油氣井碳納米管(CNTs)復合固井水泥斷裂性能熱損傷機制

陳立超,王生維,張典坤,張超鵬,王扶靜

(1.內蒙古工業大學 資源與環境工程學院, 內蒙古 呼和浩特 010051; 2.煤與煤層氣共采國家重點實驗室, 山西 晉城 048204; 3.中國地質大學(武漢) 資源學院, 湖北 武漢 430074)

1 前 言

隨著深層化石能源熱力開采(如煤炭地下氣化)等工程發展,注采井井底極端高溫條件對固井材料性能提出了巨大挑戰,尤其是目前常規固井水泥材料在高溫條件下的凝結、徐變特征及力學性能的熱損傷規律等方面不確定性給固井水泥環空結構耐久性及后期層間封隔能力造成嚴重影響[1-3]。目前國內外已經開展了針對超深開采下固井水泥材料的抗高溫、熱穩定性能提升技術方面的研究,主要圍繞高溫條件固井水泥石力學性能表征及試驗方法[4-7]、高溫狀態固井水泥材料性能提升[8-15]及相關添加劑材料研發[16-22]等方面展開。近年來隨著深部油氣井固井材料服役條件對材料的要求愈發苛刻,部分學者也針對高溫下碳納米管固井水泥力學性能表征[23-25]開展了一些研究工作,然而目前尚未考慮高溫條件對碳納米管復合固井水泥材料尤其是其斷裂性能的影響?？傮w而言,目前針對固井水泥材料抗高溫性能提升、高溫下固井水泥常規力學性能裂化規律方面的研究較多,但關注固井水泥材料斷裂性能隨溫度的劣化規律以及針對碳納米管(CNTs)復合固井水泥材料高溫熱損傷機制方面研究較少。

本研究利用自主配制的CNTs復合固井水泥材料,采取三點彎曲加載方法對CNTs質量分數分別為0.05%、0.10%及0.30%的復合固井水泥半圓盤三點彎曲加載(SCB)試樣在不同溫度下斷裂力學性能進行研究,獲得不同溫度下CNTs復合固井水泥試樣加載位移-載荷關系并據此評價材料脆性,構建了CNTs復合固井水泥試樣斷裂韌度KIC、斷裂壓縮功及其與外部溫度之間的內在關系,基本確定了CNTs復合固井水泥在不同外部溫度下的脆-韌斷裂轉換的臨界溫度,初步明晰了CNTs復合固井水泥材料斷裂性能的高溫損傷機制及防護策略,最終提出高溫服役環境下CNTs復合固井水泥碳納米管的最佳質量分數。

2 實 驗

2.1 試樣制備

試驗用的CNTs復合固井水泥材料為自主配制,按照復合固井水泥材料中CNTs質量分數分三組,每組中水泥干粉500 g,實驗室自來水240 mL,CNTs按質量分數0.05%、0.10%、0.30%分別摻入,為提升固井水泥強度,各組水泥材料中還加入少量內蒙古準格爾礦區粉煤灰?；旌蠞{體采用磁力攪拌器進行攪拌提高CNTs分散度,攪拌均勻的水泥漿體倒入模具中養護,達到齡期后拆模,然后按照國際巖石力學學會ISRM要求[26],使用巖石取芯機鉆芯取樣,切割、打磨制備半圓盤切口彎曲加載試樣,如圖1(a)所示。X射線衍射(XRD)分析結果顯示本試驗配制的CNTs復合固井水泥材料礦相組成特征為：SiO218%,Ca(OH)27%,CaCO311%,CaMg(CO3)264%。

圖1 CNTs固井水泥試樣特征(a)、高溫加熱(b)及三點彎曲加載試驗(c)

2.2 試樣高溫熱處理

如圖1(b)所示,利用自主設計的高溫加熱系統對CNTs復合固井水泥試樣進行加熱,加熱路徑為第一階段試樣由室溫加熱至預設定處理溫度(50、100和200 ℃),第二階段保持該溫度2 min后試樣直接進行試驗機加載,加熱中利用高靈敏度溫度傳感器監控試樣溫度。

