玻璃纖維對硫鋁酸鈣水泥石力學性能的影響

宋梅梅張瑞萍楊振杰竇益華

1.西安石油大學機械工程學院； 2.西安石油大學石油工程學院

玻璃纖維對硫鋁酸鈣水泥石力學性能的影響

宋梅梅1張瑞萍1楊振杰2竇益華1

1.西安石油大學機械工程學院； 2.西安石油大學石油工程學院

隨著油氣田開采難度和井下情況復雜化程度的增加，常規水泥環易發生脆裂，進而影響水泥環的層間封隔作用，影響井筒完整性。硫鋁酸鈣水泥是一種性能優良的固井水泥材料，為了了解硫鋁酸鈣水泥在固井工程中應用的潛力，制作了玻璃纖維增強硫鋁酸鈣水泥石（CSA/GRC）樣品，利用X射線衍射法分析不同齡期硫鋁酸鈣水泥的晶體水化產物；通過三軸應力-應變實驗，測試CSA/GRC固井水泥石的力學性能；采用掃描電子顯微鏡觀察CSA/GRC固井水泥石斷裂面的微觀形貌，分析玻璃纖維在硫鋁酸鈣水泥石中的增韌機理。研究結果表明：CSA/GRC固井水泥石具有良好的韌性和力學形變能力，軸向抗壓強度和極限應變值比常規玻璃纖維固井水泥石分別提高了約45%和300%；玻璃纖維與硫鋁酸鈣水泥體系之間有良好的復合能力，纖維抗腐蝕性能強；通過應力分散作用和橋聯作用，玻璃纖維可約束裂縫的進一步擴展，從而提高固井水泥石的韌性。

硫鋁酸鈣水泥；玻璃纖維；固井；力學性能

固井是油井建設過程中的一個重要環節，固井質量影響后續的完井、采油、增產等各項作業的成功率和井的封固性、完整性［1］。固井水泥環的主要作用是層間封隔，防止地下流體層間竄流，同時也可以改善套管受力狀態、延長套管使用壽命［2］。G級水泥是目前常用的固井水泥，但隨著油氣田開采難度和井下情況復雜化程度的增加，射孔、酸化壓裂等施工過程中，常規水泥環易受到損傷，進而影響水泥環的層間封隔作用［3-4］。因此，需要尋找新的抗裂性能和力學性能良好的固井水泥來代替G級水泥［5］，其中，硫鋁酸鈣水泥是一種特種膠凝材料，具有抗滲性好、耐久性持久、早期強度高、長期強度增長穩定等優點。

硫鋁酸鈣水泥是由一定比例的石灰石、鋁礬土、石膏等原材料在1 250～1 350℃的高溫下經煅燒、研磨而制成。目前關于硫鋁酸鈣水泥的研究主要側重于水化機理研究［6-8］。研究表明，硫鋁酸鈣水泥的水化較為復雜，主要生成產物有水化硫鋁酸鈣和氫氧化鋁凝膠，水化過程的主要特征是無氫氧化鈣生成，孔溶液呈弱堿性（pH=11.5～12）。現有文獻中關于硫鋁酸鈣水泥在固井工程中的應用研究還未充分開展，文獻［9］的研究結果表明硫鋁酸鈣水泥石內部結構緊密，孔隙被生成物質填補而減少并在內部形成網狀結構，使得后期強度發展穩定，有利于提高固井質量。文獻［10］的研究表明G級水泥-硫鋁酸鈣水泥復合深水固井水泥具有低溫早強、直角稠化、靜膠凝強度過渡時間短等優點，并且水泥石具有一定的體積微膨脹性，有利于解決淺層水-氣竄流難題和縮短低溫固井候凝時間，是一種優異的深水固井水泥體系。

