耐碱玻璃纤维增韧水泥石力学性能及对水泥浆性能影响

郝华中， 桑 明， 张 晔， 李文文， 蒋立坤， 马 淼

(1中国石油集团渤海钻探工程有限公司第二固井分公司 2中国石油集团渤海钻探工程有限公司第一固井分公司 3中国石油集团渤海钻探工程有限公司工程技术研究院)

大港油田经过50多年的开发，老区油田已经进入高含水开发阶段，增产难度很大。小井眼开窗侧钻技术作为有效开发老区油田的新技术，应用前景广阔。但是小井眼本身侧钻开窗的特点给固井带来了一定的难度，要求水泥浆具有良好的稳定性、流动性。此外，水泥石脆性大、韧性差不能保证水泥石在增产开发过程中保持完整性。但是水泥石是一种脆性材料，在井下复杂环境中很容易发生破坏。国内外学者对提高水泥石力学性能进行了大量科学实验研究，主要包括颗粒增韧材料[1-2]、胶乳增韧材料[3-4]和纤维增韧材料[5-6]等。纤维材料在油井固井中应用较为广泛，包括聚酯纤维、聚丙烯纤维、碳纤维等，但是都有分散性和耐久性差的缺点[1-2,7]。耐碱玻璃纤维是一种用来增强混凝土的肋筋材料，具有弹性模量高、耐碱、抗腐蚀、抗冲击、抗拉抗弯、抗冻抗裂等性能[3]。但是耐碱玻璃纤维在固井上的应用较少。因此，笔者对耐碱玻璃纤维对固井水泥浆及水泥石性能的影响进行了研究，为其在油田现场应用奠定基础。

一、实验部分

1. 实验材料和药品

G级油井水泥，四川嘉华企业(集团)股份有限公司,化学组分见表1；分散剂PC-F44S，天津中海油服化学有限公司；缓凝剂SYH-1、降失水剂SYJ-1，山东胜油固井工程技术有限公司；耐碱玻璃纤维，泰山玻璃纤维有限公司，特性参数见表2。

表1 四川嘉华G级油井水泥成分表

表2 耐碱玻璃纤维特性参数

2. 水泥浆性能测试

参照油井水泥试验方法GB/T 19139-2012对水泥浆进行配制、养护，对水泥浆的流变性能、稠化性能、抗压强度进行测试，测试水泥浆的流变性能时，剪切速率和剪切应力由式(1)和式(2)计算。参照圆柱形混凝土试样劈裂抗拉强度的试验方法ASTM C496/C496M-17对水泥石抗拉强度进行测试，试样尺寸为Ø150 mm×300 mm，试样的劈裂抗拉强度由式(3)计算。参照水泥胶砂强度检验方法GB/T 17671-1999对水泥石抗折强度进行测试，试样尺寸为160 mm×40 mm×40 mm，试样的抗折强度由式(4)计算。参照塑料/悬臂梁冲击强度的测定方法GB/T 1843-2008对水泥石抗冲击功进行测试，试样尺寸为160 mm×40 mm×40 mm，试样的抗冲击功由式(5)计算。水泥浆的配方见表3，水泥浆性能均在80℃下进行测试。

表3 水泥浆配方表

γ=1.7045×nr

(1)

τ(Pa)=0.511×F×φ

(2)

式中：γ—额定剪切速率，s-1；nr—黏度计转速，r/min；τ—剪切应力，Pa；φ—黏度计读数；F—转矩弹簧系数。

(3)

式中：T—劈裂抗拉强度，MPa；P—最大施加载荷，N；l—试样长度，mm；d—试样直径，mm。

(4)

式中：Rf—抗折强度，MPa；Ff—折断时施加于棱柱体中部的载荷，N；L—支撑圆柱之间的距离，mm；b—棱柱体正方形截面的边长，mm。

(5)

式中：aiU—无缺口抗冲击功，J/m2；Ec—已修正的试样断裂吸收能量，J；h—试样厚度，mm；b—试样宽度，mm。

二、实验结果与讨论

1. 玻璃纤维对水泥浆性能的影响

1.1 流变性能

图1为不同玻璃纤维加量下水泥浆的流变曲线。从拟合后的流变曲线可以看出，加入玻璃纤维的水泥浆的流变曲线近似为一条直线，具有显著的Bingham流体特性，符合式(6)。加入玻璃纤维的水泥浆的流变参数由式(6)拟合后流变模型的参数得到，结果如表4所示。从表4中可以看出，增加玻璃纤维的加量，水泥浆的流变模型并没有受到较大影响，根据Bingham模型拟合后的回归公式仍然具有较高的相关系数。因此，Bingham模型可合理应用于玻璃纤维水泥浆的流变研究中。

图1 不同玻璃纤维加量下水泥浆的流变曲线

τ=τo+(μp×γ)

(6)