2.3 三點彎曲加載

三點彎曲加載實驗在如圖1(c)所示的試樣機上完成。由于試樣在加載過程中可能存在受力偏差和受熱過程中的不均勻,為保障各組試驗數據的穩定性,在同等條件(相同加熱條件、相同CNTs水泥質量比)下,共制作了3個水泥試樣。為保障加載過程穩定可控,試驗中設置下部支撐滾軸跨度為80 mm,加載全程位移速率控制在0.05mm/min。試驗過程中,隨著加載位移的增大,載荷P以恒定加載速率隨之增加直至達到極限荷載(Pmax),利用Pmax可以計算試樣材料的Ⅰ型斷裂韌度(KIC)[26]：

(1)

Y′=-1.297+9.516(S/R)-(0.47+16.457(S/R))β+

(1.071+34.401(S/R))β2

(2)

式中：R、B分別為試驗SCB試樣的半徑和厚度,a為試樣切口長度,S代表加載過程中下部支撐滾軸的1/2軸距,β=a/R,Y′為用有限元法導出的臨界無量綱應力強度因子(SIF)[26]。

3 結果與討論

3.1 溫度對CNTs復合固井水泥加載位移-載荷關系的影響

如圖2所示,整體上不同CNTs質量分數的固井水泥試樣隨溫度上升斷裂極限載荷逐漸降低,且整體上CNTs復合固井水泥試樣加載位移-載荷關系曲線可分為三個階段。其中CNTs質量分數為0.05%時(圖2(a)),100 ℃以下固井水泥試樣加載位移-載荷關系曲線可劃分為： ①壓縮階段。加載初期由于試樣中的卸載孔隙、裂隙等缺陷尚未壓實,在載荷下該部分缺陷首先壓實變形,在加載位移-載荷曲線上呈現斜率逐漸增加的趨勢; ②彈性壓縮階段。前期壓縮下材料內缺陷壓縮致密,在外載壓縮作用下試樣開始發生線彈性形變; ③斷裂卸載階段。當外載達到材料極限斷裂載荷后試樣斷裂破壞。圖2(a)中顯示低溫條件下CNTs復合固井水泥主要為脆性斷裂(BF),試樣斷裂后載荷迅速降為零。當溫度大于100 ℃時,CNTs復合固井水泥試樣極限載荷Pmax大幅下降,試樣加載位移-載荷關系曲線整體分為兩個階段：(1)斷裂前期的均勻壓縮變形階段。高溫下復合固井水泥試樣變形呈現塑性變形,與低溫條件下相比試樣形變缺少孔隙壓縮階段,當試樣內部積累壓縮功足夠抵御材料斷裂韌度時試樣即發生斷裂;(2)斷后載荷下降階段。該階段由于試樣斷裂失去承載能力,載荷逐漸降低。與低溫條件下下相比試樣斷裂后階段載荷下降速率較慢,表明試樣材料斷裂形式由低溫脆性斷裂過渡為高溫韌性斷裂(DF)。本研究還發現,CNTs復合固井水泥試樣的脆-韌轉換臨界溫度為100 ℃。對于深部油氣井固井而言,當井底溫度超過100 ℃時固井水泥材料大概率已發生脆-韌轉變。

BF：brittle fracture; DF： ductile fracture圖2 不同CNTs質量分數的復合固井水泥SCB試樣熱損傷下加載位移-載荷特征 (a)0.05%;(b)0.10%; (c)0.30%

