Development of an Anti-Deformation Cement Slurry under Alternative Loading and Its Application in Fuling Shale Gas Wells
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摘要:
针对页岩气井普遍存在的套管环空带压问题，从提高固井水泥环长久密封完整性角度出发，研制了具有钢筋混凝土力学性能的絮状弹韧性材料DeForm，并以其为基础配制了一种适应页岩气井大型分段压裂的抗高交变载荷水泥浆。室内性能评价试验结果表明，该水泥浆具有优良的弹韧性和耐久性，可有效提高水泥环的抗交变载荷能力，实现水泥环与套管的同步形变，保证井筒的长久密封完整性。该水泥浆在涪陵页岩气田9口井进行了现场应用，固井优质率达到88.9%，套管环空带压率为0，效果非常显著，为预防页岩气井套管环空带压提供了新的技术途径。
Abstract:To sustain casing pressure in shale gas wells, a flocculent elastic material DeForm with the function like rebar in concrete was developed with the goal of improving the long-term sealing integrity of the cement sheath. Using DeForm as the basis of its chemical composition, an anti-deformation cement slurry under alternative loading suitable for large scale staged fracturing in shale gas well was prepared. The indoor performance evaluation results demonstrated that the system has excellent elastic toughness and durability, which can effectively improve the ability of cement sheath to resist alternative loading, to bring about synchronous deformation of casing and cement sheath and to ensure the long-term sealing integrity of wellbore. This cement slurry system has been successfully applied in 9 wells in the Fuling Shale Gas Field, with excellent cement job rating 88.9% and no sustained pressure in casing annulus. With such remarkable application results, the cement slurry will provide a new way in preventing sustained casing pressure in shale gas wells.
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Keywords:
- alternative loading /
- cement slurry /
- shale gas well /
- sealing integrity /
- Fuling Shale Gas Field
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近年来国内外页岩气的商业化开发，得益于长水平段钻井技术及大型分段压裂技术的进步和日益成熟，但大型分段压裂会对井筒形成高频次的交变应力冲击，对井筒长久密封完整性带来了严峻的挑战。受固井套管、水泥环及地层物理特性差异的影响，井筒受力响应状态不同，易出现水泥环本体碎裂或形成界面微环隙，导致井筒层间密封失效，甚至出现地层流体上窜至井口形成套管环空带压的现象，影响页岩气的高效安全开发[1-4]。例如，涪陵页岩气田大规模开发以来，页岩气井套管环空带压现象较为普遍，已成为安全生产的重大隐患[5-7]。国内外研究表明[8-11]，通过添加弹韧性材料可改善油井水泥石的力学性能，赋予油井水泥石可控塑性形变能力，增加水泥石的抗冲击破碎性能，减轻水泥环在受冲击力作用时因应力集中造成的破裂伤害程度，对保证高频次交变载荷工况下的井筒长久密封效果有重要作用。由于目前常用的弹韧性材料普遍存在分散性不强、与水泥浆体系兼容性较差的问题，为有效预防套管环空带压，从提高固井水泥环长久密封完整性入手，研制了具有钢筋混凝土力学性能的絮状弹韧性材料，并以此为基础配制出一种适应页岩气井大型分段压裂的抗高交变载荷水泥浆，以提高水泥环的抗交变载荷能力，实现水泥环与套管同步形变，保证大型分段压裂情况下固井水泥环对井筒环空的长久密封完整性[12-14]。
