張國仿，王曉亮2,3*中石化江漢石油工程公司，湖北 潛江

2非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長江大學(xué))，湖北 武漢

3荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州

彈性膨脹自密封水泥漿技術(shù)研究與應(yīng)用

張國仿1，王曉亮2,3*1中石化江漢石油工程公司，湖北 潛江

2非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長江大學(xué))，湖北 武漢

3荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州

涪陵焦石頁巖氣田是我國第一個投入商業(yè)化開發(fā)的國家級頁巖氣示范區(qū)。涪陵頁巖氣井地質(zhì)構(gòu)造特殊，普遍采用大型體積壓裂技術(shù)完井，水泥環(huán)的完整性極易在壓裂施工中受到破壞。井口帶壓問題不僅影響著后期的施工作業(yè)，也增大了完井風(fēng)險。因此，提高水泥環(huán)的整體密封性，防止環(huán)空氣竄是改善頁巖氣井井口帶壓問題的關(guān)鍵。筆者通過對水泥環(huán)密封失效的原因分析，提出了膨脹彈性自密封水泥漿體系的設(shè)計原理和思路，通過實驗評價和現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，膨脹彈性自密封水泥漿在氣井中具有明顯的封固和密封作用。

頁巖氣，井口帶壓，自密封，膨脹彈性，水泥漿

AbstractFuling Jiaoshi Shale Gas Field was the first national shale gas demonstration area for commercial development. The geological structure of Fuling Shale Gas was special, where large volume fracturing completion technology was widely used; the integrity of the cement sheath was easy to be damaged in fracturing. The wellhead pressure problem not only affected the operation at the late stage, but also increased the risk of completion. Therefore, the key for improving the sealing performance of the whole cement sheath and preventing gas channeling was the key to solve the problem of the shale wellhead pressure. By analyzing the reasons of cement sheath sealing failure,the design principle and method of elastic expansion self sealing cement slurry system are put forward, the experimental evaluation and field application show that the expansion and elastic self sealing cement slurry was obvious effect of sealing in the gas wells.

KeywordsShale Gas, Wellhead Pressure, Self Sealing, Expansion Elastic, Cement Slurry

1. 引言

涪陵頁巖氣井壓裂前各層套管固井質(zhì)量均較好，經(jīng)過數(shù)次全井筒壓裂(>100 MPa)后，大部分井出現(xiàn)井口帶壓現(xiàn)象，分析原因可能是固井 I、II界面膠結(jié)面，在經(jīng)歷數(shù)次井筒加壓/放壓過程后形成微環(huán)隙、微裂隙而造成密封性能失效；對于儲氣庫井，需要經(jīng)過反復(fù)的儲氣增壓/放壓過程[1]，同樣會產(chǎn)生環(huán)空氣竄通道問題。同時，氣井井口帶壓不僅不利于氣井的開采同時也對井口安全造成威脅。因此，提高水泥環(huán)的整體密封性，防止環(huán)空氣竄是頁巖氣井以及儲氣庫井固井工程必須要解決的問題。膨脹彈性自密封水泥漿由于具有良好的封堵效果，能夠很好滿足環(huán)空密封性能要求。

2. 氣竄原理分析

2.1. 微裂隙的產(chǎn)生原因分析

水泥環(huán)的完整性遭到破壞，水泥石基體出現(xiàn)裂縫，形成氣竄通道。水泥石本身為塑性材料[2]，當(dāng)超過承壓極限，相應(yīng)的屈服值降低，水泥石就會破碎，出現(xiàn)微裂縫，形成氣竄通道。

2.2. 微環(huán)隙的產(chǎn)生原因分析

水泥環(huán)受施工作業(yè)的影響，在水泥環(huán)內(nèi)部產(chǎn)生微裂隙，在水泥漿與套管的膠結(jié)面上也形成了微環(huán)隙，這些微環(huán)隙為氣體上竄形成了通道[3][4]。

微環(huán)隙產(chǎn)生的原因主要包括3個方面：①水泥漿在形成水泥石的過程中體積收縮產(chǎn)生微環(huán)隙，形成氣竄通道；②水泥石與套管、井壁膠結(jié)質(zhì)量差，容易產(chǎn)生微環(huán)隙，形成氣竄通道；③加壓–放壓過程套管產(chǎn)生一定的形變，本身為塑性材料的水泥環(huán)與套管形變不一致，膠結(jié)面產(chǎn)生微環(huán)隙，形成氣竄通道。

