項(xiàng) 楠

（江漢石油工程有限公司鉆井一公司固井工程公司，湖北潛江 433123）

頁巖氣開發(fā)生產(chǎn)中的同步壓裂技術(shù)常使用于多口配對井開采時(shí)，同時(shí)壓裂，使壓裂液以及配套支撐劑通過高壓，逐漸從一口井注入到另一口井，來增加水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的表面積，從而改變空間，最大限度使巖層天然裂縫連通[1-3]。頁巖氣水平井壓裂需要在水平段進(jìn)行多段分段射孔壓裂，這對頁巖氣井固井質(zhì)量提出了更高的要求[4-7]，要求水泥石不但要能完整充填環(huán)空，具有良好的膠結(jié)性能，還要有自修復(fù)能力，以保證壓裂過程中對層間進(jìn)行有效封隔和后續(xù)生產(chǎn)作業(yè)順利進(jìn)行[8-9]。因此，需要設(shè)計(jì)一套性能優(yōu)異的自修復(fù)水泥漿體系，通過對水泥石力學(xué)性能優(yōu)化，并使水泥漿具有一定自修復(fù)性能，可有效預(yù)防頁巖氣水平井固井作業(yè)的環(huán)空帶壓問題，為該氣田的后續(xù)勘探開發(fā)提供技術(shù)保障。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

嘉華G 級水泥，四川嘉華特種水泥廠；淡水、降濾失劑FLO-S、分散劑DAS、緩凝劑RAL、消泡劑CF40L、增強(qiáng)劑STR、增韌劑REG-4，荊州嘉華科技有限公司；自修復(fù)劑TBR-1，實(shí)驗(yàn)室自制。

恒速攪拌器TG-3060、六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)TG-3060、高溫高壓稠化儀TG-8040、高溫高壓失水儀TG-71，沈陽泰格石油儀器設(shè)備制造有限公司；勻加荷壓力試驗(yàn)機(jī)YJ-2001，青島森欣機(jī)電設(shè)備有限公司；冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡SU8010，日立公司；HCY-2 高溫高壓巖心流動試驗(yàn)儀，海安華達(dá)石油儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）水泥漿性能評價(jià)：按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 10238—2005《油井水泥》和GB/T 19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》開展水泥漿性能評價(jià)[10]。

（2）水泥石自修復(fù)率評價(jià)固井水泥環(huán)自修復(fù)性能的方法：使用巖心流動裝置測定水泥石裂縫產(chǎn)生前后滲透率的變化。該方法的基本原理是達(dá)西滲流定律，測得的水泥石滲透率的變化值采用如下公式就可以獲得水泥石自修復(fù)率：

式中：K前和K后分別是裂縫修復(fù)前后滲透率。其中當(dāng)K后>K前，表示該自修復(fù)水泥石具有自修復(fù)微裂縫的功能；當(dāng)K前=K后，表示自修復(fù)水泥石無自修復(fù)微裂縫的功能。當(dāng)滲透率自修復(fù)率超過70.00%時(shí)，表明該水泥石自修復(fù)性能較好。

（3）微觀形態(tài)分析：用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡SU8010 觀察水泥石電鏡掃描圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 自修復(fù)水泥漿體系材料的優(yōu)選

2.1.1 緩凝劑的研究 緩凝劑的作用主要是調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時(shí)間[11-12]，在進(jìn)行固井水泥漿體系的設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合頁巖氣固井施工作業(yè)選擇合適的緩凝劑來合理的控制和調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時(shí)間和稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間是重要環(huán)節(jié)之一。因此，在緩凝劑作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，室內(nèi)對緩凝劑RAL 不同加量下水泥漿稠化性能進(jìn)行了評價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 不同RAL 加量下水泥漿稠化性能評價(jià)

從圖1 可以看出，隨著RAL 加量的增加，水泥漿稠化時(shí)間呈線性調(diào)節(jié)，說明RAL 加量變化不敏感，緩凝效果穩(wěn)定，且稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間均小于20 min，稠化時(shí)間和稠化曲線都能滿足頁巖氣固井施工要求。根據(jù)實(shí)際需要，為滿足頁巖氣固井作業(yè)，RAL 加量控制在0.4%。

