固井水泥浆中增强材料的运用及讨论_李成.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-01-06修回日期 2020-04-13 第一作者简介 李成 （1985-） ， 男 （汉族） ， 天津人， 工程师， 现从事固井技术工作。 固井水泥浆中增强材料的运用及讨论 李成*1， 王晓亮 2， 赵 强 2， 杨晓榕2 （1.中海油田服务股份有限公司油田化学事业部塘沽作业公司固井事业部， 天津 300459； 2.荆州嘉华科技有限公司， 湖北 荆州 434000） 摘要 长期以来， 纤维作为一种增强固井水泥浆性能的辅料被广泛运用。然而， 市面上纤维类型众 多， 研究不同类型纤维对水泥浆性能影响几何对于生产过程中纤维的选型工作具有极大的指导意 义； 另外， 纤维的加量对水泥浆各种性能的影响也不相同， 加量太少， 达不到堵漏、 增韧增强的效果； 加量太多， 水泥浆太稠， 生产作业过程中， 泵送难度加大， 可能适得其反； 鉴于上述情况， 室内评价不 同纤维对水泥浆性能的影响， 优选出合适的纤维， 然后对优选的纤维进行不同加量优化实验， 得到纤 维最终在油井水泥浆中的加量范围， 结果表明 该加量范围下配置的水泥浆满足现场施工要求。 关键词 纤维； 固井； 水泥浆； 作用； 加量 中图分类号 TE256 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0062-05 1概述 通常将纤维掺入在水泥浆中其主要的功用在于提 升水泥石的力学特性。归纳起来， 纤维对油井水泥石 性能的提升主要包括以下4个方面。 （1） 增强作用。通常情况下， 水泥石本体的强度不 会很高， 如果水泥石本体内有存在缺陷的话， 很难保证 其高的强度， 如果优选合适种类及合理加量的纤维加 入水泥浆当中， 对于水泥石强度的提升有积极的作用。 （2） 增韧作用。水泥环在外部作用力下会使固井 屏障产生裂缝， 纤维具有一定的韧性， 可以在固井屏障 裂缝处产生一定的拉应力， 而阻止固井屏障裂缝变大， 即纤维有效地增加了水泥石的塑性。 （3） 桥架堵漏作用。水泥浆中加入纤维， 搅拌后使 其均匀分散到水泥浆中， 能在易漏及复杂地层形成结 构力较强的桥架结构 （见图1） ； 以此同时， 水泥及其他 大颗粒物在桥架上聚集， 形成坚固的屏蔽带， 有效地阻 止油井工作液的漏失及地层发生气窜。 （4） 阻裂作用。见图2， 纤维对水泥石中裂缝的形 成及发展起到了很好的阻碍作用； 该作用既能在水泥 浆候凝阶段起作用， 又能在水泥浆已经产生高的强度 阶段起到作用。一般情况下， 前期24h内， 掺入纤维的 水泥浆的抗拉强度不会很高， 如果其受到外部的各个 方向的作用力， 在其水化反应过程中极易形成缝隙， 而 水泥石中的纤维， 由于其本身的塑性会有效地阻止或 降低裂缝的产生。水泥浆水化作用完成后， 水泥石硬 度增强， 但在井筒环境中还会受到来自不同方向的压 应力及拉应力， 如果水泥石不具有足够的韧性， 也很容 易产生裂缝， 这种情况下， 纤维阻止或降低裂缝产生的 效果更明显。 2纤维影响水泥石性能因素分析 对于掺入纤维的水泥浆， 以下5种因素对纤维能否 起到增强、 增韧、 桥架、 阻裂作用至关重要， 这5种因素 分别如下所述。 2.1纤维种类 不同种类的纤维， 其物理特性包括泊松比、 最大 伸展率、 弹性模量及抗冲击和抗拉强度等都不会相 同， 因此， 对水泥石力学性能的影响也不同。通常情况 下， 普通水泥石抗拉强度要比纤维的抗拉强度低两个 数量级； 然而就弹性模量而言， 不同纤维可是千差万 别， 与水泥石相比， 有的纤维如钢纤维与碳纤维的弹 性模量要高一些， 有的纤维包括很多合成纤维与天然 植物纤维的弹性模量会低一些， 这主要是一些有机纤 维。泊松比的大小对于纤维能否发挥作用至关重要， 若纤维的泊松比过大， 而一般水泥石的泊松比在 0.20～0.22之间， 这样就会出现水泥石中纤维脱离的现 象。表1为油井水泥浆中使用较广泛的几种纤维的一 62 2020年第10期西部探矿工程 些基本性能， 从表中可以看出金属玻璃纤维对纤维 水泥复合材料力学性能的提升是较好的， 本文中的实 验部分选用该纤维进行研究。 