1. 絮状弹韧性材料的研制
针对常规弹韧性材料存在的问题，参照钢筋混凝土的作用原理，从增大弹韧性材料基材的接触面积、屏蔽裂缝发展、增强改良效果和相容性方面进行研究，研制了絮状弹韧性材料。
1.1 材料制备
絮状弹韧性材料是以改性橡胶粉为主料，增塑惰性材料、增韧纤维为辅料，经混配而成的（代号DeForm）。其中，改性橡胶粉主要通过对改性橡胶颗粒进行膨化预处理，增大比表面积，使其呈“微多孔”纤维状，比表面积比普通聚合物粉大2～3个数量级，与水泥基质结合良好，效能高；另外，通过晶针镶嵌技术将高强度针状惰性材料嵌入到橡胶裂缝中，进一步增加弹韧性材料与水泥石的胶结力。絮状弹韧性材料DeForm的制备步骤如图1所示。
1.2 材料表征
从常规理化性能、微观形貌及水泥石力学性能改善效果等方面，对DeForm进行了性能表征。
1.2.1 理化性能
DeForm为灰黑色粉末夹杂细纤维，在20±2 ℃温度下的密度为1.25±0.05 kg/L，其体积压缩率≥5.0%，比表面积≥7.6×102 m2/kg。由此可知，该材料具有较好的理化性能，比表面积大，可压缩性强。
1.2.2 微观形貌
采用环境扫描电镜观察絮状弹韧性材料DeForm的微观形貌，结果如图2所示。
由图2可知，DeForm主要由直径1～5 μm的蓬松絮状材料、直径100 μm的粗细杆状纤维和粒径20～50 μm的无规则矿物颗粒等复合而成，蓬松絮状材料与杆状纤维呈现缠绕分布且分布均匀，无聚集结团现象，满足设计技术指标要求。
1.2.3 水泥石力学性能改善
将DeForm与其他同类产品按相同比例添加至水泥浆中养护形成水泥石，利用TAW-l000型深水孔隙压力伺服试验系统测试水泥石的力学性能，结果见表1和图3。
表 1 水泥石力学性能测试结果Table 1. Test results of mechanical property of cement stone测试项目 测试条件 48 h抗压强度/MPa 弹性模量/GPa 泊松比 弹性模量降低率，% 常规材料 75 ℃×0.1 MPa× 48 h 40.368 8.896 0.208 橡胶粉 38.483 7.282 0.219 18.14 DeForm 34.422 5.425 0.264 39.02 由表1和图3可知，DeForm对水泥石弹性模量的降低作用最显著，弹性模量降低率达到39.02%，体现出良好的改善水泥石力学性能的能力。
2. 抗高交变载荷水泥浆的性能评价
用絮状弹韧性材料DeForm配制了抗高交变载荷水泥浆，为了解该水泥浆对页岩气水平井分段压裂改造工艺的适应性，从水泥石抗拉强度、力学特性、交变疲劳损伤和施工安全性等方面进行了性能评价试验。
2.1 水泥浆配方
以DeForm为主处理剂，通过优选降滤失剂、防气窜剂、膨胀剂等其他水泥添加剂，构建了满足页岩气水平井固井要求的抗高交变载荷水泥浆，配方为油井水泥JH-G+45.0%水+2.0%～3.0%弹韧剂DeForm+1.5%～2.0%降滤失剂FC-W+1.0%～1.5%防气窜剂PC-G+1.0%～1.5%膨胀剂CE-S+ 0.5%～0.6%分散剂STC+0.1%～0.2%缓凝剂HR-M+ 0.1%～0.2%消泡剂XF-1，密度为1.90 kg/L。
2.2 水泥石的抗拉强度
井筒水泥环受交变载荷径向应力影响，易出现水泥环径向开裂而形成气窜通道，破坏井筒层间密封作用，故对水泥石的抗拉强度提出了较高的要求。采用巴西劈裂法测试了抗高交变载荷水泥石在90 ℃下常压水浴养护72 h后的抗拉强度，结果为3.68 MPa。按照厚壁圆筒理论，井筒条件下水泥环所受等效应力与施加载荷、水泥石弹性模量和泊松比有关，据此建立了井筒水泥环等效应力计算模型。用涪陵页岩气田生产井相关技术参数进行了验证：水力压裂施加载荷90 MPa，套管外径139.7 mm、壁厚12.34 mm、弹性模量210 GPa，地层杨氏模量20 GPa、泊松比0.25，水泥石弹性模量5.58 GPa、泊松比0.275，计算得到分段压裂工艺条件下水泥环的等效拉应力为3.562 MPa，低于水泥石的抗拉强度（3.680 MPa），可有效避免井筒水泥环开裂，保证井筒密封的完整性。
2.3 水泥石的力学特性
为有效评价抗高交变载荷水泥石的弹韧性能，进行了三轴应力条件下的水泥石力学特性试验，试验条件及结果见表2。
表 2 抗高交变载荷水泥石力学特性试验条件及结果Table 2. Experimental condition and results of mechanical property of anti-deformation cement stone under alternative loadingDeForm加量，% 围压/MPa 差应力/MPa 弹性模量/GPa 泊松比 2.0 15 67.637 6.461 0.219 2.5 66.434 6.019 0.232 3.0 53.008 5.580 0.275 由表2可知：在三轴应力条件下，随着弹韧性材料DeForm加量的增大，抗高交变载荷水泥石的弹性模量减小，泊松比增大，变形能力进一步增强。
