水泥石封隔性能的评价参数研究

师忠南

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙 江大庆 163413）

水泥石的封隔性能是指水泥石在正常使用条件下，封隔油、气、水的能力。然而固井结束后，水泥环在经受多种应力作用下，将导致水泥环的封隔能力变化。近年来对深层气井的开发数量增多，这种情况在气井的后期作业过程中多有发生，管外压力增加，严重的可达到20MPa以上，这给油气井后期开采带来诸多困难。目前，评价水泥环空封窜性能的方法较单一，而且只针对水泥浆与水泥浆凝结成水泥石的过程进行封窜能力的评价，对于后期油气井作业过程中，应力对水泥环作用导致水泥环封隔能力的改变无法评价。因此，有必要建立一套评价方法，评价应力作用对水泥石封隔性能的影响。本文针对套管与水泥环界面及水泥环本体两方面来评价水泥环的封隔性能，在评价水泥石封隔性能方面引入了水泥石的回弹能力和渗透率作为评价封隔性能的两个重要参数。对水泥石的回弹能力和渗透率进行研究，得出了应力作用下水泥石封隔性能的评价方法。为保证水泥环长期有效的封隔能力提供理论依据，为优选水泥浆体系提供理论基础。

1 实验仪器及材料

1.1 实验仪器

三轴力学测试仪；水泥石渗透率仪；恒温水浴养护箱；高温高压养护釜。

1.2 实验材料

材料：G级油井水泥；胶乳水泥外加剂；J55套管外径5.5″，壁厚0.3″。

水泥浆制备及养护按照GB/T 19139-2003规定的方法进行。

2 套管水泥环界面封隔性能的评价方法研究

2.1 回弹能力的提出

弹性力学中定义材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。材料在外力作用下产生形变而在外力去除后不能全部恢复，而残留一部分变形，材料不能恢复到原来的形状，这种残留的变形是不可逆的塑性变形。不同材料由于其内部结构不同，在产生相同的形变量时，其恢复的多少也存在差别，所以本文提出回弹能力来表示不同材料受到应力作用下的弹性与塑性的关系，回弹能力越大，表示固体材料受到应力产生形变量时，形变量恢复值越大。回弹能力的检测方法为，使用三轴力学测试仪对固体材料试块加载不同应力，撤去应力，由仪器传感器采集试块的应力与形变量之间的关系。由公式（1）得出实验试块的回弹能力。

式中：L1——应力作用时试验试块产生的变形；

L2——撤去应力后试验试块产生的变形。

2.2 水泥石回弹能力的室内研究

根据前文所介绍，对原浆水泥石进行了回弹能力的测试，测试结果如图1所示。图1为水泥试块受不同应力与形变量之间的关系图。

图1 不同应力与形变量关系曲线

根据图1及公式(1)计算可知，原浆水泥石受力（30～60kN）的回弹能力分别为69%、63%、46%、39%，从水泥石回弹能力数据可看出，随着应力的增加，水泥石形变量明显增大，而水泥石的回弹能力是逐渐减小的，这说明水泥石的回弹能力是一个变化的参数。以水泥石受力30kN为例，当水泥石受到30kN的外力时，其回弹能力为69%，这说明水泥石受力所产生的形变量有69%恢复，其余31%为塑性变形，将产生永久的形变量。

2.3 胶乳水泥浆体系回弹能力的研究

在实验条件下，不同水泥石受到相同应力作用时，产生的形变量是不同的，而井下条件下，水泥石受力复杂，但由于空间的限制，不同水泥石在井下相同环境产生的形变量应该是相似的。

因此，在胶乳水泥石与原浆水泥石回弹能力的对比实验中，采用了控制形变量的方法进行比较。实验为两种水泥石采用1mm/min加载速率及100N/min卸载速率，实验结果如图2所示。