固井水泥石屬于脆性材料，抗拉性能較差，在水泥基材料中摻入一定比例纖維可以有效提高水泥石的抗拉強度、抗沖擊性能和抗折強度［11-12］。常用的固井纖維有碳纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維等［13-14］。研究表明玻璃纖維在高堿環境中極易發生化學腐蝕，因此低堿度硫鋁酸鈣膠凝體系可以為玻璃纖維提供有利的化學環境，玻璃纖維可以在硫鋁酸鈣水泥體系中發揮持久的增韌作用［15-16］。文獻［15］表明玻璃纖維硫鋁酸鈣水泥石（CSA/GRC）在50℃的濕熱蒸汽中養護至360 d時，其凈抗彎荷載保留率仍高達80%以上。文獻［17］表明CSA/GRC構件在拉伸過程中會產生多重裂縫，玻璃纖維可以起到很好的橋聯和增韌作用；構件在50℃環境中養護至36 d時，抗拉強度從7 MPa小幅度地降低至6 MPa，玻璃纖維表面未發生腐蝕，只有少量水化產物附著。文獻［18］表明在25℃中養護10年，CSA/GRC復合材料的極限抗拉強度僅降低了5%，玻璃纖維在力學劈裂過程中仍然可以起到有效的增強作用并且充分降低開裂風險，使得材料整體仍呈延性破壞。綜上，目前國內外已有文獻研究CSA/GRC復合材料的長期耐久性能和力學性能，但關于該材料在固井工程中的應用研究仍未見有深入報道。因此，深入研究CSA/GRC水泥石的力學性能、耐久性能以及微觀結構演變規律，對于研發新一代高性能特種固井水泥具有重要意義。

1 實驗方法及樣品制備

Experimental method and sample preparation

1.1 實驗材料

Experimental material

硫鋁酸鈣水泥，廣西云燕特種水泥建材有限公司，化學組分見表1；G級常規油井水泥，四川嘉華公司；分散劑，成都科龍試劑有限公司；降濾失劑，成都科龍試劑有限公司；玻璃纖維。

表1 硫鋁酸鈣水泥的化學成分Table 1 Chemical composition of sulphoaluminate cement

1.2 樣品制備與方法

Sample preparation and method

為了研究硫鋁酸鈣水泥的水化機理，在實驗室配制水灰比為0.44的水泥凈漿并將其放置于21℃的恒溫水浴中養護至規定齡期。當齡期分別為7 d、28 d、90 d時，將硫鋁酸鈣水泥石研磨成粉末狀顆粒。X射線衍射分析測試實驗在Bruker D8型粉末射線衍射儀上進行，采用單頻Cu Kα輻射，測量時采用工作電壓40 kV，工作電流20 mA，速率2（°）/min，掃描范圍5°～60°。

制備CSA/GRC水泥石試樣時，按照設定的水灰比將0.5%分散劑、2.0%降濾失劑溶于清水中，再加入玻璃纖維并用變速攪拌器攪拌30 min，隨后參照GB/T 19139—2012《油井水泥試驗方法》制備水泥漿。水泥石試樣尺寸為50.8 mm×50.8 mm×50.8 mm。澆筑好的水泥漿樣品在空氣中硬化24 h后脫模，隨后將樣品置于50℃的濕熱環境下養護至1 d和28 d時，采用RTR-1000型三軸巖石力學測試系統（美國GCTS公司）對水泥石試樣進行三軸應力-應變實驗。把完成力學性能測試的水泥石試塊砸碎，對壓碎斷面進行取樣。為了提高試塊在微觀結構觀察過程中的導電性能，對樣品表面進行碳真空蒸鍍。采用JEOL JSM-5800LV掃描電子顯微鏡表征水泥石斷裂面的微觀形貌，加速電壓為15 keV，工作距離為10 mm，束斑大小為25 nm，放大倍數為400～1 000倍。

2 實驗結果分析

Experimental result analysis

2.1 X射線衍射分析

X-ray diffraction analysis

圖1給出了硫鋁酸鈣水泥漿在不同齡期下的XRD圖譜。由圖1可以看出，硫鋁酸鈣水泥的主要礦物組成是硫鋁酸鈣晶體（Ye’elimite，）和硅酸二鈣（C2S）。齡期為90 d時，硫鋁酸鈣水泥的水化并不完全，仍存在少量未反應的硅酸二鈣。水化初期，硫鋁酸鈣水泥的水化產物主要是鋁酸一鈣晶體（CAH10）和鈣礬石晶體（ettringite，AFt），分別來源于水泥熟料中鋁酸鈣礦物和硫鋁酸鈣的水化（公式1）。水化初期鈣礬石的大量生成使硫鋁酸鈣水泥石抗壓強度增大且水泥石體積膨脹增大。隨著水化的進行，水化硅鋁酸鈣晶體（stratlingite）和單硫型硫鋁酸鈣晶體（monosulfate，AFm）的衍射峰不斷增強，逐漸成為主要的水化產物之一。水化硅鋁酸鈣的生成歸因于生成產物氫氧化鋁和水泥熟料中硅酸二鈣的水化反應（公式2）。單硫型硫鋁酸鈣的形成是由于原材料中的石膏被消耗完后，硫鋁酸鈣晶體與水的反應所致（公式3）。