2.4 水泥石的交变疲劳损伤
针对套管、水泥环、地层三者间形变不协调而引起油气井生产后期层间封隔失效的问题，在三轴应力直接加载及三轴应力多周循环2种加载方式下，测试了抗高交变载荷水泥石的力学形变能力。测试条件为围压15 MPa、加载速率300 N/s、循环区间2～30 MPa，测试结果如图4所示。
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图 4 抗高交变载荷水泥石循环加载测试结果Figure 4. Cyclic loading test results of anti-deformation cementstone under alternative loading由图4可知：随着加载次数的增多，轴向应变逐渐增大，卸载后也能恢复至接近原来状态；循环加载30次，轴向应变仅0.71%，体现出良好的弹性性能和抗疲劳损伤能力，可在水泥环承受分段压裂交变载荷作用下有效实现水泥环与套管的同步变形，保证井筒的长久密封完整性。
2.5 施工安全性
涪陵页岩气田目的层温度一般为70～90 ℃，地层压力为30～40 MPa。为保证固井施工安全，对抗高交变载荷水泥浆从温度敏感性、密度敏感性和与流体的相容性等3个方面进行了测试，对其施工安全性进行了综合评价。
2.5.1 温度敏感性
温度和压力是影响水泥浆稠化性能的重要因素，尤以温度的影响最为显著。一般而言，随着温度升高水泥浆的稠化时间缩短。而温度敏感性越大，施工风险越高。为此，测试了不同温度下的稠化时间，以考察抗高交变载荷水泥浆的温度敏感性。试验结果见表3。
表 3 抗高交变载荷水泥浆温度敏感性试验结果Table 3. Test results of temperature sensibility of anti-deformationcement slurry under alternative loading温度/
℃30 Bc稠化时间/
min100 Bc稠化时间/
min稠化过渡时间/
min80 128 136 8 90 106 116 10 100 90 97 7 从表3可以看出，以90 ℃为温度参考点，温度降低10 ℃，稠化时间延长20 min，按现场判断标准（超过30 min算幅度大），延长幅度不大，说明温度低点敏感性较低；温度升高10 ℃，稠化时间缩短19 min，缩短幅度不大，说明温度高点敏感性较低。由此可知，该水泥浆的温度敏感性不高，可有效保障固井施工安全。
2.5.2 密度敏感性
在现场固井中进行下灰混拌施工时，水泥浆密度会出现不同程度的波动，稠化时间会有相应的增长或缩短，影响固井施工安全。为此，在90 ℃温度下测试了不同密度水泥浆的稠化时间，以考察抗高交变载荷水泥浆的密度敏感性。试验结果见表4。
表 4 抗高交变载荷水泥浆密度敏感性试验结果Table 4. Test results of density sensibility of anti-deformationcement slurry under alternative loading试验温度/
℃密度/
(kg·L–1)30 Bc稠化
时间/min100 Bc稠化
时间/min稠化过渡
时间/min90 1.91 121 127 6 1.88 135 140 5 1.85 148 155 7 从表4可以看出，抗高交变载荷水泥浆在密度相差0.03 kg/L的情况下，稠化时间差小于20 min，按现场判断标准，该水泥浆对密度的敏感性较低。
2.5.3 与流体的相容性
在固井施工中，入井混合流体相容是施工安全的重要保证。如果入井混合流体不相容，会导致水泥浆或混合流体提前固化，导致发生固井事故。为此，从流变性和稠化性2方面对抗高交变载荷水泥浆与入井流体混合体的相容性进行了评价试验。试验流体：领浆为基础配方+1 g缓凝剂；前置液，即QX-1高效驱油清洗液，配方为500 g 水+2.5%隔离剂+135.0%重晶石粉+25.0%清洗剂；油基钻井液，为焦页XX-XHF井所用油基钻井液。相容性试验结果见表5，水泥浆、前置液和油基钻井液按体积比7︰2︰1混合时的稠化曲线如图5所示。
