嚴思明 嚴圣東 吳亞楠 王緒濤 蔡文睿 張燕

1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院；2.四川弘晟石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司

水泥環(huán)與第一界面和第二界面的良好膠結(jié)和完整性是其封隔地層流體的關(guān)鍵因素，直接關(guān)系到固井工程的質(zhì)量和固井水泥環(huán)的終身封隔性［1-2］。水泥石是一種脆性固態(tài)材料，雖然具有較高的抗壓強度，但易受油氣井后期開采過程中地層應(yīng)力、周期性外界壓力變化（壓裂、修井等施工作業(yè)）、水泥環(huán)與套管和地層彈性差異等影響，這些應(yīng)力或壓力可能在水泥石的局部產(chǎn)生不平衡作用力致使脆性破裂或形成微環(huán)隙、微裂縫，從而造成油氣井的后期氣竄或井口帶壓等問題，影響油田的正常生產(chǎn)和開發(fā)的經(jīng)濟效益［3-5］。

為解決固井水泥石脆性破裂，保證水泥石的完整性，一些研究者將增強、增韌、增柔的功能性材料應(yīng)用于水泥體系中，形成韌性、彈性、柔性等水泥漿體系［6-16］，有助于改善水泥石彈韌性，提高固井水泥環(huán)的長期封隔能力。但這些研究主要針對單一材料，缺乏不同功能材料對水泥石力學(xué)性能影響的比較和分析。筆者主要通過三軸應(yīng)力應(yīng)變實驗，研究常用改善力學(xué)性能的韌性劑和彈性劑類功能材料對水泥石力學(xué)性能的影響規(guī)律，為相關(guān)研究提供參考。

1 實驗

1.1 實驗材料與儀器

減阻劑SXY，成都川峰化學(xué)工程有限責(zé)任公司；石英砂、消泡劑BP-1A、緩凝劑BS200G、降濾失劑BS100L和BS100L-G、減阻劑BS300-J、彈性膠粒、韌性纖維，四川弘晟石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司；高抗硫G級油井水泥，嘉華集團強華水泥廠。

OWC-2990F高壓養(yǎng)護釜，沈陽石油儀器研究所有限責(zé)任公司；RTR-1000三軸巖石力學(xué)測試系統(tǒng)，美國GCTS公司。

1.2 實驗方法

參照GB/T 19139—2012《油井水泥實驗方法》［17］相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)配制水泥漿、評價水泥漿性能并養(yǎng)護水泥石。高溫稠化條件：150 ℃、90 MPa；水泥石養(yǎng)護條件：120 ℃×21 MPa×3 d。參照GB/T 50266—2013《工程巖體實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》［18］對養(yǎng)護成型的水泥石用RTR-1000三軸巖石力學(xué)測試系統(tǒng)進行應(yīng)力應(yīng)變測試，考察水泥石力學(xué)性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥漿基本性能

參照固井的一般要求，優(yōu)化水泥漿體系中各種外加劑，獲得常規(guī)水泥漿配方。以常規(guī)水泥漿配方為基礎(chǔ)，加入纖維類韌性劑和膠粒類彈性劑，優(yōu)化水泥漿體系，獲得韌性和彈性水泥漿配方。表1是3種水泥漿的常規(guī)性能。

表1 不同水泥漿體系的常規(guī)性能Table 1 Conventional properties of different cement slurrу sуstems

常規(guī)水泥漿配方1：嘉華G級水泥+35%石英砂+0.50%減阻劑SXY+3.0%降濾失劑BS100L-G+2.0%緩凝劑BS200G+水，W/S=0.40。

韌性水泥漿配方2：嘉華G級水泥+35%石英砂+0.40%韌性劑+ 0.50%減阻劑SXY +5.0%降濾失劑BS100L+3.0%緩凝劑BS200G+水，W/S=0.40。

彈性水泥漿配方3：嘉華G級水泥+35%石英砂+2.0%彈性劑+0.80%減阻劑SXY +6.0%降濾失劑BS100L+3.5%緩凝劑BS200G +0.10%消泡劑BP-1A + 水，W/S=0.40。

由表1可知，3種水泥漿的流性指數(shù)0.9～1.0，稠度系數(shù)0.2～0.4，稠度適宜，流動性能較好，失水控制效果佳，整體性能良好，可以滿足固井工程相關(guān)要求。

2.2 功能材料對水泥石力學(xué)性能的影響

為考察水泥石力學(xué)性能，以彈性模量、泊松比、抗壓強度和殘余應(yīng)變作為參考。材料的彈性模量、泊松比，反映了材料抵抗彈性變形的能力，彈性模量越小，材料可恢復(fù)的彈性變形越大；材料的殘余應(yīng)變越小，即不可恢復(fù)變形越小，材料的應(yīng)變恢復(fù)能力越大。

2.2.1 常規(guī)水泥漿 配制2.1常規(guī)配方的水泥漿并養(yǎng)護成型，利用三軸巖石力學(xué)測試系統(tǒng)測定水泥石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，考察常規(guī)水泥石的力學(xué)性能。圍壓40 MPa時，三軸應(yīng)力應(yīng)變實驗測得力學(xué)參數(shù)：水泥石抗壓強度為47.4 MPa，彈性模量為10.2 GPa，泊松比為0.363；三軸應(yīng)力應(yīng)變實驗結(jié)果如圖1所示。

通過常規(guī)水泥石的部分力學(xué)參數(shù)及圖1可以看出，常規(guī)水泥石雖然具有較高的抗壓強度，但彈性模量較大，水泥石脆性大；水泥石的殘余應(yīng)變大（0.17%），應(yīng)變恢復(fù)能力較差。因此，常規(guī)水泥石在固井后期局部不平衡受力較大時，易產(chǎn)生脆性破裂，形成微裂縫，為流體竄流提供通道，影響固井質(zhì)量和油氣開采。

