劉 健，辜思曼，黎 猩，劉 鳳，吳 勇

(西南石油大學(xué)，四川 成都 610000)

0 引 言

水泥環(huán)完整性實(shí)驗(yàn)[1-2]及理論計(jì)算[3-4]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)材料改性[5-9]降低水泥石楊氏模量可以有效提高水泥環(huán)保持完整性的能力。水泥石降脆增韌的基礎(chǔ)工作之一就是測(cè)試水泥石的楊氏模量，但目前國(guó)內(nèi)外水泥石楊氏模量的測(cè)試方法還沒(méi)有形成統(tǒng)一的規(guī)范，其中一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是確定水泥石的尺寸，不同的學(xué)者和規(guī)范采用的尺寸均有差別[10-12]。目前固井行業(yè)的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)API 10A[13]、GB19139[14]都還未納入水泥石彈性模量等的測(cè)試方法，仍舊采用邊長(zhǎng)為50.8 mm的方塊水泥石測(cè)試抗壓強(qiáng)度，極大地制約了水泥環(huán)的完整性分析及水泥石力學(xué)改性研究。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了不同尺寸樣品對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度和楊氏模量的影響，以確定力學(xué)性能測(cè)試中圓柱水泥石的直徑及高徑比最佳范圍，為后續(xù)研究及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的統(tǒng)一提供數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用G級(jí)原漿水泥，配方為G級(jí)水泥(四川嘉華)+2% G33S(河南衛(wèi)輝)+44%水+消泡劑(成都川峰)，在常壓及60 ℃水浴中養(yǎng)護(hù)7 d后，制成不同直徑的樣品在常壓室溫水中浸泡23 d，制成不同高徑比的樣品在室溫水中浸泡7 d(為了加快實(shí)驗(yàn))；實(shí)驗(yàn)儀器包括常壓養(yǎng)護(hù)箱(OWC-1080D沈陽(yáng)石油儀器研究所)、微機(jī)控制恒應(yīng)力壓力試驗(yàn)機(jī)(OWC-300D沈陽(yáng)石油儀器研究所，最大實(shí)驗(yàn)力為300 kN，實(shí)驗(yàn)力加荷速度為0.01～5.00 kN/s)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 水泥石直徑范圍設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)水泥石樣品的直徑為20.0～60.0 mm，參照常規(guī)PVC、PPR管尺寸，將直徑范圍離散成11個(gè)尺寸實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，其直徑如表1所示，水泥石高度定為直徑的2倍，每個(gè)直徑組下制作7個(gè)樣品，共計(jì)77個(gè)圓柱水泥石。為便于同GB19139[14]的水泥石比較，制作8個(gè)邊長(zhǎng)為50.8 mm方塊水泥石進(jìn)行對(duì)比。

表1 不同直徑水泥石樣品尺寸

1.2.2 水泥石高徑比范圍設(shè)計(jì)

1.2.3 水泥石加工精度及加載速度

實(shí)驗(yàn)中圓柱水泥石的切割加工精度參照GB23561.7[15]，試件兩端面不平行度不大于0.05 mm，上、下端直徑偏差不大于0.30 mm，軸向偏差不大于0.25 °。

根據(jù)GB19139，對(duì)于抗壓強(qiáng)度大于3.5 MPa的試樣，加載速率應(yīng)為1.19±0.12 kN/s；對(duì)于抗壓強(qiáng)度等于或小于3.5 MPa的試樣，加載速率應(yīng)為0.29±0.13 kN/s。為了使水泥石盡可能在靜態(tài)下加載，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加載速度為0.10 kN/s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 直徑大小對(duì)水泥石力學(xué)性能測(cè)試的影響

2.1.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

85個(gè)樣品全部經(jīng)過(guò)測(cè)試，其中，1個(gè)樣品損壞，1個(gè)樣品測(cè)試異常，因此，利用余下83個(gè)數(shù)據(jù)繪制不同直徑下抗壓強(qiáng)度及楊氏模量分布(圖1)。

圖1 不同直徑水泥石抗壓強(qiáng)度和楊氏模量分布

2.1.2 直徑大小對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

統(tǒng)計(jì)圖1a的數(shù)據(jù)，繪制直徑大小變化對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度平均值及變異系數(shù)影響曲線(圖2)。由圖2可知：隨著直徑增大，水泥石抗壓強(qiáng)度值總體呈減小趨勢(shì)，但具有波動(dòng)性，存在尺寸效應(yīng)，其中，18.0≤d≤22.0 mm為抗壓強(qiáng)度值下降階段，22.0

