廢舊輪胎橡膠粉對固井水泥漿性能的影響

劉偉

摘 要：摻入橡膠粉材料是改善油井水泥先天脆性缺陷的一種有效方法。為了緩解環境和資源壓力，將廢舊輪胎橡膠粉應用在油井水泥中，研究了廢舊橡膠粉對水泥漿性能的影響，探討了橡膠粉水泥石的應力應變行為。實驗結果表明，廢舊輪胎橡膠粉的摻入會降低水泥漿的失水量，縮短水泥漿稠化時間，降低水泥石的抗壓強度，改善水泥石的抗折強度和抗沖擊強度;同時，廢舊輪胎橡膠粉的摻入還有效降低了水泥石的彈性模量，提高了其彈性變形能力。

關鍵詞：廢舊輪胎橡膠粉;固井;水泥漿;力學性能;彈性模量

中圖分類號：TE256;U414文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）07-0102-04

Abstract： Rubber powder is an effective material to improve the brittleness of oil well cement. In order to relieve the pressure of environment and resources， the waste rubber powder was used in oil well cement， the effect of waste rubber powder on cement slurry performance was studied， and the stress-strain behavior of rubber powder cement paste was discussed. The experimental results show that the mixing of waste tire rubber powder can reduce the water loss of cement paste， shorten the thickening time of cement paste， reduce the compressive strength of cement stone， improve the flexural strength and impact strength of cement stone; at the same time， the mixing of waste tire rubber powder can effectively reduce the elastic modulus of cement stone and improve its elastic deformation ability.

Keywords： waste tire rubber powder;cementing;cement slurry;mechanical properties;elastic modulus

固井作業是在套管與地層環空注入水泥漿，凝固后形成水泥環，對地層進行有效層間封隔，同時支撐和保護套管[1]。未改性的固井水泥漿體系形成的水泥石具有先天脆性，在經受井下載荷作用時，水泥環易被損壞，產生微裂縫或微環隙，導致固井封隔失效，影響油氣井安全、高效開采[2-3]。

為獲得良好的層間封隔性能，需要使用柔性材料改善固井水泥漿性能。橡膠作為一種具有高形變能力的彈性粒子，應用在油井水泥基材料中可以降低其脆性，達到改善固井封隔能力的目的。蔣凱[4]、李早元[5]、程小偉[6]、Agapiou K[7]等通過研究橡膠粉在油井水泥中的作用得出，含有橡膠顆粒的水泥石的彈性模量小于沒有摻加橡膠粉的水泥石，橡膠顆粒的加入既能使水泥石彈性變形能力增強，又能使水泥石結構更加致密、抗滲性能更高。此外，橡膠粉粒子在外力作用下發生彈性變形產生力的緩沖作用，提高水泥石抗沖擊破壞的能力。

廢舊輪胎橡膠粉是以廢舊輪胎為原料制備的粉末狀彈性材料。近幾十年來，全球飛速發展的汽車工業極大地推動了輪胎的生產，同時也造成大量廢舊輪胎積存。為了有效解決廢舊輪胎積存的問題，可將其制備為廢舊輪胎橡膠粉。將廢舊輪胎橡膠粉應用在固井水泥漿中，一方面有助于充分處理和利用龐大的廢舊輪胎資源，減緩其對環境和資源造成的壓力;另一方面，可以制備彈性水泥漿體系用于油氣井固井。為評價廢舊輪胎橡膠粉在固井水泥漿中的作用效果，研究了其對固井水泥漿性能的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

三峽G級油井水泥、淡水、降失水劑、增強劑、分散劑、緩凝劑、廢舊輪胎橡膠粉。

1.2 廢舊輪胎橡膠粉的使用方法

由于廢舊輪胎橡膠粉親水性差，因此，若將其直接應用在水泥漿體系中，穩定性得不到保證。為改善廢舊輪胎橡膠粉的表面親水性，將一定質量的硅烷偶聯劑KH570溶解在乙醇溶劑中，再將廢舊輪胎橡膠粉加入KH570的溶液中攪拌均勻，干燥，得到改性廢舊輪胎橡膠粉。使用改性后的廢舊輪胎橡膠粉進行水泥漿的配制。