图1纤维水泥浆堵漏原理示意图 2.2纤维的尺寸 油井水泥石出现裂缝后， 其本体无法承载拉力， 而 加入纤维后， 与裂缝垂直方向的纤维能够承受拉伸应 力， 这样就增加了水泥石的塑性； 这种作用主要是通过 纤维将其机械咬合力和粘合力传递给水泥石本体， 改 变水泥石本体的应力分布， 限制本体内缝隙的发展； 但 是， 纤维尺寸过短， 其在基体损毁处机械咬合力和粘合 力太小， 就不能限制本体内缝隙的发展， 起不到增加水 泥石塑性的作用， 纤维尺寸过长， 作业时不好泵送， 缠 绕设备， 同时还会增大水泥浆的流动阻力， 这样也大大 增加了水泥浆的切应力及塑性粘度。所以， 合理的纤 维长度是提高纤维水泥石韧性的一个关键因素。从表 2 可知5.0mm纤维长度对水泥石力学性能最佳。 纤维品种 尼龙纤维 碳钢纤维 普通纤维 纤维素纤维 聚丙烯膜裂纤维 金属玻璃纤维 剑麻纤维 抗碱玻璃纤维 聚丙烯单丝纤维 密度g/cm3 1.15 7.80 0.91 1.20 0.91 7.20 1.5 2.70 0.91 弹性模量 （GPa） 5.0～6.0 200～210 3.79 9.0～10.0 5.0～6.0 140 13.0～12.0 70～75 3.5～4.8 抗拉强度 （MPa） 900～960 500～2000 330～414 500～600 500～700 2000 800～850 1400～2500 500～600 断裂延伸率 （） 18～20 3.5～4.0 20～70 15～20 3.0～5.0 2.0～3.5 15～16 表1几种常见纤维对水泥石力学性能的影响 图2纤维在水泥石中的状态 2.3纤维的加量 纤维材料与水泥浆有良好的配伍性， 并有一定的 润滑作用。如果纤维的加量太少是起不到润滑效果 的； 纤维加量太大， 作业时不好泵送， 缠绕设备， 同时还 会增大水泥浆的流动阻力。多方面的因素决定纤维的 加量必须要合适。室内选取5.0mm长度的纤维做加量 变化试验， 实验结果见表3。从表3的结果得出， 纤维 加量的增大对水泥石的抗压强度影响不大， 弹性模量 降低， 而水泥石抗折强度、 剪切强度与拉伸强度有略微 的升高， 水泥石抗冲击强度增幅较明显， 但当纤维加量 超过0.6时， 水泥石的各项性能提升不大。 2.4纤维的方向 通过调研相关文章得知， 纤维在水泥石中的方向 对纤维发挥作用影响巨大， 应力方向与纤维方向一致 时， 纤维对水泥石性能提升的作用最大。归结起来， 纤 维在水泥石中的走向有四种， 表4为四种纤维走向的效 63 2020年第10期西部探矿工程 率。图3为纤维不同的走向形式二维图。通过图3和 表4可以归纳出下面几点 （1） 连续纤维利用效率最大是在纤维走向与应力 方向一致， 该状态下纤维的效率系数为100。 （2） 短纤维的取向倾向性决定了纤维总的利用 率。当纤维分布混乱时， 其利用率也不高， 该状态下纤 维的效率系数仅为36； 当纤维分布具有一定的倾向 性时， 其利用率有所提高， 该状态下纤维效率系数最高 可达74。 （3） 连续纤维正交方向定向排列可使纤维的效率 系数达到100。该种状态下， 纤维通常呈网格分布。 （4） 短纤维呈三维乱向分布排列导致纤维的效率 系数达到最低， 仅为16～19。 2.5纤维外貌形态与表面光洁度 纤维的外貌形态与表面粗糙度对纤维与水泥基体 的粘结强度影响较大。纤维外貌形态指的是纤维横截 面形貌随着纤维长度的变化而变化， 纤维是一根或者 多根等。纤维的表面光洁度主要是指纤维表面的粗糙 程度以及是否存在覆盖层等 （见图4） 。当纤维截面为 矩形时， 其与水泥基体咬合力大于截面为圆形的纤维， 纤维横截面形貌随着纤维长度的变化大的， 与水泥基 体的咬合力大于横截面恒定不变的。单丝状纤维的直 径与集束状纤维相同时， 后者适当蓬松， 对于纤维和水 泥石基体的粘结有利。纤维的表面光洁度越差， 又有 利于与水泥石基体的咬合力。 3纤维加量对水泥浆综合性能的影响 在水泥浆中加入纤维虽然对水泥石物理性能的提 升有积极的作用， 且随着其加量的逐步增加对水泥石韧 纤维方向 一维定向1D 二维乱向2Dr 二维定向2Da 三维乱向3D 纤维形式 连续纤维 短纤维 连续纤维网格布 短纤维 效率系数/100 100 36～74 各向100 16～19 表4纤维在纤维增强水泥基复合料中的取向 纤维加量 （） 0 0.3 0.6 0.9 抗压强度 （MPa） 20.4 23.0 22.8 20.4 抗折强度 （MPa） 4.7 5.3 5.7 5.9 抗冲击强度kJ/m2 1.77 2.62 3.14 3.82 弹性模量 （GPa） 2.93 2.79 2.44 2.33 剪切强度 （MPa） 4.07 4.34 4.49 4.32 拉伸强度 （kPa） 283 340 324 307 表3不同纤维加量对水泥石力学性能的影响 注 水泥石养护条件为60℃24h； 配方 G级水泥10微硅35硅砂4降失水剂1分散剂0.4 缓凝剂0.5消泡剂20胶 乳5.5mm纤维。 