步玉環(huán)， 杜嘉培，柳華杰， 郭勝

(1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室(中國石油大學(華東))，山東青島266580; 2.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島266580)

中國南海石油絕大部分都集中在深水區(qū)域[1]，深水固井技術(shù)是保證深水海洋油氣鉆探井安全建井和長期壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。其中深水淺層弱膠結(jié)地層是否能長期有效封固面臨著更多的挑戰(zhàn)。對于深水固井而言，深部地層的壓實條件和溫度特性與常規(guī)陸地或淺海地層是相似的，固井技術(shù)的要求也基本相似；但深水淺層是弱膠結(jié)的，弱膠結(jié)地層地質(zhì)條件復(fù)雜，深水淺層固井面臨的問題包括：①深水弱膠結(jié)地層溫度低，水泥強度增長慢，形成良好封固層的時間長[2-3]，無法滿足對弱膠結(jié)地層氣、水的封固要求，甚至造成氣體從套管外噴出，使設(shè)備陷入地下[4]；②深水弱膠結(jié)地層破裂梯度低，在鉆井液泵注過程中極易發(fā)生漏失[5-6]；③弱膠結(jié)地層壓實時間短，滲透率較高，所以地層水在弱膠結(jié)地層中會具有一定的流動性，產(chǎn)生應(yīng)力波動，破壞水泥環(huán)，造成淺部水層井涌，嚴重時會導致井眼坍塌，造成油氣井報廢[7]；④淺部地層與水泥環(huán)強度差異大，水泥環(huán)不能有效地與周圍地層膠結(jié)形成強度統(tǒng)一體，致使水下井口裝置整體下沉[8-10]。針對于以上問題，筆者提出固井強度層理論與梯度強化固井液的概念，通過研發(fā)一種固井液，采用固井施工工藝將固井液注入環(huán)空的同時注入地層，使井筒附近由環(huán)空到地層形成強度漸變的過渡帶，改善固井質(zhì)量；研究水泥、樹脂、氫氧化鈉激發(fā)礦渣、氧化鎂激發(fā)礦渣和偏高嶺土基地質(zhì)聚合物等5種固化材料的性能。

1 固井強度梯度層理論

1.1 固井強度梯度層

低密度、快凝早強、低滲透、低孔隙度的鉆井液體系能解決弱膠結(jié)地層鉆井液漏失、地層水流動以及水泥早期強度低的問題[11-13]，但由于弱膠結(jié)地層與水泥環(huán)的強度差異造成井口裝置整體下移，弱膠結(jié)地層淺層流作用下水泥環(huán)發(fā)生脆性破壞或膠結(jié)面脫開造成井口冒水合物。鉆井液體系不能從根本上解決深水弱膠結(jié)地層的固井質(zhì)量問題。研究人員將解決方案由水泥環(huán)擴展到水泥-地層膠結(jié)界面上。顧軍等[14-15]提出采用泥餅固化方法提高水泥-地層界面膠結(jié)強度。泥餅是在鉆井過程中由于鉆井液的濾失其固相顆粒在井壁上形成的一種薄而致密的薄餅[16]，一般情況下水泥環(huán)-地層的界面是一種脆弱結(jié)構(gòu)，會形成油氣的竄流通道。通過泥餅固化方法，可以使泥餅與水泥環(huán)和常規(guī)地層產(chǎn)生有效的膠結(jié)，從而防止形成油氣竄流通道。深水弱膠結(jié)地層比常規(guī)地層松軟的多，對水泥環(huán)的支撐作用非常微弱，水泥-地層界面固化之后，其有限的厚度對固井質(zhì)量的提升微乎其微，所以僅靠界面的固化，同樣不能徹底解決深水弱膠結(jié)地層的固井質(zhì)量問題。灌漿加固技術(shù)是將一定的材料配制成固化漿液，用壓送設(shè)備將其灌入到地層或縫隙內(nèi)使其擴散、膠凝或固化，以達到加固地層或防滲堵漏的效果[17]。這種方法為解決深水弱膠結(jié)地層的固井質(zhì)量問題提供了解決思路，只有使深水松軟、強度低的弱膠結(jié)地層固化，才能真正起到穩(wěn)定井筒，防止水泥環(huán)破壞的作用，是從根本上解決深水弱膠結(jié)地層固井質(zhì)量問題的途徑。筆者提出固井強度梯度層的概念，即通過固井作業(yè)形成深水弱膠結(jié)地層近井地層由水泥環(huán)到地層的具有一定強度漸變的過渡區(qū)(圖1)，從而擴大地層的固化范圍，提高固井環(huán)空固結(jié)物與固化地層的有效聯(lián)結(jié)，保證固井質(zhì)量、提高井口承載能力。

