常用G級(jí)油井水泥水化結(jié)構(gòu)變化規(guī)律研究

馮穎韜，宋維凱，溫達(dá)洋，陳 宇，崔 策

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北燕郊065201）

固井通過套管和水泥的膠結(jié)封固作用，封閉地下復(fù)雜地層和封隔地下油、氣、水層，防止層系串通，保護(hù)產(chǎn)層，建立起一條隔絕良好的油氣流開采通道[1-3]。油井水泥作為固井的主要膠凝材料[4-6]，針對(duì)其孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育規(guī)律展開研究，對(duì)指導(dǎo)固井設(shè)計(jì)具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬等方法來研究水泥石孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育規(guī)律[7]。

本文結(jié)合HYMOSTRUC3D 模型和CT 測(cè)試來開展G 級(jí)油井水泥孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育規(guī)律的研究。首先，在HYMOSTRUC3D 模型的基礎(chǔ)上，建立G 級(jí)油井水泥水化數(shù)值模擬模塊，模擬研究不同水灰比（W/C=0.4～3.0）對(duì)水泥水化進(jìn)程的影響，獲取C3S、C2S、C3A、C4AF、C-S-H含量、CH含量、孔隙率、孔徑分布、抗壓強(qiáng)度等隨水化齡期的變化關(guān)系，重建水泥石三維微結(jié)構(gòu)。然后，將低水灰比（W/C=0.4、0.44、0.50）的孔隙率、孔徑分布、三維結(jié)構(gòu)和抗壓強(qiáng)度HYMOSTRUC3D模擬結(jié)果分別與CT 掃描結(jié)果和力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中所用材料包括：G級(jí)高抗硫酸鹽油井水泥，由淄博中昌特種水泥有限公司生產(chǎn)，符合API標(biāo)準(zhǔn)；其化學(xué)成分和物理性能如表1所示；礦物成分根據(jù)Taylor改進(jìn)后的Bogue方程[35]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，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 2000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，實(shí)驗(yàn)用水為武漢市自來水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

表1 水泥主要氧化物成分及物理性質(zhì)

表2 水泥主要礦物成分及含量

1.2.1 樣品制作

在實(shí)驗(yàn)過程中，考慮到水泥漿在選取較高水灰比時(shí)流動(dòng)性過大、水泥漿沉降分層明顯，在較低水灰比時(shí)流動(dòng)性過差，實(shí)際配漿圍繞標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量W/C=0.44選取4 種不同水灰比（W/C=0.40、0.44、0.50、0.60），參照《油井水泥》（GB/T 10238-2015）和API 10A-2015相應(yīng)規(guī)范配漿。將配制好的水泥漿分別倒入40mm×40mm×40mm 鋼制模具內(nèi)（用于力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試）和采用注射器注入1/8″耐高溫PTFE 管中（用于CT 掃描測(cè)試），用保鮮膜包裹好后放入常壓、30℃的養(yǎng)護(hù)箱中密封養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期（1d、2d、3d、7d、28d）后，40mm×40mm×40mm的樣品在力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試前5min進(jìn)行拆模；而PTFE 管中的樣品直接放入無水乙醇中終止水化1d，取出后放入烘箱中，在105℃的溫度條件下烘12h后進(jìn)行CT測(cè)試。

1.2.2 孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用三英精密儀器股份有限公司的Nano Voxel-2000 CT掃描水泥石的三維微觀結(jié)構(gòu)，利用Voxel Studio 軟件進(jìn)行三維重構(gòu)，然后利用Avizo 軟件對(duì)重構(gòu)后的數(shù)據(jù)體進(jìn)行分析處理，得到水泥石三維微觀結(jié)構(gòu)圖，并分析計(jì)算出水泥石的特征孔徑、孔隙率和孔徑分布。測(cè)試采用20倍光耦探測(cè)器，最小分辨率為2μm。

1.2.3 力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試

濟(jì)南星火試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的ZCYA-W300C型抗壓抗折強(qiáng)度力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的抗壓強(qiáng)度，每次測(cè)試選取6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品，取平均值作為抗壓強(qiáng)度，樣品加載速率為2.4kN/s。

2 基于HYMOSTRUC3D的G級(jí)油井水泥水化數(shù)值模型建立

2.1 水泥水化參數(shù)的計(jì)算

HYMOSTRUC3D模型中涉及的水泥水化參數(shù)主要包括初始水化速率K0和臨界穿透速率δtr?；谒嗟V物成分（見表2），參考Nguyen等[14-15]的研究成果，計(jì)算出水泥水化參數(shù)K0和δtr，如表3所示。

