《深层超深层复杂油气井固井理论与技术》根据作者近年来在深层超深层固井方面的研究成果，全面论述了复杂工况下水泥环密封失效机理、套管损坏机理及控制方法。《深层超深层复杂油气井固井理论与技术》包括固井水泥石力学特性演化规律、周期动载下水泥环密封失效机理与控制方法、酸性环境下水泥环密封失效机理与控制方法、水泥环界面密封能力控制方法、复杂油气井套管损坏控制方法、复杂油气井环空水泥环持久密封新方法、提高复杂油气井水泥胶结质量技术，以及研究成果的典型应用等内容。

目录
序
前言
第1章 固井水泥石力学特性演化规律 1
1.1 水泥石力学性能测试方法 2
1.1.1 页岩气井水泥环温压、荷载环境 2
1.1.2 水泥石力学性能试验设计 3
1.1.3 水泥石试验装置 3
1.2 复杂温压下水泥石力学特征 4
1.2.1 水泥石单轴压缩试验特性 4
1.2.2 水泥石三轴压缩试验特性 8
1.2.3 水泥石力学参数对比分析 13
1.3 周期交变荷载下水泥石力学响应机制 14
1.3.1 水泥石周期交变荷载*线特征 15
1.3.2 塑性/残余应变累积规律 16
1.3.3 水泥石刚度退化规律 19
1.4 水泥石-页岩组合体变形破坏机理 24
1.4.1 水泥石-页岩组合体三轴压缩试验特性 24
1.4.2 水泥石-页岩组合体界面直剪试验 24
1.4.3 水泥石-页岩组合体界面SEM特征及破坏机理 29
1.5 水泥石细观损伤机理及分析模型 31
1.5.1 水泥石试验前后CT扫描分析 31
1.5.2 水泥石试验前后核磁共振测试 33
1.5.3 水泥石损伤塑性本构模型 35
1.6 小结 41
第2章 周期动载下水泥环密封失效机理与控制方法 42
2.1 动载下水泥环密封能力评价方法 42
2.1.1 水泥环密封能力评价装置 42
2.1.2 水泥环密封能力评价方法 45
2.2 周期动载下水泥环密封完整性失效机理 45
2.2.1 交变温度下水泥环密封失效 45
2.2.2 交变应力下水泥环密封失效 46
2.2.3 温压耦合下水泥环密封失效 48
2.2.4 水泥环拉伸破坏 49
2.3 套管-水泥环-围岩弹塑性有限元分析 49
2.3.1 弹塑性有限元分步计算模型 49
2.3.2 典型环空带压井计算分析 51
2.4 周期动载下水泥环密封失效控制方法 66
2.4.1 水泥环密封完整性影响因素分析 66
2.4.2 水泥环*大压裂段数预测 71
2.4.3 水泥环密封失效防控力学设计图版 75
2.5 小结 76
第3章 酸性环境下水泥环密封失效机理与控制方法 77
3.1 国内外研究现状 77
3.1.1 油井水泥特征 77
3.1.2 油井水泥石的腐蚀 78
3.2 CO2和H2S腐蚀水泥石实验方法 81
3.2.1 腐蚀实验装置 81
3.2.2 CO2、H2S腐蚀水泥石评价实验方法 83
3.3 温度和压力条件下CO2腐蚀水泥石机理 84
3.3.1 实验材料 85
3.3.2 CO2腐蚀水泥石物理性能分析 85
3.3.3 水泥石CO2腐蚀前后腐蚀产物分析及变化规律 88
3.3.4 CO2腐蚀水泥石机理分析 92
3.4 温度和压力条件下H2S腐蚀水泥石机理 93
3.4.1 实验材料 93
3.4.2 H2S腐蚀水泥石实验结果分析 93
3.4.3 温度对H2S腐蚀水泥石的影响 100
3.4.4 H2S腐蚀水泥石机理探讨 100
3.5 CO2与H2S共存条件下腐蚀水泥石机理 102