圖1 強度梯度層示意圖

1.2 梯度強化固井液

灌漿加固技術(shù)的實施需要采用注漿管將固化漿液注入地層，如果應(yīng)用在深水弱膠結(jié)地層的固井施工中，固化漿液的注入工藝將難以實施，主要體現(xiàn)在：①若采用注漿管泵注固化漿液，注漿管的安放與回收問題難以解決；②若采用加壓循環(huán)的方式使固化漿液在環(huán)空中沖洗地層，則很難保證固化漿液與地層的接觸時間，不能達到使目的層段充分固化的良好效果；③若將固化漿液加入鉆井液中，由于固化漿液與鉆井液性能的差異，會在很大程度上影響鉆井液的水化，從而影響弱膠結(jié)地層的固井質(zhì)量。梯度強化固井液即通過對地層固化漿液工程性能的調(diào)控，使其滿足油井固井的要求，采用一種液體使其在固化環(huán)空的同時固化地層，這種思路為解決地層固化漿液注入的工藝問題提供了可能。該技術(shù)與20世紀50年代提出的礦渣MTC技術(shù)有一定相似之處，即將礦渣加入到鉆井液中，使其轉(zhuǎn)化為鉆井液直接固化套管與地層之間的環(huán)形空間，二者均使一種漿體實現(xiàn)了多種功能[17]。但二者的主要區(qū)別在于：梯度強化固井液在固化環(huán)形空間的同時，還可實現(xiàn)對地層的固化，而礦渣MTC技術(shù)僅能實現(xiàn)對環(huán)形空間的固化。由于純礦渣膠凝體系抗壓強度的穩(wěn)定性和耐久性較常規(guī)水泥差，在油井固井領(lǐng)域應(yīng)用較少[18-20]。

首先對深水弱膠結(jié)地層的軟土固化材料進行研究，現(xiàn)階段存在多種膠凝材料可以用于地層固化。本文中選取水泥、環(huán)氧樹脂、氫氧化鈉激發(fā)礦渣、氧化鎂激發(fā)礦渣和偏高嶺土基地質(zhì)聚合物等5種膠凝材料，研究這5種材料在不同溫度下固化不同粒徑軟土的固化效果，選擇性能最優(yōu)的固化材料，同時在注漿條件下研究固化材料對弱膠結(jié)土的作用效果。

2 試 驗

2.1 試驗原料及儀器

試驗材料：嘉華G級油井水泥(四川嘉華水泥有限公司)；水性環(huán)氧樹脂及固化劑(上海漢中涂料有限公司)，該樹脂的密度為1.16 g/cm3，15 ℃下凝結(jié)時間為50 min，固化后強度約為24 MPa；礦渣(濟南鋼鐵廠)，其粒徑分布為小于3×10-3mm的占比為44.61%，(3～5)×10-3mm的占比為40.66%，5×10-6～8×10-3mm的占比為13.66%，8×10-6～1×10-2mm的占比為0.88%，大于1×10-2mm的占比為0.19%；偏高嶺土(焦作煜坤礦業(yè)有限公司)，其與礦渣的礦物成分組成如表1所示；氫氧化鈉和氧化鎂(國藥)；實驗室配制的不同粒徑的弱膠結(jié)軟土。

