廢舊輪胎橡膠粉對(duì)固井水泥漿性能的影響

劉偉

摘 要：摻入橡膠粉材料是改善油井水泥先天脆性缺陷的一種有效方法。為了緩解環(huán)境和資源壓力，將廢舊輪胎橡膠粉應(yīng)用在油井水泥中，研究了廢舊橡膠粉對(duì)水泥漿性能的影響，探討了橡膠粉水泥石的應(yīng)力應(yīng)變行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，廢舊輪胎橡膠粉的摻入會(huì)降低水泥漿的失水量，縮短水泥漿稠化時(shí)間，降低水泥石的抗壓強(qiáng)度，改善水泥石的抗折強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度;同時(shí)，廢舊輪胎橡膠粉的摻入還有效降低了水泥石的彈性模量，提高了其彈性變形能力。

關(guān)鍵詞：廢舊輪胎橡膠粉;固井;水泥漿;力學(xué)性能;彈性模量

中圖分類號(hào)：TE256;U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）07-0102-04

Abstract： Rubber powder is an effective material to improve the brittleness of oil well cement. In order to relieve the pressure of environment and resources， the waste rubber powder was used in oil well cement， the effect of waste rubber powder on cement slurry performance was studied， and the stress-strain behavior of rubber powder cement paste was discussed. The experimental results show that the mixing of waste tire rubber powder can reduce the water loss of cement paste， shorten the thickening time of cement paste， reduce the compressive strength of cement stone， improve the flexural strength and impact strength of cement stone; at the same time， the mixing of waste tire rubber powder can effectively reduce the elastic modulus of cement stone and improve its elastic deformation ability.

Keywords： waste tire rubber powder;cementing;cement slurry;mechanical properties;elastic modulus

固井作業(yè)是在套管與地層環(huán)空注入水泥漿，凝固后形成水泥環(huán)，對(duì)地層進(jìn)行有效層間封隔，同時(shí)支撐和保護(hù)套管[1]。未改性的固井水泥漿體系形成的水泥石具有先天脆性，在經(jīng)受井下載荷作用時(shí)，水泥環(huán)易被損壞，產(chǎn)生微裂縫或微環(huán)隙，導(dǎo)致固井封隔失效，影響油氣井安全、高效開(kāi)采[2-3]。

為獲得良好的層間封隔性能，需要使用柔性材料改善固井水泥漿性能。橡膠作為一種具有高形變能力的彈性粒子，應(yīng)用在油井水泥基材料中可以降低其脆性，達(dá)到改善固井封隔能力的目的。蔣凱[4]、李早元[5]、程小偉[6]、Agapiou K[7]等通過(guò)研究橡膠粉在油井水泥中的作用得出，含有橡膠顆粒的水泥石的彈性模量小于沒(méi)有摻加橡膠粉的水泥石，橡膠顆粒的加入既能使水泥石彈性變形能力增強(qiáng)，又能使水泥石結(jié)構(gòu)更加致密、抗?jié)B性能更高。此外，橡膠粉粒子在外力作用下發(fā)生彈性變形產(chǎn)生力的緩沖作用，提高水泥石抗沖擊破壞的能力。

廢舊輪胎橡膠粉是以廢舊輪胎為原料制備的粉末狀彈性材料。近幾十年來(lái)，全球飛速發(fā)展的汽車工業(yè)極大地推動(dòng)了輪胎的生產(chǎn)，同時(shí)也造成大量廢舊輪胎積存。為了有效解決廢舊輪胎積存的問(wèn)題，可將其制備為廢舊輪胎橡膠粉。將廢舊輪胎橡膠粉應(yīng)用在固井水泥漿中，一方面有助于充分處理和利用龐大的廢舊輪胎資源，減緩其對(duì)環(huán)境和資源造成的壓力;另一方面，可以制備彈性水泥漿體系用于油氣井固井。為評(píng)價(jià)廢舊輪胎橡膠粉在固井水泥漿中的作用效果，研究了其對(duì)固井水泥漿性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