3.5.1 CO2/H2S混合气体腐蚀实验参数与水泥浆组成 102
3.5.2 混合气体腐蚀后物理性能变化 103
3.5.3 H2S/CO2混合气体腐蚀产物及微观分析 106
3.5.4 CO2/H2S混合气体腐蚀水泥石机理与腐蚀动力学模型 110
3.6 抗酸性气体腐蚀方法 116
3.6.1 降低水泥石中Ca(OH)2含量与腐蚀的关系 116
3.6.2 提高水泥石密实度与腐蚀的关系 117
3.6.3 增加水化产物惰性与腐蚀的关系 118
3.7 小结 119
第4章 水泥环界面密封能力控制方法 121
4.1 水泥环界面密封试验方法 121
4.1.1 水泥环胶结界面密封能力评价装置 122
4.1.2 水泥环胶结界面密封能力评价方法 130
4.2 地层流体对水泥环胶结界面产物影响规律 134
4.2.1 动/静态养护条件下界面产物及微观结构演化规律 134
4.2.2 动/静态养护条件下水泥石密封能力演化规律 146
4.3 水泥环-地层第二界面胶结能力评价 153
4.3.1 固井第二界面声波响应特征分析 153
4.3.2 不同水泥浆体系与页岩胶结能力定量评价 155
4.3.3 不同水泥浆体系与高渗砂岩胶结能力定量评价 159
4.3.4 水泥浆体系在特殊地层适应性综合分析 163
4.4 水泥环界面胶结增强方法 167
第5章 复杂油气井套管损坏控制方法 170
5.1 盐膏层套管损坏机理与设计方法 171
5.1.1 盐膏层套管蠕动压力模型 171
5.1.2 深部盐膏层套管蠕变压力分析 176
5.1.3 非均匀外载作用下套管抗挤强度分析 182
5.1.4 盐膏层套管强度设计 186
5.2 酸性气井套管腐蚀机理与设计方法 189
5.2.1 酸性气体对套管腐蚀机理及腐蚀程度判据 189
5.2.2 酸性气井套管钢材料性能及选用 197
5.2.3 酸性气井套管强度设计方法 201
5.3 页岩气井套管损坏机理与控制方法 204
5.3.1 页岩气井压裂套管变形的地质工程因素 204
5.3.2 页岩气井套管变形力学分析 208
5.3.3 页岩气井套管损坏控制技术 222
5.4 小结 225
第6章 复杂油气井环空水泥环持久密封新方法 226
6.1 提升水泥石物性力学性能的新材料 226
6.1.1 防窜苯丙胶乳 226
6.1.2 增强界面胶结强度的纳米液硅 233
6.1.3 遇烃自修复乳液 238
6.2 防气窜致密型水泥浆体系 241
6.2.1 纳米液硅防气窜水泥浆体系 241
6.2.2 胶乳液硅防窜水泥浆体系 245
6.3 防损伤自修复型水泥浆体系 248
6.3.1 水泥浆常规性能评价 248
6.3.2 水泥石防损伤性能评价 249
6.3.3 水泥石自修复性能评价 252
6.4 防腐增强型水泥浆体系 256
6.4.1 抗CO2腐蚀水泥浆体系 257
6.4.2 抗H2S腐蚀水泥浆体系 262
6.4.3 抗CO2/H2S腐蚀水泥浆体系优化设计 268
6.5 小结 270
第7章 提高复杂油气井水泥胶结质量技术 271
7.1 固井作业参数对顶替效率的影响 271
7.1.1 顶替效率数值模拟 271
7.1.2 隔离液顶替钻井液规律 271
7.1.3 顶替效率优化设计 276
7.2 界面胶结增强前置液技术 277
7.2.1 界面胶结增强隔离液设计原理 277
7.2.2 渗透固化剂研发 277
7.2.3 渗透固化剂性能评价 278
7.2.4 界面胶结增强隔离液体系 279
