李早元， 祁 凌， 劉 銳， 辜 濤， 孫勁飛

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川成都 610500;2.中國(guó)石油塔里木油田分公司庫(kù)車油氣開(kāi)發(fā)部，新疆庫(kù)爾勒841000)

空心微珠低密度水泥環(huán)完整性試驗(yàn)研究

李早元1， 祁 凌1， 劉 銳2， 辜 濤1， 孫勁飛1

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川成都 610500;2.中國(guó)石油塔里木油田分公司庫(kù)車油氣開(kāi)發(fā)部，新疆庫(kù)爾勒841000)

為了提高空心微珠低密度水泥環(huán)的長(zhǎng)期封固能力，開(kāi)展了循環(huán)載荷及高內(nèi)壓工況作用下的水泥環(huán)完整性試驗(yàn)研究。利用三軸巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，采用軸向循環(huán)加卸載的方法，分析了循環(huán)加卸載過(guò)程中水泥石的損傷形變規(guī)律；在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合厚壁圓筒理論，分析了高內(nèi)壓工況下水泥環(huán)的封固完整性。試驗(yàn)結(jié)果表明:循環(huán)加卸載與高內(nèi)壓工況均能使空心微珠低密度水泥環(huán)喪失力學(xué)封固完整性。為此，優(yōu)選了可分散性纖維FK對(duì)空心微珠低密度水泥漿進(jìn)行增韌改性，改性后的水泥漿性能良好，可滿足固井施工要求；增韌水泥石的抗拉強(qiáng)度、協(xié)調(diào)形變能力和承壓能力均有所提高，彈性模量下降。研究結(jié)果表明，可分散性纖維FK增韌效果較好，為進(jìn)一步提高低密度水泥環(huán)完整性提供了理論依據(jù)和優(yōu)化手段。

空心微珠；低密度水泥漿；水泥環(huán)；完整性；循環(huán)加載；內(nèi)壓；力學(xué)性能

空心微珠低密度水泥漿在長(zhǎng)封固段、低壓易漏井的固井中得到了有效應(yīng)用[1-3]，但目前對(duì)該水泥漿的研究仍以漿體性能、早期強(qiáng)度發(fā)展等基礎(chǔ)性能為主[4-6]，對(duì)其水泥石在長(zhǎng)期工況載荷下的完整性缺乏深入研究。影響水泥環(huán)完整性的因素較多[7-9]，現(xiàn)有研究結(jié)果表明，循環(huán)載荷作用和高內(nèi)壓是導(dǎo)致水泥環(huán)出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷和切向受拉失效的主要原因[10-11]。同時(shí)，空心微珠導(dǎo)致水泥石內(nèi)部的有效膠結(jié)質(zhì)含量減少，使其存在低強(qiáng)度、高孔滲的固有缺陷，力學(xué)性能遜于常規(guī)密度水泥石。為了保證油氣井的安全高效開(kāi)發(fā)，需要研究循環(huán)載荷和高內(nèi)壓對(duì)空心微珠低密度水泥環(huán)完整性的影響。為此，筆者采用三軸應(yīng)力循環(huán)加卸載與厚壁圓筒理論計(jì)算相結(jié)合的方法，研究了空心微珠低密度水泥環(huán)的力學(xué)封固完整性，并針對(duì)其無(wú)法承受井下長(zhǎng)期工況載荷的問(wèn)題，提出添加可分散性纖維FK，增強(qiáng)空心低密度水泥石的韌性，從而提高水泥環(huán)的封固完整性。

