玄武巖纖維對(duì)油井水泥石韌性改善的室內(nèi)研究

陳凡斌 張 浩

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部油田化學(xué)研究院，河北 三河065201）

0 引言

固井作業(yè)中，水泥石是構(gòu)成井內(nèi)水泥環(huán)的主要材料，起到封隔地層、保護(hù)套管的功能[1]。但水泥石是脆性材料，在地下復(fù)雜應(yīng)力情況下極易發(fā)生破裂，使水泥環(huán)的封隔作用徹底失效，造成油、氣、水層之間的竄流。由于高脆性是水泥石固有的缺陷，無(wú)法通過(guò)改進(jìn)固井工藝提高其韌性，減少其脆性破壞，因此在油井水泥中摻入增韌材料是改善油井水泥石韌性的有效途徑[2-3]。國(guó)內(nèi)外改善水泥石韌性的材料主要有膠乳增韌材料、顆粒狀增韌材料和纖維增韌材料等。

纖維材料在固井中的應(yīng)用較為廣泛，但不同于堵漏纖維，增韌纖維必須具有高模量，才能對(duì)水泥石起到增韌作用；有些纖維雖具有較高彈性，但在阻裂性能方面存在明顯不足，鋼纖維和高彈模纖維等能顯著提高水泥石的抗裂性，但存在流動(dòng)性和泵送性差等缺陷[4]。玄武巖纖維的穩(wěn)定性好，而且還具有電絕緣性、抗腐蝕、抗燃燒、耐高溫等多種優(yōu)異性能，是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的四大纖維之一。本文將玄武巖纖維引入到油田固井中，通過(guò)大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析，評(píng)價(jià)了加入玄武巖纖維后水泥漿的常規(guī)性能，并以抗沖擊性能、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)了玄武巖纖維對(duì)油井水泥石的增韌效果。

1 實(shí)驗(yàn)儀器及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及用途

G級(jí)油井水泥（產(chǎn)地：山東）、降失水劑、分散劑、減輕材料、增強(qiáng)劑、消泡劑等水泥外加劑（產(chǎn)地：天津）

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

水泥漿恒速攪拌器、常壓稠化儀、高溫高壓失水儀、六速旋轉(zhuǎn)粘度儀、高溫養(yǎng)護(hù)釜、高溫高壓稠化儀、水泥石強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)、OWC-1011型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、抗沖擊試驗(yàn)機(jī)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1）配漿：外加劑采用外摻法，摻量為占水泥干灰重的百分?jǐn)?shù)(%，BWOC)。按GB 10238-1998中的要求配漿，水泥漿性能按照API 10B中的要求進(jìn)行測(cè)試；

（2）抗折強(qiáng)度的測(cè)定：將配制好的水泥漿倒入1cm×1cm×6cm的試模中，置于一定溫度的水浴中養(yǎng)護(hù)不同齡期后脫模，用電動(dòng)抗折儀測(cè)定抗折強(qiáng)度；

（3）抗沖擊性能的測(cè)定：將配制好的水泥漿倒入1cm×1cm×6cm的試模中，置于50℃的水浴中養(yǎng)護(hù)7d后脫模，用落錘法測(cè)定其抗沖擊性能；

（4）抗壓強(qiáng)度的測(cè)定：將配置好的水泥漿導(dǎo)入5cm×5cm×5cm的試模中，置于一定溫度的水浴中養(yǎng)護(hù)24小時(shí)后脫模，用抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其抗壓強(qiáng)度的大小，測(cè)試按照API 10B的要求進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 玄武巖纖維對(duì)固井水泥漿常規(guī)性能的影響

按照下表中配方進(jìn)行不同水泥漿配制，并測(cè)試水泥漿流變、失水、稠化時(shí)間，以確定玄武巖纖維對(duì)水泥漿常規(guī)性能的影響。

表1 水泥漿配方及常規(guī)性能

從上表中的測(cè)試結(jié)果可以看出：隨著玄武巖纖維加量的增加，水泥漿失水、稠化時(shí)間、流變性能均變化不大，玄武巖纖維對(duì)水泥漿常規(guī)性能基本沒(méi)有影響，實(shí)驗(yàn)中還選取了玻璃纖維與聚丙烯纖維配制的水泥漿作為對(duì)照，可以發(fā)現(xiàn)，加入這兩種纖維的水泥漿，其失水都有所減少，從空白水泥漿的37.6ml分別下降到17.8、18.4ml，但其流變性能下降，φ300讀數(shù)由126分別上升至227，245。這與其他研究者的研究一致[5]。因此使用這兩種纖維時(shí)必須注重加量，加量過(guò)大會(huì)造成水泥漿過(guò)稠，不易流動(dòng)，但在使用玄武巖纖維時(shí)則無(wú)此現(xiàn)象發(fā)生。這或許是與使用的玄武巖的長(zhǎng)徑比較小，而玻璃纖維、聚丙烯纖維的長(zhǎng)徑比較大有關(guān)，當(dāng)進(jìn)行流變測(cè)試時(shí)，長(zhǎng)纖維與流變儀的轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生較大摩擦，造成流變讀數(shù)偏大。

2.2 玄武巖纖維對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響

抗壓強(qiáng)度是水泥石最重要的性能指標(biāo)之一，關(guān)系到井下水泥環(huán)井下封隔的長(zhǎng)期有效性。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)考察了不同纖維摻量下的水泥石在不同養(yǎng)護(hù)溫度下的抗壓強(qiáng)度，以考察其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。

