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[钻井技术:560]基于土壤学的胶凝态水泥浆孔隙度测试方法

钻井工程2018-01-12 17:46:03

[来源:石 油 钻 采 工 艺]李早元1 、李 进 1, 2、刘 健 1、董广超 1  张 凯 1、郭小阳 1(1. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 四川成都 610500;2. 中海石油(中国) 有限公司天津分公司渤海石油研究院, 天津 300452)


摘要:

胶凝态水泥浆孔隙度是水泥浆凝结过程中评价胶凝态性能的重要参数之一。通过定性分析、 实验验证的方法, 对胶凝态水泥浆和土壤进行了宏观及微观等对比分析, 两者具有相类似的“骨架 - 孔隙结构” , 均表现出一定的孔隙性和渗透性。

因此, 引入土壤学中土壤孔隙度测试方法, 同时结合胶凝态水泥浆的水化特性, 将土壤孔隙度测试原理中烘干方式改进为液氮冷冻干燥、 真空负压干燥或用无水乙醇浸泡终止水化后再升温干燥等可抑制水化反应的烘干方式。应用该方法对特定水化时间下的浆体开展了孔隙度探索实验, 为检测水泥浆体的孔隙度提供了可借鉴的方法。


正文:

研究表明, 水泥浆从静置 10 min 开始, 随着水化反应不断进行, 其内部逐渐发展胶凝骨架网状结构,即处于胶凝态任意时刻的水泥浆内部具有特定孔隙结构和渗透性 [1] 。胶凝态水泥浆孔隙度是表征水泥浆凝结过程中胶凝态性能的重要参数之一, 直接关系到水泥浆防气窜能力评价研究。现有孔隙度测试方法主要是针对固态岩心, 测试之前必须先钻取岩心 [2] 。由于胶凝态水泥浆存在状态为半固态, 具备一定的塑性变形能力, 无抗压强度, 无法钻取岩心,故不能简单地按照岩心孔隙度测试方法进行实验。笔者通过定性分析、 实验验证的方法, 从宏观和微观两方面对胶凝态水泥浆和土壤二者之间的联系及区别进行了对比分析, 结合胶凝态水泥浆的水化特性,将土壤孔隙度测试原理针对性改进后探索形成胶凝态水泥浆孔隙度测试方法, 对水泥浆本体防气窜能力的研究具有重要意义, 有助于提高固井质量。


1 胶凝态水泥浆与土壤相似性分析

1.1 定性分析

土壤是指由矿物质、 腐殖质、 水和空气组成的松散物质 [3] , 而岩石是指在各种地质作用下, 由一种或多种矿物组成的一种固态集合体 [4] 。土壤和岩石均含有矿物质, 均是由固体颗粒组成的骨架结构和孔隙构成的多孔介质, 组成土壤和岩石的固体颗粒均有一定的粒径分布及胶结能力。此外, 土壤和岩石可以互相转换, 坚硬的岩石通过物理、 化学、 生物风化作用, 在寒、 暖、 干、 湿的变化作用下, 会逐渐破碎、溶解、 氧化形成松散土壤;松散的土壤若深埋地下,在一定温度、 压力等环境下经过压实、 胶结作用, 会逐渐演变成坚硬岩石。而土壤与岩石区别在于, 两者胶结强度不一样, 压实程度不同;土壤中除了空气、 水和矿物元素, 还含大量有机质, 因此土壤具有肥力特性, 可供植物生长;而岩石中几乎不含有机质。因此, 从土壤和岩石的组成矿物、 互相转化的原理可知, 土壤和岩石可认为是同一物质的两种不同物理存在状态 [3-5] 。


同样, 胶凝态水泥浆和水泥石之间也有类似关系 [6-7] 。胶凝态水泥浆是指水泥浆凝结过程中的半固态胶凝物质, 具备静胶凝强度, 但不具备抗压强度;随着水化反应进行, 胶凝强度逐渐增强, 直到凝固、 硬化成水泥石, 才逐渐起抗压强度。水化凝固过程中, 水泥浆内部自由水逐渐消耗, 固体颗粒逐渐增加, 并相互搭桥形成颗粒骨架结构, 颗粒之间形成孔隙。胶凝态水泥浆和水泥石的区别在于, 胶结程度和化学组成物质不同, 正是由于水化反应引起水化生成产物的增加, 导致胶结能力逐渐增强。


基于上述分析, 固态水泥石实质上是一种人造岩石, 虽然和自然岩石在成分上有差异, 但是二者结构类似, 均具备一定的孔隙性和渗透性, 因此, 水泥石孔隙度和渗透率测试方法和原理与岩心一样 [2] 。同样, 处于半固态的胶凝态水泥浆和疏松土壤也具有对应性, 物理存在状态类似, 同样具有相似的“骨架 - 孔隙结构” , 具备孔隙性和渗透性。


