交變載荷作用下固井水泥石抗拉強度實驗方法研究及應用

趙軍，鄭友志，何雨，張占武，焦利賓，郭子鳴，付洪瓊，陳祖偉

1.中國石油西南油氣田分公司工程技術研究院（四川 廣漢 618300）

2.國家能源高含硫氣藏開采研發中心（四川 廣漢 618300）

固井水泥石力學性能是保證水泥環密封完整性的重要因素，直接關系到油氣井的固井質量、后續作業和長期安全高效開采[1-3]。從力學上分析，井下水泥石主要承受壓應力和拉應力，但因水泥石自身特性的原因，抗拉強度一般遠低于抗壓強度，導致在井下復雜作業工況下水泥石最容易因拉應力超過其抗拉強度而發生拉伸破壞，嚴重影響水泥環的層間封隔，引起環空帶壓等一系列問題[4-6]。對于油氣井、儲氣庫井等，井筒試壓、井內液體密度變化、壓裂、生產、注氣采氣等工況均會使作用在水泥環上的力發生變化，形成交變載荷，影響水泥石力學性能，因此研究水泥石抗拉強度需考慮井下交變載荷作用工況。目前，國內外學者評價水泥石抗拉強度主要有巴西實驗劈裂法、直接拉伸法（內埋法、“狗骨頭”法）以及彎折實驗法[7-11]。其中，巴西實驗劈裂法和彎折實驗法為間接測量方法，存在應力集中、實驗成功率低、誤差大等問題[12-13]；直接拉伸法中內埋法和“狗骨頭”法存在接觸位置應力集中、不能研究交變載荷作用工況等問題，與現場實際工況貼合性差。以巴西實驗劈裂法為例，存在的問題如圖1 所示。針對現有評價方法，形成可考慮交變載荷作用工況、準確性高、重復性好的固井水泥石抗拉強度評價方法，探明交變載荷對水泥石抗拉強度的影響，為合理設計固井水泥漿體系，提高水泥石力學性能，保障油氣井長期密封完整性，助力油氣安全高效開發至關重要[14]。

圖1 巴西實驗劈裂法兩端應力集中示意圖

1 水泥石抗拉強度評價方法研究

為消除現有評價方法的不足，基于萬能材料實驗機，創新研發了一種固井水泥石拉頭，優選了一種高強度結構膠，形成了可測量交變載荷作用工況下的固井水泥石抗拉強度實驗評價方法。

1.1 水泥石拉頭研發

考慮水泥石自身特性和測試方法的普適性，固井水泥漿利用圓柱形養護模具，在水浴養護箱（養護溫度低于93 ℃）或高溫高壓養護釜（養護溫度高于93 ℃）中養護成Φ45 mm×200 mm 的圓柱體。為保證作用在水泥石上的力為純拉力，同時避免水泥石界面受力不均的現象，研發設計了水泥石拉頭。如圖2所示，拉頭下部為內空的圓環，內徑為48 mm，用于固定水泥石，上部為中間切割的凹槽，兩邊中部開孔，實驗過程中把夾片放置在水泥石拉頭的凹槽中，并用銷釘固定，夾片夾持在萬能材料實驗機上。

從結構上可以看出，該水泥石拉頭可保證水泥石只受到純拉力，不會出現折斷、扭斷的現象，同時萬能實驗機的拉力通過拉片、銷釘、拉頭會均勻傳遞到水泥石上，不存在應力集中現象。實驗過程中記錄拉斷水泥石的最大拉力，可計算得到水泥石的抗拉強度，如式（1）也可測量在交變載荷作用下水泥石抗拉強度的發展過程。

式中：σt為水泥石抗拉強度，MPa；P為拉斷水泥石的最大拉力，N；d為水泥石直徑，mm。

1.2 高強度結構膠優選

為保證水泥石與拉頭牢固黏接，優選了3種高強度結構膠，分別命名為J1、J2、J3。把養護好并兩端打磨平整的水泥石分別用上述3種高強度結構膠與水泥石拉頭黏接在一起，開展實驗，結果如圖3、圖4所示。

