漂珠低密度固井水泥石的力学性能研究

艾正青，李早元,李 宁，林 銮,袁中涛,郭小阳,程小伟

(1.中国石油塔里木油田分公司,库尔勒 841000;2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都 610500)



漂珠低密度固井水泥石的力学性能研究

艾正青1，李早元2,李 宁1，林 銮2,袁中涛1,郭小阳2,程小伟2

(1.中国石油塔里木油田分公司,库尔勒 841000;2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都 610500)

以漂珠为减轻材料的低密度水泥浆体系在低压易漏地层的固井工程中得到了广泛的应用。为全面探索漂珠低密度水泥石的力学性能,本文对低密度水泥石在不同温度下的抗压强度、抗拉强度进行测试,模拟井下环境对水泥石进行应力-应变测试,并对其微观形貌和孔径分布进行分析。结果表明：漂珠与水泥具有良好的相容性；漂珠具有抗压强度和刚性不阻裂等性质,致使漂珠低密度水泥石具有较高的抗压强度和较低的抗拉强度；高温养护水泥石的孔径分布较低温养护增大,高温水泥石致密性较低。

低密度水泥石； 力学性能； 抗拉强度； 微观形貌； 孔径分布

1 引 言

近年来,国内外科研机构利用颗粒级配充填堆积理论,通过优选减轻材料及外加剂,研发出了1.20～1.65 g/cm3不同密度的水泥浆体系[1]。漂珠低密度水泥浆体系具有流变性好,失水低等良好的工程性能,在我国西部油田的高温、低压易漏深井中得到广泛应用[2]。由于低密度水泥浆在井下形成水泥环后,在其封固期间将会面临射孔、酸化、压裂等增产措施作业,对水泥环的力学完整性提出严峻的考验[3],因此,对低密度水泥浆的力学性能研究显得十分重要。但调研发现,目前国内对低密度水泥浆体系的研究多集中于满足固井施工要求的工程性能[4-6],而对其力学性能的评价,尤其是早期抗压强度的发展未作深入研究,导致无法全面的认识中空玻璃微珠低密度水泥浆体系的力学性能,无法科学的提高低密度水泥石的整体性能。为此,本文通过室内实验,对低密度水泥浆的工程性能和力学性能进行研究,主要包括水泥石抗压强度、抗拉强度以及三轴应力-应变曲线,同时通过扫描电镜和压汞法对水泥石的微观形貌和孔隙结构进行分析,为科学提高低密度水泥浆体系的力学性能提供实验和理论依据。

2 实 验

2.1 实验材料和仪器

实验材料主要包括G级油井水泥(阿克苏青松水泥厂)、3M漂珠(抗压强度>80 MPa)、微硅(乐山市托阳牌)、降失水剂和分散剂(现场取样)、自来水(成都市新都区自来水厂)。

所用的实验仪器包括OWC-9100型高速搅拌器(沈阳航天航空技术学院)、YA-300型电子液压试验机(北京海智科技开发中心) RTR-1000型三轴岩石力学测试系统(美国GCTS公司)、JSM-6490LV型扫描电子显微镜(日本JEOL公司)和Auto Pore IV-9500压汞仪(美国麦克公司)。

2.2 实验方法

将100 g水泥、25 g漂珠、15 g微硅和2 g降失水剂、1 g分散剂混合均匀后,按0.508水灰比,参照GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》制备水泥浆并进行工程性能(密度、滤失量、失水量和稠化时间)测试；水泥浆流动度测试按照GB/T 8077-2012 《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行。

将水泥浆注入模具,分别置于30 ℃、60 ℃、90 ℃水浴环境中进行养护,养护时间为3 d、7 d、14 d和28 d；并用电子液压试验机测定水泥石抗压强度和抗拉压力；按照GB/T 50266-2013《工程岩体试验方法标准》[7],用三轴岩石力学测试系统测定水泥石的三轴和单轴应力-应变曲线,三轴实验围压10 MPa,单轴测试围压为0 MPa,加载速度2 kN/min；用扫描电子显微镜观察漂珠水泥石受力断裂后的断面形貌；用压汞仪测定水泥石的孔径分布。

3 结果与讨论

3.1 水泥石力学性能分析

抗压强度是表征油井水泥石力学性能最常用和关键的指标,抗压强度较高的水泥石固井质量一般较好[8]。图1为低密度水泥石在30 ℃、60 ℃、90 ℃养护条件下的抗压强度,可以看出：在60 ℃和90 ℃养护环境下,低密度水泥石3 d的抗压强度已经有了较大的发展,而30 ℃养护条件下水泥石的抗压强度较低,这是由于低温环境下水泥石水化速度较慢,导致水泥石的抗压强度较低；随着养护龄期的增长,水泥石的抗压强度得到进一步的发展,尤其是在低温(30 ℃)下早期强度发展较低的低密度水泥石在14 d和28 d龄期之后的抗压强度有了大幅的提高,接近与60 ℃和90 ℃养护条件下的低密度水泥石。

油井水泥石在其服役期间由于生产开发的需要,会面临套管试压、酸化压裂增产、井筒内压变化等工况变化,而研究[9]表明,在试压和压裂条件下可能导致水泥环周向拉伸破坏,形成径向裂纹；井内压力大幅度变化,使套管壁处水泥环承受的径向拉应力超过抗拉强度,破坏界面胶结,形成微环隙。