1 循環(huán)載荷對(duì)水泥環(huán)完整性的影響

油氣井在長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)過(guò)程中井筒會(huì)承受不同程度的循環(huán)應(yīng)力作用，這種低于屈服強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力易使水泥石內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋、孔洞等結(jié)構(gòu)缺陷[12-14]，導(dǎo)致水泥環(huán)完整性失效。常規(guī)的水泥石力學(xué)性能測(cè)試以單軸加載和一次性加載為主，直觀便捷，但無(wú)法模擬井下交變載荷工況，因此不能準(zhǔn)確獲取水泥石隨周期演變的內(nèi)部損傷情況。三軸應(yīng)力循環(huán)加卸載系統(tǒng)采用施加圍壓和軸向循環(huán)加載的方法，能夠最大限度地模擬井下環(huán)境，因此可以用來(lái)評(píng)價(jià)水泥石的抗疲勞損傷能力。

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料均取自LN2-S2-24井的現(xiàn)場(chǎng)固井水泥和添加劑，低密度水泥漿配方為:G級(jí)水泥+25.0%S38HS空心微珠(承壓能力38.0 MPa)+15.0%微硅+6.0%降濾失劑+3.0%分散劑+0.2%消泡劑+水，液固比0.42，密度為1.38 kg/L(現(xiàn)場(chǎng)固井施工用密度)。該井井深0～4 920.00 m，其中空心微珠低密度水泥漿的封固段為0～3 880.00 m，3 880.00～4 920.00 m為常規(guī)密度水泥漿封固段。確定試驗(yàn)溫度為30，60和90 ℃，分別對(duì)應(yīng)模擬低密度水泥石封固段的上部(0～1 500.00 m)、中部(1 500.00～3 000.00 m)和下部(3 000.00～3 880.00 m)的地層溫度。

按照《油井水泥試驗(yàn)方法》(GB/T 19139—2012)制備水泥漿，并置于高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)(養(yǎng)護(hù)條件20.7 MPa×30/60/90 ℃×3/7/14/28 d)。采用巴西劈裂法測(cè)試水泥石的抗拉強(qiáng)度(取平均值)，模具尺寸為φ50.0 mm×25.0 mm；依照三軸應(yīng)力試驗(yàn)?zāi)＞叱叽鐦?biāo)準(zhǔn)(φ25.0 mm×50.0 mm)對(duì)水泥石進(jìn)行取心、切割，采用美國(guó)RTS-1000型三軸巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)模擬井下工況，進(jìn)行水泥石循環(huán)加載應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試(循環(huán)周期為7，圍壓10.0 MPa,溫度30，60和90 ℃，加載速度1.6 kN/min，軸向應(yīng)力范圍0.5～9.0 MPa)，同時(shí)測(cè)量其彈性模量(彈性形變階段)和泊松比，并計(jì)算測(cè)試結(jié)果的平均值；采用麥克AutoporeIV 9500壓汞儀測(cè)試水泥石的孔隙度。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.2.1 水泥石的力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)

選取不同溫度下養(yǎng)護(hù)14 d的空心微珠低密度水泥石試樣進(jìn)行力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 空心微珠低密度水泥石的力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

Table 1 Testing results of mechanical parameters for low-density set cement with hollow microsphere

養(yǎng)護(hù)溫度/℃彈性模量/MPa泊松比抗拉強(qiáng)度/MPa三軸抗壓強(qiáng)度/MPa303947 70 1752 054 6605186 50 2603 053 1904399 30 1872 754 4

從表1可以看出，隨著溫度升高，水泥石的彈性模量、泊松比和抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，三軸抗壓強(qiáng)度的變化幅度較小。養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃水泥石的彈性模量、泊松比和抗拉強(qiáng)度均最高，原因可能是水泥的水化程度隨溫度升高而增強(qiáng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí)，水泥石力學(xué)性能逐漸增強(qiáng)；當(dāng)溫度升至一定程度后，低密度水泥石體積膨脹加劇，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致其整體力學(xué)性能降低。

1.2.2 形變量試驗(yàn)

選取60 ℃溫度下養(yǎng)護(hù)14 d的空心微珠低密度水泥石，測(cè)試其三軸循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(結(jié)果見(jiàn)圖1)，評(píng)價(jià)空心微珠低密度水泥環(huán)的協(xié)調(diào)形變能力。

