短切纖維增強水泥基膠凝材料力學性能研究

油氣井固井領域中，水泥漿通常被注入到套管與井眼之間的環(huán)形空間內，凝結固化后的水泥環(huán)具有封隔油氣水層、支撐井壁、保護套管以及保障后續(xù)安全生產(chǎn)等作用。硅酸鹽水泥作為一種無機非金屬材料，在壓裂、循環(huán)注采、試壓等復雜工況下容易引起塑性變形或脆性破裂，進而導致層間竄流、環(huán)空帶壓等問題。因此，改善水泥石力學性能對于提高水泥環(huán)封隔質量以及后續(xù)安全施工顯得尤為重要。當前主流方式是通過向水泥灰中加入韌性材料來改善水泥石的力學性能，至今使用較多的韌性材料類型主要有晶須、纖維、微型顆粒、膠乳以及合成樹脂等，其中，短切類玄武巖纖維和耐堿玻璃纖維有著可分散性好、加量少、成本可控、材料市場易獲得等優(yōu)勢，在固井行業(yè)中使用較廣。有大量學者研究表明，玄武巖纖維和耐堿玻璃纖維能夠在一定程度上增強水泥石的抗壓強度、抗折強度、抗沖擊性能和力學變形能力，但鮮有對兩種材料的耐溫性、耐腐蝕、耐久性進行對比研究，并且在對水泥石力學性能影響機制上也有待完善。因此，筆者選取玄武巖纖維和耐堿玻璃纖維作為研究對象，開展了兩種材料在不同養(yǎng)護溫度、不同齡期條件下對水泥石力學性能的影響對比，探討了其改善機制，期望為水泥基膠凝材料配方優(yōu)選提供一定的參考。1、試驗1.1試驗材料G級高抗油井水泥（嘉華特種水泥股份有限公司）；消泡劑DF-A（成都歐美克石油科技股份有限公司）；玄武巖纖維（四川航天拓鑫玄武巖實業(yè)有限公司）；耐堿玻璃纖維（泰山玻璃纖維有限公司）。兩種纖維的具體指標見表1。表1纖維的物理力學性能1.2試驗儀器所用試驗儀器包括：OWC-9360G型恒速攪拌器（沈陽航空航天大學應用技術研究所）、OWC-1080A常壓養(yǎng)護箱（沈陽市石油儀器研究所）、NCCQ-2217常壓稠化儀（天津寧賽科技有限公司）、OWC-9510型高溫高壓失水儀（沈陽航空工業(yè)學院應用技術研究所）、8340增壓稠化儀（美國千德樂工業(yè)儀器公司）、YAW-300B型電液式水泥壓力試驗機（浙江競遠機械設備有限公司）、DKZ-5000型電動抗折試驗機（無錫市錫儀建材儀器廠）、RTR-1000型高溫高壓巖石三軸儀（美國GCTS公司）、Quanta250型環(huán)境掃描電子顯微鏡（美國FEI公司）、D8ADVANCEX射線衍射儀（德國布魯克公司）、TG-3021型滲透率測定儀（沈陽泰格石油儀器設備制造有限公司）。1.3試驗方法1.3.1水泥漿制備及養(yǎng)護根據(jù)GB/T10238—2015《油井水泥》，使用恒速攪拌器制備水泥漿，短切纖維水泥漿配方如表2所示。通過測試水泥漿工程性能，選出纖維最優(yōu)摻量配比，然后將優(yōu)選出的纖維水泥漿放入常壓養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度分別為20℃、60℃、90℃，養(yǎng)護齡期分別為1d、7d、14d、28d，以此探討纖維在水泥石中的耐溫、耐堿、耐久性以及其增強增韌效果。1.3.2工程性能測試水泥漿流動度測試參考GB/T8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》中“水泥凈漿流動度”測試方法進行，試樣數(shù)量不應少于三個，結果取平均值。