页岩储层水平井固井水泥浆体系应用研究进展_徐小峰.pdf

中国的页岩储层具有埋藏深、地温梯度高、封固段顶底温差大等特点，能够在深层水平井高温及大温差条件下固井，并在后期大规模体积压裂期间保持井筒完整性的固井水泥浆体系的选择成为近年来的焦点。为明确页岩储层深层水平井固井水泥浆技术的发展方向，基于页岩储层水平井固井对前期水泥浆流变性能要求与后期水泥环力学性能要求，分别从外加剂适用条件、外加剂反应机理以及微观结构的形成 个方面探讨了页岩储层水平井的固井水泥浆技术难点及研究现状，汇总了国内外各大油气田页岩储层水平井固井硅酸盐水泥浆体系的应用实效，提出了相应的技术措施及未来固井水泥浆体系的研究重点。关键词 井筒完整性；水泥浆体系；高温固井；页岩储层；大规模压裂；水平井中图法分类号；文献标志码 收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金（）第一作者：徐小峰（），男，汉族，浙江龙游人，博士，高级工程师。研究方向：钻井工程。：。通信作者：韩旭（），女，汉族，黑龙江安达人，博士，助理研究员。研究方向：钻井工程。：。，（.，；.，），；油页岩是一种非常规储层，其内部有机质在深部地层经过长期的高温高压会形成石油和天然气。中国油页岩资源丰富，储量居世界第二位。美国能源信息署（，）和美国先进资源国际公司提供的数据表明，到 年底，中国页岩油的可采资源量已达.亿，占全球总量的 左右，排名全球第三；页岩气探明地质储量目前已经达到.亿，按可采储量计算可位居世界第一。但页岩储层具有致密、渗透性差的特点，且页岩含泥质较多，成分复杂，节理发育，通常采用大规模分段压裂增产技术来提高页岩油与页岩气采出投稿网址：量。为满足前期复杂地层温度及岩性条件下的固井需求与页岩储层后期压裂需求，页岩水平井井筒完整性面临巨大挑战。现探讨页岩储层水平井的固井水泥浆技术难点及研究现状，汇总国内外各大油气田页岩储层水平井固井硅酸盐水泥浆体系的优选依据、优化技术措施以及现场应用效果。结合水泥浆外加剂微观分子结构及宏观力学性能的特点，提出未来固井水泥浆体系的研究重点。页岩储层水平井固井难点分析.抗高温及大温差固井质量差中国的页岩气储层埋藏位置相对较深，具有储层温度高、封固段顶底温差大的特点。如大港油田渤海湾盆地沧东凹陷页岩油储层、涪陵页岩气示范区目的层龙马溪组地层、塔里木油田、川西地区磨溪高石梯工区开发井等地层深度均超过 ，地层温度达到 ；塔河油田奥陶系地层垂深超过 ，井底温度 ；吉林油田昌 井井深 ，井底温度约 。在固井工程中，若封固段顶部与底部温度差大于 ，即可认为是大温差，但以上区块水泥浆顶底温差为 ，远大于。封固段上下温差与井筒深度成正比关系，温差过大后会导致发生超缓凝现象，造成顶部水泥石强度发展缓慢，无法达到设计要求，不但严重影响固井质量，延长钻井周期，而且给后期钻完井等作业带来风险。水泥浆抗高温、稠化、后期强度等性能能否克服高温及大温差条件是页岩储层固井成败的关键。缓凝剂及降失水剂是水泥浆中最重要的外加剂。对于高温缓凝剂，其作用原理主要是通过螯合水泥浆体系中的 离子来延迟氢氧化钙（）的析晶，从而达到缓凝的效果，如葡萄糖类、酒石酸类等，。这是由于高温条件下缓凝剂热降解断链造成其质量损失，同时大温差也造成了顶部与底部水泥浆螯合作用不同，导致缓凝效果的降低甚至消失。目前国内使用的缓凝剂适用温度为 。对于降失水剂，目前国内主要开发了 丙烯酰胺 甲基丙磺酸（，）类、羧酸类及合成有机物类。其中的 类降失水剂在高温碱性条件下易与磺酸基相连的酞胺键发生水解，导致其促初凝缓终凝作用明显，这不仅会影响到降失水剂的控失水能力，同时也会使得水泥石的抗压强度降低；选用含羧酸类单体降失水剂能够增加水泥颗粒的吸附性，使滤饼具有高韧性、耐冲刷的性能，但羧酸与水泥颗粒间存在的螯合作用会阻碍水化反应；合成类降失水剂的机理主要为有机物之间的共聚，这在一定程度上造成了外加剂配伍性差的情况。