油井水泥石力學(xué)性能隨加載速率和時(shí)間變化的試驗(yàn)研究

＊楊威 丁嘉迪 山永林

（中海油田服務(wù)股份有限公司 河北 065201）

常規(guī)油井水泥石是一種脆性材料，在油氣井增產(chǎn)和生產(chǎn)作業(yè)過程中容易產(chǎn)生微裂縫或微環(huán)隙，導(dǎo)致水泥環(huán)層間封隔能力失效[1]。隨著油氣資源勘探開發(fā)向非常規(guī)油氣資源等領(lǐng)域拓展，如何保證固井水泥環(huán)在復(fù)雜井況下（特別是非常規(guī)、儲(chǔ)氣庫和壓裂井等井況）的密封完整性，防止環(huán)空竄流的發(fā)生是亟待解決的技術(shù)難題[2]。水泥環(huán)完整性評(píng)價(jià)技術(shù)表明：通過在水泥漿中加入改性材料，如橡膠顆粒、纖維和納米材料等，可以增加水泥石的韌性，降低水泥石的脆性，提高水泥環(huán)保持完整性的能力[3-5]。目前主要通過單/三軸壓縮、巴西劈裂等實(shí)驗(yàn)方式測定水泥石的抗壓強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比和抗拉強(qiáng)度等衡量水泥石增韌降脆性能的高低。加載速率是影響水泥石三軸應(yīng)力測試結(jié)果的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。加載速率高低影響著水泥石力學(xué)性能的測試結(jié)果[6]。此外，水泥石力學(xué)性能的發(fā)展過程與水泥的水化過程和水化產(chǎn)物的特性存在本質(zhì)聯(lián)系。水泥水化過程的影響因素主要包括水泥的化學(xué)組成，外加劑組成以及養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間等[7]。本文通過實(shí)驗(yàn)探索加載速率和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比的影響，利用4種函數(shù)擬合分析加載速率和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比，尋求水泥石力學(xué)性能與加載速率和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系，為水泥石力學(xué)性能測試，水泥石增韌降脆改性和水泥環(huán)完整性分析等提供科學(xué)依據(jù)。

1.實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

(1)實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)主要材料包括G級(jí)油井水泥（淄博中昌特種水泥有限公司）、降失水劑C-FL80L（AMPS類聚合物，天津中海油服化學(xué)有限公司生產(chǎn)）、C-DF60L（酯類消泡劑，天津中海油服化學(xué)有限公司生產(chǎn)）。開展實(shí)驗(yàn)的水泥漿的密度為現(xiàn)場固井作業(yè)常用的1.90g/cm3，水泥漿的配方為100%G級(jí)油井水泥+4%C-FL80L+0.5%C-DF60L+水，水固比0.42。

(2)實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器生產(chǎn)廠家及型號(hào)為：恒速攪拌器（沈陽航空航天大學(xué)應(yīng)用技術(shù)研究所，OWC-9360UD型），常壓養(yǎng)護(hù)箱（沈陽航空航天大學(xué)應(yīng)用技術(shù)研究所，OWC-118D）。巖石三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（長春輝陽科研儀器有限公司，TAW-2000型，最大實(shí)驗(yàn)應(yīng)力2000kN，位移控制速率0.01～50mm/min）。

(3)實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)《油井水泥試驗(yàn)方法》（GB/T 19139-2012）[8]制備1.90g/cm3的水泥漿，然后將水泥漿倒入銅試模中并分別放置常壓養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)（50℃和70℃），養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為8h，16h，24h，48h，168h，336h和672h。達(dá)到設(shè)定的養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，將水泥試樣從試模中取出，用取芯機(jī)鉆取直徑約為25mm，長約為50.8mm的圓柱水泥石。用磨平機(jī)將圓柱水泥石兩端磨平。圓柱水泥石的加工精度參考《Standard Test Method for Static Modulus of Elasticity and Poisson's Ratio of Concrete in Compression》（ASTM C469/C469M-2010）[9]，試樣兩端不平整度低于0.05mm，軸向偏差低于±0.5°。上下端直徑偏差低于0.25mm。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)加載速率對(duì)水泥石力學(xué)性能測試的影響

選取符合ASTM C496-02標(biāo)準(zhǔn)加工精度要求的水泥石圓柱（養(yǎng)護(hù)溫度70℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間7天）進(jìn)行力學(xué)測試（加載速率分別設(shè)定為0.01mm/min、0.05mm/min、0.1mm/min、0.5mm/min和1mm/min），每次實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次。選取對(duì)數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)對(duì)水泥石的平均抗壓強(qiáng)度S、平均楊氏模量E和平均泊松比μ與加載速率ν進(jìn)行擬合以研究其相關(guān)性，擬合曲線見 圖1、圖2和圖3。

圖1 抗壓強(qiáng)度隨加載速率的變化曲線Fig.1 Relation curve between compressive strength and loading rate of cement

圖2 楊氏模量隨加載速率的變化曲線Fig.2 Relation curve between young's modulus and loading rate of cement

圖3 泊松比隨加載速率的變化曲線Fig.3 Relation curve between poison's ratio and loading rate of cement

采用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合時(shí)，水泥石抗壓強(qiáng)度和加載速率兩者具有較好的相關(guān)性（圖1）。圖1表明：隨著加載速率的增加，在0.01～0.1mm/min之間時(shí)，抗壓強(qiáng)度快速增加，在0.1～ 1mm/min之間時(shí)，抗壓強(qiáng)度緩慢增加，變化趨于平穩(wěn)。

