固井二界面泥餅固化強度室內評價方法建立

步玉環， 周林維， 杜嘉培， 郭炳亮， 趙樂天

(中國石油大學(華東) 非常規油氣開發教育部重點實驗室，山東 青島 266580)

0 引 言

在固井過程中，由于井壁上泥餅的存在，導致水泥石不能直接與井壁膠結，易形成水泥環與井壁(即二界面)之間的微間隙，從而造成固井二界面膠結質量差[1-5]。目前，為解決該問題，除了研究高效沖洗隔離液提高對泥餅的清洗能力外，泥餅固化技術逐漸成為解決固井二界面膠結質量問題的有效方法[6-7]。

從鉆井液轉化為固井液(MTC)固井技術到泥餅防地成凝餅(MTA)固井技術，以及多功能鉆井液的研究，其本質都是在固井水泥石和井壁之間形成具有一定強度的隔層[8-11]。泥餅固化后具有薄而韌的特性，可以有效避免固井二界面的封隔失效問題，但是，如何在實驗室中評價固化泥餅的質量成為了現階段存在的關鍵問題。常規的泥餅強度評價方法大部分只能定性評價泥餅質量，或者只能間接定量評價泥餅強度[12]。本文建立的固化泥餅強度評價方法操作簡單、靈活可靠，可直接根據實驗參數計算泥餅強度，為泥餅固化技術的研究提供可靠的評價方法。

1 泥餅固化強度實驗方法

1.1 固化泥餅制備方法

泥餅的制備方法采用濾失成餅法，即將鉆井液基漿、含有泥餅固化材料的鉆井液體系放入濾失筒中，在0.7 MPa壓力下濾失一定時間后得到具有一定厚度的泥餅。圖1所示為鉆井液基漿(左)和含有泥餅固化材料的鉆井液體系(右)所形成的泥餅。

圖1 濾失法形成的泥餅

泥餅的強度激活方法主要采用滲濾法，即采用失水筒加壓使激活劑滲透進入泥餅，試驗壓力1 MPa，實驗溫度75 ℃。激活劑采用硅酸鈉和氫氧化鈉的水溶液，其中硅酸鈉和氫氧化鈉的質量比為40∶1。經過激活劑作用后，通過觀察和初步定性檢測，泥餅具有了一定的強度和硬度，因此證明該固化方法的可行性，即通過潛活性材料復配改性鉆井液，采用滲濾法制備改性泥餅，之后通過激活劑對泥餅進行激活，形成具有一定強度的泥餅，從而實現二界面的整體固化[13]。

1.2 泥餅固化強度測試裝置

受水泥漿初終凝測定方法的啟發，筆者進行固化泥餅突破極限載荷的測量裝置的改進，其結構如圖2所示。其中，支架上方的金屬桿可自由移動，金屬桿末端嵌入高強度鋼針，壓力傳感器放置于底座中心。在測試過程中，將制備的泥餅放置于壓力傳感器上，操作金屬桿向下緩慢釋放使鋼針作用于泥餅，記錄鋼針破壞泥餅時壓力傳感器的示數，此時測得泥餅承受針入突破的極限力(單位為N)。

