固井二界面泥餅固化強(qiáng)度室內(nèi)評(píng)價(jià)方法建立

步玉環(huán)， 周林維， 杜嘉培， 郭炳亮， 趙樂天

(中國石油大學(xué)(華東) 非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580)

0 引 言

在固井過程中，由于井壁上泥餅的存在，導(dǎo)致水泥石不能直接與井壁膠結(jié)，易形成水泥環(huán)與井壁(即二界面)之間的微間隙，從而造成固井二界面膠結(jié)質(zhì)量差[1-5]。目前，為解決該問題，除了研究高效沖洗隔離液提高對(duì)泥餅的清洗能力外，泥餅固化技術(shù)逐漸成為解決固井二界面膠結(jié)質(zhì)量問題的有效方法[6-7]。

從鉆井液轉(zhuǎn)化為固井液(MTC)固井技術(shù)到泥餅防地成凝餅(MTA)固井技術(shù)，以及多功能鉆井液的研究，其本質(zhì)都是在固井水泥石和井壁之間形成具有一定強(qiáng)度的隔層[8-11]。泥餅固化后具有薄而韌的特性，可以有效避免固井二界面的封隔失效問題，但是，如何在實(shí)驗(yàn)室中評(píng)價(jià)固化泥餅的質(zhì)量成為了現(xiàn)階段存在的關(guān)鍵問題。常規(guī)的泥餅強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法大部分只能定性評(píng)價(jià)泥餅質(zhì)量，或者只能間接定量評(píng)價(jià)泥餅強(qiáng)度[12]。本文建立的固化泥餅強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法操作簡單、靈活可靠，可直接根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算泥餅強(qiáng)度，為泥餅固化技術(shù)的研究提供可靠的評(píng)價(jià)方法。

1 泥餅固化強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法

1.1 固化泥餅制備方法

泥餅的制備方法采用濾失成餅法，即將鉆井液基漿、含有泥餅固化材料的鉆井液體系放入濾失筒中，在0.7 MPa壓力下濾失一定時(shí)間后得到具有一定厚度的泥餅。圖1所示為鉆井液基漿(左)和含有泥餅固化材料的鉆井液體系(右)所形成的泥餅。

圖1 濾失法形成的泥餅

泥餅的強(qiáng)度激活方法主要采用滲濾法，即采用失水筒加壓使激活劑滲透進(jìn)入泥餅，試驗(yàn)壓力1 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度75 ℃。激活劑采用硅酸鈉和氫氧化鈉的水溶液，其中硅酸鈉和氫氧化鈉的質(zhì)量比為40∶1。經(jīng)過激活劑作用后，通過觀察和初步定性檢測，泥餅具有了一定的強(qiáng)度和硬度，因此證明該固化方法的可行性，即通過潛活性材料復(fù)配改性鉆井液，采用滲濾法制備改性泥餅，之后通過激活劑對(duì)泥餅進(jìn)行激活，形成具有一定強(qiáng)度的泥餅，從而實(shí)現(xiàn)二界面的整體固化[13]。

1.2 泥餅固化強(qiáng)度測試裝置

受水泥漿初終凝測定方法的啟發(fā)，筆者進(jìn)行固化泥餅突破極限載荷的測量裝置的改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，支架上方的金屬桿可自由移動(dòng)，金屬桿末端嵌入高強(qiáng)度鋼針，壓力傳感器放置于底座中心。在測試過程中，將制備的泥餅放置于壓力傳感器上，操作金屬桿向下緩慢釋放使鋼針作用于泥餅，記錄鋼針破壞泥餅時(shí)壓力傳感器的示數(shù)，此時(shí)測得泥餅承受針入突破的極限力(單位為N)。

