韌性材料對頁巖氣壓裂井水泥環界面完整性影響

郭雪利，沈吉云，武剛，靳建洲，紀宏飛，徐明，劉慧婷，黃昭

韌性材料對頁巖氣壓裂井水泥環界面完整性影響

郭雪利1，沈吉云1，武剛2，靳建洲1，紀宏飛1，徐明1，劉慧婷1，黃昭1

（1.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油大港油田分公司，天津 300457）

提高頁巖氣井多級壓裂過程中水泥環界面完整性。針對4種在頁巖氣井中使用的水泥漿體系，基于水泥環完整性評價裝置，開展在循環壓力條件下水泥環界面完整性實驗。采用高精度流量計、掃描電鏡和核磁共振等監測手段，定量檢測環空氣竄速率，探索水泥環在加載前后的微觀結構變化。根據實驗裝置基礎參數，采用有限元方法模擬循環加載過程水泥環界面的損傷演化情況。常規水泥漿、18%（均為質量分數）膠乳劑水泥漿、36%膠乳劑水泥漿、18%膠乳劑加1%增韌劑水泥漿，其環空氣竄速率分別為722、300～677、20～45、10～25 mL/min。經循環載荷作用后，常規水泥漿在水泥環本體出現明顯徑向裂縫和界面微環隙，且水泥漿水化產物較疏松；36%膠乳劑水泥漿僅在水泥環界面產生較小的微環隙，水化產物在界面處較致密，水泥石孔徑較小。在循環載荷作用下，水泥環界面孔隙顯著增加，界面處產生塑性應變并不斷增加。膠乳劑和韌性劑材料可有效填充水泥顆粒之間的間隙，降低水泥石孔徑尺寸。膠乳劑通過改善水泥環的微觀形態結構，避免在本體產生裂縫，提高了界面密封性能。增韌劑對水泥顆粒產生較強的粘結作用，與膠乳劑的配合使用進一步增強了水泥環界面的密封效果，兩者共同作用可顯著提升水泥環空密封能力。在循環載荷作用下，水泥環界面易形成微環隙，為環空氣體提供了竄流通道，造成環空帶壓。現場采用添加18%膠乳劑加1%增韌劑的韌性水泥漿體系開展固井施工，水泥石力學性能能夠滿足水泥石強度大于30 MPa和彈性模量小于7 GPa的性能要求。同時，使用韌性水泥漿的井段固井質量也較好，后續壓裂施工過程也未見環空帶壓問題。通過合理優選韌性水泥漿添加劑含量，能夠為環空提供良好的密封效果，提升水泥環的密封完整性。

頁巖氣壓裂；水泥環界面；韌性水泥漿；密封完整性；微環隙；有限元

在頁巖氣井開采過程中，一般采用高泵壓、大排量施工工藝進行多級分段壓裂[1]，大排量壓裂液會大幅降低井筒溫度[2]，高泵壓會急劇增加井底壓力[3]。固井一般使用具有良好隔絕和密封性能的水泥基材料[4]來封固環空。在壓裂施工過程中，井下產生的溫度和壓力的劇烈變化會大大增加環空水泥環密封失效風險，甚至產生環空帶壓問題，降低了頁巖氣資源的開采效率。