表1 偏高嶺土與礦渣的礦物組成

儀器：WEW-300型抗壓強度試驗機；DC-2006低溫恒溫槽(-5～90 ℃)；SL-C多功能養(yǎng)護釜；水泥體積收縮測試儀；激光粒度分析儀；實驗室自制弱膠結(jié)地層注漿模擬裝置。

2.2 試驗方法

2.2.1 軟土固化材料的選取

由文獻[21]可知，固化材料加量占軟土質(zhì)量的15%以上時，對軟土的強度有較好的作用效果。結(jié)合經(jīng)濟因素考慮，將每種固化材料加量定為占軟土質(zhì)量的15%。通過預(yù)試驗確定各種體系中組分的最優(yōu)配比，環(huán)氧樹脂體系在應(yīng)用時需要加入環(huán)氧固化劑，樹脂與環(huán)氧固化劑比例為1∶1.2～1∶1.5，氫氧化鈉激發(fā)礦渣體系中氫氧化鈉占礦渣質(zhì)量的6%，氧化鎂激發(fā)礦渣體系中，氧化鎂占礦渣質(zhì)量的6%，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物體系中，模數(shù)為1的水玻璃占偏高嶺土質(zhì)量的30%。選取粒徑為0.180、0.150、0.106、0.074 mm的軟土，測試軟土固化物在高為90 mm、直徑為50 mm的圓柱形模具中，15 ℃下養(yǎng)護7和28 d的抗壓強度、彈性模量、破壞應(yīng)變和體積應(yīng)變等性能參數(shù)，設(shè)置軟土固化試驗如表2所示。試驗過程中分別配制固化材料與符合真實地層要求的軟土樣品，之后將二者均勻混合混拌，加入圓柱形模具中振實。為了模擬地層的壓力環(huán)境，需對固化軟土樣品頂端施加一定的固結(jié)壓力，直至養(yǎng)護至預(yù)定齡期。

表2 軟土固化材料優(yōu)選方案

2.2.2 注漿條件模擬方法

采用實驗室自制弱膠結(jié)地層模擬環(huán)形巖心制作裝置制作弱膠結(jié)地層模擬環(huán)形巖心(圖2)。模擬巖心為直徑120 mm的圓柱體，中部有直徑為30 mm的注漿孔。

圖2 弱膠結(jié)地層模擬環(huán)形巖心制作裝置

梯度強化固井液泵注模擬裝置采用氣泵調(diào)壓(0～1 MPa)，分為空氣壓縮機、調(diào)壓泵、注漿筒3部分(圖3)。注漿筒筒體材料采用高強度亞克力玻璃，筒體連接處采用螺栓與墊圈密封，為模擬真實漿液泵注過程中的壓差，筒體徑向設(shè)置25個排壓孔，漿液由筒體頂部注入，進入環(huán)形巖心中心，通過調(diào)壓閥維持漿體的泵注壓力，使?jié){體由模擬井壁進入模擬地層。

圖3 梯度強化固井液泵注模擬裝置

3 軟土粒徑對固結(jié)體力學性能的影響

3.1 抗壓強度

在不同固化材料作用下軟土固化物的抗壓強度測試結(jié)果見圖4。可以看出，固化材料相同時，軟土粒徑越大，固化物強度越高，這是因為小粒徑軟土比表面積大，表面電荷多，會形成較大的靜電斥力，因此固化材料更傾向于跟粒徑較大的顆粒結(jié)合，導致粒徑較大的樣品固化強度較高。同時粒徑較小時(0.106～0.074 mm)樣品的28 d強度比7 d強度略有降低，而粒徑較大時大多數(shù)配方的28 d強度增大，這是因為養(yǎng)護條件為浸水養(yǎng)護，隨養(yǎng)護時間的增長，細顆粒更容易溶出，造成膠凝結(jié)構(gòu)的破壞，使固化土的強度降低[22]。此外對5種固化材料配方而言，氫氧化鈉激發(fā)礦渣體系固化強度最高，其次是偏高嶺土基地質(zhì)聚合物體系，再次是氧化鎂激發(fā)礦渣體系，樹脂體系與純水泥體系固化土強度較低。

