水平井水泥石力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

王 毅 陳大鈞 余志勇 齊志剛

1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 2.中國(guó)石化勝利油田鉆井工藝研究院

水平井水泥石力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

王 毅1，2陳大鈞1余志勇1齊志剛2

1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 2.中國(guó)石化勝利油田鉆井工藝研究院

為了提高水平井固井質(zhì)量，需要對(duì)水平井水泥石進(jìn)行科學(xué)而準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，從而為有效改善水平井水泥漿性能提供更加可靠的理論依據(jù)。通過(guò)模擬水平井實(shí)際環(huán)境條件，對(duì)水平井固井常用的兩種水泥漿體系進(jìn)行了性能測(cè)試評(píng)價(jià)，得出其常規(guī)性能（析水、流動(dòng)度、稠化時(shí)間等）雖滿足固井施工要求，但水平段水泥環(huán)的水泥石力學(xué)性能表現(xiàn)出整體非均勻性的認(rèn)識(shí)：水泥石膠結(jié)強(qiáng)度及彈性模量上部分較下部分??；水泥石泊松比上部分較下部分大，下部分水泥石的彈塑性形變能力較上部分弱；掃描電鏡清楚觀察到水平段水泥環(huán)的上部分疏松多孔，針狀物質(zhì)為纖維，下部分致密、嚴(yán)實(shí)。該實(shí)驗(yàn)成果為有效解決水平井固井質(zhì)量問(wèn)題提供了科學(xué)依據(jù)。

水平井 固井質(zhì)量 常規(guī)性能 水泥石力學(xué)性能 膠結(jié)強(qiáng)度 三維力學(xué) 掃描電鏡 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，水平井是提高低滲透油氣藏產(chǎn)能的有效方法［1－4］。由于其環(huán)空間隙窄的特殊工程條件，在進(jìn)行射孔、酸化、壓裂等作業(yè)時(shí)很容易造成環(huán)空水泥環(huán)破碎，引起油氣田后期的層間互竄，所以提高水平井固井質(zhì)量是現(xiàn)今固井技術(shù)所面臨的一大難題。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水平井水泥體系性能的評(píng)價(jià)方法大部分仍是沿用直井API標(biāo)準(zhǔn)，尚無(wú)統(tǒng)一的水平井評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［5－9］。故本文針對(duì)勝利油田的低滲透區(qū)塊所使用的水平井開(kāi)采方式，在模擬水平井實(shí)際環(huán)境的條件下，對(duì)其常用于水平井固井的兩種水泥漿體系進(jìn)行了性能測(cè)試評(píng)價(jià)，包括常規(guī)性能（析水、流動(dòng)度、稠化時(shí)間等）、膠結(jié)強(qiáng)度及三維力學(xué)實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)，并通過(guò)掃描電鏡對(duì)水平井環(huán)空水泥石的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，此研究對(duì)科學(xué)而準(zhǔn)確地提高薄互層水平井固井質(zhì)量提供了合理依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 水平井水泥漿常規(guī)性能的測(cè)定

對(duì)常用于水平井固井的兩種水泥漿：塑性微膨脹水泥漿和膠乳水泥漿，按照GB／T 19139－2003油井水泥應(yīng)用性能試驗(yàn)方法進(jìn)行常規(guī)性能測(cè)試。水泥漿配方如下：

塑性微膨脹水泥漿配方：G級(jí)嘉華水泥＋2%塑性膨脹劑＋3%SW－1＋0.05%SN－3，水灰比＝0.46。

膠乳水泥漿配方：G級(jí)嘉華水泥＋3%WG＋7%膠乳＋1.0%BXF－200L＋0.5%SXY＋0.5%BXR－200L，水灰比＝0.44。

1.2 水平井水泥石膠結(jié)強(qiáng)度的測(cè)定

引起油氣井后期層間互竄的本質(zhì)在于水泥環(huán)與套管和井壁的膠結(jié)狀態(tài)好壞，特別是水平井其水平段環(huán)空水泥石與兩界面的膠結(jié)強(qiáng)度是保障整個(gè)油氣井壽命的關(guān)鍵因素，因此為了更切實(shí)際的評(píng)價(jià)水泥石的膠結(jié)強(qiáng)度，模擬水平井井下水泥漿流動(dòng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。為了模擬環(huán)空水泥環(huán)與套管和地層的膠結(jié)強(qiáng)度，將模具制作為鋼質(zhì)和石質(zhì)兩種，裝有環(huán)空水泥石的模具剖面見(jiàn)圖2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水平井水泥漿常規(guī)性能評(píng)價(jià)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法，這兩種水泥漿體系的常規(guī)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 模擬水平井實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)易圖