3. 自密封水泥漿體系研究

3.1. 如何改善水泥環(huán)的密封性能

為了改善水泥環(huán)的密封性能，主要有3個途徑：①提高水泥石徑向周向形變能力(彈性)。在地層圍壓的環(huán)境下，水泥石可與套管同步形變不破裂[5]，避免了微裂縫、微環(huán)隙的出現(xiàn)；②提高膠結(jié)質(zhì)量，使膠結(jié)面不易產(chǎn)生微環(huán)隙；③提高自我封堵能力，不易形成連續(xù)的通道。

3.2. 膨脹彈性自密封水泥漿體系設(shè)計

3.2.1. 提高水泥石強度

物體的塑性和彈性是個矛盾關(guān)系，在基礎(chǔ)值不變的情況下提高彈性就會損失部分塑性(抗壓強度)。塑性劑ZS-6含增強劑，可提高水泥石的塑性；特殊纖維,該纖維表面經(jīng)過特殊處理，親和性強，分散性好，不易結(jié)團(tuán)，提高了與水泥石的黏結(jié)力，可顯著提高水泥石的韌性。

3.2.2. 改善水泥石的彈性

自密封材料TX-2是經(jīng)過特殊工藝加工的彈性顆粒，均勻分散于水泥顆粒間，顯著提高了水泥石的彈性，在遇到天然氣或石油氣體能夠產(chǎn)生10%～50%的體積膨脹，增加了水泥環(huán)徑向周向形變能力。在原漿水泥石中加入TX-2后，水泥石力學(xué)性能如表1所示。水泥環(huán)在壓裂時不易破碎，與套管同步形變，避免了微裂縫、微環(huán)隙。彈性封堵劑TX-2均勻分散于水泥石顆粒間，自密封材料封堵水泥環(huán)裂縫示意圖如圖1所示。正常水泥環(huán)中的彈性封堵劑TX-2是均勻分散于水泥石顆粒間(其平均粒徑為0.4 μm)，一旦水泥環(huán)產(chǎn)生裂縫，有氣體進(jìn)入，TX-2的體積會發(fā)生體積膨脹，7 d體積膨脹率最高可達(dá)300%。利用其體積膨脹性將裂隙封閉，起到封堵作用。

室內(nèi)首先測試了加自密封材料前后原始巖心和加自密封材料前后預(yù)制裂紋巖心，這4種巖心的滲透率結(jié)果如表2所示；然后將預(yù)制裂紋后的水泥石巖心在甲烷氣體介質(zhì)中分別養(yǎng)護(hù)2、4、6、8、10 h；最后測試預(yù)制裂紋的水泥石巖心在養(yǎng)護(hù)前后的滲透率，結(jié)果如表3所示。

Table 1. The mechanical data of set cement表1. 水泥石力學(xué)性能數(shù)據(jù)表

Figure 1. The sketch cement sheath fracture sealed with self-sealing material圖1. 自密封材料封堵水泥環(huán)裂縫示意圖

Table 2. The permeability of 4 kinds of rock cores表2. 4種巖心滲透率

Table 3. The permeability recovery performance of the set cement表3. 水泥石滲透率恢復(fù)性能

可以看出，當(dāng)水泥石中未加入自密封材料時，水泥石巖心滲透率幾乎沒有變化。在加入自密封材料的水泥石中，隨著水泥石巖心在甲烷氣體介質(zhì)中養(yǎng)護(hù)時間的增加，巖心滲透率下降明顯，滲透率恢復(fù)率升高。從第4 h開始，滲透率下降明顯增大，說明巖心在甲烷氣體養(yǎng)護(hù)過程中，從第4 h開始自密封材料被激活，10 h內(nèi)滲透率恢復(fù)率大于70%，表現(xiàn)出良好的自密封性能，能有效防止氣體在微裂縫間竄流。

3.2.3. 提高膠結(jié)質(zhì)量

表面活性劑BX86L可使界面更親水，改善了膠結(jié)環(huán)境。膨脹劑BOND可使水泥石體積微膨脹，產(chǎn)生徑向預(yù)應(yīng)力，提高了膠結(jié)強度。

