摘 要

水力压裂技术是提高页岩油井产能的重要手段，压裂过程中固井水泥石力学行为对油气井安全和高效生产有重要影响。基于吉木萨尔地区固井水泥浆体系配方，设计了水泥试样养护模具及水泥胶结强度测试方案，养护了水泥石标准圆柱试样及水泥石胶结试样，开展了模拟井底条件下单/三轴压缩实验、循环加载实验以及胶结强度实验，探究了固井水泥石本体、胶结面损伤及破坏规律。研究结果表明：单轴压缩条件下，水泥石具有显著的弹脆特性，破坏时水泥本体形成宏观裂隙，水泥弹性模量均值为3.054 GPa，泊松比均值为0.127；三轴条件下水泥石强度及塑性特征得到增强；循环加载过程中，水泥石塑性变形存在双线性累积现象，塑性变形量与载荷峰值呈正相关，载荷峰值由22.7 MPa增至53.2 MPa时，循环20次后的塑性应变由0.24%增至2.46%；水泥胶结面为天然力学弱层，水泥石胶结强度小于1 MPa，远低于水泥石本体强度，是井筒密封失效的风险点位。

页岩油的高效开发对于缓解我国能源供需缺口具有重要意义，国内新疆、长庆、大庆、大港等油田均对页岩油进行了商业开发。2020年至2022年，新疆油田吉木萨尔页岩油年产量分别为32.2×10⁴ t、42.6×10⁴ t和50.9×10⁴ t，实现了产量的大踏步跨越，引领了国内陆相页岩油的开发。页岩油储层具有低孔低渗的特点，需要采用水平井+体积压裂的方式才能获得商业油流，现阶段吉木萨尔页岩油井压裂过程中井口限压在90 MPa，压裂级数在35级左右，多级压裂过程中套管内压的循环加载与卸载对井筒水泥环的密封完整性提出了严峻挑战。

相比于弹性模量和屈服强度较高的套管金属合金，水泥环的弹性、韧性和强度均较低。当套管内压增加时，水泥环承受的径向应力增加，当其超过弹性极限时，水泥材料进入塑性状态，内压卸载后由于套管和水泥环力学参数存在显著差异，导致二者在胶结面位置上的位移不同步，胶结面接触应力降低，套管内压的多次加载与卸载使水泥材料塑性不断累积，当胶结面接触拉应力超过界面抗拉强度时产生微环隙；其次，如果水泥环承受的径向应力超过抗压强度，此时水泥环在单次压裂过程中会产生压缩破坏。

微环隙和压缩破坏被认为是多级压裂过程水泥环失效的主要形式。在水泥环力学特性分析方面，一般认为影响水泥环应力状态的外部因素主要有：套管内压、地应力状态、井筒温度变化、腐蚀环境、偏心条件等；内部因素则主要为水泥环弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角度、胶结强度等。高强度、低刚度条件下水泥环具有更加广泛的弹性变形区间，循环加载条件下水泥环的塑性累积量也较小，但达到此性能需求难度较大，主要原因是增加弹性意味向水泥基浆中添加部分弹性材料如纤维、乳胶、纳米颗粒等，用以填充水化硅酸钙之间的孔隙，增加整体弹性性能，但此部分材料强度总体较低，降低了水泥整体的强度。

赵常青等在综合考虑四川盆地页岩气井的压裂施工参数和地质条件的基础上，认为水泥环的弹性模量小于7 GPa、三轴抗压强度大于40 MPa时可以保证其在压裂过程中的完整性；徐新纽等通过模拟评价给出了避免水平井段水泥环失效的压裂作业参数和最佳水泥石力学性能参数；李奇旋等对水泥石进行热交变循环实验，测量了不同热循环次数条件下声波在水泥石中传播的纵、横波波速，并基于波速与动态弹性参数之间的关系分析了动态力学参数变化规律。从已有的研究看，现有关于页岩油气井固井水泥石的评价方法主要参考常规油气井，分析重点侧重于抗压、抗拉、抗折强度等，关于多级压裂过程中水泥环塑性累积、微环隙产生过程中涉及的参数量化分析则相对较少。

