纖維/晶須材料對(duì)固井水泥石的增韌機(jī)理研究

李明，鄧雙，嚴(yán)平，靳建洲，于永金

1.西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 6105002.西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川成都 610041；3.中國石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京昌平 102206

纖維/晶須材料對(duì)固井水泥石的增韌機(jī)理研究

李明1*，鄧雙1，嚴(yán)平2，靳建洲3，于永金3

1.西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610500
2.西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川成都 610041；
3.中國石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京昌平 102206

掃描電子顯微鏡（SEM）用于水泥基材料研究，可以準(zhǔn)確、快速、直觀地提供水泥石斷面的微觀形貌等信息。固井水泥環(huán)這一水泥基材料在井下工況受復(fù)雜應(yīng)力影響易產(chǎn)生微裂縫與微環(huán)隙，造成水泥環(huán)封固能力下降。高彈模纖維、低彈模纖維、晶須等材料有助于降脆增韌水泥環(huán)。為了弄清高彈模纖維、低彈模纖維、晶須等材料對(duì)水泥環(huán)的降脆增韌機(jī)制，用掃描電鏡對(duì)水泥石微觀形貌進(jìn)行了觀察分析，探討了增韌機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高彈模纖維、低彈模纖維、晶須等材料降脆增韌水泥環(huán)的機(jī)制包括拔出、橋連和裂紋偏轉(zhuǎn)。相對(duì)于單摻纖維或單摻晶須，將二者混雜使用的增韌效果更好，其原理在于晶須屬于微米級(jí)材料，可以阻止微米級(jí)微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展；纖維屬于毫米級(jí)材料，可以阻止毫米級(jí)微裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展；二者混雜使用可以起到多層次阻裂和增韌的目的。

油井水泥石；掃描電鏡；纖維；增韌；微觀形貌

李明，鄧雙，嚴(yán)平，等.纖維/晶須材料對(duì)固井水泥石的增韌機(jī)理研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，38(5)：151156.

LI Ming，DENG Shuang，YAN Ping，et al.Research on The Toughening Mechanism of Fiber/Whisker on Oil Well Cement Stone[J].Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition)，2016，38(5)：151156.

引言

固井包括下套管和注水泥，水泥漿被泵入套管和井壁之間的的環(huán)空，水泥漿凝固硬化后的水泥環(huán)起到封固地層各類流體、支撐和保護(hù)套管的作用。固井水泥環(huán)這一水泥基材料在井下工況受復(fù)雜應(yīng)力影響易產(chǎn)生微裂縫與微環(huán)隙，造成水泥環(huán)封固能力下降。高彈模纖維、低彈模纖維、晶須等材料有助于降脆增韌水泥環(huán)[1—8]，為了弄清高彈模纖維、低彈模纖維、晶須等材料對(duì)水泥環(huán)的降脆增韌機(jī)制，需使用掃描電鏡。掃描電鏡在水泥基材料研究中有廣泛應(yīng)用，在水泥石微觀結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)研究中發(fā)揮著重要作用[9—12]。為探明纖維與晶須的增韌機(jī)理，對(duì)高彈模纖維、地彈模纖維和晶須水泥石的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，用掃描電鏡對(duì)水泥石微觀形貌進(jìn)行了觀察分析，探討了增韌機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

高彈模纖維、低彈模纖維、晶須材料、G級(jí)油井水泥(四川嘉華公司)、甲基纖維素CM(成都科龍?jiān)噭?、羧甲基纖維素鈉CMC。其中晶須與纖維的基本參數(shù)如表1所示。

表1 晶須/纖維的基本參數(shù)Tab.1Properties of whiskers/fibers

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

變速攪拌器(江蘇江陰保利科研機(jī)械有限公司)；YA 300型電子液壓試驗(yàn)機(jī)(北京海智科技開發(fā)中心)；PKZ 5000電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)(無錫建儀儀器機(jī)械有限公司)；JSM 6490LV型掃描電子顯微鏡(日本JEOL公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

