单轴压缩下固井G级水泥石尺寸效应试验

谢志英，高源，贾善坡

吴羿君，陈美杰，潘博翔 (长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

近年来，随着社会经济的快速的发展，油气资源的供需不断提高以及我国地下能源储气库大规模的扩建，加快了深层油气井和储气库的建设与生产进度。在进行深层井条件下工作时，常伴随着高温高压、地质条件的不同等一些复杂地下环境的影响。由于其地下环境不一样，深层油气井的井身钻探或大或小，所需用到的固井水泥层的大小也随之变化。因此，探究固井水泥石的尺寸效应对其力学性能的影响，可以针对具体的工程环境做出相应的调整[1，2]。

对于油气固井水泥石尺寸效应的研究，目前在国内外研究比较少，对固井水泥石的抗拉强度、单轴抗压强度以及两相界面的胶结强度研究比较多。郑友志等[3]运用数值模拟和室内评价的方法研究了不同条件下固井水泥石力学性能受加载速率、杨氏模量、温度、围压等影响的变化规律；张明等[4]在准脆性材料强度尺寸效应中采用对数正态分布对Weibull理论进行改进；董莉莉、惠弘毅等[5,6]对3组不同尺寸试样进行试验分析，得到抗压强度和抗拉强度均有尺寸效应，等级越大尺寸效应越明显；王学滨等[7]研究了单轴压缩下混凝土柱的峰后非线性尺寸效应，预测峰后应力-应变曲线依赖于试样的高度，受尺寸影响较大；张兆欢等[8]通过三点弯曲试验，得出不同配比水泥砂浆断裂韧性与试样尺寸有关，试样越大，韧度越大；何吉等[9]搜集了11个工程137组试验有关数据，得到不同尺寸混凝土抗压强度值受试样形状、龄期等因素影响；王剑波等[10]对煤岩单轴压缩试验数据拟合分析，得出煤岩岩样尺寸效应与抗压强度、弹性模量的定量关系式；林军等[11]研究基于尺寸效应的类岩石材料，采用统计方法建立了类岩石材料点荷载和单轴抗压强度线性方程，得到对应关系的相关系数为0.994。以上研究成果表明，不同尺寸的试验试样其力学特性是存在差别的。为此，笔者通过对固井G级水泥石试样进行单轴压缩试验，获取G级固井水泥石的单轴抗压强度、轴向弹性模量以及峰值应变量等试验数据，进而分析固井G级水泥石试样尺寸效应及其影响因素，得到与混凝土类材料不同的尺寸效应规律。

1 水泥石单轴压缩试验

试验所采用的设备为微机伺服控制液压万能试验机系统,如图1所示。该系统试验机可以进行简单荷载加载方式的接头改造，实现对水泥石的压缩、劈裂以及剪切试验，试验可完全在计算机控制下进行。试验采用位移加载的方式进行加载，仪器可以自动进行竖向位移统计，加载速率为0.02mm/s。对获取的试验数据进行抗压强度换算。

图1 微机伺服控制液压万能试验机 图2 水泥石试块制作及养护 图3 5种尺寸水泥石试样

该试验材料选用油气井固井G级水泥(水灰比为0.44)进行混合搅拌均匀，用塑料模进行定型以及养护(见图2)，在室内自然状态下进行浇水养护3d。单轴抗压试验只选用了固定高径比为2∶1的5种试验尺寸的水泥石试件,如图3所示。5组试验试样都是沿同一方向钻取，其层理结构布置与加载方向关系都相同。通过岩心钻取试验机对养护好的水泥石进行不同尺寸的试验取样，通过岩石切割机对水泥石两端进行切割磨平至满足要求的单轴压缩试样。

图4 不同尺寸水泥石的单轴压缩应力-轴向应变曲线

2 固井G级水泥石试样单轴压缩试验结果

5种不同试验尺寸下的固井G级水泥石试样应力-轴向应变曲线如图4所示 (图中数字 1～7表示每组试件个数)，试验得到的固井G级水泥石试样单轴抗压强度值如表1所示，同时按照文献[12]对固井G级水泥石试样弹性模量以及轴向应变进行计算,如表2所示。

2.1 应力-轴向应变曲线试验特征

由图4可知，当应力达到一定强度时，许多水泥石应力-轴向应变曲线出现小幅度波动，归究原因是试验过程中G级固井水泥石边缘有不同程度的破裂脱落，图4(e)中尤为明显。

表1 不同尺寸水泥石试样抗压强度测试值

注：最大离差值=[(强度最大值-强度平均值)/强度平均值]×100%。

表2 不同尺寸水泥石试样力学参数值变化规律

此外，∅25mm、∅38mm的G级固井水泥石应力-轴向应变曲线曲率相比较其他几组不同直径的曲线的曲率要比较分散一些，∅50mm、∅57mm、∅70mm的水泥石曲线曲率基本保持一致。当达到最大强度时，试件破坏，相对前2组不同的曲线，∅50mm、∅57mm、∅70mm的G级固井水泥石试样前期有一段平缓的过程，说明试样在破坏的过程中先开始进入压密实变化阶段，之后进入弹性变化阶段，最后进入塑性阶段。在单轴压缩过程中，较小尺寸的G级固井水泥石试样只经历弹性变化阶段和塑性变化阶段，而较大尺寸的G级固井水泥石试样则先经历一个压密实阶段，再经历弹性变化阶段和塑性变化阶段[13]。水泥石各试样的弹性变化阶段的轴向应变在0.005～0.01之间，而且水泥石的尺寸越大，弹性变化阶段的变形量越大，水泥石压密实变化阶段就越显得明显。

