盐层井段固井水泥石力学性能及微观结构研究

2014-06-27黄进罗文波中石化江汉油田分公司采油工艺研究院新技术推广中心湖北潜江433121

长江大学学报(自科版) 2014年26期

关键词：盐层含盐水泥石

黄进,罗文波 (中石化江汉油田分公司采油工艺研究院新技术推广中心,湖北潜江 433121)

许骁 (中石化江汉油田分公司采油工艺研究院采油工程规划所,湖北武汉 430000)

熊力坤,赵广海 (中石化江汉油田分公司采油工艺研究院新技术推广中心,湖北潜江 433121)

盐层井段固井水泥石力学性能及微观结构研究

黄进,罗文波 (中石化江汉油田分公司采油工艺研究院新技术推广中心,湖北潜江 433121)

许骁 (中石化江汉油田分公司采油工艺研究院采油工程规划所,湖北武汉 430000)

熊力坤,赵广海 (中石化江汉油田分公司采油工艺研究院新技术推广中心,湖北潜江 433121)

基于盐层固井实际,以水泥浆进入环空凝固后的水泥石为研究对象,通过室内试验,对原浆、含盐15%和含盐27%的盐层水泥石的力学性能和微观结构进行研究,采用单轴和三轴压缩试验研究其力学性能,采用X-射线衍射(XRD)、压汞试验(MⅠP)和扫描电子显微镜(SEM)方法研究水泥石的物相组成、孔隙结构和水化胶凝相形貌。并从机理上阐释了盐对油井水泥石力学性能和微观结构的影响。研究结果表明,含盐15%水泥石的单轴抗压强度和胶结强度最大,分别为27.8MPa和2.4MPa,结构致密;含盐27%水泥石的杨氏模量9.0GPa,表现出脆性特征,水泥石中有NaCl晶体析出,水泥水化胶凝相与NaCl晶体相共存。该研究为盐层固井用抗盐水泥浆所引起的关键技术问题提供理论依据,采用15%盐水水泥浆体系在江汉油田施工24井次,盐层井段固井质量合格率97%。

盐层固井;水泥石;力学性能;微观结构;机理分析;现场应用

盐层固井时,水泥浆进入环空凝固后,水泥环组成材料中都不同程度含有盐组分,这种含盐水泥环性能直接关系到能否抵抗盐层蠕变等载荷。盐层是岩盐(碱金属和碱土金属氯化物)地层和膏盐(硫酸盐)地层的统称,在世界范围内分布广泛,盐层固井一直就是固井界公认的难题[1-2]。在盐层井段固井,水泥浆遇盐后,其性能应当保持稳定,需要水泥浆体系具有很强的抗盐能力,当今很多油田都采用抗盐水泥浆或含盐水泥浆体系[3-4]。然而,目前国内外对于盐层水泥环的研究,很多文献都只测试了某个时间后的强度或是只有泛泛的描述(即当水泥浆中盐掺量低于10%时,具有明显的早强作用,随着盐掺量的增加,水泥石强度发展会逐渐变慢,且强度也随之降低),而对有关盐层固井水泥石力学性能及微观机理作深入研究的成果少有报道[5]。要提高盐层的固井质量,提高水泥环和套管及盐层的适应能力,提高套管和水泥环对盐层蠕变载荷的抵抗力,减少盐层井段套管的损毁,必须对起支撑和加强套管作用的水泥环微结构作深入研究和对盐层水泥环的力学性能有系统掌握。

1 水泥石力学试验结果

表1 水泥石单轴抗压强度和胶结强度

1.1 水泥石的制备

按水灰比为0.44配浆,外加剂加量以干水泥质量为基准计算,水泥浆密度均为1.9g/cm3。水泥浆遵循APⅠ标准配制,倒入模具中,放入90℃恒温、0.1MPa水浴箱中养护48h得到水泥石。原浆水泥石(1#)、含盐15%水泥石(2#)和含27%盐水泥石(3#)(含盐量是指工业NaCl在配浆水中的百分数)烘干后水泥石密度分别为1.78、1.93和2.01g/cm3。

1.2 水泥石单轴抗压强度和胶结强度

单轴抗压强度和胶结强度均采用YE-300压力试验机进行测试,试验结果见表1所示。

由表1可知,2#含盐15%水泥石的单轴抗压强度和胶结强度最大,3#含盐27%水泥石的单轴抗压强度和胶结强度最小。这可能是由于水泥的水化反应是一个复杂的溶解/沉淀过程,这一过程与单一成分的水化反应不同,各组分以不同的反应速度同时进行水化反应,而且不同的矿物组分彼此之间存在着互相影响。相对于1#试样,2#试样在水化反应的过程中,体系含有一定量的Na+和Cl-,在养护过程中并没析出晶体(参见XRD部分),故离子进入了水化产物胶凝相中,改变了胶凝相的物质结构,故其强度较高。同理,相对于1#试样,3#水泥浆中盐含量饱和,在水化过程随体系对水的消耗,体系析出晶体,对水泥水化反应有一定的抑制作用,影响水泥石结构的形成和发展,所以抗压和胶结强度较低。

图1 水泥石三轴应力-应变曲线

表2 水泥石三轴抗压强度、杨氏模量和泊松比参数表

图2 不同试样的X-射线衍射(XRD)图谱

1.3 水泥石三轴压缩试验结果及分析

水泥石三轴压缩试验采用MG-1油气藏应力敏感性测试仪。试验条件如下:围压(10MPa)、温度90℃和恒速(2k N/min)加载至水泥石破坏,应力-应变曲线如图1所示,特征力学参数如表2所示。

