單軸壓縮下固井G級水泥石尺寸效應(yīng)試驗

謝志英，高源，賈善坡

吳羿君，陳美杰，潘博翔 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速的發(fā)展，油氣資源的供需不斷提高以及我國地下能源儲氣庫大規(guī)模的擴建，加快了深層油氣井和儲氣庫的建設(shè)與生產(chǎn)進度。在進行深層井條件下工作時，常伴隨著高溫高壓、地質(zhì)條件的不同等一些復(fù)雜地下環(huán)境的影響。由于其地下環(huán)境不一樣，深層油氣井的井身鉆探或大或小，所需用到的固井水泥層的大小也隨之變化。因此，探究固井水泥石的尺寸效應(yīng)對其力學(xué)性能的影響，可以針對具體的工程環(huán)境做出相應(yīng)的調(diào)整[1，2]。

對于油氣固井水泥石尺寸效應(yīng)的研究，目前在國內(nèi)外研究比較少，對固井水泥石的抗拉強度、單軸抗壓強度以及兩相界面的膠結(jié)強度研究比較多。鄭友志等[3]運用數(shù)值模擬和室內(nèi)評價的方法研究了不同條件下固井水泥石力學(xué)性能受加載速率、楊氏模量、溫度、圍壓等影響的變化規(guī)律；張明等[4]在準(zhǔn)脆性材料強度尺寸效應(yīng)中采用對數(shù)正態(tài)分布對Weibull理論進行改進；董莉莉、惠弘毅等[5,6]對3組不同尺寸試樣進行試驗分析，得到抗壓強度和抗拉強度均有尺寸效應(yīng)，等級越大尺寸效應(yīng)越明顯；王學(xué)濱等[7]研究了單軸壓縮下混凝土柱的峰后非線性尺寸效應(yīng)，預(yù)測峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線依賴于試樣的高度，受尺寸影響較大；張兆歡等[8]通過三點彎曲試驗，得出不同配比水泥砂漿斷裂韌性與試樣尺寸有關(guān)，試樣越大，韌度越大；何吉等[9]搜集了11個工程137組試驗有關(guān)數(shù)據(jù)，得到不同尺寸混凝土抗壓強度值受試樣形狀、齡期等因素影響；王劍波等[10]對煤巖單軸壓縮試驗數(shù)據(jù)擬合分析，得出煤巖巖樣尺寸效應(yīng)與抗壓強度、彈性模量的定量關(guān)系式；林軍等[11]研究基于尺寸效應(yīng)的類巖石材料，采用統(tǒng)計方法建立了類巖石材料點荷載和單軸抗壓強度線性方程，得到對應(yīng)關(guān)系的相關(guān)系數(shù)為0.994。以上研究成果表明，不同尺寸的試驗試樣其力學(xué)特性是存在差別的。為此，筆者通過對固井G級水泥石試樣進行單軸壓縮試驗，獲取G級固井水泥石的單軸抗壓強度、軸向彈性模量以及峰值應(yīng)變量等試驗數(shù)據(jù)，進而分析固井G級水泥石試樣尺寸效應(yīng)及其影響因素，得到與混凝土類材料不同的尺寸效應(yīng)規(guī)律。

1 水泥石單軸壓縮試驗

試驗所采用的設(shè)備為微機伺服控制液壓萬能試驗機系統(tǒng),如圖1所示。該系統(tǒng)試驗機可以進行簡單荷載加載方式的接頭改造，實現(xiàn)對水泥石的壓縮、劈裂以及剪切試驗，試驗可完全在計算機控制下進行。試驗采用位移加載的方式進行加載，儀器可以自動進行豎向位移統(tǒng)計，加載速率為0.02mm/s。對獲取的試驗數(shù)據(jù)進行抗壓強度換算。

圖1 微機伺服控制液壓萬能試驗機 圖2 水泥石試塊制作及養(yǎng)護 圖3 5種尺寸水泥石試樣

該試驗材料選用油氣井固井G級水泥(水灰比為0.44)進行混合攪拌均勻，用塑料模進行定型以及養(yǎng)護(見圖2)，在室內(nèi)自然狀態(tài)下進行澆水養(yǎng)護3d。單軸抗壓試驗只選用了固定高徑比為2∶1的5種試驗尺寸的水泥石試件,如圖3所示。5組試驗試樣都是沿同一方向鉆取，其層理結(jié)構(gòu)布置與加載方向關(guān)系都相同。通過巖心鉆取試驗機對養(yǎng)護好的水泥石進行不同尺寸的試驗取樣，通過巖石切割機對水泥石兩端進行切割磨平至滿足要求的單軸壓縮試樣。

