耐堿玻璃纖維增韌水泥石力學性能及對水泥漿性能影響

郝華中， 桑 明， 張 曄， 李文文， 蔣立坤， 馬 淼

(1中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第二固井分公司 2中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司 3中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院)

大港油田經過50多年的開發(fā)，老區(qū)油田已經進入高含水開發(fā)階段，增產難度很大。小井眼開窗側鉆技術作為有效開發(fā)老區(qū)油田的新技術，應用前景廣闊。但是小井眼本身側鉆開窗的特點給固井帶來了一定的難度，要求水泥漿具有良好的穩(wěn)定性、流動性。此外，水泥石脆性大、韌性差不能保證水泥石在增產開發(fā)過程中保持完整性。但是水泥石是一種脆性材料，在井下復雜環(huán)境中很容易發(fā)生破壞。國內外學者對提高水泥石力學性能進行了大量科學實驗研究，主要包括顆粒增韌材料[1-2]、膠乳增韌材料[3-4]和纖維增韌材料[5-6]等。纖維材料在油井固井中應用較為廣泛，包括聚酯纖維、聚丙烯纖維、碳纖維等，但是都有分散性和耐久性差的缺點[1-2,7]。耐堿玻璃纖維是一種用來增強混凝土的肋筋材料，具有彈性模量高、耐堿、抗腐蝕、抗沖擊、抗拉抗彎、抗凍抗裂等性能[3]。但是耐堿玻璃纖維在固井上的應用較少。因此，筆者對耐堿玻璃纖維對固井水泥漿及水泥石性能的影響進行了研究，為其在油田現(xiàn)場應用奠定基礎。

一、實驗部分

1. 實驗材料和藥品

G級油井水泥，四川嘉華企業(yè)(集團)股份有限公司,化學組分見表1；分散劑PC-F44S，天津中海油服化學有限公司；緩凝劑SYH-1、降失水劑SYJ-1，山東勝油固井工程技術有限公司；耐堿玻璃纖維，泰山玻璃纖維有限公司，特性參數見表2。

表1 四川嘉華G級油井水泥成分表

表2 耐堿玻璃纖維特性參數

2. 水泥漿性能測試

參照油井水泥試驗方法GB/T 19139-2012對水泥漿進行配制、養(yǎng)護，對水泥漿的流變性能、稠化性能、抗壓強度進行測試，測試水泥漿的流變性能時，剪切速率和剪切應力由式(1)和式(2)計算。參照圓柱形混凝土試樣劈裂抗拉強度的試驗方法ASTM C496/C496M-17對水泥石抗拉強度進行測試，試樣尺寸為?150 mm×300 mm，試樣的劈裂抗拉強度由式(3)計算。參照水泥膠砂強度檢驗方法GB/T 17671-1999對水泥石抗折強度進行測試，試樣尺寸為160 mm×40 mm×40 mm，試樣的抗折強度由式(4)計算。參照塑料/懸臂梁沖擊強度的測定方法GB/T 1843-2008對水泥石抗沖擊功進行測試，試樣尺寸為160 mm×40 mm×40 mm，試樣的抗沖擊功由式(5)計算。水泥漿的配方見表3，水泥漿性能均在80℃下進行測試。

表3 水泥漿配方表

γ=1.7045×nr

(1)

τ(Pa)=0.511×F×φ

(2)

式中：γ—額定剪切速率，s-1；nr—黏度計轉速，r/min；τ—剪切應力，Pa；φ—黏度計讀數；F—轉矩彈簧系數。

(3)

式中：T—劈裂抗拉強度，MPa；P—最大施加載荷，N；l—試樣長度，mm；d—試樣直徑，mm。

(4)

式中：Rf—抗折強度，MPa；Ff—折斷時施加于棱柱體中部的載荷，N；L—支撐圓柱之間的距離，mm；b—棱柱體正方形截面的邊長，mm。

(5)

式中：aiU—無缺口抗沖擊功，J/m2；Ec—已修正的試樣斷裂吸收能量，J；h—試樣厚度，mm；b—試樣寬度，mm。

二、實驗結果與討論

1. 玻璃纖維對水泥漿性能的影響

1.1 流變性能

圖1為不同玻璃纖維加量下水泥漿的流變曲線。從擬合后的流變曲線可以看出，加入玻璃纖維的水泥漿的流變曲線近似為一條直線，具有顯著的Bingham流體特性，符合式(6)。加入玻璃纖維的水泥漿的流變參數由式(6)擬合后流變模型的參數得到，結果如表4所示。從表4中可以看出，增加玻璃纖維的加量，水泥漿的流變模型并沒有受到較大影響，根據Bingham模型擬合后的回歸公式仍然具有較高的相關系數。因此，Bingham模型可合理應用于玻璃纖維水泥漿的流變研究中。

圖1 不同玻璃纖維加量下水泥漿的流變曲線

τ=τo+(μp×γ)

(6)