2.2.2 韌性劑對水泥石力學(xué)性能的影響 改變2.1基礎(chǔ)韌性水泥漿體系中韌性劑加量，配制水泥漿并養(yǎng)護成水泥石，利用三軸巖石力學(xué)測試系統(tǒng)測定韌性水泥石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，考察韌性劑對水泥石力學(xué)性能影響。實驗結(jié)果如圖2、表2。

圖1 常規(guī)水泥漿水泥石三軸應(yīng)力應(yīng)變圖Fig. 1 Triaxial stress-strain curve of set cement of conventional cement slurrу

圖2 不同韌性劑加量時水泥石的三軸應(yīng)力應(yīng)變圖Fig. 2 Triaxial stress-strain curve of set cement with different contents of toughening agent

表2 韌性水泥石力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of tough set cement

由表2、圖2可知，隨著韌性劑加量的增加，泊松比增大，抗壓強度減小，殘余應(yīng)變增加（0.04%～0.09%）。韌性水泥石的彈性模量相對常規(guī)水泥石大幅度降低，泊松比較大，脆性較弱，形變分散，不易單向破裂。加入韌性劑，多周應(yīng)力循環(huán)后，應(yīng)力應(yīng)變曲線更加緊密，應(yīng)力恢復(fù)能力一定程度上加強。韌性劑增多，容易交結(jié)成團，水泥石應(yīng)變恢復(fù)能力減弱，殘余應(yīng)變增加。韌性水泥石在受力過程中，韌性材料不斷被拉伸，直至斷裂，使整體韌性增強，水泥石性能得以改善。

2.2.3 彈性劑對水泥石力學(xué)性能的影響 改變2.1基礎(chǔ)彈性水泥漿體系中彈性劑加量，配制水泥漿并養(yǎng)護成水泥石，測定彈性水泥石應(yīng)力應(yīng)變曲線，考察彈性劑對水泥石力學(xué)性能影響。實驗結(jié)果如表3、圖3。

表3 彈性水泥石力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of elastic set cement

由表3、圖3可知，一定程度上，隨著彈性劑加量的增加，水泥石彈性模量降低，泊松比增大，抗壓強度下降。彈性劑自身具有較高的彈性，分散在水泥石中，增強了水泥石彈性，彈性模量降低，脆性減弱。水泥漿與彈性劑的膠凝能力有限，彈性劑增加，其與水泥漿凝膠結(jié)構(gòu)分離的臨界壓力下降，水泥石抗壓強度減小。彈性水泥石的殘余應(yīng)變小于常規(guī)和韌性水泥石，且多周應(yīng)力循環(huán)后殘余應(yīng)變持續(xù)降低，第1次循環(huán)回復(fù)率為71.7%，第4次循環(huán)恢復(fù)率為92.6%，表現(xiàn)出非常強的應(yīng)變恢復(fù)能力。加入彈性劑，有利于保證水泥石在彈性應(yīng)變階段的完整性。

圖3 彈性劑加量1.8%時水泥石三軸應(yīng)力應(yīng)變圖Fig. 3 Triaxial stress-strain curve of set cement with 1.8% elastic agent

3 功能材料改善固井質(zhì)量機理

如圖4，固井施工過程中，水泥漿在套管和地層之間固化形成水泥環(huán)，水泥環(huán)易受局部不平衡作用力的影響，產(chǎn)生微裂縫，給流體竄流提供通道；油氣井后期開采過程中，由于壓裂、修井等產(chǎn)生的周期性壓力變化，水泥環(huán)與套管和地層之間易產(chǎn)生微環(huán)隙，造成流體竄流和環(huán)空帶壓。

圖4 微裂縫（上）及微環(huán)隙（下）形成示意圖Fig. 4 Schematic formation of micro-crack (upper) and micro-annulus (lower)

韌性劑強度高、韌性大，與水泥漿體系具有較好的相容性，在水泥漿中分散形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了水泥石的韌性。水泥石受外力作用時，動能被傳遞給網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在水泥石內(nèi)部分散，水泥石不易破裂。同時，韌性劑的抗張模量大，能吸收和分散部分的應(yīng)力沖擊，韌性劑受力而不斷拉伸直至斷裂，增強了水泥韌性的，提高了水泥石的整體強度。

彈性劑是一種可壓縮的彈性材料。彈性水泥石受擠壓時，應(yīng)力通過相互傳遞作用到彈性劑上，彈性劑被壓縮，進行彈性預(yù)儲能，將動能轉(zhuǎn)換為彈性勢能儲存；外界應(yīng)力解除后，彈性劑釋放儲存能量，恢復(fù)形變。彈性劑分散在水泥石中，增加了水泥石的整體彈性，提高了水泥石的應(yīng)變恢復(fù)能力，有利于減少微環(huán)隙的形成，防止氣竄發(fā)生，保證固井質(zhì)量。

4 結(jié)論

（1）韌性劑以及彈性劑能有效降低水泥石彈性模量和殘余應(yīng)變，改善水泥石的力學(xué)性能，提高固井水泥石的長期封隔性和完整性。

（2）韌性水泥石受力后形變分散，韌性材料拉伸至斷裂的過程中吸收部分動能，增強整體韌性，防止水泥石脆性破裂。

（3）彈性水泥石循環(huán)加壓過程中，殘余應(yīng)變小，應(yīng)變恢復(fù)大，卸載時形變幾乎完全恢復(fù)。因此，彈性水泥漿體系應(yīng)對井下周期性壓力變化更有優(yōu)勢。

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