温度对水泥石机械性能非线性影响规律及原因分析

2018-10-18艾正青张峰丁辉苏东华李威张兴国

钻井液与完井液 2018年4期

艾正青，张峰，丁辉，苏东华，李威，张兴国

（1.中国石油塔里木油田分公司油气工程院，新疆库尔勒841000；

2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室×西南石油大学，成都610500）

水泥环作为保障层间封隔，保证井筒安全、长期生产的重要屏障，在其服役期间需要同时承担来自地层和套管内的温度、压力载荷[1-3]。对于长封固段的油井水泥环，在承受变化压力载荷的同时，沿地层深度方向上还存在一个呈梯度变化的温度载荷，在此状态下水泥环也会随地层温度差异而展现不同的机械性能，进而影响水泥环在井筒及地层压力下的密封性能[4]。在中国西部某高温高压气田，一个封固段内的水泥环承受的地层温度差可超过100 ℃。因此，研究不同温度下水泥环机械性能变化趋势，对于准确预测某一深度下水泥环力学性能参数，同时也对正确评价水泥环能否承受井下载荷具有重要意义。

现在，国内外学者推导了很多关于水泥环力学性能评价的模型，Zhang Z[5-6]基于连续条件，将水泥环假设为线弹性材料，最早推导了水泥环分析公式；Zhang H[7]将地层、水泥环、套管假设为均质，各向同性的线弹性材料并使用失效准则来评价水泥环能否承受井下载荷；Chu W[8]通过弹塑性力学基本理论分析了水泥环一界面渗漏及发展造成的水泥环密封失效；Honglin Xu[9]通过弹性力学基本理论建立了水泥环的分析模型，将水泥环假设为线性膨胀材料；Raoof Gholami[10]考虑了地层的孔隙膨胀及水泥环的线性膨胀建立了自己的分析模型。可以发现，目前研究已经由只考虑单一压力载荷向同时考虑温压载荷发展，但仅仅局限于添加线性膨胀系数来模拟分析，对于真实测试水泥石机械性能对于温度的非线性变化趋势并应用至经典物理方程中仍没有涉及。

室内实验测试了不同温度点下的水泥石机械参数，拟合了考虑温度对水泥石机械性能非线性影响的关系曲线，并应用于现有经典物理方程中，最后结合XRD、热重及SEM测试分析了温度导致水泥石机械性能发生显著变化的原因。研究对后续建立考虑温度对长封固段固井水泥环力学性能及变形非线性影响规律的理论模型具有承前启后的作用。

1 实验部分

1.1 实验材料及配方

以中国西部某高温高压气井在用体系为实验配方。实验用配方如下。

阿克苏G级水泥+28%硅粉SiO2+7%微硅+1.35%防窜剂 FlOK-2+4.5%降失水剂 JS-23L+3%减阻剂 JZ-13L+0.2%消泡剂 XP-A+4.5%盐+自来水，密度为1.95 g/cm3。

1.2 实验方法及过程

1.2.1 水泥石机械性能测试

采用6265型水泥石机械性能分析仪（成都千德乐科技有限责任公司），进行不同温度下的水泥石力学性能测试。该装置采用超声波方法动态测试水泥浆硬化到水泥石过程中的声波信号，进而计算出力学性能参数。实验时，按照API—10标准用高速搅拌机按照上述配方制备水泥浆，并置入测试仪釜体，养护及测试温度分别取室温、50、60、80直至160 ℃，养护过程中不断检测水泥石抗压强度，泊松比，杨氏模量，最后读取第7 d的实时数据进行对比。

1.2.2 XRD测试

对研磨成粉末状的水泥灰进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得水泥石的成分等信息[11]。

1.2.3 热重测试

取不同养护温度下的水泥石试样块，在酒精中研磨成粉状，烘干，通过测试不同温度下的质量变化，分析水泥石组分及水化产物含量[12]。

1.2.4 SEM测试

取不同养护温度下的水泥石试样块，烘干，采用扫描电子显微镜观察水泥石断面的微观形貌，检测水泥石内部水化产物。

2 实验结果与讨论

2.1 水泥石机械性能测试结果

2.1.1 温度对水泥石抗压强度影响

不同温度下养护7 d水泥石抗压强度见图1。

图1 不同温度下水泥石抗压强度

由图1可知，当养护温度低于60 ℃，水泥石抗压强度较高，达到40 MPa；当养护温度达到80 ℃时，水泥石抗压强度迅速降低，并且随着养护温度的继续增加，水泥石抗压强度变化不大，仅在100～120 ℃之间存在略微降低的现象。同时还发现，在60 ℃以下水泥石抗压强度随温度的变化规律近似为二次函数，随着温度升高，影响规律为对数函数趋势。

结合拟合结果，温度对水泥石抗压强度影响规律如下式。

式中：P为水泥石抗压强度，MPa，T为水泥石养护温度，℃。

2.1.2 温度对水泥石杨氏模量影响

如图2可知，在60 ℃以下，随着养护温度升高，杨氏模量增加；在80 ℃时存在一个迅速下降的趋势，并且温度对水泥石杨氏模量的影响减弱。可以发现，在60 ℃以下温度影响水泥石杨氏模量规律为二次函数变化，随着温度升高，影响规律为对数函数趋势。