因此，目前由高温及大温差引起的水泥浆超缓凝等问题尚未解决，主要是因为所使用的缓凝剂与降失水剂本身的作用问题。.井壁稳定性差页岩油地层含泥质多、层理发育、胶结性差、砂泥岩互层，地层易坍塌破碎，施工过程中易发生井壁脱落、掉块、坍塌和井漏，固井质量得不到保证。例如，冀东油田页岩油 气水平井封固段长，地层承受压力的能力较低，易发生漏失或窜流；顺北区块在压裂过程中易发生天然气窜槽的事故，井眼周围水泥环出现小面积碎裂、不规则裂缝，固井层间封隔流体失效；或在偏心水平井气侵影响下造成环空窜槽等严重后果。页岩储层脆性矿物含量相对较高，使得水泥环与地层胶结质量变差。例如川南龙马溪组深层页岩中脆性矿物含量高，在大斜度段受层理弱面影响易发生井壁失稳；威远区块泥页岩井壁易垮塌，长水平段岩屑床清理难度较大，地层剥落的岩屑在候凝过程中侵入水泥浆，降低固井质量。为了后期能够营造良好的大规模体积压裂地层环境，在水泥浆候凝期间需要严格控制地层的压力稳定，降低水泥浆密度，提高顶替效率，达成良好的胶结效果。.后期施工压力高水泥环局部区域由于页岩储层后期射孔压裂作业对套管及水泥环产生巨大的冲击压力会产生应力集中现象，发生本体破坏；在压裂过程反复的加压以及卸压亦会导致套管水泥环界面或水泥环地层界面产生微环隙。例如，延长油田 平 井面临多级缝网压裂的高压反复冲击的问题。重庆涪陵国家级页岩气示范区丁山区块页岩气井由于破裂压力高，压裂施工过程中水泥环安全密封难度大，使用常规水泥浆体系及常规弹韧性水泥浆体系，很难达到此要求。为了能够形成高韧性、高弹性水泥浆，目前研究的方向主要是在水泥浆中加入纤维、胶乳等，该方法虽然增强了水泥石弹韧性，但同时也降低了水泥石的强度，且目前对高强度、微弹性水泥石能否满足中浅层水平井的分段压裂需求的研究尚未完善。因此，与常规固井相比，页岩地层固井除了对水泥浆性能要求高外，还需要水泥石具备一定的弹性或高强度以抵抗多级缝网大规模体积压裂形成科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：的高压反复冲击。固井水泥浆体系的设计需以提高水泥石抗形变能力、界面胶结强度、承压能力、抗交变载荷能力为重点。不同水泥浆体系在页岩储层水平井固井中的应用.抗高温及大温差水泥浆体系在页岩储层水平井固井中的应用在深层水平井固井过程中，水泥浆配方设计有多种因素需要考虑，其中首要因素是温度。温度会在一定程度上影响水泥水化速率和水化过程，从而影响水泥浆流变性能。随着温度的增高，水泥浆流变性所受影响变大，性能降低，会产生游离水大量增加、水泥浆迅速稠化、水泥石强度衰减等问题。分子结构是影响油井水泥缓凝剂的水化抑制能力和温度稳定性的主要因素。为了保证水泥浆在高温环境下能长时间保持良好的流动性，并在长水平段中充分顶替出井内的钻井液，目前外加剂的研制主要以分子结构设计结合降失水机理及缓凝机理为理论基础。缓凝剂一般可分为两大类，即有机类与无机类，其中无机类化合物成本高，溶解性差，作用不稳定，故不常用。常见的抗高温有机凝剂主要包括糖类、羟基羧酸类和聚合物类等。糖类缓凝剂研究较广，糖类及衍生物通过吸附、络合等作用延缓硅酸三钙（）水化和水化硅酸钙（），形成，同时促进铝酸钙（）水化和钙矾石（）生成，不同的掺量会有不同的调凝效果，掺量过多将降低后期水泥石强度。羟基羧酸类缓凝剂中的羟基与羧酸会延缓水泥的溶解、过饱和溶液的形成以及水化产物的生成，阻滞水化产物的结晶成核过程进而推迟水化进程。余鑫等研究了缓凝剂分子结构中羟基和羧基对水泥水化的影响，结果如图 所示，两种均有延长水泥凝结时间的效果，数目越多，缓凝效果越明显；但与羟基相比，羧基与 的络合作用及水泥颗粒表面的吸附能力更强。彭志刚等采用溶液聚合原位插层法合成了一种有机无机复合型抗高温缓凝剂（），其主要通过吸附及络合抑制作用延缓 晶核、晶体的正常生长，延长水泥水化时间。