玻璃纤维对硫铝酸钙水泥石力学性能的影响

宋梅梅张瑞萍杨振杰窦益华

1.西安石油大学机械工程学院； 2.西安石油大学石油工程学院

玻璃纤维对硫铝酸钙水泥石力学性能的影响

宋梅梅1张瑞萍1杨振杰2窦益华1

1.西安石油大学机械工程学院； 2.西安石油大学石油工程学院

随着油气田开采难度和井下情况复杂化程度的增加，常规水泥环易发生脆裂，进而影响水泥环的层间封隔作用，影响井筒完整性。硫铝酸钙水泥是一种性能优良的固井水泥材料，为了了解硫铝酸钙水泥在固井工程中应用的潜力，制作了玻璃纤维增强硫铝酸钙水泥石（CSA/GRC）样品，利用X射线衍射法分析不同龄期硫铝酸钙水泥的晶体水化产物；通过三轴应力-应变实验，测试CSA/GRC固井水泥石的力学性能；采用扫描电子显微镜观察CSA/GRC固井水泥石断裂面的微观形貌，分析玻璃纤维在硫铝酸钙水泥石中的增韧机理。研究结果表明：CSA/GRC固井水泥石具有良好的韧性和力学形变能力，轴向抗压强度和极限应变值比常规玻璃纤维固井水泥石分别提高了约45%和300%；玻璃纤维与硫铝酸钙水泥体系之间有良好的复合能力，纤维抗腐蚀性能强；通过应力分散作用和桥联作用，玻璃纤维可约束裂缝的进一步扩展，从而提高固井水泥石的韧性。

硫铝酸钙水泥；玻璃纤维；固井；力学性能

固井是油井建设过程中的一个重要环节，固井质量影响后续的完井、采油、增产等各项作业的成功率和井的封固性、完整性［1］。固井水泥环的主要作用是层间封隔，防止地下流体层间窜流，同时也可以改善套管受力状态、延长套管使用寿命［2］。G级水泥是目前常用的固井水泥，但随着油气田开采难度和井下情况复杂化程度的增加，射孔、酸化压裂等施工过程中，常规水泥环易受到损伤，进而影响水泥环的层间封隔作用［3-4］。因此，需要寻找新的抗裂性能和力学性能良好的固井水泥来代替G级水泥［5］，其中，硫铝酸钙水泥是一种特种胶凝材料，具有抗渗性好、耐久性持久、早期强度高、长期强度增长稳定等优点。

硫铝酸钙水泥是由一定比例的石灰石、铝矾土、石膏等原材料在1 250～1 350℃的高温下经煅烧、研磨而制成。目前关于硫铝酸钙水泥的研究主要侧重于水化机理研究［6-8］。研究表明，硫铝酸钙水泥的水化较为复杂，主要生成产物有水化硫铝酸钙和氢氧化铝凝胶，水化过程的主要特征是无氢氧化钙生成，孔溶液呈弱碱性（pH=11.5～12）。现有文献中关于硫铝酸钙水泥在固井工程中的应用研究还未充分开展，文献［9］的研究结果表明硫铝酸钙水泥石内部结构紧密，孔隙被生成物质填补而减少并在内部形成网状结构，使得后期强度发展稳定，有利于提高固井质量。文献［10］的研究表明G级水泥-硫铝酸钙水泥复合深水固井水泥具有低温早强、直角稠化、静胶凝强度过渡时间短等优点，并且水泥石具有一定的体积微膨胀性，有利于解决浅层水-气窜流难题和缩短低温固井候凝时间，是一种优异的深水固井水泥体系。

