水平井水泥石力學性能的實驗評價

王 毅 陳大鈞 余志勇 齊志剛

1.西南石油大學化學化工學院 2.中國石化勝利油田鉆井工藝研究院

水平井水泥石力學性能的實驗評價

王 毅1，2陳大鈞1余志勇1齊志剛2

1.西南石油大學化學化工學院 2.中國石化勝利油田鉆井工藝研究院

為了提高水平井固井質量，需要對水平井水泥石進行科學而準確的評價，從而為有效改善水平井水泥漿性能提供更加可靠的理論依據。通過模擬水平井實際環境條件，對水平井固井常用的兩種水泥漿體系進行了性能測試評價，得出其常規性能（析水、流動度、稠化時間等）雖滿足固井施工要求，但水平段水泥環的水泥石力學性能表現出整體非均勻性的認識：水泥石膠結強度及彈性模量上部分較下部分小；水泥石泊松比上部分較下部分大，下部分水泥石的彈塑性形變能力較上部分弱；掃描電鏡清楚觀察到水平段水泥環的上部分疏松多孔，針狀物質為纖維，下部分致密、嚴實。該實驗成果為有效解決水平井固井質量問題提供了科學依據。

水平井 固井質量 常規性能 水泥石力學性能 膠結強度 三維力學 掃描電鏡 實驗室試驗

隨著油氣勘探開發進入中后期，水平井是提高低滲透油氣藏產能的有效方法［1－4］。由于其環空間隙窄的特殊工程條件，在進行射孔、酸化、壓裂等作業時很容易造成環空水泥環破碎，引起油氣田后期的層間互竄，所以提高水平井固井質量是現今固井技術所面臨的一大難題。目前國內外對水平井水泥體系性能的評價方法大部分仍是沿用直井API標準，尚無統一的水平井評價標準［5－9］。故本文針對勝利油田的低滲透區塊所使用的水平井開采方式，在模擬水平井實際環境的條件下，對其常用于水平井固井的兩種水泥漿體系進行了性能測試評價，包括常規性能（析水、流動度、稠化時間等）、膠結強度及三維力學實驗的評價，并通過掃描電鏡對水平井環空水泥石的微觀結構進行了驗證，此研究對科學而準確地提高薄互層水平井固井質量提供了合理依據和理論基礎。

1 實驗方法

1.1 水平井水泥漿常規性能的測定

對常用于水平井固井的兩種水泥漿：塑性微膨脹水泥漿和膠乳水泥漿，按照GB／T 19139－2003油井水泥應用性能試驗方法進行常規性能測試。水泥漿配方如下：

塑性微膨脹水泥漿配方：G級嘉華水泥＋2%塑性膨脹劑＋3%SW－1＋0.05%SN－3，水灰比＝0.46。

膠乳水泥漿配方：G級嘉華水泥＋3%WG＋7%膠乳＋1.0%BXF－200L＋0.5%SXY＋0.5%BXR－200L，水灰比＝0.44。

1.2 水平井水泥石膠結強度的測定

引起油氣井后期層間互竄的本質在于水泥環與套管和井壁的膠結狀態好壞，特別是水平井其水平段環空水泥石與兩界面的膠結強度是保障整個油氣井壽命的關鍵因素，因此為了更切實際的評價水泥石的膠結強度，模擬水平井井下水泥漿流動狀態，設計實驗裝置見圖1。為了模擬環空水泥環與套管和地層的膠結強度，將模具制作為鋼質和石質兩種，裝有環空水泥石的模具剖面見圖2。

2 實驗結果與討論

2.1 水平井水泥漿常規性能評價

根據上述實驗方法，這兩種水泥漿體系的常規性能測試結果見表1。

圖1 模擬水平井實驗裝置簡易圖

圖2 裝有環空水泥石的模具剖面圖

表1 水平井水泥漿常規性能測試結果表

根據表1的測試結果可以看出，這兩種用于水平井固井的水泥漿體系在一定密度下，具有良好的流動性能，析水量為0，濾失量較小，稠化時間可調且漿體穩定，滿足水平井固井施工要求。

2.2 水平井水泥石膠結強度評價

根據上述實驗方法，這兩種水泥漿體系的水泥石與第一、二界面的膠結強度測試結果見表2。

從表2數據可知：與套管（第一界面）的膠結強度，塑性微膨脹體系和膠乳體系上部分水泥石較下部分水泥石平均低12.4%和18.3%；與地層（第二界面）的膠結強度，塑性微膨脹體系和膠乳體系上部分水泥石較下部分水泥石平均低20.1%和21.7%。

2.3 水平井水泥石三維力學性能評價

目前對油井水泥石進行單軸實驗力學測試，忽略了井下實際環境對環空水泥石的影響［10－11］，所以為了更加科學地評價水平井水泥石在井下受溫度、壓力影響時的力學性能，筆者采用美國GCTS公司三軸巖石力學測試系統RTR－100對這兩種體系的水泥石進行了三維力學性能測試評價［12］。測試條件為：三軸（圍壓20 MPa）、實驗溫度（70℃）、恒速（2 k N／min）加載水泥石。試驗結果見圖3、4。