參照GB/T 191392012《油井水泥試驗(yàn)方法》[1—3]配制水泥漿，試樣均在90°C，21 MPa水浴條件下養(yǎng)護(hù)28 d。水泥石抗壓強(qiáng)度和劈裂壓力用電子液壓試驗(yàn)機(jī)測(cè)定；水泥石抗折強(qiáng)度用電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)測(cè)定。

將纖維水泥石試樣砸碎成小片狀，通過離子濺射儀在樣品上進(jìn)行噴金處理得到厚度約15 nm的SEM試樣；用掃描電鏡在加速電壓為20 kV、工作距離13 mm的條件下對(duì)試樣進(jìn)行慢掃描觀察，獲得放大500～5 000倍、分辨率5～50 μm的二次電子(SE)信號(hào)圖像若干[14—15]。

2 纖維/晶須水泥石的力學(xué)性能

2.1 纖維/晶須水泥石配方

纖維水泥石配方如表2所示。其中P0為空白水泥石試樣，P1～P4分別表示單摻高彈模纖維、晶須、低彈模纖維及礦物纖維水泥石試樣；M1～M3分別表示摻高彈模纖維/晶須混雜纖維、低彈模纖維/晶須混雜纖維及礦物纖維/晶須混雜纖維水泥石試樣。

表2 纖維/晶須水泥石實(shí)驗(yàn)試樣配方Tab.2Properties of whiskers/fibers

2.2 纖維/晶須水泥石的力學(xué)性能

圖1為各纖維水泥石的力學(xué)性能。

圖1 纖維水泥石養(yǎng)護(hù)28 d后的力學(xué)性能Fig.1Mechanical property of fiber cement stone curing after 28 d

由圖1可以看出，單摻高彈模纖維、晶須和礦物纖維使水泥石抗壓、抗折及抗拉強(qiáng)度分別提高了24.0%，44.7%，38.6%；22.8%，26.6%，19.9%；44.8%，17.1%，34.3%。低彈模纖維水泥石的抗折及抗拉強(qiáng)度分別提高了30.9%，30.4%。摻加高彈模纖維/晶須混雜纖維使水泥石抗壓、抗折及抗拉強(qiáng)度分別提高了51.6%，60.1%，60.1%，摻加低彈模纖維/晶須混雜纖維使得水泥石抗折及抗拉強(qiáng)度分別提高了53.2%、24.9%?？傮w來說，纖維水泥石相對(duì)于空白試樣具有更好的力學(xué)性能，而混雜纖維對(duì)水泥石力學(xué)性能改善效果優(yōu)于單摻纖維。

3 纖維/晶須增韌的作用機(jī)理

纖維增韌水泥石的實(shí)質(zhì)可視為纖維在裂紋區(qū)域消耗能量的過程，能量消耗越多則水泥石韌性越好。用掃描電鏡對(duì)水泥石微觀形貌進(jìn)行了觀察分析，認(rèn)為增韌的作用機(jī)制主要有纖維橋連、裂紋偏轉(zhuǎn)及纖維的拔出。

3.1 纖維橋連增韌水泥石

橋連效應(yīng)是指纖維在微裂紋尖端橋接，形成閉合應(yīng)力、減小裂紋尖端應(yīng)力集中，并以此限制裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展的現(xiàn)象。水泥石在受力之初，內(nèi)部裂紋產(chǎn)生較少，且尺寸較小，此時(shí)纖維增韌水泥石的主要方式為橋連作用。如圖2a所示，當(dāng)微裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展至晶須區(qū)域時(shí)，晶須橋接微裂紋并在裂紋尖端形成閉合應(yīng)力，使應(yīng)力分散到裂紋側(cè)面，減少裂紋尖端應(yīng)力集中，限制微裂紋的擴(kuò)展。圖2b中，顯示裂紋擴(kuò)展被高彈模纖維阻擋，此時(shí)裂紋若要繼續(xù)擴(kuò)展，必須要對(duì)纖維做功至其斷裂破壞，并且破壞過程會(huì)耗散大量能量。圖2c為礦物纖維的橋連現(xiàn)象，從中可以看到，裂紋尺寸約為1～3 μm，而纖維直徑約為0.5 μm，由尺寸對(duì)比可知，纖維的橋連作用可以限制較大尺寸裂紋的擴(kuò)展。