固井水泥石属于脆性材料，抗拉性能较差，在水泥基材料中掺入一定比例纤维可以有效提高水泥石的抗拉强度、抗冲击性能和抗折强度［11-12］。常用的固井纤维有碳纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维等［13-14］。研究表明玻璃纤维在高碱环境中极易发生化学腐蚀，因此低碱度硫铝酸钙胶凝体系可以为玻璃纤维提供有利的化学环境，玻璃纤维可以在硫铝酸钙水泥体系中发挥持久的增韧作用［15-16］。文献［15］表明玻璃纤维硫铝酸钙水泥石（CSA/GRC）在50℃的湿热蒸汽中养护至360 d时，其净抗弯荷载保留率仍高达80%以上。文献［17］表明CSA/GRC构件在拉伸过程中会产生多重裂缝，玻璃纤维可以起到很好的桥联和增韧作用；构件在50℃环境中养护至36 d时，抗拉强度从7 MPa小幅度地降低至6 MPa，玻璃纤维表面未发生腐蚀，只有少量水化产物附着。文献［18］表明在25℃中养护10年，CSA/GRC复合材料的极限抗拉强度仅降低了5%，玻璃纤维在力学劈裂过程中仍然可以起到有效的增强作用并且充分降低开裂风险，使得材料整体仍呈延性破坏。综上，目前国内外已有文献研究CSA/GRC复合材料的长期耐久性能和力学性能，但关于该材料在固井工程中的应用研究仍未见有深入报道。因此，深入研究CSA/GRC水泥石的力学性能、耐久性能以及微观结构演变规律，对于研发新一代高性能特种固井水泥具有重要意义。

1 实验方法及样品制备

Experimental method and sample preparation

1.1 实验材料

Experimental material

硫铝酸钙水泥，广西云燕特种水泥建材有限公司，化学组分见表1；G级常规油井水泥，四川嘉华公司；分散剂，成都科龙试剂有限公司；降滤失剂，成都科龙试剂有限公司；玻璃纤维。

表1 硫铝酸钙水泥的化学成分Table 1 Chemical composition of sulphoaluminate cement

1.2 样品制备与方法

Sample preparation and method

为了研究硫铝酸钙水泥的水化机理，在实验室配制水灰比为0.44的水泥净浆并将其放置于21℃的恒温水浴中养护至规定龄期。当龄期分别为7 d、28 d、90 d时，将硫铝酸钙水泥石研磨成粉末状颗粒。X射线衍射分析测试实验在Bruker D8型粉末射线衍射仪上进行，采用单频Cu Kα辐射，测量时采用工作电压40 kV，工作电流20 mA，速率2（°）/min，扫描范围5°～60°。

制备CSA/GRC水泥石试样时，按照设定的水灰比将0.5%分散剂、2.0%降滤失剂溶于清水中，再加入玻璃纤维并用变速搅拌器搅拌30 min，随后参照GB/T 19139—2012《油井水泥试验方法》制备水泥浆。水泥石试样尺寸为50.8 mm×50.8 mm×50.8 mm。浇筑好的水泥浆样品在空气中硬化24 h后脱模，随后将样品置于50℃的湿热环境下养护至1 d和28 d时，采用RTR-1000型三轴岩石力学测试系统（美国GCTS公司）对水泥石试样进行三轴应力-应变实验。把完成力学性能测试的水泥石试块砸碎，对压碎断面进行取样。为了提高试块在微观结构观察过程中的导电性能，对样品表面进行碳真空蒸镀。采用JEOL JSM-5800LV扫描电子显微镜表征水泥石断裂面的微观形貌，加速电压为15 keV，工作距离为10 mm，束斑大小为25 nm，放大倍数为400～1 000倍。

2 实验结果分析

Experimental result analysis

2.1 X射线衍射分析

X-ray diffraction analysis

图1给出了硫铝酸钙水泥浆在不同龄期下的XRD图谱。由图1可以看出，硫铝酸钙水泥的主要矿物组成是硫铝酸钙晶体（Ye’elimite，）和硅酸二钙（C2S）。龄期为90 d时，硫铝酸钙水泥的水化并不完全，仍存在少量未反应的硅酸二钙。水化初期，硫铝酸钙水泥的水化产物主要是铝酸一钙晶体（CAH10）和钙矾石晶体（ettringite，AFt），分别来源于水泥熟料中铝酸钙矿物和硫铝酸钙的水化（公式1）。水化初期钙矾石的大量生成使硫铝酸钙水泥石抗压强度增大且水泥石体积膨胀增大。随着水化的进行，水化硅铝酸钙晶体（stratlingite）和单硫型硫铝酸钙晶体（monosulfate，AFm）的衍射峰不断增强，逐渐成为主要的水化产物之一。水化硅铝酸钙的生成归因于生成产物氢氧化铝和水泥熟料中硅酸二钙的水化反应（公式2）。单硫型硫铝酸钙的形成是由于原材料中的石膏被消耗完后，硫铝酸钙晶体与水的反应所致（公式3）。