圖1 三軸循環(huán)加載應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.1 The stress-strain curve by cyclic triaxial loading

由圖1可得:1)前2個(gè)循環(huán)周期中水泥石產(chǎn)生了較大的單周永久形變，原因是水泥石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在一定的初始孔隙(養(yǎng)護(hù)14 d的水泥石孔隙度為16.3%)，經(jīng)2個(gè)周期加卸載后孔隙逐漸被壓實(shí)，出現(xiàn)了較大的單周塑性形變；2)在第3—5周期加卸載過(guò)程中，水泥石的彈性形變能力較好，曲線趨于重合；3)第6周期呈現(xiàn)出了較大的單周塑性形變，表明空心微珠低密度水泥石已開(kāi)始喪失彈性形變恢復(fù)能力。

1.2.3 損傷變量

根據(jù)經(jīng)典損傷力學(xué)理論[15-16]，計(jì)算各循環(huán)周期空心微珠低密度水泥石的損傷變量:

(1)

(2)

式中:ED為損傷后的水泥石的彈性模量，MPa；D為損傷變量；E為水泥石的初始彈性模量，MPa；Di為第i循環(huán)周期水泥石的損傷變量；EDi為第i循環(huán)周期水泥石的卸載彈性模量，MPa。

60 ℃養(yǎng)護(hù)14 d的空心微珠低密度水泥石,單周期加卸載前后的彈性模量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 空心微珠低密度水泥石單周期循環(huán)加載前后的彈性模量

Table 2 The elastic modulus of low-density set cement with hollow microspheres before and after monocyclic loading

循環(huán)周期彈性模量/MPa加載階段卸載階段15167 73701 123780 13472 333548 63345 343446 63334 253473 73363 663492 22911 872502 12179 6

根據(jù)式(1)、式(2)及表2中的參數(shù)，計(jì)算水泥石的損傷變量，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出:1)空心微珠低密度水泥石的初始損傷變量不為0；2)經(jīng)過(guò)多周期循環(huán)加載后，水泥石的損傷變量與形變量同步，在第6周期出現(xiàn)損傷變量突增的現(xiàn)象。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因?yàn)?，多周期的循環(huán)加載加劇了水泥石的疲勞損傷，當(dāng)損傷變量累積達(dá)到閾值后，不可恢復(fù)形變將發(fā)生突增。在井下復(fù)雜環(huán)境中，水泥環(huán)的不可逆形變?cè)黾?，使其逐漸喪失與套管、井壁的協(xié)調(diào)變形能力，進(jìn)而無(wú)法有效地卸載，因此需要進(jìn)一步增強(qiáng)空心微珠低密度水泥石的抗疲勞損傷能力。

圖2 不同加卸載循環(huán)周期水泥石的形變能力及損傷變量Fig.2 The deformability and damage variables of set cement with different loading cycles

2 高內(nèi)壓對(duì)水泥環(huán)完整性的影響

壓裂酸化等井筒高內(nèi)壓作業(yè)易導(dǎo)致水泥環(huán)承受較大的切向拉伸，存在失效風(fēng)險(xiǎn)[17-18]。室內(nèi)水泥環(huán)完整性評(píng)價(jià)模擬裝置無(wú)法定量描述水泥環(huán)失效時(shí)的應(yīng)力分布，所以采用較為成熟的厚壁圓筒理論評(píng)價(jià)高內(nèi)壓工況下空心微珠低密度水泥環(huán)的承壓能力。

2.1 水泥環(huán)應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)有的套管-水泥環(huán)-圍巖組合體彈性力學(xué)模型[19]，水泥環(huán)的切向應(yīng)力分布計(jì)算公式為:

(3)

式中:σθ為水泥環(huán)所受的切向應(yīng)力，MPa；r2為套管外半徑或水泥環(huán)內(nèi)半徑，mm；r3為水泥環(huán)外半徑或井眼半徑，mm；r為井筒內(nèi)的任意一點(diǎn)距井筒中心軸線的距離，mm；p2和p3分別為第一膠結(jié)面作用力和第二膠結(jié)面作用力,MPa。

