页岩气 固井工程 第2部分：水泥浆技术要求及评价方法(编制说明)

《页岩气固井工程第2部分：水泥浆技术要求和评价方法》
行业标准(征求意见稿)编制说明
一、工作简况
1.1任务来源
根据能源行业页岩气标准化技术委员会文件能页标字〔2015〕5号文件《关于下达能源行业页岩气标准化技术委员会2015年国家标准、行业标准制修订项目计划的通知》中的制定项目，由中国石油集团川庆钻探工程有限公司井下作业公司牵头负责制定《页岩气固井工程第2部分：水泥浆技术要求和评价方法》行业标准。

1.2工作简要过程
在参照以前的标准文本、油田收集的信息和大量室内实验室与现场试验证的基础上，制定《页岩气固井工程第2部分：水泥浆技术要求和评价方法》标准。

从2015年1月开始到2015年5月，完成了征求意见调查表、编制说明和征求意见调查稿的起草工作。

制定的简要过程如下：
2014年2月10日提出制定标准意见，编写立项书，提交立项书；
2014年11月5日下达编制标准任务，进行工作调研；
2015年03月17日调研，收集资料，确定标准基本框架；
2015年04月21日完成草案稿的编写工作，在前头单位内部征求意见，形成工作组讨论稿初稿，向工作组内部征求意见；
2015年05月29日工作组内部讨论并争取意见，形成征求意见稿，对照标准文本，编写编制说明。

1.3主要参加单位和主要起草人员
本标准主要起草单位:中国石油集团川庆钻探工程有限公司井下作业公司，中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院、国家能源页岩气研发（实验）中心、中国石油集团钻井工程技术研究院固井完井研究所、中国石油股份有限公司西南油气田公司工程技术研究院、中国石油化工股份有限公司江汉石油工程有限公司、中国石油集团川庆钻探工程有限公司固井公司。

本标准主要起草人：
负责人：李美平，中国石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司，高级工程师，负责组织协调。

严海兵，中国石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司，工程师，标准编写、修改、标准编制说明、处理专家意见等工作。

刘伟，中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，高级工程师，参加标准制定。

方朝合，国家能源页岩气研发（实验）中心，高级工程师，参加标准制定。

张华，中国石油集团钻井工程技术研究院固井完井研究所，工程师，参加标准制定。

郑友志，中国石油西南油气田公司采气工程研究院，高级工程师，参加标准制定。

周福新,中国石油化工股份有限公司江汉石油工程有限公司,高级工程师，参加标准制定。

王大权，中国石油集团川庆钻探工程有限公司固井公司，高级工程师，参加标准制定。

二、标准编制原则和标准主要内容确定依据
2.1基本原则
1、注重可操作性
以确保安全与提高固井质量为前提，兼顾油公司、钻井承包商、固井服务公司各方意见，充分考虑现场实际情况和整体技术水平，增强标准的可操作性。

2、与相关标准相统一、协调性
国内固井水泥浆技术要求和评价方法方面，有国家标准GB/T19139《油井水泥试验方法》，石油天然气行业标准SY/T6466《油井水泥石抗高温性能评价方法》，SY/T6544《油井水泥浆性能要求》，本部分标准制定部分引用以上3项标准内容和条目，做到与现行相关技术标准尽可能统一，对特殊性能的要求进行重新规范，并保持好与《页岩气固井工程》标准的其它各部分之间的统一性。

3、注重科学、实用性
页岩气固井本质上也属于油气井固井的范畴。

水泥浆要满足安全泵注，并具备足够的强度以支撑套管，封隔地层，因此需要满足：
（1）能配制成设计的密度的水泥浆，容易混合泵送；
（2）流动性好，初始稠度适宜，不沉降，摩擦阻力小，均质且起泡少；
（3）流变性可调以便获得良好的顶替效率；
（4）稠化时间可调，符合固井施工要求；
（5）滤失量可控，具有一定的防窜性能；
（6）具有较快的早期强度发展，后期强度稳定；
（7）提供足够的胶结强度；
（8）水泥石具有一定的韧性，满足射孔条件下较小的破碎程度以及提供后期增产改造良好的层间密封性；
结合页岩气井需要为页岩气储层增产改造提供良好的环间封隔性能，保持井筒的完整性要求更高等技术特点，对水泥环力学性能提出技术要求并制定评价方法，体现本标准的特点。

对于新的技术指标与评价方法是在大量室内试验和现场验证的基础上确定。

2.2编制依据
1、GB/T 1.1-2009标准化工作导则：《页岩气固井工程第2部分：水泥浆技术要求和评价方法》在编写过程中严格按照《GB/T 1.1-2009标准化工作导则》给出的规则起草并进行了套模工作。