在 缓凝性能和抗盐性能良好。张浩等采用小分子羧酸盐复配得到一种缓凝剂，其在 时，稠化时间与缓凝剂加量具有良好的线性关系，且可有效抑制稠化曲线出现“包心”“鼓包”“台阶”图 水化产物的 谱.等异常现象，并在南海东部某井中进行了现场应用，得到了良好的应用效果。在缓凝剂中加入酰胺基团具有较好的水解稳定性、抗酸碱及热稳定性，对水泥浆体系在高温及大温差条件下的“超缓凝”问题起到抑制作用，该方法在四川盆地高石梯磨溪工区的大斜度井、水平井应用后，提高了左右的固井优良率，平均合格率提高超过。夏修建等通过自由基水溶液聚合方法，分别研制了聚合物类高温缓凝剂 及。其中 耐温可达 ，抗盐可达饱和状态；可控制水泥浆稠化时间，水泥石力学性能良好，解决了长封固段大温差固井水泥浆顶部超缓凝难题。该缓凝剂应用于塔里木油田 井等，封固段固井质量优良；同时，结合分子结构优化设计、耐温抗盐基团有效介入，制备了适用于宽温带（）的超高温固井水泥浆缓凝剂，水泥浆稠化时间与该缓凝剂的加量、温度呈良好的线性关系，且与常用降失水剂配伍性良好。刘会斌等设计了一套抗高温及大温差的固井水泥浆体系。所选的高温大温差缓凝剂 热稳定性可大于 ，可适用于较宽的温度范围，能够在不影响降失水剂效果的同时提升水泥浆体系的缓凝及高温性能；加入了 目硅粉形成致密的水泥石内部结构，有效防止强度衰退。选择耐温降失水剂，其单体为具有较强水化能力、耐温能力的磺酸盐基团和链刚性基团，除此之外微交联聚合物可通过具有羧基、酞胺基等吸附基团的单体聚合工艺合成，其在高温下分子链断裂速度缓慢，具有优异的降失水性，适用于 宽温带，且对水泥石强度发展无副作用；该体系在青海共和盆地干热岩勘察井成功应用。上述研究均为后续高温环境下水泥浆体系的研究提，（）徐小峰，等：页岩储层水平井固井水泥浆体系应用研究进展投稿网址：供了基础，但突破 以上的高温仍是存在的难点，基于该问题，于永金等采用 为聚合主剂，利用其结构中的磺酸基团提高了降失水剂的耐温抗盐性，基于共聚物降失水剂的高温吸附机制，引入了双羧基单体为聚合物提供强吸附性，最后加入无机盐改性处理聚合物以改变分子链构象。所形成的降失水剂可令固井水泥浆抗 高温，并在华北油田河探 井固井中成功应用。目前在抗高温及大温差水泥浆体系的应用中，学者们主要侧重于高温缓凝剂及降失水剂的研发，通过相应的分子设计聚合物类缓凝剂可发挥功能基团的优势，作用原理通常为：选择高温稳定性好、含亲水基团多与吸附基团、分子质量适当、配伍性较强的聚合单体，在调节稠化时间的同时，保证了水泥石强度正常发展；利用电荷自动匹配的性能将负电荷基团及阳离子单体进行匹配，提高缓凝剂在水泥颗粒表面的吸附能力；再将能通过空间位阻作用的长链单体引入，以阻碍（）聚集结晶，从而可以提高缓凝剂缓凝能力。以具有较强水化能力、耐温能力的磺酸盐基团和链刚性基团作为降失水剂共聚物为辅助，能够在保证其配伍性的同时更大发挥水泥浆体系的降失水及缓凝作用。上述缓凝剂的制备均为提高高温环境下固井质量提供了参考，其所涉及的缓凝机理主要为利用糖类及羟基羧酸类的吸附、络合以及成核等机理来延缓水泥水化的过程。而由于水化过程中基质成分复杂，地层条件差异大，各类缓凝剂均存在较强的加量及反应敏感性，其现场应用受限主要在于两点：一是不同井下情况下缓凝剂的加量存在一定的阈值，加量过低将导致促凝，过高会引起超缓凝，从而令其发挥作用受到限制，而目前存在的加量优化均基于大量的室内实验，无法从机理上完整地解释缓凝过程，并基于此进行合理的加量优化；二是在合理的加量范围内，各类作用机理均为独立研究过程，而通常在水化过程中为多种理论共同控制的结果，且在不同的水化阶段，各类作用机理所发挥的优势存在主次之分，而目前对于各水化阶段的缓凝过程划分不明确。综上所述，缓凝剂的发展方向可归结为，基于不同缓凝机理在水化过程中发挥的作用，形成能够在不同温度变化范围内自适应性的缓凝剂，在具有固井普遍适用性的同时突出对恶劣环境固井的针对性。.