基于HYMOSTRUC3D的固井水泥石孔隙結(jié)構(gòu) 演變及力學(xué)強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

馮穎韜, 張 浩, 崔 策, 溫達(dá)洋, 陳 宇, 王有偉

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院， 廊坊 065201)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類對(duì)油氣能源的消耗與日俱增，油氣開(kāi)發(fā)逐漸向深海、極地和大陸深處進(jìn)軍，固井作業(yè)也隨之面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在油氣井固井作業(yè)中，固井水泥漿是確保油氣井功能完整性的關(guān)鍵材料[1]，具有支撐套管、封閉地下復(fù)雜地層和密封地下油、氣、水層，防止層系串通，保護(hù)產(chǎn)層的重要作用[2-4]。固井水泥環(huán)的耐久性是油氣井使用壽命和綜合生產(chǎn)成本控制的重要影響因素，直接關(guān)系到油氣資源能否安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效、長(zhǎng)期地開(kāi)采[5-6]。而孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能是評(píng)價(jià)固井水泥環(huán)的耐久性的重要指標(biāo)，針對(duì)固井水泥石孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育規(guī)律和力學(xué)性能展開(kāi)研究，可為固井水泥漿的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

近年來(lái)，學(xué)者們主要采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段，針對(duì)固井水泥漿孔隙率和力學(xué)強(qiáng)度來(lái)展開(kāi)水泥漿孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育規(guī)律的研究。范坤等[7]采用壓汞法測(cè)試了水泥漿的孔隙率和孔徑分布，并討論了水泥漿微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)育情況對(duì)力學(xué)強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律的影響。Dousti等[8]采用壓汞法測(cè)試了漂珠低密度水泥漿孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，并結(jié)合分形理論和Menger海綿模型研究了孔體積分形維數(shù)對(duì)孔隙率和力學(xué)性能的影響。文獻(xiàn)[9-10]探討了超低水灰比條件下水泥漿總孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。

HYMOSTRUC3D[11-15]是一款水泥水化數(shù)值模擬軟件，以矢量化的球體代表構(gòu)建水泥顆粒的三維圖像，將水泥水化分為相-界面反應(yīng)和擴(kuò)散控制兩個(gè)階段，量化了水泥顆粒分布、礦物組成、水泥漿體液相分布狀態(tài)和溫度等對(duì)水泥顆粒反應(yīng)速度的影響。HYMOSTRUC3D可用于研究水泥基材料的自收縮[13]、水泥漿中離子傳輸規(guī)律[16]、水泥石抗拉強(qiáng)度和剛度發(fā)展[17]等。

前人研究多采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法評(píng)價(jià)固井水泥石孔隙率和力學(xué)強(qiáng)度的發(fā)展，對(duì)于孔隙率和力學(xué)強(qiáng)度兩者之間作用規(guī)律和影響機(jī)理方面的探討卻相對(duì)較少，且結(jié)合HYMOSTRUC3D軟件展開(kāi)對(duì)固井水泥石孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育規(guī)律的研究尚未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道?；诖?，在HYMOSTRUC3D軟件的基礎(chǔ)上，建立固井水泥漿水化數(shù)值模型，并基于所建水泥漿水化模型模擬研究了不同水灰比(W/C,W/C=0.4、0.44、0.5、0.6、0.8、1.0、2.0)和水化齡期對(duì)固井水泥漿水化過(guò)程中C3S(3CaO·SiO2)、C2S(2CaO·SiO2)、C3A(3CaO·Al2O3)、C4AF(4CaO·Al2O3·Fe2O3)、C-S-H(Ca5Si6O16(OH)·4H2O)、CH(Ca(OH)2)、孔隙率、孔徑分布、抗壓強(qiáng)度和三維結(jié)構(gòu)等的影響。然后，采用Ryshkewitch方程、Schiller方程[18-19]和二次線性方程研究了抗壓強(qiáng)度與孔隙率的關(guān)系

