè)巖部分的張拉破裂面可以觀察到較大面積的殘余水泥附著（見圖9（a）、圖9（b）和圖9（c）），表明頁(yè)巖和水泥石形成了一定的膠結(jié)強(qiáng)度；隨著界面粗糙度增加，殘留水泥的面積有減小趨勢(shì)，并可觀察到局部殘留鉆井液。沖洗方式對(duì)裂縫面特征的影響顯著，僅用清水沖洗的情況下，整個(gè)頁(yè)巖斷裂面大部分被殘留的鉆井液覆蓋（見圖9（d）），與此相對(duì)應(yīng)的是較低的界面抗拉強(qiáng)度。砂巖–水泥石破裂面殘留的鉆井液更多，原因在于，即使用沖洗液和清水充分清洗，砂巖表面仍然殘留大量的鉆井液，阻隔砂巖與水泥漿的有效膠結(jié)（見圖9（e））。頁(yè)巖–樹脂水泥石破裂面的特征與彈韌性水泥石的情況相似，只是頁(yè)巖表面殘留水泥的面積更大（見圖9（f）），表明樹脂水泥漿和頁(yè)巖的膠結(jié)更為充分，對(duì)應(yīng)的界面抗拉強(qiáng)度也更高。

4 結(jié) 論

1）考慮沖洗效率、膠結(jié)細(xì)觀結(jié)構(gòu)、抗拉強(qiáng)度和破裂形貌等因素，建立了一種固井二界面膠結(jié)抗拉強(qiáng)度評(píng)價(jià)新方法。多因素試驗(yàn)結(jié)果表明，該評(píng)價(jià)方法科學(xué)合理、步驟清晰、簡(jiǎn)單適用、試驗(yàn)結(jié)果離散性小，不同因素下測(cè)試結(jié)果區(qū)分度好，具有較高的推廣價(jià)值。

2）頁(yè)巖界面在沖洗液和清水聯(lián)合清洗下，隨著界面粗糙度增加，界面沖洗效率呈小幅降低趨勢(shì)；較大的界面粗糙度可提供更多的膠結(jié)面積，有利于提高界面的膠結(jié)抗拉強(qiáng)度。

3）頁(yè)巖–水泥石界面抗拉強(qiáng)度主要受界面清潔程度影響，隨著界面殘留的鉆井液增多，界面抗拉強(qiáng)度降低。

4）高滲透性砂巖相對(duì)于低滲透頁(yè)巖，更易于吸附鉆井液且不易清洗，導(dǎo)致界面殘留大量的鉆井液，無(wú)法與水泥漿形成有效膠結(jié)。

5）盡可能地提高沖洗效果，降低井壁鉆井液殘留是保障固井二界面膠結(jié)質(zhì)量的關(guān)鍵，水泥漿中添加樹脂能夠進(jìn)一步顯著提高固井二界面的膠結(jié)強(qiáng)度。