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| 沧海阅铭

| 沧海阅铭

-＜水泥在油井中的作用＞-

在油井的整个生命周期中，水泥浆会受到各种载荷的影响，这可能会损害其一些基本特性并影响其性能。

当水泥浆体刚形成时，水泥的特性还没有完全成熟，这些载荷就显得尤为重要，本研究对含聚丙烯纤维的油井水泥的早期性能进行了评价。

为了确定固化时间对水泥孔隙率的影响，研究人员使用核磁共振(NMR)来描述每个样品，随着养护时间的延长，水泥体系的抗压强度和抗拉强度均有所提高，且聚丙烯纤维的加入可提高水泥的强度。

聚丙烯纤维掺入后，两种水泥试样的孔隙率和渗透率均随养护时间的延长而显著降低，杨氏模量的降低和泊松比的增加表明聚丙烯纤维的加入也使水泥具有更强的弹性。

为了表达孔隙率以及抗压和抗拉强度的变化，构建了对数关系，而泊松比、杨氏模量、密度变化和渗透率则由幂律方程精确建模。

在石油和天然气行业中，当使用钢套管来承受坍塌和爆裂力时，使用水泥浆填充环空，水泥环的形成发生在泥浆逐渐开始硬化的过程中。

水泥环对井的完整性至关重要，因为它可以防止流体在不同的地层之间流动，提供层间隔离，保护套管柱免受腐蚀，并在机械上支持套管和钻井层。

在最坏的情况下，水泥浆的破裂可能导致环空加压，地层流体运移到地面，并导致井喷，配制一种高性能的水泥浆，保证井的基本完整性，降低物理化学过程中积累的物质造成的破坏风险，有助于降低水泥破坏的风险。

研究人员评估了在水泥浆中添加几种纤维，如硅、有机、硅灰石和单丝纤维，以提高井的使用寿命，提高水泥性能，并通过提高强度和最小化水泥的循环损失来降低与水泥基质失效相关的成本。

其中一种纤维是聚丙烯，这是一种合成纤维，已被许多研究人员用于提高土壤的破坏参数(抗压和抗拉强度)并尽量减少其收缩。

此外，为了克服混凝土工业中水泥易碎的问题，还加入了聚丙烯纤维，其中胶凝材料是脆性的，应变能力和抗拉强度较低。

聚丙烯纤维的主要作用机理是形成网状结构，减少水泥的循环漏失，降低水泥的渗透性，聚丙烯纤维也可以提高水泥的强度和耐久性。

对于石油和天然气行业，目前发表了几项关于聚丙烯纤维在固井中的应用，以提高G类水泥的性能的研究，提高其抗碳化性能。

水泥浆是一种多孔物质，水化过程使水泥浆逐渐由液体过渡到固体形态，根据井深的不同，在固井过程中可能会使用不同成分的不同泥浆，它们的水化发生在不同的温度、压力和时间环境下，水泥浆形成后，水泥浆的质量取决于许多因素。

因此在油井的使用寿命期间，水泥浆会受到各种机械和热载荷的影响，这可能会损害水泥环的结构完整性。

在整个套管测试过程中，压力随储层类型的不同而变化，在10 ~ 80 MPa之间，钻井时压力可达40 MPa以上。

这些载荷可能导致水泥环变形，导致套管水泥或岩石水泥界面出现裂缝，在水泥的机械特性和强度尚未完全形成之前，在养护过程的早期施加这些载荷时，这一点尤为重要。

然而，导致油井泄漏的主要原因是水泥收缩和孔隙压力的早期降低，在恶劣条件下和不同固化时间下，对井眼固井水化效果进行评估的实验研究很少。

这些特性是至关重要的，特别是对于新的水泥配方，如本研究中考虑的含有聚丙烯纤维的水泥。

水泥浆体的早期龄期特性可以通过多种实验技术进行研究，其中一些技术侧重于反应速率，而另一些技术则研究水泥随时间的化学或物理特性。

本研究比较了含聚丙烯纤维和不含聚丙烯纤维的水泥，以了解水泥基质在水化过程早期的性能变化。

在固化的前3天，进行了一系列测试，为了更好地了解水泥孔隙度随固化时间的变化情况，研究人员使用核磁共振(NMR)对所有水泥样品进行了分析。

G类水泥、聚丙烯纤维和其他化学添加剂构成了该研究的主要成分，这些添加剂增加了水泥的特性，使其可用于各种井眼环境。

采用湿分散装置ANALYSETTE 22 Nano Tec plus仪器测定G类水泥粉的粒度分布，结果表明，水泥粒径中位数为20.9μm, 90%的水泥颗粒小于47μm，如上图所示。