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中所用材料包括：G級(jí)油井水泥，由淄博中昌特種水泥有限公司生產(chǎn)，水泥密度為3.15 g/cm3，其化學(xué)成分如表1所示；降失水劑G86L和消泡劑X60L，中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司湛江分公司提供，加量分別為6%與0.5%；礦物成分根據(jù)Taylor改進(jìn)后的Bogue方程[20-22]和《油井水泥》(GB/T 10238—2015)計(jì)算得出，其中，總堿量按照Na2O當(dāng)量=0.658w(K2O)+w(Na2O)考慮，計(jì)算結(jié)果如表2所示；水泥粒度分布采用英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的Mastersizer 3000型激光粒度分析儀測(cè)試，并用RRB方程對(duì)其累積體積分布曲線進(jìn)行擬合(圖2)RRB方程擬合結(jié)果為y=100-100exp(-0.041 43x1.02)，其中，y為累計(jì)體積分?jǐn)?shù)，x為顆粒直徑，擬合決定系數(shù)(R2)為0.999 86。實(shí)驗(yàn)用水為純水。

表1 G級(jí)油井水泥主要氧化物成分及含量

表2 G級(jí)油井水泥主要礦物成分及含量Table 2 Main mineral composition and content of G-oil well cement

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制作

參照《油井水泥》(GB/T 10238—2015)和美國(guó)石油協(xié)會(huì)(American Petroleum Institute, API)10A-2015配漿制樣。將配制好的水泥漿倒入40 mm×40 mm×40 mm鋼制模具內(nèi)，然后用保鮮膜包裹好樣品后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中密封養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后分別進(jìn)行礦物成分分析和抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試塊如圖1所示。

圖1 40 mm×40 mm×40 mm水泥石試件Fig.1 40 mm×40 mm×40 mm cement paste specimen

1.2.2 CH含量測(cè)試

采用X射線衍射分析儀(X-ray diffraction, XRD，Bruker D8 Advance型，德國(guó)布魯克公司生產(chǎn))測(cè)CH含量。

1.2.3 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

采用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(ZCYA-W300C型，濟(jì)南星火試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn))測(cè)試樣品的抗壓強(qiáng)度，每次測(cè)試4個(gè)樣品，取平均值作為抗壓強(qiáng)度。

2 G級(jí)油井水泥水化數(shù)值建模

2.1 HYMOSTRUC3D模型

HYMOSTRUC3D軟件中涉及的水泥水化參數(shù)主要包括初始水化速率(K0)和臨界穿透閾值(δtr)。充分考慮水泥的礦物成分(如表2所示)，參考文獻(xiàn)[21-22]的研究成果，計(jì)算出水泥水化參數(shù)，如表3所示。

表3 水泥水化參數(shù)K0和δtrTable 3 The hydration parameters K0 and δtr of G-oil well cement

圖2 G級(jí)油井水泥顆粒粒度分布Fig.2 Particle size distribution of G-oil well cement

2.2 表征單元體尺寸

HYMOSTRUC3D軟件、Jennings-Johnson模型、Navi-Pignat模型、CEMHYD3D模型、DuCOM模型等[15,23-26]經(jīng)典水泥水化數(shù)值模擬模型和軟件常選擇的單元體尺寸為100 μm?？紤]在生產(chǎn)過(guò)程中，部分水泥顆粒的直徑可以達(dá)到100 μm以上(圖2)，因此，選取的表征單元體尺寸為200 μm。

結(jié)合水泥顆粒粒度分布RRB擬合結(jié)果(圖2)、水泥礦物組成(表2)、水泥水化參數(shù)(表3)和選取的表征單元體尺寸，代入建立的固井水泥漿水化模型中進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并獲取C3S、C2S、C3A、C4AF、C-S-H、CH、孔隙率、孔徑分布、抗壓強(qiáng)度和三維結(jié)構(gòu)等隨水化齡期和水灰比的變化信息。

3 結(jié)果與討論

3.1 水泥石CH含量

選取水灰比分別為0.4、0.44、0.5的4個(gè)不同水化齡期(1、7、28 d)的試樣進(jìn)行XRD測(cè)試分析，并與HYMOSTRUC3D模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，如表4所示。由表4分析可知，當(dāng)水灰比為0.4時(shí)，模擬CH含量與實(shí)驗(yàn)偏差為0.7%～7.7%；當(dāng)水灰比為0.44時(shí)，模擬CH含量與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相對(duì)偏差為4.3%～8.7%；當(dāng)水灰比為0.5時(shí)，模擬CH含量與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相對(duì)偏差為5.2%～8.6%。HYMOSTRUC3D模擬結(jié)果和XRD測(cè)試結(jié)果的最大相對(duì)偏差為8.7%，結(jié)果整體吻合良好，說(shuō)明用在HYMOSTRUC3D中所建固井水泥漿水化模型模擬水泥石的CH含量變化是可靠的。