式中：τo—屈服值，Pa；

μp—塑性黏度，mPa·s。

屈服值作为水泥浆产生初始流动过程中需要克服的颗粒间由于摩擦和吸附产生的阻力，当颗粒间作用增加时，屈服值会随之增加[8-9]。从表4看出，当玻璃纤维加量增加时，屈服值呈增大趋势。当玻璃纤维加量较少时，水泥浆内部起润滑作用的自由水多，使颗粒表面包裹的水层厚度大，颗粒间直接接触造成的摩擦较小，降低了流动阻力，屈服值较低。随着玻璃纤维加量的增大，水泥浆内部固相增加，颗粒间产生摩擦力的几率增大，同时自由水量减少，造成水泥浆屈服值增加。

表3 水泥浆流变性能测试结果和流变参数拟合结果

塑性黏度作为表征水泥浆内部结构阻碍流动的性能，其大小主要依赖于水泥浆内部絮凝结构的多少以及破坏程度[6]。表4显示，当玻璃纤维加量增大，水泥浆塑性黏度增大。原因在于，当玻璃纤维加量较少时，多余的水分能够填充于水化的固体颗粒之间，增大固体颗粒间的距离，减弱水化固体颗粒之间的范德瓦尔斯引力和静电力作用，减少发生团聚和相互吸附的情况，形成的絮凝结构和网状结构较少，阻碍水泥浆流动的内部阻力降低，塑性黏度较低。当玻璃纤维加量较多时，增大了纤维间相互搭接、结团的几率，导致水泥浆内部形成复杂的网络结构，阻碍水泥浆流动，致使塑性黏度升高。

1.2 稠化性能

在注水泥过程中，水泥颗粒水化会增加水泥浆的黏度，水泥浆的稠化时间直接关系到固井施工安全。图2为不同玻璃纤维加量下水泥浆的稠化曲线。从图2中可以看出，加入玻璃纤维的水泥浆的稠化时间缩短了，初始稠度稍有增大。原因在于耐碱玻璃纤维是惰性材料，不会与水泥浆中的成分发生化学反应，不会放出或吸收热量，因而不会影响水泥浆的水化速度，但是加入玻璃纤维的水泥浆中自由水变少，摩擦阻力变大，致使初始稠度增大、稠化时间缩短。加入玻璃纤维的水泥浆的稠化时间约为300 min，直角稠化效果理想，满足现场施工要求。

图2 不同玻璃纤维加量下水泥浆的稠化曲线

1.3 失水量

水泥浆的失水量关系到现场施工安全，影响固井质量。控制水泥浆失水能够防止施工事故的发生，避免油气层损害。图3为不同玻璃纤维加量下水泥浆的失水量,从图3看出，随着玻璃纤维加量的增加，水泥浆的失水量先降低后升高；在玻璃纤维加量为2%时，失水量最低。原因在于，当玻璃纤维加量小于2%时，乱向分布的纤维分布在水泥颗粒之间，减少水泥颗粒之间的空隙，增加滤饼的致密程度，降低水泥浆的失水量。当玻璃纤维加量大于2%时，玻璃纤维在水泥浆中的分散性较差，部分纤维发生团聚，降低水泥浆的均质性，增加水泥浆的失水量。因此，根据失水量判断玻璃纤维在水泥浆中的最优加量为2%。

图3 不同玻璃纤维加量下水泥浆的失水量

2. 玻璃纤维对水泥石力学性能的影响

水泥石的力学性能主要包括抗压强度、抗折强度、抗拉强度。水泥石的抗压强度决定了水泥石能否有效支撑套管和井壁，以及能否满足射孔施工要求，因此研究了玻璃纤维对水泥石抗压强度的影响。在水泥浆中加入玻璃纤维主要是作用是提高水泥石的韧性，水泥石的韧性可以通过水泥石的抗折强度和抗拉强度进行表征，因此研究了玻璃纤维对水泥石抗折强度和抗拉强度的影响。

2.1 抗压强度

玻璃纤维不同加量下，水泥石的抗压强度性能如图4所示，水泥石的抗压强度随玻璃纤维加量呈先增大后降低的趋势。断裂学认为，外力作用于材料使其破坏的实质原因是材料内部裂纹快速扩展、有效承载面积变小，最终导致破坏发生[10]。养护2 d时，加量1%和2%的水泥石的抗压强度分别增长1.2%和2.9%；养护7 d时，加量1%和2%的水泥石的抗压强度分别增长4.1%和5.9%。随着养护时间的增加，水泥石的抗压强度增加，这主要是由于水泥石的水化程度随时间变大，增加了水泥石的抗压强度。在加量为3%时，养护2 d和7 d的水泥石抗压强度分别降低2.4%和4.2%。原因在于，在玻璃纤维加量较低时(≤2%)，玻璃纤维在水泥石中与水泥基体结合，由于玻璃纤维强度较高，能够有效地提高水泥石内部抑制裂纹形成和传播的能力，在水泥石中起到了很好的增强作用，因此抗压强度得到提高；在玻璃纤维加量较高时(>2%)，玻璃纤维在水泥石中分散性差，部分团聚的玻璃纤维使水泥石内部应力分布不均匀，造成抗压强度降低。