防窜水泥浆体系在页岩储层水平井固井中的应用油气井发生流体窜槽的根源在于水泥浆凝固过程中的体积收缩和胶凝失重，高失水后液柱压力下降造成水侵是主导因素。在提高水泥浆体系防窜性能的过程中，胶乳水泥浆体系的研究愈加深入并广泛应用。这种水泥浆体系凭借着黏度适中、具有触变性及较强的防窜能力等特点，在实际固井工程中得到了广泛的应用；水泥石渗透性在胶乳颗粒的柔性填充下降低，且胶乳颗粒的填充也使得水泥浆具备优良的防腐蚀能力；水泥石的脆性跟弹韧性在固化胶乳颗粒的弹性及胶乳颗粒聚集影响下发生变化，因而可以更长时间地被保存且整体结构不受破坏。刘强针对水泥浆体系流变性、防气窜性和水泥石性能受胶乳加量的影响进行了研究，结果表明胶乳水泥浆体系在高温（）下具有失水量低、稳定性好、黏度适中等特点。胶乳加量越多，水泥浆的胶凝结构强度就越大。由于具备了更高强度的胶凝结构，所以水泥浆不易损坏，流体难以窜入水泥浆，连续窜流得到控制。当胶乳加量超过.时水泥浆体系变稠；水化反应完成后，水泥石的微观孔隙被微小颗粒物质填充或因颗粒聚集形成膜变得致密，成膜后的胶乳颗粒以网状形式分布于水泥石微观固相之间，由于胶乳具有一定的柔性且颗粒网状结构具有更好的承载能力，因而水泥石的脆性降低，且具有更强的弹韧性。宋有胜等以（耐温降失水剂）、（高温大温差缓凝剂）、（自愈合剂）等作为外加剂，研制出了自愈合防窜高密度泥浆体系。该体系适用性强、耐温性高，可用于气层活跃、安全密度窗口窄及高温大温差型高压气井的固井过程中。抗高价阳离子污染能力强，可有效控制水泥浆失水和防止污染，实现水泥浆与高密度钻井液更好的相容。可用于加快长封固段顶部水泥强度的发展。自愈合剂 可以预防环空带压或固井后气窜的问题，该缓凝剂可用于愈合油气窜流通道、提高水泥韧性等，避免或降低了水泥环后期发生气窜的风险。纤维材料主要作用为能够在水泥浆体系中形成的网状结构，胶乳材料则是降低水泥石的弹性模量，二者均可提高水泥石的弹性及抗拉强度。由于橡胶粉与水泥浆的相容性较差，所以要严格控制改性后的橡胶粉掺量，掺量过大会影响两者的相互融合。胶乳对水泥石弹性的改善作用效果高于纤维，低于橡胶，更适用于页岩固井。由此可知，目前主要利用纤维、胶乳和弹性颗粒来改善水泥石弹性能力，结合相应的缓凝剂和降失水剂，能够提高水泥石在井下的防窜能力。而在防窜功能的基础上，胶科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：乳等材料的抗高温性能及抵抗大规模压裂时的循环能力较少提及，这是由于在胶乳制备过程中，通过乳化作用，胶乳颗粒会均匀分散在稳定悬浮液时，此时其处于热力学亚稳定状态，一方面，当遇到高温热应力或机械应力时，其结构将发生破坏，即破乳现象；另一方面，水泥浆水化作用形成的不同价位的阳离子以及添加剂中的极性基团会破坏胶乳乳液在水泥浆中的化学稳定性。目前存在的措施主要为加砂提高水泥浆沉降稳定性或加入高温分散剂，然而以上方法均未为从水泥浆水化角度解决胶乳的高温及机械稳定性。同时，发生气窜的通道除了水泥石本体外，固井界面也是不可忽视的位置，如何通过调节防窜材料来提高固井界面的胶结强度同样是防窜水泥浆体系设计的重点。.高强度防衰退体系在页岩储层水平井固井中的应用由于 和 水化生成的 在温度超过 时易发生晶型转变，形成强度较低的（）和（），水泥石内部结构遭到破坏，致使水泥石强度衰退，且衰退程度随着温度的升高而增大。水泥石中的各种硅酸钙矿物的形成条件如表 所示。掺入二氧化硅降低水泥石中的钙硅比，使水泥水化产物转变为性能相对较好的雪硅钙石（.）和硬硅钙石（），水泥石在高温下的强度衰退现象可得到缓解。硅砂加量为水泥质量的 为最优；但最新研究表明，在较高温度环境（），水泥体系在添加硅砂的硅酸盐后仍会出现明显的微观结构粗化和强度衰退现象。