4. 膨脹彈性自密封水泥漿現(xiàn)場應(yīng)用情況

4.1. 現(xiàn)場水泥漿配方及物理性能

配方：嘉華G級水泥 + 45%淡水 + 2%表面活性劑BX86L + 0.4%緩凝劑RET-M + 1%分散劑DISP-S+ 2%降失水劑FLO-S + 1%膨脹劑BOND + 5%自密封材料TX-2 + 0.5%消泡劑DESIL + 3%增塑劑ZS-6(密度為1.90 g/cm3；配方中的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

室內(nèi)對膨脹彈性自密封水泥漿體系的性能進(jìn)行了測試，結(jié)果見表 4，水泥漿具有良好的物理性能，其強度、穩(wěn)定性以及稠化時間均能滿足現(xiàn)場作業(yè)需要。

Table 4. The basic physical property of cement slurry表4. 水泥漿基本物理性能

4.2. 現(xiàn)場應(yīng)用概況

在重慶焦頁67井的表層套管固井施工中，返擠時使用了膨脹彈性自密封水泥漿，很好地封固上部的地層，使淺層氣無法上竄至井口，解決了井口帶壓的問題。同時，在該井的技術(shù)套管施工時，同樣返擠時將膨脹彈性自密封水泥漿最后打入環(huán)空，抑制了氣體的上竄，固井后測試井口無帶壓。

5. 結(jié)論

1) 水泥環(huán)密封失效形成竄流通道主要是在水泥環(huán)內(nèi)部或水泥環(huán)一、二界面上，提高水泥石韌性、改善水泥環(huán)膠結(jié)性和自密封效果是解決環(huán)空帶壓問題的關(guān)鍵技術(shù)。

2) 自密封材料TX-2能夠顯著改善水泥環(huán)的韌性，在甲烷氣體中養(yǎng)護(hù)4 h后，加入TX-2的水泥環(huán)的滲透率恢復(fù)程度顯著，在養(yǎng)護(hù)10 h后，水泥石的滲透率最高恢復(fù)值可達(dá)70%，表現(xiàn)出優(yōu)良的自密封效果。

3) 膨脹彈性自密封水泥漿體系應(yīng)用于現(xiàn)場固井作業(yè)中，施工順利，井口未有明顯帶壓現(xiàn)象出現(xiàn)，說明該水泥漿體系具有良好的推廣應(yīng)用價值和空間。

References)

[1]Moroni, N., Bellabarba, M., Belleggia, E.,et al. (2008) Preserving Stored Gas Reserves: Self Repairing Cement Sheath Protects Underground Gas Storage Investment. IPTC12682.

[2]李紹晨. 遇水膨脹水泥漿體系的研究與應(yīng)用[J]. 鉆井液與完井液, 2013, 31(3): 67-69.

[3]齊靜, 王云, 馬疆, 等. 彈性膨脹水泥漿在儲氣庫固井中的應(yīng)用[J]. 鉆井液與完井液, 2013, 31(4): 52-55.

[4]王野, 楊振杰, 趙秋羽, 等. 氮氣膨脹水泥漿防竄固井技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]. 鉆井液與完井液, 2007, 25(2): 73-76.

[5]Thomas, J., Musso, S., Catheline, S.,et al. (2014) Expanding Cement For Improved Wellbore Sealing: Prestress Development, Physical Properties, And Logging Response. SPE170306.

[編輯]帥群

The Study of the Technology of Expansion Elastic Self-Sealing Cement Slurry and Its Application

Guofang Zhang1, Xiaoliang Wang2,3*1Drilling Company of Sinopec Jianghan Petroleum Engineering Company, Qianjiang Hubei
2Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas (Yangtze University), Wuhan Hubei3Jiahua Technology Co. Ltd., Jingzhou Hubei

張國仿(1962-)，男，碩士，高級工程師，現(xiàn)主要從事鉆井工程方面的研究和管理工作。

2017年5月30日；錄用日期：2017年6月7日；發(fā)布日期：2017年8月15日

Copyright ? 2017 by authors, Yangtze University and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Received: May 30th, 2017; accepted: Jun. 7th, 2017: published: Aug. 15th, 2017

文章引用: 張國仿, 王曉亮. 彈性膨脹自密封水泥漿技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 石油天然氣學(xué)報, 2017, 39(4): 224-228.

10.12677/jogt.2017.394059

*通信作者。