7.2.5 胶结增强隔离液应用 283
7.3 高压气井侯凝环空加压技术 285
7.3.1 环空加压水泥环密封能力计算方法 285
7.3.2 环空加压提高环空密封能力分析 289
7.3.3 环空加压提高环空密封能力实验验证 294
7.4 高压气井气窜预测技术 295
7.4.1 水泥浆精确压力气窜模拟测试装置 295
7.4.2 建立水泥浆液柱压力(失重)预测模型 296
7.5 固井新技术新方法应用 299
7.5.1 在页岩气固井中的应用 299
7.5.2 在高温高压油气井中的应用 303
7.5.3 在酸性气井中的应用 318
7.5.4 在储气库井中的应用 322
参考文献 330

第1章 固井水泥石力学特性演化规律
　　水泥环是固井施工后在套管与地层之间形成的环状水泥石结构，具有封隔地层、加固井眼的作用，其封固性能直接影响油气井长期安全生产。固井水泥环在井下受到多种载荷类型影响，研究各种载荷作用下的水泥石力学特性对于获取基本力学参数、评价水泥环力学完整性具有重要的基础性作用(王磊等，2018)。
　　国内外研究人员在水泥石抗拉(刘健[wf1]等，2013；Quercia et al.，2016)、抗折(宗孝生等，2011；李明等，2016)、单轴/三轴压缩(李早元等，2007；张景富等，2010；郑友志等，2017)、蠕变(窦益华，1989)、动态力学性能(王祥林和黄义春，1998；莫继春等，2004)等方面开展了广泛的试验研究，对固井水泥石的力学特性已经形成了较为全面的认识。
　　从已有的研究中可以发现，对油井水泥石力学性能的评价主要采用常规试验方法，较少考虑养护和试验过程中的温压条件，而温压环境对水泥石的水化硬化和强度的发展都有重要影响(张景富，2001；叶中郎等，2016)，在不同的温压环境下水泥石的力学特性也可能存在较大差异，直接用常温常压下测得的试验数据指导深部地层的固井设计可能会带来较大的偏差。另外，对复杂应力路径下水泥石力学响应的相关研究较少，而水泥环在深部地层所处的荷载工况日趋复杂。例如，在页岩气储层分段多簇压裂过程中，井筒内压将经历多次、大幅度升降，水泥环将遭受高强度交变荷载作用(曾波等，2020)，对水泥石力学性能提出了更高要求(孙坤忠等，2015)。油气井固井环境复杂，如高温、高压、冲击等，因此有针对性的新型水泥浆体系不断被研发出来(陶谦等，2011；谭春勤等，2011；匡立新和陶谦，2021)，如何有效评价各类水泥浆固化后形成的水泥环力学性能也是需要解决的关键问题。
　　因此，准确评价和研究固井水泥石力学性能，在常规力学参数测试的基础上，应重点考虑水泥环服役的地层温压环境及预期经受的荷载工况，将这些关键因素融入水泥石试样的制备及试验加载路径的设计中，得出的结果将更具真实性和应用价值。
　　本章以用于页岩气井固井的弹韧性水泥浆体系为例，论述了固化后的水泥石在高温三轴压缩和循环荷载下的基本力学参数、破坏模式及塑性应变累积规律；研究了水泥石-页岩组合体变形破坏机理，通过计算机断层扫描(CT)和核磁共振(NMR)，揭示了受载水泥石的细观损伤机理。
　　1.1 水泥石力学性能测试方法
　　1.1.1 页岩气井水泥环温压、荷载环境
