论文导读：水泥基材料微裂缝自修复（自愈合）是指水泥基材料在外部或内部条件的作用下，释放或生成新的物质自行封闭，愈合其微裂缝的过程。在固井水泥环的自修复试验中，首先要模拟固井水泥环的微间隙和微裂缝。
关键词：自修复，固井水泥环，研究进展
水泥基材料微裂缝自修复（自愈合）是指水泥基材料在外部或内部条件的作用下，释放或生成新的物质自行封闭，愈合其微裂缝的过程。
1.固井水泥环自修复机理研究现状
在国内，石油固井水泥环自修复的概念还没有文献提出或报道相关的研究，相关的机理研究基本上还处于空白。在国外，仅见到两篇文献提及相关的概念或研究。最早发现固井水泥环存在自修复现象的是J.J.Nahm和R.N.Romero，他们借助HTHP剪切胶结强度试验仪，发现矿渣MTC固井液的固化体具有独特的胶结界面再愈合能力，即套管柱与固化体的界面胶结被剪切破坏后，养护两周界面胶结强度恢复率大于90%。而水泥浆形成的固化体没有这种胶结界面再愈合能力，界面胶结被剪切破坏后，养护两周界面胶结强度恢复率为零。发表论文。P.Cavanagh、C. R. Johnson等人提出了一种固井水泥环微间隙修复的新方法。该方法是在油井水泥浆中加入一种新型的自修复材料，该材料在水泥浆凝固后微间隙或微裂缝形成并出现油气窜时能够被激活，使水泥环产生微膨胀，封闭气窜的通道。发表论文。笔者曾通过油井水泥和封窜堵漏剂等封固材料微观结构的研究，发现某些堵漏材料存在自愈合现象和机制，而普通的油井水泥没有明显的自愈合现象。通过对其查理进行初步分析发现，自愈合现象与二次水化反应有关。随后又提出了应该在钻固井和油水井封窜堵漏施工中对自修复机理加以研究和利用，以解决胶结界面破坏引起油气水窜难题的观点]。通过分析上述水泥基材料微裂缝自修复机理可以看出，现有的水泥基材料微裂缝自修复机理和技术不能照搬到固井水泥环中，这是因为固井水泥环与水泥基材料混凝土为在养护环境和配制条件上存在以下差异。
一是温度压力不同。建筑行业的水泥基材料一般处在常温常压的大气开放环境中，而固井水泥环处在高温高压的密闭环境中，没有启动自修复机制所必须的CO2，而且现有的自愈合材料不能在高温高压条件下发挥作用；二是流体淹没环境不同。建筑行业的水泥基材料是在大气淹没环境中，而固井水泥环是在密闭的复杂流体淹没环境中（密闭的油气水环境），在复杂的流体淹没环境下水泥基渗透结晶型防水材料的自愈合机制会提前耗尽或不能启动；三是配制条件不同。普通水泥基材料通过低速搅拌进行配制，而固井水泥浆的配制通过高速剪切，仿生聚合物自愈智能水泥在高速剪切下空心玻璃纤维和胶囊会断裂破坏；四是界面条件不同。混凝土为大块体积的结构材料，界面是水泥浆基材料与骨料之间的界面；而油气井固井水泥环的界面是水泥环与套管和封固地层的界面。因此，需要根据油气井自身的特点，研究符合油气井特点的固井水泥环微间隙与微裂缝的自修复机理和方法。
2.水泥基材料自修复机理研究方法
水泥基材料自愈合效果的评价一般主要考虑强度的恢复率、裂缝界面图像分析以及第二次抗渗压力。自愈合能力的评价主要考虑自身潜在的愈合能力以及外部激发的愈合能力。水泥基材料微裂缝自修复机理的研究方法主要包括两个方面：一方面水泥基材料微裂缝的模拟方法，难点在于对水泥基材料所处环境条件和微裂缝形成过程的模拟；二方面水泥基材料微裂缝自修复性能的评价方法，比较自修复前后水泥基材料力学性能和微裂缝状态的变化。王桂明、余剑英等人对催化结晶型抗渗料对水泥基材料自修复性能的影响规律进行了研究，所采用的方法是：
1）将抗渗试件养护到规定时间后，先进行一次抗渗性能的测试，等所有试件均被水击穿后，将试件在原来的养护环境中再养护28d，然后进行二次抗渗性能测试。抗渗性能测试按GB/T 17671的规定进行。
