深水弱膠結(jié)地層固井強(qiáng)度梯度層理論與固化材料性能

步玉環(huán)， 杜嘉培，柳華杰， 郭勝

(1.非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)石油大學(xué)(華東))，山東青島266580; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島266580)

中國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)期有效封固面臨著更多的挑戰(zhàn)。對(duì)于深水固井而言，深部地層的壓實(shí)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(wèn)題包括：①深水弱膠結(jié)地層溫度低，水泥強(qiáng)度增長(zhǎng)慢，形成良好封固層的時(shí)間長(zhǎng)[2-3]，無(wú)法滿足對(duì)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(guò)程中極易發(fā)生漏失[5-6]；③弱膠結(jié)地層壓實(shí)時(shí)間短，滲透率較高，所以地層水在弱膠結(jié)地層中會(huì)具有一定的流動(dòng)性，產(chǎn)生應(yīng)力波動(dòng)，破壞水泥環(huán)，造成淺部水層井涌，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致井眼坍塌，造成油氣井報(bào)廢[7]；④淺部地層與水泥環(huán)強(qiáng)度差異大，水泥環(huán)不能有效地與周圍地層膠結(jié)形成強(qiáng)度統(tǒng)一體，致使水下井口裝置整體下沉[8-10]。針對(duì)于以上問(wèn)題，筆者提出固井強(qiáng)度層理論與梯度強(qiáng)化固井液的概念，通過(guò)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(shí)注入地層，使井筒附近由環(huán)空到地層形成強(qiáng)度漸變的過(guò)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(qiáng)度梯度層理論

1.1 固井強(qiáng)度梯度層

低密度、快凝早強(qiáng)、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(dòng)以及水泥早期強(qiáng)度低的問(wèn)題[11-13]，但由于弱膠結(jié)地層與水泥環(huán)的強(qiáng)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(kāi)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(wèn)題。研究人員將解決方案由水泥環(huán)擴(kuò)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(qiáng)度。泥餅是在鉆井過(guò)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(huì)形成油氣的竄流通道。通過(guò)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(duì)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(duì)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(wèn)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(kuò)散、膠凝或固化，以達(dá)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(wèn)題提供了解決思路，只有使深水松軟、強(qiáng)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(wèn)題的途徑。筆者提出固井強(qiáng)度梯度層的概念，即通過(guò)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(qiáng)度漸變的過(guò)渡區(qū)(圖1)，從而擴(kuò)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(qiáng)度梯度層示意圖

1.2 梯度強(qiáng)化固井液

灌漿加固技術(shù)的實(shí)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(shí)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(wèn)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(shí)間，不能達(dá)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(huì)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(qiáng)化固井液即通過(guò)對(duì)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(shí)固化地層，這種思路為解決地層固化漿液注入的工藝問(wèn)題提供了可能。該技術(shù)與20世紀(jì)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(shí)現(xiàn)了多種功能[17]。但二者的主要區(qū)別在于：梯度強(qiáng)化固井液在固化環(huán)形空間的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)地層的固化，而礦渣MTC技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形空間的固化。由于純礦渣膠凝體系抗壓強(qiáng)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(duì)深水弱膠結(jié)地層的軟土固化材料進(jìn)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(shí)在注漿條件下研究固化材料對(duì)弱膠結(jié)土的作用效果。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原料及儀器

試驗(yàn)材料：嘉華G級(jí)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(shí)間為50 min，固化后強(qiáng)度約為24 MPa；礦渣(濟(jì)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(guó)藥)；實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)；DC-2006低溫恒溫槽(-5～90 ℃)；SL-C多功能養(yǎng)護(hù)釜；水泥體積收縮測(cè)試儀；激光粒度分析儀；實(shí)驗(yàn)室自制弱膠結(jié)地層注漿模擬裝置。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 軟土固化材料的選取