　　页岩气开发采用水平井钻井及分段压裂技术，水平井完钻下进行套管固井作业后，要进行试压、射孔和大型压裂等一系列施工作业，将造成井内压力剧烈波动，在井下高温高压耦合作用下，给固井水泥环密封完整性带来极大挑战(谢和，2016)。涪陵焦石坝区块是我国海相页岩气资源获得成功开发的区块之一，该区块在开发初期生产套管环空带压井数量超过50%(孙坤忠等，2015)，威远页岩气开发示范区发生了严重的环空带压现象(齐奉忠等，2013)，环空带压表明井筒水泥环完整性遭到破坏，密封性已经失效，引发了环空气窜或层间窜流(聂臻，2011)，给后期安全生产带来了重大隐患。
　　页岩气井大型分段压裂施工对井筒水泥环完整性影响的特殊之处在于以下方面。
　　(1)单段压裂施工峰值压力高。页岩气藏埋深一般在2500～4500m，分段压裂时，地面施工压力一般在60MPa以上，如果埋深超过4000m，施工压力将超过110MPa(路保平，2013)，水泥环结构体发生破坏的风险加大，极易在径向形成塑性变形，并在套管-水泥环形成的**界面形成微环隙。
　　(2)施工压力波动频繁。施工压力的波动主要体现在两个方面：一是页岩气井是通过桥塞分段压裂的，压完一段后要停泵，然后把桥塞泵送到预定位置，隔断前面已压裂的井段后再压裂，这样段与段之间施工压力有大幅度波动；二是由于页岩储层的非均质性强，不同段和同一段内地层破裂、加砂、水力裂缝断续扩展引起的施工压力发生高位小幅度波动(图1-1)。这两类压力波动将导致水泥环频繁加载与卸载，诱发水泥环塑性应变持续累积，进而导致套管水泥环界面胶结失效和微环隙不断扩大，水泥环本体也存在疲劳破坏的风险。
　　图1-1 某页岩气水平井第1段压裂施工*线
　　(3)井下温度波动幅度大。大体积压裂液的注入，将引发井筒附近地层温度迅速降低，随后温度将逐渐回升，温度波动带来的影响本质上是水泥环温度应力的周期性变化，从某种程度上也可等效为对水泥环的周期性加载与卸载。
　　1.1.2 水泥石力学性能试验设计
　　主要针对常规配方和弹韧性配方2种水泥浆配方体系开展系统的力学性能评价研究。
　　(1)常规水泥浆体系的配方：G级油井水泥+35%SiO2(硅粉)+6%DZJ-Y(降失水剂)+42%H2O，主要用于中浅层常规油气井的固井施工。
　　(2)弹韧性水泥浆体系的配方：G级油井水泥+35%SiO2(硅粉)+6%SFP-1(弹塑性材料)+0.2%SFP-2(增韧性材料)+4%DZJ-Y(降失水剂)+42%H2O，该体系形成的水泥石具有较低的弹性模量、较高的泊松比和抗压强度，能够有效抵抗分段压裂带来的冲击荷载，可广泛应用于页岩气井的固井施工中。
　　根据中浅层和深层页岩气储层的温度和压力环境不同，设置了常温、95℃和130℃共3种养护温度条件，养护压力统一设置为21MPa，养护时间统一设置为3天。试验用的样品分为2种：一种是纯水泥石样品，用于评价水泥石本体的力学性能；另一种是水泥石-页岩组合体试样，用于评价水泥石-页岩界面的力学属性。
　　对于纯水泥石样品，开展不同温度下的单轴压缩试验、三轴压缩试验及循环加卸载试验，并通过试验前后的CT和NMR测试表征微细观结构的损伤规律；对含界面的水泥石-页岩组合体试样，开展组合体三轴压缩试验、组合体界面直接剪切试验及界面扫描电子显微镜(SEM)微观结构表征。
　　1.1.3 水泥石试验装置
　　试验工作是在MTS815.03试验机上开展的(图1-2)。该试验系统主要用于岩石、混凝土等材料电液伺服控制的常规力学试验，配有伺服控制的全自动三轴加压和测量系统，主要由以下部分组成。
　　图1-2 MTS岩石力学试验系统
　　(1)加载部分，由液压源、单轴加压框架、三轴室、作动器、伺服阀、增压器等组成。
　　(2)测试部分，由载荷、压力、位移、应变等各种传感器组成。
