陸相頁巖氣水平井中增韌防氣竄固井水泥漿體系的研究

景 豐

（陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西西安 710075）

與海相頁巖氣儲層相比，延長石油陸相頁巖氣儲層泥質含量較高、水敏性較強、孔隙度更低，對水泥漿失水、析水及防顆粒入侵要求更高；由于陸相頁巖泥質含量高、非均質性強等地質因素，后期儲層改造過程中不同程度的存在部分層段施工壓力過高的現象，因此不僅要求水泥石具有一定的韌性，同時需要水泥石具有較高的強度，需韌性和強度兼備，以防止射孔孔眼附近的巖石被高壓壓碎[1-5]。另外，由于延長石油陸相頁巖氣儲層具有低孔隙度、低滲透率、低地層壓力系數等地質特征及后期增產改造的需要，水平井固井水泥漿性能還應具有良好的沉降穩定性、良好的流變性能、零自由液、低失水、雙密度水泥漿體系、較強的防竄能力[6-9]。

1 頁巖氣井固井水泥石的力學性能要求

為了確定延長石油陸相頁巖氣水平井對固井水泥石力學性能的要求，建立了套管-水泥環-地層的地質力學模型（見圖1）。該模型的假設條件：（1）井眼為規則的圓形，套管居中，水泥漿完全充滿環形空間；（2）地層為各向同性、均勻連續的線彈性體，水平方向地應力沿周向均勻分布；（3）被破壞前，水泥環為均質、連續、各向同性的線彈性體；（4）水泥環兩個膠結面產生微間隙前與套管和井壁完全接觸，壁面間無滑移；（5）考慮到壓裂施工的作用時間相對較短，因此地層邊界條件以無限遠處為固定邊界條件；（6）為減少地層厚度對計算模型的影響，取地層厚度大于水泥環和套管厚度的20倍。依據厚壁圓筒理論，表面變形的徑向位移為[10]：

式中：Po-厚壁筒所受的內壓力，MPa；Pi-厚壁筒所受的外壓力，MPa；r-極坐標半徑，mm；μ-泊松比；rH-厚壁筒外徑，mm；tn-厚壁筒外、內半徑比；E-楊氏模量，GPa。

根據胡克定律和位移連續條件，可得出水泥石在r處的徑向應力σr及周向應力σθ表達式：

式中：P1-水泥環所受的內壓力，MPa；P2-水泥環所受的外壓力，MPa；r-極坐標半徑，mm；μc-泊松比；r1-套管外徑，mm；r2-水泥環外徑，mm；Ec-水泥石楊氏模量，GPa。

圖1 套管-水泥環-地層受力示意圖

模擬工況的基本參數為：（1）鉆頭直徑215.9 mm，井眼擴大率8%，套管外徑為139.7 mm；（2）套管楊氏模量為211 GPa，泊松比為0.3，套管壁厚為9.17 mm；（3）水泥石彈性模量為25 GPa～18 GPa，泊松比為0.12～0.3；（4）地層假設為穩定地層，楊氏模量取 8 GPa、15 GPa，泊松比為0.23～0.3；（5）模擬施工壓力為70 MPa。水泥石破壞的判斷依據為第一強度理論。根據水泥環的應力表達式，不同軟硬地層水泥環彈性模量（楊氏模量）與一二界面等效應力的關系（見圖2）。

由計算結果可知，兩種不同地層條件下一界面等效應力均大于二界面等效應力，隨著水泥石楊氏模量的降低（韌性增強），滿足壓裂需求的抗壓強度有其最低要求，兩者呈現正相關，但并非線性關系；地層彈性模量越大，一界面等效應力越大，水泥石的強度需求越高，該計算結果為水泥石力學性能設計提供了依據。根據延長組、山西組陸相頁巖氣儲層巖石力學性能及壓裂需求，為最大限度節約成本，設計水泥石楊氏模量12 GPa，其抗壓強度應至少大于30 MPa，部分較硬地層抗壓強度為35 MPa為宜。

圖2 水泥石彈性模量界面等效應力關系

2 新型增韌劑的優選和加量范圍

目前水泥石增韌的實現途徑主要有三類，其優點及局限性（見表1）。

表1 三種類型的增韌材料優點及局限性

以上三種水泥石增韌途徑中，因滿足增韌效果的膠乳加量過大（15%以上），噸位價格和加量綜合成本是纖維和橡膠粉的5倍以上，從經濟性方面考慮，選擇纖維和合成橡膠粉為主要的增韌劑備選原料。根據陸相頁巖氣儲層改造特點，需要水泥石具有較高的強度，但纖維的加入顯著降低了水泥石的強度，且現場施工不易混拌，易堵塞水泥車及施工管線。因此選擇合成橡膠粉為主要增韌劑原料。