圖3 塑性微膨脹水泥石三軸應力—應變曲線圖

圖4 膠乳水泥石三軸應力—應變曲線圖

由圖3、4的應力—應變曲線可知：首先這兩種體系的上部分水泥石的三軸力學抗壓強度均較下部分水泥石低；其次在加載初期，下部分水泥石較上部分水泥石表現出稍差的彈性形變能力，應力—應變曲線基本呈直線，且在加載后期這種形變能力的差距更為明顯，下部分水泥石較上部分水泥石具有更差的塑性形變能力，這是由于水泥漿在水化過程中，水化產物Ca（OH）2、C2SH、C2SH2及鈣礬石（Aft）等受重力自由沉降后，更多地聚集在下端水泥石，然而纖維和膠乳為非常細小的物質，不參與水化，相對更多地集中在上部分水泥石中，致使下部分水泥石的彈塑性特征較弱，上部分水泥石的致密程度較差的這種水泥石整體非均勻性。這對于研究井下水泥石力學性能變化及油氣井長期層間封隔能力具有積極意義。

彈性模量和泊松比是反應材料在彈性限度內抵抗形變的能力，根據表3中數據可知，這兩種水泥體系上部分水泥石較下部分水泥石彈性模量小，泊松比大，也反應出上部分水泥石聚集了過多的膠乳和纖維，反而對水泥石的膠結強度等力學性能產生了不良影響。

表3 水泥石彈性模量及泊松比實驗結果表

2.4 水平井水泥石微觀結構分析

為了更加清楚、形象地對水平井水泥石的宏觀力學性能進行評價，對水泥石進行了具有代表性的掃描電鏡微觀結構測試分析，其測試結果見圖5～8。

由掃描電鏡圖5與圖6可知：塑性微膨脹體系上部分水泥石疏松多孔，針狀物質為纖維，且顯得雜亂并卷曲成團于水泥石中，這將影響水泥石與界面膠結強度的發展，而下部分水泥石致密、嚴實，且將纖維緊緊包裹在水泥石中，減少了水泥顆粒之間的空隙，對界面的膠結具有較大的貢獻作用。由掃描電鏡圖7與圖8可知：在膠乳水泥石中，上部分水泥石也呈疏松多孔，雪花狀物質為膠乳，但過多的膠乳微粒分布于水泥中，覆蓋在水化產物表面，形成連續的網狀結構，相互交織在一起，影響了水泥顆粒的繼續水化，從而對水泥的膠結強度發展產生一定的抑制作用，這與宏觀測試結果一致。

3 實驗結論

圖5 塑性微膨脹水泥石（上）掃描電鏡圖

圖6 塑性微膨脹水泥石（下）掃描電鏡圖

圖7 膠乳水泥石（上）掃描電鏡圖

圖8 膠乳水泥石（下）掃描電鏡圖

1）從對常用于水平井固井的水泥漿常規性能測試看，雖滿足固井施工要求，但通過水平井模擬實驗，測得水平段其上部分水泥石均較下部分水泥石與兩界面的膠結強度低。

2）為了更加科學、準確地得到水泥石在井下實際環境下的力學性能，對其進行了三維力學測試實驗，得出了水平段上部分水泥石的致密程度較下部分差，下部分水泥石的彈塑性形變能力較上部分弱的特征，這表現出了水平井水泥段上、下部分水泥石整體力學性能的非均勻性，對結論1）進行了補充。

3）通過掃描電鏡的微觀結構分析，更加直接、形象地對上、下部分水泥石進行了分析評價，與水泥石的宏觀性能測試結果一致。

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Experimental assessment of the mechanical properties of the cement stone for horizontal wells

Wang Yi1，2，Chen Dajun1，Yu Zhiyong1，Qi Zhigang2
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China；2.Research Institute of Drilling Technology，Sinopec Shengli Oilfield Company，Dongying，Shandong 257000，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.63－66，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Scientific and accurate assessment is required to evaluate the cement stone for horizontal wells，thus to improve well ce－menting quality and provide a more reliable theoretical basis for effectively improving the slurry performance.In this paper，the practical environmental setting of a horizontal well was simulated to perform a performance test ＆assessment for two common types of slurry systems adopted for horizontal well cementing.Although the conventional properties（e.g.，bleeding，fluidity and thickening time）of the slurry systems turned out to be compliant with the well cementing requirements，the mechanical properties of the cement stone which made up the cement sheath of the horizontal well exhibited an integral non－homogeneity.The upper part of the cement stone was tested to have a lower cementing strength and elasticity modulus than the lower part，the Poisson＇s ratio of the upper part of the cement stone was tested to be higher than that of the lower part，and the elastic－plastic deformation capability of the upper part of the cement stone was greater than that of the lower part.Under the SEM（scanning electron microscope），it was clearly observable that the upper part of the cement sheath had a loose and porous structure intermingled with acicular fibrous substances，and that the lower part had a tight structure.The research findings provide a scientific basis for finding an effective solution to horizontal well cementing.

horizontal well，cementing quality，conventional properties，cementing strength，3D mechanics，SEM（scanning electron microscope）

王毅等.水平井水泥石力學性能的實驗評價.天然氣工業，2012，32（10）：63－66.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.015

國家科技重大專項課題“勝利油田薄互層低滲透油田開發示范工程”（編號：2011ZX05051）。

王毅，女，1974年生，工程師，博士研究生；現從事石油完井工程技術研究工作。地址：（257017）山東省東營市中國石化勝利油田鉆井工藝研究院。電話：13954618032。E－mail：wjswy2007＠163.com

（修改回稿日期 2012－08－03 編輯 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.015

Wang Yi，engineer，born in 1974，is studying for a Ph.D degree，with her research interest in petroleum drilling and completion engineering.

Add：Dongying，Shandong 257017，P.R.China

E－mail：wjswy2007＠163.com