郝海洋 劉俊君 何吉標 王建斌 彭 博 張家瑞

1.中石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司 2.貴州大學資源與環(huán)境工程學院 3.中石化江漢石油工程有限公司鉆井一公司

0 引言

國內(nèi)外頁巖氣勘探開發(fā)普遍采用“水平井+分段壓裂”技術(shù)，以達到增大儲層利用率、提高頁巖氣產(chǎn)量的目的。隨著鉆完井技術(shù)的快速發(fā)展，超長水平井[1]和密切割技術(shù)[2]已取得突破。而涪陵頁巖氣田面臨壓裂后環(huán)空帶壓率上升的難題，技術(shù)套管帶壓率從壓裂前的15.84%提升至壓裂后的53.01%[3]。研究表明，大型分段水力壓裂對水泥環(huán)密封完整性造成破壞[3-8]，包括界面脫粘和水泥石本體破壞[9]。而水泥環(huán)密封完整性對保持油氣井生命周期內(nèi)的層間封隔至關(guān)重要。針對水泥環(huán)封固系統(tǒng)密封失效的問題，國內(nèi)外研究集中在水泥環(huán)力學強度失效、水泥環(huán)界面密封失效等方面[3,7,10-16]。劉碩瓊等[17]詳細研究了水力壓裂時套管在加載和卸載條件下水泥環(huán)的受力狀態(tài)和界面受力情況，揭示了卸載階段容易在界面處形成微環(huán)隙；林元華等[18]通過實驗研究了強交變熱載荷對水泥環(huán)封固系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)水泥環(huán)與套管間的剪切力、軸向與徑向結(jié)合強度等界面力學性能指標均隨交變溫度增加而降低；劉奎等[19]以彈性力學為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了各界面的徑向應(yīng)力計算方程，并討論了套管內(nèi)壓、溫度、地應(yīng)力等因素對水泥環(huán)封隔能力的影響規(guī)律。陶謙[20]利用全尺寸?139.7 mm生產(chǎn)套管，開展了物理模擬試驗研究，發(fā)現(xiàn)水泥環(huán)體積收縮是影響水泥環(huán)密封性能的重要因素之一，溫度和壓力變化產(chǎn)生的殘余應(yīng)變累積，將導(dǎo)致水泥石膠結(jié)界面劣化，影響水泥環(huán)長期密封能力。上述研究表明，外載力會使得水泥環(huán)發(fā)生塑性形變，從而造成界面分離，產(chǎn)生微環(huán)隙，增加界面處竄流通道而形成風險。

近年來，隨著彈韌性水泥漿技術(shù)的快速發(fā)展，降低水泥環(huán)在循環(huán)載荷下的塑性變形已成為關(guān)鍵研究點，即預(yù)防和控制水泥環(huán)微環(huán)隙的大小。而超長水平井需進行多段的水力壓裂施工，對水平段水泥環(huán)在多次循環(huán)載荷下的抗壓能力和低塑性形變能力提出了更高的要求?；诖?，筆者研發(fā)了一種高性能無機纖維增韌劑Super flex，并構(gòu)建了滿足頁巖氣井現(xiàn)場應(yīng)用需要的水泥漿體系，著重評價了水泥石的韌性及其在模擬多級水力壓裂條件下的抗循環(huán)載荷性能，并通過實例評價了水泥漿技術(shù)的應(yīng)用效果。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 增韌劑設(shè)計原理

為了克服常規(guī)有機纖維材料與水泥基體的無機硅酸鹽間無法形成化學膠結(jié)力的缺點，本研究提出的Super flex增韌劑選用了無機礦物纖維作為主要纖維材料，以增加其與硅酸鹽基體間的結(jié)合強度，強化裂縫尖端橋連作用，設(shè)計原理如圖1所示。

圖1 Super flex增韌劑增韌設(shè)計原理圖

同時，基于巖石破壞全過程分析，通過添加塑性劑材料，弱化水化硅酸鈣的脆性作用，增強微裂縫尖端彈塑性，阻斷微裂紋擴展，從而有效預(yù)防和控制水泥石脆性發(fā)展，提升水泥石抗循環(huán)載荷能力，保證水泥環(huán)在大型水力壓裂時的力學完整性。

