页岩气井套管内压周期变化对水泥环密封失效的实验研究

杨广国，刘 奎*，曾夏茂，刘仍光，艾 军，郝丽丽

(1. 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，北京 100029； 2. 中国石油化工股份有限公司西南石油工程有限公司固井分公司，德阳 618000； 3. 中国石油化工股份有限公司重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司，重庆 408000； 4. 大庆油田有限责任公司第一采油厂，大庆 163000)

油气井水泥环密封失效问题已经引起了严重的环空带压问题，造成地表浅水层的污染且存在较大的安全隐患。目前，页岩气等非常规油气的大量勘探与开发，压裂技术起到了非常关键的作用。但是压裂施工过程中套管内压的周期变化也造成了水泥环密封失效破坏，产生了严重的环空带压问题[1-3]。仅在中国涪陵页岩气区块，前期投产的223口井中共有169口井出现了不同程度的环空带压问题，环空带压井的占比高达75.8%。

关于套管内压变化引起水泥环密封失效的研究也较多。初纬等[4]、姚晓等[5]基于Mohr-Coulomb准则，计算套管内流体压力变化过程中界面应力大小作为判定是否产生微环隙的依据，并给出了微环隙大小的计算公式；刘洋等[6]的研究结果显示试压和压裂可能导致水泥环周向拉伸破坏，形成径向裂缝；赵效锋等[7]、刘奎等[8]认为水泥环内壁周向应力和径向应力会引起水泥环的拉伸破坏或压碎破坏；刘硕琼等[9]研究结果表明，水泥环周向应力在浅部地层为拉应力，深部地层为压应力；陶谦等[10]、张林海等[11]通过对涪陵页岩气区块环空带压情况的统计分析，明确了不同水泥浆体系下压裂对水泥环密封失效的影响规律，采用掺入胶乳、弹性粒子等形成弹韧性水泥石能够提高交变载荷条件下水泥环密封性能；……