留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

耐高温高压超高密度水泥石力学性能

宋鹤 杨威 唐俊峰 刘翠微 王敬朋 林志伟

宋鹤,杨威,唐俊峰,等. 耐高温高压超高密度水泥石力学性能[J]. 钻井液与完井液,2021,38(6):771-777 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2021.06.018
引用本文: 宋鹤,杨威,唐俊峰,等. 耐高温高压超高密度水泥石力学性能[J]. 钻井液与完井液,2021,38(6):771-777 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2021.06.018
SONG He, YANG Wei, TANG Junfeng, et al.Mechanical performance of high density set cement for hthp applications[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2021, 38(6):771-777 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2021.06.018
Citation: SONG He, YANG Wei, TANG Junfeng, et al.Mechanical performance of high density set cement for hthp applications[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2021, 38(6):771-777 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2021.06.018

耐高温高压超高密度水泥石力学性能

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2021.06.018
基金项目: 中国石油天然气集团有限公司重大技术现场试验“准噶尔南缘和玛湖等重点地区优快钻完井技术集成与实验”(2019F-33)
详细信息
    作者简介:

    宋鹤,工程师,1986年生,硕士毕业于中国石油大学(北京)应用化学专业,现在主要从事固井相关工作。电话 18202692274;E-mail:songhe@cnpc.com.cn

  • 中图分类号: TE256.6

Mechanical Performance of High Density Set Cement for HTHP Applications

  • 摘要: 准噶尔南缘区块是新疆油田增储上产的重点区块,井深6000~8000 m,预测井底温度为160 ℃,井底压力为170 MPa,属于典型的“三超”井。在该井区耐高温高压超高密度水泥浆基本性能的基础上,针对高温高压下超高密度水泥石的力学性能进行了研究。重点结合井下实际强度发育情况和实验室内强度发育结果吻合度相差较大的情况,按照该井区耐高温高压超高密度水泥浆体系配方,在120和160 ℃下,分别模拟井下实际压力和GB/T 19139—2012中要求的20.7 MPa压力下进行水泥试块的制备,开展常温抗压强度、抗折强度、单轴压缩实验以及井下温度下的三轴压缩实验,探究压力对超高密度水泥石抗压强度、抗折强度的影响以及试块的变形、破坏模式等力学特征。实验结果表明,压力是超高密度水泥石早期强度发展的关键因素之一;随着养护压力的增加,超高密度水泥试块的顶部抗压强度增加61.53%、底部抗压强度增加了120%;顶部抗折强度增加了65.2%,底部抗折强度增加了62.8%;常温下单轴压缩实验水泥石表现出明显的弹脆特性,在20.7 MPa下养护后试块端部出现明显破损,随着养护压力的增加,试块的峰值应力和弹性模量增加,抵抗变形破坏的能力增强;高温下的三轴压缩实验表明,超高密度水泥石的各项力学参数比单轴情况下均有较大提高,试块的变形均以轴向压缩变形为主,未形成明显的宏观裂纹,体现出良好的抵抗破坏变形的能力,更加接近线弹性-理想塑性材料。建议室内实验检测和模拟方法应充分考虑实际井况条件对水泥石力学性能的影响。

     

  • 图  1  水泥石8 h早期抗压强度发展状态

    图  2  水泥试块在不同压力养护条件下的单轴压缩结果

    图  3  水泥试块单轴压缩后的破损对比

    图  4  试块在不同压力养护条件下的三轴压缩结果对比

    图  5  超高密度水泥石三轴压缩后的破损对比

    表  1  实际井况下超高密度水泥石8 h抗压强度

    p8 h,底部/MPa
    (160 ℃、170 MPa)
    p8 h,顶部/MPa
    (120 ℃、140 MPa)
    9.428.335.332.60
    6.558.626.203.88
    7.329.114.934.07
    5.788.413.884.22
    6.625.434.623.86
    8.256.744.442.12
    下载: 导出CSV

    表  2  20.7 MPa下超高密度水泥石抗压强度

    p24 h,底部/MPa
    (160 ℃、20.7 MPa)
    p48 h,顶部/MPa
    (120 ℃、20.7 MPa)
    18.5518.9414.3012.88
    17.6820.3815.5116.22
    18.6921.2217.3519.00
    16.3320.4814.8814.28
    19.0317.5818.6913.96
    21.3220.0813.0913.02
    下载: 导出CSV

    表  3  实际井况压力下超高密度水泥石抗压强度

    p24 h,底部/MPa
    (160 ℃、170 MPa)
    p48 h,顶部/MPa
    (120 ℃、140 MPa)
    45.3246.2522.9027.42
    44.3640.2325.8124.41
    48.3241.5827.3124.39
    44.0240.6620.6523.99
    39.5737.6524.3327.03
    45.3246.2522.9027.42
    下载: 导出CSV

