高密度弹韧性水泥浆力学数值模拟

深层页岩气具有埋藏深、地温高、破裂压力高等特点，压裂过程中，大排量、高泵压的施工方式导致气井环空带压问题较为突出。相较于浅层页岩气，深层页岩气井由于气层高压，水泥浆需要进行加重以满足现场施工需要，水泥环不仅是由纯水泥构成，还包含加重剂以及弹韧性改造用的弹性剂。因此，为从水泥浆配方上改善深层页岩气井水泥环的力学性能，针对高密度弹韧性水泥浆体系建立了相应的细观力学模型，初步分析了外掺料的加入对水泥石力学性能的影响。研究发现：(1)加重剂与弹性剂由于其刚度的差异，改变了水泥环的宏观力学性能；(2)水泥浆体系设计需考虑弹性剂与加重剂的几何尺寸，并提高弹性材料与水泥基体的胶结强度；(3)优选类菱形加重材料及亲水性弹性材料，通过合理配比设计出密度为2.3 g/cm³的高密度弹韧性水泥浆，该水泥浆48 h抗压强度大于20 MPa，弹性模量小于7 GPa，实现了深层页岩气水泥环低弹性模量、高强度的力学性能改造目标。研究成果对深层页岩气水泥浆体系的设计具有重要指导意义。