压裂作业对固井水泥环完整性影响

李智勃

中石化胜利石油工程有限公司固井技术服务中心  山东东营  257000

摘要：目前，我国页岩气的开发方式多采用水平井套管完井和大排量分段压裂工艺技术。通过分段压裂工艺，使水力主裂缝沟通储层天然裂缝及岩石层理，从而形成裂缝网络，实现储层有效改造。由此，大型压裂时水泥环密封完整性问题日渐突出。本文以水泥环完整性为研究对象，研究了压裂作业对固井水泥环完整性的影响，为提高水泥环完整性提供理论依据。通过对压裂作业施工参数的调研及现场压裂施工数据分析，并应用水泥石受力软件进行计算分析，给出了压裂施工过程中水泥石的受力规律，通过增韧剂的优选及韧性水泥浆的性能评价试验，保证压裂过程中水泥石不被破坏。可为提高固井后水泥环的完整性提供理论依据。

关键词：压裂；力学性能；软件计算；弹性颗粒

页岩气是我国非常规油气资源的重要组成部分，其赋存特点为孔隙度低，渗透率低，通常通过压裂施工进行商业开发。在我国西南地区页岩气开发过程中，部分井次在储层改造过程中出现了井筒完整性失效的问题，套管变形导致桥塞无法坐封到位，压裂段数减少，从而造成作业成本提高，单井产量降低，缩短页岩气井的生命周期。国内侧重于建立套管-水泥环-围岩力学完整性模型，分析各个影响因素下水泥环的变化情况。开展水泥环密封性破坏机理研究对固井水泥浆体系优化、储层改造等工艺技术发展有重要意义。同时，我国在此方面的研究相对落后，且与现场应用结合较差。目前，应着眼于开发保障水泥环密封完整性高性能固井水泥浆体系和配套辅助工具，降低因射孔、二次开发和三次采油规模实施对水泥环和套管的破环，深入分析水泥环密封完整性失效的原因，对水泥环密封完整性机理及配套控制技术展开研究，提高水泥环密封完整性配套固井工艺研究与现场试验。

1现场压裂参数

某井压裂施工共压裂14段，使用缔合液11124m3，酸219m3，石英砂1063m3，陶粒42m3，每段压裂施工平均时间为2.5h，套管压力平均45MPa，排量18m3/min，其中一段压裂曲线如图2所示。压裂施工过程中，水泥石受力分为井口加压、压力保持、泄压三个过程。在压裂初期，随着压裂排量的升高，水泥环受力随着套管内压力的升高而不断增加，若水泥环受力大于水泥石抗压强度时将破碎。在压裂过程中，压裂排量保持一稳定值（18m3/min），井口压力也随之稳定，水泥环受到持续的应力作用，持续时间按每段压裂时间为准，一般持续2.5h左右。在这过程中，若水泥石强度值低于水泥石所受应力，将引起水泥石破碎。压裂施工结束后，随着套管内压力的降低，套管、水泥环将向原始状态恢复，套管与水泥环回弹能力不同，引起套管与水泥环之间产生微环隙，微环隙过大（大于0.1mm），破坏水泥环的密封完整性。

2水泥石受力计算分析

水泥石理论破坏值如表1所示。通过计算结果及室内评价试验可看出，目前常规水泥石的弹性模量在8GPa左右，强度为28MPa，仅能满足垂深在1600m以内的井压裂施工作业，要满足垂深大于1600m以上的井的压裂施工作业，从理论计算的表格中可看出需要增加水泥石的抗压强度或降低水泥石的弹性模量，因此本文进行了韧性水泥浆的研制及韧性水泥石的力学性能进行评价，判断能否满足压裂施工要求。

表1井下水泥石弹性模量与抗压强度对应值（单位：MPa）

3增韧剂的优选与评价

3.1韧性水泥石抗压强度评价

目前增韧剂主要有复合纤维、弹塑剂、橡胶颗粒、环氧树脂颗粒等，以下就对这几种增韧材料对水泥石抗压强度的影响进行评价分析。试验方法按照GB/T19139-2009《油井水泥试验方法》进行试验。进行橡胶对水泥石抗压强度的影响，实验结果(见表2)表明，在不同养护温度条件下，水泥石养护24h抗压强度均大于15MPa。水泥石养护48h后，加入橡胶颗粒的水泥石，在150℃养护环境下的抗压强度小于28MPa，不满足压裂要求，这说明橡胶颗粒的耐温程度有限，应用橡胶颗粒的环境要小于150℃，最佳应用在120℃以下环境。进行复合纤维、弹塑剂对水泥石抗压强度的影响，实验结果(见表3)表明，复合纤维加量在0.5%时，对水泥石的抗压强度无不良影响，在90℃、120℃、150℃条件下养护24h、48h、7d的情况下，抗压强度均满足压裂时水泥石抗压强度要求。由于弹塑剂中含有橡胶颗粒，加入弹塑剂的水泥石抗压强度在150℃条件下养护后，抗压强度较低，因此，弹塑剂只能应用在150℃以下环境。