假設(shè)同一井深的井壁圍巖為均質(zhì)性地層，則σθ，p2和p3均為井筒內(nèi)壓值的單變量函數(shù)。

2.2 實(shí)例分析

LN2-S2-24井為某油田的一口直井，二開(kāi)完鉆井深4 920.00 m，井眼直徑241.3 mm;二開(kāi)井段下入套管的外徑200.0 mm，壁厚10.92 mm，彈性模量20.68 GPa，泊松比0.30；圍巖彈性模量13.84 GPa,泊松比0.22；所用鉆井液密度1.20 kg/L。

將現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)以及表1中的水泥石性能力學(xué)參數(shù)代入式(3)，計(jì)算得到井筒內(nèi)壓與水泥環(huán)內(nèi)壁切向應(yīng)力的關(guān)系(見(jiàn)圖3)。其中，A,B和C點(diǎn)分別表示30，60和90 ℃的地溫環(huán)境下水泥環(huán)的臨界失效點(diǎn)，各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水泥環(huán)所能承受的最大井筒內(nèi)壓分別為95，140和102 MPa；進(jìn)而計(jì)算得到各封固層段水泥環(huán)所能承受的極限井口壓力(水泥環(huán)承受的極限井口壓力=水泥環(huán)承受的最大內(nèi)壓-井筒靜液柱壓力)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 井筒內(nèi)壓與水泥環(huán)內(nèi)壁切向應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig.3 The relationship between internal pressures in the wellbore and tangential stresses on the inner wall of cement sheath

表3 水泥環(huán)能承受的極限井口壓力

由表3可知:1)上部和中部層段的低密度水泥環(huán)所能承受的極限井口壓力滿足該區(qū)塊壓裂井口施工壓力(65～90 MPa)要求；2)下部層段低密度水泥環(huán)所能承受的極限井口壓力偏低，在壓裂施工時(shí)存在較大的失效風(fēng)險(xiǎn)。

3 水泥石增韌改性

針對(duì)空心微珠低密度水泥石在循環(huán)加卸載過(guò)程中的疲勞損傷與高內(nèi)壓工況下切向拉伸破壞的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能改進(jìn)。

改善水泥石力學(xué)性能的目的是通過(guò)優(yōu)選調(diào)配水泥材料，使水泥石滿足相應(yīng)工況下的力學(xué)性能要求。為此，對(duì)空心微珠低密度水泥石進(jìn)行了增韌改性，增大其抗拉強(qiáng)度、泊松比的同時(shí)，降低其彈性模量，以增強(qiáng)水泥石在井下復(fù)雜環(huán)境中的長(zhǎng)期封固能力。目前，水泥石的增韌改性主要采用在水泥漿中加入纖維、彈性顆粒、膠乳和樹(shù)脂等材料，但都存在著不同程度的漿體相容性問(wèn)題，影響應(yīng)用效果[20-21]。筆者在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，兼顧水泥漿性能，選取了可分散性纖維FK。該纖維直徑15～20 μm，抗拉強(qiáng)度500～1 000 MPa,彈性模量8～10 GPa,耐酸堿性強(qiáng)，不溶于水，在水溶液中具有高分散、高懸浮的特點(diǎn)，無(wú)毒無(wú)味，同時(shí)其高溫耐久性良好[22]，能夠在井下高溫環(huán)境中長(zhǎng)期保持增韌性。

3.1 水泥漿的基本性能

分別將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%和0.5%(超過(guò)0.5%，水泥漿流變性急劇下降)的纖維FK摻入空心微珠低密度水泥漿中(密度1.38 kg/L)，同時(shí)為滿足固井施工要求，加入緩凝劑以調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時(shí)間，在室內(nèi)測(cè)試改性后水泥漿的基本性能參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 加入纖維FK前后空心微珠低密度水泥漿的基本性能