多项最新研究推荐在 以上超高温环境下提高硅砂加量（或更高）。这是由于目前针对硅粉掺量的研究主要采用实验手段，由于不同实验之间的水泥组分、水泥外掺剂、温度及压力条件，得出的最优硅粉掺量也会有所差异。李宁等在 温度下进行了硅酸盐水泥加砂量与颗粒级配优化实验，结果显示，优化加砂硅酸盐水泥干混材料的颗粒级配有利于提高其 抗压强度，但微硅的加入会在一定程度上抑制抗高温性能较好的雪硅钙石矿物的形成，因此微硅加量不宜过高；在长期养护过程中（）仍然会发生比较明显的强度衰退。等实验研究表明大粒径硅质材料的反应会受到小粒径硅质材料的抑制，从而可以形成更多细小的凝胶孔，从而让基体材料更加均匀；同样地，晶体型水化物的产生也会受到水泥浆高固相体积分数的抑制，从而减缓晶粒粗化和力学性能衰退。因此为了有效减缓强度衰退可通过紧密堆积理论来优化多级颗粒堆积效果，提升水泥浆的固相体积分数的方法。根据姚晓等的研究，温度在 时，的石英砂掺量可形成抗高温性能优异的加砂油井水泥石；当温度高于 后，随着温度升高，增加掺量至 并配合紧密堆积理论设计颗粒粒径组合可有效抑制水泥石强度的衰退。秦宏宇等的研究结果（表），为有效延缓水泥石的强度衰减，温度在 以上时，石英砂加量最优为。石英砂越细，对抑制水泥石中早期强度发展的衰减趋势越有效，但当石英砂目数在 目（）以上时，其细度对水泥石抗压强度影响较小。目前紧密堆积理论的一些经典模型已经形成，如 模型、方程、模型、线性堆积模型和 模型等。郑冠一等在现有颗粒级配模型的基础上，基于分型理论建立了油井水泥外掺料颗粒连续分布的堆积模型，结果显示加砂的粒径与配比同时影响着水泥石的耐温性及水泥浆的流动性。相同加砂量下，加入细砂（.）有利于早期强度发展，若需要长期强度增长，可使用粗砂（）。只加细砂强度表现最优，但只加细砂严重影响流变性，所以根据实际情况，两者搭配使用才能令水泥浆表现出较好的工程性能以及保证高温下水泥石的强度。但目前针对颗粒级配优化的研究均基于室内实验的经验，其受到外界条件的限制较大。利用数学模型来实现颗粒级配优化的研究，同时确定最优加砂量及表 不同钙硅比和温度下形成的硅酸钙水合物 温度 .（）和（）（）和（）（）和（）（）和（）柱硅钙石 托贝莫来石柱硅钙石 托贝莫来石水化硅酸三钙柱硅钙石硬硅钙石 托贝莫来石白钙沸石水化硅酸三钙水硅钙石硬硅钙石白钙沸石，（）徐小峰，等：页岩储层水平井固井水泥浆体系应用研究进展投稿网址：表 加砂水泥石在不同温度下的抗压强度（养护 ，石英砂加量）（，）养护温度 抗压强度 目 目 目 目 目 目.颗粒级配的匹配方案，是加砂硅酸盐水泥性能优化研究的一个重要发展方向，但目前鲜有相关研究。周崇峰等基于高温令加砂水泥石发生晶粒粗化的机理，开发了一种新型抗高温强度衰退材料，其由晶体层间距为纳米尺寸的高岭土、硅灰石、海泡石以及纳米管复合材料合成，可使雪硅钙石、硬硅钙石全部转化为具有高温稳定性的铝硅钙石，同时搭配纳米管的晶核效应和桥联效应，避免了水泥石向疏松的微观结构转化。综上所述，防止水泥石强度在高温条件下衰退的主要手段是通过加硅砂或复合材料的方式促进水化过程中雪硅钙石和硬硅钙石的形成，结合紧密堆积原理形成致密微观结构。实际最优硅砂加量与硅砂的颗粒大小、粒径级配以及水泥石养护温度等因素相关。以上手段均通过优化水泥石的微观结构来提升水泥石的高温强度衰退能力，仅适用于长期地层高温条件，而忽略了水化完全后大规模压裂带来的循环应力劣化效应。此时水泥石的微观结构不再变化，所产生的微裂缝及宏观裂纹导致的强度衰退主要源于循环应力作用，从力学性能劣化机理角度进行水化后微观结构的变化响应至细观损伤，在此基础上采用数学理论对加砂粒径进行级配优化，能够在避免实验误差的同时得出温度及机械应力作用下保持水泥石抗衰退性能的最优解。.弹性、韧性水泥浆体系在页岩储层水平井固井中的应用固井水泥石具有一定的弹性及韧性，可以降低射孔和多级缝网压裂对水泥环局部区域造成的破坏程度，改善压裂效果和生产安全。.