三峽G級(jí)油井水泥、淡水、降失水劑、增強(qiáng)劑、分散劑、緩凝劑、廢舊輪胎橡膠粉。

1.2 廢舊輪胎橡膠粉的使用方法

由于廢舊輪胎橡膠粉親水性差，因此，若將其直接應(yīng)用在水泥漿體系中，穩(wěn)定性得不到保證。為改善廢舊輪胎橡膠粉的表面親水性，將一定質(zhì)量的硅烷偶聯(lián)劑KH570溶解在乙醇溶劑中，再將廢舊輪胎橡膠粉加入KH570的溶液中攪拌均勻，干燥，得到改性廢舊輪胎橡膠粉。使用改性后的廢舊輪胎橡膠粉進(jìn)行水泥漿的配制。

1.3 水泥漿性能評(píng)價(jià)方法

固井水泥漿的性能測(cè)試依據(jù)《油井水泥試驗(yàn)方法》（GB/T 19139—2012）中的相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)溫度為80 ℃。水泥漿的配方為100%G級(jí)油井水泥+44%淡水+3%降失水劑+1.5%增強(qiáng)劑+0.5%分散劑+0.5%緩凝劑+0%～4%廢舊輪胎橡膠粉。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢舊輪胎橡膠粉對(duì)水泥漿流變性和穩(wěn)定性的影響

為評(píng)價(jià)廢舊輪胎橡膠粉對(duì)固井水泥漿流變性和穩(wěn)定性的影響，對(duì)水泥漿的流變性和自由液含量進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，廢舊輪胎橡膠粉的摻入對(duì)水泥漿流變性有一定的影響，隨著廢舊輪胎橡膠粉加量增加，水泥漿流變性讀數(shù)增大，但加量在3%以內(nèi)的水泥漿流變性都能滿足施工要求。當(dāng)廢舊橡膠粉加量大于3%時(shí)，需要摻入適量的分散劑調(diào)節(jié)水泥漿的流變性，以保證水泥漿的安全施工性能。同時(shí)，廢舊輪胎橡膠粉的加入可以有效降低水泥漿中自由液的含量，提高水泥漿的穩(wěn)定性。

2.2 廢舊輪胎橡膠粉對(duì)水泥漿失水量的影響

水泥漿失水量過(guò)大，可能會(huì)生成過(guò)厚泥餅，使水泥漿過(guò)早脫水，引起環(huán)空橋堵和層間竄流等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致油氣井報(bào)廢[7]。本文主要通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證廢舊輪胎橡膠粉對(duì)水泥漿失水量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，廢舊輪胎橡膠粉的摻入有助于降低水泥漿體系失水量;隨著廢舊輪胎橡膠粉摻量的增多，水泥漿失水量下降;當(dāng)廢舊輪胎橡膠粉摻量為4%時(shí)，水泥漿失水量大幅度下降，此時(shí)水泥漿失水量較空白水泥漿下降了19 mL。其原因可能是在水泥漿失水過(guò)程中，微細(xì)橡膠粉填充到水泥漿濾餅中，使濾餅結(jié)構(gòu)更加致密，從而降低了失水量。

2.3 廢舊輪胎橡膠粉對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響

水泥漿的稠化時(shí)間是控制固井作業(yè)的關(guān)鍵參數(shù)[8]。本文主要通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了廢舊輪胎橡膠粉對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，廢舊輪胎橡膠粉的摻入對(duì)水泥漿的稠化時(shí)間有一定的影響;隨著橡膠粉加量的增多，水泥漿的稠化時(shí)間縮短。當(dāng)橡膠粉加量為3%和4%時(shí)，水泥漿的稠化時(shí)間分別縮短了23 min和43 min，但稠化時(shí)間都能滿足固井施工的要求。

2.4 廢舊輪胎橡膠粉對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響

作為一種柔性顆粒材料，廢舊輪胎橡膠粉加入水泥漿體系的主要作用是改善水泥石力學(xué)性能。為研究廢舊輪胎橡膠粉對(duì)水泥漿力學(xué)性能的改善作用，對(duì)不同廢舊輪胎橡膠粉加量的水泥石的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)圖3至圖5。