2.1 合成橡膠粉增韌劑制備

合成橡膠粉加入水泥漿增韌有一定的局限性，主要為顆粒過粗時影響水泥石的強度，且其表面親水性能較差，無法對水泥顆粒內部形成凝聚力。C-S-H多孔介質填充理論指出在水泥水化產物內部充滿細小多孔，選擇合適的彈性材料填充其中，可有效改善水泥石脆性，增加韌性。因此需將合成橡膠粉選粒，類比漂珠（平均粒徑146 μm）與水泥的顆粒級配，篩選平均粒徑146 μm左右的合成橡膠粉與水泥進行合理級配，方法為過 100目篩（150 μm）篩選。

針對橡膠粉表面的親水性較差的問題，對其表面進行改性處理。基于硅烷偶聯劑對材料表面處理后強度及機械性能方面顯著的改善效果，選擇其為橡膠粉的表面改性溶液。先配制質量百分含量為1.5%的硅烷偶聯劑溶液，向其中加入橡膠粉，靜置24 h后過濾、曬干，得到表面改性的合成橡膠粉。表面改性處理后，為進一步增進親水性，向粉劑內加入能增加水泥顆粒內部凝聚力的乳膠粉，乳膠粉、橡膠粉比例為1:2，制成新型增韌劑M91-S。

2.2 與纖維增韌劑的效果對比

將長短、粗細不同的尼龍、石棉或碳纖維加入到水泥漿中，可起到增韌的目的。纖維水泥的增韌效果在國內不同的研究機構均有不同程度的證明，但纖維的加入在改善脆性的同時也大幅降低了水泥石的強度。為更好地進行優選，將新型增韌劑與纖維增韌劑進行對比，測試其抗壓強度，觀察破型后水泥石情況，直觀比較脆性改善情況。對比結果（見表2）。可以看出，在不加入增韌材料的情況下，凈漿水泥石表現出高強度、高脆性；新型增韌劑和纖維類增韌劑的加入均能有效改善水泥石的脆性，破型后依然能保持試塊完整，但纖維類增韌劑會使強度降低20%，而且破型后的試塊裂紋較多，膠結力也較弱。根據模型計算，陸相頁巖氣水平井后期改造不僅需要水泥石具有一定的韌性，而且需其強度大于30 MPa，而新型增韌劑幾乎對強度無影響，破型后水泥石裂紋較少，膠結力也更強。

表2 新型增韌劑與纖維類增韌劑對水泥石的影響對比

2.3 新型增韌劑的加量范圍

測試不同增韌劑加量下的水泥石的楊氏模量和抗壓強度，測試結果（見表3）（測試無圍壓）。由測試結果可知，增韌劑加量3%以上，可使水泥石的楊氏模量降低20%以上，但加量大于3%以后隨著增韌劑的加量的增加，楊氏模量降低的幅度并不明顯，同時從成本方面考慮，增韌劑的合理加量為3%～4%。

表3 不同增韌劑加量下水泥石的力學性能

3 其他外加劑加量優化

3.1 降失水劑加量優化

降失水劑同低密度水泥漿的降失水劑相同，為改性的PVA類材料，由主劑和穩定劑組成。將M-89L及其輔劑以一定比例加入G級水泥漿中，密度1.90 g/cm3，測試60℃下失水和初始稠度，結果（見表4）。

表4 M-89L主輔劑對性能的影響

從表4中可以看出，當主劑加量為6.0%、輔劑加量為1.2%時為最佳比例，能將失水控制在30 mL以內，并且漿體流動性良好。

3.2 減阻劑加量優化

丙酮、甲醛縮合物類減阻劑能使水泥顆粒表面帶相同的負電荷，從而阻止減緩了顆粒之間的聚集和絮凝，減小水泥漿的流動阻力，改善其流變性能，使水泥漿易于達到紊流。USZ即是此類液體減阻劑，將0.5%USZ加入G級水泥漿中，與凈漿做流變對比，結果（見表5）。加入0.5%USZ可使水泥漿摩阻減小75%以上，符合冪律流體方程，易于紊流。在增韌水泥漿中，經過配方調試，調整其加量至0.7%，流動度和沉降穩定性都比較合理。

表5 水泥漿流變性能

3.3 緩凝劑加量優化

增韌水泥漿的稠化時間要求為120 min～180 min，同時考慮降失水劑的延長稠化性能，測試加量0.1%和無緩凝劑情況下的稠化時間，分別為208 min和183 min，因此選擇緩凝劑加量為0。

4 固井水泥漿體系綜合性能分析

通過室內實驗，對以上外加劑加量進行綜合優化，得出增韌水泥漿體系配方：JHG級水泥+USZ 0.7%+M-89L 6.0%+穩定劑1.2%+M91-S 3.0%+M-53L 2.0%，W/C0.34。

4.1 流變性

上述配方的水泥漿各項性能如下：密度：1.90 g/cm3；流動度：23 cm；析水及沉降穩定性：0（60 ℃×常壓×2 h，45°傾角），上下密度差0 g/cm3；失水及防氣竄性能：16 mL（60 ℃×6.9 MPa×30 min），防竄 SPN 值為 0.14；水泥漿的流變性能（見表6），可以看出加溫預置后水泥漿低速下黏度升高穩定性增強，高速下黏度降低易于頂替，綜合流變性能好。