G类水泥的粒径分布

x射线荧光(XRF)衍生的元素组成表明，G类水泥的钙含量高，硅含量适中，分别约为72%和12%，如上图所示。

用XRF测定G级水泥的成分

聚丙烯纤维是一种合成改性的聚丙烯纤维，如上图所示，这种形状使聚丙烯纤维具有更大的表面积。

由于较大的表面积，聚丙烯纤维可以加快水泥的水化动力学，通过快速用水化相填充水泥颗粒之间的间隙，这一过程诱发了基体致密化，加速了抗压强度的提高，同时降低了水泥基体的孔隙率。

聚丙烯纤维的形状

使用API标准（API 1997）来制备水泥浆，纯水泥由G级水泥、2.82 10-6%（按水泥重量计算）的消泡剂、44%的BWOC水、0.7%的BWOC流体损失、35%的BWOC硅粉、0.1%的BWOC可膨胀材料和0.08%的BWOC分散剂组成。

聚丙烯基水泥浆是通过添加0.125% BWOC的聚丙烯纤维来制造的，此外还考虑到了制造纯水泥浆的添加剂。

应该提到的是，硅粉的使用温度通常在230°F以上，然而在这项工作中，我们使用二氧化硅四，以确保基础和聚丙烯水泥样品的水泥系统都具有较高的抗压强度和拉伸强度。

下图总结了用聚丙烯纤维制成的水泥样品在不同固化时间下的抗压强度测试情况，聚丙烯试样和纯试样的抗压强度在固化的前48小时内上升，但在这之后没有什么变化，在所有的固化时间内，与基础试样相比，含有聚丙烯纤维的试样具有更高的抗压强度。

a.早期固化时间内抗压强度的结果， b. 4周内抗压强度的预期变化。

如上图a所示，水化6小时后，基本水泥和聚丙烯试样的抗压强度分别为44.5MPa和52.6MPa，在强度短暂上升后，基础水泥的抗压强度在48小时后逐渐稳定在51.5兆帕左右。

固化48小时后，聚丙烯试样的抗压强度也同样上升并稳定，达到60.5兆帕，固化2天后，两个水泥样品的抗压强度都没有明显增加。

为了建立描述这些变化的最佳数学联系，研究了聚丙烯和基础试样的抗压强度随时间的变化。

该研究发现，如下公式的对数关系（R2）分别为0.96和0.97，最能代表纯水泥和聚丙烯试样的抗压强度变化，如下图a所示。

应用以上公式，我们可以跟踪两个研究系统在28天内的抗压强度变化，如下图b所示，根据该图，固化的第一周是两个水泥系统的抗压强度变化最大的时候，聚丙烯和基体试样的抗压强度在第一周后变化很小，在固化21天后，它几乎已经稳定下来。

从上图所示的拉伸强度数据可以看出，两个系统的抗压和拉伸强度的结果是相当的，随着早期养护时间的增加，聚丙烯试样和基体试样的抗拉强度也在增长，在所有的养护期，聚丙烯基水泥的抗拉强度都高于基体水泥的。

a.早期固化时间的拉伸强度结果，b. 4周内拉伸强度的预期变化。

6小时和12小时后，聚丙烯试样的抗拉强度分别为4.65和5.30兆帕，大于基础水泥试样抗拉强度的相应值4.06和4.36兆帕。

随后聚丙烯试样和基础试样的抗拉强度逐渐增加，48小时后基本稳定，纯水泥试样为4.89MPa，聚丙烯试样为6.06MPa，固化72小时后，纯水泥和聚丙烯试样的拉伸强度分别为4.96MPa和6.25MPa。

根据回归调查的结果，如上图a所示，在下公式对数关系的帮助下，纯品和聚丙烯试样的拉伸强度的变化可以准确地表示，R2值分别为0.99和0.97。

如上图b中显示了如何应用以上公式来研究所有试样在固化的前4周内的抗拉强度变化，聚丙烯和基体试样拉伸强度的增长大部分发生在水化的头7天，之后拉伸强度只有小幅增长，基体试样的拉伸强度在3周后趋于不变，聚丙烯试样的拉伸强度在24天后趋于不变。