式中：τo—屈服值，Pa；

μp—塑性黏度，mPa·s。

屈服值作為水泥漿產生初始流動過程中需要克服的顆粒間由于摩擦和吸附產生的阻力，當顆粒間作用增加時，屈服值會隨之增加[8-9]。從表4看出，當玻璃纖維加量增加時，屈服值呈增大趨勢。當玻璃纖維加量較少時，水泥漿內部起潤滑作用的自由水多，使顆粒表面包裹的水層厚度大，顆粒間直接接觸造成的摩擦較小，降低了流動阻力，屈服值較低。隨著玻璃纖維加量的增大，水泥漿內部固相增加，顆粒間產生摩擦力的幾率增大，同時自由水量減少，造成水泥漿屈服值增加。

表3 水泥漿流變性能測試結果和流變參數擬合結果

塑性黏度作為表征水泥漿內部結構阻礙流動的性能，其大小主要依賴于水泥漿內部絮凝結構的多少以及破壞程度[6]。表4顯示，當玻璃纖維加量增大，水泥漿塑性黏度增大。原因在于，當玻璃纖維加量較少時，多余的水分能夠填充于水化的固體顆粒之間，增大固體顆粒間的距離，減弱水化固體顆粒之間的范德瓦爾斯引力和靜電力作用，減少發(fā)生團聚和相互吸附的情況，形成的絮凝結構和網狀結構較少，阻礙水泥漿流動的內部阻力降低，塑性黏度較低。當玻璃纖維加量較多時，增大了纖維間相互搭接、結團的幾率，導致水泥漿內部形成復雜的網絡結構，阻礙水泥漿流動，致使塑性黏度升高。

1.2 稠化性能

在注水泥過程中，水泥顆粒水化會增加水泥漿的黏度，水泥漿的稠化時間直接關系到固井施工安全。圖2為不同玻璃纖維加量下水泥漿的稠化曲線。從圖2中可以看出，加入玻璃纖維的水泥漿的稠化時間縮短了，初始稠度稍有增大。原因在于耐堿玻璃纖維是惰性材料，不會與水泥漿中的成分發(fā)生化學反應，不會放出或吸收熱量，因而不會影響水泥漿的水化速度，但是加入玻璃纖維的水泥漿中自由水變少，摩擦阻力變大，致使初始稠度增大、稠化時間縮短。加入玻璃纖維的水泥漿的稠化時間約為300 min，直角稠化效果理想，滿足現(xiàn)場施工要求。

圖2 不同玻璃纖維加量下水泥漿的稠化曲線

1.3 失水量

水泥漿的失水量關系到現(xiàn)場施工安全，影響固井質量?？刂扑酀{失水能夠防止施工事故的發(fā)生，避免油氣層損害。圖3為不同玻璃纖維加量下水泥漿的失水量,從圖3看出，隨著玻璃纖維加量的增加，水泥漿的失水量先降低后升高；在玻璃纖維加量為2%時，失水量最低。原因在于，當玻璃纖維加量小于2%時，亂向分布的纖維分布在水泥顆粒之間，減少水泥顆粒之間的空隙，增加濾餅的致密程度，降低水泥漿的失水量。當玻璃纖維加量大于2%時，玻璃纖維在水泥漿中的分散性較差，部分纖維發(fā)生團聚，降低水泥漿的均質性，增加水泥漿的失水量。因此，根據失水量判斷玻璃纖維在水泥漿中的最優(yōu)加量為2%。

圖3 不同玻璃纖維加量下水泥漿的失水量

2. 玻璃纖維對水泥石力學性能的影響

水泥石的力學性能主要包括抗壓強度、抗折強度、抗拉強度。水泥石的抗壓強度決定了水泥石能否有效支撐套管和井壁，以及能否滿足射孔施工要求，因此研究了玻璃纖維對水泥石抗壓強度的影響。在水泥漿中加入玻璃纖維主要是作用是提高水泥石的韌性，水泥石的韌性可以通過水泥石的抗折強度和抗拉強度進行表征，因此研究了玻璃纖維對水泥石抗折強度和抗拉強度的影響。

2.1 抗壓強度

玻璃纖維不同加量下，水泥石的抗壓強度性能如圖4所示，水泥石的抗壓強度隨玻璃纖維加量呈先增大后降低的趨勢。斷裂學認為，外力作用于材料使其破壞的實質原因是材料內部裂紋快速擴展、有效承載面積變小，最終導致破壞發(fā)生[10]。養(yǎng)護2 d時，加量1%和2%的水泥石的抗壓強度分別增長1.2%和2.9%；養(yǎng)護7 d時，加量1%和2%的水泥石的抗壓強度分別增長4.1%和5.9%。隨著養(yǎng)護時間的增加，水泥石的抗壓強度增加，這主要是由于水泥石的水化程度隨時間變大，增加了水泥石的抗壓強度。在加量為3%時，養(yǎng)護2 d和7 d的水泥石抗壓強度分別降低2.4%和4.2%。原因在于，在玻璃纖維加量較低時(≤2%)，玻璃纖維在水泥石中與水泥基體結合，由于玻璃纖維強度較高，能夠有效地提高水泥石內部抑制裂紋形成和傳播的能力，在水泥石中起到了很好的增強作用，因此抗壓強度得到提高；在玻璃纖維加量較高時(>2%)，玻璃纖維在水泥石中分散性差，部分團聚的玻璃纖維使水泥石內部應力分布不均勻，造成抗壓強度降低。