水泥環密封完整性是保障井筒完整性的關鍵，為了防止頁巖氣井在壓裂過程中出現環空帶壓問題，在常規水泥漿中添加韌性材料，能夠改善水泥石性能，增加水泥石的抗沖擊韌性[5]，降低水泥石的彈性模量，形成具有良好密封特性的水泥漿體系，從而提升在多級壓裂過程中水泥環密封完整性。劉仍光等[6]、郭錦棠等[7]、何英等[8]、樊金杰等[9]通過在水泥漿中摻入膠乳類韌性材料，使水化產物表面出現絨狀物質結構，膠乳顆粒與水泥微縫隙交結面之間產生橋接膜，形成立體網狀結構，使在較大的空隙中也存在聚集的膠乳粒子，從而抑制了水泥石縫隙的發育，降低了水泥石的脆性、提高了韌性。同時，也降低了水泥石的孔隙率，使孔徑細化；齊奔等[10]研究認為，膠乳類韌性材料的加入不但可以減少水泥漿失水量，還可以增加水泥漿防竄性能，同時與其他水泥漿外加劑相容性好；劉軍康等[11]針對平橋南頁巖氣區塊前期高壓頁巖氣井生產套管環空帶壓現象，采用納米乳液填充技術，降低水泥石孔隙度，彈性模量降低了10%以上；鄒雙等[12]基于多尺度纖維增韌劑研發了韌性水泥漿體系，水泥石的劈裂抗拉強度、抗壓強度及抗沖擊功顯著提高，楊氏模量顯著下降，且水泥漿性能良好；李斐[13]通過親水改性的聚氟膠粉來改善水泥石的彈性，用有機、無機纖維的協同作用來增加水泥石的韌性，用納米二氧化硅來改善水泥石的微觀結構而增加抗壓強度，研發了抗高溫彈韌劑并形成一套抗高溫彈韌性水泥漿體系，水泥石彈性模量降低幅度達37.13%，同時保持了水泥石具有較高強度；高元等[14]通過優選抗高溫彈韌性材料，研制出大溫差彈韌性水泥漿體系，水泥石抗壓強度達17.7 MPa，且水泥石彈性模量均小于7 GPa，抗折強度大于3.5 MPa，滿足90 MPa壓力30次加卸載的密封要求；許明標等[15]通過優選增韌材料添加量（2%～5%，均為質量分數），與膠乳復配，構建了一套高強韌性水泥漿體系，能夠滿足不同井底溫度的固井作業，水泥石韌性較好，能夠保障井筒完整性；陳曉華等[16]針對裂縫發育地層，優選出適合固井用的水性環氧樹脂乳液和納米液硅，提出了環氧樹脂-納米液硅協同增強水泥石性能的新方法，研發了環氧樹脂-納米液硅低密度、高強度韌性水泥漿。水泥石具有較高抗壓強度，彈性模量小于7.0 GPa，水泥石具有較好的彈塑力學性能；譚春勤等[17]開發了一種經過表面改性的彈塑性材料和一種聚丙烯纖維復合而成的增韌性材料，優選出了SFP彈韌性水泥漿體系配方，該配方具有較好的抗沖擊性和較高的柔韌性。

國內外學者針對不同地層特性，優選韌性添加劑材料，形成了滿足現場需求的水泥漿體系。但是，針對頁巖氣多級壓裂工況的宏觀和微觀層面的評價研究較少。針對1種常規水泥漿和3種韌性水泥漿體系，根據頁巖氣壓裂過程中井筒溫度和壓力狀態，基于水泥環完整性評價裝置，開展了在循環載荷條件下的水泥環密封完整性實驗。實驗采用高精度氣體流量計檢

測環空氣體流動速度，采用掃描電鏡和低場核磁儀檢測水泥環加載前后的微觀結構變化。并基于實驗裝置基本參數建立有限元模型，開展了多次循環條件下水泥環的微環隙模擬分析，探索了在循環載荷過程中水泥環的密封失效機理，為不同水泥漿體系的密封能力評價提供技術手段。

1 水泥環界面完整性實驗

1.1 水泥環完整性評價裝置

水泥環密封性能與水泥石力學性能密切相關，為了探索水泥環界面的失效方式，需要建立水泥環界面完整性模擬裝置[18-20]，對水泥漿的密封能力進行評價，提出提高水泥環界面密封完整性的方法。水泥環密封完整性評價裝置主要由3部分組成，分別是實驗井筒模擬系統、控制系統和數據采集系統（圖1a）。其中，井筒模擬系統由地層模擬管、套管等組成，高度為1 000 mm，模擬井眼直徑為163.7 mm，針對硬地層特點，通過量綱分析可以確定模擬地層外徑為263.7 mm；套管選取現場應用較常見的尺寸（外徑139.7 mm、壁厚9.17 mm）；根據昭通頁巖氣井地層溫度，設置實驗溫度為0～48 ℃；套管內壓力為0～ 50 MPa。利用增壓泵將N2增壓至最高10 MPa，通過高壓管線注入環空。地層模擬管側壁開設測量孔，若環空N2經過測量孔，可被高精度傳感器檢測，達到定量分析環空界面氣體流速的目的，以此評價不同水泥漿環空界面的密封能力（圖1b）。通過界面微觀檢測手段，可對不同水泥漿體系的水泥環界面在循環加載作用下的結構變化進行評價分析。

