新型油井水泥物相組成調(diào)控及力學(xué)性能研究

倪修成，程小偉，黎俊吾，王 晶，高顯束1,， 張高寅，張春梅，劉開強(qiáng)

(1.西南石油大學(xué)新能源與材料學(xué)院，成都 610500；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500；3.四川頁(yè)巖氣勘探開發(fā)有限責(zé)任公司，成都 610000；4.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024)

0 引 言

頁(yè)巖氣作為一種非常規(guī)天然氣[1-3]，具有可采儲(chǔ)量巨大、開采壽命和生產(chǎn)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大，資源前景廣闊[4-5]。在1821年以前頁(yè)巖氣已在美國(guó)被發(fā)現(xiàn)并使用。我國(guó)頁(yè)巖氣研究起步較晚，直到2008年才將其作為國(guó)家的大政方針[6]。目前我國(guó)頁(yè)巖氣探明可開采儲(chǔ)量達(dá)4 560億m3以上[7]，已經(jīng)形成的規(guī)模化開發(fā)有長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)國(guó)家頁(yè)巖氣示范區(qū)等[8]。

圖1為頁(yè)巖氣水平井開采示意圖。當(dāng)前頁(yè)巖氣的開采主要采用水平井鉆完井技術(shù)[9-11]，后期完井則主要通過(guò)大型水力壓裂[12-13]、分級(jí)壓裂[14-15]以及重復(fù)壓裂[16]等手段。但是目前頁(yè)巖氣固井用G級(jí)油井水泥普遍韌性較差，壓裂時(shí)液體沖擊力與高內(nèi)壓以及交變壓力會(huì)對(duì)固井水泥環(huán)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的沖擊損傷破壞[17-18]，從而嚴(yán)重影響封固質(zhì)量與固井安全[19]。當(dāng)前主要采用的方法是向固井水泥漿中外摻增韌材料[20-21]，如納米材料[22-23]、晶須[24]、纖維[25-26]以及相應(yīng)的聚合物[27]等，但由于其所呈現(xiàn)出的水化活性較低、成分復(fù)雜、配伍性較差以及成本較高[28]等缺點(diǎn)而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)受到很大限制。

圖1 頁(yè)巖氣水平井開采示意圖Fig.1 Schematic diagram of shale gashorizontal well production

G級(jí)油井水泥的四種基本物相[29]包括硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鋁酸三鈣(C3A)、鐵鋁酸四鈣(C4AF)，已有研究通過(guò)采用不同的分析表征方法對(duì)其單礦物的水化過(guò)程及水化產(chǎn)物進(jìn)行了較為清楚的研究[30-32]。……