类别 空白 金属玻璃纤维0.1 尺寸 （mm） 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 抗压强度 （MPa） 20.1 20.9 20.6 19.2 21.5 22.1 抗折强度 （MPa） 4.3 5.3 4.5 5.8 4.1 4.3 抗冲击强度kJ/m2 1.69 1.89 2.01 2.10 1.99 1.97 弹性模量 （GPa） 2.87 2.59 2.62 2.68 2.79 2.90 注 水泥石养护条件为60℃24h； 配方 G级水泥10微硅35硅砂4降失水剂1分散剂0.4 缓凝剂0.5消泡剂20胶 乳纤维。 表2不同长度纤维对水泥石力学性能的影响 64 2020年第10期西部探矿工程 性的提升也一直存在， 然而是否其掺量越大对水泥浆的 性能越有利， 还需考量纤维加量对水泥浆流变性的影响 以及其他施工性能的影响。实验室评价了纤维掺量对 水泥浆流变性及施工性能的影响， 评价结果见表5。 图3纤维在增强水泥基复合材料中的取向方式 a一维定向1D； c二维乱向2Dr； b二维定向2Da； d三维乱向3D 图4单丝状纤维在水泥石中的微观形貌 表5不同加量纤维对水泥浆流变失水的影响 纤维加量 0 0.3 0.6 0.9 Ф600/Ф300 -/210 -/215 -/217 -/240 Ф200/Ф100 165/105 159/106 140/106 137/106 Ф6/Ф3 18/16 21/19 27/25 28/26 API失水量mL/ 60℃ 30min 15.5 13.9 14.8 12.9 注 养护条件为60℃20min； 配方 G级水泥10微硅35硅砂4降失水剂1分散剂0.4 缓凝剂0.5％消泡剂20胶乳纤 维。 实验结果表明， 当纤维的掺量逐步增大时， 水泥浆 六速旋转粘度计Ф6/Ф3值也逐步增加， 而水泥浆的高温 高压失水量在减小。这表明纤维的掺量增大会对水泥 浆有增稠作用， 与此同时可以降低水泥浆的高温高压 失水。 纤维加量变化对水泥浆稠化性能的影响的评价结 果见图5。 从图5可以看出， 纤维掺量的逐步增大缩短了水泥 浆的稠化时间， 且延长了水泥浆的稠化转化时间， 这说 明纤维掺量增大具有一定的促凝作用， 同时对水泥浆 的稠化转化时间有很大的影响； 当纤维加量为0.9时， 水泥浆初始稠度及稠化转换时间已不能满足固井作业 技术指标要求； 这是由于水泥浆中游离水大量吸附在 亲水纤维的表面， 致使水泥浆的内摩擦阻力增大， 稠度 增加， 在碱性环境下的纤维表面也可能产生一定的水 化和壁面的软化， 促进硅胶类物质的形成、 迁移和与水 泥水化产物的作用， 进而影响水泥浆的水化进程和稠 化时间。综合以上分析， 我们选取纤维加量控制在 0.3～0.6。 图5纤维加量对水泥浆稠化性能的影响 注 实验条件 60℃25MPa， 水泥浆密度1.8g/cm3； 配方 G级水 泥纤维10微硅35硅砂0.5％消泡剂4降失水剂20 胶乳1分散剂0.4 缓凝剂 （实验条件 60℃24MPa） 。 65 2020年第10期西部探矿工程 4结论 （1） 纤维水泥复合材料中， 纤维主要有桥架堵漏 作用、 增韧增强作用、 阻裂作用， 而影响纤维效能的主 要因素有纤维的品种、 纤维的长度、 纤维的加量及纤维 的取向； （2） 室内研究表明在诸多纤维类型中， 金属玻璃纤 维长度为5.0mm时对水泥石力学性能提升最大； （3） 当纤维加量增大时， 会使得水泥浆粘度增加， 水泥浆的失水会降低； 当加量增加至0.9时， 水泥浆初 始稠度及稠化转换时间已不能满足固井作业技术指标 要求； 故现场生产作业中， 选取纤维加量为0.3～0.6 为宜， 在该加量范围下， 既能保证水泥浆力学特性， 又 能保证其安全性能。 参考文献 [1]幸弋曜.固井注水泥用纤维及颗粒材料堵漏和增韧实验研 究[D].西南石油大学，2011. 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