1.1.2 水泥漿配方

嘉華G級油井水泥 + 1.5%～2.5%降濾失劑 +0.5%～1.0%膨脹劑 + 0.5%～1.0%增強劑 + 0.5%～1.5%防氣竄劑 + 0.5%～2.0% Super flex增韌劑+ 1.5%～2.5%塑性劑 + 0.4%～0.8%減阻劑 +44.0%～46.0%自來水 + 0.1%消泡劑 + 緩凝劑。

1.2 實驗方法

根據(jù)國家標準GB/T 19139《油井水泥試驗方法》及行業(yè)標準NB/T 14004.2—2016《頁巖氣 固井工程第2部分：水泥漿技術(shù)要求和評價方法》標準進行水泥漿的流變性、沉降穩(wěn)定性、濾失性、稠化實驗等性能測試。水泥石的養(yǎng)護條件為70℃、90℃常壓水浴養(yǎng)護，48 h后進行水泥石的抗壓強度測試。

三軸抗壓強度和抗循環(huán)載荷測試采用高溫高壓巖石流變儀（TAR-1500）進行測試，圍壓10 MPa，加載速率200 N/s。

2 抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系性能

2.1 水泥漿性能

2.1.1 流變性

研究表明，無機纖維在改善水泥石力學性能方面有較好的效果[21-22]。圖2和圖3給出抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系在賓漢模式、冪律模式和赫巴模式下的擬合曲線。如圖2所示，室溫下，該體系水泥漿均呈現(xiàn)出了較好的擬合度，尤其符合冪律模式和赫巴模式，流性指數(shù)（n）為0.522～0.472，稠度系數(shù)（K）為0.867～0.882。如圖3所示，90℃時，尤其滿足冪律模式，流性指數(shù)（n）為0.625～0.622，稠度系數(shù)（K）為0.790～0.791。由此可見，抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系的流變性較好，能夠滿足現(xiàn)場施工的泵壓及排量要求。

圖3 抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系90℃流變擬合曲線圖

2.1.2 沉降穩(wěn)定性

為了評價該漿體的沉降穩(wěn)定性，將配置好的漿體倒入250 mL量筒中，然后密封量筒口，置于90℃的常壓水浴中，2 h后測定漿體的上中下密度差。經(jīng)過測量，該體系的實驗結(jié)果為：上中下的密度均為1.88 g/cm3。表明水泥漿的沉降穩(wěn)定性較好，沒有出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，且漿體上面沒有析出自由水，能夠保證水平段井筒上部水泥漿（石）充滿井眼，有助于提高水泥環(huán)密封完整性。

2.1.3 濾失性

經(jīng)高溫高壓濾失實驗測試，抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系在1.5%、2.0%、2.5%的降失水劑加量下，濾失量分別為56 mL、42 mL、36 mL，推薦降失水劑的加量為2.0%～2.5%。

2.1.4 稠化可控特性

固井水泥漿穩(wěn)定的稠化時間是固井安全施工的有效保證，需要根據(jù)具體的固井施工作業(yè)時間來合理地調(diào)節(jié)控制水泥漿的稠化時間和稠化過渡時間。一般而言，通過加入緩凝劑來調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時間，保證固井施工安全。

室內(nèi)對緩凝劑加量變化進行了評價，以研究該體系的稠化時間可控性。實驗條件為溫度90℃、壓力56 MPa，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 緩凝劑加量對水泥漿性能影響的評價實驗數(shù)據(jù)表

由表1可知，隨著緩凝劑加量的增加，水泥漿稠化時間緩慢延長，其稠化時間可調(diào)，稠化過渡時間均能控制在12 min以內(nèi)，稠化性能好。并且緩凝劑加量與稠化時間具有良好的線性相關(guān)，說明該體系的稠化時間可控性較好，可根據(jù)實際技術(shù)需求來添加緩凝劑。

