壓裂作業對固井水泥環完整性影響分析

武愉欣

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413）

1 分段壓裂技術調研

隨著多年油田開發，地下儲層發生巨大的變化，常規的油井開采已經不能滿足石油的大量需求。非常規油井致密油、頁巖油等的開采已成為油田開采的主力。非常規油氣井通過常規壓裂工藝達不到開采要求，需要進行大規模體積壓裂，提高開采時油氣裸露面積，提高非常規油井的采收率。

1.1 壓裂工藝

壓裂工藝可分為多種形式，通過壓裂時是否對水泥石產生應力作用可分為油管壓裂及套管壓裂。油管壓裂指壓裂過程中，在油層套管內下入油管，壓裂液從油管中進入并壓入地層，油管壓裂的優點在于壓裂液從油管內進入，壓裂施工壓力不會作用在套管上，不會影響固井水泥石，缺點在于油管直徑小，壓裂施工排量低，不能完成大型體積壓裂，不能滿足非常規油井的壓裂需求。套管壓裂施工優點在于施工排量大，能夠達到20m3/min，能夠滿足非常規油井的壓裂需求，缺點在于壓裂過程中，壓力作用在套管上，并傳遞給水泥環，若壓力過高將影響水泥環的完整性。

套管壓裂工藝主要以橋塞壓裂為主，現用橋塞為大通徑鋁合金速鉆橋塞和全復合速鉆橋塞（圖1所示），適應大規模、大排量體積改造，是低滲、致密儲層改造的主體工藝。橋塞的技術指標為耐溫120℃、承壓70MPa、排量20m3/min 以下、平均鉆磨時間小于1h。技術特點：施工排量大，壓裂規模、段數不受限，套管壓裂，段內多簇。

圖1 壓裂作業使用的橋塞

1.2 現場壓裂參數

某井壓裂施工共壓裂14段，使用締合液11124m3，酸219m3，石英砂1063m3，陶粒42m3，每段壓裂施工平均時間為2.5h，套管壓力平均45MPa，排量18m3/min，其中一段壓裂曲線如圖2所示。

圖2 壓裂曲線

壓裂施工過程中，水泥石受力分為井口加壓、壓力保持、泄壓三個過程。在壓裂初期，隨著壓裂排量的升高，水泥環受力隨著套管內壓力的升高而不斷增加，若水泥環受力大于水泥石抗壓強度時將破碎。在壓裂過程中，壓裂排量保持一穩定值（18m3/min），井口壓力也隨之穩定，水泥環受到持續的應力作用，持續時間按每段壓裂時間為準，一般持續2.5h左右。在這過程中，若水泥石強度值低于水泥石所受應力，將引起水泥石破碎。壓裂施工結束后，隨著套管內壓力的降低，套管、水泥環將向原始狀態恢復，套管與水泥環回彈能力不同，引起套管與水泥環之間產生微環隙，微環隙過大（大于0.1mm），破壞水泥環的密封完整性。

2 水泥石受力計算分析

根據壓裂施工參數調研，應用井筒完整性分析軟件對壓裂過程中水泥環的受力進行分析計算。需要輸入主要參數：①套管的直徑、套管壁厚、鉆頭尺寸、井徑擴大率；②水泥石的彈性模量；③套管內壓力。

應用計算軟件，進行了不同垂深、不同水泥石彈性模量、不同井口壓力對水泥石影響的計算分析，分析結果如圖3所示。

圖3 壓裂過程中水泥石受力計算結果

對井內水泥石受力進行理論計算。越靠近井底水泥石受力越大，彈性模量越高，水泥石受力越大，固井水泥石強度值要大于計算值時，水泥石才不會破碎，水泥石理論破壞值如表1所示。

表1 井下水泥石彈性模量與抗壓強度對應值（單位：MPa）

通過計算結果及室內評價試驗可看出，目前常規水泥石的彈性模量在8GPa 左右，強度為28MPa，僅能滿足垂深在1600m 以內的井壓裂施工作業，要滿足垂深大于1600m 以上的井的壓裂施工作業，從理論計算的表格中可看出需要增加水泥石的抗壓強度或降低水泥石的彈性模量，因此本文進行了韌性水泥漿的研制及韌性水泥石的力學性能進行評價，判斷能否滿足壓裂施工要求。

3 增韌劑的優選與評價

水泥石彈性模量過高，壓裂過程壓力相同時，水泥環受力變大，引起水泥石破壞，降低水泥環的完整性，因此要保證井下水泥環的完整性，需要優選出增韌劑，在保證水泥石抗壓強度的前提下，降低水泥石的彈性模量。

3.1 韌性水泥石抗壓強度評價

目前增韌劑主要有復合纖維、彈塑劑、橡膠顆粒、環氧樹脂顆粒等，以下就對這幾種增韌材料對水泥石抗壓強度的影響進行評價分析。試驗方法按照GB/T 19139-2009《油井水泥試驗方法》進行試驗。

