常用G级油井水泥水化结构变化规律研究_冯颖韬.pdf

2021年第1期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-06-30修回日期 2020-07-09 第一作者简介 冯颖韬 （1986-） ， 男 （汉族） ， 黑龙江大庆人， 工程师， 现从事深水固井工艺技术研究与应用工作。 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） 摘要 利用HYMOSTRUC3D模拟研究超高水灰比 （W/C0.4～3.0） 对G级油井水泥水化进程的影 响， 获取了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， 重建了水泥石三维微结构。研究结果发现 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， 两者关系与Ryshkewitch方程、 Schiller方程 和二次线性方程 （孔隙率≤-b/2a） 的拟合较好。 关键词 油井水泥； 水灰比； 孔隙率； 孔径分布； 抗压强度 中图分类号 TE14 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202101-0027-03 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/C0.4～ 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/C0.4、 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 wNa2O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 化学组分 质量分数 （） CaO 64.0 SiO2 21.40 Al2O3 4.50 Fe2O3 5.50 MgO 0.90 K2O 0.37 SO3 2.50 Na2O 0.13 LOI 0.49 表1水泥主要氧化物成分及物理性质 矿物成分 质量分数 （） C3S 52.61 C2S 21.75 C3A 2.63 C4AF 16.72 CSH2 4.25 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 27 2021年第1期西部探矿工程 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/C0.44 选取4种不同水灰比 （W/C0.40、 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 40mm40mm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， 40mm40mm40mm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 Stu- dio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 固相 C3S* C2S* C3A* C4AF* PC K0（μm/h） 0.0735 0.0046 0.0718 0.0200 0.0449 δtr（μm/h） 2.82 2.97 3.58 1.19 2.42 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/C0.40、 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 （t1d、 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/C0.40、 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 （t1d、 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 （下转第33页） 28 2021年第1期西部探矿工程 necessary means of increasing production and stabilizing produc- tion to improve oil and gas recovery.However, the diagenetic mech- anism of clastic reservoir in Tarim Basin is complex, the water lay- er is developed, and the interval between oil and gas water layers is thin, so cementing quality has been difficult to guarantee.With the development of new technologies for EOR of natural gas com- pound displacement, new challenges have been added to the ce- menting of clastic rocks 1 The wellhead gas injection pressure is high;2 There is alternating load in the injection displacement pro- cess, which is more likely to cause interlayer sealing failure.Aim- ing at these technical problems, the paper puts forward some mea- sures, such as optimizing the process parameters by cementing de- sign software, optimizing the mechanical properties of cement stone with elastic and self-healing cement slurry system to meet the requirements of long-term wellbore integrity, adjusting and op- timizing the flow standard parameters of mud and cement slurry, and improving the displacement efficiency. The cementing quality has been ensured by the practice in Tz-xx well. Key wordsgas injection well； Tarim Basin； clastic rock； cement- ing 表5电测固井质量 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 井段 （m） 16～37 37～106 106～840 840～846 846～1851 1851～1931 1931～2179 2179～2190 2190～2679 2679～2691 2691～2970 固井质量 差 中 优 中 优 中 优 中 优 差 优 序号 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 井段 （m） 2970～2983 2983～3060 3060～3290 3290～3308 3308～3629 3629～3643 3643～3693 3693～3703 3703～3709 3709～3716 固井质量 中 差 优 中 优 中 优 中 优 中 （上接第28页） 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、 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。 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。 参考文献 [1]刘崇建， 黄柏宗， 徐同台， 等. 油气井注水泥理论与应用[M]. 北京 石油工业出版社， 2001. [2]S Ghabezloo， J Sulem， S Gudon， et al. Poromechanical Behav- iour of Hardened Cement Paste Under Isotropic loading[J]. Ce- ment and Concrete Research， 2008， 3812 1424-1437. [3]Bois Axel-Pierre， Vu Manh-Huyen， Ghabezloo Siavash， et al. Cement Sheath Integrity for CO2 Storage - An Integrated Per- spective[J]. Energy Procedia， 2013， 375628-5641. [4]Galle C. Effect of Drying on Cement- based Materials Pore Structure as Identified by Mercury Porosimetry. A Comparative Study Between Oven- vacuum-， and Freeze-drying[J]. Cement Concrete Research， 2001， 31. [5]王瑞和， 王成文， 步玉环， 等. 深水固井技术研究进展[J]. 中 国石油大学学报自然科学版， 2008， 321 77-81. [6]范坤， 朱文卿， 周代余， 等. 隔夹层对巨厚砂岩油藏注气开发 的影响以塔里木盆地东河1油田石炭系油藏为例[J]. 石油学报， 2015， 36485-91. [7]Chen X， Wu S， Zhou J. Experimental Study and Analytical Model for Pore Structure of Hydrated Cement Paste[J]. Applied Clay Science， 2014， 101159-167. 33