水泥漿濾失量測試按照GB/T19139—2012《油井水泥試驗方法》進行，試驗溫度為52℃，測試壓力為6.9MPa，測試時間30min，測試結果不少于兩次，試驗結果取平均值。表2不同纖維摻量樣品編號及配方（質量分數(shù)）%水泥漿稠化時間試驗按照GB/T10238—2015《油井水泥》進行，試驗溫度為52℃，試驗壓力為35.6MPa，升溫時間為28min。1.3.3力學性能測試水泥石抗壓強度和劈裂抗拉強度均采用電液式水泥壓力試驗機進行測定，抗壓強度試樣尺寸為50.8mm×50.8mm×50.8mm，抗拉強度試樣尺寸為Φ50mm×25mm。采用電動抗折試驗機對水泥石抗折強度進行測定，試樣尺寸為40mm×40mm×160mm。按照GB/T50266—2013《工程巖體試驗方法標準》，水泥石三軸應力應變試驗采用高溫高壓巖石三軸儀，試驗條件：溫度90℃，圍壓20MPa，以2kN/min恒速加載。1.3.4機理表征分析采用環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察纖維在水泥石中的分布狀態(tài)、耐堿情況以及增韌方式。使用X射線衍射儀對水泥石進行物相分析，觀察纖維在不同溫度、不同齡期條件下對水化產(chǎn)物的影響。水泥石滲透率采用滲透率測定儀進行測定，分析纖維對水泥石滲透率的影響。2、結果與討論2.1纖維摻量對水泥漿工程性能的影響不同纖維摻量下水泥漿工程性能見表3。從表3可見，玄武巖纖維和耐堿玻璃纖維摻入水泥漿中均會降低水泥漿的流動度、濾失量以及稠化時間。其中，當纖維摻量超過1.0%時，纖維對水泥漿工程性能的影響程度尤為明顯，同時纖維容易產(chǎn)生團聚現(xiàn)象。相比于摻量0.3%和0.6%，纖維摻量為1.0%時，對水泥漿濾失量降低最多，且對水泥漿流動度、初始稠度以及稠化時間影響較小。因此，選取玄武巖纖維和耐堿玻璃纖維摻量均為1.0%，以此開展后續(xù)纖維水泥石改善效果及機制研究。表3不同纖維摻量下水泥漿工程性能為了方便后續(xù)數(shù)據(jù)對比，對不同養(yǎng)護溫度下的空白樣水泥石和纖維水泥石進行編號，見表4。表4不同養(yǎng)護溫度下的水泥石編號2.2纖維對水泥石力學性能的影響圖1為纖維對水泥石抗壓強度的影響對比，由圖1可知，水化早期階段，隨著養(yǎng)護溫度的提高，水泥石強度逐漸升高；當養(yǎng)護齡期超過7d后，隨著養(yǎng)護溫度的升高，水泥石強度呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢。20℃養(yǎng)護溫度下，纖維對水泥石抗壓強度幾乎沒有影響。60℃下，玄武巖纖維能夠促進水泥石抗壓強度的增長，且養(yǎng)護齡期越長，促進幅度越大。而耐堿玻璃纖維雖然對水泥石抗壓強度也有一定程度的促進作用，但效果并不明顯。90℃下，玄武巖纖維能夠較大提高水泥石抗壓強度，尤其在28d后，水泥石強度相比于空白樣提高了16.71%。而耐堿玻璃纖維則對水泥石強度產(chǎn)生了抑制作用，隨著養(yǎng)護時間越長，抑制幅度越大，養(yǎng)護28d后，水泥石強度相比于空白樣降低了9.88%。纖維對水泥石抗折和抗拉強度的影響對比分別見圖2、圖3，可以看出，隨著養(yǎng)護溫度的提高，水泥石抗折與抗拉強度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。