1. 引言
水泥与地层胶结面(固井二界面)封隔质量差和后续压裂作业对水泥环的损害是油气井环空带压(环空气窜)的一个重要原因 [1] - [9] 。研究表明，导致固井二界面封隔失效的主要因素是泥饼不能固化和界面不能交联，结果是固井二界面胶结强度降低 [9] [10] ，原因是固井二界面水泥环、泥饼、地层三者不能实现整体固化胶结 [8] 。泥浆转化为水泥浆(MTC)方法通过把钻井液转化为水泥浆可以实现了泥饼固化和界面交联 [10] [11] [12] [13] ，但MTC固化体存在严重的脆裂问题；泥饼仿地成凝饼(MTA)方法通过改性钻井液但不改变水泥浆也可实现泥饼固化和界面交联 [14] [15] ，但囿于钻井液性能要求和井下温度条件的限制，而只能应用于2500 m以内的浅井。因此，为了提高元坝地区高压天然气井固井二界面胶结质量，室内实验评价了一种泥饼固化剂 [16] 的有效性和实用性，分析了元坝地区5口井使用这种泥饼固化剂的现场应用效果。
2. GJM的性能评价
2.1. 实验材料
实验用钻井液取自元坝地区的YB211井，该井所用的水基钻井液配方为3%~4%膨润土 + 0.2%~0.3%聚丙烯酸钾 + 2%~3%天然高分子降失水剂 + 3%~4%磺化酚醛树脂−2 + 3%~4%磺化褐煤树脂 + 2%~3%双保型纳米乳液 + 2%~3%多软化点封堵防塌剂 + 2%~3%聚合醇防塌剂 + 0.5%~1%非渗透处理剂 + 2%~3%无荧光液体润滑剂 + 其它添加剂，井内实际使用的钻井液性能如表1所示。室内评价所用泥饼固化剂包括GJM-I型和GJM-II型两种，由中国地质大学(武汉)研制。水泥及其添加剂取自YB211井(胶粒型防气窜水泥浆配方)。根据YB211井封固段地层的渗透率和孔隙度实际情况，自制仿地井筒的渗透率为0.05 × 10−3 μm2，孔隙度为3.5%，内筒直径为33 mm，外筒直径为100 mm。
Table 1. The water-based drilling fluid performance from well YB211
表1. YB211井水基钻井液性能
2.2. 实验条件
元坝地区天然气井声波变密度测井一般为3 d左右，结合YB211井实测温压情况，室内评价固井二界面胶结强度的样品养护时间分别为3 d、7 d和15 d，泥饼厚度均为0.5 mm，温度压力为120℃ × 常压，采用水养方式。泥饼固化剂GJM-I型和GJM-II型与水基泥饼的接触时间分别为80 s和160 s。泥饼固化剂GJM-I型和GJM-II型的相容性(稠化时间)实验温度为95℃，实验压力为100 MPa，而GJM对流变性的影响实验温度为95℃，实验压力为常压。
2.3. 实验方法
根据参考文献 [6] [10] 的实验方法进行固井二界面胶结强度测试，按API规范10进行泥饼固化剂GJM-I型和GJM-II型的相容性(稠化时间)的相容性实验。
2.4. 评价结果与分析
2.4.1. GJM提高固井二界面胶结强度的效果
采用GJM型泥饼固化剂提高固井二界面胶结强度的实验操作步骤和实验测试结果如图1和表2所示。
(a) 制备仿地井筒 (b) 浸泡钻井液(c) 浸泡GJM (d) 倒入水泥浆
Figure 1. Diagram of experimental operation steps
图1. 实验操作步骤图
Table 2. The experimental test results of bonding strength at the cement-formation interface
表2. 固井二界面胶结强度实验测试结果
由表2可知，泥饼固化后的天然气井固井二界面胶结强度随着养护时间的延长而逐渐增大，且当养护时间为15 d时，其平均值更是达到了1.1309 MPa，而泥饼未固化的天然气井固井二界面胶结强度平均值则仅为0.1039 MPa，即采用泥饼固化剂后的固井二界面胶结强度较采用前的提高幅度约8~10倍。
2.4.2. GJM与水基钻井液和水泥浆的相容性
1) GJM对水基钻井液流变性的影响
由表3可以看出，GJM对天然气井用水基钻井液和胶粒型防气窜水泥浆的流变性不仅没有影响，而且流性指数增大了60.85%~64.90%，即更有利于提高高压天然气井固井的顶替效率。
Table 3. The influence of GJM on the rheological properties of water-based drilling fluid
表3. GJM对水基钻井液流变性的影响
