杜培偉，王其春

（1.中國石化西南石油工程有限公司固井分公司，四川德陽 618002；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100000）

四川WY 頁巖氣區(qū)塊是中石化天然氣勘探開發(fā)的重要區(qū)域，具有平臺分布密集、儲層埋藏深（垂深3 600～3 800 m±）、地層溫度高（135 ℃±）、水平段長（1 500 m±）、地層破裂壓力高、壓裂停泵壓力高（65 MPa±）、鉆井液密度高（1.80～2.25 g/cm3）[1]，雖然前期已進(jìn)行多口井的勘探開發(fā)，取得了勘探的突破，但在作業(yè)期間就存在較為顯著的環(huán)空帶壓問題，對于后續(xù)作業(yè)產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的影響，對后期油氣開采產(chǎn)生巨大隱患。因此要在全面推進(jìn)WY 區(qū)塊頁巖氣開發(fā)之前，開展深層頁巖氣井筒環(huán)空帶壓預(yù)防關(guān)鍵技術(shù)研究，提出科學(xué)、合理的環(huán)空帶壓問題預(yù)防方案，以此促進(jìn)深層頁巖氣的高效勘探與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)深層頁巖氣勘探開發(fā)提速提效，有力保障中石化頁巖氣大開發(fā)戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)。

1 環(huán)空帶壓原因分析

1.1 套管損壞

由圖1 可以明顯看出，所有套損井中，大部分都出現(xiàn)在壓裂水平段的靠近A 點(diǎn)位置，只有少部分出現(xiàn)在水平段的B 點(diǎn)附近，分析原因近A 點(diǎn)位在多次壓裂施工后，由于多次的交變壓力作用，水泥環(huán)缺失點(diǎn)、薄弱段易形成應(yīng)力累計(jì)，導(dǎo)致水泥環(huán)破損，套管-水泥環(huán)-地層膠結(jié)結(jié)構(gòu)遭到破壞，套管與水泥環(huán)剝離，A 點(diǎn)套管在高頻率壓裂作用下，有更大的可能性發(fā)生套損。

圖1 套損位置出現(xiàn)的頻率圖

從鉛模變形磨損情況可以推斷出套管的變形情況進(jìn)而形成套管剪切變形模擬示意圖（見圖2）。

圖2 套變段鉛模剪切模擬圖

1.2 水泥環(huán)破損

在環(huán)空中形成的水泥環(huán)由于固井過程中水泥石固化收縮和外部荷載作用以及后期酸化壓裂等增產(chǎn)作業(yè)下造成水泥環(huán)出現(xiàn)微裂縫或者微環(huán)隙，影響水泥環(huán)封隔和保護(hù)作用[2-4]。對后期現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的水泥環(huán)缺失原因有以下幾點(diǎn)[5，6]：

1.2.1 一二界面膠結(jié)質(zhì)量差形成環(huán)隙 由于在固井施工過程中，由于頂替效率，水泥漿性能，套管居中度不夠等諸多因素影響，造成水泥漿在環(huán)空中充填不充分形成水泥環(huán)后存在缺失環(huán)隙，從而對套管支持保護(hù)作用不夠，套管應(yīng)力作用不均勻，導(dǎo)致套管受到外應(yīng)力作用而損壞。

1.2.2 水泥環(huán)遭到多次壓力載荷作用破損 多級壓裂過程中循環(huán)加卸荷載使水泥環(huán)形成累計(jì)參與應(yīng)變從而導(dǎo)致第一界面出現(xiàn)破損或出現(xiàn)微環(huán)隙為氣體竄流提供了運(yùn)移通道，是導(dǎo)致環(huán)空帶壓以及套管失去水泥環(huán)保護(hù)的主要原因。

2 自愈合水泥漿體系實(shí)驗(yàn)研究

為防止水泥環(huán)斷裂缺失存在環(huán)隙造成氣竄，使用的水泥漿體系防竄性能優(yōu)異，防止固井過程中氣竄，水泥石與一二界面的膠結(jié)強(qiáng)度高，防止水泥凝固后氣竄，水泥石具有超低滲透率、低彈性模量，在水泥配方中加入一種自愈合材料，智能修復(fù)后期水泥環(huán)中的細(xì)微滲流通道，恢復(fù)水泥環(huán)密封完整性[7-10]。