本标准的封面、目录、前言、规范性引用文件及术语和定义部分严格按照《GB/T 1.1-2009标准化工作导则》规定的模式进行编写。

2、能源行业页岩气标准化技术委员会下达的《2015年能源行业页岩气标准化技术委员会新增立项的标准制订项目计划的通知》要求。

3、本标准在编制之前进行了大量的室内试验，同时也阅读了与页岩气井固井相关的大量国内国外标准、文献和论文，使标准的依据和技术指标更为科学。

在编写过程中以《油井水泥石抗高温性能评价方法》、《油井水泥浆性能要求》等技术标准作为编写本标准的基础，在编写过程中参考和引用了相关部分内容、条目和数据。

同时在归纳总结这些标准时，对在新标准中修改、增加了一些内容。

2.3标准的主要内容及确定依据
根据页岩气行业标准立项审查要求，本部分主要包括以下几个方面的内容：前言，范围，规范性引用文件，术语和定义，技术要求，评价方法，规范性附录等7部分。

1、规范性引用文件包括：
GB 10238 油井水泥
GB/T 19139 油井水泥试验方法
GB/T 23561.7 煤和岩石物理力学性质测定方法第7部分：单轴抗压强度测定及软化系数计算方法
SY/T 6466 油井水泥石抗高温性能评价方法
SY/T 6544 油井水泥浆性能要求
2、术语与定义
针对“水泥石弹性模量测试方法”中涉及到数据处理方法问题，对“弹性段”术语进行了定义，以便于使用者更容易理解该标准。

3、对页岩气固井水泥的类型进行了规范
本标准明确了页岩气固井采用的水泥浆是满足GB10238要求的油井水泥而不是普通硅酸盐水泥或其它水泥。

4、不同层次套管固井水泥浆基本性能要求
4.1表层套管/技术套管固井水泥浆基本要求各项指标参照SY/T6544《油井水泥浆性能要求》相关内容执行，因为页岩气表层套管/技术套管与常规油气井表层套管/技术套管的固井水泥浆的目的和作用一致，没有必要单独提出新指标。

4.2生产套管固井
页岩气开发井型主要有直井，水平井两种方式，其中以水平井完井方式为主。

固井水泥浆设计基本按照石油行业惯例，采用领浆和尾浆两种水泥浆的设计。

因此，对于直井生产套管固井，分别给出了失水量、初始稠度、稠化时间、游离液、相容性、抗压强度、沉降稳定性、渗透性、弹性模量等9项技术指标，其中失水量、初始稠度、稠化时间、游离液、相容性、沉降稳定性、渗透性等7项技术指标参照《油井水泥浆性能要求》执行，这些技术指标是固井行业普遍认同和遵守的。

可以保证注水泥的安全施工和固井质量。

对抗压强度作了修改，领浆48h强度大于7MPa，尾浆的48h抗压强度大于14MPa，主要考虑部分地区由于地层承压能力低，井底温度较低，采用低密度水泥浆固井的技术现状。

与普通天然气井的固井水泥浆性能要求比较，页岩气井产层段水泥在压裂等作业改造时的适应性，强调了水泥石的力学性能要求，特别规定了表征水泥石力学性能的“弹性模量”这一技术指标的要求。

根据调研，国外在页岩气井固井中为满足后期增产改造的要求，多采用低弹性模量的“软水泥”封固产层，主要是利用水泥石的高变形减少在压裂时管内高压给水泥环带来的高应力，保证水
泥环能够完整，取得了良好的效果。

这一技术措施在国内的页岩气开发中被接受并普遍采用，本标准根据理论计算与现场实际情况，推荐的水泥石养护168h弹性模量为不大于8GPa。

对于水平井生产套管固井水泥浆性能要求。

注重从保证水泥浆施工安全、防止气窜、保护产层、提高层间封固质量等方面考虑。

参照现行石油行业水平井固井水泥浆性能基本要求，针对页岩气井特点，提出了失水量、初始稠度、稠化时间、游离液、相容性、抗压强度、顶部强度、沉降稳定性、渗透性、弹性模量等10项技术指标。

对领浆顶部强度指标做了规范，主要考虑长水平段固井温度系数取值普遍在0.9~1范围，稠化时间设计长，试验温度和水泥浆注上部温差较大的情况下，如四川地区威远区块，富顺区块等，井底循环温度100~130℃之间，水泥浆柱顶部静止温度约30~40℃，温差大，水泥浆性能调节不当会导致领浆注替到位后有时不能快速的凝结，造成“超缓凝”问题，从而带来的井控安全风险和延误后续施工等问题，鉴于目前国内的整体技术水平，推荐了水泥浆72小时抗压强度不小于3.5MPa的技术要求。

