玄武巖纖維對油井水泥石韌性改善的室內(nèi)研究

陳凡斌 張 浩

（中海油田服務股份有限公司油田化學事業(yè)部油田化學研究院，河北 三河065201）

0 引言

固井作業(yè)中，水泥石是構成井內(nèi)水泥環(huán)的主要材料，起到封隔地層、保護套管的功能[1]。但水泥石是脆性材料，在地下復雜應力情況下極易發(fā)生破裂，使水泥環(huán)的封隔作用徹底失效，造成油、氣、水層之間的竄流。由于高脆性是水泥石固有的缺陷，無法通過改進固井工藝提高其韌性，減少其脆性破壞，因此在油井水泥中摻入增韌材料是改善油井水泥石韌性的有效途徑[2-3]。國內(nèi)外改善水泥石韌性的材料主要有膠乳增韌材料、顆粒狀增韌材料和纖維增韌材料等。

纖維材料在固井中的應用較為廣泛，但不同于堵漏纖維，增韌纖維必須具有高模量，才能對水泥石起到增韌作用；有些纖維雖具有較高彈性，但在阻裂性能方面存在明顯不足，鋼纖維和高彈模纖維等能顯著提高水泥石的抗裂性，但存在流動性和泵送性差等缺陷[4]。玄武巖纖維的穩(wěn)定性好，而且還具有電絕緣性、抗腐蝕、抗燃燒、耐高溫等多種優(yōu)異性能，是我國重點發(fā)展的四大纖維之一。本文將玄武巖纖維引入到油田固井中，通過大量室內(nèi)實驗分析，評價了加入玄武巖纖維后水泥漿的常規(guī)性能，并以抗沖擊性能、抗折強度、抗壓強度評價了玄武巖纖維對油井水泥石的增韌效果。

1 實驗儀器及方法

1.1 實驗材料及用途

G級油井水泥（產(chǎn)地：山東）、降失水劑、分散劑、減輕材料、增強劑、消泡劑等水泥外加劑（產(chǎn)地：天津）

1.2 實驗儀器

水泥漿恒速攪拌器、常壓稠化儀、高溫高壓失水儀、六速旋轉粘度儀、高溫養(yǎng)護釜、高溫高壓稠化儀、水泥石強度試驗機、OWC-1011型萬能試驗機、抗沖擊試驗機。

1.3 實驗方法

（1）配漿：外加劑采用外摻法，摻量為占水泥干灰重的百分數(shù)(%，BWOC)。按GB 10238-1998中的要求配漿，水泥漿性能按照API 10B中的要求進行測試；

（2）抗折強度的測定：將配制好的水泥漿倒入1cm×1cm×6cm的試模中，置于一定溫度的水浴中養(yǎng)護不同齡期后脫模，用電動抗折儀測定抗折強度；

（3）抗沖擊性能的測定：將配制好的水泥漿倒入1cm×1cm×6cm的試模中，置于50℃的水浴中養(yǎng)護7d后脫模，用落錘法測定其抗沖擊性能；

（4）抗壓強度的測定：將配置好的水泥漿導入5cm×5cm×5cm的試模中，置于一定溫度的水浴中養(yǎng)護24小時后脫模，用抗壓強度試驗機測試其抗壓強度的大小，測試按照API 10B的要求進行。

2 結果與討論

2.1 玄武巖纖維對固井水泥漿常規(guī)性能的影響

按照下表中配方進行不同水泥漿配制，并測試水泥漿流變、失水、稠化時間，以確定玄武巖纖維對水泥漿常規(guī)性能的影響。

表1 水泥漿配方及常規(guī)性能

從上表中的測試結果可以看出：隨著玄武巖纖維加量的增加，水泥漿失水、稠化時間、流變性能均變化不大，玄武巖纖維對水泥漿常規(guī)性能基本沒有影響，實驗中還選取了玻璃纖維與聚丙烯纖維配制的水泥漿作為對照，可以發(fā)現(xiàn)，加入這兩種纖維的水泥漿，其失水都有所減少，從空白水泥漿的37.6ml分別下降到17.8、18.4ml，但其流變性能下降，φ300讀數(shù)由126分別上升至227，245。這與其他研究者的研究一致[5]。因此使用這兩種纖維時必須注重加量，加量過大會造成水泥漿過稠，不易流動，但在使用玄武巖纖維時則無此現(xiàn)象發(fā)生。這或許是與使用的玄武巖的長徑比較小，而玻璃纖維、聚丙烯纖維的長徑比較大有關，當進行流變測試時，長纖維與流變儀的轉子之間產(chǎn)生較大摩擦，造成流變讀數(shù)偏大。

2.2 玄武巖纖維對水泥石抗壓強度的影響

抗壓強度是水泥石最重要的性能指標之一，關系到井下水泥環(huán)井下封隔的長期有效性。在實驗室內(nèi)考察了不同纖維摻量下的水泥石在不同養(yǎng)護溫度下的抗壓強度，以考察其對抗壓強度的影響。

表2 不同纖維摻量對水泥石抗壓強度的影響

?