圖3 不同結構膠測試過程中水泥石拉力-變形結果圖

圖4 不同結構膠測試后水泥石的實驗圖

通過實驗可以看出：①高強度結構膠J1黏接的水泥石試樣，當拉力達到1.60 kN 時，拉頭與水泥石開始脫離，結構膠的膠結作用開始失效，水泥石的拉力-變形曲線呈現斜率逐漸降低的下降趨勢。②高強度結構膠J2黏接的水泥石試樣，當拉力達到2.89 kN 時，水泥石被拉斷，作用在水泥石上的力立即歸零，結構膠黏接穩固，實驗成功，測得水泥石抗拉強度為1.82 MPa。從水泥石樣品斷面可以看出，該方法不存在應力集中現象，可對不同類型水泥漿體系開展抗拉強度測試。③高強度結構膠J3黏接的水泥石試樣，當拉力達到2.1 kN 時，拉頭與水泥石開始脫離，結構膠的膠結作用開始失效，水泥石的力-變形曲線和高強度結構膠J1類似，因此后續實驗均采用高強度結構膠J2開展實驗。

1.3 實驗方法

利用研發的水泥石拉頭及優選的高強度結構膠J2，形成了一種固井水泥石抗拉強度直接拉伸的實驗評價方法，該方法可測量交變載荷作用下固井水泥石的抗拉強度，實驗測試過程如下：

1）組裝水泥石養護模具，調節水浴養護箱（養護溫度低于93 ℃）或高溫高壓養護釜（養護溫度高于93 ℃）至設定溫度。

2）按照API RP 10B-2—2013規范配制水泥漿[11]，倒入水泥石養護模具中，固定后放入水浴養護箱或高溫高壓養護釜。

3）養護水泥漿成水泥石至設定養護時間，取出養護好的水泥石，并將兩端打磨光滑。

4）用高強度結構膠J2黏接水泥石和拉頭，保證水泥石上下拉頭的凹槽在同一平面，并利用銷釘把水泥石拉頭固定在拉片上，拉片夾持在萬能材料實驗機中。

5）在電腦軟件中，設置萬能材料實驗機實驗拉力的加載速率，開展交變載荷實驗時，需同時設置好交變載荷的周期、加載速率、卸載速率等，并開始實驗。

6）記錄拉斷水泥石試件的最大拉力P，保存實驗數據，計算水泥石抗拉強度σt，其中10輪次交變拉應力作用下水泥漿抗拉強度測試結果如圖5所示。

圖5 10輪次交變拉應力作用下水泥漿抗拉強度測試結果圖

2 水泥石抗拉強度發展規律研究

2.1 水泥漿體系

實驗測試評價中使用的3 種水泥漿體系分別是：

1）純水泥漿體系，配方為：嘉華G 級油井水泥+44%水，密度為1.90 g/cm3，稠化時間為158 min/100 Bc。

2）韌性水泥漿體系1，配方為國外油服公司在川渝地區X井Φ177.8 mm 尾管固井使用的快干水泥漿配方，密度為1.71 g/cm3，稠化時間為234 min/100 Bc。

3）韌性水泥漿體系2，配方為國外服務公司在川渝地區Y井Φ177.8 mm尾管固井使用的水泥漿配方，密度為1.70 g/cm3，稠化時間為312 min/100 Bc。

2.2 抗拉強度發展規律

利用自主形成的固井水泥石抗拉強度直接拉伸法和傳統巴西劈裂法開展抗拉強度發展規律測試實驗，結果如圖6 所示。可以看出：一方面，隨養護天數的增加，直接拉伸法測得的水泥石抗拉強度均呈現出增長速率逐漸降低的增大趨勢，與水泥漿的水化過程相對應，而巴西劈裂法測得的水泥石抗拉強度規律性較小，也間接表明自主形成的直接拉伸法測試水泥石抗拉強度具有原理可靠、準確性高的優點；另一方面，純水泥抗拉強度大于兩種韌性水泥漿體系的抗拉強度，且直接拉伸法測得的抗拉強度整體比巴西劈裂法測得的水泥石抗拉強度小。如圖7 中水泥石斷面可以看出，上述情況主要是由于韌性材料與水泥顆粒和水化產物的膠結強度不及水泥顆粒和水化產物自身的膠結強度高所導致的。

