交变载荷作用下固井水泥石抗拉强度实验方法研究及应用

赵军，郑友志，何雨，张占武，焦利宾，郭子鸣，付洪琼，陈祖伟

1.中国石油西南油气田分公司工程技术研究院（四川 广汉 618300）

2.国家能源高含硫气藏开采研发中心（四川 广汉 618300）

固井水泥石力学性能是保证水泥环密封完整性的重要因素，直接关系到油气井的固井质量、后续作业和长期安全高效开采[1-3]。从力学上分析，井下水泥石主要承受压应力和拉应力，但因水泥石自身特性的原因，抗拉强度一般远低于抗压强度，导致在井下复杂作业工况下水泥石最容易因拉应力超过其抗拉强度而发生拉伸破坏，严重影响水泥环的层间封隔，引起环空带压等一系列问题[4-6]。对于油气井、储气库井等，井筒试压、井内液体密度变化、压裂、生产、注气采气等工况均会使作用在水泥环上的力发生变化，形成交变载荷，影响水泥石力学性能，因此研究水泥石抗拉强度需考虑井下交变载荷作用工况。目前，国内外学者评价水泥石抗拉强度主要有巴西实验劈裂法、直接拉伸法（内埋法、“狗骨头”法）以及弯折实验法[7-11]。其中，巴西实验劈裂法和弯折实验法为间接测量方法，存在应力集中、实验成功率低、误差大等问题[12-13]；直接拉伸法中内埋法和“狗骨头”法存在接触位置应力集中、不能研究交变载荷作用工况等问题，与现场实际工况贴合性差。以巴西实验劈裂法为例，存在的问题如图1 所示。针对现有评价方法，形成可考虑交变载荷作用工况、准确性高、重复性好的固井水泥石抗拉强度评价方法，探明交变载荷对水泥石抗拉强度的影响，为合理设计固井水泥浆体系，提高水泥石力学性能，保障油气井长期密封完整性，助力油气安全高效开发至关重要[14]。

图1 巴西实验劈裂法两端应力集中示意图

1 水泥石抗拉强度评价方法研究

为消除现有评价方法的不足，基于万能材料实验机，创新研发了一种固井水泥石拉头，优选了一种高强度结构胶，形成了可测量交变载荷作用工况下的固井水泥石抗拉强度实验评价方法。

1.1 水泥石拉头研发

考虑水泥石自身特性和测试方法的普适性，固井水泥浆利用圆柱形养护模具，在水浴养护箱（养护温度低于93 ℃）或高温高压养护釜（养护温度高于93 ℃）中养护成Φ45 mm×200 mm 的圆柱体。为保证作用在水泥石上的力为纯拉力，同时避免水泥石界面受力不均的现象，研发设计了水泥石拉头。如图2所示，拉头下部为内空的圆环，内径为48 mm，用于固定水泥石，上部为中间切割的凹槽，两边中部开孔，实验过程中把夹片放置在水泥石拉头的凹槽中，并用销钉固定，夹片夹持在万能材料实验机上。

从结构上可以看出，该水泥石拉头可保证水泥石只受到纯拉力，不会出现折断、扭断的现象，同时万能实验机的拉力通过拉片、销钉、拉头会均匀传递到水泥石上，不存在应力集中现象。实验过程中记录拉断水泥石的最大拉力，可计算得到水泥石的抗拉强度，如式（1）也可测量在交变载荷作用下水泥石抗拉强度的发展过程。

式中：σt为水泥石抗拉强度，MPa；P为拉断水泥石的最大拉力，N；d为水泥石直径，mm。

1.2 高强度结构胶优选

为保证水泥石与拉头牢固黏接，优选了3种高强度结构胶，分别命名为J1、J2、J3。把养护好并两端打磨平整的水泥石分别用上述3种高强度结构胶与水泥石拉头黏接在一起，开展实验，结果如图3、图4所示。