2.2 抗折強度

抗折強度是評價水泥石韌性的重要指標，一般認為，水泥石抗折強度越大，說明水泥石韌性越高。在玻璃纖維不同加量下，水泥石的抗折強度從實驗結果可以看出，加入玻璃纖維的水泥石的抗折強度均有明顯的提高，并且隨著養(yǎng)護天數的增加抗折強度不斷增大。養(yǎng)護2 d時，加量1%、2%、3%的水泥石的抗折強度分別增長26.8%、55.4%、44.6%；養(yǎng)護7 d時，加量1%、2%、3%的水泥石的抗折強度分別增長34.9%、55.8%、23.2%。說明玻璃纖維可以很好的提高水泥石的韌性。根據方圓等人[11]的研究分析可知，裂縫產生初期，玻璃纖維的斷裂韌性大于水泥石基體，當裂縫擴展至玻璃纖維，玻璃纖維可以阻止裂縫的發(fā)展；裂縫產生后期，玻璃纖維受到外加載荷作用，并在水泥石基體的斷裂面形成橋接作用，橋接的玻璃纖維對裂縫產生閉合作用，消耗外載荷做功，從而增大水泥石基體韌性。Bowen Yu等人[12]也有類似的研究，玻璃纖維能夠增韌主要是由于其晶體網絡的作用，晶體網絡受外載荷變形，消耗能量，因此能夠增加韌性。

圖4 不同玻璃纖維加量下水泥石的抗壓強度

不同養(yǎng)護期齡的水泥石的抗折強度隨玻璃纖維加量呈先增大后降低的趨勢，在玻璃纖維加量為2%時達到最大值。這與玻璃纖維對水泥石抗壓強度的影響規(guī)律一直，在玻璃纖維加量較大時，水泥石抗折強度降低，主要是由玻璃纖維在水泥漿中的分散不均勻造成的。

2.3 抗拉強度

加入玻璃纖維的水泥石的抗拉強度亦有明顯的提高。隨著養(yǎng)護天數的增加，水泥石抗拉強度增加不大。養(yǎng)護2 d時，加量1%、2%、3%的水泥石的抗拉強度分別增長15.2%、65.2%、34.8%；養(yǎng)護7 d時，加量1%、2%、3%的水泥石的抗拉強度分別增長14.9%、66.0%、40.4%。由此可知，加入玻璃纖維能有效提高水泥石抗拉強度值，但加量超過2%同樣會對水泥石抗拉強度發(fā)展產生不利影響。

2.4 抗沖擊功

抗沖擊功能夠有效評價水泥石的韌性，水泥石抗沖擊功越高，受力破壞所消耗的能量越大，因此水泥石的韌性越高。在玻璃纖維不同加量下，不同養(yǎng)護期齡的水泥石的抗沖擊功隨著玻璃纖維加量的增加呈先增大后降低的趨勢。養(yǎng)護2 d時，加量1%、2%、3%的水泥石的抗沖擊功分別增大26.8%、44.0%、22.9%；養(yǎng)護7 d時，加量1%、2%、3%的水泥石的抗沖擊功分別增加27.9%、45.1%、26.2%。玻璃纖維的加入可有效提高水泥石的抗沖擊功，改善水泥石的韌性，以加量為2.0%時效果最佳。

2.5 彈性模量

水泥石彈性模量用來表征水泥石抵抗彈性應變的能力，其值越低說明水泥石越容易發(fā)生彈性形變。本文利用三軸力學實驗測量了不同玻璃纖維加量下養(yǎng)護2 d的水泥石的彈性模量。不同養(yǎng)護期齡的水泥石的彈性模量隨玻璃纖維加量的增加呈先降低后升高的趨勢。玻璃纖維加量1%、2%、3%的水泥石的彈性模量分別降低26.8%、51.3%、37.3%。摻入玻璃纖維的水泥石的彈性模量得到明顯降低，使水泥石的脆性得到明顯改善，以加量2%時效果最佳。其主要機理是玻璃纖維在水泥石受力過程中起到了傳遞應力和消散應力的作用，能夠有效防止水泥微觀顆粒間相對滑移，將受損的部分連接成一體，降低裂紋的拓展速度，起到了阻裂作用，從而實現(xiàn)了降脆增韌效果。

三、結論

(1)在水泥漿中加入耐堿玻璃纖維，會增加水泥漿的塑性黏度和屈服值，縮短水泥漿的稠化時間，減少水泥漿的失水量，在玻璃纖維加量不超過3%時，水泥漿性能滿足現(xiàn)場施工要求。

(2)加入玻璃纖維的水泥石的力學性能得到增強，韌性得到明顯提高。耐堿玻璃纖維的最優(yōu)加量為2%，水泥石的7 d抗折強度、抗拉強度和抗沖擊功分別提高55.8%、66.0%和45.1%，養(yǎng)護2 d的水泥石彈性模量降低率為51.3%。