2) GJM与稠化时间的影响
由表4和表5可以看出，无论是小样(即室内配方样品)或是大样(即现场配方样品)，GJM对YB211井用弹韧性防气窜水泥浆的稠化时间均无影响。
Table 4. The influence of GJM on the thickening time of indoor samples
表4. GJM对小样稠化时间的影响
Table 5. The influence of GJM on the thickening time of on-site samples
表5. GJM对大样稠化时间的影响
3. 泥饼固化与界面交联的证据
3.1. GJM作用前后固井二界面胶结对比图
GJM作用前后养护3 d水泥柱承压(压脱)后起开的照片见图2。
(a) 未采用泥饼固化剂 (b) 采用泥饼固化剂
Figure 2. Comparison diagram of the interface bonding before and after GJM
图2. 采用GJM作用前后界面胶结对比图
由图2的可知，未固化泥饼的表面疏松、粗糙，而固化泥饼的表面致密、光滑，这不仅是后者的固井二界面胶结强度较前者的提高约8~10倍的主要原因，而且前者因地层流体更易浸入溶蚀泥饼而引起天然气沿固井二界面发生气窜，即后者则有利于防止天然气井发生环空气窜和环空带压。
3.2. GJM作用后泥饼固化和界面交联的SEM图
GJM作用后养护3 d的泥饼固化和界面交联SEM测试结果见图3。
(a) 未采用泥饼固化剂 (b) 采用泥饼固化剂
Figure 3. Comparison diagram of the interface cross-linking before and after GJM
图3. 采用GJM前后界面交联示意图
由图3可知，左图因未采用GJM，固井二界面各组分呈现分离的状态，且存在较大的周向裂缝，结果是固井二界面胶结强度低，而右图因采用了GJM，固井二界面各组分显然已相互交联，且未出现周向裂缝，结果是固井二界面胶结强度高，进而可大幅度提高天然气井筒完整性，有利于防止环空带压。
4. 现场应用
4.1. 现场工艺技术
天然气井内钻井液、现用前置各种流体保持不变，只需把GJM-I型泥饼固化剂和GJM-II型泥饼固化剂作为固井前置液使用：
1) 将密度为1.11 g/cm3、容量为50 L的GJM-I型泥饼固化剂现场配制为2 m3备用。
2) 将密度为1.06 g/cm3、容量为50 L的GJM-II型泥饼固化剂现场配制为4 m3备用。
3) 固井流体依次注入程序：┉先导浆(新鲜钻井液)►现用各种冲洗液►泥饼固化剂GJM-I型2 m3 ►泥饼固化剂GJM-II型4 m3 ►设计密度水泥浆(包括低密度水泥浆或高密度水泥浆)►┉
4.2. 现场应用效果
GJM-II泥饼固化剂前期在元页HF-1井等进行了先导性现场试验，根据现场试验情况对泥饼固化剂及其现场使用方法进行了改进。随后在位于四川省广元市苍溪县元坝地区的5口高压天然气井固井中进行了现场应用，效果显著(表6)：固井一、二界面胶结质量合格率100%，优良率100%，且均为发生压裂前环空气窜和压裂后环空带压的现象。其中，YB211井被评为中石化西南石油工程有限公司“示范工程”，而YL12井天然气产量77.17万方/日。5口高压天然气井的现场应实践表明：1) 采用泥饼固化剂可大幅提高元坝地区天然气井的固井质量，尤其是固井二界面胶结质量，而且其工艺简单，安全可靠；2) 采用泥饼固化剂可显著提高天然气井筒完整性，满足元坝地区天然气井大型压裂要求。
Table 6. The actual application situation of GJM in natural gas wells in Yuanba area
表6. 元坝地区天然气井泥饼固化剂现场应用情况
5. 结论
1) 当养护时间为15 d时，采用GJM的固井二界面胶结强度平均值可达1.1309 MPa，而未采用GJM的平均值则仅为0.1039 MPa，即采用GJM的较未采用的提高了约8~10倍。
2) GJM与水基钻井液和胶粒型防气窜水泥浆的相容性完全能够满足高压天然气井的固井安全作业。
3) 未固化泥饼的表面疏松、粗糙，而固化泥饼的表面致密、光滑，这不仅是后者的固井二界面胶结强度较前者的提高约8~10倍的主要原因。
4) 5口井现场实践表明，泥饼固化剂可显著提高元坝地区天然气井的固井质量，且其防气窜效果和环空封隔能力显著，有利于提高元坝地区天然气井的井筒完整性，满足页元坝地区天然气井大型压裂需要。