图2为低密度水泥石在30 ℃、60 ℃、90 ℃养护条件下抗拉强度发展规律,可以看出：低密度水泥石在30 ℃养护下,早期抗拉强度(3 d)发展较低,与60 ℃和90 ℃养护条件下水泥石的抗拉强度相差较远；随着养护龄期的增长,不同温度点下水泥石的抗拉强度有了较大的提高,这与水泥石的抗压强度的发展规律相似；14 d养护龄期,30 ℃、60 ℃、90 ℃养护条件下水泥石的抗拉强度分别达到1.8 MPa、3.1 MPa、2.5 MPa,其中60 ℃养护条件下低密度水泥石抗拉强度最佳,90 ℃次之,30 ℃最低,说明抗拉强度是低密度水泥石的薄弱点,有进一步提高的空间。

图1 低密度水泥石抗压强度Fig.1 Compressive strength of low density cement compressive strength

图2 低密度水泥石抗拉强度Fig.2 Tensile strength of low density cement

3.2 水泥石力学形变能力分析

常规水泥石力学性能均在单轴受力情况测试,所测得的单轴抗压强度不能真实反映水泥石在井下环境中的力学性能[10]。图3所示为60 ℃养护下低密度水泥石单轴和三轴应力应变曲线,由图可知,低密度水泥石在围压作用下,峰值强度和峰值形变值都有了较大幅度的提高,其中低密度水泥石在围压下的峰值强度和峰值形变值达到43.1 MPa和1.17%,无围压下的峰值强度和峰值形变值为24.1 MPa和0.88%,这是因为围压可以有效的愈合水泥石在外载荷作用下产生的裂纹和结构破坏,大幅提高水泥石的极限强度和极限形变能力。

图3 60 ℃养护下低密度水泥石单轴和三轴应力应变曲线Fig.3 Uniaxial and triaxial stress-strain curves of low density cement at 60 ℃

图4 低密度水泥石孔径分布图Fig.4 Pore size distribution low density cement

3.3 水泥石孔径分布测试及分析

图4为水泥石孔径分布图,测试对象为60 ℃和90 ℃养护28 d的低密度水泥石。从图可以看出60 ℃和90 ℃水泥石的孔径分布存在较大的差异；60 ℃养护下的水泥石孔径主要集中在10～70 nm范围内,且曲线呈“单峰”特征,其“峰值”出现在50 nm处,说明水泥石中50 nm的孔径分布较多；而90 ℃养护下水泥石呈“双峰”特征,孔径主要集中在10～70 nm和550～2200 nm两个区间。因此,实验结果说明90 ℃养护下水泥石的内部大孔径孔隙多余60 ℃水泥石,高温下漂珠低密度水泥石的致密性较差,力学性能较低。这可能是60 ℃养护下水泥石的抗拉强度优于90 ℃水泥石抗拉强度的原因。

3.4 水泥石SEM图像分析

图5为水泥石断裂面的微观形貌图。由图可以看出漂珠作为减轻材料和水泥基体完全的胶结在一起,且胶结界面上无明显的过渡层,说明漂珠和水泥基体之间具有良好的胶结作用。同时,从低密度水泥石的微观形貌可见,漂珠均匀分散在水泥石基体中,与水泥基体一同构成了低密度水泥石的特殊骨架结构。

由于漂珠为一种密闭的刚性球体,在水泥石中嫩能堵塞毛细孔道,降低水泥石的渗透性,提高致密性,因此能提高水泥石的抗压强度,支撑低密度水泥石在受压时具有较好的抗应力能力,所以低密度水泥石在较少的水泥胶结相的情况下依然具有良好的抗压强度。但是,低密度水泥石由漂珠和水泥基质组成的骨架结构,其内部是分布有大小不均的孔隙的结构体,当其受到拉应力时,易在微裂纹或微孔洞边缘产生应力集中[11],由于漂珠是一种表面光滑的空心球体,并不具备阻止裂纹延伸的能力,导致水泥石具有高抗压强度、低抗拉强度的特点。

图5 低密度水泥石断裂面微观形貌图(a)水泥基质和漂珠完全胶结在一起;(b)水泥石断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 结 论

(1)漂珠的刚性致使漂珠低密度水泥浆体系具有较高的抗压强度和较低的抗拉强度；

(2)模拟井下环境时,低密度水泥石三轴下强度和形变能力都有较大幅度的提高,且三轴实验能够更准确的反应水泥石在井下的应力-应变情况；

(3)高温养护下低密度水泥石的孔隙分布较低温水泥石增大,低温水泥石力学性能优于高温水泥石；

(4)提高高温下漂珠低密度水泥的抗拉性能可以有效的保障井筒的力学完整性,使其满足固井工程要求。

[1] 张宏军.高强超低密度水泥浆体系研究[J].钻采工艺,2006,29(6):107-110.

[2] 黎泽寒,李早元,刘俊峰,等.低压易漏深井大温差低密度水泥浆体系[J].石油钻采工艺,2012,34(4):43-46.

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[11] 陈 勉,金 衍,张广清.石油工程岩石力学[M].北京：科学出版社,2008:28-29.

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，工程硕士，高级工程师.主要从事固井科研工作.

郭小阳,教授,博士生导师.

TG174.4

A

1001-1625(2016)09-3062-04