1.2 水泥環孔徑尺寸測量

通過低場核磁儀對試樣施加射頻場，使試樣中的氫原子處于激發態，當撤掉射頻場后，氫原子在試樣孔隙中與孔壁發生碰撞，直至恢復至穩定狀態。恢復至穩定態的時間稱為弛豫時間，弛豫時間與試樣孔徑大小成正比。在試樣飽和含氫元素的液體后，低場核磁共振的信號主要來源是液體中的氫，飽和液體量和核磁信號的強度成正比，即核磁信號強度和試樣孔隙度大小成正比。通過測量弛豫時間譜圖信號的強度，可反演試樣的孔隙度。待測樣品的孔徑分布情況可由飽和液體后的樣品所產生的核磁信號強度與相同體積液體產生的信號強度的比值進行計算，計算公式見式（1）。

圖1 水泥環完整性評價裝置

式中：(0)為樣品產生的總信號強度；100%(0)為相同體積純水產生的信號強度；0i為飽和水后樣品中第類尺寸的孔隙產生的信號強度；為樣品總孔隙度；φ為樣品第類尺寸孔隙的孔隙度。

在實驗過程中，先根據待測樣品形狀，制取一定尺寸的水泥樣品，再在水中完全飽和，然后通過檢測核磁信號強度，利用式（1）即可得到水泥樣品的孔隙度。根據弛豫時間譜圖信號峰值分布，可以反演試樣的孔徑分布。

1.3 水泥漿配方設計

為了評價不同韌性水泥漿體系在循環加載過程中的密封完整性，選用4種水泥漿配方，即1種常規水泥漿和3種韌性水泥漿配方（表1）。3種韌性水泥漿體系以G級純水泥（G）為基準，選用的添加劑主要包括膠乳劑（D）、膠乳調節劑（C）和增韌劑（F），其他與之配合使用的材料包括分散劑（A）、緩凝劑（B）、抑泡劑（E）和水（W）。重點對膠乳劑和增韌劑等2種添加劑的添加量進行對比分析。

表1 水泥環完整性測試方案

膠乳劑采用丁苯膠乳，為液體形態。膠乳劑在應用中需要加入表面活性劑和分散劑，防止水泥漿絮凝和閃凝，同時需加入消泡劑和抑泡劑，消除體系中的泡沫。膠乳劑適用于低密度、常規密度和高密度水泥漿體系，且具有良好的低失水、防竄、增強、增韌等功能。

膠乳調節劑是一種通過不同低分子有機表面活性劑復合而成的材料，其通過潤濕或反相潤濕等作用，能大大降低表面張力，改變膠乳與水泥顆粒的界面性質，避免膠乳在強電介質溶液或水泥漿中破乳和聚集。膠乳調節劑與膠乳劑共同作用時，可改善膠乳水泥漿體系的流變性、防竄性和降失水性。

增韌劑是一種顆粒型有機橡膠類材料，為固體粉末狀態。增韌劑與降失水劑、緩凝劑、分散劑等外加劑聯合使用，可使水泥漿性能滿足固井施工要求的各項指標。增韌劑在水泥的水化過程中呈惰性，對外加劑影響較小。

