油气井碳纳米管(CNTs)复合固井水泥断裂性能热损伤机制

陈立超,王生维,张典坤,张超鹏,王扶静

(1.内蒙古工业大学 资源与环境工程学院, 内蒙古 呼和浩特 010051; 2.煤与煤层气共采国家重点实验室, 山西 晋城 048204; 3.中国地质大学(武汉) 资源学院, 湖北 武汉 430074)

1 前 言

随着深层化石能源热力开采(如煤炭地下气化)等工程发展,注采井井底极端高温条件对固井材料性能提出了巨大挑战,尤其是目前常规固井水泥材料在高温条件下的凝结、徐变特征及力学性能的热损伤规律等方面不确定性给固井水泥环空结构耐久性及后期层间封隔能力造成严重影响[1-3]。目前国内外已经开展了针对超深开采下固井水泥材料的抗高温、热稳定性能提升技术方面的研究,主要围绕高温条件固井水泥石力学性能表征及试验方法[4-7]、高温状态固井水泥材料性能提升[8-15]及相关添加剂材料研发[16-22]等方面展开。近年来随着深部油气井固井材料服役条件对材料的要求愈发苛刻,部分学者也针对高温下碳纳米管固井水泥力学性能表征[23-25]开展了一些研究工作,然而目前尚未考虑高温条件对碳纳米管复合固井水泥材料尤其是其断裂性能的影响。总体而言,目前针对固井水泥材料抗高温性能提升、高温下固井水泥常规力学性能裂化规律方面的研究较多,但关注固井水泥材料断裂性能随温度的劣化规律以及针对碳纳米管(CNTs)复合固井水泥材料高温热损伤机制方面研究较少。

本研究利用自主配制的CNTs复合固井水泥材料,采取三点弯曲加载方法对CNTs质量分数分别为0.05%、0.10%及0.30%的复合固井水泥半圆盘三点弯曲加载(SCB)试样在不同温度下断裂力学性能进行研究,获得不同温度下CNTs复合固井水泥试样加载位移-载荷关系并据此评价材料脆性,构建了CNTs复合固井水泥试样断裂韧度KIC、断裂压缩功及其与外部温度之间的内在关系,基本确定了CNTs复合固井水泥在不同外部温度下的脆-韧断裂转换的临界温度,初步明晰了CNTs复合固井水泥材料断裂性能的高温损伤机制及防护策略,最终提出高温服役环境下CNTs复合固井水泥碳纳米管的最佳质量分数。

2 实 验

2.1 试样制备

试验用的CNTs复合固井水泥材料为自主配制,按照复合固井水泥材料中CNTs质量分数分三组,每组中水泥干粉500 g,实验室自来水240 mL,CNTs按质量分数0.05%、0.10%、0.30%分别掺入,为提升固井水泥强度,各组水泥材料中还加入少量内蒙古准格尔矿区粉煤灰。混合浆体采用磁力搅拌器进行搅拌提高CNTs分散度,搅拌均匀的水泥浆体倒入模具中养护,达到龄期后拆模,然后按照国际岩石力学学会ISRM要求[26],使用岩石取芯机钻芯取样,切割、打磨制备半圆盘切口弯曲加载试样,如图1(a)所示。X射线衍射(XRD)分析结果显示本试验配制的CNTs复合固井水泥材料矿相组成特征为：SiO218%,Ca(OH)27%,CaCO311%,CaMg(CO3)264%。

图1 CNTs固井水泥试样特征(a)、高温加热(b)及三点弯曲加载试验(c)

2.2 试样高温热处理

如图1(b)所示,利用自主设计的高温加热系统对CNTs复合固井水泥试样进行加热,加热路径为第一阶段试样由室温加热至预设定处理温度(50、100和200 ℃),第二阶段保持该温度2 min后试样直接进行试验机加载,加热中利用高灵敏度温度传感器监控试样温度。

2.3 三点弯曲加载

三点弯曲加载实验在如图1(c)所示的试样机上完成。由于试样在加载过程中可能存在受力偏差和受热过程中的不均匀,为保障各组试验数据的稳定性,在同等条件(相同加热条件、相同CNTs水泥质量比)下,共制作了3个水泥试样。为保障加载过程稳定可控,试验中设置下部支撑滚轴跨度为80 mm,加载全程位移速率控制在0.05mm/min。试验过程中,随着加载位移的增大,载荷P以恒定加载速率随之增加直至达到极限荷载(Pmax),利用Pmax可以计算试样材料的Ⅰ型断裂韧度(KIC)[26]：

(1)

Y′=-1.297+9.516(S/R)-(0.47+16.457(S/R))β+

(1.071+34.401(S/R))β2

(2)

式中：R、B分别为试验SCB试样的半径和厚度,a为试样切口长度,S代表加载过程中下部支撑滚轴的1/2轴距,β=a/R,Y′为用有限元法导出的临界无量纲应力强度因子(SIF)[26]。

