2 结果分析

2.1 单轴、三轴实验结果

2.1.1 单轴实验结果

        以样品2的结果为例进行分析，图2为样品2的单轴压缩实验结果，可以看出，变形破坏分为弹性变形、塑性变形、破环三个阶段。试样在达到应力峰值后迅速跌落，应力-应变曲线表现出弹脆性特征。测试抗压强度为32.92 MPa，破坏时对应的应变为1.01%，通过计算可得，样品2的弹性模量为6.88 GPa，泊松比为0.113。

2.1.2 三轴实验结果

        图3和图4分别为样品4、样品7的水泥石三轴压缩实验结果。图中可以看出，变形破坏由原来的三个阶段变为弹性变形、塑性变形两个阶段。曲线直接以线性状态进行增长；随后增长速度减小，意味着试样出现损伤，塑性累计逐渐增大，最终到达峰值。对比可以看出，随着围压的增大，塑性阶段的峰值增大。试样在整个过程中表现出较强的弹塑性特征。试样结果为典型的三轴剪切破坏模式。

2.1.3 单轴、三轴试验结果分析

        图5和图6分别为单轴、三轴条件下弹性模量和泊松比的实验测试结果，由图可知单轴实验条件下水泥弹性模量均值为3.054 GPa，泊松比均值为0.127；10 MPa围压条件下，水泥弹性模量均值为4.409 GPa，泊松比均值为0.100；20 MPa围压条件下，水泥弹性模量均值为5.94 GPa，泊松比均值为0.069。分析实验结果可知，随着围压的增大，压实效果越强，水泥的弹性模量随之增大，泊松比减小。

2.2 循环加载实验结果

        图7是不同偏应力峰值条件下循环加载的实验结果。

        从图7可以看出，首次加载过程中，其应力应变曲线规律和三轴压缩实验的曲线规律相似，表现出明显的弹塑性特征，应力加载值越大，曲线的塑性特征越显著，应力卸载过程中应力应变曲线并未展现出明显的弹性恢复特征，当压应力下降到下限压力时，此时的应变相比与峰值应变有所减小，定义此时的应变为塑性累积应变或残余应变。随着压应力的增加，产生新的应力应变曲线，并和前次卸载曲线相交，形成滞回环，后续循环加载过程中，滞回环不断右移，意味着累积塑性应变不断增加。但从滞回环的分布来看，水泥石的滞回环宽度逐渐减小，密集程度逐渐增加，在循环加载过程中具有明显的循环硬化特征，即循环过程中变形抗力不断提高、应变逐渐减小。

        进一步提取每次卸载后水泥石的累积塑性应变，对比结果如图8所示。可以看出，不同偏应力峰值加载条件下累积塑性应变规律基本相同，累积塑性应变总体上呈双线性增加规律，且偏应力峰值越大，塑性累积效应越显著。以70%偏应力峰值测试结果为例，第1次卸载后塑性应变增量最大，达1.43%，第20次卸载后塑性应变增量为2.46%。此实验结果进一步验证了多级压裂过程中微环隙产生的机理。

2.3 胶结强度实验结果

2.3.1 剪切胶结强度

        图9为剪切胶结强度测试曲线及试样破坏情况。测试后胶结面两侧发生明显错动，胶结面分离失效。由分析测试过程中位移-载荷曲线可知，曲线均存在载荷峰值，该值对应胶结面发生剪切破坏的时刻，即剪切胶结强度，由图9可知，样品S5（水泥/页岩）的剪切胶结强度为0.302 MPa，样品S10（水泥/钢块）的剪切胶结强度为0.330 MPa。胶结面破坏后，载荷快速下降并趋于稳定，这与界面间的滑动摩擦相关。

        表3为水泥/页岩及水泥/钢块剪切胶结强度测试结果，由表3可 知 水 泥/页 岩 剪 切 胶 结 强 度 均 值 为0.293 MPa，水泥/钢块的剪切胶结强度均值为0.336MPa，水 泥/钢 块 的 胶 结 强 度 比 水 泥/页 岩 高 出 约14.7%。页岩具有吸水软化特性，页岩接触水泥浆吸水软化后，会在页岩界面内形成一个力学弱层，导致水泥/页岩切向胶结强度低于水泥/钢块。

2.3.2 拉伸胶结强度

        图10为拉伸胶结强度测试曲线及试样破坏情况。试样破坏位置均发生在胶结面处，表明实验成功测量了胶结强度，而非水泥石自身的抗拉强度。位移-载荷曲线峰值同样对应拉伸破坏的时刻。由图10可知，试样N1（水泥/钢块）抗拉胶结强度为0.534 MPa，试样N10（水泥/页岩）抗拉胶结强度为0.607 MPa。

        表4为水泥/页岩及水泥/钢块拉伸胶结强度测试结果，由表4可 知 水 泥/页 岩 拉 伸 胶 结 强 度 均 值 为0.524 MPa，水泥/钢块的剪切胶结强度均值为0.450 MPa，水泥/页岩的胶结强度比水泥/钢块高出约16.4%。虽然页岩孔渗性较差，但在水泥凝固前，页岩内部仍会侵入部分水泥水化产物，导致凝固后的水泥/页岩法向胶结强度高于水泥/钢块。

3 讨论分析

        固井水泥环是井筒关键屏障之一，多级压裂过程中套管内压多周次的加载与卸载对井筒水泥环的密封完整性带来了严峻挑战，现阶段测试水泥石性能的主要参数包括弹性模量、抗压强度、抗拉强度、抗折强度等，上述关键参数在常规油气井中能够较好的体现水泥石的服役性能，但无法定量讨论水泥石在多级压裂过程中的力学行为。因此，有必要针对页岩油井水泥石的服役环境，制定相关的实验方案或者标准，以分析其在多级压裂条件下的完整性。

        页岩油井多级压裂过程中，不同开次、不同井深位置处水泥环应力状态存在显著差异，从力学角度看，当径向应力超过抗压强度时，水泥环产出压缩破坏；径向应力大于弹性极限但小于抗压强度时，多级压裂过程中水泥环会产生塑性累积，增加了微环隙产生的风险。从套管内压以及地应力随井深的分布规律来看，微环隙出现的井深相对较浅，出现压缩破坏对应的井深相对较深。由于破环形式不同，对应的力学行为也不同，因此有必要针对不同井段的水泥浆体系进行参数优化分析。

4 结论

        1）单轴加载条件下，水泥石呈一定的弹塑性破坏特征，存在围压时，水泥石的应力应变曲线塑性破坏特征更加显著。

        2）循环加载条件下，水泥石的累积塑性应变与加载次数呈双线性关系，但塑性增量主要形成于第1个加载过程，随着加载次数的增加，滞回环逐渐右移，但增幅变小，水泥石具有循环硬化的特征。

        3）设计了水泥胶结强度测试新方法，该方法可准确识别胶结面剪切、拉伸破坏时刻，量化表征水泥胶结面力学特性，测试样品的胶结强度均小于1 MPa，远低于地层岩石及水泥环本体的强度。因此，多级压裂过程中水泥环的累积塑性变形极易导致微环隙的产生。