水泥石动静态机械性能相关关系试验研究

步玉环郭辛阳李 娟王雪英

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛 266555;2.中国石化中原石油勘探局供水管理处,河南濮阳 457001)

◀固井与泥浆▶

水泥石动静态机械性能相关关系试验研究

步玉环1郭辛阳1李 娟1王雪英2

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛 266555;2.中国石化中原石油勘探局供水管理处,河南濮阳 457001)

水泥石机械性能对于油气井的继续钻进、采收率和寿命都具有重要意义。选择不同水泥浆体系,测量其所形成水泥石的横、纵波速度,经过计算求出其动态杨氏模量和动态泊松比;利用岩石力学三轴试验机测定水泥石静态杨氏模量和静态泊松比。分析水泥石动态和静态机械性能的相关性发现:水泥石密度与其横、纵波速度正相关;水泥石密度与静态杨氏模量和静态泊松比有很好的线性相关性,相关系数分别为0.980和-0.980;水泥石动静态杨氏模量之间有很好的线性相关性,相关系数为0.970;水泥石动静态泊松比相关性差,静态泊松比主要分布在0.10～0.12范围内。这为室内水泥石机械性能的无损测量和利用测井解释数据获取井下水泥石机械性能奠定了基础,对水泥浆体系设计、固井工程设计及固井质量评价有一定的参考价值。

水泥石;动态;静态;机械性能;相关分析;实验室试验

水泥石的机械性能(杨氏模量、泊松比等)是水泥浆体系设计、固井工程设计及固井质量评价的重要组成部分[1-8]。杨氏模量、泊松比等参数常用的测定方法有两种:静态法和动态法[9]。目前,实验室内测定水泥石静态机械性能,程序复杂,花费巨大,且不能直接测定井下条件下水泥石的静态机械性能。动态法测量水泥石机械性能,操作简单,花费小,且可以直接测定井下水泥石的动态机械性能。笔者分别利用动态法和静态法测定了不同水泥浆体系的动、静态机械性能,并分析了它们之间的关系,为水泥石静态机械性能的无损测量和从声波测井资料获取井下水泥石静态机械性能和进行固井质量评价奠定了基础。

1 水泥石动、静态机械性能测量

1.1 测量原理

1.1.1 动态机械性能测量

用游标卡尺测量试样尺寸,用电子天平称量试样质量,计算试样密度:

式中,ρ为试样密度,kg/m3;m为试样质量,g;D为试样直径,cm;h为试样高度,cm。

分别用横、纵波超声波发射探头发射超声波,超声波穿透试样后,被接收探头接收,通过示波器读取声波穿透试样所用时间,然后计算试样的横、纵波速度:

式中,v为试样横波或纵波速度,m/s;T为横波或纵波传播时间,ms。

利用式(2)求得的横、纵波速度可求出试样动态泊松比和动态杨氏模量:

式中,vp为纵波速度,m/s;,vs为横波速度,m/s;E为杨氏模量,Pa;ρ为试样密度,kg/m3;ν为泊松比。

1.1.2 静态机械性能测量

水泥石静态机械性能测量借用岩石力学试验方法,利用岩石力学三轴试验机通过三轴试验测得。

1.2 测量装置

1)超声波检测仪 笔者所用超声波检测仪主要由MODEL5800型脉冲发射器、V102型纵波探头与V153型横波探头和惠普54504A型数字示波器组成。

2)岩石力学三轴试验机 岩石力学三轴试验机的最大载荷为1 000 kN,伺服控制采用DEC-100控制器,伺服控制系统由EDC控制器、压力传感器、位移传感器、伺服阀和油源等部分组成。

1.3 试验材料

胜潍 G级油井水泥、FHZT-1型降失水剂和FHJ-1型分散剂(胜利油田富海公司生产)、其他材料(如超细水泥、微硅、漂珠、消泡剂等)均取自胜利油田现场固井用材料。

1.4 测量方法

1)试块制备 按照API规范要求的操作方法和程序制作水泥石。每种水泥浆体系制作4块水泥石,水泥石在75℃恒温常压养护箱中进行养护。养护时间从模具放入养护箱的时间算起。24 h后拆模,然后将水泥石放入75℃恒温常压养护箱中继续养护。再养护48 h后,取出模块,冷却到室温,待水泥石晾干,制成直径约为25 mm,长约为50 mm圆柱体试样,备用。

2)水泥石密度测量 用游标卡尺分别测量每块试样的尺寸数次,取其平均值作为其最终的尺寸。用电子天平分别测定试样的质量,利用式(1)计算试样密度,取4块试样密度平均值为水泥石密度。

3)横、纵波传播时间测量 在室温常压下,将试样置于两探头之间,分别用垫锡箔纸和涂凡士林的方式对试样与探头的接触面进行处理,并施加一定的压力,保证探头与试样接触良好。记录超声波在试样中的传播时间。