圖6 不同測試方法測試抗拉強度的結果圖

圖7 不同水泥漿體系養護的水泥石截面圖

3 交變載荷對抗拉強度影響

綜合3 種水泥漿體系的抗拉強度，以養護14 d為例，設定交變拉應力上限為1 kN，下限為0.3 kN，加載速率為3 mm/min，卸載速率為3 mm/min，當達到設計的交變輪次（10、20、30 輪次）后，以5 mm/min的加載速率拉斷水泥石，測量交變拉應力對固井水泥石抗拉強度發展規律的影響，實驗結果如圖8 所示。

圖8 不同交變輪次對3種水泥漿體系抗拉強度的影響結果圖

通過實驗可以看出：隨著交變輪次的增加，純水泥抗拉強度呈現出逐漸降低的趨勢，當純水泥交變10 輪次時，抗拉強度降低33.77%，當純水泥交變30 輪次時，抗拉強度降低47.37%，這主要是由于純水泥彈性差、脆性強所導致的；而與純水泥不同，隨著交變輪次的增加，韌性水泥漿體系抗拉強度變化不大，其中韌性水泥1 交變10 輪次時，抗拉強度降低7.26%，交變30 輪次時，抗拉強度降低7.82%，實驗中最大的降低率為交變20輪次時降低15.08%；韌性水泥2 交變10、20、30 輪次，水泥石抗拉強度均未降低，這主要是由于韌性水泥漿體系經過彈性改造后，改善了水泥石的脆性，增加了彈性所致（從圖9可以看出，兩種韌性水泥漿體系的彈性模量明顯低于純水泥），進而降低了交變載荷對水泥石抗拉強度的影響。

圖9 不同水泥漿體系的應變-差應力結果圖

4 現場應用

研究形成的固井水泥石抗拉強度直接拉伸測試方法較常規測試方法具有不存在應力集中、測試誤差小和可研究交變載荷作用工況等優點，已在川渝地區頁巖氣固井中進行了廣泛的應用，現場應用效果良好，實現了監督檢測井固井安全施工作業率100%，提高了固井質量。其中N209H71-3 井是一口長水平段（水平段長3 100 m）的開發評價井，油層套管下深4 850 m，固井后壓裂酸化等作業工況對環空水泥石力學性能要求較高。在對1.85 g/cm3密度的固井尾漿進行綜合性能檢測評價的過程中，利用研發形成的水泥石抗拉強度直接拉伸法進行了評價，優化了水泥漿中增韌材料的類型及配比，改善了水泥漿配方，保障了水泥漿性能滿足固井設計和施工要求。最終該井固井施工安全順利，刷新了當時中國頁巖氣井水平段最長紀錄。測井結果顯示，固井質量優質率達80.9%，合格率達89.1%，有效保證了固井水泥環層間封隔質量，為油氣井長期高效開采提供了技術支撐。

5 結論

1）針對現有水泥石抗拉強度評價方法的不足，研發了水泥石拉頭，優選了高強度結構膠J2，形成了一種固井水泥石抗拉強度直接測試方法，消除了應力集中的影響。該方法具有安全可靠、成功率高、可研究交變載荷工況等優點，彌補了現有測試手段的不足，現場應用效果良好。

2）通過實驗研究發現，隨著水泥漿水化時間的增加，水泥石抗拉強度呈現出逐漸增加的趨勢，其中測試使用的純水泥抗拉強度高于兩種韌性水泥漿體系。

3）因純水泥彈性差、脆性強的特點，隨著交變輪次的增加，純水泥抗拉強度呈現出逐漸降低的趨勢，而韌性水泥經過彈性改造后，交變載荷對水泥石抗拉強度影響較小。