20℃下，在不同齡期階段中，兩種纖維對水泥石抗折和抗拉強度幾乎沒有影響。當養(yǎng)護溫度為60℃時，兩種纖維均能有效促進水泥石抗折與抗拉強度的增長，28d時，玄武巖纖維水泥石和耐堿玻璃纖維水泥石相比空白樣分別提高了18.66%、16.37%和32.26%、22.32%。90℃下，隨著養(yǎng)護齡期的延長，玄武巖纖維水泥石抗折與抗拉強度均出現(xiàn)先增長后降低的現(xiàn)象，28d后，水泥石抗折和抗拉強度幾乎和空白樣一致。而耐堿玻璃纖維隨著齡期的延長，水泥石抗折和抗拉強度會不斷提高，28d后，水泥石抗折與抗拉強度相比空白樣分別提高了33.43%和23.17%。圖1纖維對水泥石抗壓強度的影響圖2纖維對水泥石抗折強度的影響圖3纖維對水泥石抗拉強度的影響綜上所述，兩種短切纖維水泥石在90℃（7d、28d）養(yǎng)護條件下強度性能差異明顯，因此選取該養(yǎng)護條件下的纖維水泥石進行三軸應力應變測試，以表征兩者在水泥石力學變形性能上的差異，結果見圖4。圖4纖維水泥石三軸應力-應變曲線由圖4可知，90℃下，7d養(yǎng)護的試樣X90（5.94GPa）和N90（4.23GPa）彈性模量相對于空白樣（7.19GPa）分別降低了17.39%和41.17%；28d后，X90（7.86GPa）與N90（5.43GPa）彈性模量相對于空白樣（8.03GPa）分別降低了2.12%和32.38%。結果表明，耐堿玻璃纖維比玄武巖纖維增韌降脆效果更好，兩種纖維養(yǎng)護7d時都能不同程度上降低水泥石的彈性模量，即使在破壞階段，纖維水泥石相比于空白樣應力下降幅度更為緩慢，一定程度說明纖維能夠降低水泥石的脆性。養(yǎng)護28d后，耐堿玻璃纖維仍能起到較好的增韌效果，而玄武巖纖維水泥石彈性模量幾乎和空白樣一致，這也間接說明玄武巖纖維耐久性能較差。2.3纖維水泥石增強增韌機理為了探討纖維對水泥石的增強增韌效果，筆者主要通過觀察纖維在水泥石中的微觀形貌、水化產(chǎn)物以及滲透能力變化三個方面進行表征。圖5為玄武巖纖維水泥石在20℃、60℃和90℃養(yǎng)護后的掃描電鏡圖，重點觀察了纖維的表面狀態(tài)。養(yǎng)護28d后，20℃下的纖維表面雖然出現(xiàn)了部分腐蝕產(chǎn)物，但整體狀態(tài)較好；60℃下的纖維表面存在大量顆粒狀的膠凝產(chǎn)物，表明纖維在堿性環(huán)境中受到了較為嚴重的腐蝕。90℃養(yǎng)護7d后，纖維只是受到了輕微腐蝕，表面雖有凹凸不平的腐蝕坑，但纖維完整度很好，依然能夠在水泥石中形成了明顯的拔出效應，然而養(yǎng)護28d后，纖維與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生了劇烈反應，從圖5（d）中已經(jīng)不能觀察到任何的纖維存在，即使放大倍數(shù)也不能找到纖維，說明纖維已經(jīng)全部被腐蝕，喪失了對水泥石的增韌作用。由此可知，一旦養(yǎng)護齡期足夠漫長，即使在常溫下玄武巖纖維依然會受到一定程度的腐蝕，且隨著養(yǎng)護溫度的提高，腐蝕速率會不斷加快，說明玄武巖纖維耐溫、耐腐蝕以及耐久性能較差，因而在對水泥石的增韌效果上表現(xiàn)并不突出。圖5玄武巖纖維水泥石微觀形貌耐堿玻璃纖維水泥石微觀形貌見圖6，可以看出，耐堿玻璃纖維在20℃和60℃養(yǎng)護28d后，纖維表面幾乎未發(fā)生任何反應，即使在90℃養(yǎng)護下，纖維表面也只是出現(xiàn)了少量腐蝕產(chǎn)物，整體性能仍然優(yōu)異。