圖4 固化土樣品抗壓強度

3.2 彈性模量

彈性模量測試采用標準ASTM-E111-97[23]中的切線模量，通過測試得出試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，取近直線段切線斜率，即為試樣的彈性模量，測試原理如圖5所示。

圖5 彈性模量測試原理

在不同固化材料作用下軟土固化物的彈性模量測試結(jié)果見圖6?？梢钥闯?，環(huán)氧樹脂體系固化的軟土呈現(xiàn)出極低的彈性模量，而氫氧化鈉激發(fā)礦渣體系固化的軟土呈現(xiàn)極強的脆性，其余3種體系彈性模量介于環(huán)氧樹脂體系和氫氧化鈉激發(fā)礦渣體系之間。當固化材料相同時，隨顆粒粒徑的增大，軟土固化物的彈性模量越高，脆性越強[24]。對單一固化材料而言，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物體系固化的軟土呈現(xiàn)出較高的抗壓強度，同時其彈性模量也較低，性能較其他4種固化材料更為優(yōu)越。

圖6 固化土樣品彈性模量

3.3 破壞應(yīng)變

軟土固化物的破壞應(yīng)變?yōu)樵嚇影l(fā)生破壞時的變形量與試樣總高度的比值。測試結(jié)果見圖7?？梢钥闯?，試樣的破壞應(yīng)變與彈性模量有較好的對應(yīng)關(guān)系，彈性模量越大，破壞應(yīng)變越小。在5種固化材料中，環(huán)氧樹脂體系的破壞應(yīng)變顯著高于其他4組。圖8為環(huán)氧樹脂體系固化土進行破壞應(yīng)變測試前后的高度對比，其高度變化可達18 mm，說明環(huán)氧樹脂固化材料具有優(yōu)異的對應(yīng)力的緩沖能力[25]，由于深水弱膠結(jié)地層應(yīng)力波動會對水泥環(huán)造成破壞，樹脂固化后的地層能對應(yīng)力波動產(chǎn)生一定的緩沖，因此環(huán)氧樹脂體系具有較優(yōu)異的性能。

圖7 固化土樣品破壞應(yīng)變

圖8 試樣測試前后高度差

3.4 體積應(yīng)變

軟土固化物的體積應(yīng)變?yōu)樵嚇拥氖湛s體積與原體積的比值，測試結(jié)果見圖9?？梢钥闯?，氧化鎂激發(fā)礦渣體系固化土試樣體系均有膨脹，其他4組試塊均出現(xiàn)了一定的體積收縮，氫氧化鈉激發(fā)礦渣體系固化土試塊體積收縮較小，當軟土粒徑較粗時，甚至出現(xiàn)了一定膨脹。氧化鎂能通過與二氧化硅的反應(yīng)生成水化鎂酸鹽(MSH)，MSH晶體較為粗大，能防止固化后軟土在長期養(yǎng)護中的干縮[26]。同時，堿礦渣體系反應(yīng)產(chǎn)物中也存在較為粗大的晶體，可有效防止長期養(yǎng)護過程中固化產(chǎn)物的體積收縮[27]。

圖9 固化土樣品體積應(yīng)變

4 溫度對固化材料強度的影響

溫度對固化材料的性能具有重要的影響。深水表層(1 500 m)溫度約為4 ℃，地溫梯度約為3.5 ℃/(100 m)，表層導管下入深度約為60～100 m，固化材料固化層段大致為100～1 000 m，最低溫度約為7 ℃。本文中針對7、10和15 ℃環(huán)境下固化材料的強度性能進行研究。

