交变载荷作用下固井水泥石抗拉强度实验方法研究及应用.pdf

2023年10 月第3 9 卷第10 期石油工业技术监督Technology Supervision in Petroleum IndustryOct.2023Vol.39 No.10交变载荷作用下固井水泥石抗拉强度实验方法研究及应用赵军12，郑友志1-2,何雨12，张占武1-2,焦利宾1-2,郭子鸣1-2,付洪琼1-2,陈祖伟1.21.中国石油西南油气田分公司工程技术研究院（四川广汉6 18 3 0 0）2.国家能源高含硫气藏开采研发中心（四川广汉6 18 3 0 0）摘要抗拉强度是评价固井水泥石力学性能的关键指标，对保障固井质量和井筒长期密封完整性具有重要意义。为了克服目前固井水泥石抗拉强度测试方法普遍存在应力集中、结果误差大、重复性差、不能研究交变载荷作用工况等方面的不足，创新研发了固井水泥石拉头，优选了高强度结构胶，形成了一种固井水泥石抗拉强度直接测试方法，弥补了现有测试手段的不足。通过对纯水泥和韧性水泥浆体系开展评价实验发现，形成的固井水泥石抗拉强度测试方法消除了应力集中的影响，提高了实验结果的准确性和可重复性，具有安全可靠、成功率高、可研究交变载荷作用工况等优点。其中纯水泥比韧性水泥浆体系具有更高的抗拉强度，约高出近4 0%；但因其弹性较差，导致在10 3 0 轮次循环加载的工况下，其强度衰减比韧性水泥浆体系快，最高降幅达4 7.7 3%。该方法在川渝地区页岩气固井中现场应用效果良好，具有广阔的应用前景。关键词交变载荷；水泥石；抗拉强度；可重复性D0I:10.20029/j.issn.1004-1346.2023.10.004Research and Application on Experimental Method of Tensile Strength ofCementing Cement Rock under Alternating LoadZHAO Jun,ZHENG Youzhi,HE Yul,ZHANG Zhanwu,JIAO Libin,UO Ziming,FU Hongqiongl,CHEN Zuweil21.Research Institute of Engineering Technology,PetroChina Southwest Oil&Gasfield Company(Guanghan,Sichuan 618300,China)2.National Energy Research and Development Center for High-sulfur Gas Reservoir Exploitation(Guanghan,Sichuan 618300,China)Abstract Tensile strength is a key index to evaluate the mechanical properties of cementing cement,which has an important signifi-cance in guaranteeing the cementing quality and wellbore long-term sealing integrity.In order to overcome the shortcomings of thetesting methods for the tensile strength of current cementing cement such as stress concentration,large error in results,poor repeat-ability,and inability to study the situation under alternating load conditions,etc.This research innovatively developed the cementingstone puller,optimized the high-strength structural adhesive,and formed a direct test method that can measure the tensile strength ofcementing cement rock,making up for the shortcomings of the existing testing methods.Through the evaluation experiment of pure ce-ment and ductile cement slurry system,it can be