表4 固井水泥石CH含量模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison of simulation results and experimental results of CH content of set cement

3.2 抗壓強(qiáng)度

為進(jìn)一步驗(yàn)證所建固井水泥漿水化模型的準(zhǔn)確性，選取3個(gè)不同水灰比(0.4、0.44、0.5)的4個(gè)不同水化齡期(1、7、28、140 d)的水泥石標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，并與HYMOSTRUC3D模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，具體結(jié)果如表5所示。由表5中數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)水灰比為0.4時(shí)，模擬抗壓強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相對(duì)偏差為1.5%～10.7%；當(dāng)水灰比為0.44時(shí)，模擬抗壓強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相對(duì)偏差為0.5%～9.2%；當(dāng)水灰比為0.5時(shí)，模擬抗壓強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相對(duì)偏差為0.5%～9.1%。HYMOSTRUC3D模擬結(jié)果和力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試結(jié)果的相對(duì)偏差基本都在10%以內(nèi)，結(jié)果吻合較好，說(shuō)明用在HYMOSTRUC3D中所建固井水泥漿水化模型模擬水泥漿抗壓強(qiáng)度的變化是可行的?；诖?，研究不同水灰比(W/C=0.4、0.44、0.5、0.6、0.8、1.0、2.0)和水化齡期對(duì)固井水泥漿水化過(guò)程中C3S、C2S、C3A、C4AF、C-S-H、CH、孔隙率、孔徑分布、抗壓強(qiáng)度和三維結(jié)構(gòu)等的影響。

表5 水泥石抗壓強(qiáng)度模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 5 Comparison of simulated and experimental results of compressive strength of cement paste

3.3 固井水泥石微結(jié)構(gòu)演變特征

3.3.1 礦物成分變化

在固井水泥漿固結(jié)硬化變成固井水泥石的過(guò)程中，CH含量隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行而不斷增加，如圖3所示。在0～24 h內(nèi)，CH大量快速生成，幾乎呈線性增長(zhǎng)；24～100 h內(nèi)，CH增長(zhǎng)較快但增長(zhǎng)速度逐漸減??；此后，CH含量增長(zhǎng)越來(lái)越慢并逐漸趨于平緩。

結(jié)合表4和圖3分析認(rèn)為，在水化早期，水泥水化反應(yīng)劇烈進(jìn)行，CH大量快速生成；隨著水泥礦物成分(C3S、C2S、C3A和C4AF)和水的逐漸消耗， C-S-H和CH等水化產(chǎn)物不斷生成并包裹在未水化水泥顆粒表面，進(jìn)一步阻礙了水分的運(yùn)移和離子的遷移，導(dǎo)致水泥水化速率逐漸變緩，反應(yīng)生成的CH也相應(yīng)減少。

3.3.2 三維微結(jié)構(gòu)演變特征

用HYMOSTRUC3D獲取水灰比分別為0.44、1.0和2.0的固井水泥漿的水化信息，圖4為采用Paraview可視化軟件重建水泥石0、1、28、100 d水化齡期的三維微觀結(jié)構(gòu)。

圖3 水泥水化過(guò)程中各組分體積分?jǐn)?shù)時(shí)變規(guī)律Fig.3 Time varying law of volume fraction of components in cement hydration process

圖4 不同水灰比條件下水泥石不同水化齡期三維微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 The three-dimensional microstructure of set cement under different hydration time and different water to cement ratio

由圖4可知，在1 d水化齡期時(shí)，CH和C-S-H等水化產(chǎn)物特征不太明顯，孔隙體積占比較高；28 d和100 d時(shí)，水泥石孔隙體積大小及含量相對(duì)1 d水化齡期時(shí)顯著降低，水化產(chǎn)物含量明顯增加；水泥石100 d的微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)28 d而言，雖然孔隙分布有所減少，水化產(chǎn)物的分布范圍有所增加，但整體差異較??；在相同水化齡期時(shí)，1.0和2.0水灰比的水泥石的孔隙分布明顯比0.44水灰比的水泥石大，水化產(chǎn)物含量較0.44水灰比的水泥石明顯減少；水灰比越大，水泥顆粒水化程度越高，但是整體固相含量越少，孔隙分布越廣。