圖2 泥餅強(qiáng)度評(píng)價(jià)裝置結(jié)構(gòu)圖

1.3 泥餅固化強(qiáng)度測試步驟

泥餅固化強(qiáng)度的測試思路為：形成泥餅—激活泥餅—固化強(qiáng)度評(píng)價(jià)。

具體步驟為：

(1)利用泥餅制備方法制備待評(píng)價(jià)的固化泥餅。

(2)校核泥餅固化強(qiáng)度評(píng)價(jià)裝置的金屬桿自由移動(dòng)情況，確保金屬桿自由移動(dòng)且不受阻力影響。

(3)校核泥餅固化強(qiáng)度評(píng)價(jià)裝置的壓力傳感器的靈敏度，以便保證對(duì)固化泥餅極限突破力的準(zhǔn)確測量。

(4)調(diào)整底盤高度，保證控制旋鈕完全釋放后鋼針與測力傳感器底盤剛剛不接觸，即此時(shí)壓力傳感器不受力的作用。

(5)將制備好的泥餅放置于壓力傳感器盤上，釋放控制旋鈕使金屬桿自由下落，此時(shí)鋼針突破固化泥餅，泥餅受力后傳至壓力傳感器，記錄該力值。

(6)將泥餅移動(dòng)一位置，避免鋼針落入已經(jīng)測定的插孔內(nèi)，重復(fù)步驟(5)進(jìn)行突破力的重復(fù)測量(至少3次)。

(7)將多次測定的極限突破力進(jìn)行加權(quán)平均，得到固化泥餅的極限突破力。

2 二界面泥餅固化強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法的建立

在建立的固化泥餅強(qiáng)度評(píng)價(jià)裝置的測試中，只能測定泥餅的極限突破力，但強(qiáng)度的表征一般采用單位面積的受力表示，需要進(jìn)行力的轉(zhuǎn)化。雖然在鋼針突破泥餅時(shí)只是頂面1 mm的接觸，但在鋼針運(yùn)行中泥餅所受的作用較為復(fù)雜，一方面泥餅受到鋼針在1 mm圓形范圍內(nèi)的壓強(qiáng)作用，但泥餅底部受到完全的支撐；另一方面由于泊松效應(yīng)，泥餅受鋼針作用變形區(qū)域會(huì)受到周圍泥餅的影響。

由于泥餅的受力復(fù)雜，通過常規(guī)計(jì)算手段使得轉(zhuǎn)化過程十分困難，為此，采用了數(shù)值模擬的方法，利用ABQUS軟件建立泥餅?zāi)Ｐ停⒃O(shè)置模型各項(xiàng)參數(shù)與實(shí)際泥餅?zāi)Ｐ拖嗤?，?duì)其進(jìn)行受力分析，并得出泥餅極限突破力與泥餅強(qiáng)度之間的關(guān)系。

2.1 泥餅正向受力轉(zhuǎn)化抗壓強(qiáng)度的依據(jù)

在材料破壞分析中，采用了Mises屈服準(zhǔn)則作為泥餅破壞的強(qiáng)度準(zhǔn)則。Mises屈服準(zhǔn)則統(tǒng)一了單向拉壓狀態(tài)的第1強(qiáng)度理論、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的第3強(qiáng)度理論和第4強(qiáng)度理論，尤其在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)有限元數(shù)值分析中，Mises屈服準(zhǔn)則獲得了更為廣泛的應(yīng)用[14]。本研究采用Mises應(yīng)力準(zhǔn)則的依據(jù)為：①采用自制泥餅測量裝置測試泥餅強(qiáng)度，泥餅受力條件復(fù)雜：包括鋼針對(duì)泥餅1 mm圓形區(qū)域的壓強(qiáng)、圓形區(qū)域周圍的擠壓、泥餅底部的支持力以及泥餅發(fā)生變形后受力區(qū)域周圍的擠壓。Mises屈服準(zhǔn)則適用于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的數(shù)值分析，并且所需主要參數(shù)通過本實(shí)驗(yàn)室的測量設(shè)備測得；②泥餅本身不受靜水壓力的影響，有效減小了Mises屈服準(zhǔn)則的使用誤差；③泥餅不同于普通的混凝土材料，具有一定的彈韌性(見圖3)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泥餅破壞處四周有細(xì)微的裂紋，可判定其破壞形式具有韌性斷裂的特征，此種破壞形式由最大Mises應(yīng)力控制，因此使用Mises屈服準(zhǔn)則更準(zhǔn)確可靠[15]。