3 结果与讨论

3.1 温度对CNTs复合固井水泥加载位移-载荷关系的影响

如图2所示,整体上不同CNTs质量分数的固井水泥试样随温度上升断裂极限载荷逐渐降低,且整体上CNTs复合固井水泥试样加载位移-载荷关系曲线可分为三个阶段。其中CNTs质量分数为0.05%时(图2(a)),100 ℃以下固井水泥试样加载位移-载荷关系曲线可划分为： ①压缩阶段。加载初期由于试样中的卸载孔隙、裂隙等缺陷尚未压实,在载荷下该部分缺陷首先压实变形,在加载位移-载荷曲线上呈现斜率逐渐增加的趋势; ②弹性压缩阶段。前期压缩下材料内缺陷压缩致密,在外载压缩作用下试样开始发生线弹性形变; ③断裂卸载阶段。当外载达到材料极限断裂载荷后试样断裂破坏。图2(a)中显示低温条件下CNTs复合固井水泥主要为脆性断裂(BF),试样断裂后载荷迅速降为零。当温度大于100 ℃时,CNTs复合固井水泥试样极限载荷Pmax大幅下降,试样加载位移-载荷关系曲线整体分为两个阶段：(1)断裂前期的均匀压缩变形阶段。高温下复合固井水泥试样变形呈现塑性变形,与低温条件下相比试样形变缺少孔隙压缩阶段,当试样内部积累压缩功足够抵御材料断裂韧度时试样即发生断裂;(2)断后载荷下降阶段。该阶段由于试样断裂失去承载能力,载荷逐渐降低。与低温条件下下相比试样断裂后阶段载荷下降速率较慢,表明试样材料断裂形式由低温脆性断裂过渡为高温韧性断裂(DF)。本研究还发现,CNTs复合固井水泥试样的脆-韧转换临界温度为100 ℃。对于深部油气井固井而言,当井底温度超过100 ℃时固井水泥材料大概率已发生脆-韧转变。

BF：brittle fracture; DF： ductile fracture图2 不同CNTs质量分数的复合固井水泥SCB试样热损伤下加载位移-载荷特征 (a)0.05%;(b)0.10%; (c)0.30%

由图2(b)可知,随着温度的升高,CNTs质量分数为0.10%的复合固井水泥试样极限载荷Pmax逐渐降低,这表明高温对固井水泥材料抗裂能力起到消极影响。与CNTs质量分数为0.05%的复合固井水泥试样不同,CNTs质量分数为0.10%的复合固井水泥试样在温度低于150 ℃时加载位移-载荷关系特征呈以下阶段特征：①压实阶段。在压缩载荷下试样孔隙、裂隙缺陷压缩致密化;②弹性变形阶段。试样缺陷压实后在外载作用下呈现弹性压缩形变效应;③断裂后阶段。当试样内部弹性能储备达到岩石断裂韧度后,试样开裂加载位移-载荷曲线上表现出载荷迅速下降。而当温度大于150 ℃时,固井水泥试样加载位移-载荷曲线呈现典型的韧性断裂破坏形态。当固井水泥中CNTs质量分数为0.10%时材料脆-韧转换临界温度提升,说明CNTs的加入能有效改善复合固井水泥抗高温性能。

如图2(c)所示,低温下(小于100 ℃)CNTs质量分数为0.30%的复合固井水泥试样表现为脆性断裂属性,断裂过程时间极短。而高于100 ℃时试样呈现显著韧性断裂形式,材料断裂过程较长。根据相关理论[10-13],由于高温下固井水泥材料内部部分矿物的热应力断裂形成自由滑移面,外载作用下固井水泥材料主要沿滑移面进行剪切式破坏。

3.2 温度对CNTs复合固井水泥断裂韧度的影响

从图3可知,随着温度增高,固井水泥Ⅰ型断裂韧度KIC呈对数形式递减,整体上相关性较好。当CNTs质量分数为0.05%、0.30%的复合固井水泥断裂韧度随温度增加热损伤速率较快,当加热温度超过100 ℃时,两种复合固井水泥试样断裂韧度损伤率分别低至24.69%、22.88%,表明高温对固井水泥材料断裂性能的热损伤非常严重。而CNTs质量分数为0.10%的复合固井水泥试样断裂韧度损伤率则为52.84%,表明当CNTs质量分数为0.10%时复合固井水泥材料抗高温性能最为优异。结合相关理论[14-15],分析认为当CNTs质量分数为0.10%时,高温作用下固井水泥内CNTs颗粒增强了水泥中无机矿物颗粒间的结合强度,同时有效地协调了高温状态下复合材料中不同水化产物间热膨胀差异性,一定程度上规避了高温对固井水泥的热力损伤。