圖2 泥餅強度評價裝置結構圖

1.3 泥餅固化強度測試步驟

泥餅固化強度的測試思路為：形成泥餅—激活泥餅—固化強度評價。

具體步驟為：

(1)利用泥餅制備方法制備待評價的固化泥餅。

(2)校核泥餅固化強度評價裝置的金屬桿自由移動情況，確保金屬桿自由移動且不受阻力影響。

(3)校核泥餅固化強度評價裝置的壓力傳感器的靈敏度，以便保證對固化泥餅極限突破力的準確測量。

(4)調整底盤高度，保證控制旋鈕完全釋放后鋼針與測力傳感器底盤剛剛不接觸，即此時壓力傳感器不受力的作用。

(5)將制備好的泥餅放置于壓力傳感器盤上，釋放控制旋鈕使金屬桿自由下落，此時鋼針突破固化泥餅，泥餅受力后傳至壓力傳感器，記錄該力值。

(6)將泥餅移動一位置，避免鋼針落入已經測定的插孔內，重復步驟(5)進行突破力的重復測量(至少3次)。

(7)將多次測定的極限突破力進行加權平均，得到固化泥餅的極限突破力。

2 二界面泥餅固化強度評價方法的建立

在建立的固化泥餅強度評價裝置的測試中，只能測定泥餅的極限突破力，但強度的表征一般采用單位面積的受力表示，需要進行力的轉化。雖然在鋼針突破泥餅時只是頂面1 mm的接觸，但在鋼針運行中泥餅所受的作用較為復雜，一方面泥餅受到鋼針在1 mm圓形范圍內的壓強作用，但泥餅底部受到完全的支撐；另一方面由于泊松效應，泥餅受鋼針作用變形區域會受到周圍泥餅的影響。

由于泥餅的受力復雜，通過常規計算手段使得轉化過程十分困難，為此，采用了數值模擬的方法，利用ABQUS軟件建立泥餅模型，并設置模型各項參數與實際泥餅模型相同，對其進行受力分析，并得出泥餅極限突破力與泥餅強度之間的關系。

2.1 泥餅正向受力轉化抗壓強度的依據

在材料破壞分析中，采用了Mises屈服準則作為泥餅破壞的強度準則。Mises屈服準則統一了單向拉壓狀態的第1強度理論、復雜應力狀態的第3強度理論和第4強度理論，尤其在復雜應力狀態有限元數值分析中，Mises屈服準則獲得了更為廣泛的應用[14]。本研究采用Mises應力準則的依據為：①采用自制泥餅測量裝置測試泥餅強度，泥餅受力條件復雜：包括鋼針對泥餅1 mm圓形區域的壓強、圓形區域周圍的擠壓、泥餅底部的支持力以及泥餅發生變形后受力區域周圍的擠壓。Mises屈服準則適用于復雜應力狀態的數值分析，并且所需主要參數通過本實驗室的測量設備測得；②泥餅本身不受靜水壓力的影響，有效減小了Mises屈服準則的使用誤差；③泥餅不同于普通的混凝土材料，具有一定的彈韌性(見圖3)。通過實驗發現，泥餅破壞處四周有細微的裂紋，可判定其破壞形式具有韌性斷裂的特征，此種破壞形式由最大Mises應力控制，因此使用Mises屈服準則更準確可靠[15]。

圖3 鋼針對泥餅的作用示意圖

2.2 泥餅模型的建立

利用ABAQUS力學軟件建立泥餅的模型，如圖4所示。模型各項參數與實際泥餅的各項參數相同：泥餅直徑64 mm，厚度2 mm，在泥餅底部施加約束。

圖4 泥餅模型

泥餅固化程度測試中，鋼針對泥餅的破壞實際上是鋼針在泥餅上1 mm圓形范圍內施加一個分布應力，隨著該壓強的增加，當泥餅所受最大應力超過其屈服應力時泥餅發生破壞。基于此，在所建模型中對泥餅中心1 mm圓形范圍施加一個壓強并進行力學分析。

2.3 泥餅正向應力與抗壓強度的轉化

基于以上所建模型，輸入通過自制設備測出的突破極限作用力和通過室內超聲測量裝置測得的物性參數，通過數值模擬得出泥餅受到正向作用力作用后的受力云圖(見圖5)。觀察圖5可以看出，泥餅只在中心區域的附近受到應力作用。在受力云圖上設置由泥餅受力中心至泥餅受力為0處任意一點的直線路徑，對該路徑上的應力數據通過曲線的形式導出(見圖6)，即可獲得泥餅破壞的最大Mises應力(曲線最高點對應的Mises應力)。該模型需輸入的參數共有3個：作用力、彈性模量和泊松比。因此需要對固化泥餅的真實彈性模量和泊松比進行測試。

圖5 泥餅受力云圖

圖6 某路徑上的泥餅應力曲線

2.4 泥餅自身彈性模量及泊松比的測定

固化泥餅不同于普通的硬脆性材料，由于泥餅中含有較多的有機聚合物添加劑成分，并且泥餅含水率要遠高于普通水泥基材料，造成泥餅的彈性模量遠低于普通水泥基材料，而泊松比則要大很多。筆者采用超聲測量裝置對幾種鉆井液體系形成的固化泥餅進行了縱橫波速測量，如圖7所示。該系統由Olympus 5058PR高壓超聲脈沖發生器接收器和基于Labview的NI PXIe-1071數據采集儀組成。

