水泥石氣密封性實(shí)驗(yàn)研究

杜金龍 ，金衍 *，李坤朝 ，王世永

1中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京102249

2油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249

0 引言

對(duì)固井水泥環(huán)性能的研究始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)主要研究水泥與套管及地層之間膠結(jié)面的性質(zhì)，在此過(guò)程中產(chǎn)生了界面膠結(jié)力[1]、界面剪切力[2]等概念。水泥環(huán)力學(xué)密封失效特性受到重點(diǎn)關(guān)注是在20世紀(jì)90年代，真正從力學(xué)密封角度對(duì)水泥環(huán)開(kāi)展研究的是Goodwin[3]等人。他們基于水泥環(huán)密封特性受溫度和壓力影響這一特性，以套管內(nèi)水泥環(huán)的應(yīng)力狀態(tài)為變量，監(jiān)測(cè)水泥環(huán)與套管結(jié)構(gòu)體的滲透性變化，分析水泥環(huán)結(jié)構(gòu)體的密封性能。他們的研究使行業(yè)內(nèi)意識(shí)到固井水泥的完整性和固井水泥與套管、地層組成的結(jié)構(gòu)體的密封性對(duì)于井筒安全的重要性，水泥環(huán)力學(xué)密封性的研究開(kāi)始進(jìn)入到人們的視線并逐步發(fā)展起來(lái)。Krusche[4]利用與Goodwin等人類似的實(shí)驗(yàn)裝置和方法，也得到了同樣的壓力對(duì)水泥環(huán)力學(xué)影響規(guī)律。Bosma[5]等人提出了一種有限元分析模型來(lái)模擬水泥環(huán)的行為，相對(duì)于理論分析，有限元分析中允許使用更有效的巖石和水泥的本構(gòu)關(guān)系，但其中并沒(méi)有考慮水泥的滲透特性。

對(duì)于變載荷作用下材料的力學(xué)特性研究，主要集中在金屬材料、混凝土材料和巖石材料，并形成了一些較為成熟的理論和實(shí)驗(yàn)方法。但對(duì)于固井水泥，相關(guān)的研究成果較少，可以借鑒混凝土和巖石材料的理論和方法來(lái)研究水泥石疲勞載荷下的力學(xué)特性。對(duì)混凝土疲勞載荷的研究較多[6-11]。Ravi[12]對(duì)水泥石進(jìn)行了循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)非發(fā)泡水泥在循環(huán)加載應(yīng)力超過(guò)其抗壓強(qiáng)度的50%之后，其應(yīng)變曲線不再呈現(xiàn)線性，而且對(duì)高應(yīng)力循環(huán)抵抗能力差。Shadravan[13]在不同的內(nèi)外套管壓差情況下進(jìn)行水泥環(huán)疲勞破壞實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：(1)徑向裂縫總是最先出現(xiàn)；(2)水泥環(huán)內(nèi)外套管壓差越大，疲勞失效周期越小。

目前，對(duì)于水泥環(huán)密封完整性研究，主要集中在水泥環(huán)本體破壞和膠結(jié)面失效，對(duì)于水泥環(huán)損傷的研究較少，基于損傷導(dǎo)致的與滲透率相關(guān)的密封失效研究基本處于空白，而現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的水泥環(huán)完整性失效，在很多情況下，水泥環(huán)既沒(méi)有發(fā)生本體破壞，膠結(jié)面也屬完整。因此，對(duì)于水泥環(huán)損傷及其導(dǎo)致的氣密封性失效的原因和機(jī)理開(kāi)展研究，具有實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及樣品

實(shí)驗(yàn)使用美國(guó)GCTS公司RTR-1500測(cè)試系統(tǒng)(圖1)。RTR高溫高壓巖石綜合測(cè)試系統(tǒng)是一套閉環(huán)數(shù)字伺服控制裝置，用于簡(jiǎn)便、快速地進(jìn)行巖石試樣三軸實(shí)驗(yàn)。能夠模擬地層，在各種復(fù)雜條件下對(duì)巖石材料進(jìn)行單軸或三軸動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)、原始地應(yīng)力、超低滲透率等參數(shù)的測(cè)試?？焖倜}沖衰減滲透率控制器可在高溫、高壓、三軸條件下測(cè)量小于1 μD的液體或氣體的滲透率，測(cè)試樣品兩端最大承受壓差是20 MPa。聲發(fā)射設(shè)備采用了美國(guó)物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的2/4/6差分式前置放大器，增益選擇為20/40/60 dB ±0.5% dB(圖 2)。

圖1 RTR-1500測(cè)試系統(tǒng)及控制面板Fig. 1 RTR-1500 test system and control panel

圖3 實(shí)驗(yàn)樣品Fig. 3 Experimental samples

實(shí)驗(yàn)樣品由中海油田服務(wù)有限公司油田化學(xué)研究院提供，其配方為：G級(jí)水泥+25.00%硅粉+10.00%微硅+4.00%降濾失劑+1.00%緩凝劑+1.00%分散劑+0.20%消泡劑，水泥漿的液固比為0.43，在常溫常壓條件下養(yǎng)護(hù)30天，樣品尺寸為50 mm×25 mm，見(jiàn)圖3。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案及流程