2.1 彈性材料室內(nèi)優(yōu)選

根據(jù)水泥石在井內(nèi)條件影響因素以及HG/T3848-2008 檢測標(biāo)準(zhǔn)做出以下彈性材料優(yōu)選方案，再根據(jù)優(yōu)選方案對4 種彈性材料進(jìn)行優(yōu)選，其具體數(shù)據(jù)（見表1）。

表1 彈性材料優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

從表1 中，優(yōu)選出的彈性材料SFP，在高溫條件下（140 ℃以下）具有良好的熱穩(wěn)定性，溶解度最低，且其抗剪切強(qiáng)度、彈性回復(fù)率以及加入彈性劑后的水泥石彈性模量均能夠滿足彈性水泥石性能要求，因此，選用材料SFP 進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

2.2 自愈合材料室內(nèi)優(yōu)選

本文主要針對代號為ZYH-1、ZYH-2 兩種滲透結(jié)晶型材料和ZYH-3、ZYH-4 兩種熱熔型自愈合材料開展不同加量、不同齡期條件下水泥石自愈合能力評價(jià)實(shí)驗(yàn)研究（見圖3）。本文根據(jù)實(shí)際井況條件將水泥石自愈合設(shè)備養(yǎng)護(hù)條件設(shè)定為120 ℃，70 MPa。實(shí)驗(yàn)所用評價(jià)方法為裂縫愈合程度測試方法（使用超聲波探測儀材對檢測材料不同齡期條件下內(nèi)部缺陷和裂縫寬度進(jìn)行檢測）[11-14]。

從圖3 可以看出，結(jié)晶型自愈合材料自愈合發(fā)展速度較平緩，56 d 依然有自愈合能力，而熱熔型自愈合材料由于受溫度誘發(fā)，自愈合速率發(fā)展較快，在28 d后達(dá)到峰值，之后自愈合程度趨于平緩；結(jié)晶型自愈合劑ZYH-2，56 d 3%加量自愈合程度可以達(dá)到80%以上，因此結(jié)合實(shí)際井況和自愈合性能，選用ZYH-2 做為水泥漿自愈合劑使用。

圖3 不同條件下水泥石愈合程度數(shù)據(jù)圖

2.3 彈性自愈合水泥漿性能

根據(jù)應(yīng)對措施中的水泥漿性能要求，對水泥漿配方進(jìn)行優(yōu)選改良，調(diào)試出以下彈性自愈合水泥漿配方：JHG+35%復(fù)配硅粉+液硅+SFP+ZYH-2+DZJ-Y+OSP +DZX+DZH-2+SCR-4+水。

彈性自愈合水泥漿體系SPN 值小于1，顯示出優(yōu)異的防氣竄性能（見表2，圖4）。

圖4 水泥石在150 ℃高溫下強(qiáng)度發(fā)展曲線

表2 彈性自愈合水泥漿體系基本性能

彈性自愈合水泥石在150 ℃下24 h 內(nèi)水泥石強(qiáng)度增長至最高點(diǎn)后平穩(wěn)（見表3）。

由表3 可知，水泥漿各項(xiàng)性能穩(wěn)定，滿足固井現(xiàn)場施工設(shè)計(jì)要求，能夠安全施工入井，水泥石氣測滲透率0.013 mD，楊氏模量6.5 GPa，水泥石能承受較高的應(yīng)力沖擊，顯示出優(yōu)異的抗沖擊性能。滿足高溫高壓氣井固井應(yīng)用。

