常用G级油井水泥水化结构变化规律研究

冯颖韬，宋维凯，温达洋，陈 宇，崔 策

（中海油田服务股份有限公司，河北燕郊065201）

固井通过套管和水泥的胶结封固作用，封闭地下复杂地层和封隔地下油、气、水层，防止层系串通，保护产层，建立起一条隔绝良好的油气流开采通道[1-3]。油井水泥作为固井的主要胶凝材料[4-6]，针对其孔隙结构发育规律展开研究，对指导固井设计具有重要意义。目前，国内外学者多采用实验测试和数值模拟等方法来研究水泥石孔隙结构发育规律[7]。

本文结合HYMOSTRUC3D 模型和CT 测试来开展G 级油井水泥孔隙结构发育规律的研究。首先，在HYMOSTRUC3D 模型的基础上，建立G 级油井水泥水化数值模拟模块，模拟研究不同水灰比（W/C=0.4～3.0）对水泥水化进程的影响，获取C3S、C2S、C3A、C4AF、C-S-H含量、CH含量、孔隙率、孔径分布、抗压强度等随水化龄期的变化关系，重建水泥石三维微结构。然后，将低水灰比（W/C=0.4、0.44、0.50）的孔隙率、孔径分布、三维结构和抗压强度HYMOSTRUC3D模拟结果分别与CT 扫描结果和力学实验机测试结果进行了对比。

1 实验材料与实验方法

1.1 实验材料

实验中所用材料包括：G级高抗硫酸盐油井水泥，由淄博中昌特种水泥有限公司生产，符合API标准；其化学成分和物理性能如表1所示；矿物成分根据Taylor改进后的Bogue方程[35]和《油井水泥》（GB/T 10238-2015）计算得出，其中，总碱量按照Na2O 当量=0.658w(K2O)+w(Na2O)考虑，结果如表2 所示；水泥粒度分布采用英国马尔文公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度分析仪测试，并用RRB方程对其累积体积分布曲线进行拟合，实验用水为武汉市自来水。

1.2 实验方法

表1 水泥主要氧化物成分及物理性质

表2 水泥主要矿物成分及含量

1.2.1 样品制作

在实验过程中，考虑到水泥浆在选取较高水灰比时流动性过大、水泥浆沉降分层明显，在较低水灰比时流动性过差，实际配浆围绕标准稠度用水量W/C=0.44选取4 种不同水灰比（W/C=0.40、0.44、0.50、0.60），参照《油井水泥》（GB/T 10238-2015）和API 10A-2015相应规范配浆。将配制好的水泥浆分别倒入40mm×40mm×40mm 钢制模具内（用于力学强度测试）和采用注射器注入1/8″耐高温PTFE 管中（用于CT 扫描测试），用保鲜膜包裹好后放入常压、30℃的养护箱中密封养护。养护至规定龄期（1d、2d、3d、7d、28d）后，40mm×40mm×40mm的样品在力学强度测试前5min进行拆模；而PTFE 管中的样品直接放入无水乙醇中终止水化1d，取出后放入烘箱中，在105℃的温度条件下烘12h后进行CT测试。

1.2.2 孔隙结构测试

采用三英精密仪器股份有限公司的Nano Voxel-2000 CT扫描水泥石的三维微观结构，利用Voxel Studio 软件进行三维重构，然后利用Avizo 软件对重构后的数据体进行分析处理，得到水泥石三维微观结构图，并分析计算出水泥石的特征孔径、孔隙率和孔径分布。测试采用20倍光耦探测器，最小分辨率为2μm。

1.2.3 力学强度测试

济南星火试验机有限公司生产的ZCYA-W300C型抗压抗折强度力学试验机测试样品的抗压强度，每次测试选取6个标准样品，取平均值作为抗压强度，样品加载速率为2.4kN/s。

2 基于HYMOSTRUC3D的G级油井水泥水化数值模型建立

2.1 水泥水化参数的计算

HYMOSTRUC3D模型中涉及的水泥水化参数主要包括初始水化速率K0和临界穿透速率δtr。基于水泥矿物成分（见表2），参考Nguyen等[14-15]的研究成果，计算出水泥水化参数K0和δtr，如表3所示。

