摘要

为了提高页岩气小井眼水平井固井质量,保证水泥环压裂封隔效果及压裂后的完整性，研究了纳米增韧水泥浆及其配套技术。采用纤维复配碳纳米管，研制了纳米增韧水泥浆，其形成的水泥石具有低模量、高抗拉的特点。与常规水泥石相比，纳米增韧水泥石的弹性模量降低50.9%，抗压强度提高28.1%，抗拉强度最高可达5.2 MPa。同时，研究了配套的碳纳米管三级混配工艺，解决了大剂量纳米材料易缠绕、难分散的问题，首次实现了碳纳米管水泥浆的现场应用。纳米增韧水泥浆固井试验结果表明，水平段固井质量合格率达98%；采用微地震井中监测技术评价了纳米增韧水泥环封隔效果，压裂过程中设计外区域的微地震事件为0，表明纳米增韧水泥环封隔良好。研究表明，纳米增韧水泥浆可为页岩气高效低成本开发提供技术支撑。

近年来，中国页岩气勘探开发取得重大突破，页岩气探明储量已突破1×10¹²m³，页岩气产量已超过200×10⁸m³，并且呈快速增长趋势。鄂尔多斯盆地陆相页岩气资源丰富，为进一步提高钻速、降低钻井成本，在目的层开展了ϕ152.4 mm钻头钻进、ϕ114.3 mm套管完井的小井眼钻井试验。与页岩气水平井常用的ϕ215.9 mm钻头、ϕ139.7 mm套管完钻组合相比，水泥环厚度减小50%，水泥石的受力状态、破坏方式也可能发生较大的变化。同时，随着压裂技术快速发展，长水平段+细切割压裂+高强度改造已成为页岩气开发的主要技术，段间距、簇间距大幅减小（最小4 m），对套管外水泥环抗破坏能力、建立簇间有效封隔能力都提出了更高的要求。此外，现有页岩气水平井开发实践表明，压裂后套管外水泥环密封失效引起的生产及安全隐患问题也应引起重视。因此，封固页岩气小井眼水平井的水泥浆需进行针对性设计。

苏东华等人的研究表明，压裂时水泥环易发生拉伸破坏并引发力学完整性失效，水泥环厚度越小，对抗拉强度的需求越高；王涛等人研究认为，降低水泥石弹性模量可避免其发生塑性变形，水泥环厚度越小，要求其弹性模量越低；张成金等人研究发现，水泥浆中加入纤维后，可以通过裂纹桥连、偏转或纤维拔出等作用来阻止裂纹延伸，提高水泥石的变形能力，降低其弹性模量，增强其韧性，其弹性模量最大降幅可达51.3%以上；刘慧婷等人研究了碳纳米管对水泥浆性能的影响，论证了碳纳米管应用于固井水泥的可行性。本文以纤维水泥浆为基础，复配更小尺寸的碳纳米管，研发了一种低弹性模量、高抗拉强度的纳米增韧水泥浆，通过多尺度（主要是纳米、微米级）孔洞的桥接、充填，提高了水泥环的压裂封隔效果和完整性。同时，为解决碳纳米管存在的分散性差、易团聚的问题，研发了三级混配技术，国内外首次实现了碳纳米管水泥浆的现场应用。

1. 纳米增韧水泥浆试验方法

1.1 技术思路

固井水泥石受到外载时变形能力差、脆性较强，添加碳纤维、水镁石纤维和聚丙烯纤维等纤维材料可以提升水泥石的应变、止裂能力，但纤维尺寸较大，对水泥石中纳微米级孔洞的桥接作用较弱。同时，纤维加量大时，泵送水泥浆易堵塞管线，造成憋泵。因此，考虑采取降低纤维加量、复配纳米级碳纳米管的方法，一方面增强纳微米级孔洞的桥接承载及充填效果，另一方面对纤维覆盖的孔洞起到强化作用，在降低弹性模量的同时，提高水泥石的宏观抗拉特性，相关作用示意图见图1（图1中，CNTs为碳纳米管）。