Table 4 Basic performance parameters of low-density cement slurry with hollow microsphere before and after adding the fiber FK

配方常溫流動(dòng)度/cmAPI濾失量/mL上下部密度差/(kg·L-1)稠化時(shí)間/min配方123 046<0 02275配方1+0 2%FK23 054<0 02278配方1+0 5%FK22 550<0 02275配方1+0 2%FK+1 0%緩凝劑23 048<0 02315配方1+0 5%FK+1 0%緩凝劑22 549<0 02310配方1+0 2%FK+1 5%緩凝劑23 053<0 02360配方1+0 5%FK+1 5%緩凝劑22 549<0 02365

注：配方1為G級(jí)水泥+25.0%S38HS空心微珠+15.0%微硅+6.0%降濾失劑+3.0%分散劑，液固比為0.42；稠化試驗(yàn)條件為溫度90 ℃，壓力60 MPa。

由表4可以看出，加入0.2%和0.5%的纖維FK對(duì)水泥漿流動(dòng)度、濾失量和沉降穩(wěn)定性的影響都很小，水泥漿稠化時(shí)間線性可調(diào)，能夠滿足固井要求。為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)增韌改性效果和確保水泥漿性能，纖維FK的加量?jī)?yōu)選為0.5%。

3.2 改性水泥石的力學(xué)性能

將摻入0.5%纖維FK的水泥石在不同溫度下養(yǎng)護(hù)14 d后，分別測(cè)試其力學(xué)性能，結(jié)果見(jiàn)表5。對(duì)比表5與表1中的數(shù)據(jù)可以看出，在養(yǎng)護(hù)溫度分別為30,60和90 ℃時(shí)，與改性前相比，改性后的空心微珠低密度水泥石彈性模量分別下降了13.2%，7.3%和5.2%，泊松比和抗拉強(qiáng)度均有一定程度的提高，三軸抗壓強(qiáng)度雖有一定程度的降低，但對(duì)水泥石的整體力學(xué)性能影響較小。

表5 改性空心微珠低密度水泥石的力學(xué)性能

Table 5 Mechanical parameters of modified low-density set cement with hollow microspheres

溫度/℃彈性模量/MPa泊松比三軸抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa303425 00 20440 52 5604870 10 24842 83 8904176 80 22445 73 3

3.3 水泥石改性效果評(píng)價(jià)

3.3.1 協(xié)調(diào)形變能力

改性水泥石于60 ℃溫度下養(yǎng)護(hù)14 d后，測(cè)試其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 改性水泥石三軸循環(huán)加載應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 The stress-strain curve of the modified set cement by cyclic triaxial loading

從圖4可以看出，第1加卸載周期水泥石產(chǎn)生了較大的單周永久形變；內(nèi)部孔隙被壓實(shí)后，在第3—7周期的加卸載過(guò)程中，改性水泥石的彈性形變恢復(fù)能力表現(xiàn)較好，未出現(xiàn)明顯的單周塑性形變。

根據(jù)式(1)與式(2)計(jì)算水泥石的損傷變量，結(jié)果如圖5所示。因?yàn)榇嬖诔跏伎紫?，改性水泥石的初始損傷變量不為0；在7個(gè)周期的加卸載過(guò)程中，未出現(xiàn)單周較大不可恢復(fù)形變，與圖2相比，損傷變量整體呈現(xiàn)平穩(wěn)增大的趨勢(shì)，表明改性水泥石在多周循環(huán)加卸載過(guò)程中的抗疲勞損傷能力有了大幅提升，水泥石的協(xié)調(diào)變形能力得到一定改善。

3.3.2 承壓能力

根據(jù)30、60和90 ℃溫度下養(yǎng)護(hù)14 d的水泥石的力學(xué)參數(shù)，利用式(3)計(jì)算改性空心微珠低密度水泥石的承壓能力，結(jié)果見(jiàn)表6。

圖5 改性水泥石的形變能力及損傷變量Fig.5 Deformability and damage variables of modified set cement