表3 水泥的水化参数K0和δtr

2.2 表征单元体边界尺寸的选取

本研究考虑到部分水泥颗粒直径可达100μm 左右，为使模拟结果更加真实可靠，选取RVE 尺寸为200μm。

3 结果与讨论

3.1 水泥石三维微结构

用HYMOSTRUC3D获取了水泥石在不同水化龄期的微结构，并与CT扫描测试结果进行了对比。研究结果表明：水泥水化早期，水泥颗粒水化程度较低，水化产物特征不太明显，孔隙体积占比较高。随着水化反应的进行，C3S、C2S、C3A、C4AF 等矿物成分逐渐消耗，CH、C-S-H 凝胶等水化产物逐渐生成填充孔隙，导致孔隙体积逐渐减少。当水化到28d时，水泥水化产物几乎占据整个空间，孔隙含量显著减少。

3.2 水灰比对孔隙率的影响

用HYMOSTRUC3D 对不同水灰比（W/C=0.40、0.44、0.60、0.80、1.0、2.0、3.0）条件下水泥石的孔隙率变化进行了定量模拟，并获取了不同龄期（t=1d、2d、3d、7d、28d）水泥石的孔隙率信息。研究结果表明：水泥石28d孔隙率明显小于1d孔隙率，且1～3d孔隙率减小幅度明显大于7～28d 孔隙率减小幅度，说明水泥石孔隙率随水化反应的进行而逐渐减小且减小幅度越来越小。水灰比为0.4 的水泥石孔隙率明显低于水灰比为3.0 的水泥石，水泥石孔隙率随水灰比的增大而增大。分析认为，在水泥水化过程中，水泥和水分逐渐被消耗，C-S-H 和CH 等水化产物逐渐生成膨胀并填充孔隙，从而使孔隙率逐渐降低。对于水灰比越高的水泥净浆，其初始水体积占比较高，某种程度上而言其初始孔隙率越大，虽然水泥水化能够起到一定填充孔隙的作用，但是高水灰比水泥浆单位体积的水泥含量相对更低，水泥水化生成的产物填充孔隙的能力有限，从而导致高水灰比的水泥浆孔隙率也相对更高。

3.3 抗压强度及其对孔隙率的影响

用HYMOSTRUC3D 对不同水灰比（W/C=0.40、0.44、0.50、0.60、0.80、1.0、2.0、3.0）的水泥石的抗压强度变化进行了定量模拟，并获取了不同龄期（t=1d、2d、3d、7d、28d）水泥石的抗压强度。研究结果表明：水泥石28d抗压强度明显高于1d抗压强度，且1～3d抗压强度增大幅度明显大于7～28d 抗压强度增大幅度，与孔隙率随时间的变化趋势是相反的，水泥石孔隙率随水化反应的进行而逐渐减小且减小幅度越来越小，而水泥石抗压强度随水化反应的进行逐渐增大且增大幅度越来越小。水灰比为0.4 的水泥石抗压强度明显大于水灰比为1.0的水泥石；当水灰比为2.0及以上时，水泥浆初始孔隙率过大，28d 孔隙率达70%以上，水化产物过于稀疏无法支撑骨架，水泥石抗压强度为0。水泥石抗压强度随水化反应的进行而逐渐增大，水灰比越高，抗压强度越小。

4 结论与展望

(1)本研究在HYMOSTRUC3D 模型的基础上，获取了固井水泥浆水化过程中C3S、C2S、C3A、C4AF、CS-H含量、CH含量、孔隙率、孔径分布、抗压强度等随水化龄期的变化关系。

(2)水泥水化过程中，水泥石孔径分布逐渐变窄，平均孔径变小，抗压强度增大；随水灰比的增大，孔径分布变宽，粗孔增加细孔占比减小，孔隙率增大，抗压强度减小。水泥石抗压强度与孔隙率呈负相关。

(3)水泥石孔径分布、孔隙率和抗压强度等随水灰比和水化龄期的变化而动态变化，没有严格的规律可循，难以进行定量表征。