1.2 实验验证

1.2.1 孔隙性分析

为了证明胶凝态水泥浆和土壤具有相似孔隙特性, 首先将夹江 G 级水泥(配方:

夹江 G 级 +1.5% 降滤失剂 G33S+2% 分散剂 HS-2Y) 在常温常压条件下养护 15 h, 然后将胶凝态水泥浆和土壤分别做环境电镜扫描, 对比内部微观结构(图 1) , 同时在原尺寸条件下对养护后的水泥和土壤分别拍照, 对比宏观结构与形态(图 2) 。


对比图 1 可清晰地看出, 两者内部均为固体颗粒构成的骨架结构, 其间有孔隙, 即“骨架 - 孔隙结构” 。由图 2 可知, 自然状态下的土壤表现为疏松的多孔介质, 呈蜂窝状;同样, 养护一定时间下的胶凝态水泥浆同样表现为由骨架 - 孔隙组成的多孔介质, 即和土壤具有相类似的存在形态。


1.2.2 渗透性分析 渗透性的存在说明物体内部一定存在互相连通的孔隙, 因此, 如果能表明胶凝态水泥浆和土壤具有相类似的渗透性, 便能进一步证明二者在“骨架 - 孔隙结构” 上的相似性。为此, 设计了两个简易实验。


实验一:吸水渗透实验。采用土壤渗透率测试方法 [8] , 分别在一定厚度的胶凝态水泥浆和土壤端面上滴水, 观察水滴能否渗透进去, 若能渗透进去则说明具备一定的吸水渗透性。


实验二:压差渗透实验。采用图 3 装置, 釜体底部安放有滤网, 将水泥浆置于釜体内、 滤网上, 并在一定温度、 压力条件下养护至胶凝过渡态, 然后通过水向胶凝态水泥浆上表面逐渐加压, 观察水能否渗透过胶凝态水泥浆;然后换同样厚度的土壤,进行相似实验。若二者均能透过水, 说明胶凝态水泥浆和土壤均具有一定的孔隙渗透性。此外, 为了排除底部出水来自水泥浆失水, 可以通过气加压,观察是否有滴水, 若没有则说明底部出水来自于渗透水。


(1) 吸水渗透实验结果及分析。类似土壤渗透率测试原理, 通过在胶凝态水泥浆和土壤端面滴水, 观察二者的吸水渗透能力, 如图 4。


对比图 2 和图 4 可知, 土壤和胶凝态水泥浆都表现出一定的吸水渗透性, 水滴能在很短时间渗透进入土壤或胶凝态水泥浆。此外, 对比图 4 中 3 张照片, (b) 和(d) 能较明显地看出水滴痕迹, (c) 难以看出水滴痕迹, 其原因在于:养护 15 h 的胶凝态水泥浆呈蜂窝状多孔介质, 虽然其孔隙渗透性最强, 但较另两图而言孔隙内所含自由水最多, 表面滴水后难以很快吸水渗透进孔隙, 因此滴水后能明显看出水滴迹象;养护 35 h 的图(d) 表现为水泥石, 此状态下虽孔隙中自由水含量最低, 但其孔隙渗透性最低,因此同样可明显看出水滴迹象;图(c) 对应状态下的胶凝态水泥浆孔隙渗透性介于图 (b) 和图 (d) 之间,同时孔隙内自由水含量同样介于图 (b) 和图 (d) 之间,该状态下吸水效果最好, 因此难以看出水滴迹象。


(2) 压差渗透实验结果及分析。利用图 3 实验装置, 将 3 cm 厚的水泥浆在常温、 1 MPa 压力(氮气加压) 工况下养护 15 h, 待水泥浆进入胶凝过渡态时,用氮气加压 7 MPa, 观察无水滴出来, 说明此时胶凝态水泥浆已无法失水;然后将加压介质氮气换为水, 逐渐加液压, 分别在 1、 3、 5、 7 MPa 条件下, 测试2 min 内烧杯中水量的变化;然后将水泥浆换为相同厚度土壤进行同样的实验, 结果见表 1。


由表 1 可知, 在压差作用下, 胶凝态水泥浆和土壤均表现出了渗透性, 说明胶凝态水泥浆和土壤内部存在连通孔, 间接说明二者均由 “骨架 - 孔隙结构”构成, 具有相类似的物理存在形态。此外, 从表 1 还可知, 随着压差增大, 渗透水量增加;同样地, 土壤在压差逐渐增大的过程中, 滤失速率逐渐增大, 渗透水量增加。同压力下, 相同厚度土壤渗透水明显比胶凝态水泥浆多, 说明土壤孔隙渗透性比该时刻下的胶凝态水泥浆更强。该实验现象表明, 胶凝态水泥浆和土壤内部均具有不同尺寸大小的连通孔隙,具有相似的“骨架 - 孔隙结构” 和孔隙渗透性。