1.3 水泥漿性能評價方法

固井水泥漿的性能測試依據《油井水泥試驗方法》（GB/T 19139—2012）中的相應規定進行。實驗溫度為80 ℃。水泥漿的配方為100%G級油井水泥+44%淡水+3%降失水劑+1.5%增強劑+0.5%分散劑+0.5%緩凝劑+0%～4%廢舊輪胎橡膠粉。

2 結果與討論

2.1 廢舊輪胎橡膠粉對水泥漿流變性和穩定性的影響

為評價廢舊輪胎橡膠粉對固井水泥漿流變性和穩定性的影響，對水泥漿的流變性和自由液含量進行了測試，結果見表1。

從表1中的數據可以看出，廢舊輪胎橡膠粉的摻入對水泥漿流變性有一定的影響，隨著廢舊輪胎橡膠粉加量增加，水泥漿流變性讀數增大，但加量在3%以內的水泥漿流變性都能滿足施工要求。當廢舊橡膠粉加量大于3%時，需要摻入適量的分散劑調節水泥漿的流變性，以保證水泥漿的安全施工性能。同時，廢舊輪胎橡膠粉的加入可以有效降低水泥漿中自由液的含量，提高水泥漿的穩定性。

2.2 廢舊輪胎橡膠粉對水泥漿失水量的影響

水泥漿失水量過大，可能會生成過厚泥餅，使水泥漿過早脫水，引起環空橋堵和層間竄流等問題，嚴重時導致油氣井報廢[7]。本文主要通過室內實驗驗證廢舊輪胎橡膠粉對水泥漿失水量的影響，結果見圖1。

從圖1中的實驗結果可以看出，廢舊輪胎橡膠粉的摻入有助于降低水泥漿體系失水量;隨著廢舊輪胎橡膠粉摻量的增多，水泥漿失水量下降;當廢舊輪胎橡膠粉摻量為4%時，水泥漿失水量大幅度下降，此時水泥漿失水量較空白水泥漿下降了19 mL。其原因可能是在水泥漿失水過程中，微細橡膠粉填充到水泥漿濾餅中，使濾餅結構更加致密，從而降低了失水量。

2.3 廢舊輪胎橡膠粉對水泥漿稠化時間的影響

水泥漿的稠化時間是控制固井作業的關鍵參數[8]。本文主要通過室內實驗驗證了廢舊輪胎橡膠粉對水泥漿稠化時間的影響，實驗結果見圖2。

從圖2可以看出，廢舊輪胎橡膠粉的摻入對水泥漿的稠化時間有一定的影響;隨著橡膠粉加量的增多，水泥漿的稠化時間縮短。當橡膠粉加量為3%和4%時，水泥漿的稠化時間分別縮短了23 min和43 min，但稠化時間都能滿足固井施工的要求。

2.4 廢舊輪胎橡膠粉對水泥石力學性能的影響

作為一種柔性顆粒材料，廢舊輪胎橡膠粉加入水泥漿體系的主要作用是改善水泥石力學性能。為研究廢舊輪胎橡膠粉對水泥漿力學性能的改善作用，對不同廢舊輪胎橡膠粉加量的水泥石的抗壓強度、抗折強度、抗沖擊強度進行評價，結果見圖3至圖5。