圖2 纖維在水泥石中的橋連現(xiàn)象Fig.2SEM micrographs of bridging of fiber in cement

3.2 裂紋偏轉(zhuǎn)增韌水泥石

當(dāng)微裂紋與纖維以較小角度相遇時(shí)，裂紋將繞過纖維沿著纖維與水泥基體界面繼續(xù)擴(kuò)展的現(xiàn)象稱為裂紋偏轉(zhuǎn)。圖3為裂紋在晶須水泥石中的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，晶須的強(qiáng)度很高，約為20 500 MPa，長徑比約為10～160，當(dāng)微裂紋擴(kuò)展至晶須區(qū)域時(shí)，裂紋只能繞過晶須沿著水泥基體與晶須結(jié)合的薄弱界面才能繼續(xù)擴(kuò)展。裂紋偏轉(zhuǎn)主要是通過耗能來降脆增韌水泥石。同時(shí)，纖維與水泥基體的黏結(jié)性能越好，裂紋偏轉(zhuǎn)過程消耗的能量越多，水泥石的韌性就越好。

3.3 纖維的拔出增韌水泥石

纖維拔出效應(yīng)是指纖維與裂紋成角較大時(shí)，若外加載荷接近或超過水泥材料的屈服強(qiáng)度，裂紋將會(huì)迅速擴(kuò)張，受到較大剪切應(yīng)力的纖維將與水泥基體發(fā)生摩擦剝離直至被拔出，整個(gè)過程會(huì)持續(xù)耗散能量(圖4)。

圖3 晶須/纖維在水泥石中的裂紋偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象Fig.3SEM micrographs of crack deflection of whisker in cement

圖4 纖維在水泥石中的拔出現(xiàn)象Fig.4SEM micrographs of pulling out of fiber in cement

圖4a為晶須拔出后的微觀形貌，可以看到部分晶須在拔出過程中發(fā)生了磨損，這表明晶須與水泥基體在拔出過程中發(fā)生了劇烈的相互作用，耗散大量能量。圖4b中，水泥基體上的纖維拔出，還可以看到纖維被拔出后在水泥基體上留下的壓痕。從能量耗散的角度出發(fā)，纖維與水泥基體結(jié)合效果與拔出過程耗散的能量是成正比的，也與水泥石韌性成正比。圖4c為低彈模纖維水泥石的斷面形貌，可以清楚觀察到纖維在斷面上分布的無序性，這種亂向分布體現(xiàn)了纖維增韌水泥石的各向同性。

3.4 混雜纖維增韌水泥石

圖5a為高彈模纖維/晶須混雜水泥石微觀形貌，在微裂紋產(chǎn)生初期，晶須在較小尺寸區(qū)域內(nèi)通過橋連、裂紋偏轉(zhuǎn)及拔出效應(yīng)消耗裂紋能量，阻止或減緩微裂紋在水泥基體中的產(chǎn)生、擴(kuò)展與延伸；當(dāng)應(yīng)力增加導(dǎo)致裂紋增大時(shí)候，長度為微米級(jí)的高彈模纖維通過對(duì)大裂紋進(jìn)行橋連和裂紋偏轉(zhuǎn)作用限制裂紋傳播；當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增大時(shí)，纖維開始從水泥基體上剝離拔出，消耗大量能量，降低水泥石的破壞速度和程度，使水泥石的韌性得到改善。

圖5 混雜水泥石的微觀形貌Fig.5SEM micrographs of hybrid fiber cement

圖5b為低彈模纖維/碳酸鈣晶須水泥石的微觀形貌，在微裂紋產(chǎn)生和發(fā)展的過程中，尺寸較小的晶須將會(huì)率先在較小尺寸區(qū)域作用，限制微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展；隨著應(yīng)力的增大，微裂紋通過積累、匯合轉(zhuǎn)變?yōu)楦蟪叽绲暮暧^裂紋，此時(shí)尺寸較大的纖維將起主導(dǎo)作用，通過橋連、裂紋偏轉(zhuǎn)及拔出等方式增韌水泥石；低彈模纖維具有較大的變形量和延伸率，所以摻加低彈模纖維不僅能有效地控制宏觀裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，還能提高水泥石的變形能力，使水泥石表現(xiàn)出更好的柔韌性。

