考慮多因素的固井二界面膠結抗拉強度室內評價方法

楊春和，王 磊，曾義金，郭印同，楊廣國，劉 奎

（1.巖土力學與工程國家重點實驗室（中國科學院武漢巖土力學研究所），湖北武漢 430071；2.中石化石油工程技術研究院有限公司，北京 102206）

水泥環是固井施工后在套管與地層之間形成的環狀水泥石結構，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]、地熱井[4–5]、地下儲能庫[6–7]等的長期安全生產與運行。從套管–水泥環–地層的角度來看，環空密封失效的發生存在于水泥環的3 個部位：水泥環本體、一界面（套管–水泥環界面）和二界面（水泥環–地層界面）。與前面2 個部位相比，由于井壁面不規則、鉆井液殘留等原因，固井二界面的膠結質量不易控制，是整個環空封隔的最薄弱環節，當前油氣井固井質量問題的根源大都是固井二界面封固系統的失效[8]。

針對固井二界面的膠結特性，顧軍等人[9]詳細闡述了固井二界面封固系統及其重要性；郭辛陽等人[10]認為固井微環隙是導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導致微環隙形成。多位學者[11–15]開展了固井二界面力學膠結強度的試驗研究，設計了不同類型的評價裝置，模擬了高溫高壓環境下鉆井液在巖心上形成濾餅、鉆井液動態沖洗濾餅和水泥環的形成養護等過程，并采用壓剪或沖剪的方式獲得了界面膠結強度。楊振杰[16]、M.Maagi 等人[17]在其研究中呈現了掃描電鏡下水泥漿–濾餅–巖石過渡界面的復雜膠結特征；N.Opedal 等人[18]采用CT 掃描重構的方法，研究了沖剪作用后水泥石–地層界面的貫通破壞路徑。

文獻調研可知，以往的研究主要聚焦于水泥環–地層界面的膠結剪切強度，很少針對膠結抗拉強度開展研究，主要瓶頸在于尚未系統建立含界面試樣的制備及相應的測試方法，二界面張拉破裂是一種典型的破裂模式，可由水泥石收縮、溫度壓力擾動等因素誘發[19–20]。此外，以往的評價方法也較少考慮巖性和界面粗糙度這2 個重要因素，評價維度較為單一。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、膠結細觀結構、抗拉強度、破裂形貌等多個維度，建立了較為全面系統的固井二界面膠結抗拉強度室內評價方法，通過多因素試驗，驗證了該方法的有效性，并初步獲得了各因素對固井二界面膠結抗拉強度的影響規律。

1 評價方法的建立

考慮固井二界面的形成過程和影響因素的多樣性，該評價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–水泥石界面細觀結構表征和界面膠結抗拉強度測試等步驟。

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，接著利用數控高精度雕刻機和線切割設備在巖樣中部制作界面，再將巖樣與后續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貙訋r性，選擇頁巖、砂巖、灰巖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程，可考慮鉆井液類型、溫度、壓力和時間等因素的影響。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程，可考慮沖洗液類型和不同沖洗條件，采用沖洗效率指標評價沖洗效果。沖洗效率的計算公式為：

式中：η為沖洗效率；m0為巖樣的初始質量，g；m1為鉆井液沉積并倒出表層流動部分后巖樣的質量，g；m2為清洗后巖樣的質量，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，在設定的溫度、壓力條件下充分養護，確保水泥石內部結構和強度趨于穩定，可考慮水泥漿類型、養護溫度、壓力、時間等因素。對養護后組合體試樣水泥石部分的端面進行切割打磨，得到可用于抗拉強度測試的標準組合體試樣（?50 mm × 25 mm 圓柱）。

1.2 界面細觀結構表征

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

1.3 界面膠結抗拉強度測試設備及試驗原理

利用中國科學院武漢巖土力學研究所自主研制的RMT-150C 巖石力學測試系統測試巖石–水泥石界面抗拉強度，測試過程中為避免加載接觸區域應力集中，采用了國際巖石力學協會推薦的弧面加載方式（見圖1）。界面抗拉強度的計算公式為：

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

式中：σft為界面抗拉強度，MPa；P為組合體界面中心位置起裂擴展時對應的荷載，N；D為試樣直徑，mm；h為試樣厚度，mm。

觀測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、有效膠結區域等特征。

2 新評價方法合理性驗證試驗

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強度的主要因素，設計了界面膠結抗拉強度評價試驗，一方面檢驗所建評價方法的有效性，另一方面初步評價各因素對界面膠結抗拉強度的影響。具體的試驗方案設計見表1，各因素下進行3 次重復試驗。

表1 試驗方案設計Table 1 Experimental scheme design

選擇頁巖和砂巖2 種巖性的巖樣，頁巖巖樣取自重慶涪陵龍馬溪組頁巖露頭，砂巖巖樣取自鄂爾多斯盆地致密砂巖露頭，測試了頁巖和砂巖巖樣的物理力學參數，結果見表2。由表2可知，頁巖的抗壓強度、彈性模量和抗拉強度均顯著高于砂巖，砂巖的滲透率顯著高于頁巖。