较大的固井G级水泥石试样在单轴抗压过程中经历压密实阶段-弹性变化阶段-塑性变化阶段，与小尺寸水泥石直接进入弹性阶段变化不一样。固井G级水泥石试样在单轴抗压破坏时，均表现出脆性特征，由图4可知，当水泥石尺寸越大时，脆性表现的越不明显。∅50mm、∅57mm、∅70mm的固井G级水泥石试样在进入弹性变化阶段前期存在压密实变化阶段，同时∅70mm的固井G级水泥石试样当强度达到第1个承载力峰值时，试样并没有立即破坏，还有一定的剩余承载力，这一结果表明固井G级水泥石试样强度值受试样尺寸影响。

2.2 固井G级水泥石试样参数的变化规律

由表1可知，不同尺寸水泥石在同一环境下养护并用同一种方式钻取,其密度基本保持一样。试验水泥石试样第5组最大离差值要大于其他几组，其余几组最大离差值趋于20% ，说明直径相同的情况下，每一组试样其均匀性比较好，每一组之间各试样无尺寸效应。

图5 水泥石平均强度随尺寸变化规律 图6 水泥石平均弹性模量随尺寸变化规律

图7 水泥石峰值应变量随尺寸变化规律

由表2和图5可知，固井G级水泥石试样随着尺寸的增大抗压强度先缓慢增大后减小，受尺寸影响比较大，与传统的单轴压缩混凝土类试验试样随着尺寸的增大抗压强度值逐渐减小的特点不相同[14]。

由表2和图6可知，固井G级水泥石试样的平均弹性模量随着尺寸的增加，弹性模量值慢慢趋于平缓，∅25mm、∅38mm、∅50mm水泥石弹性模量的变化幅度比较大。

由表2和图7可知，固井G级水泥石试样的峰值应变随着尺寸的增大慢慢趋于稳定，在较小尺寸中，峰值应变影响明显，这与上述水泥石在较小尺寸试件试验过程中直接进入弹性变形阶段，而大尺寸试件试验过程先进入压密实阶段有关，这一过程中主要表现出峰值应变因尺寸不同而不同。

2.3 固井G级水泥石试样破坏特征

通过对5组不同尺寸固井G级水泥石试样进行单轴压缩试验研究发现，随着固井G级水泥石试样的尺寸逐渐增大，固井G级水泥石试样破坏的形态表现出的尺寸效应比较明显。图8(a)为试验前各尺寸固井G级水泥石试样的状态。图8(b)为通过每组7个试样的试验破坏状态所呈现的具有代表性的破坏模式图。由图8(b)可知，从左到右固井G级水泥石试样的表面破坏裂纹不一样，大尺寸水泥石试样其端部都有较大破碎，直至试样失去承载力，而小尺寸的水泥石试样沿着中部直接失去抗压承载力，相比较大尺寸试验试样端部破碎不明显。尺寸大小不一样，试样破坏特征也不一样，体现出固井G级水泥石具有较明显的尺寸效应。

目前大部分学者分析脆性材料的尺寸效应往往会采用 Weibull随机强度统计理论[3、15]，该理论认为试样存在的缺陷大小与试样尺寸是有联系的，且成正比状态，尺寸越大缺陷越大。通过对固井G级水泥石试样准脆性材料的尺寸效应进行试验研究发现，产生尺寸效应的另一原因是试验试样内部存在缺陷，缺陷包括高层次缺陷和低层次缺陷2种。一般情况下，试样内部出现有断层、裂纹和裂隙则为高层次缺陷,有微裂隙、孔状等则为低层次缺陷。在进行试验后，选取部分试验试样对其内部进行仔细观察，发现较大的固井G级水泥石孔状多于较小尺寸的试验试样，与上述试验试样随着尺寸的增大单轴压缩时先出现压密实变化阶段相对应。当然，由图4(e)可知，当试样第1次达到峰值后，抗压承载力并没有消失，而是呈继续上升的趋势，从而也验证了固井G级水泥石试样的内部缺陷大小对尺寸效应也存在影响。

图8 水泥石试样破坏前与破坏后状态

3 结论

1)通过固井G级水泥石试样单轴抗压试验可知，固井G级水泥石试样有明显的尺寸效应，随着尺寸的增大其抗压强度值先增大后减小，与传统的单轴抗压试验试样随尺寸的增大抗压强度减小的特点不同。

2)固井G级水泥石尺寸效应对力学参数如抗压强度值、弹性模量以及峰值应变都存在影响，其单轴抗压破坏时试样尺寸越大其轴向应变逐渐趋于平稳。小尺寸固井G级水泥石试样在单轴压缩过程中经历弹性变化阶段-塑性变化阶段2个阶段，而大尺寸固井G级水泥石试样则经历压密实阶段-弹性变化阶段-塑性变化阶段3个阶段。

3)不同尺寸的水泥石试样其内部的缺陷程度不一样，内部缺陷大小受固井G级水泥石的尺寸影响。