3.3.3 水泥石三維孔隙結(jié)構(gòu)演變特征

孔隙率是指塊狀材料中孔隙體積與材料在自然狀態(tài)下總體積的百分比[27-30]。Li等[12]將孔隙率分為總孔隙率，毛細(xì)孔隙率和凝膠孔隙率，總孔隙率等于毛細(xì)孔隙率和凝膠孔隙率之和，具體區(qū)分參考文獻(xiàn)[17]。

圖6 不同水灰比條件下水泥石孔徑分布曲線Fig.6 Pore size distribution of set cement under different water to cement ratio

在3.3.2節(jié)的基礎(chǔ)上，用HYMOSTRUC3D定量模擬了不同水灰比條件下水泥漿水化過(guò)程中的孔隙率變化，并獲取了1、3、7、28 d齡期水泥石的孔隙率(毛細(xì)孔效率和總孔隙率)信息(圖5)和孔徑分布(圖6)。由圖5可知，在水泥水化進(jìn)程中，水泥石孔隙率隨水化反應(yīng)的進(jìn)行而逐漸減小，在水灰比一定時(shí)，28 d水化齡期的孔隙率顯著小于1 d水化齡期的孔隙率，且1～3 d孔隙率減小幅度明顯大于7～28 d孔隙率減小幅度，說(shuō)明水泥石孔隙率隨水化反應(yīng)的進(jìn)行而逐漸減小且減小幅度越來(lái)越小。在相同水化齡期時(shí)，水灰比為2.0的水泥石的孔隙率明顯大于水灰比為0.4的水泥石，水泥石孔隙率隨水灰比的增大而變大；0.4～0.6水灰比時(shí)，孔隙率隨水灰比的變化呈近似線性增長(zhǎng)，0.6～2.0水灰比時(shí)，孔隙率隨水灰比的增大幅度逐漸減小。毛細(xì)孔隙率和總孔隙率隨水灰比的變化趨勢(shì)整體一致。

由圖6(a)可知，水灰比為0.44時(shí)，水泥石1、3、28 d的孔徑分布分別為1.13～141.28 μm、1.13～97.90 μm、1.13～60.53 μm，水泥石孔徑分布范圍隨水化反應(yīng)的進(jìn)行逐漸變窄，大孔部分逐漸消失。水泥石1～3 d、3～28 d的孔徑分布寬度隨水化齡期的減小幅度分別為15.3%和1.5%，孔隙率減小幅度分別為12.4%和1.2%，孔隙率和孔徑分布隨水化齡期的變化趨勢(shì)一致。由圖6(b)可知，水灰比為1.0時(shí)，水泥石1、3、28 d的孔徑分布分別為1.13～183.94 μm、1.13～176.46 μm、1.13～169.10 μm，水泥石1～3 d和3～28 d的孔徑分布寬度隨水化齡期的減小幅度分別為2.0%和0.2%，孔隙率減小幅度分別為4.0%和0.3%，孔隙率和孔徑分布隨水化齡期的減小幅度相近。結(jié)合圖6(a)、圖6(b)分析認(rèn)為，水泥石孔隙率和孔徑分布寬度隨水化齡期的變化趨勢(shì)一致，孔隙率和孔徑分布寬度呈正相關(guān)，且可能存在某種定量聯(lián)系，具體有待后期進(jìn)一步深入研究。

結(jié)合圖3～圖6可知，在水化初期，水泥顆粒水化程度較低，水泥石孔隙多被水分占據(jù)，粗孔數(shù)量較多且體積較大，此時(shí)孔隙多為連通孔。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水分隨C3S、C2S、C3A和C4AF等礦物的水化而被大量消耗，C-S-H凝膠和CH等水化產(chǎn)物逐漸生成(圖3、圖4)，產(chǎn)生體積膨脹效應(yīng)并填充孔隙，孔隙率逐漸降低，越來(lái)越多的孔隙被孤立，孔隙結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化。當(dāng)水化到一定齡期后，水泥石基本骨架構(gòu)建完成，所有的孔隙都不再連通[31-33]；粗孔的數(shù)量和體積也相應(yīng)減少，細(xì)孔體積占比相對(duì)增多，孔徑分布變窄，孔隙率明顯降低(圖6)，此時(shí)孔隙多為孤立的毛細(xì)孔和凝膠孔。

