頁岩ガス水平井の多段階体積圧裂プロセスにおいて、ケーシングの変形問題が広く存在し、頁岩ガスの効率的開発を著しく制約しています。中国四川盆地の主要区画ではケーシング変形率が20％を超え、涪陵頁岩ガス田白馬区画の43本の完井のうち11本でケーシング損傷（変形率26％）が発生し、北米のDuvernay頁岩ガス田ではケーシング変形率が47％に達しています。これらの変形はしばしばブリッジプラグの封止失敗を引き起こし、圧裂作業に影響を与えます。圧裂誘発によるケーシング変形を効果的に防止するため、本研究では注窒素泡沫セメントスラリーを用いた固井技術を提案しました。この技術はセメントリングの変形能力を向上させ、地層のせん断すべりがケーシングに及ぼす影響を緩和します。FLAC³Dソフトウェアを用いて滑り亀裂–セメントリング–ケーシングの3次元力学モデルを構築し、セメントリングの弾性係数がケーシング変形に及ぼす影響規則を解析しました。また、泡沫セメントの力学性能実験を行い、最大圧縮変形能力が54％（通常のセメント石の3％〜5％を大幅に上回る）に達し、弾性係数は窒素注入量により柔軟に調整可能であることを測定しました。井下の作業状況（ケーシング変形リスク位置、漏れリスクなど）を踏まえ、全水平区間一体型、間隔型、定点型、及び全井区間変密度の4種類のケーシング変形防止固井工法を設計し、涪陵頁岩ガス田白馬区画で現場試験を実施しました。結果は以下の通りです。セメントリングの弾性係数が10 GPaから0.5 GPaに低下すると、ケーシングのせん断変形が80％低減し、0.01 GPaに低下した場合、35 mmの地層すべりがケーシングに与える影響は無視できること、6本の試験井で固井品質良好率はすべて90％を超え、一部井の水平区間良好率は96％を超えたこと、圧裂後にケーシング変形は発生せず、同区画の通常セメントスラリー固井井の26％のケーシング変形率と明確な対比をなしていること、焦頁X5HF井は圧裂後1年間正常に生産し、日産ガス量は4.6×10⁴ m³、環空に圧力はないことが確認されました。総じて、注窒素泡沫セメントスラリー固井技術は柔軟なセメントリング緩衝層を形成することで、地層せん断すべりがケーシングに与える直接的な影響を著しく低減します。提案した4種類の工法は異なる井下条件に適応可能で、従来の固井技術が気密性と緩衝性能の両立に苦慮する問題を効果的に解決し、複雑な地質条件下における頁岩ガス井のケーシング変形防止に革新的な解決策を提供します。地層すべり量が45 mmを超える場合は、ケーシング壁厚の増加等の対策との協調防止が必要です。

頁岩ガス;圧裂;ケーシング変形;泡沫セメントスラリー;ケーシング変形防止