师忠南 汪汉花 苏博勇 王玉敏

（1.大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆 163413；2.渤海钻探第五钻井工程公司，河北河间 062465）

水泥石的耐久性是指水泥石在正常使用条件下，在规定时间内，由于水泥石结构性能随时间而劣化，但仍能满足预定功能的能力。长期以来，水泥石的耐久性问题被忽视，造成了水泥石耐久性研究的相对滞后。由于耐久性不足导致水泥石结构破坏的事故时有发生，其中由于水泥石耐久性不足而引起的套损和层间窜流具有普遍性，造成的损失也难以估量。因此，水泥石的耐久性问题应该受到高度重视。虽然现已存在水泥石抗压强度的评价方法（GB10238—2005），但单一的抗压强度数据很难与水泥石耐久性相结合。笔者在水泥石耐久性方面引入了水泥石的长期强度和破碎能两个重要参数作为评价耐久性的指标。对水泥石的长期强度和破碎能进行了研究，得出了水泥石耐久性的评价方法。

1 实验仪器及材料

实验仪器：三轴力学测试仪、恒温水浴养护箱。

实验材料：G级油井水泥。水泥浆制备及养护按照GB/T 19139-2003规定的方法进行。

2 水泥石长期强度

目前，评价水泥石的方法为测定水泥石的抗压强度，GB10238-2005中介绍了水泥石抗压强度检测方法。检测结果为水泥石破碎时的最大应力，而这与水泥石在井底受力有所不同，虽然水泥石在井底受力，但还没达到水泥石的抗压强度，否则水泥石就会破碎，达不到水泥石应起的作用，针对水泥石所受外力小于抗压强度时的变化规律进行了研究。

2.1 水泥石长期强度的提出

水泥石的强度试验表明，当水泥石所受外力变化时，水泥石的变形量也随之变化，当外力固定到某一值时，水泥石的变形量会出现3种不同的结果：当外力小于某固定值时，水泥石的变形量固定，保持不变；当外力固定在大于某个值而小于抗压强度时，水泥石的变形量随时间延长不断增加，直至破碎，增加的速度与外力大小有关；当外力大于等于水泥石的抗压强度时，水泥石迅速破碎。水泥石长期强度是指使水泥石长期不变形的最大应力。由水泥石长期强度可知水泥石长期抵抗外力的能力。

2.2 G级原浆水泥石长期强度试验

对水泥石进行抗压测试，图1为水泥石受力10 kN、11 kN、13 kN的时间与变形量之间的关系。

图1 水泥石受力10 kN、11 kN、13 kN时间位移曲线

从图1可看出，当水泥石受力为10 kN时，水泥石变形量5 h后不再增加，持续24 h无变化，这说明该水泥石能够承受10 kN以上的力而不会破碎。当水泥石受力11 kN时，变形量在24 h内都在增长，在13 kN的力作用在水泥石上时，持续不到1.5 h水泥石破碎，说明水泥石的长期强度应在10~11 kN之间，该水泥石的抗压强度为14 kN。通过多次试验，可得出水泥石的变形量与时间的规律曲线，见图2。

图2 变形与时间的关系

水泥石在受力时均会出现如图2所示曲线，a为试验初始点，水泥石初始点相同时可直接比较；b点为水泥石受到某固定应力，变形量变化速率变慢点；c点为水泥石变形量达到一定程度后，变形量变化速率变快点；d点为水泥石破碎点。由水泥石受力的不同会出现几种不同的情况，由图1可看出，水泥石的ab段都会出现，不同之处在于b点的高低，随着水泥石受力的增加，b点的数值在增大。bc段的长短和斜率取决于水泥石所受外力的大小，外力大，bc段斜率大且短，外力小的bc段斜率小且长，外力小到一定程度，bc段的斜率为0，将不会出现c点，而是一条直线，说明水泥石在受此作用力时无论外力作用多久，水泥石将不会破碎。而当外力达到长期强度且小于水泥石抗压强度时，外力在水泥石上作用一定时间以后就会出现cd段，通过观察，如出现cd段，水泥石本体将会产生宏观裂纹，随着时间的延长，宏观裂纹发展迅速，水泥石完全破碎。试验说明，水泥石所受的外力小于其抗压强度时，作用一定的时间也会引起水泥石的破碎，当水泥石所受外力小于长期强度，无论时间长短，水泥石均不会破碎。