圖2 裝有環(huán)空水泥石的模具剖面圖

表1 水平井水泥漿常規(guī)性能測(cè)試結(jié)果表

根據(jù)表1的測(cè)試結(jié)果可以看出，這兩種用于水平井固井的水泥漿體系在一定密度下，具有良好的流動(dòng)性能，析水量為0，濾失量較小，稠化時(shí)間可調(diào)且漿體穩(wěn)定，滿足水平井固井施工要求。

2.2 水平井水泥石膠結(jié)強(qiáng)度評(píng)價(jià)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法，這兩種水泥漿體系的水泥石與第一、二界面的膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2數(shù)據(jù)可知：與套管（第一界面）的膠結(jié)強(qiáng)度，塑性微膨脹體系和膠乳體系上部分水泥石較下部分水泥石平均低12.4%和18.3%；與地層（第二界面）的膠結(jié)強(qiáng)度，塑性微膨脹體系和膠乳體系上部分水泥石較下部分水泥石平均低20.1%和21.7%。

2.3 水平井水泥石三維力學(xué)性能評(píng)價(jià)

目前對(duì)油井水泥石進(jìn)行單軸實(shí)驗(yàn)力學(xué)測(cè)試，忽略了井下實(shí)際環(huán)境對(duì)環(huán)空水泥石的影響［10－11］，所以為了更加科學(xué)地評(píng)價(jià)水平井水泥石在井下受溫度、壓力影響時(shí)的力學(xué)性能，筆者采用美國(guó)GCTS公司三軸巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)RTR－100對(duì)這兩種體系的水泥石進(jìn)行了三維力學(xué)性能測(cè)試評(píng)價(jià)［12］。測(cè)試條件為：三軸（圍壓20 MPa）、實(shí)驗(yàn)溫度（70℃）、恒速（2 k N／min）加載水泥石。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、4。

圖3 塑性微膨脹水泥石三軸應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

圖4 膠乳水泥石三軸應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

由圖3、4的應(yīng)力—應(yīng)變曲線可知：首先這兩種體系的上部分水泥石的三軸力學(xué)抗壓強(qiáng)度均較下部分水泥石低；其次在加載初期，下部分水泥石較上部分水泥石表現(xiàn)出稍差的彈性形變能力，應(yīng)力—應(yīng)變曲線基本呈直線，且在加載后期這種形變能力的差距更為明顯，下部分水泥石較上部分水泥石具有更差的塑性形變能力，這是由于水泥漿在水化過(guò)程中，水化產(chǎn)物Ca（OH）2、C2SH、C2SH2及鈣礬石（Aft）等受重力自由沉降后，更多地聚集在下端水泥石，然而纖維和膠乳為非常細(xì)小的物質(zhì)，不參與水化，相對(duì)更多地集中在上部分水泥石中，致使下部分水泥石的彈塑性特征較弱，上部分水泥石的致密程度較差的這種水泥石整體非均勻性。這對(duì)于研究井下水泥石力學(xué)性能變化及油氣井長(zhǎng)期層間封隔能力具有積極意義。

彈性模量和泊松比是反應(yīng)材料在彈性限度內(nèi)抵抗形變的能力，根據(jù)表3中數(shù)據(jù)可知，這兩種水泥體系上部分水泥石較下部分水泥石彈性模量小，泊松比大，也反應(yīng)出上部分水泥石聚集了過(guò)多的膠乳和纖維，反而對(duì)水泥石的膠結(jié)強(qiáng)度等力學(xué)性能產(chǎn)生了不良影響。

表3 水泥石彈性模量及泊松比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

2.4 水平井水泥石微觀結(jié)構(gòu)分析

為了更加清楚、形象地對(duì)水平井水泥石的宏觀力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)水泥石進(jìn)行了具有代表性的掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試分析，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5～8。