由圖2(b)可知,隨著溫度的升高,CNTs質量分數為0.10%的復合固井水泥試樣極限載荷Pmax逐漸降低,這表明高溫對固井水泥材料抗裂能力起到消極影響。與CNTs質量分數為0.05%的復合固井水泥試樣不同,CNTs質量分數為0.10%的復合固井水泥試樣在溫度低于150 ℃時加載位移-載荷關系特征呈以下階段特征：①壓實階段。在壓縮載荷下試樣孔隙、裂隙缺陷壓縮致密化;②彈性變形階段。試樣缺陷壓實后在外載作用下呈現彈性壓縮形變效應;③斷裂后階段。當試樣內部彈性能儲備達到巖石斷裂韌度后,試樣開裂加載位移-載荷曲線上表現出載荷迅速下降。而當溫度大于150 ℃時,固井水泥試樣加載位移-載荷曲線呈現典型的韌性斷裂破壞形態。當固井水泥中CNTs質量分數為0.10%時材料脆-韌轉換臨界溫度提升,說明CNTs的加入能有效改善復合固井水泥抗高溫性能。

如圖2(c)所示,低溫下(小于100 ℃)CNTs質量分數為0.30%的復合固井水泥試樣表現為脆性斷裂屬性,斷裂過程時間極短。而高于100 ℃時試樣呈現顯著韌性斷裂形式,材料斷裂過程較長。根據相關理論[10-13],由于高溫下固井水泥材料內部部分礦物的熱應力斷裂形成自由滑移面,外載作用下固井水泥材料主要沿滑移面進行剪切式破壞。

3.2 溫度對CNTs復合固井水泥斷裂韌度的影響

從圖3可知,隨著溫度增高,固井水泥Ⅰ型斷裂韌度KIC呈對數形式遞減,整體上相關性較好。當CNTs質量分數為0.05%、0.30%的復合固井水泥斷裂韌度隨溫度增加熱損傷速率較快,當加熱溫度超過100 ℃時,兩種復合固井水泥試樣斷裂韌度損傷率分別低至24.69%、22.88%,表明高溫對固井水泥材料斷裂性能的熱損傷非常嚴重。而CNTs質量分數為0.10%的復合固井水泥試樣斷裂韌度損傷率則為52.84%,表明當CNTs質量分數為0.10%時復合固井水泥材料抗高溫性能最為優異。結合相關理論[14-15],分析認為當CNTs質量分數為0.10%時,高溫作用下固井水泥內CNTs顆粒增強了水泥中無機礦物顆粒間的結合強度,同時有效地協調了高溫狀態下復合材料中不同水化產物間熱膨脹差異性,一定程度上規避了高溫對固井水泥的熱力損傷。

圖3 CNTs復合固井水泥斷裂韌度隨溫度的變化規律

3.3 溫度對CNTs復合固井水泥斷裂速率的影響

通常材料斷裂后載荷下降速率能夠反映材料的組織結構及斷裂形式,斷裂后載荷卸荷速率越快則試樣材料脆性越強,反之則塑性顯著。從圖4可以看出,隨著溫度升高固井水泥試樣斷裂后卸荷速率降低,兩者呈現相關性較強的指數負相關關系,表明隨著溫度上升CNTs復合固井水泥材料斷裂形式由脆斷過渡為韌性斷裂,CNTs的加入顯著改善了復合固井水泥材料的微觀結構和力學表現。而且試樣斷裂后載荷下降速率一定程度上可以反映試樣斷裂裂縫延展的速率,顯然隨著溫度升高CNTs復合固井水泥材料的斷裂速率降低。對于深部油氣井而言,固井水泥材料在高溫下斷裂速率的減緩,能夠降低固井水泥環竄槽的幾率。

圖4 CNTs復合固井水泥試樣斷裂后卸載速率隨溫度變化規律

3.4 溫度對CNTs復合固井水泥斷裂壓縮功的影響

材料斷裂過程能量耗散特征能夠反映材料的阻裂能力和斷裂形式。從圖5可知,不同CNTs質量分數的復合固井水泥試樣斷裂全程壓縮功消耗整體上隨外部溫度升高呈對數遞減趨勢,主要由于溫度升高CNTs復合固井水泥材料的阻裂能力下降,因此材料斷裂過程中外界壓縮功降低。其中CNTs質量分數為0.10%的復合固井水泥試樣隨溫度升高斷裂壓縮功衰減幅度最大,這與試樣斷裂韌度隨溫度的變化規律是相一致的。