3.5MPa为水泥环能够支撑套管，满足下步作业要求的最低强度性能要求，这也是国内外石油行业普遍认可的技术指标。

4.3 评价方法及确定依据
水泥浆失水量、抗压强度、顶部强度、稠化时间、游离液、渗透率、沉降稳定性、抗高温性能、相容性试验直接应用相关的石油行业标准。

弹性模量的评价方法是本标准提出的新内容，作为规范性附录给出，规定了试样准备，主要仪器及其技术指标，实验步骤，计算方法等四个部分，首次比较系统地规范了固井水泥石弹性模量的测定方法。

4.3.1水泥试样的规格，采用目前国内外普遍能够制备的直径25mm±1.0mm，长度为50mm±2.0mm的圆柱型，并对端面的平行度，直径偏差，轴向偏差等指标和测试方法作了规定。

4.3.2水泥石状态，规范了测试试样的含水状态为自然含水状态。

水泥石的含水状态对其力学性能的测试结果影响非常大，有必要加以统一。

但这种状态下使测试得到的的弹性模量尽可能模拟井下情况，也不能完全代表井下的实际情况，作为优化、优选水泥浆配方使用。

4.3.3规范了样品的最少的数量为3个。

根据大量的试验数据发现，水泥石的弹性模量测定结果由于影响因素多，数据的离散性大，需要至少测量3个平行试样来尽可能减少误差。

4.3.4主要仪器及其技术指标中，对加载设备提出了精度不低于一级、加载速率、控制方式基本要求。

并规范了样品的必须采用热塑管包裹，以防止被其他介质污染，并对压头的硬度、应变仪的种类和精度作了规范，确保尽可能地较少由于设备使用不当带来的误差，影响测试结果。

4.3.5试验步骤，主要规范了试样的加载速率，采用加载时间控制方式，没有采用载荷控制和应变控制。

推荐满足试样在2min~10min内使试样能够破碎的加载速率。

水泥石的加载速率是一个变化幅度和大的参数，针对不同的水泥石和工程问题试验的加载速率不同。

国内外都没办法统一，只是给定一个范围。

对固井水泥石，弹性模量主要受应变控制，弹性模量的大小与抗压强度关系密度，由于不同固井水泥浆配方，其密度、水灰比、养护温度、养护时间等因素会显著影响水泥石的强度以及弹性模量。

往往其强度从几个兆帕到几十个兆帕不等，形成的水泥石的弹性模量的差别非常大，从3.0GPa到20GPa不等。

根据现行石油行业相关标准，低强度的加载速率需要约0.116MPa/S的加载速率比较合适，强度高的需要约0.463 MPa/S的加载速率测试比较合适。

因此，给出2min~10min破碎的要求，主要是为了给定一个参考范围，尽可能减小由于加载速率选择不当（过快、过慢）引起的试验误差。

在具体试验中需要根据具体水泥的强度来选择合适的加载速率，消除由于加载速率过快或过慢带来的误差。

4.3.6弹性模量的计算方法，规范了轴向应变的获得方法和计算方法，轴向应力的获得和计算方法。

明确了在应力应变测试曲线上弹性段选取的方法，推荐了在应力应变曲线上强度的30%至70%间区间选值（如图1）。

该区间是水泥石较稳定且最符合虎克定律的弹性段，小于30%的曲线由于水泥石天然裂缝闭合，其曲线的斜率较低。

高于70%的曲线段由于新裂缝的形成，试样开始软化的阶段，均伴随有较大的塑性变形产生，其斜率也较低，两段都不能准确、稳定地表征水泥石的弹性模量，不宜作为水泥石弹性模量的衡量标准。

图1 典型水泥石应力应变曲线
在强度的30%至70%间区间选值选取数据点，采用最小二乘法回归该应力应变曲线段的斜率作为水泥石的弹性模量比较科学合理。

4.3.7弹性模量的确定，由于水泥石弹性模量测试系统误差较大，数据的离散度大，据统计，三个数据的差异通常超过15%，甚至20%以上，因此，有必要对3个平行试样的获得的数据的确定方法进行规范，保证数据尽可能准确，因此，借鉴混凝土静力抗压强度测试数据的确定方法，规定了水泥石的弹性模量按3个试样的算术平均值计算；如果其中最大值或最小值如有一个超过中间值的20%，则一并舍去最大值与最小值，取中间值作为试样的弹性模量；如最大值与最小值均超过中间值的20%，则该组试样试验结果无效。