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

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

圖2 巖樣表面粗糙度設置Fig. 2 Roughness setting of rock surface

對于巖樣的界面處理，采用取自重慶涪陵頁巖氣井鉆井現場的油基鉆井液和沖洗液，共設置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，對應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，對應清洗效果較差的情況。

制備巖石–水泥石組合體試樣時，分別選擇了常規水泥漿、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 ℃、常壓條件下養護28 d，以確保水泥石內部結構和強度趨于穩定，對水泥石部分的端面進行切割和打磨，得到可用于試驗的標準組合體試樣（?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 試驗結果分析

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 的頁巖巖樣，沖洗效率分別為93.0%，91.2%和89.6%?？梢钥闯?，隨界面粗糙度增大，沖洗效率小幅度降低，原因在于頁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 頁巖巖樣時的沖洗效率分別為76.5%和91.2%，表明清水無法有效清洗頁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，由于頁巖結構致密，滲透率較?。?.21 μD），鉆井液殘留較少，沖洗效率較高（91.2%）；而砂巖結構相對疏松，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 界面膠結細觀結構

巖石–水泥石典型的界面膠結細觀結構如圖4所示。在沖洗液和清水聯合沖洗后，由于頁巖表面的沖洗效率較高，頁巖–水泥石界面無明顯缺陷，整體膠結良好（見圖4（a）和圖4（b）），界面處的水泥石部分存在膠結過渡帶，厚度約0.33～0.87 mm，該區域內水泥石膠結相對疏松，含較多孔隙；隨著界面粗糙度增加，膠結過渡帶厚度增大，且缺陷區域更大。頁巖表面僅用清水沖洗時，頁巖–水泥石界面附近可觀測到殘留鉆井液分布，局部厚度超過600 μm，濾餅內部還含有較多微裂縫、孔洞，界面整體膠結較差（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分布，界面處具有較多孔洞、微裂縫等缺陷，界面整體膠結最差（見圖4（d））。

圖4 巖石–水泥石界面膠結細觀結構Fig. 4 Meso-structure of the rock-cement interfaces

3.3 界面抗拉強度

采用上文的評價方法分析巖性、界面粗糙度、界面清潔度和水泥漿對巖石–水泥石界面抗拉強度的影響。界面粗糙度0.2 mm 頁巖和砂巖巖樣經相同鉆井液污染，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度如圖5所示。從圖5 可以看出，頁巖–水泥石界面的抗拉強度為0.35 MPa，砂巖–水泥石界面的抗拉強度僅為0.01 MPa，這是因為砂巖沖洗效率較低（63.1%）、殘留的鉆井液過多造成的。

圖5 巖性對巖石–水泥石界面抗拉強度的影響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，水泥石和頁巖表面的膠結面積差異較小，界面抗拉強度變化不大，約0.35 MPa；當粗糙度較大時（粗糙度為1.0 mm），膠結面積有較大幅度增加，界面抗拉強度明顯增強，達到0.62 MPa。

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

界面粗糙度為0.2 mm 的頁巖巖樣經鉆井液污染+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，抗拉強度急劇降低；在界面完全清潔的狀態下，界面抗拉強度為0.83 MPa；鉆井液污染后，用沖洗液與清水聯合沖洗，界面抗拉強度降至0.35 MPa，而只用清水沖洗，界面抗拉強度僅為0.09 MPa。

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

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

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

總體來看，各因素下3 次重復試驗的結果離散性較小，表明該評價方法的重現性較好；不同因素之間的測試結果具有較顯著的差異，說明該評價方法的區分度較好。

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

經沖洗液和清水聯合清洗后界面比較潔凈的狀態下，在頁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）），表明頁巖和水泥石形成了一定的膠結強度；隨著界面粗糙度增加，殘留水泥的面積有減小趨勢，并可觀察到局部殘留鉆井液。沖洗方式對裂縫面特征的影響顯著，僅用清水沖洗的情況下，整個頁巖斷裂面大部分被殘留的鉆井液覆蓋（見圖9（d）），與此相對應的是較低的界面抗拉強度。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（見圖9（e））。頁巖–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巖的膠結更為充分，對應的界面抗拉強度也更高。

4 結 論

1）考慮沖洗效率、膠結細觀結構、抗拉強度和破裂形貌等因素，建立了一種固井二界面膠結抗拉強度評價新方法。多因素試驗結果表明，該評價方法科學合理、步驟清晰、簡單適用、試驗結果離散性小，不同因素下測試結果區分度好，具有較高的推廣價值。

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

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

4）高滲透性砂巖相對于低滲透頁巖，更易于吸附鉆井液且不易清洗，導致界面殘留大量的鉆井液，無法與水泥漿形成有效膠結。

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質量的關鍵，水泥漿中添加樹脂能夠進一步顯著提高固井二界面的膠結強度。