短切纤维增强水泥基胶凝材料力学性能研究.pdf
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1、2023.No.8-1-0引言油气井固井领域中,水泥浆通常被注入到套管与井眼之间的环形空间内,凝结固化后的水泥环具有封隔油气水层、支撑井壁、保护套管以及保障后续安全生产等作用1。硅酸盐水泥作为一种无机非金属材料,在压裂、循环注采、试压等复杂工况下容易引起塑性变形或脆性破裂,进而导致层间窜流、环空带压等问题2-3。因此,改善水泥石力学性能对于提高水泥环封隔质量以及后续安全施工显得尤为重要。当前主流方式是通过向水泥灰中加入韧性材料来改善水泥石的力学性能,至今使用较多的韧性材料类型主要有晶须、纤维、微型颗粒、胶乳以及合成树脂等4-7,其中,短切类玄武岩纤维和耐碱玻璃纤维有着可分散性好、加量少、成本可
2、控、材料市场易获得等优势,在固井行业中使用较广。有大量学者研究表明,玄武岩纤维和耐碱玻璃纤维能够在一定程度上增强水泥石的抗压强度、抗折强度、抗冲击性能和力学变形能力8-12,但鲜有对两种材料的耐温性、耐腐蚀、耐久性进行对比研究,并且在对水泥石力学性能影响机制上也有待完善。因此,笔者选取玄武岩纤维和耐碱玻璃纤维作为研究对象,开展了两种材料在不同养护温度、不同龄期条件下对水泥石力学性能的影响对比,探讨了其改善机制,期望为水泥基胶凝材料配方优选提供一定的参考。短切纤维增强水泥基胶凝材料力学性能研究薛元陶1,曾勇2,曾雪玲1,古安林1,魏雪琦1(1.嘉华特种水泥股份有限公司,四川乐山614003;2.
3、中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆固井公司,陕西西安710018)摘要:为了改善油气井固井用硅酸盐水泥石的性能,通过测试水泥浆工程性能、水泥石力学性能及渗透性,结合SEM和XRD分析其微观结构及水化产物,探讨了两种纤维在增强水泥石力学性能方面的耐温耐久对比及作用机制。结果表明:1.0%的纤维对水泥浆工程性能促进效果最好;90 下,玄武岩纤维耐温耐久性能较差,在水泥基体中被完全腐蚀,促进水泥水化产物及微裂缝的生成同时增强了水泥石强度,28 d后,水泥石抗压强度相比于空白样提高了16.71%;同龄期下,相比于空白样,耐碱玻璃纤维水泥石抗压强度降低了9.88%,抗折与抗拉强度分别提高了33.43%
4、和23.17%,弹性模量降低了32.38%。表明耐碱玻璃纤维虽然一定程度上抑制了强度的发展,但其能够在水泥基体中稳定存在并能限制微裂缝的产生及扩展,拔出过程中消耗了大量能量,从而提高了水泥石的韧性。关键词:玄武岩纤维;耐碱玻璃纤维;力学性能;微观形貌;水化产物Abstract:In order to improve the properties of Portland cement used for cementing oil and gas wells,the temperature resistance and durability of two kinds of fibers in en
5、hancing the mechanical properties of Portland cement were discussed by testing the engineering properties of cement slurry,mechanical properties and permeability of cement,and analyzing the microstructure and hydration products by SEM and XRD.The results showed that 1.0%fiber had the best effect on
6、improving the engineering properties of cement slurry,the basalt fiber had poor temperature resistance and durability at 90 C,and was completely corroded in cement matrix,which promoted the formation of hydration products and micro-cracks of cement and the strength of cement was enhanced at the same
7、 time.After 28 days,the compressive strength of the cement stone increased by 16.71%compared with the blank sample.At the same age,compared with that of the blank sample,the compressive strength of alkali resistant glass fiber cement decreased by 9.88%,the flexural strength and tensile strength incr
8、eased by 33.43%and 23.17%respectively,and the elastic modulus decreased by 32.38%.The results showed that although alkali resistant glass fiber inhibited the development of strength to a certain extent,it can stably exist in the cement matrix and limit the generation and expansion of micro-cracks,wh