圖4 不同尺寸水泥石的單軸壓縮應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線

2 固井G級水泥石試樣單軸壓縮試驗結(jié)果

5種不同試驗尺寸下的固井G級水泥石試樣應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線如圖4所示 (圖中數(shù)字 1～7表示每組試件個數(shù))，試驗得到的固井G級水泥石試樣單軸抗壓強度值如表1所示，同時按照文獻[12]對固井G級水泥石試樣彈性模量以及軸向應(yīng)變進行計算,如表2所示。

2.1 應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線試驗特征

由圖4可知，當(dāng)應(yīng)力達到一定強度時，許多水泥石應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線出現(xiàn)小幅度波動，歸究原因是試驗過程中G級固井水泥石邊緣有不同程度的破裂脫落，圖4(e)中尤為明顯。

表1 不同尺寸水泥石試樣抗壓強度測試值

注：最大離差值=[(強度最大值-強度平均值)/強度平均值]×100%。

表2 不同尺寸水泥石試樣力學(xué)參數(shù)值變化規(guī)律

此外，?25mm、?38mm的G級固井水泥石應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線曲率相比較其他幾組不同直徑的曲線的曲率要比較分散一些，?50mm、?57mm、?70mm的水泥石曲線曲率基本保持一致。當(dāng)達到最大強度時，試件破壞，相對前2組不同的曲線，?50mm、?57mm、?70mm的G級固井水泥石試樣前期有一段平緩的過程，說明試樣在破壞的過程中先開始進入壓密實變化階段，之后進入彈性變化階段，最后進入塑性階段。在單軸壓縮過程中，較小尺寸的G級固井水泥石試樣只經(jīng)歷彈性變化階段和塑性變化階段，而較大尺寸的G級固井水泥石試樣則先經(jīng)歷一個壓密實階段，再經(jīng)歷彈性變化階段和塑性變化階段[13]。水泥石各試樣的彈性變化階段的軸向應(yīng)變在0.005～0.01之間，而且水泥石的尺寸越大，彈性變化階段的變形量越大，水泥石壓密實變化階段就越顯得明顯。

較大的固井G級水泥石試樣在單軸抗壓過程中經(jīng)歷壓密實階段-彈性變化階段-塑性變化階段，與小尺寸水泥石直接進入彈性階段變化不一樣。固井G級水泥石試樣在單軸抗壓破壞時，均表現(xiàn)出脆性特征，由圖4可知，當(dāng)水泥石尺寸越大時，脆性表現(xiàn)的越不明顯。?50mm、?57mm、?70mm的固井G級水泥石試樣在進入彈性變化階段前期存在壓密實變化階段，同時?70mm的固井G級水泥石試樣當(dāng)強度達到第1個承載力峰值時，試樣并沒有立即破壞，還有一定的剩余承載力，這一結(jié)果表明固井G級水泥石試樣強度值受試樣尺寸影響。

2.2 固井G級水泥石試樣參數(shù)的變化規(guī)律

由表1可知，不同尺寸水泥石在同一環(huán)境下養(yǎng)護并用同一種方式鉆取,其密度基本保持一樣。試驗水泥石試樣第5組最大離差值要大于其他幾組，其余幾組最大離差值趨于20% ，說明直徑相同的情況下，每一組試樣其均勻性比較好，每一組之間各試樣無尺寸效應(yīng)。

圖5 水泥石平均強度隨尺寸變化規(guī)律 圖6 水泥石平均彈性模量隨尺寸變化規(guī)律

圖7 水泥石峰值應(yīng)變量隨尺寸變化規(guī)律

由表2和圖5可知，固井G級水泥石試樣隨著尺寸的增大抗壓強度先緩慢增大后減小，受尺寸影響比較大，與傳統(tǒng)的單軸壓縮混凝土類試驗試樣隨著尺寸的增大抗壓強度值逐漸減小的特點不相同[14]。