初任期教師職業(yè)發(fā)展受外界因素誘發(fā)而被動(dòng)改變。與初任期不同，此階段教師職業(yè)發(fā)展具有積極主動(dòng)的特點(diǎn)，發(fā)展動(dòng)力源于內(nèi)在的教師信念的變化。因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境穩(wěn)定、教學(xué)能力提高、職業(yè)焦慮降低，無(wú)需為“生存”而競(jìng)爭(zhēng)，張老師的教學(xué)探索發(fā)自教育主體的主觀能動(dòng)。注重課堂組織、教課技巧和教學(xué)方法的教育信念和職業(yè)信念開(kāi)始形成。聽(tīng)課記錄、會(huì)議記錄反映著她的職業(yè)信念的變化。描述課堂組織環(huán)節(jié)的“節(jié)奏”，關(guān)注“課堂氣氛”，評(píng)價(jià)講課方法和技巧，這說(shuō)明她的教育信念由關(guān)注“他者”(語(yǔ)言)轉(zhuǎn)向“求諸己”，關(guān)注自己的教學(xué)技巧和課堂組織方法。教師信念由關(guān)注“外在”轉(zhuǎn)向關(guān)注“內(nèi)心”，職業(yè)發(fā)展由“外層”改變轉(zhuǎn)向“內(nèi)層”的變化。

圖2 不同直徑水泥石抗壓強(qiáng)度平均值及變異系數(shù)

抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)曲線隨直徑增加波動(dòng)很大，可分為3個(gè)階段：18.0≤d<23.0 mm為變異系數(shù)降低階段；23.0≤d≤29.0 mm為變異系數(shù)持續(xù)低值的穩(wěn)定階段；29.0

綜上所述，選擇23.0≤d≤29.0 mm的圓柱水泥石可測(cè)得與GB19139所規(guī)定的方塊水泥石一致的抗壓強(qiáng)度及變異系數(shù)。

2.1.3 直徑大小對(duì)楊氏模量的影響

統(tǒng)計(jì)圖1b的數(shù)據(jù)，作直徑大小變化對(duì)水泥石楊氏模量平均值及變異系數(shù)影響的曲線，如圖3所示。由圖3可知，水泥石楊氏模量值隨直徑增大總體趨勢(shì)是減小的，出現(xiàn)了2個(gè)相對(duì)穩(wěn)定階段、1個(gè)下降階段、1個(gè)上升階段，具體劃分：①18.0≤d≤29.0 mm為第1個(gè)相對(duì)穩(wěn)定階段，楊氏模量值接近9 000 MPa；②29.0

圖3 不同直徑水泥石楊氏模量平均值及變異系數(shù)

同樣從圖3中楊氏模量變異系數(shù)變化曲線也能看到，選擇直徑范圍23.0≤d≤29.0 mm圓柱模測(cè)試水泥石楊氏模量的變異系數(shù)最低，測(cè)試值離散最小。在該范圍內(nèi)楊氏模量變異系數(shù)在一個(gè)較低值保持穩(wěn)定，其他直徑范圍測(cè)試的楊氏模量變異系數(shù)上下波動(dòng)不穩(wěn)定，也偏大，特別是直徑偏小或偏大的部分，即變異系數(shù)曲線兩端對(duì)應(yīng)的直徑，變異系數(shù)最大，測(cè)試值離散最大。

總結(jié)直徑對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度和楊氏模量的影響，直徑范圍23.0～29.0 mm是圓柱模測(cè)試水泥石力學(xué)性能的最佳直徑范圍。

2.2 高徑比對(duì)水泥石力學(xué)性能測(cè)試的影響

2.2.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

49個(gè)樣品經(jīng)過(guò)測(cè)試，存在4個(gè)異常數(shù)據(jù)，利用余下45個(gè)數(shù)據(jù)繪制不同高徑比抗壓強(qiáng)度及楊氏模量分布(圖4)。

2.2.2 高徑比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)圖4a中數(shù)據(jù)，繪制高徑比對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度影響的曲線(圖5)，由圖5可知：整體上高徑比對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不顯著，隨著高徑比的增加抗壓強(qiáng)度值大多數(shù)在40.0～45.0 MPa之間波動(dòng)，1.0≤η<2.0時(shí)抗壓強(qiáng)度值波動(dòng)較大，最高約為50 MPa，最低約為35 MPa，上下起伏大，尺寸效應(yīng)影響顯著，2.0≤η≤3.0時(shí)抗壓強(qiáng)度值相對(duì)穩(wěn)定，在42～45 MPa內(nèi)平緩延伸，受尺寸效應(yīng)影響小。因此，選擇2.0≤η≤3.0的圓柱模型測(cè)試水泥石抗壓強(qiáng)度，其結(jié)果更具有代表性。

圖5中，隨高徑比的增加，抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)整體呈增大趨勢(shì)，1.0≤η≤2.0時(shí)變異系數(shù)隨高徑比增大而增大，2.0≤η≤3.0時(shí)變異系數(shù)保持相對(duì)穩(wěn)定。高徑比小的圓柱樣品，變異系數(shù)相對(duì)較低，測(cè)試值離散小，但抗壓強(qiáng)度不穩(wěn)定；2.0≤η≤3.0的變異系數(shù)雖然相對(duì)較大，但其相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)抗壓強(qiáng)度在此范圍內(nèi)也相對(duì)穩(wěn)定，具備數(shù)值大小與離散性穩(wěn)定性一致的特性。