found that the formed test method of tensile strength of cementing cement rocks caneliminate the influence of stress concentration,improve the accuracy and repeatability of experimental results,and has the advantagesof safety,reliability,high success rate,and being able to study the working conditions under alternating load.Among them,the tensilestrength of pure cement is higher than that of ductile cement slurry system,bout 40%higher.However,due to its poor elasticity,itsstrength decay is faster than that of ductile cement slurry system under the condition of 1030 cycles of cyclic loading,and the maxi-mum decline is 47.73%.This method has a good field application effect in shale gas cementing in Sichuan and Chongqing area andhas a broad application prospect.Key words alternating load;cement rock;tensile strength;repeatability收稿日期：2 0 2 2-12-2 8；修回日期：2 0 2 3-0 4-16基金项目：中国石油西南油气田分公司科技计划项目“重点实验室/试验基地十四五实验新方法研究、应用推广及运行管理”（编号：2 0 2 10 3 0 5-2 2)；四川省重点研发项目页岩气井油基岩屑提油后无害化利用新技术（编号：2 0 2 1YFS0278）。作者简介：赵军(19 9 4 一），男，硕士，工程师，现主要从事固井工艺及固井工作液技术方面的研究工作。E-mail:zhaoj2020petro-:18赵军,郑友志，何雨，等.交变载荷作用下固井水泥石抗拉强度实验方法研究及应用 .石油工业技术监督,2 0 2 3 3 9(10):17-2 1.ZHAO Jun,ZHENG Youzhi,HE Yu,et al.Research and application on experimental method of tensile strength of cementing cementrock under alternating loadJJ.Technology Supervision in Petroleum Industry,2023,39(10):17-21.固井水泥石力学性能是保证水泥环密封完整性的重要因素，直接关系到油气井的固井质量、后续作业和长期安全高效开采-3。从力学上分析，井下水泥石主要承受压应力和拉应力，但因水泥石自身特性的原因，抗拉强度一般远低于抗压强度，导致在井下复杂作业工况下水泥石最容易因拉应力超过其抗拉强度而发生拉伸破坏，严重影响水泥环的层间封隔，引起环空带压等一系列问题 4-。对于油气井、储气库井等，井筒试压、井内液体密度变化、压裂、生产、注气采气等工况均会使作用在水泥环上的力发生变化，形成交变载荷，影响水泥石力学性能，因此研究水泥石抗拉强度需考虑井下交变载荷作用工况。目前，国内外学者评价水泥石抗拉强度主要有巴西实验劈裂法、直接拉伸法（内埋法、“狗骨头”法)以及弯折实验法 7-1。其中，巴西实验劈裂法和弯折实验法为间接测量方法，存在应力集中、实验成功率低、误差大等问题I12-131;直接拉伸法中内埋法和“狗骨头”法存在接触位置应力集中、不能研究交变载荷作用工况等问题，与现场实际工况贴合性差。以巴西实验劈裂法为例,存在的问题如图1所示。针对现有评价方法，形成可考虑交变载荷作用工况、准确性高、重复性好的固井水泥石抗拉强度评价方法，探明交变载荷对水泥石抗拉强度的影响，为合理设计固井水泥浆体系，提高水泥石力学性能，保障油气井长期密封完整性，助力油气安全高效开发至关重要14 。