水泥石耐久性的力學評價

師忠南 汪漢花 蘇博勇 王玉敏

（1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163413；2.渤海鉆探第五鉆井工程公司，河北河間 062465）

水泥石的耐久性是指水泥石在正常使用條件下，在規(guī)定時間內(nèi)，由于水泥石結(jié)構(gòu)性能隨時間而劣化，但仍能滿足預定功能的能力。長期以來，水泥石的耐久性問題被忽視，造成了水泥石耐久性研究的相對滯后。由于耐久性不足導致水泥石結(jié)構(gòu)破壞的事故時有發(fā)生，其中由于水泥石耐久性不足而引起的套損和層間竄流具有普遍性，造成的損失也難以估量。因此，水泥石的耐久性問題應該受到高度重視。雖然現(xiàn)已存在水泥石抗壓強度的評價方法（GB10238—2005），但單一的抗壓強度數(shù)據(jù)很難與水泥石耐久性相結(jié)合。筆者在水泥石耐久性方面引入了水泥石的長期強度和破碎能兩個重要參數(shù)作為評價耐久性的指標。對水泥石的長期強度和破碎能進行了研究，得出了水泥石耐久性的評價方法。

1 實驗儀器及材料

實驗儀器：三軸力學測試儀、恒溫水浴養(yǎng)護箱。

實驗材料：G級油井水泥。水泥漿制備及養(yǎng)護按照GB/T 19139-2003規(guī)定的方法進行。

2 水泥石長期強度

目前，評價水泥石的方法為測定水泥石的抗壓強度，GB10238-2005中介紹了水泥石抗壓強度檢測方法。檢測結(jié)果為水泥石破碎時的最大應力，而這與水泥石在井底受力有所不同，雖然水泥石在井底受力，但還沒達到水泥石的抗壓強度，否則水泥石就會破碎，達不到水泥石應起的作用，針對水泥石所受外力小于抗壓強度時的變化規(guī)律進行了研究。

2.1 水泥石長期強度的提出

水泥石的強度試驗表明，當水泥石所受外力變化時，水泥石的變形量也隨之變化，當外力固定到某一值時，水泥石的變形量會出現(xiàn)3種不同的結(jié)果：當外力小于某固定值時，水泥石的變形量固定，保持不變；當外力固定在大于某個值而小于抗壓強度時，水泥石的變形量隨時間延長不斷增加，直至破碎，增加的速度與外力大小有關；當外力大于等于水泥石的抗壓強度時，水泥石迅速破碎。水泥石長期強度是指使水泥石長期不變形的最大應力。由水泥石長期強度可知水泥石長期抵抗外力的能力。

2.2 G級原漿水泥石長期強度試驗

對水泥石進行抗壓測試，圖1為水泥石受力10 kN、11 kN、13 kN的時間與變形量之間的關系。

圖1 水泥石受力10 kN、11 kN、13 kN時間位移曲線

從圖1可看出，當水泥石受力為10 kN時，水泥石變形量5 h后不再增加，持續(xù)24 h無變化，這說明該水泥石能夠承受10 kN以上的力而不會破碎。當水泥石受力11 kN時，變形量在24 h內(nèi)都在增長，在13 kN的力作用在水泥石上時，持續(xù)不到1.5 h水泥石破碎，說明水泥石的長期強度應在10~11 kN之間，該水泥石的抗壓強度為14 kN。通過多次試驗，可得出水泥石的變形量與時間的規(guī)律曲線，見圖2。

圖2 變形與時間的關系

水泥石在受力時均會出現(xiàn)如圖2所示曲線，a為試驗初始點，水泥石初始點相同時可直接比較；b點為水泥石受到某固定應力，變形量變化速率變慢點；c點為水泥石變形量達到一定程度后，變形量變化速率變快點；d點為水泥石破碎點。由水泥石受力的不同會出現(xiàn)幾種不同的情況，由圖1可看出，水泥石的ab段都會出現(xiàn)，不同之處在于b點的高低，隨著水泥石受力的增加，b點的數(shù)值在增大。bc段的長短和斜率取決于水泥石所受外力的大小，外力大，bc段斜率大且短，外力小的bc段斜率小且長，外力小到一定程度，bc段的斜率為0，將不會出現(xiàn)c點，而是一條直線，說明水泥石在受此作用力時無論外力作用多久，水泥石將不會破碎。而當外力達到長期強度且小于水泥石抗壓強度時，外力在水泥石上作用一定時間以后就會出現(xiàn)cd段，通過觀察，如出現(xiàn)cd段，水泥石本體將會產(chǎn)生宏觀裂紋，隨著時間的延長，宏觀裂紋發(fā)展迅速，水泥石完全破碎。試驗說明，水泥石所受的外力小于其抗壓強度時，作用一定的時間也會引起水泥石的破碎，當水泥石所受外力小于長期強度，無論時間長短，水泥石均不會破碎。

