关于使用优质钻井液提高固井二界面的两个重要理论

  油水井固井的二界面是一个变化极大的界面,影响因素包括井下温度、压力、井下压力的动态变化、封固段岩性、固井液体系与性能、钻井液体系与性能、钻井时间等等,其中能够人为控制的因素有固井液体系与性能、钻井液体系与性能。固井液体系与性能对固井二界面的影响及机理研究较为深入,技术比较成熟,而钻井液体系与性能对固井二界面的影响及机理的研究是目前尚未深入的研究领域,因为人们认为钻井液的主要功能是保证钻井的正常进行,对固井质量有影响,但影响到那个程度、能不能通过对钻井液的改进来很好地解决固井二界面长期存在的问题知之甚少。

 

  从理论上说,固井二界面实际上应该是固井液形成的固化体(水化产物)与井壁表面形成的泥饼的胶结界面和泥饼与井壁形成的胶结界面两个胶结界面形成的复合胶结界面,钻井液和固井液一样是构成固井二界面的基本主体。如果只从固井液体系和性能上做文章,忽视钻井液体系与性能对固井二界面胶结强度的重要影响,在提高面胶结质量方面很难收到根本性的效果。而如果能够研究钻井液体系与性能对二界面微观结构和胶结强度的影响,认识其影响机理,从改进钻井液性能入手来提高界面胶结质量,应该是一个经济高效的技术路线,符合钻井工程服务于完井工程的新理念,对从根本上提高钻井工程的固井质量和油气井的耐久性,适应各种高难度特殊工艺井的开发需要,提高石油工业的勘探开发效益具有重要的技术和战略意义。为此,综述了国内外近年来有关钻井液对固井界面胶结质量影响的文献,目的是引起人们对此问题的重视,加强相关的研究工作。

 

  对于水泥基复合材料的界面理论研究而言,有两个主要的理论,一个是过渡层理论,一个是中心质假说和中心质效应理论。过渡层理论认为,在集料与水泥浆体之间存在一个孔隙度大、结晶尺寸较大、而且取向生成因而是低密度、低强度的过渡环带,是水泥基复合材料的薄弱环节。

 

  中国混凝土学科专家吴中伟教授则提出了混凝土中不同层次的中心质假说和中心质效应的概念,把混凝土中的骨料(或钢筋)看作大中心质,认为骨料界面的相互作用是多种性质作用的综合表现。在大中心质和介质(集料和水泥浆体)之间存在一个效应圈,其厚度(可达毫米级)比过渡层的厚度(约50~100Lm)大,而且随集料品种、水泥浆体组成和龄期的不同而变化。

 

  两种理论的不同之处在于,过渡层理论的观点认为界面过渡层结构疏松,对混凝土性能不利,是有害的因素,应当减少其厚度,以提高混凝土的性能;而中心质假说和中心质效应理论则希望通过大中心质有利的效应来改善或提高混凝土的均匀性和力学性能。因此中心质假说和中心质效应理论比过渡层理论更有积极的意义。将对胶结强度不利的因素转变为有利因素,并成为整体结构强度的一部分是效应圈理论最核心的思想。这是对混凝土中界面问题的积极观点:不是消极地躲避薄弱的过渡区,而是积极地改善过渡区结构,充分利用有利的效应,变不利为有利,将界面过渡区由整体强度的薄弱环节转变为增强层。

 

  在固井二界面胶结强度强化理论的研究中,中心质假说和中心质效应理论对我们有重要的启示作用,如何改进钻井液技术,通过新型钻井液体系的研究,发挥其对固井二界面胶结强度积极的增强作用,将钻井液泥饼由固井胶结质量的薄弱层转变为增强层,是钻井和完井工作者应该认真思考和研究的问题,也是今后复杂特殊工艺井改进固井质量的一个新的研究方向。