由表2和圖6可知，固井G級水泥石試樣的平均彈性模量隨著尺寸的增加，彈性模量值慢慢趨于平緩，?25mm、?38mm、?50mm水泥石彈性模量的變化幅度比較大。

由表2和圖7可知，固井G級水泥石試樣的峰值應(yīng)變隨著尺寸的增大慢慢趨于穩(wěn)定，在較小尺寸中，峰值應(yīng)變影響明顯，這與上述水泥石在較小尺寸試件試驗過程中直接進入彈性變形階段，而大尺寸試件試驗過程先進入壓密實階段有關(guān)，這一過程中主要表現(xiàn)出峰值應(yīng)變因尺寸不同而不同。

2.3 固井G級水泥石試樣破壞特征

通過對5組不同尺寸固井G級水泥石試樣進行單軸壓縮試驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著固井G級水泥石試樣的尺寸逐漸增大，固井G級水泥石試樣破壞的形態(tài)表現(xiàn)出的尺寸效應(yīng)比較明顯。圖8(a)為試驗前各尺寸固井G級水泥石試樣的狀態(tài)。圖8(b)為通過每組7個試樣的試驗破壞狀態(tài)所呈現(xiàn)的具有代表性的破壞模式圖。由圖8(b)可知，從左到右固井G級水泥石試樣的表面破壞裂紋不一樣，大尺寸水泥石試樣其端部都有較大破碎，直至試樣失去承載力，而小尺寸的水泥石試樣沿著中部直接失去抗壓承載力，相比較大尺寸試驗試樣端部破碎不明顯。尺寸大小不一樣，試樣破壞特征也不一樣，體現(xiàn)出固井G級水泥石具有較明顯的尺寸效應(yīng)。

目前大部分學(xué)者分析脆性材料的尺寸效應(yīng)往往會采用 Weibull隨機強度統(tǒng)計理論[3、15]，該理論認(rèn)為試樣存在的缺陷大小與試樣尺寸是有聯(lián)系的，且成正比狀態(tài)，尺寸越大缺陷越大。通過對固井G級水泥石試樣準(zhǔn)脆性材料的尺寸效應(yīng)進行試驗研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生尺寸效應(yīng)的另一原因是試驗試樣內(nèi)部存在缺陷，缺陷包括高層次缺陷和低層次缺陷2種。一般情況下，試樣內(nèi)部出現(xiàn)有斷層、裂紋和裂隙則為高層次缺陷,有微裂隙、孔狀等則為低層次缺陷。在進行試驗后，選取部分試驗試樣對其內(nèi)部進行仔細觀察，發(fā)現(xiàn)較大的固井G級水泥石孔狀多于較小尺寸的試驗試樣，與上述試驗試樣隨著尺寸的增大單軸壓縮時先出現(xiàn)壓密實變化階段相對應(yīng)。當(dāng)然，由圖4(e)可知，當(dāng)試樣第1次達到峰值后，抗壓承載力并沒有消失，而是呈繼續(xù)上升的趨勢，從而也驗證了固井G級水泥石試樣的內(nèi)部缺陷大小對尺寸效應(yīng)也存在影響。

圖8 水泥石試樣破壞前與破壞后狀態(tài)

3 結(jié)論

1)通過固井G級水泥石試樣單軸抗壓試驗可知，固井G級水泥石試樣有明顯的尺寸效應(yīng)，隨著尺寸的增大其抗壓強度值先增大后減小，與傳統(tǒng)的單軸抗壓試驗試樣隨尺寸的增大抗壓強度減小的特點不同。

2)固井G級水泥石尺寸效應(yīng)對力學(xué)參數(shù)如抗壓強度值、彈性模量以及峰值應(yīng)變都存在影響，其單軸抗壓破壞時試樣尺寸越大其軸向應(yīng)變逐漸趨于平穩(wěn)。小尺寸固井G級水泥石試樣在單軸壓縮過程中經(jīng)歷彈性變化階段-塑性變化階段2個階段，而大尺寸固井G級水泥石試樣則經(jīng)歷壓密實階段-彈性變化階段-塑性變化階段3個階段。

3)不同尺寸的水泥石試樣其內(nèi)部的缺陷程度不一樣，內(nèi)部缺陷大小受固井G級水泥石的尺寸影響。