石油工业技术监督1水泥石抗拉强度评价方法研究为消除现有评价方法的不足，基于万能材料实验机，创新研发了一种固井水泥石拉头，优选了一种高强度结构胶，形成了可测量交变载荷作用工况下的固井水泥石抗拉强度实验评价方法。1.1水泥石拉头研发考虑水泥石自身特性和测试方法的普适性,固井水泥浆利用圆柱形养护模具，在水浴养护箱（养护温度低于9 3)或高温高压养护釜(养护温度高于9 3）中养护成45mm200mm的圆柱体。为保证作用在水泥石上的力为纯拉力，同时避免水泥石界面受力不均的现象，研发设计了水泥石拉头。如图2 所示，拉头下部为内空的圆环,内径为4 8 mm,用于固定水泥石，上部为中间切割的凹槽，两边中部开孔，实验过程中把夹片放置在水泥石拉头的凹槽中,并用销钉固定，夹片夹持在万能材料实验机上。(a）拉头设计图图2 拉头设计及实验图从结构上可以看出，该水泥石拉头可保证水泥石只受到纯拉力，不会出现折断、扭断的现象，同时(a）接触位置应力集中万能实验机的拉力通过拉片、销钉、拉头会均匀传递到水泥石上，不存在应力集中现象。实验过程中记录拉断水泥石的最大拉力，可计算得到水泥石的抗拉强度，如式（1）也可测量在交变载荷作用下水泥石抗拉强度的发展过程。9,=4P元d?(b)实验失败式中：,为水泥石抗拉强度，MPa;P为拉断水泥石图1巴西实验劈裂法两端应力集中示意图的最大拉力，N;d为水泥石直径，mm(b)装配图(c）实验图(1)赵军等：交变载荷作用下固井水泥石抗拉强度实验方法研究及应用1.2高强度结构胶优选为保证水泥石与拉头牢固黏接，优选了3 种高强度结构胶，分别命名为JI、J2、J3。把养护好并两端打磨平整的水泥石分别用上述3 种高强度结构胶与水泥石拉头黏接在一起，开展实验，结果如图3、图4 所示。3.02.5F2.0N/T1.51.00.50.00图3 不同结构胶测试过程中水泥石拉力-变形结果图(a)Ji(c)J;图4 不同结构胶测试后水泥石的实验图通过实验可以看出：高强度结构胶J黏接的水泥石试样，当拉力达到1.6 0 kN时，拉头与水泥石开始脱离,结构胶的胶结作用开始失效，水泥石的拉力-变形曲线呈现斜率逐渐降低的下降趋势。高强度结构胶J黏接的水泥石试样，当拉力达到2.89kN时，水泥石被拉断，作用在水泥石上的力立即归零，结构胶黏接稳固，实验成功，测得水泥石抗拉强度为1.8 2 MPa。从水泥石样品断面可以看出，该方法不存在应力集中现象，可对不同类型水泥浆体系开展抗拉强度测试。高强度结构胶J黏接的水泥石试样，当拉力达到2.1kN时，拉头与水泥石开始脱离，结构胶的胶结作用开始失效，水泥石的力-变形曲线和高强度结构胶J类似,因此后续实验均采用高强度结构胶J开展实验。1.3实验方法利用研发的水泥石拉头及优选的高强度结构胶J,形成了一种固井水泥石抗拉强度直接拉伸的实验评价方法，该方法可测量交变载荷作用下固井水泥石的抗拉强度，实验测试过程如下：1)组装水泥石养护模具，调节水浴养护箱（养19:护温度低于9 3）或高温高压养护釜（养护温度高于9 3)至设定温度。2)按照APIRP10B-22013规范配制水泥浆,倒人水泥石养护模具中，固定后放人水浴养护箱或高温高压养护釜。一高强度结构胶J3)养护水泥浆成水泥石至设定养护时间,取出高强度结构胶J养护好的水泥石，并将两端打磨光滑。高强度结构胶J；4)用高强度结构胶J黏接水泥石和拉头，保证水泥石上下拉头的凹槽在同一平面,并利用销钉把水泥石拉头固定在拉片上，拉片夹持在万能材料实验机中。5)在电脑软件中，设置万能材料实验机实验拉力的加载速率，开展交变载荷实验时，需同时设置12变形/mm(b)J,345好交变载荷的周期、加载速率、卸载速率等，并开始实验。6)记录拉断水泥石试件的最大拉力P,保存实验数据，计算水泥石抗拉强度,其中10 轮次交变拉应力作用下水泥浆抗拉强度测试结果如图5 所示。2.732.341.95N/TF1.561.170.780.390.000.000.120.240.360.480.600.720.840.961.081.20图5 10 轮次交变拉应力作用下水泥浆抗拉强度测试结果图2水泥石抗拉强度发展规律研究2.1水泥浆体系实验测试评价中使用的3 种水泥浆体系分别是：1)纯水泥浆体系，配方为：嘉华G级油井水泥+44%水，密度为1.9 0 g/cm，稠化时间为15 8 min/100Bc。2)韧性水泥浆体系1,配方为国外油服公司在川渝地区X井177.8mm尾管固井使用的快干水泥浆配方，密度为1.7 1g/cm，稠化时间为2 3 4 min/100Bc。3)韧性水泥浆体系2,配方为国外服务公司在川渝地区Y井177.8mm尾管固井使用的水泥浆配方，密度为1.7 0 g/cm，稠化时间为3 12 min/100Bc。2.2抗拉强度发展规律利用自主形成的固井水泥石抗拉强度直接拉变形/mm:20伸法和传统巴西劈裂法开展抗拉强度发展规律测试实验,结果如图6 所示。