-＜对岩石物理性质的影响＞-

测量所有水泥试样的渗透性的结果显示在如下图，这些结果表明，随着固化时间的增加，纯水泥和聚丙烯水泥试样的渗透性降低，然而聚丙烯试样的渗透性低于基质水泥的渗透性。

a 在早期固化时间内渗透性的调查结果。 b 4周内渗透性的预期变化

如下图中的结果表明，纯试样在固化6小时后的渗透率为0.059mD，这一渗透性随着固化时间的推移迅速降低，在水化72小时后，纯试样的渗透性为0.026 mD。

聚丙烯基水泥显示出类似的趋势，它在固化6小时后的渗透率为0.050 mD，在整个固化的前24小时内，渗透率迅速下降，然后在固化后趋于稳定在0.022 mD。

为了找到反映这些变化的最佳数学联系，还探讨了基体和聚丙烯试样的渗透性如何随水化过程而变化。

结果表明，从以下公式的功率关系得知，R2值分别为0.992和0.997，最能代表基体和聚丙烯试样的渗透率的增加，如下图a所示。

使用以上公式然后确定基体和聚丙烯试样在固化的前4周内的渗透性变化，如下图b所示。

该图显示了两种水泥系统的渗透性在第一周内是如何明显下降的，虽然比第一周的固化速度要慢，但渗透性继续下降，直到第三周结束，两种样品的渗透性在固化24天后趋于稳定。

经过6、12、24、48和72小时的固化时间，如上图显示了含有和不含有聚丙烯纤维的两种水泥系统的水泥试样的孔隙率。

很明显，随着固化时间的延长，基体和聚丙烯体系的孔隙率也在增加，在所有应用的固化时间内，聚丙烯水泥的孔隙率都小于基础水泥的孔隙率。

a.早期固化时间的孔隙率测量结果, b. 4周内孔隙率的预期变化。

对于基体试样，6小时后孔隙率为15.3%，水化48小时后明显增加，稳定在21.2%，水化6小时后，聚丙烯基样品的孔隙率为13.9%，固化2天后，它稳定在19.2%。

不过两个系统的孔隙率没有明显变化，在水化3天后，基体和聚丙烯试样的孔隙率分别稳定在21.6%和19.5%。

回归分析显示，公式的对数关系，R2值分别为0.97和0.95，可以准确地描述基体和聚丙烯试样的孔隙率变化，如上图a所示。

然后用以上公式绘制出基体和聚丙烯试样在固化前4周的孔隙率变化，如上图b的图所示，如该图所示，随着固化时间的延长，两种水泥系统的孔隙率在整个水化的前七天都明显增加，水化24天后，这种增长速度有所缓和，孔隙率趋于稳定。

-＜核磁共振表征＞-

核磁共振被用来仔细检查这两种水泥系统的孔径分布如何受到固化时间的影响，此外，基础水泥样品的如上图a和聚丙烯水泥样品的如上图b显示了水泥试样整个长度（4英寸）的PDF和CDF。

研究结果表明，对于这两个系统，样品的孔隙率随着固化时间的增加而上升，直到最初的48小时固化结束，孔隙率呈下降趋势。

例如，在固化6、12、24、48和72小时时，基础水泥样品的孔隙率（如下图a）分别为27.4%、29.7%、33.1%、35.2%和35.3%。

同样的模式也出现在由聚丙烯制成的水泥样品中（如下图b），在固化6、12、24、48和72小时后，孔隙率为26.9%、29.8%、30.5%、33.6%和34.3%。

尽管核磁共振孔隙率的数值与气体孔隙仪获得的孔隙率不同，但在下图中可以看到它们遵循类似的趋势。

这里，孔隙率随着固化时间的增加而增加，尽管测量方法不同，但聚丙烯水泥的孔隙率低于基础水泥的孔隙率。

在水化6、12、24、48和72小时后，纯水泥试样和聚丙烯试样的NMR T2松弛情况。

-＜对弹性性能的影响＞-

固体材料的两个最重要的弹性特性被认为是杨氏模量和泊松比，当杨氏模量较低时，水泥在剪切载荷下更稳定，而当泊松比较高时，水泥的膨胀性较差。

如下图显示了水化时间如何影响中性和聚丙烯试样的杨氏模量，基准试样和聚丙烯试样在固化12小时后的杨氏模量分别为20.7MPa和20.0MPa。

水化72小时后，杨氏模量又逐渐提高，稳定在纯试样的21.5MPa和聚丙烯试样的20.9MPa，使用聚丙烯纤维制作的试样的杨氏模量下降支持了这些发现，这表明添加聚丙烯纤维使水泥基体在剪切应力下更加稳定。