圖1 硫鋁酸鈣水泥粉末及水泥凈漿的X射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction image of sulphoaluminate cement powder and net slurry

鈣礬石AFt的形成

水化硅鋁酸鈣Stratlingite的形成

單硫型硫鋁酸鈣AFm的形成

2.2 應力-應變曲線分析

Stress-strain curve analysis

圖2是常規玻璃纖維水泥石和CSA/GRC水泥石在50℃濕熱養護下的三軸應力-應變曲線。曲線峰值越高代表復合材料的軸向抗壓強度越大，應力達到峰值后曲線下降平緩表明材料具有一定的韌性，應力達到峰值后迅速下降則說明呈典型脆性材料特征。由圖2可知，CSA/GRC水泥石的軸向抗壓強度和軸向應變值明顯優于常規固井水泥石。1 d齡期時材料的軸向抗壓強度高達40 MPa，比同齡期下常規玻璃纖維固井水泥石提高了45%；最大應變值為0.8%，相比于常規玻璃纖維固井水泥石提高了300%，表明CSA/GRC固井水泥石具有良好的韌性。不同齡期下CSA/GRC水泥石的應力-應變曲線均可反映玻璃纖維的增韌效果，應力-應變曲線呈平緩上升趨勢。隨著齡期的增長，28 d后CSA/GRC水泥石的三軸應力-應變曲線未發生明顯變化，極限抗壓強度僅降低了5.2%，最大應變值從0.81%小幅度地升至0.84%。這說明玻璃纖維與硫鋁酸鈣水泥具有良好的復合能力，復合材料的耐久性相對持久。

圖2 常規玻璃纖維水泥石和CSA/GRC水泥石應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curve of conventional fiber glass set cement and CSA/GRC set cement

2.3 微觀結構分析

Microscopic structure analysis

為了進一步研究CSA/GRC水泥石力學性能發展的微觀機理，對樣品斷裂面進行了微觀分析。圖3是CSA/GRC水泥石斷裂面的微觀結構圖。由圖3a和3b可知，硫鋁酸鈣水泥石基體結構緊湊致密，玻璃纖維的破壞方式主要為從水泥基體中拔出而非斷裂，說明此時作用于纖維上的剪切應力大于纖維與水泥石的膠結強度，纖維以拔出的形式消耗部分裂縫發展的能量。圖3b是纖維表面的微觀結構圖，可以看出，纖維仍然保持著良好的物理狀態，纖維表面光滑平整且未發生腐蝕現象，只有少量針狀鈣礬石（AFt）水化晶體產物和團絮狀AH3凝膠附著。纖維與纖維之間依然保持有靈活的空間，可以起到有效分散傳遞應力作用。纖維與硫鋁酸鈣水泥石接觸面的孔隙率較高（圖3c），當微裂縫擴展至纖維-水泥石界面過渡區時，應力可以沿著界面過渡區的孔隙分散傳遞；由于裂紋擴展路徑大大增加，破壞水泥的能量會被消耗掉一部分，因此可以降低裂縫的進一步發展、傳遞，進而保證固井水泥環的完整性和層間封隔效應。同時，當微裂縫擴展至玻璃纖維束內部時，纖維將跨越裂縫起到傳遞載荷的橋聯作用，使固井水泥石內部應力場更加連續和均勻，微裂縫尖端的應力集中得以鈍化，裂縫的進一步擴展受到約束，因此固井水泥石的韌性將會進一步提高。

圖3 CSA/GRC水泥石斷裂面的微觀結構圖Fig.3 Microscopic structure on rupture plane of CSA/GRC set cement