表3 水泥石力學(xué)性能

2.4 彈性自愈合水泥石在循變壓力作用下密封性能測試

將彈性自愈合水泥漿養(yǎng)護(hù)成水泥環(huán)放入密封性評價(jià)裝置，開展彈性自愈合水泥漿體系的水泥環(huán)密封能力模擬實(shí)驗(yàn)，模擬WY 地區(qū)的頁巖氣的水力壓裂過程。該裝置基本原理為：利用套管、水泥環(huán)和外筒模擬套管-水泥環(huán)-地層組合體，然后通過壓力系統(tǒng)向套管內(nèi)加載和卸載模擬地層壓裂過程中套管、水泥環(huán)的受力變化。以200 mL/min 速度的氣體流量通入水泥環(huán)，在70 MPa 交變壓力作用下，進(jìn)行密封性評價(jià)，彈性自愈合水泥石經(jīng)歷70 MPa，13 次循環(huán)應(yīng)力作用后，水泥環(huán)密封性才開始形成縫隙，并且氣竄量增長緩慢，與常規(guī)水泥環(huán)氣竄密封性實(shí)驗(yàn)相比較（見圖5），自愈合水泥環(huán)在交變壓力作用下表現(xiàn)出的水泥環(huán)密封性能更好[15]。

圖5 抗高溫增強(qiáng)型防氣竄水泥石70 MPa 應(yīng)力作用曲線圖

2.5 彈性自愈合水泥石自愈合能力測試

水泥石自愈合能力測試方法：在水泥環(huán)存在環(huán)隙狀態(tài)下，將天然氣流體注入水泥環(huán)后點(diǎn)燃，對火焰的大小與熄滅時(shí)間進(jìn)行記錄。經(jīng)過水泥石自愈合能力測試，天然氣流速1 200 mL/min 條件下，憋壓養(yǎng)護(hù)24 h天然氣流速降為348 mL/min，140 h 天然氣流速降為43 mL/min，二次修復(fù)率96.4%。

3 彈性自愈合水泥漿現(xiàn)場應(yīng)用

（1）YB702 井是在四川盆地川北坳陷九龍山背斜南東翼的一口評價(jià)井。五開鉆進(jìn)至井深達(dá)6 937.00 m，鉆井液密度高達(dá)2.3 g/cm3，井底測井溫度高達(dá)160 ℃，壓力達(dá)到160 MPa，為保證此次固井施工安全與質(zhì)量，使用密度2.35 g/cm3，加砂加重自愈合膠乳防竄彈韌性水泥漿體系，后期聲幅顯示優(yōu)質(zhì)率達(dá)100%，固井質(zhì)量優(yōu)秀。

（2）HX6 井，本開鉆井棲霞組、梁山組發(fā)生漏失；在下套管及施工過程中發(fā)生漏失，影響施工排量和水泥漿返高，施工壓力窗口窄，兼顧防漏和防氣竄難度大；本開尾漿段采用彈性自愈合水泥漿體系，密度1.90 g/cm3。施工后經(jīng)聲幅檢測，自愈合水泥漿封固段固井優(yōu)良率42%，試壓合格。間隔5 d 后再次測井自愈合水泥漿封固段固井優(yōu)良率達(dá)到72%，測井顯示水泥環(huán)填充度增加，層間封隔良好，水泥環(huán)封固質(zhì)量較5 d 前測井有明顯提升。

4 結(jié)論

（1）多級壓裂過程中循環(huán)加卸荷載使水泥環(huán)形成累計(jì)參與應(yīng)變從而導(dǎo)致第一界面出現(xiàn)破損或出現(xiàn)微環(huán)隙為氣體竄流提供了運(yùn)移通道，是導(dǎo)致環(huán)空帶壓以及對套管失去水泥環(huán)保護(hù)的主要原因。如何降低多級壓力載荷對水泥石力學(xué)性能的影響和減少水泥環(huán)缺失是保護(hù)套管的關(guān)鍵因素。

（2）彈性自愈合水泥漿性能穩(wěn)定，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)檢測其水泥石較常規(guī)水泥石，力學(xué)性能優(yōu)越，在交變壓力載荷作用下，具有良好的密封性能，在形成微隙后，具有良好的自愈合能力。

（3）結(jié)合預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)，目前該彈性自愈合水生產(chǎn)套管在WY 長水平段油層套管固井施工作業(yè)2 井次，取得良好的現(xiàn)場效果，對套管起到很好的保護(hù)作用，滿足后期酸化壓裂改造的需要。