弹性水泥浆体系王涛等推导了压裂过程中水泥环一、二界面的接触压力解析模型。由模拟结果可知，当水泥石抗压强度足够大时，即使水泥环弹性模量略大也能够满足压裂过程中井筒完整性的需求，故研制了高强微弹水泥浆体系。由粒径为 的丁苯胶粉与甲酰胺及无机盐复配可得到高强微弹剂，压力传递的缓冲可通过将丁苯胶粉填充于水泥石骨架支撑结构的孔隙及孔洞中，从而可减缓塑性破坏，合理的颗粒级配可提高浆体密实度，从而增大水泥石强度。与甲酰胺及无机盐复配可改善丁苯胶粉自身的憎水性，令其在浆体内的均匀分布并保持较好的回弹性能和热稳定性。应用结果显示，采用高强微弹水泥环封固的方法，延长油田南部致密油水平井中固井质量优良率达，进行 级分段压裂后无窜流情况。胶乳体系可通过胶乳形成的聚合物膜覆盖在水泥水化产物表面，并与水化产物相互穿插黏结形成一个整体，提高其微观结构致密性，所形成的柔性聚合物膜还可在水泥石缺陷处进行填充，抵抗大规模压裂时造成的水泥石内部应力集中，从而提高水泥石的弹韧性和长期封固能力，基于此原理，宋建建等以胶乳粉水泥浆体系为基础，通过室内实验依次对各类外加剂进行了构建，以涪陵页岩气区块焦页 井为例进行了应用，结果显示胶乳粉发挥了良好的堵漏效果。幸雪松等针对常规低密度水泥浆在射孔后产生密封失效的现象，以环氧树脂和酸酐类固化剂为原料制得了弹性剂（），主要采用液体纤维提高水泥石的强度和韧性，纳米液体减轻剂改善水泥浆沉降稳定性。其弹性模量降低了.，而抗压强度提高了，起到了能够抵抗单次加压保持水泥环完整性、循环压裂过程保持界面完整性的效果；另一方面，为了支撑水泥石粒间孔隙，利用了粒径为水泥石 的改性弹性材料，保证在一定弹性形变下水泥石不发生破坏。该耐高温弹性水泥浆体系在涪陵页岩气示范区丁页 应用，固井质量达到优质等级。整个井身分段压裂段数为 段，地面最高压裂施工压力 ，施工过程及后期生产阶段均未出现环空带压现象。彭金龙等研制了抗高温低密度弹塑性水泥浆体系。对粉煤灰进行活性处理，粉煤灰其颗粒玻璃体表面致密的保护层在经过处理后会受到破坏，其内部高活性的 和 溶出，同时选用强碱类化学剂破坏 键与 键，从而粉煤灰参与水泥水化的程度得到改善，水泥石的早期强度得到提高。实验结果显示粉煤灰活动性处理后配合强碱激活剂实验，令水泥石 强度较常规粉煤灰水泥石提高.。优选抗高温弹韧性材料，该颗粒外层为无机活性纳米材料，内核为抗高温有机弹性材料。使得弹性材料在水泥浆中更好地均匀分散，同时也提高了浆体稳定性，加量 既可同时保证水泥石的弹性模量（）及抗压强度（）。该体系能够使其体系适用在 以上、交变应力作用下科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：密封完整性良好，在塔河油田 井中进行了应用，并取得了良好的固井效果。.韧性水泥浆体系李小林等针对大港油田对页岩储层固井“低失水量、低弹性模量、低密度差、低游离液、高强度”的技术要求，将 作为增韧材料，形成了一种高强度韧性防窜水泥浆体系，并在 井、井、井、井等多口页岩油水平井顺利应用，较同区块 井固井质量有大幅度提升（一界面优质率提高.，二界面优质率提高.）。图 为加入 后的水泥石微观电镜图，可以看出，这种材料具有在高温下与水泥水化产物反应的特殊性质，反应会生成特定晶相，这种晶相在高温下有胶结能力，该反应可减少甚至消除无胶结相，很大程度上提高了水泥石的高温稳定性，生成纤维类物质，具有阻裂、增韧作用；而其本身具有低弹性模量，同时材料粒径与水泥浆体系中的材料粒径形成颗粒级配，在降低水泥石弹性模量的同时也可提高水泥石抗压强度。张华等将 掺入膨胀增韧材料 形成复合改性水泥石，应用于安岳气田磨溪 井，固井质量合格率可达.，优质率可达.。图 加入后水泥 观测 何吉标等从增大弹韧性材料基材的接触面积、增强改良效果、屏蔽裂缝发展和相容性方面进行研究，最终以改性橡胶粉为主料，辅助以增塑惰性材料、增韧纤维混配研制出絮状弹韧性材料。