圖5 CNTs復合固井水泥試樣斷裂壓縮功隨溫度變化規律

3.5 溫度對CNTs復合固井水泥斷裂形式及路徑的影響

如圖6所示,隨著溫度上升,試樣斷裂形式由脆性斷裂向韌性斷裂過渡,裂縫擴展由低溫下曲折裂縫形式向滑移式裂縫演化。其中CNTs質量分數為0.10%的復合固井水泥試樣裂縫張開度最低,表明該質量比復合固井水泥材料在高溫下膠結能力最強。而CNTs質量分數為0.05%、0.30%的復合固井水泥試樣在高溫下仍表現出裂縫張開度較大,且裂縫延展具有一定的隨機性特征。對于深層非常規油氣熱力開采、煤炭地下氣化井注采井固井而言,CNTs質量分數為0.10%的復合固井水泥材料具有較好的裂縫寬度和延展方向控制能力,值得復雜服役環境下固井工程關注。

圖6 高溫下不同CNTs質量分數的復合固井水泥SCB試樣斷裂特征 (a)CNTs content 0.05%; (b)CNTs content 0.10%; (c)CNTs content 0.30%

3.6 溫度對CNTs復合固井水泥微觀結構特征的影響

由圖7可知,CNTs質量分數0.05%的復合固井水泥材料在100 ℃以下內部礦物間結合界面較緊密,整體上礦物晶體發育程度較好,材料主要由方解石、粉煤灰球體和水泥相脆性礦物組成,根據混合律理論可推測低溫下固井水泥為顯著的脆性特征。

圖7 不同溫度、不同質量分數的CNTs復合固井水泥材料微觀結構演化特征

如圖7(b)、(c)所示,當溫度上升至150 ℃時CNTs質量分數為0.05%的復合固井水泥材料內礦物發生熱力膨脹形成張性裂縫[18],形成多組無定向斷裂缺陷,這部分缺陷后期作為材料的滑移面導致水泥材料由低溫脆性斷裂向高溫韌性破壞轉變,同時高溫下復合固井水泥材料礦物間界面發生明顯開裂。當固井水泥中CNTs質量分數大于0.10%時(圖7(d)、(f)),復合固井水泥材料內CNTs成為礦物間的橋聯劑,起到較好的增韌和控制高溫變形作用。但當溫度超過200 ℃時復合固井水泥中的粉煤灰球體發生開裂。當固井水泥中CNTs質量分數超過0.30%時(圖7(g)～(i)),水泥材料內CNTs在高溫下并沒有很好的發揮橋聯效應,固井水泥試樣高溫載荷作用下裂縫寬度較大,推測與CNTs摻量過高在水泥內部形成孔隙過多有關,降低了材料的強度和阻裂性能。實驗得出針對深部油氣井固井實際,固井水泥中CNTs最優質量分數為0.10%。

4 結 論

1．加載位移-載荷關系曲線顯示,隨著外部溫度增高CNTs復合固井水泥試樣斷裂形式由脆斷過渡為韌性斷裂;CNTs質量分數相同條件下,CNTs復合固井水泥Ⅰ型斷裂韌度隨外部溫度升高呈指數形式降低;同時CNTs復合固井水泥斷裂速率隨外部溫度上升呈指數下降趨勢。

2．CNTs復合固井水泥斷裂壓縮功隨溫度上升呈對數形式降低,材料斷裂形式由低溫狀態下的脆性斷裂轉換為高溫下韌性斷裂,裂縫面光滑程度提升。溫度對CNTs復合固井水泥材料斷裂形式影響非常顯著。

3．適量CNTs加入能通過橋聯作用以及協調復合固井水泥材料內部水化產物間熱膨脹形變差異,增強固井水泥材料在高溫下的抗裂能力。而當CNTs質量分數超過0.10%時高溫下水泥材料抗裂性能增強效應不明顯,推測與CNTs摻量過高在水泥內部形成孔隙過多有關,針對非常規油氣熱力開采注采井需求,本實驗得到固井水泥中CNTs最優質量分數為0.10%。