表2橡胶颗粒对水泥石抗压强度的影响

表3复合纤维、弹塑剂对水泥石抗压强度的影响

进行环氧树脂颗粒对水泥石抗压强度的影响，实验结果(见表4)表明，环氧树脂颗粒加量在3%时，在90℃、120℃、150℃条件下养护24h、48h、7d的情况下，抗压强度均满足压裂施工时水泥石抗压强度要求。当环氧树脂颗粒加量达到5%时，水泥石的抗压强度略有降低，但仍能压裂施工时水泥石抗压强度的要求。通过试验数据可看出，环氧树脂颗粒能够在150℃环境下使用，加量在3%~5%。

表4环氧树脂颗粒对水泥石抗压强度的影响

3.2韧性水泥石弹性模量评价

通过软件计算，压裂施工过程中，要考虑水泥石的抗压强度与水泥石的弹性模量综合性能，因此要对水泥石的弹性模量进行评价试验，评价按照《储气库固井韧性水泥技术要求（试行）》进行水泥石的弹性模量试验，试验结果如表5所示。

表5水泥石弹性模量（单位：GPa）

加入橡胶颗粒后，橡胶颗粒填充在水泥石中，橡胶颗粒可以吸收部分由水泥骨架传递的应力，实验结果表明，加入橡胶颗粒能够降低水泥石的弹性模量，提高水泥石的应变量。水泥石的弹性模量由7.39GPa降低至6.32GPa，根据《储气库固井韧性水泥技术要求（试行）》中要求，水泥石的弹性模量要小于6GPa，虽然橡胶颗粒的加入降低了水泥石的弹性模量，但仍然不符合要求，因此不建议使用纯橡胶颗粒作为储气库固井韧性水泥浆的增韧材料。只加入复合纤维材料的水泥石弹性模量为6.57GPa，大于固井韧性水泥技术要求的水泥石弹性模量6GPa，因此不能单独使用复合纤维材料作为水泥石的增韧材料；加3%弹塑剂的水泥石弹性模量为5.86GPa，符合固井韧性水泥技术要求的水泥石弹性模量小于6GPa，由于弹塑剂耐温性差，而且加量增加时，水泥石的抗压强度降低，因此弹塑剂材料有待进一步改进。加入环氧树脂颗粒能够有效降低水泥石的弹性模量，当环氧树脂颗粒的加量为3%时，水泥石的弹性模量由7.39GPa降低至4.19GPa，降低了43.3%。

4压裂对水泥石要求的评价分析

套管压裂施工过程中，压裂液要有大于地层的破裂压力，使地层破坏，每段压裂液的总量要达到1800m3，使地下储层暴露的足够多，达到经济开采的目的。在实际压裂过程中，套管内压力达到75MPa,应用水泥环完整性软件计算出压裂过程中水泥环受力的计算结果，并结合室内对水泥石的力学评价，得出压裂时油井垂深与水泥环受力的对应关系。结果见表6。

表6油井垂深与水泥环受力关系（单位：MPa）

由表6可看出，加入环氧树脂颗粒的水泥石弹性模量在4GPa,抗压强度36MPa,能够满足垂深3200m井深的压裂施工需求，加入弹塑剂、橡胶颗粒的水泥石弹性模量在6GPa,抗压强度28MPa,能够满足垂深2000m井深的压裂施工需求，加入复合纤维的水泥石弹性模量在7GPa,抗压强度30MPa,能够满足垂深2400m井深的压裂施工需求。从理论计算值与室内评价值可看出，要满足压裂施工作业，需要满足水泥石抗压强度及水泥石的弹性模量两个重要指标。

5结论

（1）在压裂施工过程中，由于井口压力作用，使套管与水泥环产生应力作用，应力作用过大将破坏水泥环的完整性。（2）通过计算软件分析，降低水泥石的弹性模量，能够减少水泥石破坏的发生，提高水泥石的完整性。（3）通过向水泥浆中加入弹性颗粒能够改善水泥石的力学性能，降低弹性模量，提高水泥石的完整性。水泥石的抗压强度及水泥石的弹性模量是评价能否进行安全压裂的重要指标。参考文献：[1]龚伟安.套管损坏与套管受力状态[J].石油钻采工艺，1983，5（2）：39-42.[2]沈忠言，张志懿.冻结粉土动强度的荷载效应及长期极限动强度[J].冰川冻土，1998，20（1）：42-45.[3]李早元，郭小阳，杨远光.提高井油水泥环力学形变能力的途径及其作用机理研究[J].石油钻探技术，2004，32（3）：44-46.[4]师忠南.水泥石耐久性的力学评价[J].石油钻采工艺，2011,5（3）:21-23.