2 土壤孔隙度测试原理

2.1 土壤孔隙度定义

土壤中各种形状的粗细土粒集合和排列成固相骨架, 骨架内部有宽窄和形状不同的孔隙, 构成复杂的孔隙系统, 全部孔隙容积占土体容积的百分率, 称为土壤孔隙度 [9] 。


(1) 土壤容重:指自然状态下单位体积原状土壤的干燥土壤质量。


(2) 土壤密度:指单位体积中固体土粒(除去孔隙的土粒骨架实体) 的质量, 其大小一般取决于土粒的矿物组成和腐殖质含量, 在土壤学上一般取平均值 2.65 g/cm 3 。


基于土壤容重和土壤密度公式, 结合土壤孔隙度定义, 得到土壤孔隙度


式中, D 为土壤容重, kg/m 3 ;m s 为干燥后土壤质量,

kg;m s ' 为土壤湿重, kg;w 为土壤含水率, %;V t 为

土壤总体积, m 3 ;d 为土壤密度, kg/m 3 ;V s 为干燥后

土壤体积, m 3 ;V p 为土壤孔隙体积, m 3 ;ϕ 为土壤孔

隙度, %。


2.2 土壤孔隙度测试方法

2.2.1 实验仪器 专用环刀、 环刀配套手柄、 削土刀、 天平、 烘干机、 量筒等。

2.2.2 实验步骤

(1) 用容积为 V t 的环刀, 使用环刀配套手柄、 削土刀配合取样, 即土壤体积为 V t ;


(2) 取出土样, 用电子天平称量土样湿重 m s ';


(3) 利用加热烘干、 酒精灼烧、 冷冻干燥等方式烘干土样;


(4)计 算 土 样 含 水 率 大 小:w=(m s '-m s )/m s ×100%;


(5) 将烘干后的干土样放入盛有水的量筒内, 利用排水法原理测量干土样体积 V s ;


(6) 由公式(1) 、 (2) 计算土壤容重 D 和密度 d;


(7) 在土壤容重、 密度计算的基础上, 由公式(3)计算土壤孔隙度 ϕ。


3 胶凝态水泥浆孔隙度测试方法

定性分析及实验验证表明了胶凝态水泥浆与土壤具有相似结构和类似的孔隙渗透性, 但两者还存在着不同之处:在加热或灼烧烘干时, 土壤基质不和孔隙水发生化学反应;而胶凝态水泥浆在一定温度、 压力条件下会和孔隙水发生水化反应生成新的物质。因此, 需结合胶凝态水泥浆水化反应特性, 对土壤孔隙度测试原理进行改进。


由于水化反应主要是受环境温度影响, 温度越高, 水化反应越剧烈 [10] 。因此, 测试胶凝态水泥浆孔隙度时, 不能采用普通加热或酒精灼烧等通过升温蒸发水分烘干的方法, 只能采用液氮冷冻干燥、 真空负压干燥或用无水乙醇泡终止水化后再升温干燥的方式烘干样品, 这样有利于抑制干燥过程的水化反应;其次, 准确测量干燥后骨架体积是保证实验精度的关键, 而土壤孔隙度测试方法中采用的普通量筒排水法很粗略, 因此为了提高实验精度, 采用李氏瓶配合无水煤油的方法准确测量干燥骨架的体积 [11] ;此外, 胶凝态水泥浆在不同水化时刻下具有不同孔隙度, 而采用土壤孔隙度测试原理仅能测一个时刻点下的孔隙度, 因此需重复实验测得多个时刻点下的孔隙度, 然后进行数据拟合, 从而得到胶凝态水泥浆孔隙度变化曲线。改进后的胶凝态水泥浆孔隙度测试方法如下。


(1) 配制水泥浆:按照油井水泥试验方法(GB/T 19139—2003) 配制水泥浆、 制模, 在目标温度、 压力工况下养护;


(2) 确定胶凝态时段:采用韦卡仪测试水泥浆初凝时刻, 确定胶凝态时段, 即从静胶凝强度 48 Pa 至初凝时刻;


(3) 环刀取样:养护水泥浆至 t 1 时刻, 待水泥浆进入胶凝态, 用容积为 V t1 的环刀取样, 即取样体积为 V t1 ;