分散劑是一種聚羧酸類的有機高分子聚合物，為固態粉末形態，能顯著提高水泥漿的流動度，有效改善水泥漿的流變性能。緩凝劑是一種有機磷酸鹽類材料，為液體形態，其通過吸附和螯合作用于水泥顆粒和水化硅酸鈣凝膠表面，形成一層致密的水化膜而起到緩凝的作用。緩凝劑在適用溫度范圍內能有效地延長水泥漿的稠化時間，使其滿足固井施工對水泥漿稠化時間的要求，保障施工安全，同時具有一定的分散減阻效果，對水泥石強度發展無不良影響，且與多種水泥漿外加劑有良好的配伍性能。緩凝劑適用于API各級油井水泥及不同固井水泥漿體系。抑泡劑是一種由不同分子量的有機物復合而成的液體材料，可有效抑制含有高分子聚合物、表面活性劑等水泥漿體系中的泡沫產生，尤其對膠乳水泥漿體系有良好的消泡效果，可與多種外加劑復配使用，使水泥漿性能滿足固井施工要求的各種技術指標。

1.4 實驗方法

利用水泥環完整性評價裝置開展循環套管內壓加載實驗。設定養護溫度和時間，對每種水泥漿配方進行養護，養護結束后，通過高壓泵向套管內施加一定壓力，設定循環加載次數，模擬頁巖氣壓裂過程。單次套管內壓加載包括增壓、穩壓、降壓和穩壓等4個過程，單次循環約為50 min。在循環加載過程中，采用環空密封檢測模塊實時測量環空水泥環氣竄情況及氣竄速率，以此評價不同添加劑對水泥漿體系密封性能的影響。在循環加載結束后，利用掃描電鏡和核磁共振測量裝置檢測加載后的水泥環界面微觀結構變化，以此分析不同水泥環界面變化的情況。在此基礎之上，對不同水泥漿體系環空密封能力進行評價，厘清水泥環界面演化情況，揭示交變載荷作用下水泥環界面的損傷機理。

2 結果分析

2.1 常規水泥漿與韌性水泥漿氣竄曲線

為了研究膠乳劑含量對水泥漿環空密封性能的影響，分別對常規水泥漿（配方1#）和添加36%膠乳劑的韌性水泥漿（配方2#），在48 ℃和常壓條件下養護3 d，隨后設置套管內壓力5～50 MPa，開展循環載荷作用下水泥環界面密封實驗。配方1#總計進行18次循環加載，環空注氣壓力為3 MPa；配方2#總計進行31次循環加載，前17次環空注氣壓力為3 MPa，第18次至第22次環空注氣壓力分別為4.5、6、7.5、9、9.5 MPa，隨后保持環空壓力為9.5 MPa至結束。實驗中氣竄速率變化曲線見圖2。

由圖2a可知，配方1#在第1次加載過程中就出現了氣竄，氣竄速率為96 mL/min。隨著加載次數增加，氣竄速率也隨之增加，當加載至第6次之后，氣竄速率處于較穩定狀態，平均氣竄速率達到722 mL/min，在第17次試驗結束后累計氣竄體積高達8 682 mL；由圖2b可知，配方2#前17次試驗環空壓力為3 MPa，壓力持續保持穩定，但水泥環一直保持完好，沒有發生氣竄。當增加環空壓力至9.5 MPa時，在循環加載第6次時發生氣竄，整體氣竄速率保持在20～45 mL/min，累計氣竄體積也較小，僅為29 mL。由此可見，膠乳劑材料能夠有效降低界面密封失效風險，提升水泥環密封完整性。

2.2 常規與韌性水泥漿加載后結構變化

為了分析膠乳劑的加入對水泥環界面結構的影響，在循環加載實驗后，利用掃描電鏡分別測量配方1#和配方2#水泥環界面微觀結構變化，利用影像設備測量水泥環加載后的宏觀結構變化，結果見圖3。