表3 水泥的水化參數(shù)K0和δtr

2.2 表征單元體邊界尺寸的選取

本研究考慮到部分水泥顆粒直徑可達(dá)100μm 左右，為使模擬結(jié)果更加真實(shí)可靠，選取RVE 尺寸為200μm。

3 結(jié)果與討論

3.1 水泥石三維微結(jié)構(gòu)

用HYMOSTRUC3D獲取了水泥石在不同水化齡期的微結(jié)構(gòu)，并與CT掃描測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明：水泥水化早期，水泥顆粒水化程度較低，水化產(chǎn)物特征不太明顯，孔隙體積占比較高。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，C3S、C2S、C3A、C4AF 等礦物成分逐漸消耗，CH、C-S-H 凝膠等水化產(chǎn)物逐漸生成填充孔隙，導(dǎo)致孔隙體積逐漸減少。當(dāng)水化到28d時(shí)，水泥水化產(chǎn)物幾乎占據(jù)整個(gè)空間，孔隙含量顯著減少。

3.2 水灰比對(duì)孔隙率的影響

用HYMOSTRUC3D 對(duì)不同水灰比（W/C=0.40、0.44、0.60、0.80、1.0、2.0、3.0）條件下水泥石的孔隙率變化進(jìn)行了定量模擬，并獲取了不同齡期（t=1d、2d、3d、7d、28d）水泥石的孔隙率信息。研究結(jié)果表明：水泥石28d孔隙率明顯小于1d孔隙率，且1～3d孔隙率減小幅度明顯大于7～28d 孔隙率減小幅度，說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越小。水灰比為0.4 的水泥石孔隙率明顯低于水灰比為3.0 的水泥石，水泥石孔隙率隨水灰比的增大而增大。分析認(rèn)為，在水泥水化過程中，水泥和水分逐漸被消耗，C-S-H 和CH 等水化產(chǎn)物逐漸生成膨脹并填充孔隙，從而使孔隙率逐漸降低。對(duì)于水灰比越高的水泥凈漿，其初始水體積占比較高，某種程度上而言其初始孔隙率越大，雖然水泥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。

3.3 抗壓強(qiáng)度及其對(duì)孔隙率的影響

用HYMOSTRUC3D 對(duì)不同水灰比（W/C=0.40、0.44、0.50、0.60、0.80、1.0、2.0、3.0）的水泥石的抗壓強(qiáng)度變化進(jìn)行了定量模擬，并獲取了不同齡期（t=1d、2d、3d、7d、28d）水泥石的抗壓強(qiáng)度。研究結(jié)果表明：水泥石28d抗壓強(qiáng)度明顯高于1d抗壓強(qiáng)度，且1～3d抗壓強(qiáng)度增大幅度明顯大于7～28d 抗壓強(qiáng)度增大幅度，與孔隙率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)是相反的，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越小，而水泥石抗壓強(qiáng)度隨水化反應(yīng)的進(jìn)行逐漸增大且增大幅度越來越小。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；當(dāng)水灰比為2.0及以上時(shí)，水泥漿初始孔隙率過大，28d 孔隙率達(dá)70%以上，水化產(chǎn)物過于稀疏無法支撐骨架，水泥石抗壓強(qiáng)度為0。水泥石抗壓強(qiáng)度隨水化反應(yīng)的進(jìn)行而逐漸增大，水灰比越高，抗壓強(qiáng)度越小。

4 結(jié)論與展望

(1)本研究在HYMOSTRUC3D 模型的基礎(chǔ)上，獲取了固井水泥漿水化過程中C3S、C2S、C3A、C4AF、CS-H含量、CH含量、孔隙率、孔徑分布、抗壓強(qiáng)度等隨水化齡期的變化關(guān)系。

(2)水泥水化過程中，水泥石孔徑分布逐漸變窄，平均孔徑變小，抗壓強(qiáng)度增大；隨水灰比的增大，孔徑分布變寬，粗孔增加細(xì)孔占比減小，孔隙率增大，抗壓強(qiáng)度減小。水泥石抗壓強(qiáng)度與孔隙率呈負(fù)相關(guān)。

(3)水泥石孔徑分布、孔隙率和抗壓強(qiáng)度等隨水灰比和水化齡期的變化而動(dòng)態(tài)變化，沒有嚴(yán)格的規(guī)律可循，難以進(jìn)行定量表征。