表2 不同纖維摻量對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響

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從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，加入玄武巖纖維后，水泥石抗壓強(qiáng)度均有所下降，80℃、50℃、30℃下養(yǎng)護(hù)的水泥石均呈現(xiàn)這一趨勢(shì)，且隨著纖維摻量的增加，水泥石抗壓強(qiáng)度下降的更為明顯。與之相同的是，加入聚丙烯纖維及玻璃纖維的水泥石其抗壓強(qiáng)度也呈下降趨勢(shì)。但有文獻(xiàn)報(bào)道，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，在7d時(shí)，摻入纖維的水泥石其抗壓強(qiáng)度普遍超過(guò)空白水泥石[6]。

2.3 玄武巖纖維對(duì)水泥石抗折強(qiáng)度的影響

抗折強(qiáng)度是評(píng)價(jià)水泥石韌性的重要指標(biāo)，一般來(lái)說(shuō)，抗折強(qiáng)度大，則說(shuō)明水泥石韌性高。按照表2中配方1-6進(jìn)行水泥漿的配制，并測(cè)試其不同齡期抗折強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

表3 不同纖維摻量對(duì)水泥石抗折強(qiáng)度的影響

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，加入玄武巖纖維后水泥石抗折強(qiáng)度均上升，摻量2%時(shí)，養(yǎng)護(hù)1d、2d、7d的水泥石抗折強(qiáng)度分別增長(zhǎng)21.7%、28%、41%，摻量3%時(shí)，其抗折強(qiáng)度仍有所增長(zhǎng)，但幅度較小，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，摻量為2%時(shí)比較適合。聚丙烯纖維及玻璃纖維則幾乎對(duì)水泥石抗折強(qiáng)度無(wú)增長(zhǎng)作用。

2.4 玄武巖纖維對(duì)水泥石抗沖擊性能的影響

固井完成后，水泥石受到射孔、壓裂等開(kāi)采方式的影響極易開(kāi)裂，其本質(zhì)是井下應(yīng)力的反復(fù)變化所引起。因此，水泥石的抗沖擊性能也是保證井下水泥環(huán)長(zhǎng)期有效性的重要指標(biāo)。按照ACI 544的推薦，采用落錘法評(píng)價(jià)不同摻量纖維時(shí)的水泥石的抗沖擊性能，通過(guò)以下幾項(xiàng)指標(biāo)考察其抗沖擊性能：（1）出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)的初裂沖擊次數(shù)N1；（2）試件完全被破壞時(shí)的破壞沖擊次數(shù)N2；（3）沖擊功W及抗沖擊韌性比C，其計(jì)算方式如下：

式中，m——沖擊錘質(zhì)量；

g—— 重力加速度，9.8m/s2；

W1——空白水泥石的抗沖擊功；

W2——加入纖維后水泥石的抗沖擊功；

在實(shí)驗(yàn)室的評(píng)價(jià)結(jié)果如下圖所示：

圖1 玄武巖纖維對(duì)水泥石抗沖擊性能的影響

圖2 玄武巖纖維摻量與抗沖擊韌性比的關(guān)系

由圖1可知，隨玄武巖纖維摻量增加，水泥石的初裂沖擊次數(shù)及破壞沖擊次數(shù)均增加，當(dāng)玄武巖纖維摻量為3%時(shí)，水泥石破壞沖擊次數(shù)達(dá)到了119次的最大值。與之相比的是，空白水泥石的破壞沖擊次數(shù)僅為29次。繼續(xù)加大玄武巖纖維摻量至6%時(shí)，其破壞沖擊次數(shù)下降至59次，但仍較空白水泥石高。由圖2可知，抗沖擊韌性比與破壞沖擊次數(shù)呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。在摻量為3%時(shí)，達(dá)到4.1的最大值。

3 結(jié)論

（1）玄武巖纖維對(duì)油井水泥石的常規(guī)性能如水泥漿稠化時(shí)間，流變的影響較小，這與其他纖維不同，同時(shí)，對(duì)失水有明顯的減少作用。

（2）玄武巖纖維對(duì)油井水泥有很好的增韌作用，摻量2%時(shí)，養(yǎng)護(hù)1d、2d、7d的水泥石抗折強(qiáng)度分別增長(zhǎng)21.7%、28%、41%，摻量3%時(shí)，水泥石破壞沖擊次數(shù)達(dá)到119次，遠(yuǎn)高于空白水泥石的29次。

（3）摻入玄武巖纖維的油井水泥石24小時(shí)抗壓強(qiáng)度略有降低，但仍然滿足施工需求。

［1］穆海朋,步玉環(huán),程榮超.纖維水泥的發(fā)展及應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2005(33)：33-35.

［2］黃河福,步玉環(huán),王瑞和.纖維對(duì)水泥石常規(guī)性能影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究.西部探礦工程,2007(4)：47-49.

［3］姚曉.油井水泥纖維增韌材料的研究與應(yīng)用[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,20(2)：39-41.

［4］張峰.纖維材料在固井領(lǐng)域中應(yīng)用的嘗試[J].混凝土與水泥制品,2010(5)：52-54.

［5］李丹,陶俊林,賈彬.玄武巖纖維混凝土抗沖擊性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].新型建筑材料,2012(12)：47-51.

［6］華蘇東,姚曉.纖維粒復(fù)合型油井水泥石增韌劑的性能及機(jī)理研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2006,28(2)：88-91.