水灰比越高，水泥凈漿的初始水體積占比越高，初始孔隙率越大，孔徑分布越寬。雖然水泥的水化能夠起到一定填充孔隙的作用，但是高水灰比水泥漿單位體積的水泥含量相對(duì)更低，水泥水化生成的產(chǎn)物填充孔隙的能力有限，從而導(dǎo)致高水灰比的水泥漿孔隙率也相對(duì)更高。

3.4 孔隙率與抗壓強(qiáng)度

3.4.1 水灰比對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響

水泥石的抗壓強(qiáng)度和孔隙率具有一定內(nèi)在聯(lián)系，孔隙率的變化在一定程度上可以反映抗壓強(qiáng)度的變化[11]?；诖?，用HYMOSTRUC3D模擬了不同水灰比對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響，獲取了1、3、7、28 d水化齡期水泥石的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖7所示。結(jié)合表5和圖7分析可知，在水泥水化進(jìn)程中，水泥石抗壓強(qiáng)度隨水化反應(yīng)的進(jìn)行而逐漸增大。在水灰比一定時(shí)，水泥石28 d水化齡期的抗壓強(qiáng)度顯著高于1 d水化齡期的抗壓強(qiáng)度，1～3 d抗壓強(qiáng)度隨水化齡期的增長(zhǎng)速率明顯大于7～28 d的增長(zhǎng)速率。在相同水化齡期時(shí)，水灰比為0.4的水泥石抗壓強(qiáng)度明顯大于水灰比為1.0的水泥石；水灰比為2.0時(shí)，由于水泥漿中的初始水泥含量較低，初始水體積占比高孔隙率過(guò)大，水泥水化生成的CH和C-S-H等水化產(chǎn)物過(guò)于稀疏(圖4、圖8)無(wú)法支撐骨架，水泥石抗壓強(qiáng)度為0。0.4～0.6水灰比時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨水灰比的變化呈近似線性降低，0.6～2.0水灰比時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨水灰比的減小幅度逐漸降低?？箟簭?qiáng)度隨水化齡期和水灰比的變化與圖5中孔隙率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)恰恰相反。在油氣井固井作業(yè)中，應(yīng)盡可能選擇低水灰比進(jìn)行固井水泥漿配方設(shè)計(jì)。

3.4.2 抗壓強(qiáng)度和孔隙率的變化關(guān)系

選用Ryshkewitch方程、Schiller方程[18-19]、二次線性方程擬合水泥石抗壓強(qiáng)度與總孔隙率、抗壓強(qiáng)度與毛細(xì)孔隙率的變化關(guān)系結(jié)果如圖9所示。

圖7 水泥石抗壓強(qiáng)度隨水灰比的變化關(guān)系Fig.7 The relationship between water to cement ratio and compressive strength of set cement

圖8 不同水灰比條件下水泥石28 d水化產(chǎn)物切片圖Fig.8 The slice photo of hydration products of set cement under different water to cement ratio at 28 d

由圖9可知，抗壓強(qiáng)度與總孔隙率呈負(fù)相關(guān)，抗壓強(qiáng)度與毛細(xì)孔隙率也呈明顯負(fù)相關(guān)，采用Ryshkewitch方程、Schiller方程和二次線性方程擬合抗壓強(qiáng)度與總孔隙率的相關(guān)系數(shù)(R)分別為0.96、0.92、0.95(R2=0.92、0.85、0.91)，擬合效果比較好。而采用Ryshkewitch方程、Schiller方程和二次線性方程擬合抗壓強(qiáng)度與毛細(xì)孔隙率的相關(guān)系數(shù)分別為0.98、0.97、0.98(R2=0.97、0.95、0.97)，均在0.97以上，擬合效果良好?？箟簭?qiáng)度和毛細(xì)孔隙率的關(guān)系相對(duì)與抗壓強(qiáng)度與總孔隙率的關(guān)系而言，更加符合Ryshkewitch方程、Schiller方程和二次線性方程，毛細(xì)孔隙率是決定固井水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展的主要因素。

