玄武岩纤维对油井水泥石韧性改善的室内研究

陈凡斌　张浩

（中海油田服务股份有限公司油田化学事业部油田化学研究院，河北 三河 065201）

【摘要】为解决油井水泥石脆性大的缺点，使用玄武岩纤维对油井水泥石进行增韧改性及性能评价，以抗压强度、抗折强度、抗冲击性能来评价玄武岩纤维的增韧性能。室内评价结果表明：玄武岩纤维对油井水泥石具有很好的增韧效果，掺入纤维后，不同温度下养护的水泥石抗折强度、抗冲击性能均有所提高，但抗压强度略有下降。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 固井水泥；韧弹性；纤维改性

作者简介：陈凡斌，男，本科，中海油田服务股份有限公司油田化学事业部油田化学研究院，工程师，研究方向为固井工艺及外加剂。

0引言

固井作业中，水泥石是构成井内水泥环的主要材料，起到封隔地层、保护套管的功能[1]。但水泥石是脆性材料，在地下复杂应力情况下极易发生破裂，使水泥环的封隔作用彻底失效，造成油、气、水层之间的窜流。由于高脆性是水泥石固有的缺陷，无法通过改进固井工艺提高其韧性，减少其脆性破坏，因此在油井水泥中掺入增韧材料是改善油井水泥石韧性的有效途径[2-3]。国内外改善水泥石韧性的材料主要有胶乳增韧材料、颗粒状增韧材料和纤维增韧材料等。

纤维材料在固井中的应用较为广泛，但不同于堵漏纤维，增韧纤维必须具有高模量，才能对水泥石起到增韧作用；有些纤维虽具有较高弹性，但在阻裂性能方面存在明显不足，钢纤维和高弹模纤维等能显著提高水泥石的抗裂性，但存在流动性和泵送性差等缺陷[4]。玄武岩纤维的稳定性好，而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能，是我国重点发展的四大纤维之一。本文将玄武岩纤维引入到油田固井中，通过大量室内实验分析，评价了加入玄武岩纤维后水泥浆的常规性能，并以抗冲击性能、抗折强度、抗压强度评价了玄武岩纤维对油井水泥石的增韧效果。

1实验仪器及方法

1.1实验材料及用途

G级油井水泥（产地：山东）、降失水剂、分散剂、减轻材料、增强剂、消泡剂等水泥外加剂（产地：天津）

1.2实验仪器

水泥浆恒速搅拌器、常压稠化仪、高温高压失水仪、六速旋转粘度仪、高温养护釜、高温高压稠化仪、水泥石强度试验机、OWC-1011型万能试验机、抗冲击试验机。

1.3实验方法

（1）配浆：外加剂采用外掺法，掺量为占水泥干灰重的百分数( %，BWOC) 。按 GB 10238-1998中的要求配浆，水泥浆性能按照API 10B中的要求进行测试；

（2）抗折强度的测定：将配制好的水泥浆倒入1cm×1cm×6cm的试模中，置于一定温度的水浴中养护不同龄期后脱模，用电动抗折仪测定抗折强度；

（3）抗冲击性能的测定：将配制好的水泥浆倒入1cm×1cm×6cm的试模中，置于50℃的水浴中养护7d后脱模，用落锤法测定其抗冲击性能；

（4）抗压强度的测定：将配置好的水泥浆导入5cm×5cm×5cm的试模中，置于一定温度的水浴中养护24小时后脱模，用抗压强度试验机测试其抗压强度的大小，测试按照API 10B的要求进行。

2结果与讨论

2.1玄武岩纤维对固井水泥浆常规性能的影响

按照下表中配方进行不同水泥浆配制，并测试水泥浆流变、失水、稠化时间，以确定玄武岩纤维对水泥浆常规性能的影响。

表1水泥浆配方及常规性能

从上表中的测试结果可以看出：随着玄武岩纤维加量的增加，水泥浆失水、稠化时间、流变性能均变化不大，玄武岩纤维对水泥浆常规性能基本没有影响，实验中还选取了玻璃纤维与聚丙烯纤维配制的水泥浆作为对照，可以发现，加入这两种纤维的水泥浆，其失水都有所减少，从空白水泥浆的37.6ml分别下降到17.8、18.4ml，但其流变性能下降，φ300读数由126分别上升至227，245。这与其他研究者的研究一致[5]。因此使用这两种纤维时必须注重加量，加量过大会造成水泥浆过稠，不易流动，但在使用玄武岩纤维时则无此现象发生。这或许是与使用的玄武岩的长径比较小，而玻璃纤维、聚丙烯纤维的长径比较大有关，当进行流变测试时，长纤维与流变仪的转子之间产生较大摩擦，造成流变读数偏大。