2.1.2 增韌劑的研究 頁巖氣固井對水泥石力學(xué)性能要求較高。結(jié)合材料學(xué)的原理和前人的研究可知，目前用的比較多的增韌材料為纖維、膠乳、彈性顆粒等[13-15]，在水泥漿中添加彈韌材料可以提高水泥石的力學(xué)性能，改善水泥石的沖擊韌性，達(dá)到防止水泥石破裂的效果。為了優(yōu)化自修復(fù)水泥漿體系的力學(xué)性能，提高水泥漿韌性，實(shí)驗(yàn)選取彈韌性聚合乳液REG-4、杜拉纖維以及固體膠乳粉作為增韌劑對水泥漿強(qiáng)度性能和柔韌性能進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果見表1。

表1 增韌劑的篩選評價(jià)

從表1 可以看出，加入了增韌劑的水泥漿，水泥石的抗壓強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度及抗拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能均得到明顯提高，但是添加REG-4 水泥石力學(xué)性能最優(yōu)，抗壓強(qiáng)度提高了36%，抗沖擊強(qiáng)度提高了44%，彈性模量降低了46%，滿足現(xiàn)場固井作業(yè)需求，綜合分析水泥漿性能，水泥漿體系選擇REG-4 作為增韌劑。

為了進(jìn)一步研究REG-4 對水泥石力學(xué)性能的影響，在不同REG-4 加量下對水泥石力學(xué)性能開展了評價(jià)（圖2）。

圖2 不同REG-4 加量對水泥石力學(xué)性能影響

從圖2 可以發(fā)現(xiàn)，隨著REG-4 加量的增加，水泥石抗壓強(qiáng)度略微下降，但是均大于20.0 MPa，水泥石抗沖擊強(qiáng)度增大，彈性模量降低；當(dāng)REG-4 加量為4%時(shí)，水泥石彈性模量小于6.00 GPa，抗沖擊強(qiáng)度達(dá)2.45 kJ/m2，綜合力學(xué)性能最優(yōu)，這是由于REG-4 形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)與油井水泥水化產(chǎn)物相互滲透，增加水泥石致密性，提高水泥石的彈性和韌性，降低水泥石脆性，因此，推薦REG-4 加量為4%。

2.1.3 自修復(fù)劑的優(yōu)選 為了滿足頁巖氣固井作業(yè)條件，室內(nèi)引入具有特殊功能基團(tuán)的聚合物材料自修復(fù)劑TBR-1 加入到水泥漿，采用HCY-2 高溫高壓巖心流動試驗(yàn)儀測量不同加量TBR-1 的水泥石巖心滲透率，水泥石自修復(fù)率結(jié)果見圖3。

圖3 不同TBR-1 加量對水泥石自修復(fù)效果的影響

從圖3 可以看出，當(dāng)加入TBR-1 后，水泥石自修復(fù)率得到明顯提高，當(dāng)加入5%的TBR-1 時(shí)水泥石自修復(fù)率達(dá)82.10%，表明加入TBR-1 的水泥石修復(fù)性能更好，這是由于該材料加入到水泥漿中，當(dāng)水泥石產(chǎn)生裂縫后，TBR-1 可以與地層中竄流流體接觸后被自動激活，利用材料的體積膨脹來修復(fù)微裂縫,起到防竄、修復(fù)的功能。推薦TBR-1 加量為5%。

2.2 自修復(fù)水泥漿體系綜合性能評價(jià)

結(jié)合頁巖氣固井地質(zhì)特征，采用RAL 控制水泥漿稠化性能、REG-4 提高水泥石的彈性和韌性及TBR-1的修復(fù)性，在此研究的基礎(chǔ)上并協(xié)同其他固井添加劑形成了一套自修復(fù)水泥漿體系，該水泥漿配方為：嘉華G 級水泥+52.0%淡水+2.0%降濾失劑FLO-S+1.0%分散劑DAS+0.4%緩凝劑RAL+0.8%消泡劑CF40L+2.0%增強(qiáng)劑STR+4.0%增韌劑REG-4+5.0%自修復(fù)劑TBR-1，針對該配方在不同溫度下對自修復(fù)水泥漿體系綜合性能進(jìn)行了評價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2 可以看出，在不同溫度條件下，自修復(fù)水泥漿體系的流行指數(shù)大于0.70，稠度系數(shù)小于0.5，說明該水泥漿的流變性好，上下密度差為0，說明漿體的沉降穩(wěn)定性好，且失水量小于40 mL，滿足頁巖氣固井作業(yè)需求。從表2 還可以發(fā)現(xiàn)，該自修復(fù)水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度大于23.0 MPa，抗沖擊強(qiáng)度可達(dá)2.49 kJ/m2，彈性模量最低小于5.50 GPa，說明增韌劑加入水泥漿改善了水泥石的彈性和韌性，防氣竄系數(shù)SPN 大于1.00，說明具有良好的防氣竄性能。

