步玉環(huán)郭辛陽李 娟王雪英

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島 266555;2.中國石化中原石油勘探局供水管理處,河南濮陽 457001)

?固井與泥漿?

水泥石動靜態(tài)機械性能相關關系試驗研究

步玉環(huán)1郭辛陽1李 娟1王雪英2

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島 266555;2.中國石化中原石油勘探局供水管理處,河南濮陽 457001)

水泥石機械性能對于油氣井的繼續(xù)鉆進、采收率和壽命都具有重要意義。選擇不同水泥漿體系,測量其所形成水泥石的橫、縱波速度,經(jīng)過計算求出其動態(tài)楊氏模量和動態(tài)泊松比;利用巖石力學三軸試驗機測定水泥石靜態(tài)楊氏模量和靜態(tài)泊松比。分析水泥石動態(tài)和靜態(tài)機械性能的相關性發(fā)現(xiàn):水泥石密度與其橫、縱波速度正相關;水泥石密度與靜態(tài)楊氏模量和靜態(tài)泊松比有很好的線性相關性,相關系數(shù)分別為0.980和-0.980;水泥石動靜態(tài)楊氏模量之間有很好的線性相關性,相關系數(shù)為0.970;水泥石動靜態(tài)泊松比相關性差,靜態(tài)泊松比主要分布在0.10～0.12范圍內(nèi)。這為室內(nèi)水泥石機械性能的無損測量和利用測井解釋數(shù)據(jù)獲取井下水泥石機械性能奠定了基礎,對水泥漿體系設計、固井工程設計及固井質(zhì)量評價有一定的參考價值。

水泥石;動態(tài);靜態(tài);機械性能;相關分析;實驗室試驗

水泥石的機械性能(楊氏模量、泊松比等)是水泥漿體系設計、固井工程設計及固井質(zhì)量評價的重要組成部分[1-8]。楊氏模量、泊松比等參數(shù)常用的測定方法有兩種:靜態(tài)法和動態(tài)法[9]。目前,實驗室內(nèi)測定水泥石靜態(tài)機械性能,程序復雜,花費巨大,且不能直接測定井下條件下水泥石的靜態(tài)機械性能。動態(tài)法測量水泥石機械性能,操作簡單,花費小,且可以直接測定井下水泥石的動態(tài)機械性能。筆者分別利用動態(tài)法和靜態(tài)法測定了不同水泥漿體系的動、靜態(tài)機械性能,并分析了它們之間的關系,為水泥石靜態(tài)機械性能的無損測量和從聲波測井資料獲取井下水泥石靜態(tài)機械性能和進行固井質(zhì)量評價奠定了基礎。

1 水泥石動、靜態(tài)機械性能測量

1.1 測量原理

1.1.1 動態(tài)機械性能測量

用游標卡尺測量試樣尺寸,用電子天平稱量試樣質(zhì)量,計算試樣密度:

式中,ρ為試樣密度,kg/m3;m為試樣質(zhì)量,g;D為試樣直徑,cm;h為試樣高度,cm。

分別用橫、縱波超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波,超聲波穿透試樣后,被接收探頭接收,通過示波器讀取聲波穿透試樣所用時間,然后計算試樣的橫、縱波速度:

式中,v為試樣橫波或縱波速度,m/s;T為橫波或縱波傳播時間,ms。

利用式(2)求得的橫、縱波速度可求出試樣動態(tài)泊松比和動態(tài)楊氏模量:

式中,vp為縱波速度,m/s;,vs為橫波速度,m/s;E為楊氏模量,Pa;ρ為試樣密度,kg/m3;ν為泊松比。

1.1.2 靜態(tài)機械性能測量

水泥石靜態(tài)機械性能測量借用巖石力學試驗方法,利用巖石力學三軸試驗機通過三軸試驗測得。

1.2 測量裝置

1)超聲波檢測儀 筆者所用超聲波檢測儀主要由MODEL5800型脈沖發(fā)射器、V102型縱波探頭與V153型橫波探頭和惠普54504A型數(shù)字示波器組成。

2)巖石力學三軸試驗機 巖石力學三軸試驗機的最大載荷為1 000 kN,伺服控制采用DEC-100控制器,伺服控制系統(tǒng)由EDC控制器、壓力傳感器、位移傳感器、伺服閥和油源等部分組成。

1.3 試驗材料

勝濰 G級油井水泥、FHZT-1型降失水劑和FHJ-1型分散劑(勝利油田富海公司生產(chǎn))、其他材料(如超細水泥、微硅、漂珠、消泡劑等)均取自勝利油田現(xiàn)場固井用材料。

1.4 測量方法

1)試塊制備 按照API規(guī)范要求的操作方法和程序制作水泥石。每種水泥漿體系制作4塊水泥石,水泥石在75℃恒溫常壓養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護。養(yǎng)護時間從模具放入養(yǎng)護箱的時間算起。24 h后拆模,然后將水泥石放入75℃恒溫常壓養(yǎng)護箱中繼續(xù)養(yǎng)護。再養(yǎng)護48 h后,取出模塊,冷卻到室溫,待水泥石晾干,制成直徑約為25 mm,長約為50 mm圓柱體試樣,備用。