三、采标情况
本标准不属采标类标准，未进行与国际标准或国外先进标准的对比。

四、主要实验验证情况和预期达到的效果
水泥石弹性模量指标验证
1、采用数学建模的方法对水泥环的受力进行理论计算表明：降低水泥石杨氏模量能有效避免压裂作业对界面胶结的破坏和水泥环本体的破坏。

1.1计算模型
（1）采用平面应变弹性力学数学模型。

（2）不考虑水泥石初始应力及热应力。

（3）地应力边界距离为套管直径的10倍。

（4）不考虑套管偏心情况。

（5）采用Tresca应力作为水泥石破坏判断准则。

1.2计算基础数据
（1）井身结构a：套管直径139.7mm，套管壁厚12.7mm，井径237.5mm（钻头尺寸215.9mm，井径扩大率10%）。

（2）井身结构b：套管直径127mm，套管壁厚12.7mm，井径185.1mm（钻头尺寸168.3mm，井径扩大率10%）。

（3）套管杨氏模量206GPa，泊松比0.3，水泥石杨氏模量6-10GPa，泊松比0.2，地层岩石杨氏模量70GPa，泊松比0.3。

（4）管内最高压力90MPa（光套管压裂，井口压力60MPa，井底完井液液柱压力90MPa），地层孔隙压力30MPa。

1.3计算结果
（1）水泥石杨氏模量越低，一界面Tresca应力越低，水泥石破坏风险越低。

（2）水泥石杨氏模量降低后，在压裂后泄压时一界面接触应力逐步由拉应力转变为压应力，形成微环隙的可能性较小。

（3）综合计算结果，水泥石杨氏模量低于8GPa后，有利于避免水泥环破坏失效。

理论上讲，在保持水泥石高强度情况下，水泥石的弹性模量越小越好，但会带来材料成本的大幅增加。

为找到经济性与实用性的平衡点，与现场的实际紧密结合，使本标准更加具有适用性。

2、现场试验数据验证。

通过调研、现场采样试验等方法，目前在国内页岩气井产层套管固井中采用的水泥浆种类较多。

其有一个明显的、共同的特点是对水泥石的力学性能进行了优化，以期更加适应页岩气井大规模压裂时更好地保持水泥环的层间封隔性能和水泥环的完整性。

按本标准推荐的方法进行弹性模量测试的结果如表2、图2所示：
表2 不同水泥石的杨氏模量测试结果
序号公司名称水泥浆体系水泥石杨氏模量
GPa
应用区块
1# 川庆钻探工程有限公
司井下作业公司微膨胀韧性水泥浆7.8 长宁页岩气
2# 韧性防窜水泥浆 6.3 昭通页岩气3# 中石油钻井院胶乳水泥浆 6.8 威远页岩气4# 中石化工程院弹韧性水泥浆 5.3 涪陵页岩气5# 斯伦贝谢胶乳水泥浆 5.1 金秋富顺页岩气
6# 成都欧美科石油科技
有限公司
弹性防窜水泥浆 6.9 金秋富顺页岩气1#水泥石应力应变实验曲线2#水泥石应力应变实验曲线
3#水泥石应力应变实验曲线4#水泥石应力应变实验曲线
5#水泥石应力应变实验曲线6#水泥石应力应变实验曲线
图2 不同种类水泥浆的应力应变曲线
从不同地区固井质量及后期增产改造过程中以及后续的情况来看，水泥石的性能较好地满足了页岩气固井的要求，层间封隔性良好，满足了大型压裂对固井的高要求。

综上所述，本标准提出的水泥石的168h弹性模量不大于8GPa的技术指标符合目前技术现状。

同时，不过分追求对力学性能更高的要求，更有利节约生产成本，可产生良好的经济效益和社会效益。

五、与现行法律、法规、政策及相关标准的协调性
该标准符合国家有关法律、法规、政策的规定，且与相关标准要求一致。

六、贯彻标准的要求和措施建议
1．正式发布后，建议相关使用单位将本标准配备到位。

2．对本标准进行宣贯。

3．对本标准的执行情况进行总结、考评。

七、废止现行行业标准的建议
无
八、重要内容的解释和其他应予以说明的事项
无
《页岩气固井工程第2部分：水泥浆技术要求和评价方法》
标准编制项目组
2015年5月29日
工作组意见汇总处理表标准名称：页岩气固井工程第2部分水泥浆技术要求和评价方法
负责起草单位：中国石油集团川庆钻探工程有限公司井下作业公司
主要起草人：严海兵、刘伟、方朝合、张华、郑友志、周福新、王大权。