水平井水泥石力学性能的实验评价

王 毅 陈大钧 余志勇 齐志刚

1.西南石油大学化学化工学院 2.中国石化胜利油田钻井工艺研究院

水平井水泥石力学性能的实验评价

王 毅1，2陈大钧1余志勇1齐志刚2

1.西南石油大学化学化工学院 2.中国石化胜利油田钻井工艺研究院

为了提高水平井固井质量，需要对水平井水泥石进行科学而准确的评价，从而为有效改善水平井水泥浆性能提供更加可靠的理论依据。通过模拟水平井实际环境条件，对水平井固井常用的两种水泥浆体系进行了性能测试评价，得出其常规性能（析水、流动度、稠化时间等）虽满足固井施工要求，但水平段水泥环的水泥石力学性能表现出整体非均匀性的认识：水泥石胶结强度及弹性模量上部分较下部分小；水泥石泊松比上部分较下部分大，下部分水泥石的弹塑性形变能力较上部分弱；扫描电镜清楚观察到水平段水泥环的上部分疏松多孔，针状物质为纤维，下部分致密、严实。该实验成果为有效解决水平井固井质量问题提供了科学依据。

水平井 固井质量 常规性能 水泥石力学性能 胶结强度 三维力学 扫描电镜 实验室试验

随着油气勘探开发进入中后期，水平井是提高低渗透油气藏产能的有效方法［1－4］。由于其环空间隙窄的特殊工程条件，在进行射孔、酸化、压裂等作业时很容易造成环空水泥环破碎，引起油气田后期的层间互窜，所以提高水平井固井质量是现今固井技术所面临的一大难题。目前国内外对水平井水泥体系性能的评价方法大部分仍是沿用直井API标准，尚无统一的水平井评价标准［5－9］。故本文针对胜利油田的低渗透区块所使用的水平井开采方式，在模拟水平井实际环境的条件下，对其常用于水平井固井的两种水泥浆体系进行了性能测试评价，包括常规性能（析水、流动度、稠化时间等）、胶结强度及三维力学实验的评价，并通过扫描电镜对水平井环空水泥石的微观结构进行了验证，此研究对科学而准确地提高薄互层水平井固井质量提供了合理依据和理论基础。

1 实验方法

1.1 水平井水泥浆常规性能的测定

对常用于水平井固井的两种水泥浆：塑性微膨胀水泥浆和胶乳水泥浆，按照GB／T 19139－2003油井水泥应用性能试验方法进行常规性能测试。水泥浆配方如下：

塑性微膨胀水泥浆配方：G级嘉华水泥＋2%塑性膨胀剂＋3%SW－1＋0.05%SN－3，水灰比＝0.46。

胶乳水泥浆配方：G级嘉华水泥＋3%WG＋7%胶乳＋1.0%BXF－200L＋0.5%SXY＋0.5%BXR－200L，水灰比＝0.44。

1.2 水平井水泥石胶结强度的测定

引起油气井后期层间互窜的本质在于水泥环与套管和井壁的胶结状态好坏，特别是水平井其水平段环空水泥石与两界面的胶结强度是保障整个油气井寿命的关键因素，因此为了更切实际的评价水泥石的胶结强度，模拟水平井井下水泥浆流动状态，设计实验装置见图1。为了模拟环空水泥环与套管和地层的胶结强度，将模具制作为钢质和石质两种，装有环空水泥石的模具剖面见图2。

2 实验结果与讨论

2.1 水平井水泥浆常规性能评价

根据上述实验方法，这两种水泥浆体系的常规性能测试结果见表1。

图1 模拟水平井实验装置简易图

图2 装有环空水泥石的模具剖面图

表1 水平井水泥浆常规性能测试结果表

根据表1的测试结果可以看出，这两种用于水平井固井的水泥浆体系在一定密度下，具有良好的流动性能，析水量为0，滤失量较小，稠化时间可调且浆体稳定，满足水平井固井施工要求。

2.2 水平井水泥石胶结强度评价

根据上述实验方法，这两种水泥浆体系的水泥石与第一、二界面的胶结强度测试结果见表2。

从表2数据可知：与套管（第一界面）的胶结强度，塑性微膨胀体系和胶乳体系上部分水泥石较下部分水泥石平均低12.4%和18.3%；与地层（第二界面）的胶结强度，塑性微膨胀体系和胶乳体系上部分水泥石较下部分水泥石平均低20.1%和21.7%。

2.3 水平井水泥石三维力学性能评价

目前对油井水泥石进行单轴实验力学测试，忽略了井下实际环境对环空水泥石的影响［10－11］，所以为了更加科学地评价水平井水泥石在井下受温度、压力影响时的力学性能，笔者采用美国GCTS公司三轴岩石力学测试系统RTR－100对这两种体系的水泥石进行了三维力学性能测试评价［12］。测试条件为：三轴（围压20 MPa）、实验温度（70℃）、恒速（2 k N／min）加载水泥石。试验结果见图3、4。