图1 硫铝酸钙水泥粉末及水泥净浆的X射线衍射图谱Fig.1 X-ray diffraction image of sulphoaluminate cement powder and net slurry

钙矾石AFt的形成

水化硅铝酸钙Stratlingite的形成

单硫型硫铝酸钙AFm的形成

2.2 应力-应变曲线分析

Stress-strain curve analysis

图2是常规玻璃纤维水泥石和CSA/GRC水泥石在50℃湿热养护下的三轴应力-应变曲线。曲线峰值越高代表复合材料的轴向抗压强度越大，应力达到峰值后曲线下降平缓表明材料具有一定的韧性，应力达到峰值后迅速下降则说明呈典型脆性材料特征。由图2可知，CSA/GRC水泥石的轴向抗压强度和轴向应变值明显优于常规固井水泥石。1 d龄期时材料的轴向抗压强度高达40 MPa，比同龄期下常规玻璃纤维固井水泥石提高了45%；最大应变值为0.8%，相比于常规玻璃纤维固井水泥石提高了300%，表明CSA/GRC固井水泥石具有良好的韧性。不同龄期下CSA/GRC水泥石的应力-应变曲线均可反映玻璃纤维的增韧效果，应力-应变曲线呈平缓上升趋势。随着龄期的增长，28 d后CSA/GRC水泥石的三轴应力-应变曲线未发生明显变化，极限抗压强度仅降低了5.2%，最大应变值从0.81%小幅度地升至0.84%。这说明玻璃纤维与硫铝酸钙水泥具有良好的复合能力，复合材料的耐久性相对持久。

图2 常规玻璃纤维水泥石和CSA/GRC水泥石应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of conventional fiber glass set cement and CSA/GRC set cement

2.3 微观结构分析

Microscopic structure analysis

为了进一步研究CSA/GRC水泥石力学性能发展的微观机理，对样品断裂面进行了微观分析。图3是CSA/GRC水泥石断裂面的微观结构图。由图3a和3b可知，硫铝酸钙水泥石基体结构紧凑致密，玻璃纤维的破坏方式主要为从水泥基体中拔出而非断裂，说明此时作用于纤维上的剪切应力大于纤维与水泥石的胶结强度，纤维以拔出的形式消耗部分裂缝发展的能量。图3b是纤维表面的微观结构图，可以看出，纤维仍然保持着良好的物理状态，纤维表面光滑平整且未发生腐蚀现象，只有少量针状钙矾石（AFt）水化晶体产物和团絮状AH3凝胶附着。纤维与纤维之间依然保持有灵活的空间，可以起到有效分散传递应力作用。纤维与硫铝酸钙水泥石接触面的孔隙率较高（图3c），当微裂缝扩展至纤维-水泥石界面过渡区时，应力可以沿着界面过渡区的孔隙分散传递；由于裂纹扩展路径大大增加，破坏水泥的能量会被消耗掉一部分，因此可以降低裂缝的进一步发展、传递，进而保证固井水泥环的完整性和层间封隔效应。同时，当微裂缝扩展至玻璃纤维束内部时，纤维将跨越裂缝起到传递载荷的桥联作用，使固井水泥石内部应力场更加连续和均匀，微裂缝尖端的应力集中得以钝化，裂缝的进一步扩展受到约束，因此固井水泥石的韧性将会进一步提高。

图3 CSA/GRC水泥石断裂面的微观结构图Fig.3 Microscopic structure on rupture plane of CSA/GRC set cement