(4) 样品干燥:利用液氮冷冻干燥、 真空负压干燥或用无水乙醇浸泡后再升温干燥等方式烘干样品;


(5) 称重:用电子称称量冷冻干燥后的固态骨架重量 m s1 ;


(6) 测固态骨架体积:将干燥、 称重后的骨架物质碾碎成粉末, 放入盛有无水煤油的李氏瓶中, 利用排水法原理测量其体积 V s1 ;


(7) 容重 / 密度计算:按式(1) 、 (2) 计算 t 1 时刻胶凝态水泥浆容重 D 1 、 密度 d 1 ;


(8) 胶凝态水泥浆孔隙度计算:按式(3) 计算 t 1时刻对应的胶凝态水泥浆孔隙度 ϕ 1 ;


(9) 重复步骤(1)~(8) , 分别测试养护 t 2 , t 3 , …,t n 时刻的胶凝态水泥浆孔隙度 ϕ 2 , ϕ 3 , …, ϕ n ;


(10) 胶凝态水泥浆孔隙度变化曲线拟合:将上述 n 个数据点绘制在 ϕ-t 图上, 拟合回归出胶凝态水泥浆孔隙度随时间的变化曲线, 即胶凝态水泥浆孔隙度曲线。


4 胶凝态水泥浆孔隙度测试实例

采用上述胶凝态水泥浆孔隙度测试方法, 测得水泥浆初凝时刻 590 min, 超声波静胶凝强度发展为 48 Pa 的时间为 436 min, 确定水泥浆胶凝态时段为 436~590 min。测试上述水泥浆体系在 50 ℃、常压下的孔隙度及变化情况, 实验用专用环刀(容积 12.11 mL) 取样, 水泥浆养护 7.5 h 开始取样, 每隔20 min 取一次样, 直到初凝时刻, 测试结果见表 2。为了更好地认识水泥浆凝结过程中孔隙度变化趋势, 待水泥浆凝结成水泥石后取心按岩心孔隙度测试方法测试其孔隙度, 见表 3。


将胶凝态水泥浆孔隙度和对应水泥石孔隙度实验数据绘制到 ϕ-t 图上, 拟合胶凝态水泥浆孔隙度随时间变化函数曲线, 选择复相关系数最高的作为最终胶凝态水泥浆孔隙度曲线, 见图 5。结果显示,纯 G 级水泥在 50 ℃、 常压条件下, 随着水泥浆逐渐



水化凝固, 初凝前胶凝态内孔隙度变化满足二次多项式关系。随着水化进一步进行, 水泥逐渐硬化成水泥石, 孔隙度降低速率逐渐减缓, 并趋于稳定 [12] 。


出现上述变化规律的机理在于, 水泥水化主要产物有氢氧化钙(含量 20%) 、 水化硅酸钙凝胶(含量 70%) 、 水化铝酸钙和水化硫酸钙 [12] 。其中, 氢氧化钙析出为巨大晶体, 水化硫酸钙为较小晶体, 水化铝酸钙为更小晶体, 含水硅酸钙和含水铁酸钙为无定形体呈胶体状态。纤维状薄片状的水化硅酸钙搭桥形成网状结构, 与水化硫铝酸钙、 氢氧化钙等晶体互相穿插, 填充于水泥颗粒的空间。水泥水化过程可看作原来为水泥和水占据的空间越来越多地被水化产物占有, 而那些未被占有的空间, 构成了毛细孔。胶凝态水泥浆孔隙度降低速率快是因为水化反应程度大、 速率快、 水化产物快速填充颗粒空间;而后期水泥石孔隙度逐渐趋于稳定、 降幅小是因为后期水化速率极低, 水化产物填充速率慢。


5 结论

(1) 胶凝态水泥浆和土壤具有相似的“骨架 - 孔隙结构” , 均具备一定孔隙渗透性, 物理存在状态类似, 土壤孔隙度测试原理为胶凝态水泥浆孔隙度测试提供了参考。


(2) 针对胶凝态水泥浆水化反应特性, 土壤孔隙度测试原理经改进后可有效应用于胶凝态水泥浆孔隙度的测试, 探索形成了胶凝态水泥浆孔隙度的测试方法。


(3) 该方法可针对性测量不同体系、 不同配方水泥浆在凝结过程中的孔隙度变化规律, 为水泥浆防气窜性能研究提供了实验参考与支撑。


(4) 本文从宏观工程角度, 基于土壤孔隙度测试原理, 对胶凝态水泥浆孔隙度测试方法进行了初步探索, 建议下一步从微观角度进一步研究胶凝态水泥浆孔隙度测试方法并应用。

〔编辑 朱 伟〕



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