從圖3至圖5可以看出，廢舊輪胎橡膠粉的摻入對(duì)水泥漿的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度會(huì)有不同程度的影響。從圖3可以看出，加入廢舊輪胎橡膠粉會(huì)降低水泥石的抗壓強(qiáng)度。與空白水泥石相比，加入1%、2%、3%和4%廢舊輪胎橡膠粉的水泥石抗壓強(qiáng)度比空白水泥石分別下降6.4%、14.7%、17.7%和26.3%。隨著加量的增多，水泥石抗壓強(qiáng)度下降幅度增大，但是不同廢舊輪胎橡膠粉摻量的水泥石抗壓強(qiáng)度都滿足固井要求。從圖4可以看出，隨著廢舊輪胎橡膠粉摻量的增多，水泥石的抗折強(qiáng)度先增大后減小，過(guò)多的廢舊輪胎橡膠粉會(huì)對(duì)水泥石的抗折強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。當(dāng)廢舊輪胎橡膠粉摻量為3%時(shí)，水泥石抗折強(qiáng)度最大，比空白水泥石提高了40%。從圖5可以看出，少量的廢舊輪胎橡膠粉可以提高水泥石的抗沖擊強(qiáng)度，過(guò)多的廢舊輪胎橡膠粉會(huì)對(duì)水泥石抗沖擊強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。當(dāng)廢舊輪胎橡膠粉摻量為3%時(shí)，水泥石抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到1.82kJ/m2，比空白水泥石提高了27.3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，把適量的廢舊輪胎橡膠粉摻入水泥漿中，會(huì)降低水泥石的抗壓強(qiáng)度，有效提高水泥石的抗折強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度。此外，廢舊輪胎橡膠粉應(yīng)用在油井水泥漿中，需要控制其加量。

2.5 水泥石應(yīng)力-應(yīng)變行為

水泥石的應(yīng)力-應(yīng)變行為表現(xiàn)了水泥石在遭受外部載荷作用時(shí)的形變情況，研究水泥石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以直接地反映水泥石在受壓載荷作用下的力學(xué)行為。圖6為4%加量廢舊輪胎橡膠粉的水泥石試樣和空白水泥石試樣的單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

從圖6可以看出，加入廢舊輪胎橡膠粉的水泥石和未加廢舊輪胎橡膠粉的水泥石在外部載荷作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線差異較大。空白水泥石在遭受壓縮應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變表現(xiàn)出更強(qiáng)的線性關(guān)系，曲率更小，水泥石脆性大。在相同載荷下，加入廢舊輪胎橡膠粉的水泥石的軸向應(yīng)變大于空白水泥石試樣，這表明摻入橡膠粉的水泥石形變能力強(qiáng)，彈性高。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試結(jié)果可得到加入廢舊輪胎橡膠粉的水泥石試樣的彈性模量為5.6GPa，比空白水泥石試樣的彈性模量（9.2 GPa）降低了39.1%。結(jié)果表明，廢舊輪胎橡膠粉可以有效降低水泥石的彈性模量，改善油井水泥基材料的脆性缺陷。

3 結(jié)論

①?gòu)U舊輪胎橡膠粉的摻入可以降低水泥漿的失水量，提高漿體穩(wěn)定性，但是會(huì)縮短水泥漿的稠化時(shí)間，增大流變讀數(shù)，因此，在使用過(guò)程中，需要摻入適量的分散劑和緩凝劑調(diào)節(jié)水泥漿的性能。

②適量的廢舊輪胎橡膠粉摻入水泥漿中，會(huì)降低水泥漿的抗壓強(qiáng)度，但大幅提高了水泥石的抗折強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度。

③廢舊輪胎橡膠粉的摻入能有效提高水泥石的形變能力，降低水泥石彈性模量，改善油井水泥的脆性缺陷。

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