固井水泥環(huán)在經(jīng)歷壓裂、注汽、生產(chǎn)、停產(chǎn)或者其他的一些操作后，可能會(huì)導(dǎo)致水泥環(huán)失效。一般認(rèn)為水泥石失效的主要原因有：(1)水泥石產(chǎn)生殘余變形，造成水泥環(huán)與套管、地層脫粘，形成微環(huán)隙。(2)水泥石在循環(huán)加載過(guò)程中產(chǎn)生微裂縫，造成滲透率增大。本文主要研究殘余變形和滲透率。實(shí)驗(yàn)分為兩部分，(1)觀察循環(huán)加載過(guò)程中，水泥石的殘余應(yīng)變特性，研究殘余應(yīng)變的產(chǎn)生規(guī)律和影響因素。(2)應(yīng)力加載過(guò)程中，水泥石的形變和滲透率變化，以及它們對(duì)水泥石氣密封性的影響。在加載過(guò)程中測(cè)量滲透率，輔以聲發(fā)射監(jiān)測(cè)來(lái)判斷水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化狀況。具體流程和方法如圖4所示。

圖2 聲發(fā)射設(shè)備Fig. 2 Acoustic emission equipment

圖4 實(shí)驗(yàn)方案Fig. 4 Experimental scheme

由于克氏滲透率在測(cè)量致密巖石時(shí)有很大誤差，Brace等[14]在1968年提出脈沖衰減滲透率測(cè)試法。與穩(wěn)態(tài)法滲透率測(cè)試不同[15]，脈沖滲透率的測(cè)試不需記錄巖樣出口流速和驅(qū)替壓差，而是在測(cè)試巖樣入口端施加一定的壓力脈沖，記錄該壓力脈沖在巖樣中的衰減數(shù)據(jù)，然后結(jié)合相應(yīng)的理論公式計(jì)算滲透率，測(cè)量效率比穩(wěn)態(tài)法更高，本文的滲透率測(cè)量采用了脈沖衰減法。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 擴(kuò)容與滲透性關(guān)系

在應(yīng)力加載作用下，隨著應(yīng)力增大，巖石材料體積應(yīng)變由最初的壓縮而變成膨脹的現(xiàn)象，稱之為擴(kuò)容。巖石從應(yīng)力加載開(kāi)始到最終破壞，擴(kuò)容是重要現(xiàn)象，是巖石的一種普遍的體積內(nèi)性質(zhì)，而非僅僅是表面變形的現(xiàn)象，宏觀上的擴(kuò)容是由于微觀裂縫引起的。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，水泥石具有明顯的擴(kuò)容現(xiàn)象(圖5)，水泥石出現(xiàn)擴(kuò)容，標(biāo)志著內(nèi)部已產(chǎn)生微裂縫，而微裂縫的產(chǎn)生影響水泥石滲透率，進(jìn)而影響其氣密封性能，最終導(dǎo)致整個(gè)井筒完整性失效。在不同圍壓條件下，對(duì)水泥石進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，圍壓不僅能提高其峰值應(yīng)力，擴(kuò)容屈服應(yīng)力也有所提高(表1)。

如圖6所示，應(yīng)力加載初期，隨著應(yīng)力增大，水泥石內(nèi)部孔隙受到壓縮，滲透率降低，水泥石氣密封性能增強(qiáng)，該階段幾乎沒(méi)有聲發(fā)射計(jì)數(shù)，說(shuō)明內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，除孔隙被壓縮外，沒(méi)有裂縫產(chǎn)生。繼續(xù)加載，在水泥石體積壓縮到達(dá)體積應(yīng)變峰值點(diǎn)(A點(diǎn))前，體積壓縮速率降低，進(jìn)入擴(kuò)容階段，此時(shí)聲發(fā)射計(jì)數(shù)出現(xiàn)且較多，說(shuō)明內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，滲透率明顯增大。再繼續(xù)加載，擴(kuò)容量繼續(xù)增大，內(nèi)部裂縫繼續(xù)發(fā)展和貫通，滲透率持續(xù)增大。由實(shí)驗(yàn)可知：水泥石在加載過(guò)程中存在一個(gè)產(chǎn)生損傷的閾值點(diǎn)。擴(kuò)容損傷導(dǎo)致水泥石滲透性增大，從整個(gè)加載過(guò)程來(lái)看，滲透率初始值為45 μD，在A點(diǎn)處增大到90 μD，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，增大至228 μD，整個(gè)過(guò)程中水泥石沒(méi)有發(fā)生宏觀破壞，但滲透率的增大最終導(dǎo)致水泥石氣密性失效。