　　(3)控制部分，由反馈控制系统、数据采集器、计算机等控制软硬件组成。
　　(4)程序控制部分，包括试验助手、静力试验软件、多功能试验软件、函数发生器控制等。
　　主要性能指标：垂直*大出力为4600kN，垂直活塞行程为100mm，*大围压为140MPa，应变率适应范围为10–7～10–2s–1，疲劳频率为0.001～0.5Hz，试验框架整体刚度为1.1×1010N/m。试验系统加载平稳，测控精度高，所有测试过程与数据均由计算机控制和采集，避免了人工读数的误读和误差。
　　单轴/三轴压缩试验的目的是确定单轴/三轴抗压强度、弹性模量、泊松比、应力-应变*线。
　　各力学参数的具体计算公式为
　　(1-1)
　　式中，为峰值荷载；为试样横截面面积；为应力差；和分别为轴向和径向的应变差；为单轴/三轴抗压强度；E为弹性模量；为泊松比。
　　试验样品为圆柱体，尺寸为Ф50mm×100mm，设计了常温和95℃单轴压缩试验、不同温度下(常温、95℃、130℃)的三轴压缩试验以及三轴循环加卸载试验。对于95℃和130℃下的三轴试验，采用了铁氟龙热缩管(可在200℃高温下长期使用)替代常规橡胶热缩管，待三轴室内油温升至设定值，维持1h后再进行试验。
　　1.2 复杂温压下水泥石力学特征
　　1.2.1 水泥石单轴压缩试验特性
　　1.常规水泥浆体系
　　图1-3给出了多组试样在常温下的单轴压缩应力-应变*线，由图可知，应力-应变*线在初始阶段呈线性增长，表明水泥石处于弹性状态，当应力达到较高水平后，*线开始逐渐偏离直线状态，有向下弯*的趋势，表明试样内部出现了较大损伤，*线达到峰值后迅速跌落。
　　试样*终沿加载方向呈张拉劈裂破坏，破裂面与加载方向平行。试样在整个过程中表现出典型的弹-脆性特征。试样破坏后形态见图1-4。
　　图1-3 典型单轴压缩应力-应变*线(常温)
　　图1-4 单轴压缩破坏模式(原始配方-常温)
　　根据单轴压缩应力-应变*线，计算各试样的弹性模量、峰值强度和泊松比，见表1-1。通过分析可知，试样的力学参数离散性较弱，表明样品的均质性较好，试验过程可靠。对各力学参量求取平均值，得到弹性模量均值为9.85GPa，峰值强度均值为59.3MPa，泊松比均值为0.145。
　　图1-5给出了多组试样在95℃下的单轴压缩应力-应变*线。试样破坏后形态见图1-6。95℃下的应力-应变*线形态和试样破裂模式与常温下相似。
　　根据单轴压缩应力-应变*线，计算各试样的弹性模量、峰值强度和泊松比，见表1-2。通过分析可知，试样的力学参数离散性相对于常温下有所提高，可能是由于高温下水泥石内部缺陷增多且变得更不稳定。对各力学参量求取平均值，得到弹性模量均值为7.61GPa，峰值强度均值为47.2MPa，泊松比均值为0.124。通过与常温下的力学参数对比可知，95℃环境下水泥石峰值强度和弹性模量均有一定幅度降低，峰值强度降低了20.4%，弹性模量降低了22.7%。
　　图1-5 典型单轴压缩应力-应变*线(常规配方-95℃)
　　图1-6 单轴压缩破坏模式(常规配方-95℃)
　　2.弹韧性水泥浆体系
　　图1-7给出了典型试样在常温和95℃下的单轴压缩应力-应变*线，与常规水泥浆水泥石相比，弹韧性配方水泥石表现出两点不同：一是更早进入非线性变形阶段，变形能力更强；二是试验后样品的破碎程度大大减弱，尤其是在95℃下，试验后样品仍保持了较好的完整性，仅表现出轻微张拉裂缝，具体见图1-8。这一系列现象表明，弹韧性配方水泥石的弹-脆性特征减弱，弹-塑性特征增强。