水泥石封隔性能的評價參數研究

師忠南

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍 江大慶 163413）

水泥石的封隔性能是指水泥石在正常使用條件下，封隔油、氣、水的能力。然而固井結束后，水泥環在經受多種應力作用下，將導致水泥環的封隔能力變化。近年來對深層氣井的開發數量增多，這種情況在氣井的后期作業過程中多有發生，管外壓力增加，嚴重的可達到20MPa以上，這給油氣井后期開采帶來諸多困難。目前，評價水泥環空封竄性能的方法較單一，而且只針對水泥漿與水泥漿凝結成水泥石的過程進行封竄能力的評價，對于后期油氣井作業過程中，應力對水泥環作用導致水泥環封隔能力的改變無法評價。因此，有必要建立一套評價方法，評價應力作用對水泥石封隔性能的影響。本文針對套管與水泥環界面及水泥環本體兩方面來評價水泥環的封隔性能，在評價水泥石封隔性能方面引入了水泥石的回彈能力和滲透率作為評價封隔性能的兩個重要參數。對水泥石的回彈能力和滲透率進行研究，得出了應力作用下水泥石封隔性能的評價方法。為保證水泥環長期有效的封隔能力提供理論依據，為優選水泥漿體系提供理論基礎。

1 實驗儀器及材料

1.1 實驗儀器

三軸力學測試儀；水泥石滲透率儀；恒溫水浴養護箱；高溫高壓養護釜。

1.2 實驗材料

材料：G級油井水泥；膠乳水泥外加劑；J55套管外徑5.5″，壁厚0.3″。

水泥漿制備及養護按照GB/T 19139-2003規定的方法進行。

2 套管水泥環界面封隔性能的評價方法研究

2.1 回彈能力的提出

彈性力學中定義材料在外力作用下產生變形，當外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復原來形狀的性質稱為彈性。這種可恢復的變形稱為彈性變形。材料在外力作用下產生形變而在外力去除后不能全部恢復，而殘留一部分變形，材料不能恢復到原來的形狀，這種殘留的變形是不可逆的塑性變形。不同材料由于其內部結構不同，在產生相同的形變量時，其恢復的多少也存在差別，所以本文提出回彈能力來表示不同材料受到應力作用下的彈性與塑性的關系，回彈能力越大，表示固體材料受到應力產生形變量時，形變量恢復值越大。回彈能力的檢測方法為，使用三軸力學測試儀對固體材料試塊加載不同應力，撤去應力，由儀器傳感器采集試塊的應力與形變量之間的關系。由公式（1）得出實驗試塊的回彈能力。

式中：L1——應力作用時試驗試塊產生的變形；

L2——撤去應力后試驗試塊產生的變形。

2.2 水泥石回彈能力的室內研究

根據前文所介紹，對原漿水泥石進行了回彈能力的測試，測試結果如圖1所示。圖1為水泥試塊受不同應力與形變量之間的關系圖。

圖1 不同應力與形變量關系曲線

根據圖1及公式(1)計算可知，原漿水泥石受力（30～60kN）的回彈能力分別為69%、63%、46%、39%，從水泥石回彈能力數據可看出，隨著應力的增加，水泥石形變量明顯增大，而水泥石的回彈能力是逐漸減小的，這說明水泥石的回彈能力是一個變化的參數。以水泥石受力30kN為例，當水泥石受到30kN的外力時，其回彈能力為69%，這說明水泥石受力所產生的形變量有69%恢復，其余31%為塑性變形，將產生永久的形變量。

2.3 膠乳水泥漿體系回彈能力的研究

在實驗條件下，不同水泥石受到相同應力作用時，產生的形變量是不同的，而井下條件下，水泥石受力復雜，但由于空間的限制，不同水泥石在井下相同環境產生的形變量應該是相似的。

因此，在膠乳水泥石與原漿水泥石回彈能力的對比實驗中，采用了控制形變量的方法進行比較。實驗為兩種水泥石采用1mm/min加載速率及100N/min卸載速率，實驗結果如圖2所示。