图2 不同温度养护7 d水泥石杨氏模量

结合拟合结果，温度对水泥石杨氏模量影响规律表征如下式。

式中，E为水泥石杨氏模量，MPa；T为水泥石养护温度，℃。

2.1.3 温度对水泥石泊松比影响

不同温度下养护7 d水泥石泊松比见图3。由图3可以看出，不同养护温度下水泥石泊松比不尽相同，其中60 ℃与80 ℃之间存在明显的差异点，仍然采用前文方法对水泥石泊松比与温度之间的关系进行表征，为了表征的准确性，泊松比在30～80 ℃时采用二次函数表征，80 ℃以上采用指数函数。

图3 不同温度下水泥石泊松比

结合拟合结果，温度对水泥石泊松比影响规律表征如下式。

式中，δ为水泥石泊松比，T为水泥石养护温度，℃。

2.1.4 考虑温度对水泥环机械性能非线性影响的物理方程

水泥环位于套管和地层之间，在水泥浆固化成环后，3者组成为圆筒状的组合体。在套管内压力及地层压力，以及地层温度作用下，水泥环需同时承受温度、压力载荷。当今模型中均采用弹性力学厚壁圆筒理论来分析水泥环应力-应变问题，但是均忽略了水泥环在井筒深度方向上的机械性能随温度的非线性变化规律。

假设水泥环为均匀、各向同性的材料，同时水泥环的几何形状、载荷、支承情况沿z轴没有变化，则表征水泥环应力应变状态的物理方程可以由经典的物理方程（1）改写为（2）。经典物理方程如下。

考虑温度对水泥环机械性能非线性影响的物理方程组如下。

通过该方程组则可推导在任一井底条件下水泥环应力-应变理论模型，并计算水泥环的应力分布。

2.2 水泥石机械性能突变点分析

通过上述实验分析可以发现，水泥石机械性能在60～80 ℃之间存在明显的差异，通过微观试验进一步分析该温度区间内机械性能突变的原因。

2.2.1 水化反应分析

图4为在性能突变区间（60、80 ℃）及温度极值点（160 ℃）下养护7 d的水泥石XRD分析结果。水泥石热重分析见图5。

图4 不同养护温度下水泥石XRD图谱

由图 4可知，60 ℃水泥石的 Ca（OH）2特征峰峰值最高，质量损失量最大，表明Ca（OH）2含量最多。随着温度升高，Ca（OH）2的特征峰值和质量损失量逐渐降低，同时CaO×SiO2×H2O及CaO×SiO2峰值强度逐渐增加。160 ℃时，水泥石Ca（OH）2的特征峰值和质量损失量最低，同时由于 CaO×SiO2×H2O 晶形转变生成 CaO×SiO2，CaO×SiO2含量最多。分析上述现象的原因为，SiO2与水泥水化产生的Ca（OH）2反应生成了水化硅酸钙，同时80 ℃时水化速率明显高于60 ℃，80 ℃下水化程度更高，而后随着温度的升高水化速率逐渐放缓。宏观表现为不同组份含量使水泥石机械性能在60 ℃及80 ℃下存在差异明显，导致突变点，而随着温度升高直至160 ℃，水泥石机械性能变化趋势逐渐平稳。

图5 不同养护温度下水泥石热重图谱

由图5可以看出，当加热至Ca（OH）2分解温度（约 450 ℃）时，Ca（OH）2就会分解为 H2O 和CaO，从而造成质量损失，通过分析其质量损失量，即可得出Ca（OH）2含量，则为60 ℃时含量最多，随着温度升高水化反应加速，Ca（OH）2含量逐渐降低。同时，分析CaO×SiO2×H2O（300 ℃以下）的质量损失量可以发现，60 ℃及80 ℃时，CaO×SiO2×H2O消耗量较大，同时80 ℃时损失量高于60 ℃，原因是80 ℃时水化反应速率增加，CaO×SiO2×H2O含量较多；此外，160 ℃时，CaO×SiO2×H2O晶形转变，生成CaO×SiO2，所以在这一温度下CaO×SiO2×H2O含量少于前2个温度点。因此，60及80 ℃下水泥水化速率差异显著，而80与160 ℃之间水化速率虽然增加，但速率放缓，与XRD测试分析出的结论基本一致。

2.2.2 水泥石微观结构分析

利用SEM测试养护7 d后的水泥石微观形貌，结果见图6。由图6可知，其内部水化产物存在一定差异。由图4可知，60、80 ℃时，均含有CaO×SiO2×H2O，但80 ℃时含量高于60 ℃的，说明水泥水化程度更高，同时结构无明显缝隙；160℃时水泥基质更加密实，可以看见水泥颗粒及晶形转变的CaO×SiO2×H2O。这也印证了上文水泥水化分析的结果。