可以看出：一方面，随养护天数的增加，直接拉伸法测得的水泥石抗拉强度均呈现出增长速率逐渐降低的增大趋势,与水泥浆的水化过程相对应，而巴西劈裂法测得的水泥石抗拉强度规律性较小，也间接表明自主形成的直接拉伸法测试水泥石抗拉强度具有原理可靠、准确性高的优点；另一方面，纯水泥抗拉强度大于两种韧性水泥浆体系的抗拉强度，且直接拉伸法测得的抗拉强度整体比巴西劈裂法测得的水泥石抗拉强度小。如图7 中水泥石断面可以看出，上述情况主要是由于韧性材料与水泥颗粒和水化产物的胶结强度不及水泥颗粒和水化产物自身的胶结强度高所导致的。2.62.42.22.01.81.61.41.205432100图6 不同测试方法测试抗拉强度的结果图结构致密，胶结好韧性材料(a)纯水泥(b)韧性水泥1图7 不同水泥浆体系养护的水泥石截面图石油工业技术监督3交变载荷对抗拉强度影响综合3 种水泥浆体系的抗拉强度，以养护14 d为例,设定交变拉应力上限为1kN，下限为0.3 kN，加载速率为3 mm/min，卸载速率为3 mm/min，当达到设计的交变轮次（10、2 0、3 0 轮次）后，以5 mm/min的加载速率拉断水泥石，测量交变拉应力对固井水泥石抗拉强度发展规律的影响，实验结果如图8 所示。2.42.22.01.81.6一纯水泥浆体系韧性水泥浆体系！韧性水泥浆体系2510(a)直接拉伸法一纯水泥浆体系一韧性水泥浆体系1-韧性水泥浆体系2510(b)巴西劈裂法一纯水泥浆体系韧性水泥浆体系！一韧性水泥浆体系21.41.20图8 不同交变轮次对3 种水泥浆体系抗拉强度的影响结果图通过实验可以看出：随着交变轮次的增加，纯水泥抗拉强度呈现出逐渐降低的趋势，当纯水泥交变10 轮次时，抗拉强度降低3 3.7 7%，当纯水泥交变1520天数d1520天数d(c)韧性水泥2525302530韧件材料10交变轮次30轮次时，抗拉强度降低4 7.3 7%，这主要是由于纯水泥弹性差、脆性强所导致的；而与纯水泥不同，随着交变轮次的增加，韧性水泥浆体系抗拉强度变化不大,其中韧性水泥1交变10 轮次时,抗拉强度降低7.2 6%，交变3 0 轮次时，抗拉强度降低7.8 2%，实验中最大的降低率为交变2 0 轮次时降低15.0 8%；韧性水泥2 交变10、2 0、3 0 轮次，水泥石抗拉强度均未降低,这主要是由于韧性水泥浆体系经过弹性改造后,改善了水泥石的脆性,增加了弹性所致(从图9可以看出，两种韧性水泥浆体系的弹性模量明显低于纯水泥），进而降低了交变载荷对水泥石抗拉强度的影响。504030201000.00.5图9 不同水泥浆体系的应变-差应力结果图152025纯水泥韧性水泥浆体系1韧性水泥浆体系21.01.52.02.5应变/%303.0 3.5赵军等：交变载荷作用下固井水泥石抗拉强度实验方法研究及应用4现场应用研究形成的固井水泥石抗拉强度直接拉伸测试方法较常规测试方法具有不存在应力集中、测试误差小和可研究交变载荷作用工况等优点，已在川渝地区页岩气固井中进行了广泛的应用，现场应用效果良好，实现了监督检测井固井安全施工作业率100%，提高了固井质量。其中N209H71-3井是一口长水平段（水平段长3 10 0 m)的开发评价井，油层套管下深4 8 5 0 m，固井后压裂酸化等作业工况对环空水泥石力学性能要求较高。在对1.8 5 g/cm密度的固井尾浆进行综合性能检测评价的过程中，利用研发形成的水泥石抗拉强度直接拉伸法进行了评价，优化了水泥浆中增韧材料的类型及配比，改善了水泥浆配方，保障了水泥浆性能满足固井设计和施工要求。最终该井固井施工安全顺利，刷新了当时中国页岩气井水平段最长纪录。测井结果显示，固井质量优质率达8 0.9%，合格率达8 9.1%，有效保证了固井水泥环层间封隔质量，为油气井长期高效开采提供了技术支撑。5结论1)针对现有水泥石抗拉强度评价方法的不足，研发了水泥石拉头，优选了高强度结构胶J2，形成了一种固井水泥石抗拉强度直接测试方法，消除了应力集中的影响。该方法具有安全可靠、成功率高、可研究交变载荷工况等优点，弥补了现有测试手段的不足，现场应用效果良好。2通过实验研究发现，随着水泥浆水化时间的增加，水泥石抗拉强度呈现出逐渐增加的趋势，其中测试使用的纯水泥抗拉强度高于两种韧性水泥浆体系。3)因纯水泥弹性差、脆性强的特点,随着交变轮次的增加，纯水泥抗拉强度呈现出逐渐降低的趋势，而韧性水泥经过弹性改造后，交变载荷对水泥石抗拉强度影响较小。参考文献：1 Cheng X W,Morteza K,Shi Y,et al.A new 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