2.2玄武岩纤维对水泥石抗压强度的影响

抗压强度是水泥石最重要的性能指标之一，关系到井下水泥环井下封隔的长期有效性。在实验室内考察了不同纤维掺量下的水泥石在不同养护温度下的抗压强度，以考察其对抗压强度的影响。

表2不同纤维掺量对水泥石抗压强度的影响

从实验结果中可以看出，加入玄武岩纤维后，水泥石抗压强度均有所下降，80℃、50℃、30℃下养护的水泥石均呈现这一趋势，且随着纤维掺量的增加，水泥石抗压强度下降的更为明显。与之相同的是，加入聚丙烯纤维及玻璃纤维的水泥石其抗压强度也呈下降趋势。但有文献报道，随着养护龄期的增长，在7d时，掺入纤维的水泥石其抗压强度普遍超过空白水泥石[6]。

2.3玄武岩纤维对水泥石抗折强度的影响

抗折强度是评价水泥石韧性的重要指标，一般来说，抗折强度大，则说明水泥石韧性高。按照表2中配方1-6进行水泥浆的配制，并测试其不同龄期抗折强度，实验结果如下：

表3不同纤维掺量对水泥石抗折强度的影响

从实验结果中可以看出，加入玄武岩纤维后水泥石抗折强度均上升，掺量2%时，养护1d、2d、7d的水泥石抗折强度分别增长21.7%、28%、41%，掺量3%时，其抗折强度仍有所增长，但幅度较小，从经济角度来说，掺量为2%时比较适合。聚丙烯纤维及玻璃纤维则几乎对水泥石抗折强度无增长作用。

2.4玄武岩纤维对水泥石抗冲击性能的影响

固井完成后，水泥石受到射孔、压裂等开采方式的影响极易开裂，其本质是井下应力的反复变化所引起。因此，水泥石的抗冲击性能也是保证井下水泥环长期有效性的重要指标。按照ACI 544的推荐，采用落锤法评价不同掺量纤维时的水泥石的抗冲击性能，通过以下几项指标考察其抗冲击性能：（1）出现第一条裂缝时的初裂冲击次数N1；（2）试件完全被破坏时的破坏冲击次数N2；（3）冲击功W及抗冲击韧性比C，其计算方式如下：

W=N2·mgh

C=W1/W2

式中，m——冲击锤质量；

g—— 重力加速度，9.8m/s2；

W1——空白水泥石的抗冲击功；

W2——加入纤维后水泥石的抗冲击功；

在实验室的评价结果如下图所示：

图1玄武岩纤维对水泥石抗冲击性能的影响

图2玄武岩纤维掺量与抗冲击韧性比的关系

由图1可知，随玄武岩纤维掺量增加，水泥石的初裂冲击次数及破坏冲击次数均增加，当玄武岩纤维掺量为3%时，水泥石破坏冲击次数达到了119次的最大值。与之相比的是，空白水泥石的破坏冲击次数仅为29次。继续加大玄武岩纤维掺量至6%时，其破坏冲击次数下降至59次，但仍较空白水泥石高。由图2可知，抗冲击韧性比与破坏冲击次数呈现相同的变化趋势。在掺量为3%时，达到4.1的最大值。

3结论

（1）玄武岩纤维对油井水泥石的常规性能如水泥浆稠化时间，流变的影响较小，这与其他纤维不同，同时，对失水有明显的减少作用。

（2）玄武岩纤维对油井水泥有很好的增韧作用，掺量2%时，养护1d、2d、7d的水泥石抗折强度分别增长21.7%、28%、41%，掺量3%时，水泥石破坏冲击次数达到119次，远高于空白水泥石的29次。

（3）掺入玄武岩纤维的油井水泥石24小时抗压强度略有降低，但仍然满足施工需求。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献

［１］穆海朋,步玉环,程荣超.纤维水泥的发展及应用[J].石油钻探技术,2005(33):33-35.

［２］黄河福,步玉环,王瑞和.纤维对水泥石常规性能影响规律的实验研究.西部探矿工程,2007(4):47-49.

［３］姚晓.油井水泥纤维增韧材料的研究与应用[J].西安石油大学学报:自然科学版,2005,20(2):39-41.

［４］张峰.纤维材料在固井领域中应用的尝试[J].混凝土与水泥制品,2010(5):52-54.

［５］李丹,陶俊林,贾彬.玄武岩纤维混凝土抗冲击性能的实验研究[J].新型建筑材料,2012(12):47-51.

［６］华苏东,姚晓.纤维粒复合型油井水泥石增韧剂的性能及机理研究[J].石油天然气学报,2006,28(2):88-91.

［责任编辑：汤静］