圖6（d）為纖維拔出后的微觀形貌，可以看到纖維在斷裂面上的離散性分布，這種亂向分布能夠使水泥基體均勻有效地與纖維交錯結合，限制了微裂縫的產(chǎn)生及擴展，保證纖維水泥石在力學變形能力上的均質性。此外，纖維與水泥基體膠結緊密，在拔出過程中會發(fā)生劇烈的摩擦作用，在水泥基體上產(chǎn)生壓痕的同時也消耗了大量能量，不僅提高了基體自身發(fā)生破壞時的斷裂能，也改善了水泥石力學變形能力，從而體現(xiàn)出增韌效果。圖6耐堿玻璃纖維水泥石微觀形貌從上述測試結果中發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護28d后，玄武巖纖維雖然在水泥石中被完全腐蝕，但水泥石抗壓強度卻有明顯的提高，說明纖維對水泥水化反應進程有所影響。因此，對纖維水泥石在28d養(yǎng)護后的水化產(chǎn)物進行了XRD分析，如圖7所示。圖7纖維對水泥水化產(chǎn)物的影響G級水泥水化產(chǎn)物主要為水化硅酸鈣（C-S-H）、氫氧化鈣（CH）以及部分未反應的硅酸三鈣（C3S）和硅酸二鈣（C2S）。由圖7可見，玄武巖纖維水泥石中CH含量明顯低于空白樣中的含量，并且在32.5°處的C3S峰和41.06°處的C2S峰相比空白樣也隨之消失。綜合電鏡掃描結果表明，短切玄武巖纖維有利于G級水泥的水化，通過消耗CH被腐蝕的同時促進了水泥中C3S和C2S的正向反應，增加了水泥水化產(chǎn)物的生成，使得水泥石抗壓強度相比于空白樣更高。而耐堿玻璃纖維水泥石中C3S和C2S含量相比于空白樣中的含量更高，且CH含量低于空白樣中的含量，表明耐堿玻璃纖維抑制了水泥水化反應進程，減少了水化產(chǎn)物的生成，導致纖維水泥石抗壓強度低于空白樣水泥石。纖維對水泥石滲透率的影響如表5所示。綜合SEM和XRD分析表明，養(yǎng)護28d后，玄武巖纖維由于在堿性環(huán)境中遭遇腐蝕，增強水泥水化反應的同時也促進了微裂縫的產(chǎn)生及擴展，增加了微裂縫數(shù)量和尺寸，從而使得水泥石滲透率相比于空白樣有所增加。而耐堿玻璃纖維能夠在水泥基體中穩(wěn)定存在且容易形成錯亂分布的結構網(wǎng)，更好地控制水泥基體微裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，從而降低了水泥石的滲透率，改善了水泥環(huán)層間封隔能力。表5纖維對水泥石滲透能力的影響3、結論（1）纖維摻量為1.0%時，水泥漿濾失量降低最多，且對水泥漿流動度、初始稠度以及稠化時間影響較小，以此摻量開展水泥石力學性能對比更為合理。（2）常溫下，短切纖維對水泥石強度性能幾乎沒有影響。60℃下，兩種纖維均能促進水泥石抗壓、抗折以及抗拉強度的增長，且養(yǎng)護齡期越長，促進幅度越大，28d后，玄武巖纖維水泥石和耐堿玻璃纖維水泥石相比空白樣分別提高了4.66%、18.66%、16.37%和2.23%、32.26%、22.32%。（3）90℃下，隨著齡期的增長，玄武巖纖維通過消耗CH促進了水泥水化產(chǎn)物的生成，28d后，水泥石抗壓強度相比于空白樣提高了16.71%，由于玄武巖纖維耐溫耐久性能較差，在水泥基體中被完全腐蝕，雖然有利于水泥水化反應進程，但也促進了微裂縫的產(chǎn)生及擴展，喪失對水泥石增