2.3 水泥漿自修復(fù)性能評價(jià)

為了研究自修復(fù)水泥漿體系的修復(fù)性，水泥石巖心在液化石油氣介質(zhì)中分別養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間，對比分析加入TBR-1 的巖心滲透率自修復(fù)率以及未加TBR-1的韌性水泥石巖心滲透率自修復(fù)率，結(jié)果見表3。

表3 水泥石滲透率自修復(fù)性能

從表3 不難發(fā)現(xiàn)，48 h 后自修復(fù)水泥漿體系自修復(fù)率明顯增大，72 h 自修復(fù)率達(dá)84.10%，能有效防止氣體在微裂縫間竄流。未加TBR-1 幾乎無自修復(fù)現(xiàn)象。

2.4 自修復(fù)水泥漿體系微觀結(jié)構(gòu)分析

為了更為直觀的對自修復(fù)水泥石展現(xiàn)環(huán)空帶壓自修復(fù)水泥漿體系的特征，室內(nèi)對普通韌性水泥石與自修復(fù)水泥石的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，從圖4 可以看出，普通韌性水泥石受到破壞后有很多孔洞，水泥石顆粒之間很分散，而從圖5 不難發(fā)現(xiàn)，水泥石破壞后的內(nèi)部可以明顯看出很多拉絲的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這樣水泥水化形成的產(chǎn)物與韌性自修復(fù)體軟化網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)交織在一起，改善了水泥石基質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能，降低了自修復(fù)水泥石的彈性模量并提高了其變形能力，另外還可以看到水泥石內(nèi)部基本沒有孔隙，這是由于自修復(fù)材料與竄流流體接觸后產(chǎn)生體積膨脹修復(fù)微裂縫，說明彈韌性材料與自修復(fù)材料協(xié)同使用保證韌性的同時(shí)兼顧自修復(fù)性能，達(dá)到控制環(huán)空帶壓的目的。

圖4 普通韌性水泥石

圖5 自修復(fù)水泥石

3 結(jié)論

（1）根據(jù)頁巖氣固井環(huán)空帶壓難點(diǎn)分析，通過對緩凝劑的篩選，優(yōu)選緩凝劑RAL，并根據(jù)研究確定體系RAL 加量為0.4%。該緩凝效果穩(wěn)定，且稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間均小于20 min，稠化時(shí)間可調(diào)，滿足頁巖氣固井施工要求。

（2）通過彈韌性聚合乳液REG-4 和化學(xué)復(fù)配合成的自修復(fù)劑協(xié)同使用，一方面提高水泥石力學(xué)性能，降低了水泥石的彈性模量，增強(qiáng)水泥石的彈性形變能力，另一方面研制的自修復(fù)劑TBR-1 與竄流流體接觸后產(chǎn)生體積膨脹可以有效修復(fù)微裂縫，達(dá)到控制環(huán)空帶壓的目的。

（3）通過對自修復(fù)水泥漿體系主要材料的研究，構(gòu)建了一套控制環(huán)空帶壓自修復(fù)水泥漿體系，該自修復(fù)水泥漿體系具有良好的流變性和漿體穩(wěn)定性，且增韌劑的加入改善了水泥石的力學(xué)性能，自修復(fù)水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度大于23.0 MPa，抗沖擊強(qiáng)度可達(dá)2.49 kJ/m2，彈性模量最低小于5.50 GPa，水泥石具有良好的彈性和韌性，防氣竄系數(shù)SPN 大于1.00，具有良好的防氣竄性能。尤其是水泥石的72 h 滲透率自修復(fù)率達(dá)到84.10%，對微裂縫修復(fù)效果好，實(shí)現(xiàn)了自修復(fù)水泥漿體系對水泥石自修復(fù)性能要求，為頁巖氣現(xiàn)場固井提供了技術(shù)支撐。