由掃描電鏡圖5與圖6可知：塑性微膨脹體系上部分水泥石疏松多孔，針狀物質(zhì)為纖維，且顯得雜亂并卷曲成團(tuán)于水泥石中，這將影響水泥石與界面膠結(jié)強(qiáng)度的發(fā)展，而下部分水泥石致密、嚴(yán)實(shí)，且將纖維緊緊包裹在水泥石中，減少了水泥顆粒之間的空隙，對(duì)界面的膠結(jié)具有較大的貢獻(xiàn)作用。由掃描電鏡圖7與圖8可知：在膠乳水泥石中，上部分水泥石也呈疏松多孔，雪花狀物質(zhì)為膠乳，但過(guò)多的膠乳微粒分布于水泥中，覆蓋在水化產(chǎn)物表面，形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相互交織在一起，影響了水泥顆粒的繼續(xù)水化，從而對(duì)水泥的膠結(jié)強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生一定的抑制作用，這與宏觀測(cè)試結(jié)果一致。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

圖5 塑性微膨脹水泥石（上）掃描電鏡圖

圖6 塑性微膨脹水泥石（下）掃描電鏡圖

圖7 膠乳水泥石（上）掃描電鏡圖

圖8 膠乳水泥石（下）掃描電鏡圖

1）從對(duì)常用于水平井固井的水泥漿常規(guī)性能測(cè)試看，雖滿足固井施工要求，但通過(guò)水平井模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)得水平段其上部分水泥石均較下部分水泥石與兩界面的膠結(jié)強(qiáng)度低。

2）為了更加科學(xué)、準(zhǔn)確地得到水泥石在井下實(shí)際環(huán)境下的力學(xué)性能，對(duì)其進(jìn)行了三維力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得出了水平段上部分水泥石的致密程度較下部分差，下部分水泥石的彈塑性形變能力較上部分弱的特征，這表現(xiàn)出了水平井水泥段上、下部分水泥石整體力學(xué)性能的非均勻性，對(duì)結(jié)論1）進(jìn)行了補(bǔ)充。

3）通過(guò)掃描電鏡的微觀結(jié)構(gòu)分析，更加直接、形象地對(duì)上、下部分水泥石進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，與水泥石的宏觀性能測(cè)試結(jié)果一致。

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Experimental assessment of the mechanical properties of the cement stone for horizontal wells

Wang Yi1，2，Chen Dajun1，Yu Zhiyong1，Qi Zhigang2
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China；2.Research Institute of Drilling Technology，Sinopec Shengli Oilfield Company，Dongying，Shandong 257000，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.63－66，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Scientific and accurate assessment is required to evaluate the cement stone for horizontal wells，thus to improve well ce－menting quality and provide a more reliable theoretical basis for effectively improving the slurry performance.In this paper，the practical environmental setting of a horizontal well was simulated to perform a performance test ＆assessment for two common types of slurry systems adopted for horizontal well cementing.Although the conventional properties（e.g.，bleeding，fluidity and thickening time）of the slurry systems turned out to be compliant with the well cementing requirements，the mechanical properties of the cement stone which made up the cement sheath of the horizontal well exhibited an integral non－h(huán)omogeneity.The upper part of the cement stone was tested to have a lower cementing strength and elasticity modulus than the lower part，the Poisson＇s ratio of the upper part of the cement stone was tested to be higher than that of the lower part，and the elastic－plastic deformation capability of the upper part of the cement stone was greater than that of the lower part.Under the SEM（scanning electron microscope），it was clearly observable that the upper part of the cement sheath had a loose and porous structure intermingled with acicular fibrous substances，and that the lower part had a tight structure.The research findings provide a scientific basis for finding an effective solution to horizontal well cementing.

horizontal well，cementing quality，conventional properties，cementing strength，3D mechanics，SEM（scanning electron microscope）

王毅等.水平井水泥石力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià).天然氣工業(yè)，2012，32（10）：63－66.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.015

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題“勝利油田薄互層低滲透油田開(kāi)發(fā)示范工程”（編號(hào)：2011ZX05051）。

王毅，女，1974年生，工程師，博士研究生；現(xiàn)從事石油完井工程技術(shù)研究工作。地址：（257017）山東省東營(yíng)市中國(guó)石化勝利油田鉆井工藝研究院。電話：13954618032。E－mail：wjswy2007＠163.com

（修改回稿日期 2012－08－03 編輯 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.015

Wang Yi，engineer，born in 1974，is studying for a Ph.D degree，with her research interest in petroleum drilling and completion engineering.

Add：Dongying，Shandong 257017，P.R.China

E－mail：wjswy2007＠163.com