2.2 抗折强度

抗折强度是评价水泥石韧性的重要指标，一般认为，水泥石抗折强度越大，说明水泥石韧性越高。在玻璃纤维不同加量下，水泥石的抗折强度从实验结果可以看出，加入玻璃纤维的水泥石的抗折强度均有明显的提高，并且随着养护天数的增加抗折强度不断增大。养护2 d时，加量1%、2%、3%的水泥石的抗折强度分别增长26.8%、55.4%、44.6%；养护7 d时，加量1%、2%、3%的水泥石的抗折强度分别增长34.9%、55.8%、23.2%。说明玻璃纤维可以很好的提高水泥石的韧性。根据方圆等人[11]的研究分析可知，裂缝产生初期，玻璃纤维的断裂韧性大于水泥石基体，当裂缝扩展至玻璃纤维，玻璃纤维可以阻止裂缝的发展；裂缝产生后期，玻璃纤维受到外加载荷作用，并在水泥石基体的断裂面形成桥接作用，桥接的玻璃纤维对裂缝产生闭合作用，消耗外载荷做功，从而增大水泥石基体韧性。Bowen Yu等人[12]也有类似的研究，玻璃纤维能够增韧主要是由于其晶体网络的作用，晶体网络受外载荷变形，消耗能量，因此能够增加韧性。

图4 不同玻璃纤维加量下水泥石的抗压强度

不同养护期龄的水泥石的抗折强度随玻璃纤维加量呈先增大后降低的趋势，在玻璃纤维加量为2%时达到最大值。这与玻璃纤维对水泥石抗压强度的影响规律一直，在玻璃纤维加量较大时，水泥石抗折强度降低，主要是由玻璃纤维在水泥浆中的分散不均匀造成的。

2.3 抗拉强度

加入玻璃纤维的水泥石的抗拉强度亦有明显的提高。随着养护天数的增加，水泥石抗拉强度增加不大。养护2 d时，加量1%、2%、3%的水泥石的抗拉强度分别增长15.2%、65.2%、34.8%；养护7 d时，加量1%、2%、3%的水泥石的抗拉强度分别增长14.9%、66.0%、40.4%。由此可知，加入玻璃纤维能有效提高水泥石抗拉强度值，但加量超过2%同样会对水泥石抗拉强度发展产生不利影响。

2.4 抗冲击功

抗冲击功能够有效评价水泥石的韧性，水泥石抗冲击功越高，受力破坏所消耗的能量越大，因此水泥石的韧性越高。在玻璃纤维不同加量下，不同养护期龄的水泥石的抗冲击功随着玻璃纤维加量的增加呈先增大后降低的趋势。养护2 d时，加量1%、2%、3%的水泥石的抗冲击功分别增大26.8%、44.0%、22.9%；养护7 d时，加量1%、2%、3%的水泥石的抗冲击功分别增加27.9%、45.1%、26.2%。玻璃纤维的加入可有效提高水泥石的抗冲击功，改善水泥石的韧性，以加量为2.0%时效果最佳。

2.5 弹性模量

水泥石弹性模量用来表征水泥石抵抗弹性应变的能力，其值越低说明水泥石越容易发生弹性形变。本文利用三轴力学实验测量了不同玻璃纤维加量下养护2 d的水泥石的弹性模量。不同养护期龄的水泥石的弹性模量随玻璃纤维加量的增加呈先降低后升高的趋势。玻璃纤维加量1%、2%、3%的水泥石的弹性模量分别降低26.8%、51.3%、37.3%。掺入玻璃纤维的水泥石的弹性模量得到明显降低，使水泥石的脆性得到明显改善，以加量2%时效果最佳。其主要机理是玻璃纤维在水泥石受力过程中起到了传递应力和消散应力的作用，能够有效防止水泥微观颗粒间相对滑移，将受损的部分连接成一体，降低裂纹的拓展速度，起到了阻裂作用，从而实现了降脆增韧效果。

三、结论

(1)在水泥浆中加入耐碱玻璃纤维，会增加水泥浆的塑性黏度和屈服值，缩短水泥浆的稠化时间，减少水泥浆的失水量，在玻璃纤维加量不超过3%时，水泥浆性能满足现场施工要求。

(2)加入玻璃纤维的水泥石的力学性能得到增强，韧性得到明显提高。耐碱玻璃纤维的最优加量为2%，水泥石的7 d抗折强度、抗拉强度和抗冲击功分别提高55.8%、66.0%和45.1%，养护2 d的水泥石弹性模量降低率为51.3%。