常用G級油井水泥水化結構變化規律研究

馮穎韜，宋維凱，溫達洋，陳 宇，崔 策

（中海油田服務股份有限公司，河北燕郊065201）

固井通過套管和水泥的膠結封固作用，封閉地下復雜地層和封隔地下油、氣、水層，防止層系串通，保護產層，建立起一條隔絕良好的油氣流開采通道[1-3]。油井水泥作為固井的主要膠凝材料[4-6]，針對其孔隙結構發育規律展開研究，對指導固井設計具有重要意義。目前，國內外學者多采用實驗測試和數值模擬等方法來研究水泥石孔隙結構發育規律[7]。

本文結合HYMOSTRUC3D 模型和CT 測試來開展G 級油井水泥孔隙結構發育規律的研究。首先，在HYMOSTRUC3D 模型的基礎上，建立G 級油井水泥水化數值模擬模塊，模擬研究不同水灰比（W/C=0.4～3.0）對水泥水化進程的影響，獲取C3S、C2S、C3A、C4AF、C-S-H含量、CH含量、孔隙率、孔徑分布、抗壓強度等隨水化齡期的變化關系，重建水泥石三維微結構。然后，將低水灰比（W/C=0.4、0.44、0.50）的孔隙率、孔徑分布、三維結構和抗壓強度HYMOSTRUC3D模擬結果分別與CT 掃描結果和力學實驗機測試結果進行了對比。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 實驗材料

實驗中所用材料包括：G級高抗硫酸鹽油井水泥，由淄博中昌特種水泥有限公司生產，符合API標準；其化學成分和物理性能如表1所示；礦物成分根據Taylor改進后的Bogue方程[35]和《油井水泥》（GB/T 10238-2015）計算得出，其中，總堿量按照Na2O 當量=0.658w(K2O)+w(Na2O)考慮，結果如表2 所示；水泥粒度分布采用英國馬爾文公司生產的Mastersizer 2000型激光粒度分析儀測試，并用RRB方程對其累積體積分布曲線進行擬合，實驗用水為武漢市自來水。

1.2 實驗方法

表1 水泥主要氧化物成分及物理性質

表2 水泥主要礦物成分及含量

1.2.1 樣品制作

在實驗過程中，考慮到水泥漿在選取較高水灰比時流動性過大、水泥漿沉降分層明顯，在較低水灰比時流動性過差，實際配漿圍繞標準稠度用水量W/C=0.44選取4 種不同水灰比（W/C=0.40、0.44、0.50、0.60），參照《油井水泥》（GB/T 10238-2015）和API 10A-2015相應規范配漿。將配制好的水泥漿分別倒入40mm×40mm×40mm 鋼制模具內（用于力學強度測試）和采用注射器注入1/8″耐高溫PTFE 管中（用于CT 掃描測試），用保鮮膜包裹好后放入常壓、30℃的養護箱中密封養護。養護至規定齡期（1d、2d、3d、7d、28d）后，40mm×40mm×40mm的樣品在力學強度測試前5min進行拆模；而PTFE 管中的樣品直接放入無水乙醇中終止水化1d，取出后放入烘箱中，在105℃的溫度條件下烘12h后進行CT測試。

1.2.2 孔隙結構測試

采用三英精密儀器股份有限公司的Nano Voxel-2000 CT掃描水泥石的三維微觀結構，利用Voxel Studio 軟件進行三維重構，然后利用Avizo 軟件對重構后的數據體進行分析處理，得到水泥石三維微觀結構圖，并分析計算出水泥石的特征孔徑、孔隙率和孔徑分布。測試采用20倍光耦探測器，最小分辨率為2μm。

1.2.3 力學強度測試

濟南星火試驗機有限公司生產的ZCYA-W300C型抗壓抗折強度力學試驗機測試樣品的抗壓強度，每次測試選取6個標準樣品，取平均值作為抗壓強度，樣品加載速率為2.4kN/s。

2 基于HYMOSTRUC3D的G級油井水泥水化數值模型建立

2.1 水泥水化參數的計算

HYMOSTRUC3D模型中涉及的水泥水化參數主要包括初始水化速率K0和臨界穿透速率δtr。基于水泥礦物成分（見表2），參考Nguyen等[14-15]的研究成果，計算出水泥水化參數K0和δtr，如表3所示。

