玄武巖纖維對油井水泥石韌性改善的室內研究

陳凡斌 張 浩

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

0 引言

固井作業中，水泥石是構成井內水泥環的主要材料，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生破裂，使水泥環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、耐高溫等多種優異性能，是我國重點發展的四大纖維之一。本文將玄武巖纖維引入到油田固井中，通過大量室內實驗分析，評價了加入玄武巖纖維后水泥漿的常規性能，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(%，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性能的影響。

表1 水泥漿配方及常規性能

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，可以發現，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象發生。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生較大摩擦，造成流變讀數偏大。

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，關系到井下水泥環井下封隔的長期有效性。在實驗室內考察了不同纖維摻量下的水泥石在不同養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

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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℃下養護的水泥石均呈現這一趨勢，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）出現第一條裂縫時的初裂沖擊次數N1；（2）試件完全被破壞時的破壞沖擊次數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及破壞沖擊次數均增加，當玄武巖纖維摻量為3%時，水泥石破壞沖擊次數達到了119次的最大值。與之相比的是，空白水泥石的破壞沖擊次數僅為29次。繼續加大玄武巖纖維摻量至6%時，其破壞沖擊次數下降至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呈現相同的變化趨勢。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,程榮超.纖維水泥的發展及應用[J].石油鉆探技術,2005(33)：33-35.

［2］黃河福,步玉環,王瑞和.纖維對水泥石常規性能影響規律的實驗研究.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.