4.2 抗壓強度

根據水泥石強度發展規律，測試其頂部強度，即50℃養護條件下的抗壓強度。水泥漿體系24 h抗壓強度為30.23 MPa，48 h抗壓強度為38.69 MPa。

4.3 稠化時間

實驗條件為60℃×30 MPa×30 min，水泥漿初始稠度為12 Bc，稠化時間115 min，過渡時間1 min。

4.4 滲透率

將增韌體系、常規油層體系及G級凈漿在60℃×20 MPa環境下養護48 h后，采用當前國際最先進氣體滲透儀器（ULTRA-PERM 500 USA）測試水泥石滲透率，測試結果（見表7）。由表7可知，增韌水泥漿體系的滲透率小于0.05 mD，低于常規油層固井用水泥漿和G級凈漿。較低的滲透率能夠抵抗和延緩射孔液、壓裂液等后期儲層改造液體對水泥石的腐蝕。

表6 水泥漿流變性測試數據

表7 水泥石滲透率測試

4.5 彈性模量測試

采用ToniPRAX壓力和彎曲試驗機對水泥石的彈性模量和抗折強度進行測試，水泥石養護條件為50℃、20 MPa，測試圍壓20 MPa，測試結果（見表8）。可見，向水泥漿體系中添加增韌劑能夠明顯改善水泥石的硬脆性，水泥石楊氏彈性模量降低了27.5%。

表8 水泥石彈性模量測試

4.6 抗折強度測試

抗折強度測試主要表征水泥石的韌性，即水泥石在外載荷作用時的抗拉和抗剪切能力。水泥石的韌性能夠保證水泥石在壓裂過程中提高水泥石在周向的抗拉強度，控制輻射狀裂紋的產生，同時有效控制射孔階段水泥石裂紋的擴展，增強水泥石“增韌止裂”能力。采用“三點抗折”實驗測試法針對水泥石抗折強度開展測試，并采用JCI-SF4解釋方法對水泥石韌性開展性能評價，測試結果（見表9）。根據表中數據可知，常規水泥漿體系和韌性水泥漿體系在同等養護條件下，水泥石基體起裂載荷為150 N左右，通過增韌劑等外加劑難以改變水泥石基體開裂載荷，但是增韌材料對裂紋的后期擴展及增韌能力明顯，抗折強度提高50%以上，斷裂強度載荷提高50%以上，對水泥石韌性性能改善明顯。

4.7 抗沖擊載荷測試

為了評價水泥石在井下高應變率載荷下水泥石的力學響應特性，使用Hopkinson壓桿試驗設備開展高速沖擊實驗，測試結果（見表10）。可以看出，在高速載荷作用下，在高應力載荷作用下，水泥石的表現為應力增強特性，水泥石抗壓強度及彈性模量均增加。增韌水泥基體由于彈性增韌劑對沖擊功的吸收，明顯增加了水泥石在單軸載荷作用下抗壓強度，同時彈性模量較低，其對高速加載作用下水泥石力學性能增強效果明顯。而常規水泥石在沖擊載荷作用下，水泥石呈現碎裂狀態，表現為高速加載條件下水泥石裂紋的快速發展。增韌水泥漿體系，水泥石呈現有限裂紋擴展狀態，表現為在高速載荷作用下，水泥石較好的增韌止裂效果，抗沖擊能力相較常規水泥石提高了23.7%。

表9 水泥石抗折強度

表10 高速沖擊載荷下水泥石力學性能測試

4.8 抗拉強度

為進一步測試水泥石韌性，使用抗拉試驗機對增韌水泥石和凈漿水泥石的抗拉強度進行測試，測試方法依據GB/T 50266-99（工程巖體試驗方法標準）執行。測試結果（見表11）。可見加入增韌劑后的水泥石抗拉強度顯著增高，相較于凈漿水泥石，抗拉強度增大了51.6%，增韌效果明顯。

表11 抗拉強度測試結果

5 結論

針對延長石油陸相頁巖氣儲層具有低孔隙度、低滲透率、低地層壓力系數等地質特征及后期增產改造的需要，研發了陸相頁巖氣水平井中增韌防氣竄固井水泥漿體系。增韌防氣竄水泥漿體系配方為JHG級水泥+USZ 0.7%+M-89L 6.0%+穩定劑1.2%+M91-S 3.0%+M-53L 2.0%，W/C0.34。該水泥漿體系的室內評價實驗表明：（1）加溫預置后水泥漿低速下黏度升高穩定性增強，高速下黏度降低易于頂替，綜合流變性能好。（2）水泥漿體系24 h抗壓強度為30.23 MPa，48 h抗壓強度為38.69 MPa。（3）滲透率小于0.05 mD，低于常規油層固井用水泥漿和G級凈漿。（4）與常規水泥石相比，增韌水泥石楊氏彈性模量降低27.5%，抗折強度提高50%以上，斷裂強度載荷提高50%以上，抗沖擊能力提高23.7%，抗拉強度增大51.6%。