硅灰石微纖增韌固井水泥石的研制

肖淼(天津中海油服化學有限公司，天津 300450)

0 引言

目前，構成固井水泥環的材料仍以硅酸鹽水泥為主。硅酸鹽水泥石的特點是：脆性大、抗拉強度遠低于抗壓強度以及抗沖擊性能差等。當在井筒內溫度壓力變化時，水泥環常遭受拉伸應力破壞，在射孔完井、小井眼及大斜度井鉆井中，水泥環常遭受沖擊性破壞。纖維可以增韌硅酸鹽水泥石，可防止水泥環拉伸應力破壞和沖擊破壞[1]。

硅灰石(Wollastonite)微纖(以下簡稱微纖)，主要的化學成分為偏硅酸鹽(CaSiO3)，其理論組成為CaO 48.3%，SiO251.7%[2]。目前，微纖主要用于橡塑和陶瓷材料的增韌。在本文中，以3%、6%、9%(bwoc)替代水泥，考察微纖對水泥石力學性能及流變性的影響。

1 材料

API G級水泥、降失水劑PC-G80L、分散劑PC-F44L、消泡劑PC-X60L以及微纖Wol-2，均來自于天津中海服化學有限公司。

2 實驗部分

2.1 實驗方法

依據API R10B規范配制水泥漿，并準備75 ℃常壓養護15天齡期的水泥石試樣，開展如下各項力學性能評價。

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應力-應變曲線是表征材料力學性能的一個重要參數。材料在彈性變形階段，應力與應變成正比關系，以兩者之間的比值稱為彈性模量，并以徑向應變與軸向應變的比值稱為泊松比。材料彈性模量越大，泊松比越小，材料變形能力越差，越易脆裂。在很多應力場中，一般都要求水泥環具有低模量、高泊松比、高變形量以及高抗拉強度的特性。從圖1所示的單軸應力應變曲線上可以看出，微纖替代水泥后，抗壓強度有所降低，但基本上能維持在30 MPa以上。另外，隨著微纖替代量的增加，試樣的塑性變形階段得到了明顯擴大，彈性階段處曲線的斜率(即模量)明顯降低。通過求解彈性階段的曲線斜率，得出0%、3%、6%以及9%微纖量的水泥石模量分別為11.7 GPa、10.1 GPa、8.2 GPa以及7.7 GPa。另外，求解圖1所示的單軸應變1(軸向變形)應變2(徑向變形)曲線上彈性階段處曲線的斜率(即泊松比)，可得0%、3%、6%以及9%微纖量的水泥石泊松比分別為0.15、0.17、0.18以及0.21。此結果表明，隨著微纖替代量的增加，水泥石剛性降低，變形量增大。

圖2為空白試樣與添加微纖的試樣的掃描電鏡微觀形貌分析。如圖2所示，空白試樣基體內部存在微小裂縫，這些裂縫可能產生于試樣養護過程中的收縮，而對于添加微纖的試樣，基體致密，沒有微裂縫。進一步發現，鑲嵌在水泥基體的微纖與水泥基體結合緊密，微纖表面略變得粗糙。硅灰石能降低水泥石堿度，在水泥水化過程中產生氫化化鈣反應。據此可以推斷，造成微纖表面變得粗糙的原因是微纖表面參與了水泥的水化反應。從纖維增強角度來說，這種水化反應可提高微纖與水泥基體的握裹力，防止在拉伸過程中微纖被拉出水泥石基體，從而有助于發揮微纖增加抗拉強度的作用。

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(4)水泥石抗沖擊試驗：采用落錘法表征水泥石抗沖擊性能[1-2]。

(5)水泥石微觀相貌分析：采用Camscan公司CS-3400型掃描電鏡進行形貌分析。

2.2 實驗內容

水泥漿基本配方為：100% G級水泥+37%淡水+4%PCG80L+2%PC-F44L+1%PC-X60L。在基本配方的基礎上，分別以3%、6%及9%(bwoc)微纖替代水泥，考察不同添加量的微纖對水泥石力學性能的影響，以及對流變性的影響。

3 結果與討論

3.1 微纖對抗壓強度及抗拉強度的影響

以3%、6%、9%(bwoc)微纖替代水泥后，其抗壓強度和抗拉強度相比空白樣的狀況如表1所示。從表1可以看出，隨著微纖替代量的增加，水泥石抗壓強度逐步降低，9%替代量的水泥石試樣相比空白樣，抗壓強度降低幅度達25%。這可能是由于隨著微纖替代量增加，水泥石基體內的膠凝材料水泥逐步少的原因。雖然以微纖替代水泥后，水泥石抗壓強度有所降低，但水泥石強度基本上仍在30 MPa以上。對于固井水泥石來說，14 MPa抗壓強度足以滿足層間封隔和支撐套管的作用，地應力和后繼作業帶來的應力破壞，在很大程度上表現為拉伸應力破壞。另外，如圖1所示，隨著微纖替代量的增加，水泥石抗拉強度逐步增加，替代量為9%的試樣相比空白試樣，其抗拉強度增加幅度達33.3%。從表1可以看出，隨微纖替代量的增加，水泥石的拉壓比逐步增加，這說明了水泥石柔性隨著微纖替代量的增加逐步得到了改善。

