2.3　机理分析

水泥石是一种多孔材料，含有大量孔隙，这对其机械性能提升非常不利，探究其孔径分布，可以从机理上解释其强度提高的内在原因。分别测试水泥浆配方A0、A5和A8的水泥石孔径分布，结果见图4（图4中，无害孔、少害孔、有害孔和多害孔的分类标准和分类方法参考文献）。

由图4可知：配方A0水泥浆未加入纤维和纳米管，其形成水泥石的孔径分布范围较广，甚至存在一定数量的多害孔，孔径大于100 μm，测试结果与水泥浆的设计思路吻合度较高。配方A5水泥浆中加入了纤维，由于纤维的尺寸较大，与水泥水化产物结合后反而增加了水泥石有害孔的数量，孔径峰值处于有害孔区域。配方A8水泥浆中加入了碳纳米管，其自身的高长径比可以桥联纤维与水泥石连接的空隙，形成的空间网状结构填充在水化产物的凝胶孔和水泥基体的纳微米孔中；同时，纳米材料在一定程度上可以促进生成的水化产物进一步填充毛细孔和大孔，使孔径峰值远离有害孔区，水泥石也更为致密。因此，配方A8的水泥石不仅多害孔为0，有害孔和少害孔也大幅减少，有利于水泥石抵抗破坏，也有利于防止地层流体的侵蚀。

2.4 常规性能室内评价

按配方A0和A8配制水泥浆，分别测试其游离液含量、滤失量、流变参数和稠化时间，并进行对比，结果见表2。由表2可知，配方A8中复合材料与外加剂的配伍性较好，按其所配水泥浆的游离液、稠化时间均能满足施工需求，稳定性和滤失量均优于按配方A0配制的水泥浆，这主要是因为纳米材料和纤维材料在浆体中形成了多尺度网状结构，可有效阻止颗粒沉降，并在进行滤失量测试时快速形成致密的薄滤饼，降低滤失量。总体来说，纳米增韧水泥浆可用于固井施工。

 2.5 配套混配工艺

纳米增韧水泥浆体系中的纤维可在混灰站与水泥等固相充分混合。但碳纳米管尺寸较小，又极易缠绕难以分散，在混灰站内无法与灰料均匀混合。目前室内主要采用超声分散技术解决该问题，但没有可以实现现场连续混配的超大规模超声分散设备。因此，虽然国内外对碳纳米管水泥浆进行了很多研究，尚无现场应用实例。针对该问题，研究设计了室内超声分散制作浓缩液、现场配液车搅拌二次分散和水泥车再次搅拌配浆的三级混配法，显著提高了大剂量碳纳米管在浆体中的分散性，首次在固井中实现了碳纳米管的现场应用。

3. 现场试验

YYP-10井是鄂尔多斯盆地东南部一口页岩气勘探水平井，该井水平段采用ϕ152.4 mm钻头钻进，完钻井深3760 m，垂深2532 m，水平段长1010 m，采用ϕ114.3 mm生产套管一次上返固井工艺。因该区上部存在薄弱地层，采用低密度水泥浆封固上部、纳米增韧水泥浆封固下部的双密度水泥浆固井技术。该井共计注入密度1.35 kg/L的低密度水泥浆60m³、密度1.90 kg/L的纳米增韧水泥浆50 m³,固井施工过程安全顺利。测井结果表明，该井水平段固井质量合格率为98%，优良率达86%。

虽然国内外专家针对水泥环完整性及封隔能力开展了大量评价研究，但目前尚无可参考的、直观的井下封隔效果评价方法，本文采用间接方法进行判断。由于体积压裂是由趾端到跟端进行分段先后改造的，因此，监测压裂段裂缝的延伸方向和各个裂缝网络形成的时间，可对段间、簇间水泥环的封隔效果进行定性评价。采用微地震监测方法对该井压裂裂缝进行监测，监测器位于水平段根端附近的邻井中，距各段的距离292～1 350 m，微地震事件定位误差在0.50～2.90 m。该井水平段分9段进行压裂，各段压裂微地震监测结果如图5（a）所示，图中球形颗粒为监测的单个微地震事件（裂缝分布），不同颜色代表不同时间、不同段产生的人造裂缝，距离监测信号井越近，监测信号越强，监测到的微地震事件越多。分析监测到的各段裂缝分布可知：单段改造时套管外水泥环完整性较好，阻碍了压裂液沿着水泥环窜入已改造段，使其能够全部进入该段对应的目标地层，在段内各簇之间产生了与井眼方向垂直并均匀分布的微地震事件；各压裂段之间具有明显的分界线，互窜微地震事件为0，达到了分段改造的目的。

第9段压裂时的裂缝监测结果如图5（b）所示，该段与监测井距离最近，因此监测误差最小。由图5（b）可知，压裂裂缝能够控制在沿井眼轴向设计的94 m范围内，微地震事件为143件，该井段外沿井眼轴向的上端和下端的微地震事件为0件，表明此处水泥环在循环加载卸载8次后仍然具有良好的封隔能力，地层压裂改造效果较好。

4. 结论与建议

1）通过纤维和碳纳米管的协同增效，可以降低水泥石的弹性模量，提高其抗拉强度，进而开发出游离液量和滤失量低、稳定性强、更为致密的纳米增韧水泥浆，从而满足页岩气小井眼水平井的固井需求。

2）碳纳米管自身存在易缠绕、难分散的问题，是制约其在油气井固井工程中大规模应用的“卡脖子”难点，需要进一步研发大剂量碳纳米管在水泥浆中的高效分散技术及配套工艺，利用材料的自身优势开发高性能水泥浆体系是该技术未来发展的方向。

3）压裂时采用裂缝检测技术可以定性分析水泥环的封隔效果，但无法对封隔能力进行定量评价，建议进一步研究封隔能力定量评价方法。