CN103558363A - 一种评价固井水泥环自修复性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种评价固井水泥环自修复性能的方法，依次包括以下步骤：（1）制备固井用的自修复水泥浆，然后将其灌入抗折和劈裂抗拉模具中，在高温高压养护釜中养护一定时间使其凝固成水泥石；（2）测试水泥石完全断裂时的抗折强度和劈裂抗拉强度；（3）将测试后的断裂水泥石放入养护装置中养护24h，再次测量其抗折强度和劈裂抗拉强度；（4）计算水泥石抗折强度修复率和劈裂抗拉强度修复率；（5）重复（2）～（4）并求取修复率平均值，当抗折强度平均修复率≥50%且劈裂抗拉强度平均修复率≥30%时，则认为该水泥石具有自修复性能。本发明原理可靠，计算方法简单，可以准确测试水泥石修复率，适用于各种固井水泥石自修复性能的评价。

Description

一种评价固井水泥环自修复性能的方法

技术领域

本发明涉及石油天然气开发过程中固井技术领域评价固井水泥环自修复性能的方法。

背景技术

在油气勘探开发中，固井的根本目标是实现水泥环长期密封完整性。随着时间增加，各种作业都会对水泥施加一定的应力，对水泥环造成损坏，使固井水泥环出现微裂缝和微环隙。而且这些微裂缝微环隙很细小，不能准确确定其具体位置，很难进行修复。即使是微裂缝、微环隙也会形成地层流体的窜流通道，造成水泥环力学完整性和水力密封性失效，严重影响油气井的产能和生产寿命。自修复水泥浆是指在水泥浆中加入具有修复性能的材料，当微环隙或微裂缝形成时，自修复材料被激活产生膨胀，自动愈合微环隙或微裂缝，封闭气窜通道。这一技术自2006年起国外开始报道，是一项具有显著效果的新技术，其优势在于能在不中断生产的情况下，恢复油气井的完整性，提供长期的层间封隔。但是固井自修复水泥还没有确切的实验、评价方法和标准，尤其是尚无确切的方法来比较自修复前后水泥石力学性能，更无法有效评价水泥石是否具有自修复的性能。这也是导致该项技术发展缓慢的原因之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种评价固井水泥环自修复性能的方法，该方法操作简单，计算方便，真实有效，能真实反应出水泥石的自修复情况，实现对固井水泥环自修复性能的评价，克服了现有技术的缺陷和不足。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

本发明从水泥石抗折和劈裂抗拉强度的恢复情况两个方面进行综合评价：首先测试水泥石试样的抗折强度，然后对该试样进行裂缝修复，再测试其修复后的抗折强度，计算修复率；再测试水泥石试样的劈裂抗拉强度，然后对该试样进行裂缝修复，再测试其修复后的劈裂抗拉强度，计算修复率；当抗折强度修复率≥50%且劈裂抗拉强度修复率≥30%时，则认为该水泥石具有自修复性能。

由于水泥石抗折强度测试采取的是简支梁法的三点弯曲加载应力，整个受力过程中是由弯曲变形到完全断裂的，历经时间较长，且水泥石断面较为光滑平整。因此，在自修复的过程中，裂纹之间能够紧密压紧，内部空隙较小，强度的恢复也会较大。经过多次实验证实，大部分水泥石试样的抗折强度能够恢复到50%以上，甚至在恢复实验中，原有断裂面完好而产生新的断裂面；对于巴西圆盘劈裂抗拉强度的测定，其受力状态属于圆盘对心受压，使水泥石沿中心轴拉伸断裂，是完全的脆性断裂，断口凸凹不平，是线弹性变形。在自修复过程中，断面压紧后仍会存在较大的空隙，造成修复不够完全，在大量测试中发现，恢复强度可以达到原来的30%。由上可见，评价水泥石的自修复效果为抗折强度修复率≥50%且劈裂抗拉强度修复率≥30%。