图3 CNTs复合固井水泥断裂韧度随温度的变化规律

3.3 温度对CNTs复合固井水泥断裂速率的影响

通常材料断裂后载荷下降速率能够反映材料的组织结构及断裂形式,断裂后载荷卸荷速率越快则试样材料脆性越强,反之则塑性显著。从图4可以看出,随着温度升高固井水泥试样断裂后卸荷速率降低,两者呈现相关性较强的指数负相关关系,表明随着温度上升CNTs复合固井水泥材料断裂形式由脆断过渡为韧性断裂,CNTs的加入显著改善了复合固井水泥材料的微观结构和力学表现。而且试样断裂后载荷下降速率一定程度上可以反映试样断裂裂缝延展的速率,显然随着温度升高CNTs复合固井水泥材料的断裂速率降低。对于深部油气井而言,固井水泥材料在高温下断裂速率的减缓,能够降低固井水泥环窜槽的几率。

图4 CNTs复合固井水泥试样断裂后卸载速率随温度变化规律

3.4 温度对CNTs复合固井水泥断裂压缩功的影响

材料断裂过程能量耗散特征能够反映材料的阻裂能力和断裂形式。从图5可知,不同CNTs质量分数的复合固井水泥试样断裂全程压缩功消耗整体上随外部温度升高呈对数递减趋势,主要由于温度升高CNTs复合固井水泥材料的阻裂能力下降,因此材料断裂过程中外界压缩功降低。其中CNTs质量分数为0.10%的复合固井水泥试样随温度升高断裂压缩功衰减幅度最大,这与试样断裂韧度随温度的变化规律是相一致的。

图5 CNTs复合固井水泥试样断裂压缩功随温度变化规律

3.5 温度对CNTs复合固井水泥断裂形式及路径的影响

如图6所示,随着温度上升,试样断裂形式由脆性断裂向韧性断裂过渡,裂缝扩展由低温下曲折裂缝形式向滑移式裂缝演化。其中CNTs质量分数为0.10%的复合固井水泥试样裂缝张开度最低,表明该质量比复合固井水泥材料在高温下胶结能力最强。而CNTs质量分数为0.05%、0.30%的复合固井水泥试样在高温下仍表现出裂缝张开度较大,且裂缝延展具有一定的随机性特征。对于深层非常规油气热力开采、煤炭地下气化井注采井固井而言,CNTs质量分数为0.10%的复合固井水泥材料具有较好的裂缝宽度和延展方向控制能力,值得复杂服役环境下固井工程关注。

图6 高温下不同CNTs质量分数的复合固井水泥SCB试样断裂特征 (a)CNTs content 0.05%; (b)CNTs content 0.10%; (c)CNTs content 0.30%

3.6 温度对CNTs复合固井水泥微观结构特征的影响

由图7可知,CNTs质量分数0.05%的复合固井水泥材料在100 ℃以下内部矿物间结合界面较紧密,整体上矿物晶体发育程度较好,材料主要由方解石、粉煤灰球体和水泥相脆性矿物组成,根据混合律理论可推测低温下固井水泥为显著的脆性特征。

图7 不同温度、不同质量分数的CNTs复合固井水泥材料微观结构演化特征

如图7(b)、(c)所示,当温度上升至150 ℃时CNTs质量分数为0.05%的复合固井水泥材料内矿物发生热力膨胀形成张性裂缝[18],形成多组无定向断裂缺陷,这部分缺陷后期作为材料的滑移面导致水泥材料由低温脆性断裂向高温韧性破坏转变,同时高温下复合固井水泥材料矿物间界面发生明显开裂。当固井水泥中CNTs质量分数大于0.10%时(图7(d)、(f)),复合固井水泥材料内CNTs成为矿物间的桥联剂,起到较好的增韧和控制高温变形作用。但当温度超过200 ℃时复合固井水泥中的粉煤灰球体发生开裂。当固井水泥中CNTs质量分数超过0.30%时(图7(g)～(i)),水泥材料内CNTs在高温下并没有很好的发挥桥联效应,固井水泥试样高温载荷作用下裂缝宽度较大,推测与CNTs掺量过高在水泥内部形成孔隙过多有关,降低了材料的强度和阻裂性能。实验得出针对深部油气井固井实际,固井水泥中CNTs最优质量分数为0.10%。

4 结 论

1．加载位移-载荷关系曲线显示,随着外部温度增高CNTs复合固井水泥试样断裂形式由脆断过渡为韧性断裂;CNTs质量分数相同条件下,CNTs复合固井水泥Ⅰ型断裂韧度随外部温度升高呈指数形式降低;同时CNTs复合固井水泥断裂速率随外部温度上升呈指数下降趋势。

2．CNTs复合固井水泥断裂压缩功随温度上升呈对数形式降低,材料断裂形式由低温状态下的脆性断裂转换为高温下韧性断裂,裂缝面光滑程度提升。温度对CNTs复合固井水泥材料断裂形式影响非常显著。

3．适量CNTs加入能通过桥联作用以及协调复合固井水泥材料内部水化产物间热膨胀形变差异,增强固井水泥材料在高温下的抗裂能力。而当CNTs质量分数超过0.10%时高温下水泥材料抗裂性能增强效应不明显,推测与CNTs掺量过高在水泥内部形成孔隙过多有关,针对非常规油气热力开采注采井需求,本实验得到固井水泥中CNTs最优质量分数为0.10%。