本研究以吉木萨尔页岩油井使用的水泥浆体系为实验对象，在模拟井下环境养护的基础上，开展水泥石性能评价分析，明确水泥石在单/三轴和循环加载过程中的力学行为，量化固井胶结面胶结强度，研究结果可为提高新疆油田吉木萨尔页岩油井固井封固质量提供数据借鉴。

1. 试样准备与实验方案

1.1 试样准备

本研究过程中使用了吉木萨尔地区油层套管固井水泥尾浆配方。详细配比为：G级水泥（750 g）、固体降失水剂QS-14S（18.75 g）、防窜剂BH-LFM（15 g）、防窜剂FLOK-2（30 g）、弹塑剂ELP-1S（1.25 g）及淡水（350 g）。

参考油井水泥国家标准（GB/T 10238-2015），将拌和均匀的水泥浆在圆柱形模具（内部尺寸Φ25 mm×50 mm、Φ25 mm×15 mm、Φ50 mm×50 mm）中浇筑成型，Φ25 mm×50 mm模具养护样品为纯水泥试样，对应水泥石单/三轴实验；Φ25 mm×15 mm、Φ50 mm×50 mm模具养护样品为水泥胶结试样，分别对应水泥法向胶结强度及切向胶结强度实验。养护结束后，进行脱模、切割、断面磨平等工序。确保试样端面不平行度小于0.05 mm、半径误差小于0.3 mm、端面垂直于试件轴线偏差小于0.25°，进而得到满足实验要求规范的标准岩心。

1.2 实验方案

考虑到本研究需要开展5种不同类型实验，其中，单、三轴实验与循环加载实验主要利用长春晖阳公司生产的液压伺服实验测试系统（TAR-155）直接开展。设计了单轴实验3组、三轴实验6组、循环加载实验3组，主要用以明确水泥柱样品在井底条件下单次加载以及循环加载条件下的应力应变规律。单轴及三轴实验方案及试样参数见表1。

在明确了固井水泥石单轴及三轴抗压强度的基础上，进一步开展不同循环加载峰值条件下的水泥柱样品加载-卸载实验，分析水泥柱的累积塑性变形特征。设定围压为20 MPa用以防止水泥石在加载过程中提前破碎，为了量化不同交变载荷对水泥石塑性累积的影响，峰值循环载荷分别设定为峰值偏应力的70%、50%和30%，谷值载荷均设置为3 MPa。加载和卸载采用应力控制的方式，速率为0.5 kN/s，循环次数为20次。具体参数设置见表2所示。

针对胶结强度的测试，其主要分为剪切胶结强度测试和拉伸胶结强度测试，考虑到现有关于胶结强度测试分析较少，设计了相关的胶结强度测试模具，见图1。

此模具主要用于将岩心与水泥之间形成胶结面，以及套管和水泥之间形成胶结面。具体开展方案如下：将吉木萨尔页岩油井岩心制成标准岩样后沿顶部剖分成半圆柱，放置在模具内部后浇筑水泥浆，并置于养护箱内进行养护，之后可用以测试水泥环与地层之间的胶结强度；针对套管和水泥石之间的胶结强度测试，则主要是将套管材料车铣成半圆柱状，后续步骤与前述岩心与水泥的胶结强度的测试相同。

养护完成后，取出胶结成型的样品开展法向胶结强度测试和切向胶结强度测试。法向胶结强度指胶结面能够承受最大的径向拉伸载荷，其值大小对于多级压裂过程中微环隙尺寸的计算具有重要影响。具体实验流程如下：将养护好的样品置于实验台架上，保证上下压头形成的直线与样品材料的分界线平行，启动设备后监测压头传感器的位移及负载，取负载峰值计算法向胶结强度，如公式（1）所示。

式中

σ_t —法向胶结强度，MPa；

F_max—压头峰值负载，kN；

L—样品厚度，mm；

d—样品直径，mm。

切向胶结强度指胶结面能够承受的最大剪切载荷，切向胶结强度主要用于悬挂支撑套管，防止套管在轴向上产生位移。具体测试方法如下：将养护好的样品置于实验台架上，夹持岩石一侧的半圆柱，另一侧半圆柱下部悬空，启动设备后半圆形压头向下移动对胶结面产生剪应力，直到样品剪切破坏，记录压头传感器的位移及负载，取负载峰值计算切向胶结强度，如公式（2）所示。

式中

σ_s—切向胶结强度，MPa。