4.1 溫度對固化材料自身強度性能的影響

水泥體系、環(huán)氧樹脂體系、氫氧化鈉激發(fā)礦渣體系、氧化鎂激發(fā)礦渣體系、偏高嶺土基地質(zhì)聚合物體系分別編號為CEM、RES、NGGBS、MGGBS與MTK，各體系強度測試結(jié)果見圖10?？梢钥闯觯锓N膠凝體系比較而言RES體系在3個溫度條件下均表現(xiàn)出最高的抗壓強度，NGGBS體系次之。對MTK體系，由于在10 ℃以下偏高嶺土基地質(zhì)聚合物不發(fā)生反應(yīng)[28]，在7 ℃條件下MTK體系3和7 d均無強度。因此MTK體系不適用于低溫條件下軟土的固化，RES體系和NGGBS體系則更為適用。

圖10 不同溫度條件下固化材料自身強度

4.2 溫度對固化材料作用下軟土固化物強度性能的影響

圖11為在CEM、RES、NGGBS、MGGBS與MTK 5種體系作用下軟土固化物在不同溫度下的抗壓強度測試結(jié)果，其中固化材料加量(質(zhì)量分數(shù))為15%。由圖11可知，5種體系作用下軟土固化物的抗壓強度變化規(guī)律與固化材料自身抗壓強度的變化規(guī)律基本一致，RES體系固化土在較低溫度下表現(xiàn)出了良好的固化效果，在15 ℃時，NGGBS體系固化土表現(xiàn)出了更好的強度性能。

圖11 不同溫度條件固化材料作用下軟土固化物強度

5 考慮注漿條件下固化材料性能

5.1 注漿試驗用土配制

由于深水弱膠結(jié)地層軟土難以大量取樣，無法滿足注漿試驗用土的使用要求，因此需要在探明深水弱膠結(jié)軟土物性與巖性參數(shù)的基礎(chǔ)上，配制弱膠結(jié)地層注漿模擬試驗用土。選取濱海表層軟土以及荷塘土，通過對其密度、含水率、礦物成分、粒徑分布的研究，使其符合深水弱膠結(jié)土注漿模擬的要求。

5.1.1 試驗用土密度和含水率

通過在南海某油田鉆孔取樣，測試其密度與含水率隨深度的變化關(guān)系，結(jié)果見表3。其中軟土濕密度為軟土含水密度，干密度為軟土烘干后密度。綜合對比鉆孔1、2數(shù)據(jù)可知，不同區(qū)域深水弱膠結(jié)地層軟土含水率與密度差別較大。含水率最高可達83.5%，最小可低至25.4%。濕密度變化在1.42～1.96 g/cm3，干密度變化在0.77～1.56 g/cm3。同時隨鉆孔深度增加，軟土含水率總體呈現(xiàn)降低趨勢，而濕密度與干密度則無明顯變化規(guī)律。因此本文中將試驗用土含水率控制在25.4%～83.5%，將濕密度控制在1.42～1.96 g/cm3，干密度控制在0.77～1.56 g/cm3。

表3 南海樣品密度與含水率隨深度變化

對青島唐島灣濱海表層軟土進行研究。選取淺灘不同深度處軟土，采用土壤固化材料標準CJ/T 486-2015[29]中推薦的環(huán)刀法和烘干法測得其密度與含水率，結(jié)果見表4?？梢钥闯觯S濱海表層深度增加，軟土含水率增大，密度無明顯規(guī)律。其中深度為1.5 m處的泥層，其含水率與密度與南海實際土樣相似。對于其他深度處濱海軟土，通過增大或降低其含水率，其密度也基本符合要求。此外，本文中對購買的荷塘土也進行了分析，由于荷塘土均為烘干后出售，因此只考察其干密度。通過測試，荷塘土干密度為1.24 g/cm3，符合南海土樣模擬要求。

表4 濱海表層軟土密度與含水率隨深度變化

5.1.2 試驗用土礦物成分

軟土的礦物成分分析通過X射線熒光光譜分析(XRF)方法測得，南海弱膠結(jié)土、濱海軟土和荷塘土的氧化物含量組成見表5。由表5可知，3種土樣中SiO2質(zhì)量分數(shù)最高，其次是Al2O3，荷塘土的氧化物組成與南海土更接近。