采用Ryshkewitch方程和二次線性方程擬合抗壓強(qiáng)度與毛細(xì)孔隙率的關(guān)系時(shí)，相關(guān)系數(shù)大于0.97。然而由于二次線性方程在孔隙率大于-b/2a(對(duì)稱軸)時(shí)，抗壓強(qiáng)度與孔隙率呈正相關(guān)，這與文獻(xiàn)[10, 27]的研究成果不太相符，說(shuō)明用二次線性方程擬合孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系并不具有普適性，只在孔隙率不大于-b/2a的時(shí)候適用(a、b分別為二次線性方程擬合曲線的二次項(xiàng)常數(shù)兩一次項(xiàng)常數(shù))。綜上，相對(duì)于Schiller方程和二次線性方程，Ryshkewitch方程在研究毛細(xì)孔隙率與抗壓強(qiáng)度、總孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系時(shí)更具普適性。因此，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，可結(jié)合Ryshkewitch方程開(kāi)展固井水泥漿抗壓強(qiáng)度和孔隙率的發(fā)育規(guī)律研究。

4 結(jié)論

(1)HYMOSTRUC3D模擬CH含量和抗壓強(qiáng)度與XRD測(cè)試CH含量和力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)試抗壓強(qiáng)度的偏差分別為0.7%～8.7%和0.5%～10.7%，偏差相對(duì)較??；并基于所建固井水泥漿水化數(shù)值模型獲取了水泥礦物成分、水化產(chǎn)物、孔隙率、孔徑分布和抗壓強(qiáng)度等隨水化齡期和水灰比的變化關(guān)系，重建了水泥石三維微結(jié)構(gòu)。驗(yàn)證了HYMOSTRUC模型能夠用于模擬水泥水化礦物成分、水化產(chǎn)物與抗壓強(qiáng)度，為水泥研究提供一條新方法。

(2)水泥水化過(guò)程中，孔隙率逐漸減小，孔徑分布逐漸變窄，抗壓強(qiáng)度逐漸增大；隨水灰比的增大，粗孔含量增加細(xì)孔占比減小，毛細(xì)孔隙率和總孔隙率都相應(yīng)增大，孔徑分布變寬，抗壓強(qiáng)度減小。在油氣井固井作業(yè)中，應(yīng)盡可能選擇低水灰比進(jìn)行固井水泥漿配方設(shè)計(jì)。

(3)水泥石抗壓強(qiáng)度與孔隙率呈負(fù)相關(guān)。采用Ryshkewitch方程、Schiller方程和二次線性方程擬合水泥石抗壓強(qiáng)度與毛細(xì)孔隙率的關(guān)系時(shí)，相關(guān)系數(shù)分別為0.98、0.97和0.98；而擬合水泥石抗壓強(qiáng)度與總孔隙率的關(guān)系時(shí)，相關(guān)系數(shù)分別為0.96、0.92和0.95。Ryshkewitch方程、Schiller方程和二次線性方程更適于研究抗壓強(qiáng)度與毛細(xì)孔隙率的關(guān)系。

(4)相對(duì)于Schiller方程和二次線性方程，Ryshkewitch方程在研究抗壓強(qiáng)度與毛細(xì)孔隙率和總孔隙率的關(guān)系時(shí)更具普適性。在實(shí)際應(yīng)用中，可結(jié)合Ryshkewitch方程開(kāi)展固井水泥石抗壓強(qiáng)度和孔隙率的發(fā)育規(guī)律研究。

(5)將水泥石孔隙結(jié)構(gòu)按孔徑劃分，不僅分析了總孔隙率和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，還分析了毛細(xì)孔隙與抗壓強(qiáng)度關(guān)系，發(fā)現(xiàn)毛細(xì)孔隙率是影響固井水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展的主要因素。水泥石孔隙率和孔徑分布寬度隨水化反應(yīng)的進(jìn)行逐漸變小變窄，孔隙率和孔徑分布寬度呈正相關(guān)，且可能存在某種定量聯(lián)系，具體有待后期進(jìn)一步深入研究。