3 水泥石破碎能

水泥作為一種膠凝材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，評價這一結(jié)構(gòu)有多大抗破碎能力，單純靠強度一個參數(shù)很難評價。要破壞這一結(jié)構(gòu)需要2個重要因素：一是水泥石受到足夠大的力；二是在力的方向上產(chǎn)生足夠大的位移，這2個參數(shù)是水泥石被破壞的充分條件。這2個參數(shù)的乘積即為外力破壞水泥石所做的功，在此定義為水泥石的破碎能。

3.1 水泥石破碎能的試驗與計算

與GB 10238—2005中所介紹的油井水泥石抗壓強度檢測不同之處是在水泥石抗壓試驗時增加了位移傳感器，在水泥石抗壓試驗過程中不僅能夠檢測到水泥石的受力變化，還能隨時檢測到水泥石的變形量。通過計算就可得出水泥石的破碎能。表1為水泥石破碎能相關數(shù)據(jù)。該水泥試件在45 ℃常壓養(yǎng)護48 h，樣品長度48.6 mm，直徑24.2 mm。

根據(jù)公式W=F·S來計算水泥石的破碎能，F(xiàn)為施加在水泥石上的負荷，S為水泥石的變形量，由公式（1）計算水泥石的破碎能

水泥石的破碎能W/V=4.699323/22.34=0.21（J/cm3）

表1 水泥石試驗采集數(shù)據(jù)

該過程為計算水泥石破碎能的過程，水泥石在井底條件下有圍壓的存在，該方法計算的破碎能只適用于常壓情況，而要確定水泥石在井下的破碎能需要增加圍壓來對水泥石進行檢測。

3.2 三軸條件下的水泥石破碎能試驗

水泥石在井底環(huán)境下有一定的圍壓存在，而因水泥石所處的層位不同可分為2種情況：一是水泥石所處低滲層位，水泥石受力主要來自于巖石所給壓力；二是水泥石所處高滲層位，水泥石受力來自于地層流體。兩者圍壓相同，區(qū)別在于水泥石本體是否與地層流體接觸。針對這兩種情況，設計出2組不同的試驗，圖3為水泥石不與圍壓液體接觸和水泥石與圍壓液體接觸時的變形和負荷的關系。

圖3 水泥石與圍壓液體接觸和不接觸時變形和負荷的關系

從圖3可看出，水泥石在有圍壓的環(huán)境中檢測時，不僅水泥石的抗壓強度有所增加（79.6 MPa），其變形量也明顯增大（6.74 mm），由式（1）計算得出水泥石的破碎能為7.1 J/cm3，圖3為水泥石與圍壓液體相接觸，其抗壓強度為72.4 MPa，變形量為1.6 mm，由式（1）計算得出水泥石的破碎能為1.3 J/cm3。由這兩組數(shù)據(jù)可看出，由于圍壓影響，水泥石的破碎能要比常壓測試所計算的破碎能高得多，說明有圍壓的存在，水泥石的耐久性要比常壓狀態(tài)下強。從圖3兩組數(shù)據(jù)可看出水泥石與圍壓液體不接觸的破碎能要比水泥石與圍壓液體接觸的破碎能大5.5倍，說明在井下與地層流體接觸的水泥石和不與地層流體所接觸的水泥石相比更易破碎。因此水泥石的耐久性要從易破碎層入手，定義水泥石耐久性時應以周圍環(huán)境為參考基準，水泥石的周圍環(huán)境包括兩方面：套管和地層巖石。耐用的水泥石處在井下使用環(huán)境時將保持其原來適用性就要滿足：套管施加在水泥石上的力要小于水泥石的長期強度；水泥石的破碎能大于所處地層巖石的破碎能。只有滿足這兩個條件水泥石才具有良好的耐久性，否則水泥石破碎后將失去原有的作用。

4 結(jié)論

該水泥石耐久性的評價方法能夠有效評價水泥石的耐久性，從而為油井中選用耐久性好的水泥石提供理論依據(jù)，減少因水泥石耐久性不足而引發(fā)的問題，但只對原漿水泥石的耐久性進行了研究，并沒有對所有的水泥漿體系進行評價，下一步應對不同水泥漿外加劑對水泥石耐久性的影響進行研究，找出能夠提高水泥石耐久性的外加劑，以便延長油氣井的使用壽命。

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