论文部分内容阅读
页岩气开采需要进行射孔及大规模压裂作业,常规水泥石在射孔冲击力及套管内压的巨大载荷作用下,易造成水泥环封隔完整性失效,因此对页岩气水平井固井技术提出了新的要求。本文结合套管-水泥环-地层耦合力学模型,计算了水泥环在不同条件下的力学变形规律以及产生微环隙时不同水泥石弹性模量对应的极限井口压力分布,提出了页岩气水平井固井水泥石封隔完整性的力学性能要求。通过实验优选了适合页岩气水平井固井的外加材料,主要包括：弹韧性材料、膨胀剂、悬浮稳定剂、自修复剂。在室内实验中,从浆体常规性能、膨胀性能、防窜性能、常规力学性能及三轴力学实验综合评价,获得了满足页岩气水平井固井水泥石力学性能要求的弹韧性水泥浆体系。论文主要开展的工作及研究成果如下：(1)论文结合套管-水泥环-地层耦合弹性力学模型,展开了不同井口压力、不同弹性模量的水泥石对水泥环力学变形能力研究,以及产生微环隙时不同水泥石弹性模量对应的极限井口压力分布；提出页岩气水平井固井水泥石力学性能要求：压裂井口压力不超过50MPa时,水泥环的弹性极限应力大于14.36MPa,极限应变大于0.262%。(2)优选出可改善水泥石力学性能的外加材料：胶乳、弹性颗粒以及聚丙烯纤维；初步确定了外加材料的加量范围,胶乳：0-15%,弹性颗粒：0-6%,聚丙烯纤维：0～1%。(3)论文基于提高水泥石胶结能力、改善封隔完整性优选出膨胀剂BS500,以及提高浆体悬浮稳定性能的悬浮稳定剂微硅；并为延长页岩气井开采寿命,优选出自修复剂CEM-2。(4)根据优选出弹韧性材料及加量,开展改善一元、二元及多元材料组合弹韧性水泥石的实验分析,得出胶乳、弹性颗粒能够降低水泥石弹性模量,也会降低水泥石的弹性极限应力；纤维对水泥石弹性模量影响较小,但能够提高水泥石极限应力和极限应变。因此论文进行了合理的弹韧性材料组合既可以降低水泥石弹性模量,同时提高水泥石极限弹性应力和极限弹性应变,从而提高水泥石力学变形能力。(5)根据弹韧性材料一元、二元及多元组合的综合性能分析,结合油井水泥常规添加剂,得到满足页岩气水平井固井水泥石力学性能要求的弹韧性材料组合水泥浆体系配方：基础配方+(9%～12%)胶乳JR+(2%4%)弹性颗粒XJF+0.5%纤维JBX-A。(6)基于优选出的CEM-2,在优选配方中加入该自修复剂能够改善水泥石产生微裂缝、微环隙后的井下封隔完整性。