由文獻(xiàn)[21]可知，固化材料加量占軟土質(zhì)量的15%以上時(shí)，對(duì)軟土的強(qiáng)度有較好的作用效果。結(jié)合經(jīng)濟(jì)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(guò)預(yù)試驗(yàn)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(shí)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(cè)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(hù)7和28 d的抗壓強(qiáng)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(yàn)如表2所示。試驗(yàn)過(guò)程中分別配制固化材料與符合真實(shí)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(shí)。為了模擬地層的壓力環(huán)境，需對(duì)固化軟土樣品頂端施加一定的固結(jié)壓力，直至養(yǎng)護(hù)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(jī)、調(diào)壓泵、注漿筒3部分(圖3)。注漿筒筒體材料采用高強(qiáng)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(shí)漿液泵注過(guò)程中的壓差，筒體徑向設(shè)置25個(gè)排壓孔，漿液由筒體頂部注入，進(jìn)入環(huán)形巖心中心，通過(guò)調(diào)壓閥維持漿體的泵注壓力，使?jié){體由模擬井壁進(jìn)入模擬地層。

圖3 梯度強(qiáng)化固井液泵注模擬裝置

3 軟土粒徑對(duì)固結(jié)體力學(xué)性能的影響

3.1 抗壓強(qiáng)度

在不同固化材料作用下軟土固化物的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4?？梢钥闯觯袒牧舷嗤瑫r(shí)，軟土粒徑越大，固化物強(qiáng)度越高，這是因?yàn)樾×杰浲帘缺砻娣e大，表面電荷多，會(huì)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(dǎo)致粒徑較大的樣品固化強(qiáng)度較高。同時(shí)粒徑較小時(shí)(0.106～0.074 mm)樣品的28 d強(qiáng)度比7 d強(qiáng)度略有降低，而粒徑較大時(shí)大多數(shù)配方的28 d強(qiáng)度增大，這是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)條件為浸水養(yǎng)護(hù)，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，細(xì)顆粒更容易溶出，造成膠凝結(jié)構(gòu)的破壞，使固化土的強(qiáng)度降低[22]。此外對(duì)5種固化材料配方而言，氫氧化鈉激發(fā)礦渣體系固化強(qiáng)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(qiáng)度較低。

圖4 固化土樣品抗壓強(qiáng)度

3.2 彈性模量

彈性模量測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)ASTM-E111-97[23]中的切線模量，通過(guò)測(cè)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(cè)試原理如圖5所示。

圖5 彈性模量測(cè)試原理

在不同固化材料作用下軟土固化物的彈性模量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)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(qiáng)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(dāng)固化材料相同時(shí)，隨顆粒粒徑的增大，軟土固化物的彈性模量越高，脆性越強(qiáng)[24]。對(duì)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(qiáng)度，同時(shí)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(shí)的變形量與試樣總高度的比值。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7。可以看出，試樣的破壞應(yīng)變與彈性模量有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，彈性模量越大，破壞應(yīng)變?cè)叫?。?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(jìn)行破壞應(yīng)變測(cè)試前后的高度對(duì)比，其高度變化可達(dá)18 mm，說(shuō)明環(huán)氧樹脂固化材料具有優(yōu)異的對(duì)應(yīng)力的緩沖能力[25]，由于深水弱膠結(jié)地層應(yīng)力波動(dòng)會(huì)對(duì)水泥環(huán)造成破壞，樹脂固化后的地層能對(duì)應(yīng)力波動(dòng)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(cè)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(cè)試結(jié)果見(jiàn)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(dāng)軟土粒徑較粗時(shí)，甚至出現(xiàn)了一定膨脹。氧化鎂能通過(guò)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(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)中的干縮[26]。同時(shí)，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(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)過(guò)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(duì)固化材料強(qiáng)度的影響

溫度對(duì)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(dǎo)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(duì)7、10和15 ℃環(huán)境下固化材料的強(qiáng)度性能進(jìn)行研究。

4.1 溫度對(duì)固化材料自身強(qiáng)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(hào)為CEM、RES、NGGBS、MGGBS與MTK，各體系強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10?？梢钥闯觯锓N膠凝體系比較而言RES體系在3個(gè)溫度條件下均表現(xiàn)出最高的抗壓強(qiáng)度，NGGBS體系次之。對(duì)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(wú)強(qiáng)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(qiáng)度