圖3 鋼針對(duì)泥餅的作用示意圖

2.2 泥餅?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

利用ABAQUS力學(xué)軟件建立泥餅的模型，如圖4所示。模型各項(xiàng)參數(shù)與實(shí)際泥餅的各項(xiàng)參數(shù)相同：泥餅直徑64 mm，厚度2 mm，在泥餅底部施加約束。

圖4 泥餅?zāi)Ｐ?/p>

泥餅固化程度測試中，鋼針對(duì)泥餅的破壞實(shí)際上是鋼針在泥餅上1 mm圓形范圍內(nèi)施加一個(gè)分布應(yīng)力，隨著該壓強(qiáng)的增加，當(dāng)泥餅所受最大應(yīng)力超過其屈服應(yīng)力時(shí)泥餅發(fā)生破壞。基于此，在所建模型中對(duì)泥餅中心1 mm圓形范圍施加一個(gè)壓強(qiáng)并進(jìn)行力學(xué)分析。

2.3 泥餅正向應(yīng)力與抗壓強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化

基于以上所建模型，輸入通過自制設(shè)備測出的突破極限作用力和通過室內(nèi)超聲測量裝置測得的物性參數(shù)，通過數(shù)值模擬得出泥餅受到正向作用力作用后的受力云圖(見圖5)。觀察圖5可以看出，泥餅只在中心區(qū)域的附近受到應(yīng)力作用。在受力云圖上設(shè)置由泥餅受力中心至泥餅受力為0處任意一點(diǎn)的直線路徑，對(duì)該路徑上的應(yīng)力數(shù)據(jù)通過曲線的形式導(dǎo)出(見圖6)，即可獲得泥餅破壞的最大Mises應(yīng)力(曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Mises應(yīng)力)。該模型需輸入的參數(shù)共有3個(gè)：作用力、彈性模量和泊松比。因此需要對(duì)固化泥餅的真實(shí)彈性模量和泊松比進(jìn)行測試。

圖5 泥餅受力云圖

圖6 某路徑上的泥餅應(yīng)力曲線

2.4 泥餅自身彈性模量及泊松比的測定

固化泥餅不同于普通的硬脆性材料，由于泥餅中含有較多的有機(jī)聚合物添加劑成分，并且泥餅含水率要遠(yuǎn)高于普通水泥基材料，造成泥餅的彈性模量遠(yuǎn)低于普通水泥基材料，而泊松比則要大很多。筆者采用超聲測量裝置對(duì)幾種鉆井液體系形成的固化泥餅進(jìn)行了縱橫波速測量，如圖7所示。該系統(tǒng)由Olympus 5058PR高壓超聲脈沖發(fā)生器接收器和基于Labview的NI PXIe-1071數(shù)據(jù)采集儀組成。

縱波探頭選用Olympus V101-RB，橫波探頭選用Olympus V150-RB，并通過下式計(jì)算得到了幾種鉆井液體系固化泥餅的彈性模量和泊松比(結(jié)果見表1)：

(1)

(2)