縱波探頭選用Olympus V101-RB，橫波探頭選用Olympus V150-RB，并通過下式計算得到了幾種鉆井液體系固化泥餅的彈性模量和泊松比(結果見表1)：

(1)

(2)

表1 不同鉆井液泥餅的彈性模量和泊松比

式中：E為彈性模量，GPa；ρ為實驗對象密度，kg/m3；vP為縱波速度，m/s；vS為橫波速度，m/s；υ為泊松比。

2.5 泥餅抗壓強度的計算

基于以上所建模型，通過模擬研究了突破力、彈性模量和泊松比與泥餅的最大Mises應力的關系。模擬過程中，分別保持上述3個因素中2個因素不變進行單因素分析(在測定的幾種鉆井液固化泥餅的彈性模量和泊松比范圍內)，計算泥餅破壞的最大Mises應力。圖8所示為針刺部位放大100倍的變形，通過數值模擬的變形圖可以看出與實驗得到的變形圖(見圖3)的變形非常吻合。模擬計算彈性模量和泊松比等參數對泥餅受到的最大Mises應力之間的關系如圖9和10所示。由圖9可以看出，不同泥餅彈性模量的變化對泥餅強度基本沒有影響，即彈性模量對泥餅強度的影響基本可以忽略；由圖10可以看出，泥餅泊松比的變化對泥餅強度有一定影響，但是不同泥餅的泊松比差別很小(見表1)，其影響也可以忽略。

圖8 針刺部位放大100倍變形(算例鉆井液4)

圖9 泥餅最大Mises應力與彈性模量的關系

圖10 泥餅最大Mises應力與泊松比的關系

模擬計算不同鉆井液的固化泥餅破壞的最大Mises應力計算抗壓強度數據及采用自制評價裝置實驗得到的針刺極限突破力如表2所示。將所得數據繪制成針刺突破極限作用力與抗壓強度的關系圖(見圖11)，并將數據進行線性擬合，發現泥餅的計算抗壓強度與針刺突破極限作用力具有良好的線性關系，因此可得出：

S=0.624 9F-0.007 9

(3)

式中:S為固化泥餅強度，MPa；F為固化泥餅極限突破力，N。

綜上所述，對于本文研究的鉆井液基漿和4種鉆井液體系，固化泥餅強度主要與實驗測定的極限突破力的大小有關，彈性模量和泊松比的影響可以忽略。因此，可以采用針刺測定固化泥餅極限突破力的方法，將實驗得到數值代入式(3)進行力學值和強度值的轉換，即可得到固化泥餅的強度值。

表2 不同鉆井液泥餅的計算抗壓強度

圖11 泥餅針刺突破極限作用力與泥餅強度的關系

表3 泥餅抗壓強度計算結果驗證 MPa

3 泥餅抗壓強度計算結果驗證

為了對泥餅抗壓強度的計算結果進行驗證，對泥餅的剪切膠結強度與液壓作用下固化泥餅被突破的壓力進行了測試，結果如表3所示。結果表明，泥餅的計算抗壓強度與其剪切膠結強度以及突破壓力有很好的吻合性，當計算抗壓強度大時，其剪切膠結強度與突破壓力也相應增大。因此，綜上所述，固化泥餅的抗壓強度可以通過對固化泥餅針刺極限突破力的測量及式(3)的計算得到。

4 結 語

本文針對目前泥餅固化技術研究中泥餅強度評價方法欠缺的問題，提出了固化泥餅的強度測試和評價方法，該方法利用自制簡易裝置測試泥餅固化程度，并通過建模分析泥餅所受極限力與泥餅強度的關系。實驗證明，泥餅固化強度與泥餅承受的針刺突破極限應力具有良好的線性相關性，通過擬合公式計算得到的強度與泥餅的剪切膠結強度與突破壓力具有較好的吻合性。該方法能夠定量描述泥餅的固化強度，簡單易行，對于泥餅固化技術的實驗室評價具有重要的意義。