由圖5c可知，礦物纖維與晶須具有不同的尺寸與長徑比，可明顯改變水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，在不同結(jié)構(gòu)層次對(duì)微裂紋進(jìn)行有效限制。混雜纖維在增韌過程中具有較好的結(jié)構(gòu)層次與梯度，使混雜纖維水泥石具有更好的韌性。

4 結(jié)論

(1)摻加晶須、纖維可以提高水泥石抗壓、抗折及抗拉強(qiáng)度約24%～50%、20%～60%及30%～60%，使水泥石有更好的韌性。

(2)應(yīng)用掃描電鏡研究纖維/晶須增韌固井水泥石的斷面微觀形貌，發(fā)現(xiàn)證實(shí)了纖維橋連、裂紋偏轉(zhuǎn)及纖維拔出的增韌機(jī)理。

(3)晶須為微米級(jí)材料，纖維為毫米級(jí)材料，二者混雜后，能夠在微米級(jí)層次和毫米級(jí)層次分別發(fā)揮作用，協(xié)同增效，阻止或減少不同尺度裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展，從而降脆增韌水泥石。

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李明，1977年生，男，漢族，河南唐河人，副教授，博士，主要從事固井材料與固井工程的教學(xué)與研究工作。E-mail：swpulm@126.com

鄧雙，1991年生，男，漢族，四川南充人，碩士研究生，主要從事纖維材料增韌水泥石相關(guān)的研究工作。E-mail：1034197981@qq.com

嚴(yán)平，1976年生，女，漢族，四川瀘州人，副教授，主要從事環(huán)境科學(xué)的教學(xué)與研究工作。E-mail：yypp05@126.com

靳建洲，1979年生，男，漢族，遼寧營口人，高級(jí)工程師，主要從事固井技術(shù)研究工作。E-mail：jinjzdri@cnpc.com.cn

于永金，1982年生，男，漢族，河北保定人，工程師，主要從事固井技術(shù)研究工作。E-mail：yuyongjindri@cnpc.com.cn

編輯：王旭東

編輯部網(wǎng)址：http：//zk.swpuxb.com

Research on The Toughening Mechanism of Fiber/Whisker on Oil Well Cement Stone

LI Ming1*，DENG Shuang1，YAN Ping2，JIN Jianzhou3，YU Yongjin3
1.School of Material Science and Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China
2.College of Chemistry and Environmental protection Engineering，Southwest University for Nationalities，Chengdu，Sichuan 610041，China 3.CNPC Drilling Research Institute，Changping，Beijing 102206，China

Information such as the microstructure of cement stone cross section can be accurately，speedily and intuitively，provided by SEM when used in the research of cement-based materials.Oil well cement stone easily caused the micro-fracture and micro-annulus under the complex downhole stressed to decrease the sealing integrity between the cement sheath and the casing or formation.Whisker，fiber，and hybrid fiber are incorporated to strengthen and toughen the cement stone.Microstructures and micromechanical behaviors are investigated using scanning electron microscopy.The experimental results show that the toughness of the hybrid fiber cement stone was better than that of the single fiber cement stone.The toughening mechanisms of cement stone contains bridging，crack deflection and fiber pull out and the improvement could be correlated to energy-dissipating processes at the crack tips for different size and structure between the whisker and fibers and different load phases.

oil well cement stone；SEM；fiber；toughening；mechanism；microstructure

10.11885/j.issn.16745086.2015.01.16.03

16745086(2016)05015106

TE348

A

http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1718.TE.20161010.1119.010.html

20150116

時(shí)間：20161010

李明，E-mail：swpulm@126.com

中國石油集團(tuán)重大科技項(xiàng)目(2014A 4213)。