水泥石楊氏模量隨加載速率增加上下波動(dòng)較大，呈現(xiàn)出先增加再下降然后再下降的特點(diǎn)（圖2）。采用對(duì)數(shù)函數(shù)和線性函數(shù)擬合的結(jié)果顯示水泥石楊氏模量和加載速率的相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)均小于0.25。該結(jié)果與孟慶斌等的研究結(jié)論一致[10]。

水泥石泊松比隨著加載速率的增加呈現(xiàn)出先上升在下降然后再上升的特點(diǎn)（圖3）。擬合結(jié)果顯示采用2種函數(shù)擬合獲得的擬合方程的相關(guān)系數(shù)小于0.0201，表明泊松比與加載速率之間的相關(guān)性較差。

綜合加載速率對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比的影響，加載速率和水泥石抗壓強(qiáng)度相關(guān)性強(qiáng)，與水泥石楊氏模量及泊松比相關(guān)性差。本研究所得加載速率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，可以為不同加載速率下測得的抗壓強(qiáng)度修正提供參考。

(2)養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響

對(duì)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的常規(guī)G級(jí)油井水泥石開展力學(xué)性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次，養(yǎng)護(hù)溫度分別設(shè)置為40℃、50℃和70℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別設(shè)置為8h、24h、48h、72h、168h、336h和672h。將不同養(yǎng)護(hù)溫度的水泥石的平均抗壓強(qiáng)度S、平均楊氏模量E和平均泊松比μ與養(yǎng)護(hù)時(shí)間t進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。擬合函數(shù)同樣選取對(duì)數(shù)函數(shù)和線性函數(shù)。抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化如圖4、圖5和圖6。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)溫度下抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化曲線Fig.4 Relation curve between compressive strength and curing time of cement at different curing temperatures

圖5 不同養(yǎng)護(hù)溫度下楊氏模量隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化曲線Fig.5 Relation curve between young's modulus and curing time of cement at different curing temperatures

圖6 不同養(yǎng)護(hù)溫度下泊松比隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化圖Fig.6 Relation figure between poison's ratio and curing time of cement at different curing temperatures

圖4中不同養(yǎng)護(hù)溫度下抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化圖表示在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間時(shí)水泥石的抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高逐漸升高。相同養(yǎng)護(hù)溫度時(shí)，水泥石的抗壓強(qiáng)度在8～72h范圍內(nèi)迅速增加，在72～672h范圍內(nèi)水泥石的抗壓強(qiáng)度增加緩慢，進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期。在養(yǎng)護(hù)溫度為40～70℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系采用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合時(shí)的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)分別為0.9699，0.9058和0.9282。

圖5不同養(yǎng)護(hù)溫度下楊氏模量隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化圖顯示在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間時(shí)水泥石的楊氏模量隨著溫度的升高呈現(xiàn)逐漸增加的特點(diǎn)。楊氏模量在8～72h之間時(shí)隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加快速增加，在72～672h之間隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加楊氏模量緩慢的增加，進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期。用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合楊氏模量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系時(shí)所得相關(guān)系數(shù)分別為0.9456，0.8754和0.9243，兩者相關(guān)性較好。

圖6不同養(yǎng)護(hù)溫度下泊松比隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化圖顯示水泥石泊松比數(shù)據(jù)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈現(xiàn)先增加再下降然后緩慢下降并逐漸穩(wěn)定的趨勢。采用對(duì)數(shù)函數(shù)和線性函數(shù)擬合出的函數(shù)相關(guān)性較差。

綜合養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比的影響，養(yǎng)護(hù)溫度為40～70℃時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水泥石的抗壓強(qiáng)度和楊氏模量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化的相關(guān)性較好，水泥石的泊松比隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化的相關(guān)性較差。水泥石的抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比在8～72h時(shí)隨著時(shí)間的增加快速的增加。在72～672h時(shí)，水泥石的抗壓強(qiáng)度和楊氏模量緩慢增長，泊松比的變化也趨于平穩(wěn)。有研究表明，水泥石的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，水泥石抗壓強(qiáng)度曲線開始平緩延伸的養(yǎng)護(hù)時(shí)間逐漸縮短，如110℃條件下，抗壓強(qiáng)度曲線開始平緩延伸的時(shí)間為48h[7]。因此在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際需要在48～672h之間選取合適的水泥石養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

3.結(jié)論

（1）對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度隨加載速率變化以及對(duì)水泥抗壓強(qiáng)度和楊氏模量隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化的擬合結(jié)果較為理想。

（2）隨著加載速率的增加，水泥石的抗壓強(qiáng)度逐漸增加，兩者相關(guān)性較好。水泥石的楊氏模量和泊松比隨加載速率的增加上下起伏波動(dòng)，相關(guān)性較差。加載速率與水泥石和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，可以為不同加載速率下測得的水泥石的抗壓強(qiáng)度修正提供參考。

（3）隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，在8～72h時(shí)，水泥石的抗壓強(qiáng)度和楊氏模量快速增加，隨后在72～672h時(shí)進(jìn)入增長緩慢階段，兩者與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的相關(guān)性較好。水泥石的泊松比隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加亦快速增加并趨于平穩(wěn)。水泥石的抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比在不同養(yǎng)護(hù)溫度時(shí)進(jìn)入緩慢發(fā)展階段的時(shí)間不同。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際需要在48～672h之間選取合適的水泥石養(yǎng)護(hù)時(shí)間。