由圖3可知，從微觀結構對比上，配方1#在循環加載后，掃描電鏡結果顯示水泥環界面存在較大裂縫，裂縫寬度最大約17 μm，裂縫長度約32 μm；配方2#在循環加載后，水泥環掃描電鏡結果圖中未見有明顯裂縫，水泥環結構比較致密。從宏觀結構對比上，配方1#在循環加載后，水泥環本體出現明顯徑向裂縫和界面微環隙，徑向裂縫貫穿整個環空，長達12 μm，而配方2#水泥環本體無裂縫，僅在界面處產生較小的微環隙，且微環隙尺寸很小，這與配方1#環空氣竄速率遠大于配方2#的結果一致。水泥環本體裂縫和界面微環隙為環空氣體提供了流動通道，增加了環空氣體流動速率，從而造成環空密封失效。對比2種配方水泥漿體系可知，膠乳劑的加入可以有效改善水泥環的微觀形態結構，減少水泥環本體產生裂縫的風險，降低水泥環界面微環隙尺寸，提升水泥環界面密封完整性。

圖2 不同水泥漿體系氣竄曲線

圖3 循環加載后水泥環本體及界面結構變化

2.3 韌性材料添加量影響分析

為了研究韌性材料添加量對水泥環密封完整性的影響，分別對配方3#、配方4#在48 ℃和常壓條件下養護3 d，隨后設置套管內壓力為5～50 MPa，進行循環加載實驗。配方3#和配方4#總計進行34次循環加載，前20次、中間10次、最后4次的環空注氣壓力分別為3、5、7 MPa。實驗的氣竄曲線見圖4。由圖4可知，配方3#在環空壓差5 MPa時出現氣竄，氣竄速率215～594 mL/min，在7 MPa時氣竄速率為300～677 mL/min；配方4#水泥漿在環空壓差7 MPa時出現氣竄，氣竄速率10～25 mL/min，氣竄速率與配方2#相比出現大幅降低。從增韌劑的材料性質上來看，增韌劑通過表面活性處理，其表面表現為親水性，在水泥中均勻分散并填充水泥材料中的縫隙，對水泥顆粒產生較強的粘結作用，能夠提升水泥基體的韌性，改善水泥環的脆裂性能，提高其變形能力，從而降低水泥環本體和界面產生裂縫的可能性。因此，增韌劑的加入能夠有效降低環空氣體流動速率，更好地提升水泥環界面密封能力。

2.4 水泥環本體結構分析

為了研究膠乳劑對水泥漿水化后本體孔徑尺寸的影響，分別對配方1#和配方3#進行48 ℃、常壓、3 d的養護，養護完成后通過核磁共振分別測量2種水泥漿本體的孔徑尺寸分布。在循環加載結束之后，由于配方1#水泥環完全破碎，無法滿足核磁共振測量尺寸要求，因此僅對配方3#加載后的水泥環本體孔徑尺寸進行測量，測量結果見圖5—6。其中，橫坐標為孔徑尺寸的對數。

由圖5可知，配方1#加載前孔徑尺寸分布主要在0.01～0.1 μm。其中，0.03 μm尺寸的孔徑占比最高，約為1.9%。1～18 μm尺寸的孔徑也占有一定比例，其中6.1 μm的孔徑占比最高（約為0.27%）；由圖6a可知，配方3#加載前孔徑尺寸分布也在0.01～ 0.1 μm之間，但0.01 μm尺寸的孔徑占比最高（約為1.3%）。0.1～1.5 μm尺寸的孔徑也占有一定比例，其中0.37 μm尺寸的孔徑占比最高（約為0.32%）。對比2種水泥漿孔徑分布可知，配方1#的0.01～0.1 μm和1～18 μm尺寸的孔徑分布占比都出現降低，特別是1～18 μm尺寸的孔徑占比降低了一個數量級；由圖6b可知，循環加載40次后，配方3#的水泥環本體中0.1～1 μm尺寸的孔徑占比降低至1.1%，降低幅度約15%。同時，0.1～1.5 μm尺寸的孔徑占比也顯著降低，這主要是由于在多次循環加載過程中，水泥環本體被壓實，導致大尺寸孔徑閉合，從而使0.1～1 μm的孔徑占比降低。環空氣體能夠竄流的孔徑一般超過10 μm，這樣就使得配方1#很容易在加載過程中出現氣竄，而配方3#水泥漿在循環加載過程中本體不易出現氣竄，但在多次循環加載后水泥環界面產生失效，進而出現微環隙，這就是配方3#產生氣竄的原因。由此可見，膠乳劑的加入，通過填充水泥顆粒之間，顯著降低了水泥石的孔徑尺寸，增大了氣體進入水泥石的阻力，進而降低了水泥石的滲透性，使水泥漿體系具有防竄性能，從而提升了界面粘結強度，以達到提升水泥環密封能力的作用。