圖4 不同高徑比水泥石抗壓強(qiáng)度和楊氏模量分布

圖5 不同高徑比水泥石抗壓強(qiáng)度平均值及變異系數(shù)

2.2.3 高徑比對(duì)楊氏模量的影響

根據(jù)圖4b中數(shù)據(jù)，繪制不同高徑比下水泥石楊氏模量變化曲線(圖6)。由圖6可知，隨著高徑比的增大，楊氏模量也增大，當(dāng)高徑比由1.0增至2.1時(shí)，楊氏模量由4 000 MPa增至8 000 MPa，增長(zhǎng)幅度較大，當(dāng)2.1≤η≤3.0時(shí)，楊氏模量由8 000 MPa增至9 000 MPa，增長(zhǎng)幅度較小。不同高徑比下水泥石楊氏模量變化曲線沒(méi)有穩(wěn)定階段，均受尺寸效應(yīng)的影響，因此，可選擇2.1≤η≤3.0的水泥石來(lái)測(cè)試楊氏模量，該段楊氏模量增加緩慢，受尺寸效應(yīng)影響相對(duì)較小，為了進(jìn)一步降低尺寸效應(yīng)的影響，可將2.1≤η≤3.0縮小至2.1≤η≤2.6，楊氏模量的增加幅度僅為5%，尺寸效應(yīng)的影響可以忽略。

圖6 不同高徑比水泥石楊氏模量及變異系數(shù)

圖6中楊氏模量變異系數(shù)變化曲線顯示高徑比對(duì)變異系數(shù)整體上影響不顯著，隨高徑比的增加，變異系數(shù)大多在10%～15%波動(dòng)。當(dāng)1.0≤η<2.0時(shí)，變異系數(shù)波動(dòng)相對(duì)較大，最高值約為20%，最低值小于10%；當(dāng)2.0≤η≤3.0時(shí)，變異系數(shù)保持相對(duì)穩(wěn)定。根據(jù)楊氏模量值優(yōu)選的2.1≤η≤2.6處于后者范圍內(nèi)，測(cè)試值離散小，尺寸效應(yīng)影響小。

綜上所述，圓柱模測(cè)試水泥石力學(xué)性能的最佳高徑比為2.1～2.6。

3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明直徑23.0～29.0 mm、高徑比2.1～2.6是力學(xué)測(cè)試中油井水泥石圓柱模型的最佳尺寸取值界限，這與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6466推薦的尺寸(直徑25.0 mm、高徑比2.0)及API 10TR7推薦的尺寸(直徑不小于25.0 mm、高徑比2.0±0.2)存在區(qū)別，但并不矛盾。首先，SY/T 6466推薦的直徑位于此次研究的結(jié)果范圍內(nèi)，高徑比2.0的抗壓強(qiáng)度也滿(mǎn)足測(cè)試要求，而測(cè)試楊氏模量受尺寸效應(yīng)影響較大，可以考慮增大高徑比，設(shè)定為一段范圍內(nèi)，也方便現(xiàn)場(chǎng)備樣；其次，API 10TR7推薦的直徑不小于25.0 mm，需要確定其上限，若水泥石直徑太大，影響測(cè)試結(jié)果，還會(huì)對(duì)壓力機(jī)的最大試驗(yàn)力、結(jié)構(gòu)剛度提出極高的要求，不便現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備配套。

綜上所述，建議在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂中采用直徑25.0±1.0 mm，高徑比2.1～2.6作為圓柱水泥石的尺寸，為現(xiàn)場(chǎng)水泥石力學(xué)性能測(cè)試提供一個(gè)統(tǒng)一的對(duì)比平臺(tái)，這將極大改善目前測(cè)試中數(shù)據(jù)參差不齊、無(wú)法對(duì)比的現(xiàn)狀，為油氣井水泥環(huán)完整性研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論與建議

(1) 隨直徑增大，圓柱水泥石的抗壓強(qiáng)度和楊氏模量均呈起伏波動(dòng)，存在明顯的尺寸效應(yīng)，23.0～29.0 mm處抗壓強(qiáng)度和楊氏模量均呈穩(wěn)定趨勢(shì)，是圓柱模測(cè)試水泥石力學(xué)性能的最佳直徑范圍。

(2) 高徑比對(duì)抗壓強(qiáng)度影響較小，但楊氏模量隨高徑比增加而不斷增大，綜合高徑比對(duì)二者的影響，確定圓柱模測(cè)試水泥石力學(xué)性能的最佳高徑比為2.1～2.6。

(3) 建議在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂中采用直徑25.0 mm，高徑比2.1～2.6作為圓柱水泥石的尺寸，為現(xiàn)場(chǎng)水泥石力學(xué)性能測(cè)試提供一個(gè)統(tǒng)一的對(duì)比平臺(tái)。