功能材料对固井水泥石力学性能的影响

严思明 严圣东 吴亚楠 王绪涛 蔡文睿 张燕

1.西南石油大学化学化工学院；2.四川弘晟石油工程技术服务有限公司

水泥环与第一界面和第二界面的良好胶结和完整性是其封隔地层流体的关键因素，直接关系到固井工程的质量和固井水泥环的终身封隔性［1-2］。水泥石是一种脆性固态材料，虽然具有较高的抗压强度，但易受油气井后期开采过程中地层应力、周期性外界压力变化（压裂、修井等施工作业）、水泥环与套管和地层弹性差异等影响，这些应力或压力可能在水泥石的局部产生不平衡作用力致使脆性破裂或形成微环隙、微裂缝，从而造成油气井的后期气窜或井口带压等问题，影响油田的正常生产和开发的经济效益［3-5］。

为解决固井水泥石脆性破裂，保证水泥石的完整性，一些研究者将增强、增韧、增柔的功能性材料应用于水泥体系中，形成韧性、弹性、柔性等水泥浆体系［6-16］，有助于改善水泥石弹韧性，提高固井水泥环的长期封隔能力。但这些研究主要针对单一材料，缺乏不同功能材料对水泥石力学性能影响的比较和分析。笔者主要通过三轴应力应变实验，研究常用改善力学性能的韧性剂和弹性剂类功能材料对水泥石力学性能的影响规律，为相关研究提供参考。

1 实验

1.1 实验材料与仪器

减阻剂SXY，成都川峰化学工程有限责任公司；石英砂、消泡剂BP-1A、缓凝剂BS200G、降滤失剂BS100L和BS100L-G、减阻剂BS300-J、弹性胶粒、韧性纤维，四川弘晟石油工程技术服务有限公司；高抗硫G级油井水泥，嘉华集团强华水泥厂。

OWC-2990F高压养护釜，沈阳石油仪器研究所有限责任公司；RTR-1000三轴岩石力学测试系统，美国GCTS公司。

1.2 实验方法

参照GB/T 19139—2012《油井水泥实验方法》［17］相应的标准配制水泥浆、评价水泥浆性能并养护水泥石。高温稠化条件：150 ℃、90 MPa；水泥石养护条件：120 ℃×21 MPa×3 d。参照GB/T 50266—2013《工程岩体实验方法标准》［18］对养护成型的水泥石用RTR-1000三轴岩石力学测试系统进行应力应变测试，考察水泥石力学性能。

2 结果与讨论

2.1 水泥浆基本性能

参照固井的一般要求，优化水泥浆体系中各种外加剂，获得常规水泥浆配方。以常规水泥浆配方为基础，加入纤维类韧性剂和胶粒类弹性剂，优化水泥浆体系，获得韧性和弹性水泥浆配方。表1是3种水泥浆的常规性能。

表1 不同水泥浆体系的常规性能Table 1 Conventional properties of different cement slurrу sуstems

常规水泥浆配方1：嘉华G级水泥+35%石英砂+0.50%减阻剂SXY+3.0%降滤失剂BS100L-G+2.0%缓凝剂BS200G+水，W/S=0.40。

韧性水泥浆配方2：嘉华G级水泥+35%石英砂+0.40%韧性剂+ 0.50%减阻剂SXY +5.0%降滤失剂BS100L+3.0%缓凝剂BS200G+水，W/S=0.40。

弹性水泥浆配方3：嘉华G级水泥+35%石英砂+2.0%弹性剂+0.80%减阻剂SXY +6.0%降滤失剂BS100L+3.5%缓凝剂BS200G +0.10%消泡剂BP-1A + 水，W/S=0.40。

由表1可知，3种水泥浆的流性指数0.9～1.0，稠度系数0.2～0.4，稠度适宜，流动性能较好，失水控制效果佳，整体性能良好，可以满足固井工程相关要求。

2.2 功能材料对水泥石力学性能的影响

为考察水泥石力学性能，以弹性模量、泊松比、抗压强度和残余应变作为参考。材料的弹性模量、泊松比，反映了材料抵抗弹性变形的能力，弹性模量越小，材料可恢复的弹性变形越大；材料的残余应变越小，即不可恢复变形越小，材料的应变恢复能力越大。

2.2.1 常规水泥浆 配制2.1常规配方的水泥浆并养护成型，利用三轴岩石力学测试系统测定水泥石应力应变关系，考察常规水泥石的力学性能。围压40 MPa时，三轴应力应变实验测得力学参数：水泥石抗压强度为47.4 MPa，弹性模量为10.2 GPa，泊松比为0.363；三轴应力应变实验结果如图1所示。