從圖3至圖5可以看出，廢舊輪胎橡膠粉的摻入對水泥漿的抗壓強度、抗折強度和抗沖擊強度會有不同程度的影響。從圖3可以看出，加入廢舊輪胎橡膠粉會降低水泥石的抗壓強度。與空白水泥石相比，加入1%、2%、3%和4%廢舊輪胎橡膠粉的水泥石抗壓強度比空白水泥石分別下降6.4%、14.7%、17.7%和26.3%。隨著加量的增多，水泥石抗壓強度下降幅度增大，但是不同廢舊輪胎橡膠粉摻量的水泥石抗壓強度都滿足固井要求。從圖4可以看出，隨著廢舊輪胎橡膠粉摻量的增多，水泥石的抗折強度先增大后減小，過多的廢舊輪胎橡膠粉會對水泥石的抗折強度產生不利影響。當廢舊輪胎橡膠粉摻量為3%時，水泥石抗折強度最大，比空白水泥石提高了40%。從圖5可以看出，少量的廢舊輪胎橡膠粉可以提高水泥石的抗沖擊強度，過多的廢舊輪胎橡膠粉會對水泥石抗沖擊強度產生不利影響。當廢舊輪胎橡膠粉摻量為3%時，水泥石抗沖擊強度達到1.82kJ/m2，比空白水泥石提高了27.3%。實驗結果表明，把適量的廢舊輪胎橡膠粉摻入水泥漿中，會降低水泥石的抗壓強度，有效提高水泥石的抗折強度和抗沖擊強度。此外，廢舊輪胎橡膠粉應用在油井水泥漿中，需要控制其加量。

2.5 水泥石應力-應變行為

水泥石的應力-應變行為表現了水泥石在遭受外部載荷作用時的形變情況，研究水泥石的應力-應變曲線可以直接地反映水泥石在受壓載荷作用下的力學行為。圖6為4%加量廢舊輪胎橡膠粉的水泥石試樣和空白水泥石試樣的單軸應力-應變曲線。

從圖6可以看出，加入廢舊輪胎橡膠粉的水泥石和未加廢舊輪胎橡膠粉的水泥石在外部載荷作用下應力-應變曲線差異較大。空白水泥石在遭受壓縮應力時，應力與應變表現出更強的線性關系，曲率更小，水泥石脆性大。在相同載荷下，加入廢舊輪胎橡膠粉的水泥石的軸向應變大于空白水泥石試樣，這表明摻入橡膠粉的水泥石形變能力強，彈性高。根據應力-應變測試結果可得到加入廢舊輪胎橡膠粉的水泥石試樣的彈性模量為5.6GPa，比空白水泥石試樣的彈性模量（9.2 GPa）降低了39.1%。結果表明，廢舊輪胎橡膠粉可以有效降低水泥石的彈性模量，改善油井水泥基材料的脆性缺陷。

3 結論

①廢舊輪胎橡膠粉的摻入可以降低水泥漿的失水量，提高漿體穩定性，但是會縮短水泥漿的稠化時間，增大流變讀數，因此，在使用過程中，需要摻入適量的分散劑和緩凝劑調節水泥漿的性能。

②適量的廢舊輪胎橡膠粉摻入水泥漿中，會降低水泥漿的抗壓強度，但大幅提高了水泥石的抗折強度和抗沖擊強度。

③廢舊輪胎橡膠粉的摻入能有效提高水泥石的形變能力，降低水泥石彈性模量，改善油井水泥的脆性缺陷。

參考文獻：

[1]Jianjian Song，Mingbiao Xu，Weihong Liu，et al. Thermoplastic rubber （TPR） modified by a silane coupling agent and its influence on the mechanical properties of oil well cement[J]. Advances in Materials Science and Engineering，2019：1-11.

[2]萬曦超.油氣井固井水泥環力學研究[D].成都：西南石油大學，2006.

[3]黃峰，許明標，宋建建，等.一種碳纖維分散液的制備及其在固井水泥漿中的應用[J].科學技術與工程，2019（8）：79-85.

[4]蔣凱.粉末丁腈橡膠對固井水泥漿性能的影響[J].油田化學，2019（4）：604-609.

[5]李早元，郭小陽.橡膠粉對油井水泥石力學性能的影響[J].石油鉆探技術，2008（6）：52-55.

[6]Agapiou K，Gamwell C R，Sodhi T S. Influence of recycled rubber tire morphology on the mechanical properties of well cements[C]//American Rock Mechanics Association.2016.

[7]李波，陸永偉.納米二氧化硅對固井水泥漿性能的影響[J].河南科技，2019（13）：96-99.

[8]Ridha S，Jamali M F，Setiawan R A . Thickening Time Compatibility of Geopolymer Cement for Drilling Application[J]. Applied Mechanics and Materials，2017（864）：65-70.