钻井液/水泥浆不变条件下固井二界面泥饼固化机理与交联机制

针对油气水沿固井二界面发生窜流这一复杂性理论和技术难题，解决之关键是泥饼固化和界面交联，那么在钻井液和水泥浆均不变的条件下能实现吗？本项目基于自主建立的固井二界面仿真实验系统，拟用现代分析测试技术（ESEM+EDX、XRD、XPS、TG/DTA、DSC、FT-IR等）和定量模拟实验方法，着重研究现场钻井液泥饼粘土矿物化学活化条件和活化机理，深入探索钻井液和水泥浆不变条件下固井二界面泥饼固化机理与交联机制，获得泥饼固化和界面交联的可靠证据，为解决固井二界面窜流难题提供科学依据和技术支持。通过本项研究，提出泥饼粘土矿物化学活化的矿物学依据，揭示泥饼粘土矿物颗粒表面电子结合能和元素状态的演化规律，探明固化泥饼和交联网络结构的生成物性状，建立相应的化学反应动力学模型；创制出泥饼固化材料，明确泥饼固化材料的适应性和响应性，创建一套能大幅提高固井二界面胶结强度的新方法；选定典型区域，验证理论方法实效。

自2011年8月获批以来，通过4年多的研究，已全面完成了项目的各项研究内容。通过本项目的研究，创立了钻井液和水泥浆不变条件下固井二界面泥饼固化（MCS）胶结理论（一是井内粘土矿物化学活化反应机理，二是泥饼固化机理，三是水泥环-固化泥饼-地层三者之间的交联机制），获得了MCS的实验证据【即一是研究后的固井二界面胶结强度较研究前的提高了6.29～24.65倍以上；二是借助于注水泥后水泥浆的失水，对钠盐络合物中的钠离子进行置换反应，形成胶凝性较强的钙基胶凝物质（水化硅酸钙（Ⅰ）、钙矾石），三是高分子团聚物吸附活性离子和矿物活性单元，并使之在表面反应，进而在其表面生成高强度矿物，互相穿插粘连，形成固井二界面交联网络结构】；创新设计并制备出两种泥饼固化材料（其中一种材料已获国家发明专利授权，即发明名称：一种泥饼固化剂及其制备与使用方法，专利号：ZL201210345941.X），形成了MCS固井新技术，为解决油气田普遍存在的固井二界面封隔难题提供了又一种新理论和又一条新途径。为了验证本项目理论研究成果的实用性和有效性，创制出泥饼固化剂（282 立方米），且泥饼固化剂已从最初的GJ型改进为GJE型，且于2014年6月又升级为GJM型，截止2015年底已在四川、重庆、江苏、湖北等油气田完成了46口井次（其中探井41井次）的现场试验验证与应用，效果显著：固井质量一次合格率100 %，优良率80 %以上，即合格率和优良率均较使用该新技术前大幅度提高，而固井后和压裂后气窜率则大幅度降低。目前，该新技术已在已在川渝地区高压油气井（探井，开发井）固井中推广应用。已发表学术论文15篇（10篇已被SCI/EI收录），获授权国家发明专利1项，培养毕业硕士研究生7名，其中4名被评为校级优秀毕业研究生，且1名项目组成员的学位论文获湖北省优秀硕士学位论文；培养学术骨干1名（即1名项目组成员于2013年从讲师升任副教授且于2015年5月升任石油工程系副主任）。通过本项目4年多的理论探索与研究、新材料研制与改进、现场试验与应用，实现了基础研究（发表15篇论文）、技术研发（获授权发明专利1项）、工程应用（现场应用46井次且效果显著）的相互协同，即形成了一个MCS固井整体系统工程。