圖4 不同韌性劑添加量環空氣竄速率曲線

圖5 配方1#加載前水泥環孔徑尺寸

2.5 水泥環界面結構分析

配方3#在循環加載實驗結束后，將水泥環從模擬裝置的環空中取出，利用室內線切割工具，將水泥環沿周向等分切割成高50 mm、長35 mm的樣品，切割完畢后在水中完全浸泡直至達到飽和狀態（圖7）。

利用低場核磁儀測量配方3#的水泥環孔隙分布（圖8）。使用有限元建模方法可以對交變載荷作用下水泥環密封失效情況進行模擬[19-23]，針對實驗裝置基本尺寸建立水泥環塑性損傷有限元數值模型，水泥環內外壁界面采用Cohesive單元，單元參數設置與文獻[24]一致，即法向強度0.5 MPa、剪切強度2 MPa、膠結強度30 GPa、斷裂能100 J/m2。套管和模擬地層彈性模量為210 GPa、泊松比0.3。水泥環設為彈塑性體，參數設置與文獻[25]一致，彈性模量5 GPa、泊松比0.15、內摩擦角30°、粘結力5.77 MPa。套管內壓以5～50 MPa循環10次，以此模擬多次加載后水泥環界面塑性損傷變化情況（圖9）。

圖6 配方3#循環加載前后水泥環孔徑尺寸變化

圖7 水泥環加載后樣品制取

由圖8可知，水泥環在循環載荷作用下，在界面處的孔隙度增加，說明水泥環界面產生塑性損傷變形。由圖9可知，水泥環在第一界面處產生等效塑性應變，這與核磁測量結果一致。隨著循環次數增加，等效塑性應變在第7次加載時開始出現，并在后續循環過程中不斷增加。由此可見，在循環加載過程中，水泥環易產生塑性變形，特別是界面處塑性變形最大，隨著循環次數增加，塑性變形程度越嚴重，這就為環空氣體提供了竄流通道，增加了水泥環失效風險。這也是在頁巖氣多級壓裂過程中易產生環空帶壓的重要原因。

圖8 配方3#水泥漿循環加載后水泥環核磁測量孔隙分布

圖9 循環加載后水泥環塑性應變變化（PEEQ為等效塑性應變）

3 現場應用

為了驗證添加膠乳劑的韌性水泥漿體系在現場的應用效果，采用韌性水泥漿體系在X-1H頁巖氣井的二開固井中進行試驗。X-1H井是浙江油田項目部在正東鎮部署的一口評價井。該地區上部淺層氣活躍，固井過程易出現氣竄，后期壓裂改造過程環空帶壓嚴重。為此，采用膠乳水泥漿體系，通過加入膠乳劑和增韌劑提高水泥漿的防竄性能。采用二開井身結構，一開采用315.0 mm鉆頭，鉆至432 m后完鉆，下入244.5 mm套管進行一開固井；二開采用215.9 mm鉆頭，鉆至560 m進行造斜，鉆至跟端1 600 m開始水平鉆進，鉆至趾端2 900 m完鉆，下入139.7 mm套管進行二開固井。X-1H井的地層情況和井眼軌跡見圖10。由圖10可知，在井深1 307～1 546 m井段的氣測值超過90%，在鉆進過程中于1 307 m處發生漏失，在固井過程很容易產生氣竄，若封固不好將會產生嚴重的環空帶壓問題。根據現場地層和井眼實際情況，通過分析，在350～500 m井段采用添加膠乳劑的韌性水泥漿體系，可以對上開技術套管鞋進行良好封固，同時能夠對高壓氣層產生有效密封，避免了高壓氣層竄出地面。同時，能夠承受多級壓裂載荷，避免在壓裂過程中出現密封失效，從而為頁巖氣井的正常生產提供密封保障。