2）采用汞压入法测试孔结构和孔隙率。有人从混凝土自身的组成出发，研究了水泥强度等级、掺合料以及纤维等因素对混凝土自愈合性能的影响，对混凝土损伤自愈合的机理进行了系统的研究。他们所采用的方法是：制备尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的试件，标准养护到相应龄期后进行抗压强度试验。所有抗压强度试验均以相同的加载速度进行，并在试件达到破坏强度、压力机上的荷载读数指针停顿并开始回摆时立即卸载，记录抗压强度。试验中通过及时卸载，可以保持试件的完整。受压后试件的表面分布有多道细小的裂缝。其二将破坏后的试件放到水中进行养护，养护到规定时间时，取出试件再次进行抗压强度试验，得到试件自愈合至规定时间的抗压强度，以考察自愈合后试件的强度恢复情况。
通过试验对混凝土裂缝自愈合机理进行了研究，着重探讨了裂缝尺寸和水环境对混凝土裂缝自愈合性能的影响。进行裂缝自动愈合试验的原理是：以混凝土抵抗压力水渗透的能力来评价混凝土的抗渗能力，从某一侧面来了解试件的裂缝特征。抗渗能力以抗渗等级（P）表示，即以规定的圆锥体试件在标准试验条件下所能承受的最大水压力表示。该指标能很好地评价不同混凝土抵抗压力水渗透的能力。
通过试验：以聚氨酯、丙烯酸酯等材料为修复剂，将其注入空心玻璃纤维中并埋入40 mm×40 mm×160 mm的水泥砂浆试件。空心玻璃纤维外径2 mm，壁厚0.5 mm，长160mm。砂浆试件的水灰比为0.44：1.00，灰砂比为1.0 ：2.5，龄期为28 d。试样在INSTRON8501万能试验机上进行三点弯曲试验，通过跨中挠度控制对试样进行加载，加载速度为0.025 mm/min。在一定载荷下砂浆基体产生微裂缝，导致修复纤维断裂，释放出的修复剂渗入基体内。将试件再放回养护室中继续养护（室温20℃，相对湿度100%），直至修复剂固化后再次进行三点弯曲试验。在弯曲试验的同时，用声发射技术对试件的破坏过程进行检测。
在固井水泥环的自修复试验中，首先要模拟固井水泥环的微间隙和微裂缝。P. Cavanagh、C. R. Johnson等人的模拟方法是：在一个圆柱形的钢筒（SHC cell）内放放一个橡胶筒，在环空内灌入水泥浆。在水泥浆凝固前一直对橡胶筒内壁加压，水泥浆凝固后卸压，从而在水泥浆与橡胶筒外壁的界面形成微间隙。如果在水泥浆凝固前不加压，而是在水泥浆凝固后对橡胶筒加压，通过膨胀压力，使水泥环产生微裂缝。然后将已形成窜流通道的SHC cell 放入一个特制的流动试验仪（a flow loop）中，按一定的流量注入液体碳氢化合物，通过观察注入压力和流量的变化情况评价发生窜流时微间隙和微裂缝的自修复情况。
发生气窜时水泥环自修复效果的模拟评价试验在类似于油层保护的岩心流动试验仪（a Hasler sleeve type core holder）的试验装置上进行。水泥浆先在容器中凝固，通过干缩的原理形成微间隙，然后进行动态流动试验，按一定的流量注入天然气（dry gas），通过观察注入压力的变化情况评价微间隙的自修复情况。
水泥基材料微裂缝自修复机理的研究是一个非常新的领域，对于研究结构与职能一体化的水泥基材料，实现以较低成本提高水泥基材料的可靠性和耐久性有重要的意义。目前这方面的研究工作还很不成熟，有大量的工作需要继续开展。发表论文。尽管油气井固井所处的环境与普通混凝土具有很大的差异，但都是水泥及材料。因此，在井固水泥环中，微间隙和微裂缝的自我修复机制是能够建立的，只是需要找出这种机制存在和发挥作用的环境和条件。为提高井固水泥环的胶结质量和耐久性，保证良好分割，延长油井寿命，减少因井固水泥环封隔失效而进行补救作业的用，对井固水泥环微裂缝与微间隙自修复机理和技术的研究显得十分重要。国内外的研究动态表明，井固水泥环的自修复技术将成为一个信的发展方向，有重大的理论研究和工程应用价值。
|
