Beim mehrstufigen volumetrischen Frac-Prozess von horizontalen Schiefergasbohrungen tritt häufig das Problem der Verformung der Schutzrohre auf, was die effiziente Entwicklung von Schiefergas stark einschränkt. In den Hauptblöcken des Sichuan-Beckens in China liegt die Verformungsrate der Schutzrohre über 20 %, im Baima-Block des Fuling-Schiefergasfeldes traten bei 11 von 43 fertiggestellten Bohrungen Schäden an den Schutzrohren auf (Verformungsrate 26 %), im Duvernay-Schiefergasfeld in Nordamerika beträgt die Verformungsrate sogar 47 %. Solche Verformungen führen häufig zum Versagen der Brückensatzsperre, was die Frac-Operationen beeinträchtigt. Zur effektiven Kontrolle der durch Frac induzierten Schutzrohrverformung wird in dieser Studie eine Verpressungstechnologie mit stickstoffinjektiertem Schaumentzement vorgeschlagen. Diese Technologie verbessert die Verformungsfähigkeit des Zementrings und mildert die Wirkung der Scherbewegung des Formationsgesteins auf das Schutzrohr ab. Es wurde ein dreidimensionales mechanisches Modell von gleitenden Rissen – Zementring – Schutzrohr mittels FLAC³D-Software aufgebaut, um den Einfluss des Elastizitätsmoduls des Zementrings auf die Schutzrohrverformung zu analysieren; mechanische Versuche mit Schaumentzement wurden durchgeführt, wobei eine maximale Druckverformungsfähigkeit von 54 % gemessen wurde (weit über den 3 %–5 % bei herkömmlichem Zement), und der Elastizitätsmodul kann durch die Stickstoffinjektionsmenge flexibel eingestellt werden. Unter Berücksichtigung der Bohrlochbedingungen (Verformungsrisiko des Schutzrohrs, Leckage-Risiko usw.) wurden vier Verpressungsverfahren zur Verformungskontrolle des Schutzrohrs entwickelt: durchgehend für alle horizontalen Abschnitte, intervallweise, punktuell und mit variabler Dichte über den gesamten Bohrlochabschnitt; Feldversuche wurden im Baima-Block des Fuling-Schiefergasfeldes durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen: Bei einer Reduzierung des Elastizitätsmoduls des Zementrings von 10 GPa auf 0,5 GPa verringert sich die Scherverformung des Schutzrohrs um 80 %; bei 0,01 GPa ist der Einfluss einer 35 mm Formationverschiebung auf das Schutzrohr vernachlässigbar; die Qualität der Verpressung bei 6 Testbohrungen lag jeweils über 90 %, in einigen horizontalen Abschnitten sogar über 96 %; nach dem Frac trat keine Schutzrohrverformung auf, was im starken Gegensatz zur Deformationsrate von 26 % bei herkömmlicher Zementverpressung im gleichen Block steht; der Bohrung Jiaoye X5HF produzierte nach dem Frac 1 Jahr lang normal mit einer Tagesproduktion von 4,6×10⁴ m³ Gas und drucklosem Ringraum. Zusammenfassend reduziert die Verpressungstechnologie mit stickstoffinjektiertem Schaumentzement durch Bildung einer flexiblen Pufferschicht des Zementrings deutlich die direkte Wirkung der Formationsscherspannung auf das Schutzrohr. Die vier vorgeschlagenen Verfahren können an unterschiedliche Bohrlochbedingungen angepasst werden und lösen effektiv das Dilemma der herkömmlichen Verpressungstechnologien, die Dichtung und Pufferwirkung schwer in Einklang bringen können, und bieten eine innovative Lösung zur Verformungskontrolle von Schutzrohren in Schiefergasbohrungen unter komplexen geologischen Bedingungen. Bei einer Verschiebung der Formation von über 45 mm sind koordinierte Maßnahmen, einschließlich der Erhöhung der Schutzrohrwandstärke, erforderlich.

Schiefergas; Frac; Schutzrohrverformung; Schaumentzement; Verformungskontrolle von Schutzrohren