图3 不同结构胶测试过程中水泥石拉力-变形结果图

图4 不同结构胶测试后水泥石的实验图

通过实验可以看出：①高强度结构胶J1黏接的水泥石试样，当拉力达到1.60 kN 时，拉头与水泥石开始脱离，结构胶的胶结作用开始失效，水泥石的拉力-变形曲线呈现斜率逐渐降低的下降趋势。②高强度结构胶J2黏接的水泥石试样，当拉力达到2.89 kN 时，水泥石被拉断，作用在水泥石上的力立即归零，结构胶黏接稳固，实验成功，测得水泥石抗拉强度为1.82 MPa。从水泥石样品断面可以看出，该方法不存在应力集中现象，可对不同类型水泥浆体系开展抗拉强度测试。③高强度结构胶J3黏接的水泥石试样，当拉力达到2.1 kN 时，拉头与水泥石开始脱离，结构胶的胶结作用开始失效，水泥石的力-变形曲线和高强度结构胶J1类似，因此后续实验均采用高强度结构胶J2开展实验。

1.3 实验方法

利用研发的水泥石拉头及优选的高强度结构胶J2，形成了一种固井水泥石抗拉强度直接拉伸的实验评价方法，该方法可测量交变载荷作用下固井水泥石的抗拉强度，实验测试过程如下：

1）组装水泥石养护模具，调节水浴养护箱（养护温度低于93 ℃）或高温高压养护釜（养护温度高于93 ℃）至设定温度。

2）按照API RP 10B-2—2013规范配制水泥浆[11]，倒入水泥石养护模具中，固定后放入水浴养护箱或高温高压养护釜。

3）养护水泥浆成水泥石至设定养护时间，取出养护好的水泥石，并将两端打磨光滑。

4）用高强度结构胶J2黏接水泥石和拉头，保证水泥石上下拉头的凹槽在同一平面，并利用销钉把水泥石拉头固定在拉片上，拉片夹持在万能材料实验机中。

5）在电脑软件中，设置万能材料实验机实验拉力的加载速率，开展交变载荷实验时，需同时设置好交变载荷的周期、加载速率、卸载速率等，并开始实验。

6）记录拉断水泥石试件的最大拉力P，保存实验数据，计算水泥石抗拉强度σt，其中10轮次交变拉应力作用下水泥浆抗拉强度测试结果如图5所示。

图5 10轮次交变拉应力作用下水泥浆抗拉强度测试结果图

2 水泥石抗拉强度发展规律研究

2.1 水泥浆体系

实验测试评价中使用的3 种水泥浆体系分别是：

1）纯水泥浆体系，配方为：嘉华G 级油井水泥+44%水，密度为1.90 g/cm3，稠化时间为158 min/100 Bc。

2）韧性水泥浆体系1，配方为国外油服公司在川渝地区X井Φ177.8 mm 尾管固井使用的快干水泥浆配方，密度为1.71 g/cm3，稠化时间为234 min/100 Bc。

3）韧性水泥浆体系2，配方为国外服务公司在川渝地区Y井Φ177.8 mm尾管固井使用的水泥浆配方，密度为1.70 g/cm3，稠化时间为312 min/100 Bc。

2.2 抗拉强度发展规律

利用自主形成的固井水泥石抗拉强度直接拉伸法和传统巴西劈裂法开展抗拉强度发展规律测试实验，结果如图6 所示。可以看出：一方面，随养护天数的增加，直接拉伸法测得的水泥石抗拉强度均呈现出增长速率逐渐降低的增大趋势，与水泥浆的水化过程相对应，而巴西劈裂法测得的水泥石抗拉强度规律性较小，也间接表明自主形成的直接拉伸法测试水泥石抗拉强度具有原理可靠、准确性高的优点；另一方面，纯水泥抗拉强度大于两种韧性水泥浆体系的抗拉强度，且直接拉伸法测得的抗拉强度整体比巴西劈裂法测得的水泥石抗拉强度小。如图7 中水泥石断面可以看出，上述情况主要是由于韧性材料与水泥颗粒和水化产物的胶结强度不及水泥颗粒和水化产物自身的胶结强度高所导致的。