与同类产品相比，对水泥石弹性模量的降低作用更为出色，降低率约.，且以 为主处理剂的水泥浆体系在 次循环加载实验后，体系仍表现出良好的抗疲劳损伤能力，可满足分段压裂后井筒的密封完整性。这种水泥浆体系已应用于涪陵页岩气田 口井，固井优质率达到.。马骏等自主研制了增韧剂，该增韧剂由微粒增强材料、高分子弹性材料和活性材料组成，主要通过填充水泥石本体孔隙、增加水泥基体空间网络结构力等原理提高水泥石的韧性。复配后的水泥浆体系在吐哈油田鲁平地区多口井进行了现场应用试验，实现了较好的增韧、防气窜、保护油气层的作用。宋伟宾等针对深井长水平井段漏失层系多的问题，通过引入高分子柔性聚合物材料（），形成柔性聚合物薄膜来改善窜层现象，并且通过分散应力来改善水泥石的韧性，已于四川盆地合川 井成功应用。常用弹韧性外掺料粒径较大，加入水泥石后容易形成疏松结构，尽管降低了水泥石的弹性模量，但是也降低了水泥石的强度。针对这一问题，刘慧婷等对比了常规水泥石和经过紧密堆积设计的高强度水泥石的微观结构，结果如图 所示，经过紧密堆积理论设计的水泥石形成了致密结构，平均孔隙度及孔径均小于常规水泥石，且添加的外掺料与胶凝材料胶结良好，能够有效提高水泥石强度。在紧密堆积理论的基础上对活性矿物掺料进行设计得出韧性水泥浆体系，从而实现水泥石“低弹性模量高强度”的韧性改造，是目前韧性水泥浆体系开发的方向。其中的惰性颗粒可在水泥石受到外部冲击力时吸收应变能，降低应力传递，有效避免了裂缝在水泥石内部的形成及扩展；乳胶粉与水混合可恢复到原始乳液状态，黏结强度极强，水溶性与再分散性；在水化反应在凝胶体表面和未水化的水泥颗粒上形成紧密堆积层，通过改善水泥石的物理组织结构、缓解内应力的方式使水泥石达到“低弹性模量高强度”的特性。但罗长斌等的实验结果显示，此种体系的增韧材料在超过 的高温下易发生结构改变，导致水泥石抗压强度有下降的趋势。尹虎等聚焦于水泥石的力学性能，通过计算压裂水泥环应力分布，从几何受力角度提出了保持井筒完整性的水泥石需具备的屈服强度、抗拉强度、弹性模量及泊松比，以此为指标来优化弹塑性水泥浆体系。由此可知，深层页岩油气井在高温压裂施工载荷下维持水泥环的完整性，主要通过改善水泥石微观结构及其力学性能两方面入手，大多数研究将其割裂开来，进行单一方面优化，但水泥石的宏观力学性能主要源于微观结构在高温和压裂条件下的稳定性，而目前少有研究能够将水泥石的微观结构演化与宏观力学性能响应相结合，明确高温压裂工，（）徐小峰，等：页岩储层水平井固井水泥浆体系应用研究进展投稿网址：图 条件下常规水泥石和紧密堆积设计水泥石的 对比.况下微观结构的变化甚至细观损伤的产生对宏观力学性能的影响。另一方面，在相应的改善手段中，过小的弹韧性粒子掺量无法达到改善效果，过大的掺量将导致水泥石抗压强度降低。因此在保持弹性颗粒束缚水泥石内部微损伤发育的同时形成密实的低孔隙度水泥石微观结构，是弹韧性水泥浆体系开发的重要方向。结论及展望.结论根据页岩储层水平井固井对前期水泥浆流变性能要求与后期水泥环力学性能要求，探讨了页岩储层水平井的固井水泥浆技术难点及研究现状，结合水泥浆外加剂微观分子结构及宏观力学性能的特点，得出了以下结论。（）页岩储层水平井固井的主要难点为环境温度苛刻、井壁稳定性差以及后期大规模压裂后水泥环完整性失效。水泥浆抗高温、稠化、后期强度等性能能否克服高温及大温差条件是固井成败的关键；水泥环与地层的胶结质量主要影响井壁脱落、掉块、坍塌和井漏等事故的发生；水泥石的力学性能决定了后期大规模压裂的水泥环完整性。（）目前对外加剂的研发多为在分子单体上进行改造，由于其配伍性无法掌握，无法从本质上同时解决温度对水泥水化速率和水化过程的影响。合理设计外加剂分子结构，研发具有低温度敏感性的长链单体缓凝剂及带有吸附基团单体的降失水剂组合体，能够在不影响降失水剂效果的同时提升水泥浆体系的缓凝及高温性能。