    表  4  超高密度水泥石抗压强度离散性分析

    养护条件μ/MPaσCV/%
    120 ℃、 20.7 MPa15.262.1413.90
    120 ℃、 140 MPa24.652.389.66
    160 ℃、 20.7 MPa19.191.558.06
    160 ℃、 170 MPa42.223.347.91
    注:变异系数计算公式:CV = σ/μ,其中,CV为变异系数,σ为标准偏差,μ为平均抗压强度
    下载: 导出CSV

    表  5  超高密度水泥石的抗折强度

    48 h抗折强度/
    MPa(120 ℃)
    24 h抗折强度/
    MPa(160 ℃)
    20.7 MPa140 MPa20.7 MPa170 MPa
    5.428.767.3313.48
    4.709.018.2412.66
    4.216.588.3612.47
    3.987.338.0213.00
    5.217.017.5511.98
    4.076.977.4512.60
    下载: 导出CSV

    表  6  超高密度水泥石力学参数统计结果

    项目养护条件围压/
    MPa
    T/
    峰值应力/
    MPa
    弹性模量/
    GPa
    泊松比
    单轴120 ℃、 20.7 MPa02519.62.90.15
    120 ℃、 140 MPa02523.65.80.18
    160 ℃、 20.7 MPa02520.86.30.22
    160 ℃、 170 MPa02538.67.50.24
    三轴120 ℃、 20.7 MPa2112020.17.00.09
    120 ℃、 140 MPa2112024.26.00.08
    160 ℃、 20.7 MPa2116021.79.00.07
    160 ℃、 170 MPa2116037.48.00.05
    下载: 导出CSV
  • [1] 刘崇健, 黄柏宗, 徐同台, 等. 油气井注水泥理论与应用[M]. 石油工业出版社, 2001.

    LIU Chongjian, HUANG Baizong, XU Tongtai, et al. Theory and application of cementing in oil and gas well[M]. Petroleum Industry Press, 2001.
    [2] 汪汉花,高莉莉. 固井水泥石力学性能研究现状浅析[J]. 西部探矿工程,2010,22(4):70-74. doi: 10.3969/j.issn.1004-5716.2010.04.026

    WANG Hanhua, GAO Lili. Study on mechanical properties of oil well cement[J]. West-China Exploration Engineering, 2010, 22(4):70-74. doi: 10.3969/j.issn.1004-5716.2010.04.026
    [3] 王磊,曾义金,张青庆,等. 高温环境下油井水泥石力学性能实验[J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2018,42(6):89-94.

    WANG Lei, ZENG Yijin, ZHANG Qingqing, et al. Experimental study on mechanical properties of oil well cement under high temperature[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2018, 42(6):89-94.
    [4] 中国石油集团工程技术研究院. GB/T 19139—2012油井水泥实验方法[S]. 北京: 中国标准出版社, 2012.

    CNPC Engineering Technology Research Institute. GB/T 19139—2012 Testing of well cements [S]. Beijing: China Standard Press, 2012.
    [5] BERGS, NOORS, BARNETTN, et al. Cementing high pressure formations in the Kingdom of Saudi Arabia[R]. SPE120802, 2008.
    [6] 杨广国,陶谦,高元,等. 高温高压气井复合型水泥浆体系研究与应用[J]. 科学技术与工程,2016,16(20):151-155. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2016.20.026

    YANG Guangguo, TAO Qian, GAO Yuan, et al. Reaserch and application of high temperature high pressure gas well complex cement slurry[J]. Science Technology and Engineering, 2016, 16(20):151-155. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2016.20.026
    [7] 张景富. G 级油井水泥的水化硬化及性能[D]. 浙江: 浙江大学, 2001.

    ZHANG Jingfu. Hydration, hardening and properties of class G oil well cement[D]. Zhejiang: Zhejiang University, 2001.
    [8] LYOMOV S K. Disscussion of modelling early-time gas migration through cement slurries[J]. SPE Drilling & Completion, 1996(6):125.
    [9] WITTMANN F H. Interaction of hardened cement paste and water[J]. J. Amer. Ceram. Soc., 1973, 56(8):409-415. doi: 10.1111/j.1151-2916.1973.tb12711.x
    [10] PROHASKA M, FRUHWIRTH R, ECONOMIDES M J. Authors’ reply to discussion of modelling early-time gas migration through cement slurries[J]. SPE Drilling & Completion, 1996, 11(4):126.
    [11] 叶中郎,朱泽华,吴品华,等. 温度, 压力及 pH 值对水泥固化的影响[J]. 中国水泥,2016,16(20):151-155.

    YE Zhonglang, ZHU Zehua, WU Pinhua, et al. The influence of temperature, pressure and pH on cement solidification[J]. China Cement, 2016, 16(20):151-155.
  • 加载中
图(5) / 表(6)
计量
  • 文章访问数:  445
  • HTML全文浏览量:  207
  • PDF下载量:  43
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-23
  • 刊出日期:  2021-11-30

目录

    /

    返回文章
    返回