一种评价固井水泥环自修复性能的方法，依次包括以下步骤：

（1）制备固井用的自修复水泥浆，然后将其灌入抗折和劈裂抗拉模具中，在高温高压养护釜中养护一定时间使其凝固成水泥石；

（2）测试水泥石完全断裂时的抗折强度和劈裂抗拉强度；

（3）将测试后的断裂水泥石放入养护装置中养护24h，再次测量其抗折强度和劈裂抗拉强度；

（4）通过以下公式计算水泥石抗折强度修复率和劈裂抗拉强度修复率：

修复率=水泥石修复后强度/水泥石修复前强度×100%；

（5）重复（2）～（4）并求取修复率平均值，当抗折强度平均修复率≥50%且劈裂抗拉强度平均修复率≥30%时，则认为该水泥石具有自修复性能。

本发明可以准确测试修复率，有效评价水泥石的自修复性能。与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1）原理可靠，方法简单实用，可在实验室内进行测试评价；（2）无需操作人员进行大量复杂工作；（3）数据准确，真实可靠，计算方法简单；（4）适用于各种固井水泥石自修复性能的评价。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

首先制备具有自修复性能的固井自修复水泥浆，然后将其灌入内径为120mm×40mm×40mm长方形抗折模具以及内径为50mm×25mm圆柱形劈裂抗拉模具中，将其置于高温高压养护釜中养护（按需求设定养护的时间和压力），养护一定时间使其凝固成水泥石，分别放在抗折试验机和万能试验机上测试水泥石试样的完全破坏的抗折强度和劈裂抗拉强度。

将损坏的水泥石试样放到自修复性能评价装置中，继续放入高温高压养护釜中养护。养护好后再次测试修复后水泥石试样的抗折强度和劈裂抗拉强度。

最后计算修复率，评价水泥石的自修复性能。

实施例1

试样制备：100份G级油井水泥，0.3份分散剂，2份降失水剂，0.1份消泡剂，1份自修复剂，45.5份水。

将各个组分干粉按比例配置混合，将水溶液放在混合容器中，搅拌器以低速（4000±200转/分）转动，并在15秒内加完称取的干粉混合物，盖上搅拌器的盖子，高速（12000±500转/分）下继续搅拌35秒，制成稳定性能好的固井自修复水泥浆体系。然后将水泥浆灌入预先准备好的抗折模具和劈裂抗拉模具中，放入高温高压养护釜中养护，模拟井下的工况条件，设置温度110℃，压力20MPa。养护48h时间，待水泥浆形成水泥石块，在抗折试验机上测试其完全损坏的抗折强度，在万能试验机上测试完全劈裂的抗拉强度，分别记录数据。

将损坏的水泥石试样按照其断裂纹路对准，放置特定的修复性能评价装置中，再次放入高温高压养护釜中，在同样的条件下养护24h。最后将修复好的水泥石试样再次测试其抗折和抗拉强度，分别记录数据。

最后对数据进行整理，计算水泥石的平均修复率。见表1和表2。

表1水泥石抗折强度修复情况

序号	未自修复的抗折强度，MPa	自修复后的抗折强度，MPa	修复率，%
				A1	9.2	3.1	33.69
A2	9.6	2.5	26.04
				A3	8.9	2.7	30.34

表2水泥石劈裂抗拉强度修复情况

序号	未自修复的抗拉强度，MPa	自修复后的抗拉强度，MPa	修复率，%
				A4	6.0	2.0	33.33
A5	5.3	1.3	24.53
				A6	6.9	1.8	26.09

抗折强度平均修复率=30.02%≤50%

抗拉强度平均修复率=27.98%≤30%

综合两项强度修复率值，不满足抗折强度平均修复率≥50%且劈裂抗拉强度平均修复率≥30%的条件，所以该水泥石不具有自修复性能。

实施例2

试样制备：100份G级油井水泥，0.3份分散剂，2份降失水剂，0.1份消泡剂，3份自修复剂，46.4份水。

将各个组分干粉按比例配置混合，将水溶液放在混合容器中，搅拌器以低速（4000±200转/分）转动，并在15秒内加完称取的干粉混合物，盖上搅拌器的盖子，高速（12000±500转/分）下继续搅拌35秒，制成稳定性能好的固井自修复水泥浆体系。然后将水泥浆灌入预先准备好的抗折模具和劈裂抗拉模具中，放入高温高压养护釜中养护，模拟井下的工况条件，设置温度110℃，压力20MPa。养护48h时间，待水泥浆形成水泥石块，在抗折试验机上测试其完全损坏的抗折强度，在万能试验机上测试完全劈裂的抗拉强度，分别记录数据。