表6 改性水泥石所能承受的極限井口壓力計(jì)算結(jié)果

Table 6 Calculating the results of limit wellhead pressures born by modified set cement

井段地層溫度/℃最大井筒內(nèi)壓/MPa極限井口壓力改性后改性前上部3014512878中部60157121104下部901489843

從表6可以看出，下部井段改性空心微珠低密度水泥石的承壓能力顯著提高；上部和中部井段改性空心微珠低密度水泥石的承壓能力同比亦有一定提高。LN2-S2-24井的現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工排量2.35～2.67 m3/min，井口施工壓力67.4～73.5 MPa，改性水泥石的承壓能力滿足現(xiàn)場(chǎng)壓裂要求。

4 結(jié) 論

1) 采用三軸應(yīng)力循環(huán)加卸載試驗(yàn)與厚壁圓筒理論計(jì)算相結(jié)合的方法，考察了空心微珠低密度水泥環(huán)的密封完整性，試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥環(huán)在循環(huán)加卸載和高內(nèi)壓工況下將喪失有效封固能力。

2) 添加可分散性纖維FK進(jìn)行增韌改性后，空心微珠低密度水泥環(huán)經(jīng)過(guò)7個(gè)周期的循環(huán)加卸載仍具有良好的彈性形變能力，抗疲勞損傷能力增強(qiáng)，承壓能力同比大幅提高。

3) 可分散性纖維FK為空心微珠低密度水泥漿的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了優(yōu)化的可能性，但作為一種新型的增韌材料，需要進(jìn)一步探索其在油氣井長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)過(guò)程中的有效增韌能力，建議開(kāi)展纖維FK的增韌失效機(jī)理研究，以改善空心微珠低密度水泥環(huán)的長(zhǎng)期有效性。

References

[1] 黎澤寒，李早元，劉俊峰，等.低壓易漏深井大溫差低密度水泥漿體系[J].石油鉆采工藝，2012，34(4):43-46. LI Zehan，LI Zaoyuan，LIU Junfeng，et al.Temperature stable low density slurry for low pressure loss deep wells[J].Oil Drilling & Production Technology，2012，34(4):43-46.

[2] 范偉華，符自明，曹權(quán)，等.相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)低壓易漏失井固井技術(shù)[J].斷塊油氣田，2014，21(5):675-677. FAN Weihua，F(xiàn)U Ziming，CAO Quan，et al.Cementing technology of low pressure and easy leaking well in Xiangguosi underground gas storage[J].Fault-Block Oil & Gas Field，2014，21(5):675-677.

[3] 劉學(xué)鵬，張明昌，馮明慧，等.復(fù)合空心微珠低密度水泥漿的研究與應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2014，36(6):39-41. LIU Xuepeng，ZHANG Mingchang，F(xiàn)ENG Minghui，et al.Research and application of composite hollow microbead low density cement slurry[J].Oil Drilling & Production Technology，2014，36(6):39-41.

[4] 羅楊，陳大鈞，許桂莉，等.高強(qiáng)度超低密度水泥漿體系實(shí)驗(yàn)研究[J].石油鉆探技術(shù)，2009，37(5):66-71. LUO Yang，CHEN Dajun，XU Guili，et al.Lab experiment on high-intensity ultra-low-density cement slurry[J].Petroleum Drilling Techniques，2009，37(5):66-71.

[5] 周劍，高德偉，嚴(yán)海兵.早強(qiáng)低密度水泥漿體系提高低壓易漏井固井質(zhì)量[J].天然氣工業(yè)，2012,32(4):72-74. ZHOU Jian，GAO Dewei，YAN Haibing，et al.A early-strength and low-density slurry system used to improve cementing in low-pressure thief zones[J].Natural Gas Industry，2012，32(4):72-74.