图2 胶乳与原浆水泥石回弹对比曲线

由图2可看出当胶乳水泥石与原浆水泥石产生相同形变量，撤去应力作用时，胶乳水泥石与原浆水泥石的回弹能力规律相似，都是随着水泥石形变量的增加，回弹能力呈降低的趋势，但胶乳水泥石的回弹能力要比相同形变量下的原浆水泥石高十几个百分点。在相同形变量下，胶乳水泥石恢复至原始状态程度要比原浆水泥石的程度高。这说明在井下受力条件下，胶乳水泥环产生微环隙的几率要比原浆水泥石低，封隔性能要比原浆水泥石的封隔效果好，而微环隙的产生主要取决于水泥环与套管的协同回弹能力，仅从水泥石的回弹能力单方面研究，不能较好的说明水泥石和套管之间存在微环隙，以下结合套管与水泥石的回弹能力进行对比研究，说明了应力作用下，套管与水泥环之间产生微环隙的必然性。

2.4 套管与水泥石回弹能力的对比研究

在井底条件下，由于套管内压作用，套管与水泥环产生的变形是一致的，若套管内压降低，套管与水泥环产生的形变量将有一定的恢复，这时水泥环的回弹能力只有与套管一致或大于套管的回弹能力才能够保证水泥环良好的封隔效果，反之套管与水泥环之间将产生一定的微环隙，造成水泥环封隔能力的下降。本文对套管、原浆水泥石、胶乳水泥石的回弹能力进行了对比研究。对比结果如图3所示。

图3 套管与水泥石回弹对比曲线

图3 为套管、胶乳水泥石、原浆水泥石产生0.3mm形变量的对比曲线，由图3可以看出，当三种材料都产生0.3mm的形变量时，套管的回弹能力要大于水泥石的回弹能力，这说明当套管与水泥环产生0.3mm的形变量时，这两种水泥石与套管之间都将产生微环隙，只是胶乳水泥石产生的微环隙要小于原浆水泥石。因此，提高水泥石的回弹能力能够有效地降低套管与水泥环之间的微环隙，提高水泥环界面的封隔能力。

3 水泥石本体封隔性能的评价方法研究

水泥石回弹能力的研究只限于套管与水泥环界面的封隔能力的评价，而水泥环的封隔性能还包括水泥环本体的封隔能力，目前评价水泥环本体的主要参数为水泥石的渗透率，已有相应的标准，而对于水泥受到应力后的渗透率研究较少。本文对原浆水泥石与胶乳水泥石受到应力后的渗透率进行了相关的评价实验，实验结果如图4所示。

图4 渗透率变化规律

图4 为原浆水泥石与胶乳水泥石受力20～60kN水泥石渗透率的变化规律，由图4可看出原浆水泥石在受到应力后，其渗透率先减小后增加，这说明原浆水泥石内部存在一定的空隙，随着应力的增加，空隙逐渐减小，渗透率下降，随着应力的增加，原浆水泥石内部又出现新的微裂纹，渗透率又明显增加。在水泥石受力情况下，水泥石的渗透率有所变化，应力的增加使原浆水泥石的渗透率增大，这将引起水泥石本体的密封能力下降。由于胶乳的加入，应力较小时，其渗透率虽有减小的趋势，但是变化不明显，当应力超过40kN时，胶乳水泥石渗透率逐渐增加，至60kN时的渗透率也明显要小于原浆水泥石的渗透率。这说明在井下受力情况，胶乳水泥环本体的封隔性能要高于原浆水泥环的封隔性能。

4 结论

（1）在井底受力情况下，由于套管回弹能力高于水泥石的回弹能力，套管与水泥环之间将产生微环隙，降低水泥环的封隔性能。因此在水泥浆外加剂的选择上，要考虑水泥石在受力情况下具有接近套管的回弹能力，提高水泥环在受力状态下的封隔性能。

（2）在水泥石受力情况下，水泥石的渗透率有所变化，应力的增加使原浆水泥石的渗透率增大，这将引起水泥石本体的密封能力下降。

（3）水泥石的回弹能力与应力作用下水泥石渗透率这两个参数，从套管与水泥环界面及水泥环本体两方面来评价水泥环的封隔性能，更全面地评价了水泥环的封隔性能。可为提高水泥环封隔性能的水泥浆外加剂优选提供理论依据。