由图1可以看出,在围压作用下,试样都表现出一定的延性,随含盐量增加,应变增加。含盐水泥石的抗压强度明显高于原浆水泥石,其轴向微应变也明显好于原浆水泥石,特别是在高应力作用下,力学变形能力更为明显。不同试样在压缩过程中经历了压密实、弹塑性和破坏阶段,无论是原浆水泥石还是含盐水泥石,在低应力下水泥石均以弹性变形为主,应力-应变曲线呈直线;随着应力增大,应变逐渐偏离直线发展,即在高应力下水泥石逐渐表现出较强的塑性形变。在塑性变形阶段,应力增量很小,应变速率却明显增长。当应力达到一定值时试样破坏,但比较3个样品应力-应变曲线可见,1#试样呈现突然的崩裂破坏,而2#、3#试样仍具有一定的承载能力,试样并没有明显的破裂面,其破坏不再是纯剪切破坏。

由表2可知,含盐水泥石的抗压强度、弹性模量和泊松比均高于原浆水泥石。随着盐含量的增加,水泥石的抗压强度、弹性模量和泊松比均增加。3#水泥石的弹性模量最大,表现出脆性特征。

2 水泥石微观结构

2.1 水泥石的物相组成

由图2的XRD衍射峰可见:1#和2#水泥石物相组成为水化产物Ca(OH)2和未水化的矿物Ca3SiO5, 与JCPDS卡片报道的数据一致[6], 2#试样中加入的NaCl在水化过程中,Cl-和Na+进入了水泥胶凝相。3#水泥石物相组成为水化产物Ca(OH)2、未水化的矿物Ca3SiO5和NaCl晶体,与JCPDS卡片报道的数据[6]一致,可见一部分Cl-和Na+进入了水泥胶凝相,另一部分随水化反应的进行,过饱和结晶析出NaCl晶体。

2.2 水泥石压汞孔径测试

孔是水泥石微结构中重要的组成之一。孔结构的属性包括孔隙度、孔径分布、孔的形貌及孔在空间的排列状况。水泥石是由固-液-气组成的多相多孔体系。水泥石性能主要取决于这些成分的性质、相对含量以及它们之间的相互作用。

压汞测试(MⅠP)方法是近年来混凝土材料科学研究中常用的材料性能评价方法,它是根据压入混凝土中水银的数量与所加压力之间的函数关系,计算孔的直径和孔的体积[7-8]。为分析盐对水泥石微观孔结构的影响,试验采用压汞试验方法测定了1#、2#和3#水泥石的孔结构参数,试验结果如表3所示。

表3 水泥石孔隙测试结果

从表3可知,2#和3#水泥石的孔隙度、最大孔喉半径、孔喉中值半径及渗透率主要贡献的孔喉半径均比较接近,比1#均有所改善。盐的加入,对水泥石孔隙结构的改善可能是由于盐与水泥水化产物发生反应,结合生成新的物质填充在孔隙中。

2.3 水泥石扫描电镜

由1#、2#和3#水泥石放大20000倍后的扫描电镜照片(见图3)可见,1#水泥石中清晰可见絮状的水泥水化胶凝相,大孔数量较多;2#水泥石中片状的Ca(OH)2晶体和絮状的水泥水化产物界面结合紧密,几乎没有大的孔隙存在;3#水泥石也没有大孔分布,结构致密,同时可见有细小的NaCl晶体析出。2#水泥石中连续相和分散相胶结情况比3#水泥石好,其力学性能优异,与上面测试结果相一致。

图3 不同试样的扫描电镜(SEM)形貌图

3 盐对油井水泥石力学性能和微观结构影响的机理分析

由以上强度和孔径等微观分析可知,使用含盐15%的水泥浆固井,水泥石强度和胶结性能良好,微观结构致密;而使用含盐27%的水泥浆固井,在水泥水化过程中,反应掉部分水后,导致饱和盐水变成过饱和而有NaCl晶体析出,在水泥浆形成强度的过程中,析出的盐晶体占有一部分体积但对强度的贡献很小。同时,析出的晶体在湿环境下会对套管产生电化学腐蚀,直接影响油气井长期寿命。

基于渗流理论的水泥石微结构模型认为,由随机分布的结晶相、胶凝相(C-S-H)、孔隙及微裂缝构成了水泥石的微观结构[9-10]。水泥石的力学性能决定于连续相、分散劣化相(孔隙及微裂缝)及分散增强胶凝相(C-S-H)在空间所占体积分数、分布特点及联结程度。一般来说,按照孔尺寸的大小,可以概略地分为凝胶孔、毛细孔及过渡孔。凝胶孔对水泥石的强度几乎没有影响,但凝胶水的转移,会造成干缩和徐变。由于孔在样品中本身并不具有强度,所以1#水泥石在养护48h之后由于孔隙较多,抗压强度、弹性模量和形变能力均较差。2#和3#水泥石的共同点在于盐的加入,提高了水泥石中由未水化粒子、水化产物组成的固相体系的强度,也就是说,随着水化反应的进行,孔隙度减小,表3的测试结果也说明了这一点。所以2#和3#水泥石的三轴抗压强度、形变能力均比1#水泥石好,2#和3#水泥石不同点在于盐加量的不同,改变了体系的物相组成,以及相界面之间结合情况,故而影响其力学性能。由此可见,水泥石的微观结构一定程度上决定其力学性能。