圖10 X-1H井地質分層和井眼情況

根據X-1H井的固井現場工況條件，通過理論分析可知，為了保證環空密封完整性，要求水泥漿養護7 d后的抗壓強度應大于30 MPa，彈性模量應小于7.0 GPa，據此開展水泥石單軸力學實驗，針對常規水泥漿、添加18%膠乳劑和添加36%膠乳劑的水泥漿，分別測量3種水泥漿養護7 d后的抗壓強度和彈性模量，結果見圖11。由圖11可知，常規水泥石強度滿足要求，但是彈性模量大于7 GPa，而添加36%膠乳劑的韌性水泥石抗壓強度低于30 MPa，只有添加18%膠乳劑的韌性水泥石抗壓強度和彈性模量滿足現場要求。綜合研究結果，優選添加18%膠乳劑及1%增韌劑的韌性水泥漿體系在X-1H頁巖氣井的二開固井中進行試驗，以期在固井過程和后期壓裂生產過程中保證環空的密封完整性。X-1H在固井過程中施工順利，固井候凝結束后，對350～600 m井段的固井質量進行測量，結果見圖12。由圖12可知，在X-1H井350～500 m井段中，92%的井段測井曲線聲幅幅值小于15，表明固井質量好，另有8%的井段測井曲線聲幅值在15～30之間，表明固井質量中等；而在500～600 m井段中，42%的井段測井曲線聲幅幅值大于30，表明固井質量差，只有16%的井段聲幅值小于15，表明固井質量好，另有43%的井段聲幅值在15～30之間，表明固井質量中等。同時，X-1H井在后續壓裂過程中也未見環空帶壓問題。因此，添加膠乳劑的韌性水泥漿體系能夠提供較好的環空密封質量，為高壓氣層提供良好的封固效果，同時能夠避免壓裂施工產生的環空帶壓風險。

圖11 不同膠乳劑含量對水泥石力學參數影響

圖12 X-1H井固井質量

4 結論

1）膠乳劑和韌性劑可有效填充水泥顆粒之間的間隙，降低水泥基體的孔徑尺寸。韌性水泥漿在承受循環載荷時，膠乳劑通過改善水泥環的微觀形態結構，避免在本體產生裂縫，從而大幅降低環空氣竄速率，提高了界面密封。增韌劑能夠對水泥顆粒產生較強的粘結作用，與膠乳劑的配合使用進一步增強了水泥環界面的密封效果，兩者共同作用可顯著提升循環載荷作用下韌性水泥漿的環空密封能力。

2）在循環載荷作用下，水泥環界面處會產生塑性變形，界面處的孔隙度增加。隨著循環次數增加，塑性應變不斷增加，極易形成微環隙，為環空氣體提

供了竄流通道，這是在多級壓裂過程中出現環空帶壓的重要原因。

3）現場采用添加18%膠乳劑及1%增韌劑的韌性水泥漿體系開展固井施工，水泥石力學性能滿足水泥石強度大于30 MPa和彈性模量小于7 GPa的性能要求，同時在使用韌性水泥漿的井段固井質量也較好，后續壓裂施工過程也未見環空帶壓問題。通過合理優選韌性水泥漿添加劑含量，能夠為環空提供良好的密封效果，提升水泥環密封完整性。

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Influence of Tough Materials on Cement Sheath Interface Integrity for Shale Gas Fracturing Wells

1,1,2,1,1,1,1,1

(1. CNPC Engineering Technology R&D Company Limited, Beijing 102206, China; 2. PetroChina Dagang Oilfield Branch, Tianjin 300457, China)

