油井水泥石力学性能随加载速率和时间变化的试验研究

＊杨威 丁嘉迪 山永林

（中海油田服务股份有限公司 河北 065201）

常规油井水泥石是一种脆性材料，在油气井增产和生产作业过程中容易产生微裂缝或微环隙，导致水泥环层间封隔能力失效[1]。随着油气资源勘探开发向非常规油气资源等领域拓展，如何保证固井水泥环在复杂井况下（特别是非常规、储气库和压裂井等井况）的密封完整性，防止环空窜流的发生是亟待解决的技术难题[2]。水泥环完整性评价技术表明：通过在水泥浆中加入改性材料，如橡胶颗粒、纤维和纳米材料等，可以增加水泥石的韧性，降低水泥石的脆性，提高水泥环保持完整性的能力[3-5]。目前主要通过单/三轴压缩、巴西劈裂等实验方式测定水泥石的抗压强度、杨氏模量、泊松比和抗拉强度等衡量水泥石增韧降脆性能的高低。加载速率是影响水泥石三轴应力测试结果的一个关键参数。加载速率高低影响着水泥石力学性能的测试结果[6]。此外，水泥石力学性能的发展过程与水泥的水化过程和水化产物的特性存在本质联系。水泥水化过程的影响因素主要包括水泥的化学组成，外加剂组成以及养护温度和养护时间等[7]。本文通过实验探索加载速率和养护时间对水泥石抗压强度、杨氏模量和泊松比的影响，利用4种函数拟合分析加载速率和养护时间对水泥石抗压强度、杨氏模量和泊松比，寻求水泥石力学性能与加载速率和养护时间的关系，为水泥石力学性能测试，水泥石增韧降脆改性和水泥环完整性分析等提供科学依据。

1.实验材料及设计

(1)实验材料

实验主要材料包括G级油井水泥（淄博中昌特种水泥有限公司）、降失水剂C-FL80L（AMPS类聚合物，天津中海油服化学有限公司生产）、C-DF60L（酯类消泡剂，天津中海油服化学有限公司生产）。开展实验的水泥浆的密度为现场固井作业常用的1.90g/cm3，水泥浆的配方为100%G级油井水泥+4%C-FL80L+0.5%C-DF60L+水，水固比0.42。

(2)实验仪器

实验仪器生产厂家及型号为：恒速搅拌器（沈阳航空航天大学应用技术研究所，OWC-9360UD型），常压养护箱（沈阳航空航天大学应用技术研究所，OWC-118D）。岩石三轴实验系统（长春辉阳科研仪器有限公司，TAW-2000型，最大实验应力2000kN，位移控制速率0.01～50mm/min）。

(3)实验方法

根据《油井水泥试验方法》（GB/T 19139-2012）[8]制备1.90g/cm3的水泥浆，然后将水泥浆倒入铜试模中并分别放置常压养护箱中养护（50℃和70℃），养护时间分别为8h，16h，24h，48h，168h，336h和672h。达到设定的养护时间后，将水泥试样从试模中取出，用取芯机钻取直径约为25mm，长约为50.8mm的圆柱水泥石。用磨平机将圆柱水泥石两端磨平。圆柱水泥石的加工精度参考《Standard Test Method for Static Modulus of Elasticity and Poisson's Ratio of Concrete in Compression》（ASTM C469/C469M-2010）[9]，试样两端不平整度低于0.05mm，轴向偏差低于±0.5°。上下端直径偏差低于0.25mm。

2.实验结果及分析

(1)加载速率对水泥石力学性能测试的影响

选取符合ASTM C496-02标准加工精度要求的水泥石圆柱（养护温度70℃，养护时间7天）进行力学测试（加载速率分别设定为0.01mm/min、0.05mm/min、0.1mm/min、0.5mm/min和1mm/min），每次实验至少重复3次。选取对数函数、线性函数对水泥石的平均抗压强度S、平均杨氏模量E和平均泊松比μ与加载速率ν进行拟合以研究其相关性，拟合曲线见 图1、图2和图3。

图1 抗压强度随加载速率的变化曲线Fig.1 Relation curve between compressive strength and loading rate of cement

图2 杨氏模量随加载速率的变化曲线Fig.2 Relation curve between young's modulus and loading rate of cement

图3 泊松比随加载速率的变化曲线Fig.3 Relation curve between poison's ratio and loading rate of cement

采用对数函数拟合时，水泥石抗压强度和加载速率两者具有较好的相关性（图1）。图1表明：随着加载速率的增加，在0.01～0.1mm/min之间时，抗压强度快速增加，在0.1～ 1mm/min之间时，抗压强度缓慢增加，变化趋于平稳。

