水泥石抗压强度发展的趋势和影响因素

水泥石抗压强度发展的趋势和影响因素

汪玲1  莫艳2

（1、中石化西南石油工程有限公司固井分公司，四川德阳  618000,2、中石化西南石油工程有限公司固井分公司，四川德阳  618000）

摘要

随着油气田开发的不断深入，深井超深井日益增多，常会遇到一次性封固段长、封固段的顶部和底部的温差大的固井施工。高温大温差固井要求水泥浆既要保证水泥浆的安全泵送，又要满足顶部水泥石早期强度发展较快，满足后期油气开采的安全。高温大温差固井的主要技术难点是解决封固段顶部水泥浆凝固时间以及水泥石强度发展趋势的问题。

关键词：水泥石抗压强度；稠化时间；温差；变化趋势；水泥浆体系

一、水泥石的抗压强度研究背景

1.1 固井工程中，“温差”定义为井底循环温度与水泥顶面处静止温度的差值，当此温度差值高于30℃时，既可认为是大温差。长封固段大温差井的固井过程中，由于水泥浆的稠化时间是按照井底的循环温度设计的，而封固段的上下温差较大，上部温度较低造成上部水泥浆的稠化时间较长，强度发展缓慢甚至长时间不凝固，从而导致液窜情况的发生。

1.2 水泥石的强度问题，这些容易导致封固段的水泥环产生裂纹，或者承担不了后续压裂工作，水泥环的封隔作用失效，造成地下油气水层之间的窜流和套管的严重腐蚀破坏，减少后续产量甚至会导致油气井的报废。因此研究固井水泥石的抗压强度对生产以及油气井的长期开采和寿命有重要意义。

二、主要研究内容以实验方案

1、对相同配方，不同温度，不同时间水泥浆模块养护过后，再通过油井水泥压力机以71.7KN/min的加荷速率对水泥石的抗压强度的进行数据测试，得到变化趋势，得出水泥石抗压强度的影响原因。

2、 通过温度每次递增10℃的相同规律测试水泥浆的稠化时间以及水泥石的抗压强度数据。同时通过静胶凝强度分析仪，测试水泥浆发展为水泥石的时间发展规律。

三、水泥浆实验数据结果

1、相同配方，不同温度实验结果表

图1随温度升高，24小时养护水泥石抗压强度的变化曲线图

图2随温度升高，72小时养护水泥石抗压强度的变化曲线

四、水泥石抗压强度影响趋势与因素的结论

水泥石的抗压强度它是单位受力接触面上由匀速压力作用下使水泥石破坏的最大压力，也就是此次研究测试的抗压强度数据，因此根据上诉实验结果可得结论：

4.1 水泥石的抗压强度在压力不变的情况下，温度升高，抗压强度数据随之明显增加，因此温度是影响抗压强度的重要因素。

4.2 根据养护时间曲线来看，24小时与72小时的抗压强度有巨大变化，因此侯凝时间的长短也是水泥石的抗压强度的重要影响因素。

4.3 水泥石的抗压强度数据与稠化时间的长短并无直接关系，但静胶凝起强度的时间与稠化时间有一定影响关系，稠化时间越短，静胶凝起强度时间会短，稠化时间长，起强度时间相对增加，但并不是稠化时间越长，抗压强度越大。

4.4 根据40℃-80℃这一温度段的水泥石抗压强度来看，温度影响比较明显，24小时养护后60℃到达一个抗压强度最大值，但温度继续提高以后，水泥石的抗压强度明显大幅度降低，这一温度点称为“临界温度”，在实际运用中就注意达到临界温度以后，若同样的养护时间，到达临界温度以后的随着温度增高，水泥石的抗压强度发展反而逐渐缓慢，甚至降低。需增加养护时间以及调整水泥浆配方来促进水泥石尽快起强度。

五、大温差段固井中的使用指导意义浅析

5.1 由图2可以看出，随着温度的升高阶梯式衰退。而水泥石24小时抗压强度在60-70℃时是最高的，80℃之后平稳递减。温度达到80℃时，常规配方的AMPS类缓凝剂对调整水泥浆的稠化时间作用甚微，并且水泥石抗压强度常常不能达到后期钻进及压裂要求。但水泥石经过72小时养护后抗压强度趋于平稳，各温度段差异已经不大。是因为在72小时养护后，水泥浆不管在何种温度下都已经经过初凝，终凝完全变成水泥石，因缓凝剂的反应效果已完全释放。终凝后水泥石强度大幅度提升，封固效果好，完全能满足后续钻井以及开采工作。因此在大温差固井时，建议延长侯凝时间，让水泥浆有足够时间变成水泥石。

5.2  在实际钻进中井内温度高达80℃-120℃。因此形成大温差，然而在井底时，水泥浆静止于井底的各个不同温度段，就会造成上部60℃或者80℃以上的水泥段在时间上会优先于下部80-120℃的水泥段形成水泥石，并具有一定的抗压强度，封固效果较好，下部80-120℃的水泥浆还未形成水泥石，封固效果不理想时，如遇油、气层正处于该地层，就有向上部窜气的风险，此时在水泥浆配方上就需考虑此风险，更换缓凝剂或者延长侯凝时间等措施规避。

参考文献

[1]影响固井水泥石韧性强度的因素研究  杨智

[2]固井水泥石力学性能研究现状浅析     汪汉花，高莉莉

[3]深井长封固段水泥浆体系关键技术研究 郭胜来

[4]长封固井段大温差固井水泥浆体系研究  孟鑫