综上所述，玻璃纤维与硫铝酸钙水泥体系存在良好的复合能力。玻璃纤维可通过桥联作用阻止裂缝的进一步发展，同时纤维与纤维之间、纤维-水泥石界面过渡区内的大量孔隙可以有效分散传递应力、消耗掉部分破坏水泥石的能量，使得复合材料具有良好的韧性和延性，从而在本质上提高水泥环的层间封隔效应，改善固井质量。

3 结论

Conclusions

（1）CSA/GRC固井水泥石具有良好的韧性和强度，轴向抗压强度和极限应变值比常规玻璃纤维固井水泥石分别提高了约45%和300%。玻璃纤维与硫铝酸钙水泥体系存在良好的复合能力，纤维表面光滑且抗腐蚀性提高。

（2）玻璃纤维与硫铝酸钙水泥石的接触界面以及纤维与纤维之间的孔隙率较高，当微裂缝扩展至纤维-水泥石界面过渡区时，应力可以沿着界面过渡区和纤维与纤维之间的孔隙分散、传递，由于裂纹扩展路径大大增加，破坏水泥的能量就会被消耗一部分，从而提高CSA/GRC水泥石的抗裂性能。同时，玻璃纤维可通过桥联作用进一步阻止裂缝的发展，进而保证固井水泥石环的完整性与层间封隔效应，提高井筒完整性。

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（修改稿收到日期 2017-02-21）

〔编辑 朱 伟〕

Effect of fiber glass on mechanical property of sulphoaluminate set cement

SONG Meimei1,ZHANG Ruiping1,YANG Zhenjie2,DOU Yihua1
1.College of Mechanical Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an710065,Shaanxi,China;
2.College of Petroleum Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an710065,Shaanxi,China

As the development difficulty of oil and gas fields and the complexity of downhole situations increase,conventional cement sheath tends to suffer brittle failure and its interlayer isolation effect is impacted.And consequently,wellbore integrity is damaged.Sulphoaluminate cement is a kind of cement material with excellent properties.A sample of fiber glass reinforced sulphoaluminate set cement (CSA/GRC) was prepared to clarify its application potential in cementing engineering.The crystal hydration products of sulphoaluminate cement with different ages were analyzed by means of X-ray diffraction method.The mechanical property of CSA/ GRC set cement was tested by using triaxial stress-strain experiment.The microscopic morphology on the rupture plane of CSA/GRC set cement was observed under scanning electron microscope (SEM),and the toughening mechanism of fiber glass in sulphoaluminate set cement was investigated.It is indicated that CSA/GRC set cement has good toughness and mechanical deformation capacity and its axial compression strength and ultimate strain are about 45% and 300% higher than those of conventional fiber glass set cement.The combination between fiber glass and sulphoaluminate cement system is good and fiber is highly corrosion resistant.Fiber glass can restrict the further propagation of fractures by virtue of stress dispersion and bridging effect,so as to improve the toughness of set cement.

sulphoaluminate cement;fiber glass;cementing;mechanical property

宋梅梅，张瑞萍，杨振杰，窦益华.玻璃纤维对硫铝酸钙水泥石力学性能的影响［J］.石油钻采工艺，2017，39（2）：192-196.

TE256

：A

1000-7393（2017）02-0192-05

10.13639/j.odpt.2017.02.012

: SONG Meimei,ZHANG Ruiping,YANG Zhenjie,DOU Yihua.Effect of fiber glass on mechanical property of sulphoaluminate set cement［J］.Oil Drilling &Production Technology,2017,39(2): 192-196.

国家自然科学基金面上项目“页岩气水平井压裂与生产套管变形机理及其控制机制研究”（编号：51674199）。

宋梅梅（1988-），2015年毕业于英国利兹大学土木工程专业，现从事油气井固井研究工作。通讯地址：（710065）陕西省西安市雁塔区电子二路18号。电话：029-88382603。E-mail：songmeimei2016@163.com

窦益华（1964-），2000年毕业于西北工业大学固体力学专业，现从事油气井井筒完整性研究工作。通讯地址：（710065）陕西省西安市雁塔区电子二路18号。电话：029-88382126。E-mail：yhdou@vip.sina.com