1.2 试验材料及方法

试验所用油井水泥为G级水泥；纤维选用长度5 mm的聚丙烯纤维；碳纳米管为直径40～60 nm、长度8～15 μm的多壁碳纳米管；选用聚合物类降滤失剂、油井水泥分散剂。参考上述材料的研究进展，确定纤维加量范围为0～1.00%、碳纳米管加量范围为0～0.06%。不同配方水泥浆关键材料的加量见表1。

配制水泥浆前，采用超声波分散仪对碳纳米管进行分散处理，将碳纳米管水溶液经320 W功率超声处理30 min。水泥浆（石）制备及水泥浆常规性能测试参考《油井水泥试验方法》（GB/T 19139-2012），水泥石弹性模量、抗拉强度测试采用《页岩气：固井工程：第2部分：水泥浆技术要求与评价方法》（NB/T 14004.2-2016）中所述方法，水泥石孔径测试采用压汞法，上述测试水泥石的养护条件为80℃×20.7 MPa×28 d。

2. 纳米增韧水泥浆性能优化

2.1 弹性模量测试

测试不同水泥石样品的弹性模量，其应力–应变曲线如图2所示（图2中，方框为弹性模量计算取值区域，虚线为曲线斜率）。

由图2可知：配方A0水泥浆未加入纤维和纳米管，其形成水泥石的弹性模量最大，为12.9 GPa，从弹性阶段发展到屈服阶段的时间最短，破裂后应力下降也较快，呈现脆性较大的特点。配方A5水泥浆中的纤维加量最大、无碳纳米管，其形成水泥石的弹性模量最小，且达到屈服强度后仍然有一定的变形能力。配方A1-A4水泥浆形成水泥石的弹性模量分别为7.2，8.8，9.6和11.6 GPa，表明当纤维加量为0.50%时，混入碳纳米管后水泥石的弹性模量增大、弹性降低，但基体的极限承载能力也随之增大，屈服强度增大；配方A5-A8水泥浆中纤维加量为1.00%，其形成水泥石的弹性模量分别为4.7，6.1，6.2和6.5 GPa，与低纤维加量水泥石相比弹性模量显著降低，这与郭小阳等人的研究结论一致，纤维可在基体内起到“搭桥”作用，以“拉筋”的方式提高应变，在受力过程中起到传递和消散应力的作用，延缓了裂纹的延伸速度，受外载时应力应变曲线变缓，弹性模量降低。在水泥浆中纤维加量高时混入碳纳米管，形成水泥石弹性模量的增幅较小，其显著优势是大幅提升了水泥石的差应力（被破坏时的极限承载力）。纤维加量越大，与碳纳米管的协同作用越好，水泥石差应力的提升效果越明显。参考NB/T 14004.2—2016中页岩气压裂水平井水泥石弹性模量应小于8GPa的要求，配方A1、A5、A6、A7和A8能够满足要求。

2.2 配方优选

测试配方A1，A5，A6，A7和A8水泥浆形成水泥石的抗压强度、抗拉强度，并与常规水泥石（配方A0）进行对比，结果如图3所示。

由图3可知：纤维加量为0.50%、无碳纳米管时（配方A1），水泥石的抗压强度较高，但其抗拉强度较低，不利于增韧止裂；纤维加量提高至1.00%、无碳纳米管（配方A5）和碳纳米管低加量（配方A6和A7）时，水泥石的抗拉强度较低，存在一定的拉伸破坏风险；0.06%碳纳米管与1.00%纤维复配（配方A8）后，其抗拉强度较高。分析认为，这主要是因为纤维与碳纳米管在更细微尺度方面的联合作用，裂纹桥连的尺度从微米级细化至纳米级，实现了2种材料的优势互补，提高了水泥石的韧性，这是碳纳米管与纤维复配的巨大优势。因此，选择配方A8的水泥浆作为该区域小井眼水平井固井水泥浆，与常规水泥石相比，该水泥浆水泥石的抗压强度提高28.1%，抗拉强度达到了5.2 MPa。