圖2 膠乳與原漿水泥石回彈對比曲線

由圖2可看出當膠乳水泥石與原漿水泥石產生相同形變量，撤去應力作用時，膠乳水泥石與原漿水泥石的回彈能力規律相似，都是隨著水泥石形變量的增加，回彈能力呈降低的趨勢，但膠乳水泥石的回彈能力要比相同形變量下的原漿水泥石高十幾個百分點。在相同形變量下，膠乳水泥石恢復至原始狀態程度要比原漿水泥石的程度高。這說明在井下受力條件下，膠乳水泥環產生微環隙的幾率要比原漿水泥石低，封隔性能要比原漿水泥石的封隔效果好，而微環隙的產生主要取決于水泥環與套管的協同回彈能力，僅從水泥石的回彈能力單方面研究，不能較好的說明水泥石和套管之間存在微環隙，以下結合套管與水泥石的回彈能力進行對比研究，說明了應力作用下，套管與水泥環之間產生微環隙的必然性。

2.4 套管與水泥石回彈能力的對比研究

在井底條件下，由于套管內壓作用，套管與水泥環產生的變形是一致的，若套管內壓降低，套管與水泥環產生的形變量將有一定的恢復，這時水泥環的回彈能力只有與套管一致或大于套管的回彈能力才能夠保證水泥環良好的封隔效果，反之套管與水泥環之間將產生一定的微環隙，造成水泥環封隔能力的下降。本文對套管、原漿水泥石、膠乳水泥石的回彈能力進行了對比研究。對比結果如圖3所示。

圖3 套管與水泥石回彈對比曲線

圖3 為套管、膠乳水泥石、原漿水泥石產生0.3mm形變量的對比曲線，由圖3可以看出，當三種材料都產生0.3mm的形變量時，套管的回彈能力要大于水泥石的回彈能力，這說明當套管與水泥環產生0.3mm的形變量時，這兩種水泥石與套管之間都將產生微環隙，只是膠乳水泥石產生的微環隙要小于原漿水泥石。因此，提高水泥石的回彈能力能夠有效地降低套管與水泥環之間的微環隙，提高水泥環界面的封隔能力。

3 水泥石本體封隔性能的評價方法研究

水泥石回彈能力的研究只限于套管與水泥環界面的封隔能力的評價，而水泥環的封隔性能還包括水泥環本體的封隔能力，目前評價水泥環本體的主要參數為水泥石的滲透率，已有相應的標準，而對于水泥受到應力后的滲透率研究較少。本文對原漿水泥石與膠乳水泥石受到應力后的滲透率進行了相關的評價實驗，實驗結果如圖4所示。

圖4 滲透率變化規律

圖4 為原漿水泥石與膠乳水泥石受力20～60kN水泥石滲透率的變化規律，由圖4可看出原漿水泥石在受到應力后，其滲透率先減小后增加，這說明原漿水泥石內部存在一定的空隙，隨著應力的增加，空隙逐漸減小，滲透率下降，隨著應力的增加，原漿水泥石內部又出現新的微裂紋，滲透率又明顯增加。在水泥石受力情況下，水泥石的滲透率有所變化，應力的增加使原漿水泥石的滲透率增大，這將引起水泥石本體的密封能力下降。由于膠乳的加入，應力較小時，其滲透率雖有減小的趨勢，但是變化不明顯，當應力超過40kN時，膠乳水泥石滲透率逐漸增加，至60kN時的滲透率也明顯要小于原漿水泥石的滲透率。這說明在井下受力情況，膠乳水泥環本體的封隔性能要高于原漿水泥環的封隔性能。

4 結論

（1）在井底受力情況下，由于套管回彈能力高于水泥石的回彈能力，套管與水泥環之間將產生微環隙，降低水泥環的封隔性能。因此在水泥漿外加劑的選擇上，要考慮水泥石在受力情況下具有接近套管的回彈能力，提高水泥環在受力狀態下的封隔性能。

（2）在水泥石受力情況下，水泥石的滲透率有所變化，應力的增加使原漿水泥石的滲透率增大，這將引起水泥石本體的密封能力下降。

（3）水泥石的回彈能力與應力作用下水泥石滲透率這兩個參數，從套管與水泥環界面及水泥環本體兩方面來評價水泥環的封隔性能，更全面地評價了水泥環的封隔性能。可為提高水泥環封隔性能的水泥漿外加劑優選提供理論依據。