2.2 水泥石力學性能評價

頁巖氣水平井產(chǎn)層固井水泥環(huán)不僅承載著套管的重量，還承擔著封固套管和地層環(huán)空的重要作用。這就要求水泥石具有一定的彈韌性和抗壓強度。為此，對構(gòu)建的抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系，從力學性能方面評價該體系水泥石的常規(guī)力學性能和抗循環(huán)載荷能力。

2.2.1 抗壓強度

對該水泥漿體系固化后的水泥石進行抗壓強度測試。分別在70℃、90℃的溫度及常壓條件下，對該水泥漿體系進行不同時間的水浴養(yǎng)護，并測試水泥石的抗壓強度，測試結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著養(yǎng)護時間增加，水泥石的抗壓強度逐漸增大。并且水泥石在90℃條件下的抗壓強度大于70℃時，說明隨著溫度的增加，水泥水化速度加快，水化產(chǎn)生的水化硅酸鈣產(chǎn)物聚集、交聯(lián)，形成致密水泥石的過程加快，宏觀上水泥石的強度較大。

圖4 水泥石抗壓強度測試結(jié)果圖

通過觀察抗壓強度測試前后的水泥石樣品（圖5），可以發(fā)現(xiàn)達到極限承載力的水泥石遭到了破壞（白色小箭頭所示處），然而并沒有顯著的上下貫穿裂縫和剪切面出現(xiàn)，水泥石依然保持完整性，說明纖維材料起到了阻止裂紋連通、抵抗破裂面形成的作用。

圖5 抗壓強度測試前后水泥石的破壞程度對比圖

2.2.2 抗拉強度

采用巴西劈裂方法測試了水泥石的抗拉強度。90℃常壓水浴養(yǎng)護72 h條件下，不添加增韌劑時，水泥石抗拉強度為3.25 MPa；添加增韌劑后，不同加量下的水泥石抗拉強度分別為4.97 MPa（增韌劑加量1.5%）、5.63 MPa（增韌劑加量2.5%）?？梢娞砑釉鲰g劑后的水泥石抗拉強度有顯著提升。據(jù)報道，涪陵工區(qū)90 MPa壓裂施工時，水泥環(huán)所受的周向拉應(yīng)力約為3.562 MPa[23]。由此可知，增韌劑可有效避免水泥環(huán)開裂，保證其力學完整。圖6給出了巴西劈裂測試后樣品圖片，當水泥石中不含以無機纖維為主的增韌劑時，水泥石受壓后開裂破壞嚴重，有許多縱向次生裂縫形成；添加增韌劑后，水泥石韌性增強，沿中心線徑向劈裂成半圓，且能夠保持完整；裂縫兩端有纖維將水泥石連接在一起，裂縫并未完全貫穿樣品。由此推測，纖維的加入阻礙了裂縫的發(fā)展，并在裂縫尖端處形成一定的彈塑區(qū)域。纖維自身斷裂強度越高、與基底材料間的膠結(jié)力越強，阻礙裂縫延展的效果越好。

圖6 巴西劈裂抗拉強度測試后樣品圖片

2.2.3 三軸抗壓強度與彈性模量

不含增韌劑、添加1%增韌劑，這兩種情況下水泥石的三軸應(yīng)力—應(yīng)變對比曲線如圖7所示?；趲r石受力的全過程分析，偏應(yīng)力在0～10 MPa時，水泥石中固有微裂隙的在圍壓及外載力的作用下，逐漸閉合，水泥石初始彈性結(jié)構(gòu)改變，逐步壓實。隨后水泥石進入近似于彈性變形階段。之后水泥石損傷累積并達到水泥石的極限荷載強度，水泥石本體內(nèi)裂紋逐漸聚集并形成宏觀裂隙，水泥石發(fā)生剪切、拉伸或者延性破壞。由圖7可得，添加增韌劑后，應(yīng)力—應(yīng)變曲線出現(xiàn)延性特征，彈性模量降低，然而強度出現(xiàn)了一定程度削弱（由83.62 MPa降低為57.54 MPa）。因此，頁巖氣水平段水泥石不應(yīng)過分追求低彈性模量的特性，還應(yīng)考慮水泥石的抗壓強度以及恢復(fù)形變的能力[24]。如是，研究水泥石在循環(huán)載荷下的塑性形變量顯得尤為有意義。