表5 不同土樣的氧化物組成

5.1.3 試驗用土粒徑分布

軟土樣品的粒徑分布采用激光粒度分析儀與篩分法結(jié)合的方法測試，采用篩分法篩去粒徑較大的顆粒，采用激光粒度分析儀對剩余顆粒的粒徑進行測試，將二者結(jié)合求取樣品的粒徑分布曲線(圖12)。

圖12 不同土樣的粒徑分布曲線

由圖12可知，荷塘土樣品粒徑分布總體小于南海土樣品，而濱海泥層土粒徑總體大于南海土樣品，因此擬通過將荷塘土與濱海土復(fù)配使其粒徑分布滿足南海土的粒徑要求。通過計算可得，67%的荷塘土與33%的濱海土復(fù)配其粒徑分布如圖12中粉色線所示，十分接近南海樣品。又由于荷塘土氧化物成分與南海土接近，復(fù)配體系中荷塘土質(zhì)量遠高于濱海土，故試驗用土采用67%的荷塘土與33%的濱海土復(fù)配可滿足南海真實土樣的成分與粒徑要求。

5.1.4 試驗用土壓實程度

深水弱膠結(jié)地層的力學性能資料如表7所示[30]。

由表6可知，實驗室配制的弱膠結(jié)模擬巖心的不排水抗剪強度需要達到90～160 kPa。本文中采用在弱膠結(jié)土中加入樹脂的方法使模擬巖心達到地層強度的要求。研究[31]發(fā)現(xiàn)，當樹脂加量為10%～25%時，弱膠結(jié)軟土的強度性能才能達到要求。

表6 深水弱膠結(jié)地層力學性能

5.2 注漿條件下固化材料對弱膠結(jié)地層作用效果

為研究固化材料在滲透注漿條件下的適用性，設(shè)定注漿試驗參數(shù)：注漿壓力為0.3 MPa, 注漿時間為10 min，養(yǎng)護時間為24 h，地層初始強度為124 kPa，試驗溫度為15 ℃。通過預(yù)試驗可知，由于注漿壓力過高會壓漏地層，壓力過低則達不到預(yù)期滲透效果，因此注漿壓力選取0.3 MPa。對于注漿時間而言，施工時間過長會大幅度增加施工成本，因此選取10 min。

選取CEM、RES、NGGBS、MGGBS與MTK 5種體系，測試5種體系在滲透注漿條件下對模擬巖心的作用效果，主要考察固化材料在泵注條件下對地層整體抗壓強度、固化材料固結(jié)體與巖心界面剪切膠結(jié)強度的影響，測試結(jié)果如表7所示。

由表7可知，RES體系與NGGBS體系在注漿條件下對模擬巖心強度有較大幅度提升，可將巖心整體抗壓強度提高5～6倍。同時，這2種體系作用下固化材料固結(jié)體與模擬巖心的界面剪切膠結(jié)強度均高于其他配方。對于樹脂體系RES而言，大規(guī)模應(yīng)用成本較高，而且對環(huán)境有一定污染性；對于礦渣體系NGGBS成本較低且性能較好。

表7 不同配方注漿試驗測試結(jié)果

6 結(jié) 論

(1)提出固井強度梯度層理論與梯度強化固井液概念，可將灌漿加固理論與固井工程理論相結(jié)合，應(yīng)用到深水弱膠結(jié)地層固化上。

(2)環(huán)氧樹脂體系具有優(yōu)異的力學性能，但其成本較高。堿激發(fā)超細礦渣體系性能較好，僅次于環(huán)氧樹脂體系，其成本較低，易獲取。

(3)在注漿條件下，RES體系與NGGBS體系對模擬巖心強度有較大幅度提升，可將巖心整體抗壓強度提高5～6倍。同時這2種體系作用下固化材料固結(jié)體與模擬巖心的界面剪切膠結(jié)強度均高于其他配方。