表 5 抗高交变载荷水泥浆相容性试验结果Table 5. Compatibility test results of anti-deformation cement slurry under alternative loading序号 入井流体占比，% 六速旋转黏度计读数 相容性判定 水泥浆 前置液 油基钻井液 常温 90 ℃ 1 100 >300/298/218/128/14/10 292/190/134/77/9/7 2 100 107/72/58/41/16/13 49/35/28/20/6/5 3 100 >300/194/145/90/22/10 84/53/42/28/10/9 4 90 10 >300/290/208/119/13/9 240/161/106/65/17/11 相容 5 70 30 >300/>300/246/151/26/19 160/100/74/45/8/6 相容 6 50 50 >300/294/225/149/33/25 139/86/65/41/9/6 相容 7 30 70 >300/232/185/125/36/27 85/50/38/24/6/5 相容 8 10 90 233/164/130/90/26/17 57/33/21/15/4/3 相容 9 33 33 34 220/143/109/71/17/13 157/96/78/50/12/9 相容 10 70 20 10 216/127/94/57/8/7 136/89/70/46/7/5 相容 由表5和图5可知，抗高交变载荷水泥浆具有良好的流变性和稠化相容性，可满足页岩气水平井固井安全施工要求。
3. 现场应用
目前页岩气水平井大部分采用油基钻井液进行施工，油膜及油基泥饼对水泥环与固井界面的胶结质量影响很大。因此，现场应用抗高交变载荷水泥浆时，需与驱油清洗液配套使用。推荐采用QX-1高效驱油清洗液，以实现对井壁油基泥饼的高效驱替清洗和润湿反转，提高固井界面的胶结质量。
截至目前，抗高交变载荷水泥浆已经在涪陵页岩气田9口井进行了现场应用，固井施工安全、连续，固井质量优质率达到88.9%，固井及压裂后技术套管均不带压，显示出良好的应用效果（见表6）。这证明该水泥浆可提高水泥环抗交变载荷的能力，实现水泥环与套管同步形变，保证压裂情况下固井水泥环对井筒环空的长久密封完整性。
表 6 抗高交变载荷水泥浆现场应用情况Table 6. Field application of anti-deformation cement slurry under alternative loading序号 井号 完钻井深/m 水平段长/m 最大垂深/m 固井质量 技术套管压力/MPa 1 焦页A-4HF井 5 825 1 600 3 872 优质 0 2 焦页B-3HF井 5 456 1 312 3 785 优质 0 3 焦页C-6HF井 5 305 2 240 2 808 优质 0 4 焦页D-8HF井 5 458 2 204 2 927 优质 0 5 焦页E-6HF井 5 235 2 387 2 900 合格 0 6 焦页F-S4HF井 4 734 1 928 2 360 优质 0 7 焦页G-5HF井 4 875 1 924 2 592 优质 0 8 焦页H-S1HF井 5 481 2 792 2 444 优质 0 9 焦页G-S5HF井 4 624 1 881 2 522 优质 0 以焦页A-4HF井为例。该井是涪陵页岩气田平桥区块的一口开发水平井，也是该气田第一口应用抗高交变载荷水泥浆固井的页岩气井，三开完钻井深5 825 m，垂深3 872 m，水平段长1 600 m，电测温度131 ℃，完钻钻井液密度1.60 kg/L，对生产套管（ ϕ139.7 mm TP110T套管）和水泥浆性能提出了很高的要求。固井时，顺利注入前置液34.0 m3，低密度（1.70 kg/L）领浆70.5 m3，常规密度（1.88 kg/L）尾浆64.0 m3，水泥混浆返出地面并成功碰压（从25 MPa升至28 MPa）。
声波幅度测井和声波变密度测井解释结果表明：焦页A-4HF井水泥浆返高130 m，水平段优质率100%，整井封固段优质率92.73%，综合固井质量为优质，压裂后技术套管环空不带压。可见，抗高交变载荷水泥浆的应用效果非常好。
4. 结 论
1）以改性橡胶粉为主料，增塑惰性材料、增韧纤维为辅料，合成了絮状弹韧性材料DeForm。然后以DeForm为弹韧剂，再优选降滤失剂、防气窜剂、膨胀剂等其他水泥添加，研制了满足页岩气水平井固井要求的抗高交变载荷水泥浆。
2）室内性能评价结果表明，抗高交变载荷水泥浆具有优良的弹韧性和耐久性，可实现水泥环与套管的同步变形，保证井筒的长久密封完整性。
3）在涪陵页岩气井应用证明，抗高交变载荷水泥浆的效果非常好，固井施工安全、连续，固井质量优质率达到88.9%，固井及压裂后技术套管均不带压。由此说明，抗高交变载荷水泥浆的研制，为预防页岩气井环空带压提供了新的技术途径。
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图 4 抗高交变载荷水泥石循环加载测试结果
Figure 4. Cyclic loading test results of anti-deformation cementstone under alternative loading
表 1 水泥石力学性能测试结果
Table 1 Test results of mechanical property of cement stone
测试项目 测试条件 48 h抗压强度/MPa 弹性模量/GPa 泊松比 弹性模量降低率，% 常规材料 75 ℃×0.1 MPa× 48 h 40.368 8.896 0.208 橡胶粉 38.483 7.282 0.219 18.14 DeForm 34.422 5.425 0.264 39.02 