綜上所述，玻璃纖維與硫鋁酸鈣水泥體系存在良好的復合能力。玻璃纖維可通過橋聯作用阻止裂縫的進一步發展，同時纖維與纖維之間、纖維-水泥石界面過渡區內的大量孔隙可以有效分散傳遞應力、消耗掉部分破壞水泥石的能量，使得復合材料具有良好的韌性和延性，從而在本質上提高水泥環的層間封隔效應，改善固井質量。

3 結論

Conclusions

（1）CSA/GRC固井水泥石具有良好的韌性和強度，軸向抗壓強度和極限應變值比常規玻璃纖維固井水泥石分別提高了約45%和300%。玻璃纖維與硫鋁酸鈣水泥體系存在良好的復合能力，纖維表面光滑且抗腐蝕性提高。

（2）玻璃纖維與硫鋁酸鈣水泥石的接觸界面以及纖維與纖維之間的孔隙率較高，當微裂縫擴展至纖維-水泥石界面過渡區時，應力可以沿著界面過渡區和纖維與纖維之間的孔隙分散、傳遞，由于裂紋擴展路徑大大增加，破壞水泥的能量就會被消耗一部分，從而提高CSA/GRC水泥石的抗裂性能。同時，玻璃纖維可通過橋聯作用進一步阻止裂縫的發展，進而保證固井水泥石環的完整性與層間封隔效應，提高井筒完整性。

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（修改稿收到日期 2017-02-21）

〔編輯 朱 偉〕

Effect of fiber glass on mechanical property of sulphoaluminate set cement

SONG Meimei1,ZHANG Ruiping1,YANG Zhenjie2,DOU Yihua1
1.College of Mechanical Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an710065,Shaanxi,China;
2.College of Petroleum Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an710065,Shaanxi,China

As the development difficulty of oil and gas fields and the complexity of downhole situations increase,conventional cement sheath tends to suffer brittle failure and its interlayer isolation effect is impacted.And consequently,wellbore integrity is damaged.Sulphoaluminate cement is a kind of cement material with excellent properties.A sample of fiber glass reinforced sulphoaluminate set cement (CSA/GRC) was prepared to clarify its application potential in cementing engineering.The crystal hydration products of sulphoaluminate cement with different ages were analyzed by means of X-ray diffraction method.The mechanical property of CSA/ GRC set cement was tested by using triaxial stress-strain experiment.The microscopic morphology on the rupture plane of CSA/GRC set cement was observed under scanning electron microscope (SEM),and the toughening mechanism of fiber glass in sulphoaluminate set cement was investigated.It is indicated that CSA/GRC set cement has good toughness and mechanical deformation capacity and its axial compression strength and ultimate strain are about 45% and 300% higher than those of conventional fiber glass set cement.The combination between fiber glass and sulphoaluminate cement system is good and fiber is highly corrosion resistant.Fiber glass can restrict the further propagation of fractures by virtue of stress dispersion and bridging effect,so as to improve the toughness of set cement.

sulphoaluminate cement;fiber glass;cementing;mechanical property

宋梅梅，張瑞萍，楊振杰，竇益華.玻璃纖維對硫鋁酸鈣水泥石力學性能的影響［J］.石油鉆采工藝，2017，39（2）：192-196.

TE256

：A

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10.13639/j.odpt.2017.02.012

: SONG Meimei,ZHANG Ruiping,YANG Zhenjie,DOU Yihua.Effect of fiber glass on mechanical property of sulphoaluminate set cement［J］.Oil Drilling &Production Technology,2017,39(2): 192-196.

國家自然科學基金面上項目“頁巖氣水平井壓裂與生產套管變形機理及其控制機制研究”（編號：51674199）。

宋梅梅（1988-），2015年畢業于英國利茲大學土木工程專業，現從事油氣井固井研究工作。通訊地址：（710065）陜西省西安市雁塔區電子二路18號。電話：029-88382603。E-mail：songmeimei2016@163.com

竇益華（1964-），2000年畢業于西北工業大學固體力學專業，現從事油氣井井筒完整性研究工作。通訊地址：（710065）陜西省西安市雁塔區電子二路18號。電話：029-88382126。E-mail：yhdou@vip.sina.com