力学测试中油井水泥石直径及高径比取值界限研究

2020-01-14辜思曼

特种油气藏 2019年6期

刘健，辜思曼，黎猩，刘凤，吴勇

(西南石油大学，四川成都 610000)

0 引言

水泥环完整性实验[1-2]及理论计算[3-4]发现，通过材料改性[5-9]降低水泥石杨氏模量可以有效提高水泥环保持完整性的能力。水泥石降脆增韧的基础工作之一就是测试水泥石的杨氏模量，但目前国内外水泥石杨氏模量的测试方法还没有形成统一的规范，其中一个关键点就是确定水泥石的尺寸，不同的学者和规范采用的尺寸均有差别[10-12]。目前固井行业的关键标准API 10A[13]、GB19139[14]都还未纳入水泥石弹性模量等的测试方法，仍旧采用边长为50.8 mm的方块水泥石测试抗压强度，极大地制约了水泥环的完整性分析及水泥石力学改性研究。因此，通过实验探究了不同尺寸样品对水泥石抗压强度和杨氏模量的影响，以确定力学性能测试中圆柱水泥石的直径及高径比最佳范围，为后续研究及标准规范的统一提供数据支持。

1 实验材料及设计

1.1 实验材料

实验采用G级原浆水泥，配方为G级水泥(四川嘉华)+2% G33S(河南卫辉)+44%水+消泡剂(成都川峰)，在常压及60 ℃水浴中养护7 d后，制成不同直径的样品在常压室温水中浸泡23 d，制成不同高径比的样品在室温水中浸泡7 d(为了加快实验)；实验仪器包括常压养护箱(OWC-1080D沈阳石油仪器研究所)、微机控制恒应力压力试验机(OWC-300D沈阳石油仪器研究所，最大实验力为300 kN，实验力加荷速度为0.01～5.00 kN/s)。

1.2 实验设计

1.2.1 水泥石直径范围设计

设计水泥石样品的直径为20.0～60.0 mm，参照常规PVC、PPR管尺寸，将直径范围离散成11个尺寸实验点，其直径如表1所示，水泥石高度定为直径的2倍，每个直径组下制作7个样品，共计77个圆柱水泥石。为便于同GB19139[14]的水泥石比较，制作8个边长为50.8 mm方块水泥石进行对比。

表1 不同直径水泥石样品尺寸

1.2.2 水泥石高径比范围设计

1.2.3 水泥石加工精度及加载速度

实验中圆柱水泥石的切割加工精度参照GB23561.7[15]，试件两端面不平行度不大于0.05 mm，上、下端直径偏差不大于0.30 mm，轴向偏差不大于0.25 °。

根据GB19139，对于抗压强度大于3.5 MPa的试样，加载速率应为1.19±0.12 kN/s；对于抗压强度等于或小于3.5 MPa的试样，加载速率应为0.29±0.13 kN/s。为了使水泥石尽可能在静态下加载，实验设计加载速度为0.10 kN/s。

2 实验结果及分析

2.1 直径大小对水泥石力学性能测试的影响

2.1.1 测试数据

85个样品全部经过测试，其中，1个样品损坏，1个样品测试异常，因此，利用余下83个数据绘制不同直径下抗压强度及杨氏模量分布(图1)。

图1 不同直径水泥石抗压强度和杨氏模量分布

2.1.2 直径大小对抗压强度的影响

统计图1a的数据，绘制直径大小变化对水泥石抗压强度平均值及变异系数影响曲线(图2)。由图2可知：随着直径增大，水泥石抗压强度值总体呈减小趋势，但具有波动性，存在尺寸效应，其中，18.0≤d≤22.0 mm为抗压强度值下降阶段，22.0

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图2 不同直径水泥石抗压强度平均值及变异系数

抗压强度变异系数曲线随直径增加波动很大，可分为3个阶段：18.0≤d<23.0 mm为变异系数降低阶段；23.0≤d≤29.0 mm为变异系数持续低值的稳定阶段；29.0

综上所述，选择23.0≤d≤29.0 mm的圆柱水泥石可测得与GB19139所规定的方块水泥石一致的抗压强度及变异系数。

2.1.3 直径大小对杨氏模量的影响

统计图1b的数据，作直径大小变化对水泥石杨氏模量平均值及变异系数影响的曲线，如图3所示。由图3可知，水泥石杨氏模量值随直径增大总体趋势是减小的，出现了2个相对稳定阶段、1个下降阶段、1个上升阶段，具体划分：①18.0≤d≤29.0 mm为第1个相对稳定阶段，杨氏模量值接近9 000 MPa；②29.0

