韧性材料对页岩气压裂井水泥环界面完整性影响

目的 提高页岩气井多级压裂过程中水泥环界面完整性.方法 针对4种在页岩气井中使用的水泥浆体系,基于水泥环完整性评价装置,开展在循环压力条件下水泥环界面完整性实验.采用高精度流量计、扫描电镜和核磁共振等监测手段,定量检测环空气窜速率,探索水泥环在加载前后的微观结构变化.根据实验装置基础参数,采用有限元方法模拟循环加载过程水泥环界面的损伤演化情况.结果 常规水泥浆、18％(均为质量分数)胶乳剂水泥浆、36％胶乳剂水泥浆、18％胶乳剂加1％增韧剂水泥浆,其环空气窜速率分别为722、300～677、20～45、10～25 mL/min.经循环载荷作用后,常规水泥浆在水泥环本体出现明显径向裂缝和界面微环隙,且水泥浆水化产物较疏松;36％胶乳剂水泥浆仅在水泥环界面产生较小的微环隙,水化产物在界面处较致密,水泥石孔径较小.在循环载荷作用下,水泥环界面孔隙显著增加,界面处产生塑性应变并不断增加.结论 胶乳剂和韧性剂材料可有效填充水泥颗粒之间的间隙,降低水泥石孔径尺寸.胶乳剂通过改善水泥环的微观形态结构,避免在本体产生裂缝,提高了界面密封性能.增韧剂对水泥颗粒产生较强的粘结作用,与胶乳剂的配合使用进一步增强了水泥环界面的密封效果,两者共同作用可显著提升水泥环空密封能力.在循环载荷作用下,水泥环界面易形成微环隙,为环空气体提供了窜流通道,造成环空带压.现场采用添加18％胶乳剂加1％增韧剂的韧性水泥浆体系开展固井施工,水泥石力学性能能够满足水泥石强度大于30 MPa和弹性模量小于7 GPa的性能要求.同时,使用韧性水泥浆的井段固井质量也较好,后续压裂施工过程也未见环空带压问题.通过合理优选韧性水泥浆添加剂含量,能够为环空提供良好的密封效果,提升水泥环的密封完整性.