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表 2 抗高交变载荷水泥石力学特性试验条件及结果
Table 2 Experimental condition and results of mechanical property of anti-deformation cement stone under alternative loading
DeForm加量，% 围压/MPa 差应力/MPa 弹性模量/GPa 泊松比 2.0 15 67.637 6.461 0.219 2.5 66.434 6.019 0.232 3.0 53.008 5.580 0.275
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表 3 抗高交变载荷水泥浆温度敏感性试验结果
Table 3 Test results of temperature sensibility of anti-deformationcement slurry under alternative loading
温度/
℃30 Bc稠化时间/
min100 Bc稠化时间/
min稠化过渡时间/
min80 128 136 8 90 106 116 10 100 90 97 7
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表 4 抗高交变载荷水泥浆密度敏感性试验结果
Table 4 Test results of density sensibility of anti-deformationcement slurry under alternative loading
试验温度/
℃密度/
(kg·L–1)30 Bc稠化
时间/min100 Bc稠化
时间/min稠化过渡
时间/min90 1.91 121 127 6 1.88 135 140 5 1.85 148 155 7
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表 5 抗高交变载荷水泥浆相容性试验结果
Table 5 Compatibility test results of anti-deformation cement slurry under alternative loading
序号 入井流体占比，% 六速旋转黏度计读数 相容性判定 水泥浆 前置液 油基钻井液 常温 90 ℃ 1 100 >300/298/218/128/14/10 292/190/134/77/9/7 2 100 107/72/58/41/16/13 49/35/28/20/6/5 3 100 >300/194/145/90/22/10 84/53/42/28/10/9 4 90 10 >300/290/208/119/13/9 240/161/106/65/17/11 相容 5 70 30 >300/>300/246/151/26/19 160/100/74/45/8/6 相容 6 50 50 >300/294/225/149/33/25 139/86/65/41/9/6 相容 7 30 70 >300/232/185/125/36/27 85/50/38/24/6/5 相容 8 10 90 233/164/130/90/26/17 57/33/21/15/4/3 相容 9 33 33 34 220/143/109/71/17/13 157/96/78/50/12/9 相容 10 70 20 10 216/127/94/57/8/7 136/89/70/46/7/5 相容
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表 6 抗高交变载荷水泥浆现场应用情况
Table 6 Field application of anti-deformation cement slurry under alternative loading
序号 井号 完钻井深/m 水平段长/m 最大垂深/m 固井质量 技术套管压力/MPa 1 焦页A-4HF井 5 825 1 600 3 872 优质 0 2 焦页B-3HF井 5 456 1 312 3 785 优质 0 3 焦页C-6HF井 5 305 2 240 2 808 优质 0 4 焦页D-8HF井 5 458 2 204 2 927 优质 0 5 焦页E-6HF井 5 235 2 387 2 900 合格 0 6 焦页F-S4HF井 4 734 1 928 2 360 优质 0 7 焦页G-5HF井 4 875 1 924 2 592 优质 0 8 焦页H-S1HF井 5 481 2 792 2 444 优质 0 9 焦页G-S5HF井 4 624 1 881 2 522 优质 0
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