（）通过添加胶乳颗粒等发挥其柔性及易形成网状结构的应力分散作用，能够从形成致密的微观结构角度优化水泥浆体系的防窜能力，但其在高温热应力或机械应力条件下的破乳现象令其在复杂工况应用时存在局限性。（）添加硅砂促进其高温水化阶段强结构产物生成，配套合理的颗粒级配提高其高温稳定性，能够分别从控制其水化产物晶型转化过程和提高宏观力学性能角度优化水泥浆体系抗高温强度衰退能力，但其在水化完全后所形成的微观结构在抵御循环应力时萌生的细观损伤或宏观裂纹令其在大规模压裂阶段应用时存在局限性。.展望目前在进行水泥浆优化设计并研究其性能时，室内实验手段已发展得较为完善，而从水化机理和微观宏观多尺度结合的角度入手，从本质上提升水泥浆适用性还存在以下研究重点及难点。（）基于不同缓凝机理在水化过程中发挥的作用进行合理的加量优化，并在合理的加量范围内，明确不同的水化阶段各类缓凝作用机理所发挥的优势，形成能够在不同温度变化范围内自适应性的缓凝剂，在具有固井普遍适用性的同时突出对恶劣环境固井的针对性，是抗高温及大温差条件下缓凝剂研究的重点。（）发生气窜的通道除了水泥石本体外，固井界面也是不可忽视的位置，如何匹配固井界面在高温循环条件下的受力模型，并通过调节防窜材料来提高固井界面的胶结强度，是防窜水泥浆体系设计的重点。科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：（）通过优化水泥石的微观结构来提升水泥石的高温强度衰退能力，仅适用于长期地层高温条件。考虑循环机械应力，从力学性能劣化机理角度进行水化后微观结构的变化响应至细观损伤，在此基础上采用数学理论对弹韧性材料或加砂粒径进行级配优化，得出温度及机械应力共同作用下保持水泥石防窜及抗衰退性能的最优解，相关理论模型的研究是水泥浆体系优化的难点。（）水泥石的抗强度衰退性能主要源于水泥浆水化过程微观结构的发育和在高温压裂条件下的稳定性。将水泥石的微观结构演化与宏观力学性能响应相结合，明确高温压裂工况下微观结构的变化甚至细观损伤的产生对宏观力学性能的影响，能够从机理角度合理地解释水泥石的力学强度衰退过程，结合弹性颗粒的加量优化，即束缚水泥石内部微损伤发育的同时形成密实的低孔隙度水泥石微观结构，是弹韧性水泥浆体系开发的难点。参考文献 （），：，.方圆，张万益，马芬，等 全球页岩油资源分布与开发现状 矿产保护与利用，（）：.，（）：.杨智光，李吉军，杨秀天，等 页岩油水平井固井技术难点及对策 大庆石油地质与开发，（）：.，（）：.刘斌辉，唐守勇，曲从锋，等 页岩气水平井固井趾端压裂滑套的研制 天然气工业，（）：.，（）：.张永强，曲从锋，卞维坤，等 昭通页岩气示范区水平井生产套管固井技术 钻采工艺，（）：，.，（）：，.高显束，王晶，余杨，等 深层页岩气固井水泥的研制及其性能研究 武汉理工大学学报，（）：.，（）：.李小林，吴朝明，赵殊勋，等 大港油田页岩油储层固井技术研究与应用 钻井液与完井液，（）：.，：，（）：.郭旭升，胡德高，舒志国，等 重庆涪陵国家级页岩气示范区勘探开发建设进展与展望 天然气工业，（）：.，：，（）：.李宁，庞学玉，艾正青，等 加砂硅酸盐水泥配方优化设计及强度衰退机理 硅酸盐学报，（）：.，（）：.李成全，何世明，张平 磨溪高石梯构造超深定向井固井水泥浆技术 石油与天然气化工，（）：.，（）：.彭金龙，李全双 抗高温低密度弹塑性水泥浆体系研究与应用 油气藏评价与开发，（）：.，（）：.李瑶 吉林油田深层气井防窜水泥浆固井技术探讨 石油和化工设备，（）：.，（）：.李均星，郭锦棠，张弛，等 一种新型缓凝剂的制备及其在水泥基复合材料中的应用 化工进展，（）：.，（）：.伍葳，刘成，蒲俊余，等 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