单轴压缩作用下量化2D和3D裂缝对井筒水泥渗透率的影响

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概述

作为天然气的主要成分,甲烷是导致全球变暖的主要因素之一。井筒水泥中的应力诱导裂缝会形成甲烷或二氧化碳泄漏的高风险通道,油气井的逃逸排放进而造成甲烷释放失控。因此,了解和减少泄漏途径对于最大限度地降低泄漏井对环境的影响至关重要。

本项目研究人员使用扫描电子显微镜(SEM)和显微计算机断层扫描(micro-CT)技术量化峰值压应力前后熟化高温触变水泥试样裂缝的 2D 和 3D 几何参数,提出一种量化应力诱导真实三维裂缝对水泥渗透率影响的模拟方法。

亮点

  • 使用 SEM 图像量化 2D 水泥裂纹
  • 将水泥 micro-CT 图像导入 Simpleware 软件量化 3D 裂纹
  • 含纤维水泥可限制裂纹的大小和扩展
  • 2D 和 3D 裂缝分析方法为定量表征块体水泥中应力诱导裂缝的潜在过程提供了重要见解

单轴压缩试验

用 G 级水泥、40% 硅粉(按水泥重量计)、添加剂混合制备试样,水灰比为 0.48。固化后加工得到长 100mm,直径 50mm 的圆柱体。为研究纤维对改善水泥性能的影响,在相同的条件下还制备了两个含纤维的试样,按共混物的重量加入 0.25% 的纤维。然后采用 GCTS RTX-1000 测试系统进行单轴压缩测试,测量轴向和径向的应变。

图1:单轴压缩试验获得7个试样的应力应变曲线,其中试样A为对照;B和C为峰值前样品;D和E为峰值后样品;F1和F2为含纤维试样,分别被压缩到与D和E相同的应变水平。

与峰值后样品相比,含纤维试样在高应变时应力下降较慢且不明显。这表明含纤维试样比未改性的峰后样品具有更好的延展性,在相同应变条件下断裂会更少。

SEM技术表征2D裂纹

在阿尔伯塔大学实验室准备好试样薄片,使用蔡司 Sigma 系列场发射扫描电镜获得 2D 图像。为确保试样表征的精确性、一致性和测量结果的真实性,收集每个薄片在 6 种不同放大倍数和 8 个不同位置下的 SEM 图像。

图2:(a)水泥薄片(b)扫描区域(蓝色)(c)不同放大倍数下SEM图像的尺度(d) 625倍率时的SEM图像(e)对2D裂缝进行标记和编号

对于每个选定的位置,扫描电镜的放大倍率依次逐渐增大。由于没有明确的标准技术用来区分孔隙和裂缝,因此在对裂缝的测量中也包括了孔隙。特别是当它们尺寸相近时,例如裂缝状孔隙和收缩裂缝。使用 ImageJ 软件手动画线,然后根据放大倍数计算裂缝长度。

Micro-CT扫描技术表征3D裂纹

通过四分法制备获得峰值应力前的水泥试样,采用 SkyScan 1172 micro-CT 设备进行扫描。为尽量减少水泥两端表面加工对微观结构分析的影响,只扫描试样的中间部分。将 micro-CT 数据导入 Simpleware 软件,进行图像平滑处理和分割,计算每条 3D 裂缝的几何参数,如裂缝的长度和宽度、3d 形状因子,确认单轴压缩载荷下水泥微观结构的变化。

图3:(a)水泥试样(b)切割后的水泥块(c)横断面CT图像(d)重建三维模型(e)分割出的孔隙和裂缝(f)便于识别的彩色映射(g)f的放大图(h)单个裂缝的长度和宽度测量

双孔隙渗透率数值模型

本研究采用基于水泥 micro-CT 微观结构和有限体积法的双孔隙渗透率数值模型计算渗透率。该模型既可以表征水泥微观结构的多尺度性质,同时还考虑了量化看似孤立的裂缝对整个试样中流动的影响。

图4:(a)裂缝的几何形状(b)单孔隙模拟的流体流动结果(c)双孔隙模拟的流体流动

结果

分析不同峰值前应力下的裂缝长度和宽度分布,提取 D50 的数据统计。与 SEM 图像相比,micro-CT 扫描的分辨率较低,观察到的 3D 裂缝主要由大的毛细管和气孔组成。在微米尺度上,未发现扩展良好的裂缝。

表1:峰值前应力下水泥试样中2D和3D裂缝的几何参数

最大压应变之后的进一步压缩,可观察到扩展良好的裂缝(> 0.1 mm)。对全尺寸峰值后样品进行 CT 扫描,样品 D 和 E 表现出相似的破坏模式。在水平面内,裂隙在靠近试样侧表面处沿切向扩展。垂直方向上,裂缝未能贯穿整个圆柱,因此仍被归类为看似孤立的裂缝。

图5:峰后样品三维重建结果及流线模拟。侧面暗环为将被切割成7段的样品组装成全尺寸圆柱体时产生的伪影,颜色映射代表流线速度。
表2:单轴压缩(峰前和峰后)水泥样品的渗透率和裂缝尺寸

从气体渗透的角度看,较大的可见裂缝对渗透率的贡献最大,而不是水泥基质(多孔域)。但由于 D、E 两组裂缝看似孤立,渗透率仅分别提高了 0.01 md 和 0.1 md。因此,在所研究的应变条件下,峰后应力对水泥渗透率的影响是有限的。在相同应变下,含有纤维的样品 F2 渗透率比不含纤维的样品 E 低 0.1 md。即通过限制裂缝大小和扩展,纤维添加剂有望减少泄漏途径,从而提高水泥的完整性。

图6:含纤维样品的3D重建结果和流线模拟

这些结果可以用 Katz-Thompson 渗透率理论解释,该理论将流体渗透率描述为与临界孔径相关的函数。但由于本研究中使用的 CT 扫描设备分辨率不够高,无法捕捉井筒水泥的临界孔径(< 5mm),因此在峰后样品中没有观察到贯通裂缝。在这种情况下,水泥渗透率的主要贡献来自水泥基质。

总结

该研究表明,单调压应力不太可能在井筒水泥中产生明显的泄漏通道。在峰值前应力加载条件下,大多数观察到的 2D 裂缝小于 5mm,可以通过碳酸钙沉淀自愈合。压应力超过单轴抗压强度后,较高的应变将导致大量的断裂扩展。但大裂缝之间的连通很差,因此它们对块体水泥渗透率的贡献也非常有限。另外,含纤维水泥在峰值后应力下可以减少应力诱导裂缝的数量和大小,通过钝化裂缝扩展,获得更坚固的结构。且同在最高应变时,含纤维水泥的渗透率更低。

本研究提出的 2D 和 3D 裂缝分析方法,为定量表征块体水泥应力诱导裂缝的潜在过程提供了重要见解。下一步是将这项工作扩展到界面区域的成像和建模。未来将在更真实的条件(三轴)下研究水泥浆中的裂缝生长或微环空形成,并考虑如循环载荷对水泥微观结构和井筒水泥/钢或水泥/地层界面质量的影响。这些工作可能有助于更好地了解影响油气井气体泄漏的因素。

参考

  • Yang X, Kuru E, Gingras M, et al. Quantifying the Impact of 2D and 3D Fractures on Permeability in Wellbore Cement after Uniaxial Compressive Loading[J]. SPE Journal, 2020, 25(05): 2265-2280.
 
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