圖7 水泥石的三軸應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

2.2.4 抗循環(huán)載荷性能

選取圍壓10 MPa時水泥石極限抗壓強度的52%（30 MPa）和70%（40 MPa）作為最大加載應(yīng)力，來研究其抗循環(huán)載荷能力。圖8為水泥石在70次循環(huán)載荷下的受力回滯曲線。從圖8中可以看出，隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，應(yīng)力回滯曲線逐漸變得致密，說明水泥石逐漸被壓實，每次加載下的累積形變量逐漸減小。此外，相同加載次數(shù)時，最大加載應(yīng)力越大，水泥石的形變量越大。

圖8 水泥石受力回滯曲線圖

圖9統(tǒng)計了水泥石在前30次循環(huán)載荷下的軸向應(yīng)變，隨著加載次數(shù)的增加，軸向應(yīng)變逐漸增大，但增大的幅度逐漸減小。當循環(huán)區(qū)間為5～30 MPa時，循環(huán)加載30次，添加增韌劑的水泥石軸向應(yīng)變?yōu)?.521%，而作為對比樣的抗高交變載荷水泥漿體系在循環(huán)加載30次時，軸向形變量為0.711%[23]，顯然添加增韌劑的水泥石其軸向應(yīng)變量??；此外，當循環(huán)次數(shù)為70次時，添加增韌劑的水泥石其軸向應(yīng)變?yōu)?.585%。

圖9 循環(huán)載荷作用下水泥石塑性形變圖

為了研究高應(yīng)力條件下，水泥石的抗循環(huán)加載能力，將循環(huán)區(qū)間設(shè)定為5～40 MPa。此時，循環(huán)加載30次，添加增韌劑的水泥石其軸向應(yīng)變?yōu)?.685%（圖9）；此外，循環(huán)加載70次時，軸向應(yīng)變量為0.766%。

分析了5～30 MPa加/卸載受力回滯曲線的近直線部分斜率，獲得了水泥石在加卸載時的的彈性模量變化情況，如圖10a所示。初次加載后，水泥石的加載時彈性模量出現(xiàn)了突增，隨后加載時彈性模量逐漸變大，并在加卸載25次后趨于穩(wěn)定（圖10b）；而卸載時的彈性模量出現(xiàn)了一定程度的衰減，加卸載25次后趨于穩(wěn)定；加載70次后并未出現(xiàn)加卸載彈性模量明顯衰減的現(xiàn)象，說明水泥石力學性能穩(wěn)定，內(nèi)部并未出現(xiàn)大量微裂紋溝通串聯(lián)的損傷。初次加載后，水泥石中水化硅酸鈣間的固有微孔隙閉合，水泥石變得更加致密，彈性增強，水泥石恢復(fù)形變能力增強。

圖10 水泥石在5～30 MPa循環(huán)區(qū)間內(nèi)加載/卸載時的彈性模量變化圖

由此可知，在相同地層應(yīng)力和水力壓裂條件下，分段壓裂次數(shù)越多，水泥石的塑性形變越大，而Super flex增韌劑可以降低水泥石的塑性形變，有助于維持水泥環(huán)在交變應(yīng)力下的水泥石力學完整性，降低水泥石的塑性形變，減小微環(huán)隙尺寸，從而提升水泥環(huán)密封完整性。

2.3 抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系防竄性能評價

2.3.1 稠化過渡時間

由表1可知，抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系隨著緩凝劑加量增大，稠化時間延長，證明該水泥漿體系具有良好的稠化時間可調(diào)性；根據(jù)緩凝劑加量和稠化時間的擬合直線，說明在滿足施工安全的前提下，該體系的稠化時間可以根據(jù)實際需要進行控制。且不同緩凝劑加量下的過渡時間均小于12 min，說明該體系水泥漿在發(fā)生膠凝到“失重”階段具有較好的防氣竄性能。