图6 不同测试方法测试抗拉强度的结果图

图7 不同水泥浆体系养护的水泥石截面图

3 交变载荷对抗拉强度影响

综合3 种水泥浆体系的抗拉强度，以养护14 d为例，设定交变拉应力上限为1 kN，下限为0.3 kN，加载速率为3 mm/min，卸载速率为3 mm/min，当达到设计的交变轮次（10、20、30 轮次）后，以5 mm/min的加载速率拉断水泥石，测量交变拉应力对固井水泥石抗拉强度发展规律的影响，实验结果如图8 所示。

图8 不同交变轮次对3种水泥浆体系抗拉强度的影响结果图

通过实验可以看出：随着交变轮次的增加，纯水泥抗拉强度呈现出逐渐降低的趋势，当纯水泥交变10 轮次时，抗拉强度降低33.77%，当纯水泥交变30 轮次时，抗拉强度降低47.37%，这主要是由于纯水泥弹性差、脆性强所导致的；而与纯水泥不同，随着交变轮次的增加，韧性水泥浆体系抗拉强度变化不大，其中韧性水泥1 交变10 轮次时，抗拉强度降低7.26%，交变30 轮次时，抗拉强度降低7.82%，实验中最大的降低率为交变20轮次时降低15.08%；韧性水泥2 交变10、20、30 轮次，水泥石抗拉强度均未降低，这主要是由于韧性水泥浆体系经过弹性改造后，改善了水泥石的脆性，增加了弹性所致（从图9可以看出，两种韧性水泥浆体系的弹性模量明显低于纯水泥），进而降低了交变载荷对水泥石抗拉强度的影响。

图9 不同水泥浆体系的应变-差应力结果图

4 现场应用

研究形成的固井水泥石抗拉强度直接拉伸测试方法较常规测试方法具有不存在应力集中、测试误差小和可研究交变载荷作用工况等优点，已在川渝地区页岩气固井中进行了广泛的应用，现场应用效果良好，实现了监督检测井固井安全施工作业率100%，提高了固井质量。其中N209H71-3 井是一口长水平段（水平段长3 100 m）的开发评价井，油层套管下深4 850 m，固井后压裂酸化等作业工况对环空水泥石力学性能要求较高。在对1.85 g/cm3密度的固井尾浆进行综合性能检测评价的过程中，利用研发形成的水泥石抗拉强度直接拉伸法进行了评价，优化了水泥浆中增韧材料的类型及配比，改善了水泥浆配方，保障了水泥浆性能满足固井设计和施工要求。最终该井固井施工安全顺利，刷新了当时中国页岩气井水平段最长纪录。测井结果显示，固井质量优质率达80.9%，合格率达89.1%，有效保证了固井水泥环层间封隔质量，为油气井长期高效开采提供了技术支撑。

5 结论

1）针对现有水泥石抗拉强度评价方法的不足，研发了水泥石拉头，优选了高强度结构胶J2，形成了一种固井水泥石抗拉强度直接测试方法，消除了应力集中的影响。该方法具有安全可靠、成功率高、可研究交变载荷工况等优点，弥补了现有测试手段的不足，现场应用效果良好。

2）通过实验研究发现，随着水泥浆水化时间的增加，水泥石抗拉强度呈现出逐渐增加的趋势，其中测试使用的纯水泥抗拉强度高于两种韧性水泥浆体系。

3）因纯水泥弹性差、脆性强的特点，随着交变轮次的增加，纯水泥抗拉强度呈现出逐渐降低的趋势，而韧性水泥经过弹性改造后，交变载荷对水泥石抗拉强度影响较小。