a 在早期固化时间内杨氏模量的发现。 b 4周内杨氏模量的预期变化

进行了数学分析，以确定适当的连接来描述纯品和聚丙烯试样的杨氏模量随固化时间的变化。

结果表明，以下公式的R2值分别为0.998和0.995，对基体和聚丙烯试样而言，其幂函数关系最能代表杨氏模量的变化，如下图a所示。

然后分别应用以上公式来确定纯水泥和聚丙烯试样在固化前4周的杨氏模量变化，如下图b所描述。

该图表明，两种水泥系统的杨氏模量在第一周都有明显增加，在最后的24天里，杨氏模量继续上升，尽管速度比固化的第一周要慢一些，固化24天后，纯品和聚丙烯试样的杨氏模量趋于稳定。

在固化12小时后，如下图a所示，纯试样的泊松比为0.272，聚丙烯试样为0.280，水化三天后，纯试样和聚丙烯试样的泊松比分别随固化时间稳步下降，达到0.256和0.268。

如下图a中的泊松比结果表明，在四个固化时间内，聚丙烯基试样的泊松比大于纯色试样的泊松比，表明这些试样具有很强的弹性和很小的侧向膨胀性。

a 在早期固化时间内泊松比的发现。 b 4周内泊松比的预期变化

为了确定描述这些变化的最合适的关系，使用了回归分析来评估纯品和聚丙烯试样的泊松比随固化时间的变化。

结果表明，如下图a所示，用以下公式的功率关系（R2值分别为0.99和0.98）最能代表纯品和聚丙烯试样的泊松比变化。

使用以上公式确定了纯品和聚丙烯试样在固化的前四周的泊松比的变化，如下图b所示。

该图表明，在固化12小时和7天之间，基体和聚丙烯试样的泊松比明显下降，虽然速度比水化的第一周慢，但泊松比继续下降，直到28天的中间，两种样品的泊松比在固化24天后稳定下来。

-＜对密度变化的影响＞-

由于水泥柱底部的固体颗粒的沉降，水泥浆高度上的密度变化经常是不一样的，因此，研究密度变化（DV）作为基础和聚丙烯试样水化期的函数以及试样顶部和底部之间的DV是至关重要的。

如下图a所示，在固化12小时后，纯品和聚丙烯试样的密度变化分别为4.9%和4.1%，在接下来的两天半时间里，密度变化急剧减少，中性和聚丙烯试样的密度变化分别达到3.2%和2.6%。

根据回归分析，R2值分别为0.99和0.97的公式(13)和(14)的动力关系可以准确地代表基础(纯)和聚丙烯试样的密度变化，如下图a所显示。

然后使用以上公式绘制了纯品和聚丙烯试样在整个固化的前四周的密度变化，如下图b所示。

从该图中可以看出，随着固化时间的延长，在水化的头七天里，纯品和聚丙烯试样的密度变化明显下降，水化24天后，这种下降速度减慢，密度变化趋于稳定。

本文通过研究聚丙烯纤维对G类油井水泥早期性能变化的影响，进行了一项新工作。

a.早期固化时间的密度变化结果。 b. 4周内的预期密度变化。

含有聚丙烯纤维的水泥样品和纯水泥样品（不含聚丙烯纤维）在五个不同的固化过程中分别固化6、12、24、48和72小时，然后评估其特性的变化，结果导致了以下结论：

与中性试样的强度相比，加入聚丙烯纤维后，抗压强度提高了17.3%，拉伸强度提高了26%，纯水泥和聚丙烯试样的强度也随着养护期的延长而增加。

与纯水泥相比，加入聚丙烯纤维后，水泥基体的渗透性和孔隙率分别降低了15%和9.7%。

聚丙烯纤维的加入也改善了水泥的弹性，表现为杨氏模量减少2.8%，泊松比增加4.7%。

除了孔隙率外，还构建了对数关系，以表明抗压和抗拉强度的变化，虽然泊松比、杨氏模量和其他渗透性参数的密度波动变化被准确地用幂律方程建模。

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