4.2 溫度對(duì)固化材料作用下軟土固化物強(qiáng)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(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，其中固化材料加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為15%。由圖11可知，5種體系作用下軟土固化物的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與固化材料自身抗壓強(qiáng)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(shí)，NGGBS體系固化土表現(xiàn)出了更好的強(qiáng)度性能。

圖11 不同溫度條件固化材料作用下軟土固化物強(qiáng)度

5 考慮注漿條件下固化材料性能

5.1 注漿試驗(yàn)用土配制

由于深水弱膠結(jié)地層軟土難以大量取樣，無(wú)法滿足注漿試驗(yàn)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(yàn)用土。選取濱海表層軟土以及荷塘土，通過(guò)對(duì)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(yàn)用土密度和含水率

通過(guò)在南海某油田鉆孔取樣，測(cè)試其密度與含水率隨深度的變化關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)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(duì)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(dá)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(shí)隨鉆孔深度增加，軟土含水率總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，而濕密度與干密度則無(wú)明顯變化規(guī)律。因此本文中將試驗(yàn)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(duì)青島唐島灣濱海表層軟土進(jìn)行研究。選取淺灘不同深度處軟土，采用土壤固化材料標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 486-2015[29]中推薦的環(huán)刀法和烘干法測(cè)得其密度與含水率，結(jié)果見(jiàn)表4。可以看出，隨濱海表層深度增加，軟土含水率增大，密度無(wú)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(shí)際土樣相似。對(duì)于其他深度處濱海軟土，通過(guò)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(duì)購(gòu)買的荷塘土也進(jìn)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(guò)測(cè)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(yàn)用土礦物成分

軟土的礦物成分分析通過(guò)X射線熒光光譜分析(XRF)方法測(cè)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(jiàn)表5。由表5可知，3種土樣中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?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(yàn)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(cè)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(duì)剩余顆粒的粒徑進(jìn)行測(cè)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(guò)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(guò)計(jì)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(yuǎn)高于濱海土，故試驗(yàn)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(shí)土樣的成分與粒徑要求。

5.1.4 試驗(yàn)用土壓實(shí)程度

深水弱膠結(jié)地層的力學(xué)性能資料如表7所示[30]。

由表6可知，實(shí)驗(yàn)室配制的弱膠結(jié)模擬巖心的不排水抗剪強(qiáng)度需要達(dá)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(dá)到地層強(qiáng)度的要求。研究[31]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樹脂加量為10%～25%時(shí)，弱膠結(jié)軟土的強(qiáng)度性能才能達(dá)到要求。

表6 深水弱膠結(jié)地層力學(xué)性能

5.2 注漿條件下固化材料對(duì)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(yàn)參數(shù)：注漿壓力為0.3 MPa, 注漿時(shí)間為10 min，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24 h，地層初始強(qiáng)度為124 kPa，試驗(yàn)溫度為15 ℃。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)可知，由于注漿壓力過(guò)高會(huì)壓漏地層，壓力過(guò)低則達(dá)不到預(yù)期滲透效果，因此注漿壓力選取0.3 MPa。對(duì)于注漿時(shí)間而言，施工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)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(cè)試5種體系在滲透注漿條件下對(duì)模擬巖心的作用效果，主要考察固化材料在泵注條件下對(duì)地層整體抗壓強(qiáng)度、固化材料固結(jié)體與巖心界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度的影響，測(cè)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(duì)模擬巖心強(qiáng)度有較大幅度提升，可將巖心整體抗壓強(qiáng)度提高5～6倍。同時(shí)，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(qiáng)度均高于其他配方。對(duì)于樹脂體系RES而言，大規(guī)模應(yīng)用成本較高，而且對(duì)環(huán)境有一定污染性；對(duì)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(yàn)測(cè)試結(jié)果

6 結(jié) 論

(1)提出固井強(qiáng)度梯度層理論與梯度強(qiáng)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(xué)性能，但其成本較高。堿激發(fā)超細(xì)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(duì)模擬巖心強(qiáng)度有較大幅度提升，可將巖心整體抗壓強(qiáng)度提高5～6倍。同時(shí)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(qiáng)度均高于其他配方。