漂珠低密度固井水泥石的力學(xué)性能研究

艾正青，李早元,李 寧，林 鑾,袁中濤,郭小陽,程小偉

(1.中國石油塔里木油田分公司,庫爾勒 841000;2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室,成都 610500)

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漂珠低密度固井水泥石的力學(xué)性能研究

艾正青1，李早元2,李 寧1，林 鑾2,袁中濤1,郭小陽2,程小偉2

(1.中國石油塔里木油田分公司,庫爾勒 841000;2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室,成都 610500)

以漂珠為減輕材料的低密度水泥漿體系在低壓易漏地層的固井工程中得到了廣泛的應(yīng)用。為全面探索漂珠低密度水泥石的力學(xué)性能,本文對低密度水泥石在不同溫度下的抗壓強度、抗拉強度進行測試,模擬井下環(huán)境對水泥石進行應(yīng)力-應(yīng)變測試,并對其微觀形貌和孔徑分布進行分析。結(jié)果表明：漂珠與水泥具有良好的相容性；漂珠具有抗壓強度和剛性不阻裂等性質(zhì),致使漂珠低密度水泥石具有較高的抗壓強度和較低的抗拉強度；高溫養(yǎng)護水泥石的孔徑分布較低溫養(yǎng)護增大,高溫水泥石致密性較低。

低密度水泥石； 力學(xué)性能； 抗拉強度； 微觀形貌； 孔徑分布

1 引 言

近年來,國內(nèi)外科研機構(gòu)利用顆粒級配充填堆積理論,通過優(yōu)選減輕材料及外加劑,研發(fā)出了1.20～1.65 g/cm3不同密度的水泥漿體系[1]。漂珠低密度水泥漿體系具有流變性好,失水低等良好的工程性能,在我國西部油田的高溫、低壓易漏深井中得到廣泛應(yīng)用[2]。由于低密度水泥漿在井下形成水泥環(huán)后,在其封固期間將會面臨射孔、酸化、壓裂等增產(chǎn)措施作業(yè),對水泥環(huán)的力學(xué)完整性提出嚴(yán)峻的考驗[3],因此,對低密度水泥漿的力學(xué)性能研究顯得十分重要。但調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前國內(nèi)對低密度水泥漿體系的研究多集中于滿足固井施工要求的工程性能[4-6],而對其力學(xué)性能的評價,尤其是早期抗壓強度的發(fā)展未作深入研究,導(dǎo)致無法全面的認(rèn)識中空玻璃微珠低密度水泥漿體系的力學(xué)性能,無法科學(xué)的提高低密度水泥石的整體性能。為此,本文通過室內(nèi)實驗,對低密度水泥漿的工程性能和力學(xué)性能進行研究,主要包括水泥石抗壓強度、抗拉強度以及三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,同時通過掃描電鏡和壓汞法對水泥石的微觀形貌和孔隙結(jié)構(gòu)進行分析,為科學(xué)提高低密度水泥漿體系的力學(xué)性能提供實驗和理論依據(jù)。

2 實 驗

2.1 實驗材料和儀器

實驗材料主要包括G級油井水泥(阿克蘇青松水泥廠)、3M漂珠(抗壓強度>80 MPa)、微硅(樂山市托陽牌)、降失水劑和分散劑(現(xiàn)場取樣)、自來水(成都市新都區(qū)自來水廠)。

所用的實驗儀器包括OWC-9100型高速攪拌器(沈陽航天航空技術(shù)學(xué)院)、YA-300型電子液壓試驗機(北京海智科技開發(fā)中心) RTR-1000型三軸巖石力學(xué)測試系統(tǒng)(美國GCTS公司)、JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡(日本JEOL公司)和Auto Pore IV-9500壓汞儀(美國麥克公司)。

2.2 實驗方法

將100 g水泥、25 g漂珠、15 g微硅和2 g降失水劑、1 g分散劑混合均勻后,按0.508水灰比,參照GB/T 19139-2012《油井水泥試驗方法》制備水泥漿并進行工程性能(密度、濾失量、失水量和稠化時間)測試；水泥漿流動度測試按照GB/T 8077-2012 《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》進行。

將水泥漿注入模具,分別置于30 ℃、60 ℃、90 ℃水浴環(huán)境中進行養(yǎng)護,養(yǎng)護時間為3 d、7 d、14 d和28 d；并用電子液壓試驗機測定水泥石抗壓強度和抗拉壓力；按照GB/T 50266-2013《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[7],用三軸巖石力學(xué)測試系統(tǒng)測定水泥石的三軸和單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,三軸實驗圍壓10 MPa,單軸測試圍壓為0 MPa,加載速度2 kN/min；用掃描電子顯微鏡觀察漂珠水泥石受力斷裂后的斷面形貌；用壓汞儀測定水泥石的孔徑分布。