将损坏的水泥石试样按照其断裂纹路对准，放置特定的修复性能评价装置中，再次放入高温高压养护釜中，在同样的条件下养护24h。最后将修复好的水泥石试样再次测试其抗折和劈裂抗拉强度，分别记录数据。

最后对数据进行整理，计算水泥石的平均修复率。见表3和表4。

表3水泥石抗折强度修复情况

序号	未自修复的抗折强度，MPa	自修复后的抗折强度，MPa	修复率，%
				B1	8.7	4.9	51.33
B2	8.3	4.5	54.22
				B3	7.6	3.2	42.11

表4水泥石劈裂抗拉强度修复情况

序号	未自修复的抗拉强度，MPa	自修复后的抗拉强度，MPa	修复率，%
				B4	5.2	2.2	42.31
B5	5.8	2.9	50.00
				B6	4.9	2.1	42.86

抗折强度平均修复率=49.22%≤50%

抗拉强度平均修复率=45.05%≥30%

综合两项强度修复率值，不满足抗折强度平均修复率≥50%且劈裂抗拉强度平均修复率≥30%的条件，所以该水泥石不具有自修复性能。

实施例3

试样制备：100份G级油井水泥，0.3份分散剂，2份降失水剂，0.1份消泡剂，5份自修复剂，47.3份水。

将各个组分干粉按比例配置混合，将水溶液放在混合容器中，搅拌器以低速（4000±200转/分）转动，并在15秒内加完称取的干粉混合物，盖上搅拌器的盖子，高速（12000±500转/分）下继续搅拌35秒，制成稳定性能好的固井自修复水泥浆体系。然后将水泥浆灌入预先准备好的抗折模具和劈裂抗拉模具中，放入高温高压养护釜中养护，模拟井下的工况条件，设置温度110℃，压力20MPa。养护48h时间，待水泥浆形成水泥石块，在抗折试验机上测试其完全损坏的抗折强度，在万能试验机上测试完全劈裂的抗拉强度，分别记录数据。

将损坏的水泥石试样按照其断裂纹路对准，放置特定的修复性能评价装置中，再次放入高温高压养护釜中，在同样的条件下养护24h。最后将修复好的水泥石试样再次测试其抗折和劈裂抗拉强度，分别记录数据。

最后对数据进行整理，计算水泥石的平均修复率。见表5和表6。

表5水泥石抗折强度修复情况

序号	未自修复的抗折强度，MPa	自修复后的抗折强度，MPa	修复率，%
				C1	8.2	5.9	71.95
C2	7.2	4.7	65.28
				C3	7.5	4.8	64.00

表6水泥石劈裂抗拉强度修复情况

序号	未自修复的抗拉强度，MPa	自修复后的抗拉强度，MPa	修复率，%
				C4	5.3	3.5	66.04
C5	4.4	2.9	65.91
				C6	4.7	2.5	53.19

抗折强度平均修复率=67.07%≥50%

抗拉强度平均修复率=61.61%≥30%

综合两项强度修复率值，满足抗折强度平均修复率≥50%且劈裂抗拉强度平均修复率≥30%的条件，所以该水泥石具有自修复性能。

通过以上三个实例可以看出，本发明固井水泥环自修复性能评价方法能够真实、简便、有效地计算出水泥石的自修复率，准确地评价其自修复性能。

Claims (1)

1.一种评价固井水泥环自修复性能的方法，依次包括以下步骤：

（1）制备固井用的自修复水泥浆，然后将其灌入抗折和劈裂抗拉模具中，在高温高压养护釜中养护一定时间使其凝固成水泥石；

（2）测试水泥石完全断裂时的抗折强度和劈裂抗拉强度；

（3）将测试后的断裂水泥石放入养护装置中养护24h，再次测量其抗折强度和劈裂抗拉强度；

（4）通过以下公式计算水泥石抗折强度修复率和劈裂抗拉强度修复率：

修复率=水泥石修复后强度/水泥石修复前强度×100%；

（5）重复（2）～（4）并求取修复率平均值，当抗折强度平均修复率≥50%且劈裂抗拉强度平均修复率≥30%时，则认为该水泥石具有自修复性能。