2)水泥石密度測量 用游標卡尺分別測量每塊試樣的尺寸數(shù)次,取其平均值作為其最終的尺寸。用電子天平分別測定試樣的質(zhì)量,利用式(1)計算試樣密度,取4塊試樣密度平均值為水泥石密度。

3)橫、縱波傳播時間測量 在室溫常壓下,將試樣置于兩探頭之間,分別用墊錫箔紙和涂凡士林的方式對試樣與探頭的接觸面進行處理,并施加一定的壓力,保證探頭與試樣接觸良好。記錄超聲波在試樣中的傳播時間。

4)水泥石動態(tài)機械性能計算 將橫、縱波在試樣中傳播時間和試樣尺寸代入式(2)計算橫、縱波速度,并將計算結果代入式(3)和式(4)計算試樣動態(tài)機械性能。對于同一水泥漿體系,取試樣動態(tài)機械性能平均值作為該水泥漿體系水泥石動態(tài)機械性能。

5)水泥石靜態(tài)機械性能測量 參照巖石力學方法,在室溫常壓下對試樣進行三軸力學試驗,測定不同試樣靜態(tài)機械性能。同一水泥漿體系,取其試樣靜態(tài)機械性能平均值作為該體系水泥石靜態(tài)機械性能。

2 試驗結果及分析

2.1 水泥石密度與其橫、縱波速度的關系

根據(jù)試驗結果做水泥石密度與橫、縱波速的關系圖,如圖1所示。

圖1 不同水泥漿體系水泥石密度與橫縱波速度關系

從圖1可以看出:

1)水泥石密度在1 500～1 900 kg/cm3之間變化時,縱波速度和橫波速度隨水泥石密度的增大而增大;

2)縱波和橫波的最大和最小速度之差都在200 m/s左右;

3)出現(xiàn)不同密度水泥石聲速相同情況的原因是相近密度的水泥石性能差別不大和示波器最小刻度為0.2 ms。

2.2 水泥石密度與水泥石靜態(tài)機械性能的關系

根據(jù)試驗結果分別做水泥石密度與靜態(tài)彈性模量、靜態(tài)泊松比的關系圖,如圖2、圖3所示。

圖2 不同水泥漿體系水泥石密度與其靜態(tài)楊氏模量關系

圖3 不同水泥漿體系水泥石密度與其靜態(tài)泊松比關系

從圖2和圖3可以看出:

1)隨水泥石密度增大,靜態(tài)楊氏模量增大,靜態(tài)泊松比減小,說明水泥石密度越大越不容易變形;

2)水泥石密度與靜態(tài)楊氏模量、靜態(tài)泊松比之間有很好的線性相關性,對其分別進行線性回歸,相關系數(shù)分別為0.980和-0.980,如果已知水泥石的密度,就可以利用該相關關系預測水泥石靜態(tài)楊氏模量和靜態(tài)泊松比。

2.3 水泥石動靜態(tài)機械性能關系

根據(jù)試驗結果分別做水泥石動、靜楊氏模量和動、靜態(tài)泊松比的關系圖,如圖4、圖5所示。

圖4 不同水泥漿體系水泥石動、靜態(tài)楊氏模量關系

圖5 不同水泥漿體系水泥石動、靜態(tài)泊松比關系

從圖4和圖5可以看出:

1)水泥石動態(tài)楊氏模量與靜態(tài)楊氏模量有很好的線性相關性,對其進行線性回歸,其相關系數(shù)為 0.970,如果已知水泥石的動態(tài)楊氏模量,可以利用該相關關系預測水泥石的靜態(tài)楊氏模量;

2)水泥石動態(tài)泊松比與靜態(tài)泊松比的相關性不明顯,靜態(tài)泊松比主要集中分布在0.10～0.12范圍內(nèi)。

3 結 論

1)水泥石橫、縱波速度與水泥石密度正相關;水泥石密度與靜態(tài)楊氏模量和靜態(tài)泊松比都有很好的線性相關性,相關系數(shù)分別為0.980和-0.980。

2)水泥石動、靜態(tài)楊氏模量之間有很好的線性相關性,相關系數(shù)為0.970;動、靜態(tài)泊松比之間關系不明顯,靜態(tài)泊松比主要集中分布在0.10～0.12范圍內(nèi)。

3)通過動態(tài)法測定水泥石的動態(tài)機械性能,利用筆者所做試驗得出的水泥石動態(tài)和靜態(tài)機械性能的相關關系可求得水泥石靜態(tài)機械性能,從而實現(xiàn)實驗室內(nèi)水泥石靜態(tài)機械性能的無損測量和井下水泥石靜態(tài)機械性能的地面測量。

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[審稿 李子豐]

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TE256+.7

A

1001-0890(2010)02-0051-04

2009-03-11;改回日期:2010-01-18

步玉環(huán)(1966—),女,山東茌平人,1988年畢業(yè)于石油大學(華東)鉆井工程專業(yè),1996年獲石油大學(北京)油氣井工程專業(yè)碩士學位,2005年獲中國石油大學(華東)石油工程學院油氣井工程專業(yè)博士學位,教授,主要從事油氣井工程、油氣井流體力學、固完井工程領域的教學與科研工作。

聯(lián)系方式:(0532)86981158,buyuhuan@163.com