图3 塑性微膨胀水泥石三轴应力—应变曲线图

图4 胶乳水泥石三轴应力—应变曲线图

由图3、4的应力—应变曲线可知：首先这两种体系的上部分水泥石的三轴力学抗压强度均较下部分水泥石低；其次在加载初期，下部分水泥石较上部分水泥石表现出稍差的弹性形变能力，应力—应变曲线基本呈直线，且在加载后期这种形变能力的差距更为明显，下部分水泥石较上部分水泥石具有更差的塑性形变能力，这是由于水泥浆在水化过程中，水化产物Ca（OH）2、C2SH、C2SH2及钙矾石（Aft）等受重力自由沉降后，更多地聚集在下端水泥石，然而纤维和胶乳为非常细小的物质，不参与水化，相对更多地集中在上部分水泥石中，致使下部分水泥石的弹塑性特征较弱，上部分水泥石的致密程度较差的这种水泥石整体非均匀性。这对于研究井下水泥石力学性能变化及油气井长期层间封隔能力具有积极意义。

弹性模量和泊松比是反应材料在弹性限度内抵抗形变的能力，根据表3中数据可知，这两种水泥体系上部分水泥石较下部分水泥石弹性模量小，泊松比大，也反应出上部分水泥石聚集了过多的胶乳和纤维，反而对水泥石的胶结强度等力学性能产生了不良影响。

表3 水泥石弹性模量及泊松比实验结果表

2.4 水平井水泥石微观结构分析

为了更加清楚、形象地对水平井水泥石的宏观力学性能进行评价，对水泥石进行了具有代表性的扫描电镜微观结构测试分析，其测试结果见图5～8。

由扫描电镜图5与图6可知：塑性微膨胀体系上部分水泥石疏松多孔，针状物质为纤维，且显得杂乱并卷曲成团于水泥石中，这将影响水泥石与界面胶结强度的发展，而下部分水泥石致密、严实，且将纤维紧紧包裹在水泥石中，减少了水泥颗粒之间的空隙，对界面的胶结具有较大的贡献作用。由扫描电镜图7与图8可知：在胶乳水泥石中，上部分水泥石也呈疏松多孔，雪花状物质为胶乳，但过多的胶乳微粒分布于水泥中，覆盖在水化产物表面，形成连续的网状结构，相互交织在一起，影响了水泥颗粒的继续水化，从而对水泥的胶结强度发展产生一定的抑制作用，这与宏观测试结果一致。

3 实验结论

图5 塑性微膨胀水泥石（上）扫描电镜图

图6 塑性微膨胀水泥石（下）扫描电镜图

图7 胶乳水泥石（上）扫描电镜图

图8 胶乳水泥石（下）扫描电镜图

1）从对常用于水平井固井的水泥浆常规性能测试看，虽满足固井施工要求，但通过水平井模拟实验，测得水平段其上部分水泥石均较下部分水泥石与两界面的胶结强度低。

2）为了更加科学、准确地得到水泥石在井下实际环境下的力学性能，对其进行了三维力学测试实验，得出了水平段上部分水泥石的致密程度较下部分差，下部分水泥石的弹塑性形变能力较上部分弱的特征，这表现出了水平井水泥段上、下部分水泥石整体力学性能的非均匀性，对结论1）进行了补充。

3）通过扫描电镜的微观结构分析，更加直接、形象地对上、下部分水泥石进行了分析评价，与水泥石的宏观性能测试结果一致。

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Experimental assessment of the mechanical properties of the cement stone for horizontal wells

Wang Yi1，2，Chen Dajun1，Yu Zhiyong1，Qi Zhigang2
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China；2.Research Institute of Drilling Technology，Sinopec Shengli Oilfield Company，Dongying，Shandong 257000，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.63－66，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Scientific and accurate assessment is required to evaluate the cement stone for horizontal wells，thus to improve well ce－menting quality and provide a more reliable theoretical basis for effectively improving the slurry performance.In this paper，the practical environmental setting of a horizontal well was simulated to perform a performance test ＆assessment for two common types of slurry systems adopted for horizontal well cementing.Although the conventional properties（e.g.，bleeding，fluidity and thickening time）of the slurry systems turned out to be compliant with the well cementing requirements，the mechanical properties of the cement stone which made up the cement sheath of the horizontal well exhibited an integral non－homogeneity.The upper part of the cement stone was tested to have a lower cementing strength and elasticity modulus than the lower part，the Poisson＇s ratio of the upper part of the cement stone was tested to be higher than that of the lower part，and the elastic－plastic deformation capability of the upper part of the cement stone was greater than that of the lower part.Under the SEM（scanning electron microscope），it was clearly observable that the upper part of the cement sheath had a loose and porous structure intermingled with acicular fibrous substances，and that the lower part had a tight structure.The research findings provide a scientific basis for finding an effective solution to horizontal well cementing.

horizontal well，cementing quality，conventional properties，cementing strength，3D mechanics，SEM（scanning electron microscope）

王毅等.水平井水泥石力学性能的实验评价.天然气工业，2012，32（10）：63－66.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.015

国家科技重大专项课题“胜利油田薄互层低渗透油田开发示范工程”（编号：2011ZX05051）。

王毅，女，1974年生，工程师，博士研究生；现从事石油完井工程技术研究工作。地址：（257017）山东省东营市中国石化胜利油田钻井工艺研究院。电话：13954618032。E－mail：wjswy2007＠163.com

（修改回稿日期 2012－08－03 编辑 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.015

Wang Yi，engineer，born in 1974，is studying for a Ph.D degree，with her research interest in petroleum drilling and completion engineering.

Add：Dongying，Shandong 257017，P.R.China

E－mail：wjswy2007＠163.com