圖1 微纖加量與水泥石變形關系

表1 微纖對水泥石抗壓及抗拉強度的影響

3.2 壓縮時的破壞形態

減少VOC對人造板行業意味著什么？可持續建筑產品聯盟的Simon Corbey和邦戈大學的生物復合材料中心的Ceri Loxton結合了他們的專業知識來解釋一個將越來越重要的問題。

3.3 微纖對水泥石模量及泊松比的影響

(2)水泥石抗拉強度：參照ASTM C307-03標準進行測定。

3.4 微纖對水泥石抗沖擊性能的影響

水泥環在斜度較大的井段，常遭受鉆桿及井下工具的撞擊而發生破裂。在射孔完井時，水泥環易遭受射孔彈的爆破波而發生破裂。通常的做法時在水泥基體中加入彈塑性材料或及纖維材料。目前，表征油井水泥石抗沖擊性能還沒有統一的方法，本文采用Schlumberger公司的落錘法，該方法試驗結果直觀，以抗擊次數表征水泥石沖擊性能。抗沖擊次數越多，表明水泥石不易遭受沖擊破壞。以3%、6%、9%(bwoc)的微纖替代水泥后，結果發現，空白試樣僅1次沖擊，就完全碎裂，而3%、6%及9%微纖替代量的水泥石，分別可承受2～3次、4～5次、5～7次的沖擊，即隨著微顯替代量的增加，抗沖擊次數增多。在落錘沖擊過程中，水泥石試樣要承受高應變率的壓縮，鑲嵌在水泥石基體內的微纖，增強了水泥石基體的連續性，減少了沖擊波被阻斷引起的局部應力集中現象。在宏觀上，微纖表現為在水泥石中能較好地吸收沖擊能量，增強了抵制沖擊破壞的能力。

3.5 微纖對水泥石微觀形貌的影響

(3)水泥石模量及泊松比：參照ASTM D3148-02標準進行測定。

從表2可以看出：在知識導入和體驗上，浙教版以數學問題直接進入，但缺少知識體驗過程，而美GMH版沒有知識導入，是讓學生在解決瓷磚問題的過程中，通過平方運算思考平方根與平方數的關系，從而引入開平方和平方根.在知識應用上，浙教版先以例1幫助學生鞏固開平方和平方根的概念以及開平方與平方的互逆關系，再以例2強化學生對平方根、算術平方根、負平方根的區別(見圖3)；而美GMH版則直接以例題來介紹正負平方根和平方根，以及平方根在解方程中的應用(見圖4).相比之下，浙教版的例題安排更合理，有利于學生對不同知識點的區分.另外，兩版教材均以文字、符號來表征平方根的概念，且都沒有知識拓展.

在非剛性壓力機上進行單軸壓縮時，從試樣的破壞形態上可以發現，微纖替代水泥的試樣相比空白試樣在受壓破壞時形態完整，均能基本保持原有形態，且受壓破壞過程趨于“溫和”，而空白試樣在受壓破壞時出現“崩裂”現象。這主要是因為鑲嵌在水泥石基體中的微纖，在壓縮破壞過程中，在一定程度上能阻止微裂紋的擴展，從而減慢微觀裂紋合成宏觀裂紋而導致水泥石迅速破壞。

(1)水泥石抗壓強度：依據API R10B規范進行測定。

圖2 掃描電鏡分析

3.6 微纖對水泥漿流變性的影響

微纖對水泥降流變性的影響如表2所示。從表2可以看出，隨著微纖的替代量增加，對水泥漿流變性的影響趨于明顯。這主要是因為，微纖呈現針狀形貌，長度主要集中在20～60 μm之間，其長徑比約為5∶1～10∶1，而水泥顆粒呈現顆粒狀，平均粒徑約為35 μm，隨微纖替代水泥量的增加，針狀微纖對水泥漿體中水泥顆粒間相互滾動的影響就趨于明顯。對于0.44水灰比的水泥漿體，6%的微纖替代量較為適中，9%的微纖替代量對水泥漿體流變性的影響已顯著。當然在實際應用中，以微纖對水泥漿體流變性影響不顯著為前提，通過實驗確定微纖替代水泥的量。

表2 微纖對水泥流變性的影響

4 結語

對于0.44水灰比的水泥漿，以3%、6%及9%(bwoc)微纖替代水泥，考察不同替代量的微纖對水泥石力學性能的影響，以及對流變性的影響，有下結論：

(1)隨微纖替代水泥量的增加，水泥石抗壓強度有所降低，在9%微纖替代量時，抗壓強度降低幅度相比空白試樣為25%，水泥石抗壓強度可保持在30 MPa以上。另外，隨微纖替代水泥量的增加，水泥石抗拉強度和拉壓比逐步增加。

(2)隨著微纖替代量的增加，塑性變形階段的擴大，模量降低，泊松比增大，抗沖擊次數增多。

(3)微纖對水泥漿流變性的影響隨微纖替代量增加而趨于明顯，9%微纖替代量已影響顯著。

(4)微纖可參與水泥基體反應，從而增加了微纖與水泥基體的握裹力。