To improve the cement sheath integrity during multi-fracturing for shale gas wells, four kinds of cement slurry systems were tested to evaluate cement interface integrity based on the cement sheath integrity device under the condition of cycle load. High-precision flowmeter was used to quantitatively detect the annulus gas flowing rate to evaluate the annulus sealing ability. Electron microscope scanning and nuclear magnetic resonance were adopted to measure the micro-structural changes of the cement sheath. The plastic finite element model of wellbore was established to simulate the damage of cement sheath interface during the cycle load. The results show that the annular gas flow rates of conventional cement slurry, 18wt.% latex, 36wt.% latex, and 18wt.% latex+1wt.% toughening were respectively 722 mL/min, 300-677 mL/min, 20-45 mL/min, 10-25 mL/min, indicating that the addition of latex can greatly reduce the gas flow rate in the annular interface and enhance the interface sealing ability. At the same time, the toughener can enhance the effect of the latex and improve the sealing integrity of cement sheath interface. After cyclic load, there were radial crack and microscopic crack at the cement interface for the conventional cement slurry, with the maximum width of 17 μm and length of 32 mm for radial crack. For the cement slurry with 36wt.% latex, there was only small micro annulus at the cement sheath interface. The hydration product was denser for the cement slurry with 36wt.% latex. Under cycle load, the pore size of the cement sheath body did not change much, but the pore size at the interface increases significantly. The finite element results show that plastic deformation occurred at the cement sheath interface under cyclic loading. With the increase of the number of cycles, the plastic strain increases continuously, and micro-annulus is easily formed. It could be concluded that the latex and ductile materials can effectively fill the gaps between the cement particles and reduce the pore size of the cement matrix. When the tough cement slurry is subjected to cyclic load, the latex can improve the microscopic morphological structure of the cement sheath and avoid cracks in the body, thereby greatly reducing the gas flow rate and improving the interface seal integrity. The toughening agent can have a strong bonding effect on the cement particles. When used in conjunction with the latex, the sealing effect of the cement sheath interface can be further enhanced. The combined action of these two agents can significantly improve the annular sealing ability of the cement slurry under cyclic loading. Under the action of cyclic load, plastic deformation will occur at the interface of cement sheath and accumulate continuously, and it is easy to form micro-annulus, which provides channeling channels for annular gas. For a shale gas well, a tough cement slurry system with 18wt.% latex agent and 1wt.% toughening agent was used during cementing construction. The mechanical properties of cement stone can meet the performance requirements of cement stone strength greater than 30 MPa and elastic modulus less than 7.0 GPa. At the same time, when using tough cement slurry, the cementing quality is also good, and there is no sustained casing pressure problem during the subsequent fracturing construction. By rationally optimizing the content of the toughness cement slurry additives, a good sealing effect can be provided for the annular space and the sealing integrity of the cement ring can be improved.

shale gas fracturing; cement sheath interface; tough cement slurry; sealing integrity; micro annulus; finite element method

TG174

A

1001-3660(2022)12-0232-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.12.024

2021–08–24；

2022–05–31

2021-08-24；

2022-05-31

中國石油天然氣集團有限公司科學研究與技術開發項目（2021DJ4403，2020F-49，2021DJ5203）；中國石油集團工程技術研究院有限公司科學研究與技術開發課題（CPET 2022-04S）

Scientific Research and Technology Development Project of CNPC (2021DJ4403, 2020F-49, 2021DJ5203) and CPET (CPET 2022-04S)

郭雪利（1988—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為固井基礎理論和井筒完整性方面研究。

GUO Xue-li (1988-), Male, Ph.D., Senior engineer, Research focus: are cementing basic theory and wellbore integrity.

郭雪利, 沈吉云, 武剛, 等. 韌性材料對頁巖氣壓裂井水泥環界面完整性影響[J]. 表面技術, 2022, 51(12): 232-242.

GUO Xue-li, SHEN Ji-yun, WU Gang, et al. Influence of Tough Materials on Cement Sheath Interface Integrity for Shale Gas Fracturing Wells[J]. Surface Technology, 2022, 51(12): 232-242.