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页岩气水平井固井水泥浆体系

介绍内容概述水泥石受力分析固井主要添加剂材料优选固井水泥浆体系研究认识2

一、概述1、问题的提出页岩气水平井射孔压裂常规水泥石弹韧性差耐久性差不能满足页岩气井有效封隔要求页岩气水平井需要进行射孔及大规模的压裂作业，对水泥石要求具有较高的弹韧性和耐久性，但目前一般水平井的水泥石力学性能不能满足页岩气井的要求，其固井水泥浆方面仍处于一边使用一边探索的阶段。以下介绍就是有关页岩气水平井固井水泥浆体系特性的试验研究分析。3

2、国内外研究现状体系名称国内弹韧性水泥浆防窜水泥浆国外弹性水泥浆自修复水泥浆泡沫水泥浆泡沫酸溶性水泥浆存在的问题：（1）国内沿用了常规水平井固井水泥浆到页岩气水平井，对于井下水泥环是否能够满足页岩气井射孔、压裂作业的力学性能分析较少。（2）国内对适合页岩气井固井水泥浆功能添加剂材料，以及配方研究仍处于应用探索阶段。4

二、页岩气水平井水泥石受力分析页岩气水平井固井封隔失效原因分析水泥环受力分析水泥环内壁极限变形下弹性模量对应的极限井口压力分析井口压力对水泥环变形的影响分析水泥石弹性模量对水泥环变形能力的影响分析水泥石力学性能要求水泥石屈服条件5

1、页岩气水平井固井封隔失效原因分析水泥浆胶凝与体积收缩界面胶结质量差射孔、压裂6

2、水泥环受力及计算分析结合弹性力学理论及厚壁圆筒模型，建立页岩气水平井条件下的地层-水泥石-套管力学受力模型，可推导出套管内压变化下水泥环内壁位移u21及外壁位移u22：7

（1）井口压力对水泥环变形的影响分析井深一定，随井口压力增大，水泥环所受到的应力及变形逐渐上升。由材料的形变特性可知，当应力增大到一定值时，产生一定的塑性变形，在胶结界面就会形成微间隙。8

（2）水泥石弹性模量对水泥环变形能力的影响分析随着弹性模量的增加，水泥环内壁变形减小，外壁增大。9

（3）水泥环内壁极限变形下弹性模量对应的极限井口压力分析当水泥环内壁发生100μm的径向位移时，随着水泥石弹性模量增加，对应的极限井口压力、水泥环内壁承受的极限径向应力也逐渐增加；当水泥石发生塑性变形，为了保证井下胶结第一界面不产生微环隙，压裂施工时，需要井口施工压力低于水泥环所能承受的极限井口压力数值。47.25MPa53.79MPa8.24MPa14.36MPa10

（4）水泥环屈服条件（a）岩石（b）水泥石岩石和水泥石应力-应变曲线水泥石的弹性阶段较短，弹性区域较小水泥石与岩石的应力应变曲线相似水泥石塑性变形能力较强，水泥石破裂之前产生的变形多为塑性变形，无法恢复其初始状态111.为理想弹塑性材料2.为应变硬化材料3.应变软化材料

3、页岩气水平井固井对水泥石力学性能要求σAσ、σA—水泥环受到的径向应力和弹性极限应力值，MPa；ε、εA—水泥环受到的径向应力后所产生的应变和弹性极限应变值，%。水泥石应变应变示意图σ≤σA（1）ε≤εA（2）12

水泥石弹性模量GP限井口压力MPa47.2548.5849.8150.9151.9452.8953.79极限径向应力MPa8.249.5010.6311.6612.6213.5214.36不同水泥石弹性模量对应的极限井口压力和极限径向应力当压裂井口压力为53.79MPa时，井底套管内压为95.79MPa，如果水泥环能够承受的极限应力σA高于模型计算出的水泥石极限径向应力14.36MPa，水泥环的极限应变εA大于产生微环隙时的极限应变0.262%，则可满足水泥环密封完整性要求。由于3000m井深的页岩气井压裂作业中，井口压力很少高于50MPa，因此以水泥石的弹性极限应力高于14.36MPa、弹性极限应变大于0.262%作为主要水泥石力学性能的基本要求。13

1、弹韧性材料优选三、页岩气水平井固井主要添加剂材料（1）聚合物乳液（丁苯胶乳）含胶乳的水泥石电镜扫描图丁苯胶乳聚合物乳液胶乳薄膜丁苯胶乳加入油井水泥后有以下优点：胶乳水泥石具有良好的抗折、抗冲击能力；胶乳微粒具有良好的弹性性能。14

序号胶乳%抗压强度MPa胶结强度，MPa抗折强度MPa抗冲击功J/cm2脆度系数垂直放置水平放置1023.002.742.175.142.734.472321.862.832.235.453.034.013620.712.902.365.903.233.514919.943.592.826.183.593.2351219.073.782.926.323.463.0261518.263.973.076.583.122.78胶乳水泥石力学性能胶乳微粒在水泥水化后形成丝状薄膜，吸收缺陷与微裂缝扩展的