表1 不同鉆井液泥餅的彈性模量和泊松比

式中：E為彈性模量，GPa；ρ為實(shí)驗(yàn)對(duì)象密度，kg/m3；vP為縱波速度，m/s；vS為橫波速度，m/s；υ為泊松比。

2.5 泥餅抗壓強(qiáng)度的計(jì)算

基于以上所建模型，通過模擬研究了突破力、彈性模量和泊松比與泥餅的最大Mises應(yīng)力的關(guān)系。模擬過程中，分別保持上述3個(gè)因素中2個(gè)因素不變進(jìn)行單因素分析(在測定的幾種鉆井液固化泥餅的彈性模量和泊松比范圍內(nèi))，計(jì)算泥餅破壞的最大Mises應(yīng)力。圖8所示為針刺部位放大100倍的變形，通過數(shù)值模擬的變形圖可以看出與實(shí)驗(yàn)得到的變形圖(見圖3)的變形非常吻合。模擬計(jì)算彈性模量和泊松比等參數(shù)對(duì)泥餅受到的最大Mises應(yīng)力之間的關(guān)系如圖9和10所示。由圖9可以看出，不同泥餅彈性模量的變化對(duì)泥餅強(qiáng)度基本沒有影響，即彈性模量對(duì)泥餅強(qiáng)度的影響基本可以忽略；由圖10可以看出，泥餅泊松比的變化對(duì)泥餅強(qiáng)度有一定影響，但是不同泥餅的泊松比差別很小(見表1)，其影響也可以忽略。

圖8 針刺部位放大100倍變形(算例鉆井液4)

圖9 泥餅最大Mises應(yīng)力與彈性模量的關(guān)系

圖10 泥餅最大Mises應(yīng)力與泊松比的關(guān)系

模擬計(jì)算不同鉆井液的固化泥餅破壞的最大Mises應(yīng)力計(jì)算抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)及采用自制評(píng)價(jià)裝置實(shí)驗(yàn)得到的針刺極限突破力如表2所示。將所得數(shù)據(jù)繪制成針刺突破極限作用力與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖(見圖11)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)泥餅的計(jì)算抗壓強(qiáng)度與針刺突破極限作用力具有良好的線性關(guān)系，因此可得出：

S=0.624 9F-0.007 9

(3)

式中:S為固化泥餅強(qiáng)度，MPa；F為固化泥餅極限突破力，N。

綜上所述，對(duì)于本文研究的鉆井液基漿和4種鉆井液體系，固化泥餅強(qiáng)度主要與實(shí)驗(yàn)測定的極限突破力的大小有關(guān)，彈性模量和泊松比的影響可以忽略。因此，可以采用針刺測定固化泥餅極限突破力的方法，將實(shí)驗(yàn)得到數(shù)值代入式(3)進(jìn)行力學(xué)值和強(qiáng)度值的轉(zhuǎn)換，即可得到固化泥餅的強(qiáng)度值。

表2 不同鉆井液泥餅的計(jì)算抗壓強(qiáng)度

圖11 泥餅針刺突破極限作用力與泥餅強(qiáng)度的關(guān)系

表3 泥餅抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證 MPa

3 泥餅抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為了對(duì)泥餅抗壓強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)泥餅的剪切膠結(jié)強(qiáng)度與液壓作用下固化泥餅被突破的壓力進(jìn)行了測試，結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，泥餅的計(jì)算抗壓強(qiáng)度與其剪切膠結(jié)強(qiáng)度以及突破壓力有很好的吻合性，當(dāng)計(jì)算抗壓強(qiáng)度大時(shí)，其剪切膠結(jié)強(qiáng)度與突破壓力也相應(yīng)增大。因此，綜上所述，固化泥餅的抗壓強(qiáng)度可以通過對(duì)固化泥餅針刺極限突破力的測量及式(3)的計(jì)算得到。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)目前泥餅固化技術(shù)研究中泥餅強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法欠缺的問題，提出了固化泥餅的強(qiáng)度測試和評(píng)價(jià)方法，該方法利用自制簡易裝置測試泥餅固化程度，并通過建模分析泥餅所受極限力與泥餅強(qiáng)度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)證明，泥餅固化強(qiáng)度與泥餅承受的針刺突破極限應(yīng)力具有良好的線性相關(guān)性，通過擬合公式計(jì)算得到的強(qiáng)度與泥餅的剪切膠結(jié)強(qiáng)度與突破壓力具有較好的吻合性。該方法能夠定量描述泥餅的固化強(qiáng)度，簡單易行，對(duì)于泥餅固化技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)具有重要的意義。