在油气田开发过程中,完井固井是一重要环节,其质量的好坏直接影响到油井的开发效率和成本。影响固井质量的因素很多,固井弱界面是其中的一个重要原因。而引起固井弱界面现象的根本原因是井壁或套管上存在强度差、结构疏松、无法与水泥浆整体固化胶结的泥饼。这一问题虽然早已被提出,也做了不少研究工作,但是一直没有得到很好的解决,成为影响固井质量的一个难题。特别是随着油田的不断开发,地下情况越来越复杂,对固井技术和质量都提出了更高的要求,而这些区块的固井难度也越来越大,导致固井质量每况愈下,严重影响油田生产,成为急需解决的问题。针对这种情况,本文以提高油井的固井质量为目的,从分析影响固井弱界面的主要因素入手,通过测定泥饼强度、厚度及其微观结构,系统地研究了钻井液、水泥浆以及各种添加剂等因素对水基钻井液泥饼的形成和性能的影响,归纳总结了其基本规律,提出了增强、减薄、增韧泥饼的机理和方法。以此为基础,从增加泥饼强度、降低泥饼厚度、改善泥饼韧性的角度出发,通过实验室模拟,对配方进行筛选优化,研发出一种泥饼增强减薄剂（EA）,将其添加到水基钻井液中,可以显著改善泥饼性能,并有效提高泥饼与水泥石的胶结强度,解决了由于二界面强度差而严重影响固井质量的问题。在大庆油田400多口油井应用后,固井合格率达到100%,固井质量显著提高。主要的研究内容及结果如下:1.用水流冲击法测定了泥饼强度,用针入度法测定了泥饼厚度,用SEM和XRD等手段测定了泥饼的微观结构和组成,研究了钻井液主要成分对泥饼强度和厚度的影响规律,发现膨润土在钻井液中的分散状态以及钻井液中的固含量是影响泥饼强度和厚度的最主要的因素。影响膨润土分散状态的主要因素包括膨润土和碱的加量以及钻井液处理剂的种类和用量。膨润土用量为配浆水质量的5%时,形成的泥饼强度大、厚度小。Na₂CO₃和NaOH对泥饼强度的影响比较显著,但对厚度的影响较小。相对于Na₂CO₃来说,强碱性的NaOH更有利于形成薄、韧、强的泥饼。Na₂O·nSiO₂和降滤失剂会促进薄而强的泥饼的形成,而降粘剂则能降低泥饼的厚度。钻井液中非水化固相物质的含量越多,泥饼的强度越大,但同时也会引起厚度增加。在钻井液中加入加重材料,钻井液中固含量增大,泥饼的强度随之增大,加重剂用量越多,泥饼强度和厚度增加幅度越大,其中低密度小颗粒的加重材料增强效果效果更好。在钻井液中添加能够提供骨架支撑、且具有支链结构的大分子物质,使膨润土颗粒形成分散的卡片式房子结构,或在钻井液中添加低密度小颗粒的惰性加重材料均可以提高泥饼强度;适当提高钻井液中OH-的含量或向钻井液中加入凝胶性物质可改善泥饼的韧性;而降低钻井液的粘度或保持膨润土颗粒成良好的细分散状态则可降低泥饼厚度。2.用原子吸收、络合滴定等方法分析了水泥净浆滤液的化学组成,考察了钻井液泥饼在水泥净浆滤液中养护一定时间后性能、结构所发生的变化及其可能发生的物理化学作用和机理。结果表明,固井水泥净浆滤液中的离子主要是Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Fe³⁺、OH-、CO₃^2-和SiO₃^2-。这些离子对泥饼强度和厚度的影响程度大小与离子种类和滤液的pH值有关。在弱碱性条件下,阴离子OH-、CO₃^2-、SiO₃^2-对泥饼的增强作用不明显,随着pH值增加,其影响程度显著增加;当pH=14时,SiO₃^2-使泥饼强度增大到原强度的5.73倍,增强作用最显著。OH-、CO₃^2-、SiO₃^2-三种阴离子对泥饼厚度的影响均不明显,但OH-和SiO₃^2-则有利于提高泥饼的完整性和韧性。与阴离子相比,强碱性条件下,阳离子Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Fe³⁺对泥饼强度的影响更为显著,它们对泥饼的增强能力的顺序为:Ca²⁺>Al³⁺>Mg²⁺>Fe³⁺,其中Ca²⁺使泥饼强度增加到原强度的706倍,作用最显著。上述阳离子均能使泥饼厚度降低,pH值升高,减薄作用增强,其中Al³⁺效果最好,使泥饼厚度降低50.5%。水泥水化产物中Ca（OH）₂对泥饼的增强作用最为显著,但是过多的Ca（OH）2会使泥饼厚度增加,容易出现裂缝,完整性变差。常用的水泥外加剂中,促凝剂、缓凝剂和分散剂具有减薄泥饼的作用,无氯促凝剂还能增加泥饼强度,其中硅酸钠的增强减薄作用比较显著。膨润土浆泥饼经强碱性的水泥滤液浸泡后,强度增大,厚度减小,其中,滤液中的OH-、Al³⁺、Ca²⁺、SiO₃^2-起主要作用。而泥饼性能显著改善的主要原因是泥饼内部生成了硅酸盐及其水化物凝胶。这些物质的生成有两种途径:一是水泥滤液中的Ca²⁺、Al³⁺、SiO₃^2-在泥饼内部直接反应生成高强度的钙铝硅酸盐,而后进一步水化;二是水泥滤液中的OH-通过碱溶使膨润土颗粒结构中的Si-O键和Al-O键断裂而活化,再与Ca²⁺、Al³⁺反应生成硅酸盐及其水化物。上述两种途径形成的硅酸盐及水化物为泥饼提供了硬化体,泥饼强度增大。同时,生成的硅酸盐水化物凝胶填充了膨润土颗粒间的空隙,降低了颗粒间的水含量,使颗粒间胶连更紧密,泥饼的厚度相应减小。3.通过实验室模拟,测定泥饼的强度、厚度和韧性以及钻井液主要性质的变化,分别对增强剂、减薄剂和增韧剂进行筛选优化,确定了泥饼增强减薄剂（EA）的配方,考察了在高温地层条件下EA的作用效果,并在大庆油田地下情况十分复杂的区块进行了现场应用试验,取得了显著的应用效果。泥饼增强减薄剂（EA）由减薄剂JB-3、增强剂ZQ-1、ZQ-5和增韧剂ZR-1组成,当JB-3、ZQ-1、ZQ-5、ZR-1质量配比为3:7:1.2:2时,效果最好。在来自现场的钾盐聚合物钻井液和硅基阳离子钻井液中,分别加入1.0%和0.9%的EA,可使泥饼强度分别提高36.0倍和34.0倍,泥饼厚度分别降低50.6%和53.7%,压缩系数R值分别减小26.9%和28.6%,模拟固井一界面胶结强度分别提高15.0倍和16.1倍,模拟固井二界面胶结强度分别提高13.9倍和14.8倍,EA的泥饼增强、减薄、增韧作用显著,能有效降低固井弱界面的危害,提高固井质量。在合理的添加量下,EA对钻井液的性质没有明显影响。在45⁸5℃的温度范围内,EA对泥饼均有显著的作用效果,且呈增加趋势,具有很好的温度适应性。在大庆油田431口油井进行现场应用,固井合格率达到100%,优质率达到77%,提高29%,效果非常好,经济效益显著。