[6] 步玉環(huán),宋文宇,何英君,等.低密度水泥漿固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法探討[J].石油鉆探技術(shù),2015,43(5):49-55. BU Yuhuan,SONG Wenyu,HE Yingjun,et al.Discussion of a method for evaluatingcementing quality with low-density cement slurries[J].Petroleum Drilling Techniques,2015,43(5):49-55.

[7] 吳健.固井水泥環(huán)密封完整性研究[D].武漢:長(zhǎng)江大學(xué)，2014. WU Jian.Research on the sheath seal and integrity[D].Wuhan:Yangtze University，2014.

[8] 張景富，呂英渤，劉碩瓊，等.水泥環(huán)力學(xué)參數(shù)與載荷間的適應(yīng)性[J].石油鉆采工藝,2016,38(5):594-600. ZHANG Jingfu,LYU Yingbo,LIU Shuoqiong,et al.Adaptability among loads and mechanical parameters of cement sheath[J].Oil Drilling & Production Technology，2016,38(5):594-600.

[9] 李進(jìn)，龔寧，李早元，等.射孔完井工況下固井水泥環(huán)破壞研究進(jìn)展[J].鉆井液與完井液，2016,33(6):10-16. LI Jin,GONG Ning,LI Zaoyuan,et al.Progress in studying cement sheath failure in perforated wells[J].Drilling Fluid & Completion Fluid,2016,33(6):10-16.

[10] 趙效鋒，管志川，廖華林，等.交變壓力下固井界面微間隙產(chǎn)生規(guī)律研究[J].石油機(jī)械，2015，43(4):22-27. ZHAO Xiaofeng，GUAN Zhichuan，LIAO Hualin，et al.Study on cementing interface micro-annulus generation rules under alternating casing pressure[J].China Petroleum Machinery，2015，43(4):22-27.

[11] 劉洋，嚴(yán)海兵，余鑫，等.井內(nèi)壓力變化對(duì)水泥環(huán)密封完整性的影響及對(duì)策[J].天然氣工業(yè)，2014，34(4):95-98. LIU Yang，YAN Haibing，YU Xin，et al.Negative impacts of borehole pressure change on cement sheath sealing integrity and countermeasures[J].Natural Gas Industry，2014，34(4):95-98.

[12] 初緯，沈吉云，楊云飛，等.連續(xù)變化內(nèi)壓下套管-水泥環(huán)-圍巖組合體微環(huán)隙計(jì)算[J].石油勘探與開(kāi)發(fā)， 2015，42(3):379-385. CHU Wei，SHEN Jiyun，YANG Yunfei，et al.Calculation of micro-annulus size in casing-cement sheath-formation system under continuous internal casing pressure change[J].Petroleum Exploration and Development，2015，42(3):379-385.

[13] 關(guān)博文.交變荷載與硫酸鹽腐蝕作用下水泥混凝土疲勞損傷機(jī)制[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2012. GUAN Bowen.Study on the fatigue damage of cement concrete subjected to sulfate corrosion and alternating stresses[D].Xi’an:Chang’an University，2012.

[14] 劉仍光，張林海，陶謙，等.循環(huán)應(yīng)力作用下水泥環(huán)密封性實(shí)驗(yàn)研究[J].鉆井液與完井液,2016,33(4):74-78. LIU Rengguang，ZHANG Linhai，TAO Qian，et al.Experimental study on airtightness of cement sheath under alternating stress[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2016，33(4):74-78.

[15] 劉達(dá)列.疲勞破壞的連續(xù)性損傷力學(xué)模型的研究[D].杭州:浙江大學(xué)，2002. LIU Dalie.The research of fatigue damage about continuum damage mechanics model[D].Hangzhou:Zhejiang University，2002.

[16] 余壽文.損傷力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社，1997:23-137. YU Shouwen.Damagemechanics[M].Beijing:Tsinghua University Press，1997:23-137.

[17] 張欽.水平井多級(jí)壓裂環(huán)空竄流機(jī)理研究[D].大慶:東北石油大學(xué)，2014. ZHANG Qin.Research on the mechanism of annular channeling during horizontal multi-stage fracturing[D].Daqing:Northeast Petroleum University，2014.