進行橡膠對水泥石抗壓強度的影響，實驗結果(見表2)表明，在不同養護溫度條件下，水泥石養護24h抗壓強度均大于15MPa。水泥石養護48h 后，加入橡膠顆粒的水泥石，在150℃養護環境下的抗壓強度小于28MPa，不滿足壓裂要求，這說明橡膠顆粒的耐溫程度有限，應用橡膠顆粒的環境要小于150℃，最佳應用在120℃以下環境。

表2 橡膠顆粒對水泥石抗壓強度的影響

進行復合纖維、彈塑劑對水泥石抗壓強度的影響，實驗結果(見表3)表明，復合纖維加量在0.5%時，對水泥石的抗壓強度無不良影響，在90℃、120℃、150℃條件下養護24h、48h、7d 的情況下，抗壓強度均滿足壓裂時水泥石抗壓強度要求。由于彈塑劑中含有橡膠顆粒，加入彈塑劑的水泥石抗壓強度在150℃條件下養護后，抗壓強度較低，因此，彈塑劑只能應用在150℃以下環境。

表3 復合纖維、彈塑劑對水泥石抗壓強度的影響

進行環氧樹脂顆粒對水泥石抗壓強度的影響，實驗結果(見表4)表明，環氧樹脂顆粒加量在3%時，在90℃、120℃、150℃條件下養護24h、48h、7d 的情況下，抗壓強度均滿足壓裂施工時水泥石抗壓強度要求。當環氧樹脂顆粒加量達到5%時，水泥石的抗壓強度略有降低，但仍能壓裂施工時水泥石抗壓強度的要求。通過試驗數據可看出，環氧樹脂顆粒能夠在150℃環境下使用，加量在3%～5%。

表4 環氧樹脂顆粒對水泥石抗壓強度的影響

3.2 韌性水泥石彈性模量評價

通過軟件計算，壓裂施工過程中，要考慮水泥石的抗壓強度與水泥石的彈性模量綜合性能，因此要對水泥石的彈性模量進行評價試驗，評價按照《儲氣庫固井韌性水泥技術要求（試行）》進行水泥石的彈性模量試驗，試驗結果如表5所示。

表5 水泥石彈性模量（單位：GPa）

加入橡膠顆粒后，橡膠顆粒填充在水泥石中，橡膠顆?？梢晕詹糠钟伤喙羌軅鬟f的應力，實驗結果表明，加入橡膠顆粒能夠降低水泥石的彈性模量，提高水泥石的應變量。水泥石的彈性模量由7.39GPa降低至6.32GPa，根據《儲氣庫固井韌性水泥技術要求（試行）》中要求，水泥石的彈性模量要小于6GPa，雖然橡膠顆粒的加入降低了水泥石的彈性模量，但仍然不符合要求，因此不建議使用純橡膠顆粒作為儲氣庫固井韌性水泥漿的增韌材料。只加入復合纖維材料的水泥石彈性模量為6.57GPa，大于固井韌性水泥技術要求的水泥石彈性模量6GPa，因此不能單獨使用復合纖維材料作為水泥石的增韌材料；加3%彈塑劑的水泥石彈性模量為5.86GPa，符合固井韌性水泥技術要求的水泥石彈性模量小于6GPa，由于彈塑劑耐溫性差，而且加量增加時，水泥石的抗壓強度降低，因此彈塑劑材料有待進一步改進。加入環氧樹脂顆粒能夠有效降低水泥石的彈性模量，當環氧樹脂顆粒的加量為3%時，水泥石的彈性模量由7.39GPa 降低至4.19GPa，降低了43.3%。

4 壓裂對水泥石要求的評價分析

套管壓裂施工過程中，壓裂液要有大于地層的破裂壓力，使地層破壞，每段壓裂液的總量要達到1800m3，使地下儲層暴露的足夠多，達到經濟開采的目的。在實際壓裂過程中，套管內壓力達到75MPa,應用水泥環完整性軟件計算出壓裂過程中水泥環受力的計算結果，并結合室內對水泥石的力學評價，得出壓裂時油井垂深與水泥環受力的對應關系。結果見表6。

表6 油井垂深與水泥環受力關系（單位：MPa）

由表6可看出，加入環氧樹脂顆粒的水泥石彈性模量在4GPa,抗壓強度36MPa,能夠滿足垂深3200m 井深的壓裂施工需求，加入彈塑劑、橡膠顆粒的水泥石彈性模量在6GPa,抗壓強度28MPa,能夠滿足垂深2000m 井深的壓裂施工需求，加入復合纖維的水泥石彈性模量在7GPa,抗壓強度30MPa,能夠滿足垂深2400m井深的壓裂施工需求。從理論計算值與室內評價值可看出，要滿足壓裂施工作業，需要滿足水泥石抗壓強度及水泥石的彈性模量兩個重要指標。

5 結論

（1）在壓裂施工過程中，由于井口壓力作用，使套管與水泥環產生應力作用，應力作用過大將破壞水泥環的完整性。

（2）通過計算軟件分析，降低水泥石的彈性模量，能夠減少水泥石破壞的發生，提高水泥石的完整性。

（3）通過向水泥漿中加入彈性顆粒能夠改善水泥石的力學性能，降低彈性模量，提高水泥石的完整性。水泥石的抗壓強度及水泥石的彈性模量是評價能否進行安全壓裂的重要指標。