2.2 循環(huán)加載條件下水泥石氣密封失效特性

在循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)階段，水泥石滲透率隨加載和卸載過(guò)程降低或增加，這是由于水泥石內(nèi)部孔隙被壓縮或釋放導(dǎo)致的。但是在整個(gè)循環(huán)加載階段，當(dāng)循環(huán)加載峰值低于擴(kuò)容屈服點(diǎn)時(shí)(即體積應(yīng)變由壓縮轉(zhuǎn)為膨脹的拐點(diǎn))，隨著加載次數(shù)的增加，滲透率降低。也就是說(shuō)在這個(gè)階段，滲透率是下降的。在應(yīng)力卸載后，雖然有一部分變形由于受損未能恢復(fù)，但這部分不能恢復(fù)的形變，幾乎沒(méi)有聲發(fā)射數(shù)據(jù)，說(shuō)明水泥石內(nèi)部沒(méi)有形成可以讓氣體流通的裂縫(圖7)。

圖5 單軸加載條件下水泥石應(yīng)力應(yīng)變曲線及實(shí)驗(yàn)材料Fig. 5 Stress-strain curve of cements and cement samples

表1 不同圍壓擴(kuò)容屈服應(yīng)力及強(qiáng)度結(jié)果Table 1 Dilatancy yield stress and strength results in confining pressure

圖6 2號(hào)水泥石體積應(yīng)變、聲發(fā)射計(jì)數(shù)與滲透率關(guān)系Fig. 6 The volume strain, AE counts and permeability

圖7 加載峰值10 MPa循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)Fig. 7 Cyclic loading experiment with load peak 10 MPa

由圖8和圖9可以看出：當(dāng)循環(huán)加載峰值超過(guò)擴(kuò)容屈服點(diǎn)時(shí)，在單次加載階段(第二次循環(huán))，水泥石開(kāi)始出現(xiàn)擴(kuò)容，體積應(yīng)變由壓縮轉(zhuǎn)為膨脹。由于損傷，水泥石的滲透率隨加載過(guò)程升高，隨卸載過(guò)程降低。但整體來(lái)看水泥石滲透率是升高的，也就是說(shuō)，每次加卸載的滲透率最大和最小值都比上次加卸載的高。這是因?yàn)樗嗍虞d峰值較高，已經(jīng)超過(guò)了其擴(kuò)容損傷應(yīng)力，水泥石受到損傷，且產(chǎn)生了不可恢復(fù)的損傷，在應(yīng)力卸載后，水泥石的滲透率因?yàn)榱芽p的產(chǎn)生和溝通而升高，聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)據(jù)可以證明這一點(diǎn)。每次加載過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)比較明顯的聲發(fā)射信號(hào)，這是水泥石內(nèi)部出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致的。循環(huán)加載過(guò)程中，水泥石巖樣不斷受到損傷，內(nèi)部裂縫不斷產(chǎn)生、發(fā)展甚至貫穿，導(dǎo)致產(chǎn)生了滲流通道，所以滲透率會(huì)隨著加卸載次數(shù)而升高。

圖8 加載峰值35 MPa循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)Fig. 8 Cyclic loading experiment with load peak 35 MPa

圖9 加載峰值55 MPa循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)Fig. 9 Cyclic loading experiment with load peak 55 MPa

由每次卸載后的殘余變形和滲透率可以看出，最嚴(yán)重?fù)p傷發(fā)生在第一次循環(huán)中。由圖10可知，在應(yīng)力值超過(guò)損傷閾值的加卸載過(guò)程中，最嚴(yán)重?fù)p傷發(fā)生在第一次循環(huán)中，首次卸載后，水泥石殘余變形占整個(gè)加卸載過(guò)程總殘余變形的50%以上。

3 結(jié)論

(1)水泥石在加載過(guò)程中存在擴(kuò)容現(xiàn)象，擴(kuò)容是水泥損傷，內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫而導(dǎo)致的體積膨脹反應(yīng)出來(lái)的宏觀現(xiàn)象。擴(kuò)容可以使水泥石在被未破壞的情況下，滲透率急劇增加，氣密封性能失效。

(2)擴(kuò)容損傷對(duì)水泥石氣密封性能影響很大：當(dāng)水泥石所受應(yīng)力低于其擴(kuò)容屈服應(yīng)力時(shí)，水泥石滲透率降低，水泥石氣密封性能增強(qiáng)；而當(dāng)水泥石所受應(yīng)力超過(guò)其擴(kuò)容屈服應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力加載對(duì)水泥石造成嚴(yán)重?fù)p傷，水泥石滲透率上升，氣密封性能下降。

(3)循環(huán)加載過(guò)程中，水泥石損傷、裂縫出現(xiàn)和發(fā)展主要發(fā)生在首次循環(huán)加卸載過(guò)程中，殘余應(yīng)變量最大。單次加卸載循環(huán)造成的損傷、殘余變形及滲透率的增加都會(huì)隨加載次數(shù)降低。

圖10 水泥石殘余應(yīng)變與加卸載次數(shù)之間關(guān)系Fig. 10 Cement residual strain and cycles