3 結(jié)果與討論

3.1 水泥石力學(xué)性能分析

抗壓強度是表征油井水泥石力學(xué)性能最常用和關(guān)鍵的指標(biāo),抗壓強度較高的水泥石固井質(zhì)量一般較好[8]。圖1為低密度水泥石在30 ℃、60 ℃、90 ℃養(yǎng)護條件下的抗壓強度,可以看出：在60 ℃和90 ℃養(yǎng)護環(huán)境下,低密度水泥石3 d的抗壓強度已經(jīng)有了較大的發(fā)展,而30 ℃養(yǎng)護條件下水泥石的抗壓強度較低,這是由于低溫環(huán)境下水泥石水化速度較慢,導(dǎo)致水泥石的抗壓強度較低；隨著養(yǎng)護齡期的增長,水泥石的抗壓強度得到進一步的發(fā)展,尤其是在低溫(30 ℃)下早期強度發(fā)展較低的低密度水泥石在14 d和28 d齡期之后的抗壓強度有了大幅的提高,接近與60 ℃和90 ℃養(yǎng)護條件下的低密度水泥石。

油井水泥石在其服役期間由于生產(chǎn)開發(fā)的需要,會面臨套管試壓、酸化壓裂增產(chǎn)、井筒內(nèi)壓變化等工況變化,而研究[9]表明,在試壓和壓裂條件下可能導(dǎo)致水泥環(huán)周向拉伸破壞,形成徑向裂紋；井內(nèi)壓力大幅度變化,使套管壁處水泥環(huán)承受的徑向拉應(yīng)力超過抗拉強度,破壞界面膠結(jié),形成微環(huán)隙。

圖2為低密度水泥石在30 ℃、60 ℃、90 ℃養(yǎng)護條件下抗拉強度發(fā)展規(guī)律,可以看出：低密度水泥石在30 ℃養(yǎng)護下,早期抗拉強度(3 d)發(fā)展較低,與60 ℃和90 ℃養(yǎng)護條件下水泥石的抗拉強度相差較遠(yuǎn)；隨著養(yǎng)護齡期的增長,不同溫度點下水泥石的抗拉強度有了較大的提高,這與水泥石的抗壓強度的發(fā)展規(guī)律相似；14 d養(yǎng)護齡期,30 ℃、60 ℃、90 ℃養(yǎng)護條件下水泥石的抗拉強度分別達到1.8 MPa、3.1 MPa、2.5 MPa,其中60 ℃養(yǎng)護條件下低密度水泥石抗拉強度最佳,90 ℃次之,30 ℃最低,說明抗拉強度是低密度水泥石的薄弱點,有進一步提高的空間。

圖1 低密度水泥石抗壓強度Fig.1 Compressive strength of low density cement compressive strength

圖2 低密度水泥石抗拉強度Fig.2 Tensile strength of low density cement

3.2 水泥石力學(xué)形變能力分析

常規(guī)水泥石力學(xué)性能均在單軸受力情況測試,所測得的單軸抗壓強度不能真實反映水泥石在井下環(huán)境中的力學(xué)性能[10]。圖3所示為60 ℃養(yǎng)護下低密度水泥石單軸和三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線,由圖可知,低密度水泥石在圍壓作用下,峰值強度和峰值形變值都有了較大幅度的提高,其中低密度水泥石在圍壓下的峰值強度和峰值形變值達到43.1 MPa和1.17%,無圍壓下的峰值強度和峰值形變值為24.1 MPa和0.88%,這是因為圍壓可以有效的愈合水泥石在外載荷作用下產(chǎn)生的裂紋和結(jié)構(gòu)破壞,大幅提高水泥石的極限強度和極限形變能力。

圖3 60 ℃養(yǎng)護下低密度水泥石單軸和三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Uniaxial and triaxial stress-strain curves of low density cement at 60 ℃