通过常规水泥石的部分力学参数及图1可以看出，常规水泥石虽然具有较高的抗压强度，但弹性模量较大，水泥石脆性大；水泥石的残余应变大（0.17%），应变恢复能力较差。因此，常规水泥石在固井后期局部不平衡受力较大时，易产生脆性破裂，形成微裂缝，为流体窜流提供通道，影响固井质量和油气开采。

2.2.2 韧性剂对水泥石力学性能的影响 改变2.1基础韧性水泥浆体系中韧性剂加量，配制水泥浆并养护成水泥石，利用三轴岩石力学测试系统测定韧性水泥石应力应变关系，考察韧性剂对水泥石力学性能影响。实验结果如图2、表2。

图1 常规水泥浆水泥石三轴应力应变图Fig. 1 Triaxial stress-strain curve of set cement of conventional cement slurrу

图2 不同韧性剂加量时水泥石的三轴应力应变图Fig. 2 Triaxial stress-strain curve of set cement with different contents of toughening agent

表2 韧性水泥石力学参数Table 2 Mechanical parameters of tough set cement

由表2、图2可知，随着韧性剂加量的增加，泊松比增大，抗压强度减小，残余应变增加（0.04%～0.09%）。韧性水泥石的弹性模量相对常规水泥石大幅度降低，泊松比较大，脆性较弱，形变分散，不易单向破裂。加入韧性剂，多周应力循环后，应力应变曲线更加紧密，应力恢复能力一定程度上加强。韧性剂增多，容易交结成团，水泥石应变恢复能力减弱，残余应变增加。韧性水泥石在受力过程中，韧性材料不断被拉伸，直至断裂，使整体韧性增强，水泥石性能得以改善。

2.2.3 弹性剂对水泥石力学性能的影响 改变2.1基础弹性水泥浆体系中弹性剂加量，配制水泥浆并养护成水泥石，测定弹性水泥石应力应变曲线，考察弹性剂对水泥石力学性能影响。实验结果如表3、图3。

表3 弹性水泥石力学参数Table 3 Mechanical parameters of elastic set cement

由表3、图3可知，一定程度上，随着弹性剂加量的增加，水泥石弹性模量降低，泊松比增大，抗压强度下降。弹性剂自身具有较高的弹性，分散在水泥石中，增强了水泥石弹性，弹性模量降低，脆性减弱。水泥浆与弹性剂的胶凝能力有限，弹性剂增加，其与水泥浆凝胶结构分离的临界压力下降，水泥石抗压强度减小。弹性水泥石的残余应变小于常规和韧性水泥石，且多周应力循环后残余应变持续降低，第1次循环回复率为71.7%，第4次循环恢复率为92.6%，表现出非常强的应变恢复能力。加入弹性剂，有利于保证水泥石在弹性应变阶段的完整性。

图3 弹性剂加量1.8%时水泥石三轴应力应变图Fig. 3 Triaxial stress-strain curve of set cement with 1.8% elastic agent

3 功能材料改善固井质量机理

如图4，固井施工过程中，水泥浆在套管和地层之间固化形成水泥环，水泥环易受局部不平衡作用力的影响，产生微裂缝，给流体窜流提供通道；油气井后期开采过程中，由于压裂、修井等产生的周期性压力变化，水泥环与套管和地层之间易产生微环隙，造成流体窜流和环空带压。

图4 微裂缝（上）及微环隙（下）形成示意图Fig. 4 Schematic formation of micro-crack (upper) and micro-annulus (lower)

韧性剂强度高、韧性大，与水泥浆体系具有较好的相容性，在水泥浆中分散形成网状结构，提高了水泥石的韧性。水泥石受外力作用时，动能被传递给网状结构，在水泥石内部分散，水泥石不易破裂。同时，韧性剂的抗张模量大，能吸收和分散部分的应力冲击，韧性剂受力而不断拉伸直至断裂，增强了水泥韧性的，提高了水泥石的整体强度。

弹性剂是一种可压缩的弹性材料。弹性水泥石受挤压时，应力通过相互传递作用到弹性剂上，弹性剂被压缩，进行弹性预储能，将动能转换为弹性势能储存；外界应力解除后，弹性剂释放储存能量，恢复形变。弹性剂分散在水泥石中，增加了水泥石的整体弹性，提高了水泥石的应变恢复能力，有利于减少微环隙的形成，防止气窜发生，保证固井质量。

4 结论

（1）韧性剂以及弹性剂能有效降低水泥石弹性模量和残余应变，改善水泥石的力学性能，提高固井水泥石的长期封隔性和完整性。

（2）韧性水泥石受力后形变分散，韧性材料拉伸至断裂的过程中吸收部分动能，增强整体韧性，防止水泥石脆性破裂。

（3）弹性水泥石循环加压过程中，残余应变小，应变恢复大，卸载时形变几乎完全恢复。因此，弹性水泥浆体系应对井下周期性压力变化更有优势。

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