水泥石杨氏模量随加载速率增加上下波动较大，呈现出先增加再下降然后再下降的特点（图2）。采用对数函数和线性函数拟合的结果显示水泥石杨氏模量和加载速率的相关性较差，相关系数均小于0.25。该结果与孟庆斌等的研究结论一致[10]。

水泥石泊松比随着加载速率的增加呈现出先上升在下降然后再上升的特点（图3）。拟合结果显示采用2种函数拟合获得的拟合方程的相关系数小于0.0201，表明泊松比与加载速率之间的相关性较差。

综合加载速率对水泥石抗压强度、杨氏模量和泊松比的影响，加载速率和水泥石抗压强度相关性强，与水泥石杨氏模量及泊松比相关性差。本研究所得加载速率与抗压强度的关系，可以为不同加载速率下测得的抗压强度修正提供参考。

(2)养护时间对水泥石力学性能的影响

对不同养护时间的常规G级油井水泥石开展力学性能评价实验，每次实验至少重复3次，养护温度分别设置为40℃、50℃和70℃，养护时间分别设置为8h、24h、48h、72h、168h、336h和672h。将不同养护温度的水泥石的平均抗压强度S、平均杨氏模量E和平均泊松比μ与养护时间t进行数据拟合。拟合函数同样选取对数函数和线性函数。抗压强度、杨氏模量和泊松比随养护时间的变化如图4、图5和图6。

图4 不同养护温度下抗压强度随养护时间的变化曲线Fig.4 Relation curve between compressive strength and curing time of cement at different curing temperatures

图5 不同养护温度下杨氏模量随养护时间的变化曲线Fig.5 Relation curve between young's modulus and curing time of cement at different curing temperatures

图6 不同养护温度下泊松比随养护时间的变化图Fig.6 Relation figure between poison's ratio and curing time of cement at different curing temperatures

图4中不同养护温度下抗压强度随养护时间的变化图表示在相同养护时间时水泥石的抗压强度随着温度的升高逐渐升高。相同养护温度时，水泥石的抗压强度在8～72h范围内迅速增加，在72～672h范围内水泥石的抗压强度增加缓慢，进入稳定发展期。在养护温度为40～70℃时，抗压强度和养护时间的关系采用对数函数拟合时的相关性最好，相关系数分别为0.9699，0.9058和0.9282。

图5不同养护温度下杨氏模量随养护时间的变化图显示在相同养护时间时水泥石的杨氏模量随着温度的升高呈现逐渐增加的特点。杨氏模量在8～72h之间时随着养护时间的增加快速增加，在72～672h之间随着养护时间的增加杨氏模量缓慢的增加，进入稳定发展期。用对数函数拟合杨氏模量和养护时间的关系时所得相关系数分别为0.9456，0.8754和0.9243，两者相关性较好。

图6不同养护温度下泊松比随养护时间的变化图显示水泥石泊松比数据随养护时间呈现先增加再下降然后缓慢下降并逐渐稳定的趋势。采用对数函数和线性函数拟合出的函数相关性较差。

综合养护时间对水泥石抗压强度、杨氏模量和泊松比的影响，养护温度为40～70℃时，随着养护时间的增加，水泥石的抗压强度和杨氏模量和养护时间变化的相关性较好，水泥石的泊松比随养护时间变化的相关性较差。水泥石的抗压强度、杨氏模量和泊松比在8～72h时随着时间的增加快速的增加。在72～672h时，水泥石的抗压强度和杨氏模量缓慢增长，泊松比的变化也趋于平稳。有研究表明，水泥石的抗压强度随着养护温度的升高，水泥石抗压强度曲线开始平缓延伸的养护时间逐渐缩短，如110℃条件下，抗压强度曲线开始平缓延伸的时间为48h[7]。因此在实际应用中，可根据实际需要在48～672h之间选取合适的水泥石养护时间。

3.结论

（1）对数函数对水泥石抗压强度随加载速率变化以及对水泥抗压强度和杨氏模量随养护时间变化的拟合结果较为理想。

（2）随着加载速率的增加，水泥石的抗压强度逐渐增加，两者相关性较好。水泥石的杨氏模量和泊松比随加载速率的增加上下起伏波动，相关性较差。加载速率与水泥石和抗压强度的关系，可以为不同加载速率下测得的水泥石的抗压强度修正提供参考。

（3）随着养护时间的增加，在8～72h时，水泥石的抗压强度和杨氏模量快速增加，随后在72～672h时进入增长缓慢阶段，两者与养护时间的相关性较好。水泥石的泊松比随着养护时间的增加亦快速增加并趋于平稳。水泥石的抗压强度、杨氏模量和泊松比在不同养护温度时进入缓慢发展阶段的时间不同。在实际应用中，可根据实际需要在48～672h之间选取合适的水泥石养护时间。