2.3.2 滲透率

為有效評價抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系水泥石對井筒環(huán)空的密封能力，測試水泥石本體的氣體滲透率。采用PDP-200頁巖物性測定儀，通過壓力脈沖衰減法來測試水泥石的滲透率。

頁巖氣井巖心滲透率為0.032 3 mD，抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥石滲透率為0.001 1 mD，比頁巖巖心滲透率降低了1個數(shù)量級，比抗高交變載荷水泥石（0.002 5 mD）低50%，可以阻擋地層氣體通過滲透水泥環(huán)本體向上部運移造成套管環(huán)空竄流，具有很好的水泥本體密封效果。

3 抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系現(xiàn)場適用性評價

現(xiàn)場調(diào)試小樣配方時，Super flex增韌劑加量在0.5%～2.0%，瓦楞攪拌器低轉(zhuǎn)速（4 000轉(zhuǎn)/分鐘）時，正常下灰時間在21～28 s，且漿體流變性較好。實際應(yīng)用中，為了保證施工安全，還應(yīng)評價漿體的溫度和密度敏感性。

3.1 溫度發(fā)散

抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系溫度發(fā)散評價實驗使用基礎(chǔ)配方，未加緩凝劑，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系溫度發(fā)散評價實驗數(shù)據(jù)表

由上述溫度發(fā)散實驗數(shù)據(jù)可知，抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系在溫度相差5℃的情況，稠化時間間距小于25 min，證明該水泥漿體系對溫度的敏感性較小。

3.2 密度發(fā)散

抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系密度發(fā)散評價實驗結(jié)合現(xiàn)場實際進行，現(xiàn)場注水泥漿時，同等干灰質(zhì)量下，密度高液固比小，密度低時液固比大，正常密度點干灰總重860 g用配漿水量371 g，密度發(fā)散實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系密度發(fā)散評價實驗數(shù)據(jù)表

由密度發(fā)散實驗數(shù)據(jù)可知，抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系在密度相差0.03 g/cm3的情況下，稠化時間間距小于30 min，證明該水泥漿體系對密度的敏感性較小。

綜上所述，抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系具有優(yōu)異的流變、抗壓強度、抗拉強度性能，同時稠化時間可控、防氣竄、抗疲勞損傷，可在水泥環(huán)承受分段壓裂循環(huán)載荷作用下，保障井筒水泥環(huán)對環(huán)空的長效密封完整性。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

HYXHF井位于四川盆地東部高陡褶皺帶石柱復(fù)向斜建南構(gòu)造，水平段長2 718 m，屬于超長水平井。該井產(chǎn)層水平段油基鉆井液密度1.54 g/cm3，固井施工中注入1.56 g/cm3驅(qū)油清洗液40 m3，1.58 g/cm3領(lǐng)漿39 m3，1.88 g/cm3尾漿110 m3，頂替液68 m3，碰壓36 MPa上升至41 MPa。該井尾漿采用了抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥漿體系。根據(jù)固井質(zhì)量測井聲幅結(jié)果，分析了固井一界面的膠結(jié)質(zhì)量，水平段：“優(yōu)質(zhì)”段長2 473 m，“良好”段長200 m，“差”段長35 m。即水平段的優(yōu)質(zhì)率91.0%，良好率7.4%。分段壓裂后，技術(shù)套管環(huán)空不帶壓，顯示了較好的工程應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

1）Super flex增韌劑與水泥漿相容性好，不影響水泥漿的流變性，通過無機纖維在裂縫兩端的橋連作用和裂縫尖端的增塑作用，阻礙微裂紋發(fā)展，可較好地改善水泥石韌性，降低水泥石的塑性形變，減小微環(huán)隙的大小。

2）抗循環(huán)載荷彈韌防氣竄水泥石承受循環(huán)載荷70次后，依然保持完整，具有良好的抗循環(huán)載荷能力，能夠滿足水力壓裂時的力學要求，防止壓裂過程中井筒水泥環(huán)發(fā)生破碎，能夠預(yù)防和控制超長水平井水泥環(huán)在多次循環(huán)載荷后的力學破壞而保持水泥環(huán)密封完整性。