3 水泥石破碎能

水泥作为一种胶凝材料，其内部结构复杂，评价这一结构有多大抗破碎能力，单纯靠强度一个参数很难评价。要破坏这一结构需要2个重要因素：一是水泥石受到足够大的力；二是在力的方向上产生足够大的位移，这2个参数是水泥石被破坏的充分条件。这2个参数的乘积即为外力破坏水泥石所做的功，在此定义为水泥石的破碎能。

3.1 水泥石破碎能的试验与计算

与GB 10238—2005中所介绍的油井水泥石抗压强度检测不同之处是在水泥石抗压试验时增加了位移传感器，在水泥石抗压试验过程中不仅能够检测到水泥石的受力变化，还能随时检测到水泥石的变形量。通过计算就可得出水泥石的破碎能。表1为水泥石破碎能相关数据。该水泥试件在45 ℃常压养护48 h，样品长度48.6 mm，直径24.2 mm。

根据公式W=F·S来计算水泥石的破碎能，F为施加在水泥石上的负荷，S为水泥石的变形量，由公式（1）计算水泥石的破碎能

水泥石的破碎能W/V=4.699323/22.34=0.21（J/cm3）

表1 水泥石试验采集数据

该过程为计算水泥石破碎能的过程，水泥石在井底条件下有围压的存在，该方法计算的破碎能只适用于常压情况，而要确定水泥石在井下的破碎能需要增加围压来对水泥石进行检测。

3.2 三轴条件下的水泥石破碎能试验

水泥石在井底环境下有一定的围压存在，而因水泥石所处的层位不同可分为2种情况：一是水泥石所处低渗层位，水泥石受力主要来自于岩石所给压力；二是水泥石所处高渗层位，水泥石受力来自于地层流体。两者围压相同，区别在于水泥石本体是否与地层流体接触。针对这两种情况，设计出2组不同的试验，图3为水泥石不与围压液体接触和水泥石与围压液体接触时的变形和负荷的关系。

图3 水泥石与围压液体接触和不接触时变形和负荷的关系

从图3可看出，水泥石在有围压的环境中检测时，不仅水泥石的抗压强度有所增加（79.6 MPa），其变形量也明显增大（6.74 mm），由式（1）计算得出水泥石的破碎能为7.1 J/cm3，图3为水泥石与围压液体相接触，其抗压强度为72.4 MPa，变形量为1.6 mm，由式（1）计算得出水泥石的破碎能为1.3 J/cm3。由这两组数据可看出，由于围压影响，水泥石的破碎能要比常压测试所计算的破碎能高得多，说明有围压的存在，水泥石的耐久性要比常压状态下强。从图3两组数据可看出水泥石与围压液体不接触的破碎能要比水泥石与围压液体接触的破碎能大5.5倍，说明在井下与地层流体接触的水泥石和不与地层流体所接触的水泥石相比更易破碎。因此水泥石的耐久性要从易破碎层入手，定义水泥石耐久性时应以周围环境为参考基准，水泥石的周围环境包括两方面：套管和地层岩石。耐用的水泥石处在井下使用环境时将保持其原来适用性就要满足：套管施加在水泥石上的力要小于水泥石的长期强度；水泥石的破碎能大于所处地层岩石的破碎能。只有满足这两个条件水泥石才具有良好的耐久性，否则水泥石破碎后将失去原有的作用。

4 结论

该水泥石耐久性的评价方法能够有效评价水泥石的耐久性，从而为油井中选用耐久性好的水泥石提供理论依据，减少因水泥石耐久性不足而引发的问题，但只对原浆水泥石的耐久性进行了研究，并没有对所有的水泥浆体系进行评价，下一步应对不同水泥浆外加剂对水泥石耐久性的影响进行研究，找出能够提高水泥石耐久性的外加剂，以便延长油气井的使用寿命。

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