從實驗結果中可以看出，加入玄武巖纖維后，水泥石抗壓強度均有所下降，80℃、50℃、30℃下養(yǎng)護的水泥石均呈現(xiàn)這一趨勢，且隨著纖維摻量的增加，水泥石抗壓強度下降的更為明顯。與之相同的是，加入聚丙烯纖維及玻璃纖維的水泥石其抗壓強度也呈下降趨勢。但有文獻報道，隨著養(yǎng)護齡期的增長，在7d時，摻入纖維的水泥石其抗壓強度普遍超過空白水泥石[6]。

2.3 玄武巖纖維對水泥石抗折強度的影響

抗折強度是評價水泥石韌性的重要指標，一般來說，抗折強度大，則說明水泥石韌性高。按照表2中配方1-6進行水泥漿的配制，并測試其不同齡期抗折強度，實驗結果如下：

表3 不同纖維摻量對水泥石抗折強度的影響

從實驗結果中可以看出，加入玄武巖纖維后水泥石抗折強度均上升，摻量2%時，養(yǎng)護1d、2d、7d的水泥石抗折強度分別增長21.7%、28%、41%，摻量3%時，其抗折強度仍有所增長，但幅度較小，從經(jīng)濟角度來說，摻量為2%時比較適合。聚丙烯纖維及玻璃纖維則幾乎對水泥石抗折強度無增長作用。

2.4 玄武巖纖維對水泥石抗沖擊性能的影響

固井完成后，水泥石受到射孔、壓裂等開采方式的影響極易開裂，其本質(zhì)是井下應力的反復變化所引起。因此，水泥石的抗沖擊性能也是保證井下水泥環(huán)長期有效性的重要指標。按照ACI 544的推薦，采用落錘法評價不同摻量纖維時的水泥石的抗沖擊性能，通過以下幾項指標考察其抗沖擊性能：（1）出現(xiàn)第一條裂縫時的初裂沖擊次數(shù)N1；（2）試件完全被破壞時的破壞沖擊次數(shù)N2；（3）沖擊功W及抗沖擊韌性比C，其計算方式如下：

式中，m——沖擊錘質(zhì)量；

g—— 重力加速度，9.8m/s2；

W1——空白水泥石的抗沖擊功；

W2——加入纖維后水泥石的抗沖擊功；

在實驗室的評價結果如下圖所示：

圖1 玄武巖纖維對水泥石抗沖擊性能的影響

圖2 玄武巖纖維摻量與抗沖擊韌性比的關系

由圖1可知，隨玄武巖纖維摻量增加，水泥石的初裂沖擊次數(shù)及破壞沖擊次數(shù)均增加，當玄武巖纖維摻量為3%時，水泥石破壞沖擊次數(shù)達到了119次的最大值。與之相比的是，空白水泥石的破壞沖擊次數(shù)僅為29次。繼續(xù)加大玄武巖纖維摻量至6%時，其破壞沖擊次數(shù)下降至59次，但仍較空白水泥石高。由圖2可知，抗沖擊韌性比與破壞沖擊次數(shù)呈現(xiàn)相同的變化趨勢。在摻量為3%時，達到4.1的最大值。

3 結論

（1）玄武巖纖維對油井水泥石的常規(guī)性能如水泥漿稠化時間，流變的影響較小，這與其他纖維不同，同時，對失水有明顯的減少作用。

（2）玄武巖纖維對油井水泥有很好的增韌作用，摻量2%時，養(yǎng)護1d、2d、7d的水泥石抗折強度分別增長21.7%、28%、41%，摻量3%時，水泥石破壞沖擊次數(shù)達到119次，遠高于空白水泥石的29次。

（3）摻入玄武巖纖維的油井水泥石24小時抗壓強度略有降低，但仍然滿足施工需求。

［1］穆海朋,步玉環(huán),程榮超.纖維水泥的發(fā)展及應用[J].石油鉆探技術,2005(33)：33-35.

［2］黃河福,步玉環(huán),王瑞和.纖維對水泥石常規(guī)性能影響規(guī)律的實驗研究.西部探礦工程,2007(4)：47-49.

［3］姚曉.油井水泥纖維增韌材料的研究與應用[J].西安石油大學學報：自然科學版,2005,20(2)：39-41.

［4］張峰.纖維材料在固井領域中應用的嘗試[J].混凝土與水泥制品,2010(5)：52-54.

［5］李丹,陶俊林,賈彬.玄武巖纖維混凝土抗沖擊性能的實驗研究[J].新型建筑材料,2012(12)：47-51.

［6］華蘇東,姚曉.纖維粒復合型油井水泥石增韌劑的性能及機理研究[J].石油天然氣學報,2006,28(2)：88-91.