[18] 李勇，陳瑤，靳建洲，等.頁(yè)巖氣井體積壓裂條件下的水泥環(huán)界面裂縫擴(kuò)展[J].石油學(xué)報(bào)，2017，38(1):105-111. LI Yong，CHEN Yao，JIN Jianzhou，et al.Cement ring interface crack propagation under volume fracturing in shale gas well[J].Acta Petrolei Sinica，2017，38(1):105-111.

[19] NABIPOUR A，JOODI B，SARMADIVALEH M.Finite element simulation of downhole stresses in deep gas wells cements[R].SPE 132156，2010.

[20] 汪曉靜，孔祥明，曾敏，等.新型苯丙膠乳水泥漿體系的室內(nèi)研究[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(2):80-84. WANG Xiaojing，KONG Xiangming，ZENG Min，et al.Laboratory research on a new styrene acrylic latex cement slurry system[J].Petroleum Drilling Techniques，2014，42(2):80-84.

[21] KAY A M，JAY P D，PAUL J.Resin-based cement alternatives for deepwater well construction[R].SPE 155613，2012.

[22] 張文瀟.纖維素纖維混凝土耐久性、高溫抗爆裂及徐變特性[D].南京:東南大學(xué)，2015. ZHANG Wenxiao.Durability and resistance to spalling after high temperature and creep characteristics of cellulose fiber reinforced concrete[D].Nanjing:Southeast University，2015.

[編輯 滕春鳴]

Experimental Study on the Integrity of Low-Density Cement Sheath with Hollow Microsphere

LI Zaoyuan1,QI Ling1,LIU Rui2,GU Tao1,SUN Jinfei1

(1.StateKeyLaboratoryofOil&GasReservoirGeologyandExploitation(SouthwestPetroleumUniversity),Chengdu,Sichuan,610500,China;2.KuqaOil&GasDevelopmentSection,PetroChinaTarimOilfieldCompany,Korla,Xinjiang,841000,China)

In order to improve the long-term sealing capacity of low-density cement sheath with hollow microsphere,the experimental studies for cement sheath integrity under the working conditions of cyclic loading and high internal pressures have been conducted,and analyzed the damages and deformation law of set cement by using the method of cyclic axial loading and unloading in tri-axial rock mechanics system. On the basis of experiment,the isolating integrity of cement sheath under high internal pressure was evaluated by thick-wall cylinder theory. Experimental results showed that both cyclic loading and high internal pressures could lead to the losses in isolating integrity of low-density cement sheath with hollow microsphere. Therefore,the dispersible fiber FK was optimized to enhance the toughness of the low-density cement sheath with hollow microsphere. The modified cementing slurry has good performances,which can meet the requirements of cementing operation. The tensile strength,coordinated deformation capacity and loading capacity of the modified set cement were all improved,while the elasticity modulus was reduced. The results indicated that dispersible fiber FK had a good effect on toughness increment,which may provide the theoretical basis and optimization method to enhance the integrity of the low-density cement sheath.

hollow microsphere;low density cement slurry; cement sheath; integrity; cyclic loading; inner pressure; mechanical property

2016-10-25；改回日期：2017-03-12。

李早元(1976—)，男，四川簡(jiǎn)陽(yáng)人，2000年畢業(yè)于西南石油學(xué)院油田應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，2003年獲西南石油學(xué)院油田應(yīng)用化學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，2006年獲西南石油大學(xué)油氣田開(kāi)發(fā)工程專業(yè)博士學(xué)位，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事固井與完井工程方面的教學(xué)與科研工作。E-mail:swpilzy@swpu.edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于多相滲流理論的環(huán)空氣竄機(jī)理及應(yīng)用基礎(chǔ)研究”(編號(hào):5157041530)資助。

10.11911/syztjs.201703008

TE256+.1

A

1002-0890(2017)03-0042-06