表3 水泥的水化參數K0和δtr

2.2 表征單元體邊界尺寸的選取

本研究考慮到部分水泥顆粒直徑可達100μm 左右，為使模擬結果更加真實可靠，選取RVE 尺寸為200μm。

3 結果與討論

3.1 水泥石三維微結構

用HYMOSTRUC3D獲取了水泥石在不同水化齡期的微結構，并與CT掃描測試結果進行了對比。研究結果表明：水泥水化早期，水泥顆粒水化程度較低，水化產物特征不太明顯，孔隙體積占比較高。隨著水化反應的進行，C3S、C2S、C3A、C4AF 等礦物成分逐漸消耗，CH、C-S-H 凝膠等水化產物逐漸生成填充孔隙，導致孔隙體積逐漸減少。當水化到28d時，水泥水化產物幾乎占據整個空間，孔隙含量顯著減少。

3.2 水灰比對孔隙率的影響

用HYMOSTRUC3D 對不同水灰比（W/C=0.40、0.44、0.60、0.80、1.0、2.0、3.0）條件下水泥石的孔隙率變化進行了定量模擬，并獲取了不同齡期（t=1d、2d、3d、7d、28d）水泥石的孔隙率信息。研究結果表明：水泥石28d孔隙率明顯小于1d孔隙率，且1～3d孔隙率減小幅度明顯大于7～28d 孔隙率減小幅度，說明水泥石孔隙率隨水化反應的進行而逐漸減小且減小幅度越來越小。水灰比為0.4 的水泥石孔隙率明顯低于水灰比為3.0 的水泥石，水泥石孔隙率隨水灰比的增大而增大。分析認為，在水泥水化過程中，水泥和水分逐漸被消耗，C-S-H 和CH 等水化產物逐漸生成膨脹并填充孔隙，從而使孔隙率逐漸降低。對于水灰比越高的水泥凈漿，其初始水體積占比較高，某種程度上而言其初始孔隙率越大，雖然水泥水化能夠起到一定填充孔隙的作用，但是高水灰比水泥漿單位體積的水泥含量相對更低，水泥水化生成的產物填充孔隙的能力有限，從而導致高水灰比的水泥漿孔隙率也相對更高。

3.3 抗壓強度及其對孔隙率的影響

用HYMOSTRUC3D 對不同水灰比（W/C=0.40、0.44、0.50、0.60、0.80、1.0、2.0、3.0）的水泥石的抗壓強度變化進行了定量模擬，并獲取了不同齡期（t=1d、2d、3d、7d、28d）水泥石的抗壓強度。研究結果表明：水泥石28d抗壓強度明顯高于1d抗壓強度，且1～3d抗壓強度增大幅度明顯大于7～28d 抗壓強度增大幅度，與孔隙率隨時間的變化趨勢是相反的，水泥石孔隙率隨水化反應的進行而逐漸減小且減小幅度越來越小，而水泥石抗壓強度隨水化反應的進行逐漸增大且增大幅度越來越小。水灰比為0.4 的水泥石抗壓強度明顯大于水灰比為1.0的水泥石；當水灰比為2.0及以上時，水泥漿初始孔隙率過大，28d 孔隙率達70%以上，水化產物過于稀疏無法支撐骨架，水泥石抗壓強度為0。水泥石抗壓強度隨水化反應的進行而逐漸增大，水灰比越高，抗壓強度越小。

4 結論與展望

(1)本研究在HYMOSTRUC3D 模型的基礎上，獲取了固井水泥漿水化過程中C3S、C2S、C3A、C4AF、CS-H含量、CH含量、孔隙率、孔徑分布、抗壓強度等隨水化齡期的變化關系。

(2)水泥水化過程中，水泥石孔徑分布逐漸變窄，平均孔徑變小，抗壓強度增大；隨水灰比的增大，孔徑分布變寬，粗孔增加細孔占比減小，孔隙率增大，抗壓強度減小。水泥石抗壓強度與孔隙率呈負相關。

(3)水泥石孔徑分布、孔隙率和抗壓強度等隨水灰比和水化齡期的變化而動態變化，沒有嚴格的規律可循，難以進行定量表征。