9、ich consumed a lot of energy in the pulling out process,thus improving the toughness of the cement.Key words:basalt fiber;alkali-resistant glass fiber;mechanical properties;microstructure;hydration productFirst authors address:Jiahua Special Cement Co.LTD.,Leshan 614003,Sichuan,China中图分类号:TU528.04文献
10、标志码:A文章编号:1002-9877(2023)08-0001-06DOI:10.13739/11-1899/tq.2023.08.001基金项目:四川省区域创新合作项目(2021YFQ0045)-2-2023.No.81试验1.1试验材料G级高抗油井水泥(嘉华特种水泥股份有限公司);消泡剂DF-A(成都欧美克石油科技股份有限公司);玄武岩纤维(四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司);耐碱玻璃纤维(泰山玻璃纤维有限公司)。两种纤维的具体指标见表1。表1纤维的物理力学性能纤维种类长度/mm直径/m密度/(g/cm3)抗拉强度/MPa弹性模量/GPa玄武岩纤维314162.651 20075耐碱玻璃纤
11、维317202.681 700721.2试验仪器所用试验仪器包括:OWC-9360G型恒速搅拌器(沈阳航空航天大学应用技术研究所)、OWC-1080A常压养护箱(沈阳市石油仪器研究所)、NCCQ-2217常压稠化仪(天津宁赛科技有限公司)、OWC-9510型高温高压失水仪(沈阳航空工业学院应用技术研究所)、8340增压稠化仪(美国千德乐工业仪器公司)、YAW-300B型电液式水泥压力试验机(浙江竞远机械设备有限公司)、DKZ-5000型电动抗折试验机(无锡市锡仪建材仪器厂)、RTR-1000型高温高压岩石三轴仪(美国GCTS公司)、Quanta 250型环境扫描电子显微镜(美国FEI公司)、D
12、8 ADVANCE X射线衍射仪(德国布鲁克公司)、TG-3021型渗透率测定仪(沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司)。1.3试验方法1.3.1水泥浆制备及养护根据GB/T 102382015油井水泥,使用恒速搅拌器制备水泥浆,短切纤维水泥浆配方如表2所示。通过测试水泥浆工程性能,选出纤维最优掺量配比,然后将优选出的纤维水泥浆放入常压养护箱中进行养护,养护温度分别为20、60、90,养护龄期分别为1 d、7 d、14 d、28 d,以此探讨纤维在水泥石中的耐温、耐碱、耐久性以及其增强增韧效果。1.3.2工程性能测试水泥浆流动度测试参考GB/T 80772012混凝土外加剂匀质性试验方法 中“水泥
13、净浆流动度”测试方法进行,试样数量不应少于三个,结果取平均值。水泥浆滤失量测试按照GB/T 191392012油井水泥试验方法 进行,试验温度为52,测试压力为6.9 MPa,测试时间30 min,测试结果不少于两次,试验结果取平均值。表2不同纤维掺量样品编号及配方(质量分数)%编号G级油井水泥玄武岩纤维耐碱玻璃纤维消泡剂水XW-0100000.0544XW-1XW-2XW-3XW-4XW-5XW-6XW-7XW-8XW-9XW-101001001001001001001001001001000.30.61.01.52.000000000000.30.61.01.52.00.050.050.0
14、50.050.050.050.050.050.050.0544444444444444444444水泥浆稠化时间试验按照GB/T 102382015油井水泥进行,试验温度为52,试验压力为35.6 MPa,升温时间为28 min。1.3.3力学性能测试水泥石抗压强度和劈裂抗拉强度均采用电液式水泥压力试验机进行测定,抗压强度试样尺 寸 为 50.8 mm50.8 mm50.8 mm,抗 拉 强 度试样尺寸为50 mm25 mm。采用电动抗折试验机对水泥石抗折强度进行测定,试样尺寸为40 mm40 mm160 mm。按照GB/T 502662013工程岩体试验方法标准,水泥石三轴应力应变试验采用高
15、温高压岩石三轴仪,试验条件:温度90,围压20 MPa,以2 kN/min恒速加载。1.3.4机理表征分析采用环境扫描电子显微镜观察纤维在水泥石中的分布状态、耐碱情况以及增韧方式。使用X射线衍射仪对水泥石进行物相分析,观察纤维在不同温度、不同龄期条件下对水化产物的影响。水泥石渗透率采用渗透率测定仪进行测定,分析纤维对水泥石渗透率的影响。2结果与讨论2.1纤维掺量对水泥浆工程性能的影响不同纤维掺量下水泥浆工程性能见表3。从表3可见,玄武岩纤维和耐碱玻璃纤维掺入水泥浆中均会降低水泥浆的流动度、滤失量以及稠化时间。其中,当纤维掺量超过1.0%时,纤维对水泥浆工程性能的影响程度尤为明显,同时纤维容易产
16、生团聚现象。相比于掺量0.3%和0.6%,纤维掺量为1.0%时,对水泥浆滤失量降低最多,且对水泥浆流动度、初始稠度以及稠化时间影响较小。因此,选取玄武岩纤维和耐碱玻璃纤维掺量均为1.0%,以此开展后续纤维水泥石改善效果及机制研究。2023.No.8-3-薛元陶,等:短切纤维增强水泥基胶凝材料力学性能研究表3不同纤维掺量下水泥浆工程性能编号纤维掺量/%流动度/mm滤失量/mL初始稠度/Bc稠化时间/minXW-0020019018116XW-1XW-2XW-3XW-4XW-5XW-6XW-7XW-8XW-9XW-100.30.61.01.52.00.30.61.01.52.01991981971
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