4)水泥石动态机械性能计算 将横、纵波在试样中传播时间和试样尺寸代入式(2)计算横、纵波速度,并将计算结果代入式(3)和式(4)计算试样动态机械性能。对于同一水泥浆体系,取试样动态机械性能平均值作为该水泥浆体系水泥石动态机械性能。

5)水泥石静态机械性能测量 参照岩石力学方法,在室温常压下对试样进行三轴力学试验,测定不同试样静态机械性能。同一水泥浆体系,取其试样静态机械性能平均值作为该体系水泥石静态机械性能。

2 试验结果及分析

2.1 水泥石密度与其横、纵波速度的关系

根据试验结果做水泥石密度与横、纵波速的关系图,如图1所示。

图1 不同水泥浆体系水泥石密度与横纵波速度关系

从图1可以看出:

1)水泥石密度在1 500～1 900 kg/cm3之间变化时,纵波速度和横波速度随水泥石密度的增大而增大;

2)纵波和横波的最大和最小速度之差都在200 m/s左右;

3)出现不同密度水泥石声速相同情况的原因是相近密度的水泥石性能差别不大和示波器最小刻度为0.2 ms。

2.2 水泥石密度与水泥石静态机械性能的关系

根据试验结果分别做水泥石密度与静态弹性模量、静态泊松比的关系图,如图2、图3所示。

图2 不同水泥浆体系水泥石密度与其静态杨氏模量关系

图3 不同水泥浆体系水泥石密度与其静态泊松比关系

从图2和图3可以看出:

1)随水泥石密度增大,静态杨氏模量增大,静态泊松比减小,说明水泥石密度越大越不容易变形;

2)水泥石密度与静态杨氏模量、静态泊松比之间有很好的线性相关性,对其分别进行线性回归,相关系数分别为0.980和-0.980,如果已知水泥石的密度,就可以利用该相关关系预测水泥石静态杨氏模量和静态泊松比。

2.3 水泥石动静态机械性能关系

根据试验结果分别做水泥石动、静杨氏模量和动、静态泊松比的关系图,如图4、图5所示。

图4 不同水泥浆体系水泥石动、静态杨氏模量关系

图5 不同水泥浆体系水泥石动、静态泊松比关系

从图4和图5可以看出:

1)水泥石动态杨氏模量与静态杨氏模量有很好的线性相关性,对其进行线性回归,其相关系数为 0.970,如果已知水泥石的动态杨氏模量,可以利用该相关关系预测水泥石的静态杨氏模量;

2)水泥石动态泊松比与静态泊松比的相关性不明显,静态泊松比主要集中分布在0.10～0.12范围内。

3 结 论

1)水泥石横、纵波速度与水泥石密度正相关;水泥石密度与静态杨氏模量和静态泊松比都有很好的线性相关性,相关系数分别为0.980和-0.980。

2)水泥石动、静态杨氏模量之间有很好的线性相关性,相关系数为0.970;动、静态泊松比之间关系不明显,静态泊松比主要集中分布在0.10～0.12范围内。

3)通过动态法测定水泥石的动态机械性能,利用笔者所做试验得出的水泥石动态和静态机械性能的相关关系可求得水泥石静态机械性能,从而实现实验室内水泥石静态机械性能的无损测量和井下水泥石静态机械性能的地面测量。

[1] 马旭,龚伟安,谢建华,等.套管水泥环的室内破坏试验及力学分析[J].石油机械,2000,28(4):15-18.

[2] 徐春碧,曾庆恒.固井质量对压裂效果的影响[J].天然气工业, 1999,19(3):97-98.

[3] Heinold T,Dillenbeck R,Bray W S,et al.Analysis of tensile strength test methodologies for evaluating oil and gas well cement systems[R].SPE 84565,2003.

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[6] 华苏东,姚晓.纤粒复合型油井水泥石增韧剂的性能及机理研究[J].石油天然气学报,2006,28(2):88-91.

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[8] 楚泽涵.声波测井原理[M].北京:石油工业出版社,1987: 5-20.

[9] 林英松,葛洪魁,王顺昌.岩石动静力学参数的试验研究[J].岩石力学与工程学报,1998,17(2):216-222.

[审稿 李子丰]

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1001-0890(2010)02-0051-04

2009-03-11;改回日期:2010-01-18

步玉环(1966—),女,山东茌平人,1988年毕业于石油大学(华东)钻井工程专业,1996年获石油大学(北京)油气井工程专业硕士学位,2005年获中国石油大学(华东)石油工程学院油气井工程专业博士学位,教授,主要从事油气井工程、油气井流体力学、固完井工程领域的教学与科研工作。

联系方式:(0532)86981158,buyuhuan@163.com