煤层气是一种重要的非常规油气资源,同时也是一种新型的清洁能源。高效开发利用煤层气能源对于缓解我国常规油气供应紧张,构建环境友好型社会具有重要的经济和社会意义。然而,隔水层界面窜流的形成以及底水锥进的发生,严重制约煤层气资源的勘探开发效益已是不争事实。油气井固井的成功与否与水泥-地层界面的封固质量的优劣密切相关;对于煤层气井来说,隔水层界面水泥-泥饼-地层封固系统的整体性对于提高煤层气采收率尤为重要。煤层气井内水泥-泥饼间过渡层的性能优劣将严重影响隔水层界面的界面胶结质量的好坏。然而,国内外研究资料中,对水泥-泥饼界面间过渡层的研究却鲜有报道。本论文总体采用了对比的实验方法,研究了利用常规固井技术和泥饼固化两种技术获得的样品的过渡层与隔水层界面胶结间的关联性。论文首先重点关注了隔水层界面水泥-泥饼界面过渡层的微观结构和化学组分,文章采用多种现代分析测试手段,研究了水泥、泥饼的物理形貌特征和化学物质组成,从而探究了过渡层的形成过程。其次,着重研究了隔水层界面的胶结强度,通过隔水层界面的抗剪切强度和抗静水压强度来评价隔水层的胶结性能,分别采用隔水层界面防窜系数?和隔水层界面当量渗透率K*来表征隔水层界面的防窜能力,并研究了水窜的发生对隔水层界面抗剪切强度的影响。最后,研究了泥饼固化剂对过渡层的强化机理,通过隔水层界面层状模型的建立,揭示了隔水层界面水泥-泥饼间过渡层与隔水层界面胶结质量间的关联性,为生产实际中固井施工水泥浆及前置液的设计提供理论研究依据。本论文取得的一些主要认识如下:(1)泥饼-水泥界面间存在过渡层,且改性前后过渡层理化性质差异巨大。水泥浆滤液与泥饼固化剂反应产物可以明显改善过渡层微观结构、化学组成和力学性能。过渡层是泥饼和水泥的中间相,其孔隙度随泥饼-水泥界面向水泥石中心方向距离的增大而降低;主要构由碳酸钙、水化硅酸钙、叠层状(001)面定向生长的六方形片状氢氧化钙晶体等物质构成。ESEM图像表明改性前的过渡层存在微裂缝和叠层生长的结晶物质,经泥饼固化剂改性后的过渡层胶结致密而且没有结晶物质。EDAX分析结果表:改性前样品过渡层的Ca/Si比随泥饼-水泥界面向水泥石中心方向距离的增大而降低,并高于水泥石中心的Ca/Si比,但改性后样品与此规律相反;泥饼的FTIR测试结果表明在模拟井底条件下强碱性液体可以改变粘土矿物的表面结构,使改性后的泥饼与水泥浆间的兼容性更好。较低的Ca/Si有利于形成链长较长的的硅酸根阴离子链,泥饼固化剂与水泥浆滤液的反应有利于水化硅酸钙的生成量,使过渡层更加致密、颗粒间胶结强度增大,使固井水泥和泥饼固相间形成化学键,这是泥饼固化技术样品隔水层泥饼-水泥界面胶结强度大于常规固井技术的重要原因。(2)建立了隔水层界面胶结质量的评价方法,用隔水层界面的抗剪切强度和间接的抗静水压力强度评价隔水层界面的胶结质量。根据实验测得的K*的变化趋势可知,K*随静水压的增大而增大,随样品养护时间的增长而减小。同样条件下泥饼固化技术样品的K*远比常规固井技术小,说明了过渡层内新生成的水化硅酸钙增强了过渡层的架构强度,抵抗静水压冲蚀能力增强,同时其致密度的提高,降低了隔水层界面微孔隙、微裂缝和孔洞的连通性,使地层-泥饼-水泥环系统的封固能力提高,防水窜能力增强。此外,研究了水窜的发生对隔水层界面抗剪切强度的影响。(3)随着养护时间的增长,实验样品发生剪切破坏时过渡层的临界裂缝长度在逐渐变短,过渡层的剪切模量和表面能在逐渐增大。泥饼固化剂与水泥浆的反应产物提高了隔水层界面的整体性和胶结强度。泥饼固化技术(MCS技术)可以有效改善隔水层界面的胶结质量,强化隔水层界面泥饼-水泥间过渡层,因此该技术在煤层气井固井施工中的应用具有可行性。本论文的研究结果为油气井前者液的优化设计提供了一定的理论基础指导。有效地改善过渡层的化学组分、降低过渡层的孔隙度、弱化或者消除氢氧化钙的取向生长、甚至使过渡层内氢氧化钙转化为能够提高胶结质量的水化硅酸钙物质是设计油气井前置液需要考虑的重要指标。