图3 不同直径水泥石杨氏模量平均值及变异系数

同样从图3中杨氏模量变异系数变化曲线也能看到，选择直径范围23.0≤d≤29.0 mm圆柱模测试水泥石杨氏模量的变异系数最低，测试值离散最小。在该范围内杨氏模量变异系数在一个较低值保持稳定，其他直径范围测试的杨氏模量变异系数上下波动不稳定，也偏大，特别是直径偏小或偏大的部分，即变异系数曲线两端对应的直径，变异系数最大，测试值离散最大。

总结直径对水泥石抗压强度和杨氏模量的影响，直径范围23.0～29.0 mm是圆柱模测试水泥石力学性能的最佳直径范围。

2.2 高径比对水泥石力学性能测试的影响

2.2.1 测试数据

49个样品经过测试，存在4个异常数据，利用余下45个数据绘制不同高径比抗压强度及杨氏模量分布(图4)。

2.2.2 高径比对抗压强度的影响

根据图4a中数据，绘制高径比对水泥石抗压强度影响的曲线(图5)，由图5可知：整体上高径比对抗压强度影响不显著，随着高径比的增加抗压强度值大多数在40.0～45.0 MPa之间波动，1.0≤η<2.0时抗压强度值波动较大，最高约为50 MPa，最低约为35 MPa，上下起伏大，尺寸效应影响显著，2.0≤η≤3.0时抗压强度值相对稳定，在42～45 MPa内平缓延伸，受尺寸效应影响小。因此，选择2.0≤η≤3.0的圆柱模型测试水泥石抗压强度，其结果更具有代表性。

图5中，随高径比的增加，抗压强度变异系数整体呈增大趋势，1.0≤η≤2.0时变异系数随高径比增大而增大，2.0≤η≤3.0时变异系数保持相对稳定。高径比小的圆柱样品，变异系数相对较低，测试值离散小，但抗压强度不稳定；2.0≤η≤3.0的变异系数虽然相对较大，但其相对稳定，同时抗压强度在此范围内也相对稳定，具备数值大小与离散性稳定性一致的特性。

图4 不同高径比水泥石抗压强度和杨氏模量分布

图5 不同高径比水泥石抗压强度平均值及变异系数

2.2.3 高径比对杨氏模量的影响

根据图4b中数据，绘制不同高径比下水泥石杨氏模量变化曲线(图6)。由图6可知，随着高径比的增大，杨氏模量也增大，当高径比由1.0增至2.1时，杨氏模量由4 000 MPa增至8 000 MPa，增长幅度较大，当2.1≤η≤3.0时，杨氏模量由8 000 MPa增至9 000 MPa，增长幅度较小。不同高径比下水泥石杨氏模量变化曲线没有稳定阶段，均受尺寸效应的影响，因此，可选择2.1≤η≤3.0的水泥石来测试杨氏模量，该段杨氏模量增加缓慢，受尺寸效应影响相对较小，为了进一步降低尺寸效应的影响，可将2.1≤η≤3.0缩小至2.1≤η≤2.6，杨氏模量的增加幅度仅为5%，尺寸效应的影响可以忽略。

图6 不同高径比水泥石杨氏模量及变异系数

图6中杨氏模量变异系数变化曲线显示高径比对变异系数整体上影响不显著，随高径比的增加，变异系数大多在10%～15%波动。当1.0≤η<2.0时，变异系数波动相对较大，最高值约为20%，最低值小于10%；当2.0≤η≤3.0时，变异系数保持相对稳定。根据杨氏模量值优选的2.1≤η≤2.6处于后者范围内，测试值离散小，尺寸效应影响小。

综上所述，圆柱模测试水泥石力学性能的最佳高径比为2.1～2.6。

3 实验总结

通过实验测试和统计分析，结果表明直径23.0～29.0 mm、高径比2.1～2.6是力学测试中油井水泥石圆柱模型的最佳尺寸取值界限，这与行业标准SY/T 6466推荐的尺寸(直径25.0 mm、高径比2.0)及API 10TR7推荐的尺寸(直径不小于25.0 mm、高径比2.0±0.2)存在区别，但并不矛盾。首先，SY/T 6466推荐的直径位于此次研究的结果范围内，高径比2.0的抗压强度也满足测试要求，而测试杨氏模量受尺寸效应影响较大，可以考虑增大高径比，设定为一段范围内，也方便现场备样；其次，API 10TR7推荐的直径不小于25.0 mm，需要确定其上限，若水泥石直径太大，影响测试结果，还会对压力机的最大试验力、结构刚度提出极高的要求，不便现场设备配套。

综上所述，建议在相关标准修订中采用直径25.0±1.0 mm，高径比2.1～2.6作为圆柱水泥石的尺寸，为现场水泥石力学性能测试提供一个统一的对比平台，这将极大改善目前测试中数据参差不齐、无法对比的现状，为油气井水泥环完整性研究奠定坚实的基础。