圖4 低密度水泥石孔徑分布圖Fig.4 Pore size distribution low density cement

3.3 水泥石孔徑分布測試及分析

圖4為水泥石孔徑分布圖,測試對象為60 ℃和90 ℃養(yǎng)護28 d的低密度水泥石。從圖可以看出60 ℃和90 ℃水泥石的孔徑分布存在較大的差異；60 ℃養(yǎng)護下的水泥石孔徑主要集中在10～70 nm范圍內(nèi),且曲線呈“單峰”特征,其“峰值”出現(xiàn)在50 nm處,說明水泥石中50 nm的孔徑分布較多；而90 ℃養(yǎng)護下水泥石呈“雙峰”特征,孔徑主要集中在10～70 nm和550～2200 nm兩個區(qū)間。因此,實驗結(jié)果說明90 ℃養(yǎng)護下水泥石的內(nèi)部大孔徑孔隙多余60 ℃水泥石,高溫下漂珠低密度水泥石的致密性較差,力學(xué)性能較低。這可能是60 ℃養(yǎng)護下水泥石的抗拉強度優(yōu)于90 ℃水泥石抗拉強度的原因。

3.4 水泥石SEM圖像分析

圖5為水泥石斷裂面的微觀形貌圖。由圖可以看出漂珠作為減輕材料和水泥基體完全的膠結(jié)在一起,且膠結(jié)界面上無明顯的過渡層,說明漂珠和水泥基體之間具有良好的膠結(jié)作用。同時,從低密度水泥石的微觀形貌可見,漂珠均勻分散在水泥石基體中,與水泥基體一同構(gòu)成了低密度水泥石的特殊骨架結(jié)構(gòu)。

由于漂珠為一種密閉的剛性球體,在水泥石中嫩能堵塞毛細(xì)孔道,降低水泥石的滲透性,提高致密性,因此能提高水泥石的抗壓強度,支撐低密度水泥石在受壓時具有較好的抗應(yīng)力能力,所以低密度水泥石在較少的水泥膠結(jié)相的情況下依然具有良好的抗壓強度。但是,低密度水泥石由漂珠和水泥基質(zhì)組成的骨架結(jié)構(gòu),其內(nèi)部是分布有大小不均的孔隙的結(jié)構(gòu)體,當(dāng)其受到拉應(yīng)力時,易在微裂紋或微孔洞邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中[11],由于漂珠是一種表面光滑的空心球體,并不具備阻止裂紋延伸的能力,導(dǎo)致水泥石具有高抗壓強度、低抗拉強度的特點。

圖5 低密度水泥石斷裂面微觀形貌圖(a)水泥基質(zhì)和漂珠完全膠結(jié)在一起;(b)水泥石斷面上分布大小不均的孔隙Fig.5 Low density cement fracture surface morphology of FIG(a) cement matrix and cenosphere fully cemented together porosity;(b)a cross-sectional size distribution uneven cement

4 結(jié) 論

(1)漂珠的剛性致使漂珠低密度水泥漿體系具有較高的抗壓強度和較低的抗拉強度；

(2)模擬井下環(huán)境時,低密度水泥石三軸下強度和形變能力都有較大幅度的提高,且三軸實驗?zāi)軌蚋鼫?zhǔn)確的反應(yīng)水泥石在井下的應(yīng)力-應(yīng)變情況；

(3)高溫養(yǎng)護下低密度水泥石的孔隙分布較低溫水泥石增大,低溫水泥石力學(xué)性能優(yōu)于高溫水泥石；

(4)提高高溫下漂珠低密度水泥的抗拉性能可以有效的保障井筒的力學(xué)完整性,使其滿足固井工程要求。

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Mechanical Properties of Floating Bead Low-density Oil-well Cement Composites

AIZheng-qing1,LIZao-yuan2,LINing1,LINLuan2,YUANZhong-tao1,GUOXiao-yang2,CHENGXiao-wei2

(1.Tarim oilfield company,CNPC,Korla,841000,China;2.Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

Cenosphere used as a mitigation material in low density cement system which widely used in the formation of low pressure leaky cementing project. Aim to fully explore the mechanical properties of the floating bead low density cement, the manuscript investigated the compressive strength and tensile strength in different temperature condition. Simulated the underground environment to operate the stress-strain testing, and analyze the microscopic morphology and pore size distribution of the samples. The results showed that the cenosphere has a good compatibility with cement. Cenosphere has the rigid non-crack resistance properties and makes the cement stone has a higher compressive strength and lower tensile strength. The pore size distribution of cement stone cured in high temperature has a widely range compared with the cement cured in low temperature. The density of high temperature cured cement is lower too.

low-density cement composite;mechanical property;tensile strength;microscopy photography;pore size diatribution

艾正青(1975-)，男，工程碩士，高級工程師.主要從事固井科研工作.

郭小陽,教授,博士生導(dǎo)師.

TG174.4

A

1001-1625(2016)09-3062-04