废旧轮胎橡胶粉对固井水泥浆性能的影响

刘伟

摘 要：掺入橡胶粉材料是改善油井水泥先天脆性缺陷的一种有效方法。为了缓解环境和资源压力，将废旧轮胎橡胶粉应用在油井水泥中，研究了废旧橡胶粉对水泥浆性能的影响，探讨了橡胶粉水泥石的应力应变行为。实验结果表明，废旧轮胎橡胶粉的掺入会降低水泥浆的失水量，缩短水泥浆稠化时间，降低水泥石的抗压强度，改善水泥石的抗折强度和抗冲击强度;同时，废旧轮胎橡胶粉的掺入还有效降低了水泥石的弹性模量，提高了其弹性变形能力。

关键词：废旧轮胎橡胶粉;固井;水泥浆;力学性能;弹性模量

中图分类号：TE256;U414文献标识码：A文章编号：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

固井作業是在套管与地层环空注入水泥浆，凝固后形成水泥环，对地层进行有效层间封隔，同时支撑和保护套管[1]。未改性的固井水泥浆体系形成的水泥石具有先天脆性，在经受井下载荷作用时，水泥环易被损坏，产生微裂缝或微环隙，导致固井封隔失效，影响油气井安全、高效开采[2-3]。

为获得良好的层间封隔性能，需要使用柔性材料改善固井水泥浆性能。橡胶作为一种具有高形变能力的弹性粒子，应用在油井水泥基材料中可以降低其脆性，达到改善固井封隔能力的目的。蒋凯[4]、李早元[5]、程小伟[6]、Agapiou K[7]等通过研究橡胶粉在油井水泥中的作用得出，含有橡胶颗粒的水泥石的弹性模量小于没有掺加橡胶粉的水泥石，橡胶颗粒的加入既能使水泥石弹性变形能力增强，又能使水泥石结构更加致密、抗渗性能更高。此外，橡胶粉粒子在外力作用下发生弹性变形产生力的缓冲作用，提高水泥石抗冲击破坏的能力。

废旧轮胎橡胶粉是以废旧轮胎为原料制备的粉末状弹性材料。近几十年来，全球飞速发展的汽车工业极大地推动了轮胎的生产，同时也造成大量废旧轮胎积存。为了有效解决废旧轮胎积存的问题，可将其制备为废旧轮胎橡胶粉。将废旧轮胎橡胶粉应用在固井水泥浆中，一方面有助于充分处理和利用庞大的废旧轮胎资源，减缓其对环境和资源造成的压力;另一方面，可以制备弹性水泥浆体系用于油气井固井。为评价废旧轮胎橡胶粉在固井水泥浆中的作用效果，研究了其对固井水泥浆性能的影响。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

三峡G级油井水泥、淡水、降失水剂、增强剂、分散剂、缓凝剂、废旧轮胎橡胶粉。

1.2 废旧轮胎橡胶粉的使用方法

由于废旧轮胎橡胶粉亲水性差，因此，若将其直接应用在水泥浆体系中，稳定性得不到保证。为改善废旧轮胎橡胶粉的表面亲水性，将一定质量的硅烷偶联剂KH570溶解在乙醇溶剂中，再将废旧轮胎橡胶粉加入KH570的溶液中搅拌均匀，干燥，得到改性废旧轮胎橡胶粉。使用改性后的废旧轮胎橡胶粉进行水泥浆的配制。

1.3 水泥浆性能评价方法

固井水泥浆的性能测试依据《油井水泥试验方法》（GB/T 19139—2012）中的相应规定进行。实验温度为80 ℃。水泥浆的配方为100%G级油井水泥+44%淡水+3%降失水剂+1.5%增强剂+0.5%分散剂+0.5%缓凝剂+0%～4%废旧轮胎橡胶粉。

2 结果与讨论

2.1 废旧轮胎橡胶粉对水泥浆流变性和稳定性的影响

为评价废旧轮胎橡胶粉对固井水泥浆流变性和稳定性的影响，对水泥浆的流变性和自由液含量进行了测试，结果见表1。

从表1中的数据可以看出，废旧轮胎橡胶粉的掺入对水泥浆流变性有一定的影响，随着废旧轮胎橡胶粉加量增加，水泥浆流变性读数增大，但加量在3%以内的水泥浆流变性都能满足施工要求。当废旧橡胶粉加量大于3%时，需要掺入适量的分散剂调节水泥浆的流变性，以保证水泥浆的安全施工性能。同时，废旧轮胎橡胶粉的加入可以有效降低水泥浆中自由液的含量，提高水泥浆的稳定性。

2.2 废旧轮胎橡胶粉对水泥浆失水量的影响

水泥浆失水量过大，可能会生成过厚泥饼，使水泥浆过早脱水，引起环空桥堵和层间窜流等问题，严重时导致油气井报废[7]。本文主要通过室内实验验证废旧轮胎橡胶粉对水泥浆失水量的影响，结果见图1。

从图1中的实验结果可以看出，废旧轮胎橡胶粉的掺入有助于降低水泥浆体系失水量;随着废旧轮胎橡胶粉掺量的增多，水泥浆失水量下降;当废旧轮胎橡胶粉掺量为4%时，水泥浆失水量大幅度下降，此时水泥浆失水量较空白水泥浆下降了19 mL。其原因可能是在水泥浆失水过程中，微细橡胶粉填充到水泥浆滤饼中，使滤饼结构更加致密，从而降低了失水量。

2.3 废旧轮胎橡胶粉对水泥浆稠化时间的影响

水泥浆的稠化时间是控制固井作业的关键参数[8]。本文主要通过室内实验验证了废旧轮胎橡胶粉对水泥浆稠化时间的影响，实验结果见图2。

从图2可以看出，废旧轮胎橡胶粉的掺入对水泥浆的稠化时间有一定的影响;随着橡胶粉加量的增多，水泥浆的稠化时间縮短。当橡胶粉加量为3%和4%时，水泥浆的稠化时间分别缩短了23 min和43 min，但稠化时间都能满足固井施工的要求。

2.4 废旧轮胎橡胶粉对水泥石力学性能的影响

作为一种柔性颗粒材料，废旧轮胎橡胶粉加入水泥浆体系的主要作用是改善水泥石力学性能。为研究废旧轮胎橡胶粉对水泥浆力学性能的改善作用，对不同废旧轮胎橡胶粉加量的水泥石的抗压强度、抗折强度、抗冲击强度进行评价，结果见图3至图5。

从图3至图5可以看出，废旧轮胎橡胶粉的掺入对水泥浆的抗压强度、抗折强度和抗冲击强度会有不同程度的影响。从图3可以看出，加入废旧轮胎橡胶粉会降低水泥石的抗压强度。与空白水泥石相比，加入1%、2%、3%和4%废旧轮胎橡胶粉的水泥石抗压强度比空白水泥石分别下降6.4%、14.7%、17.7%和26.3%。随着加量的增多，水泥石抗压强度下降幅度增大，但是不同废旧轮胎橡胶粉掺量的水泥石抗压强度都满足固井要求。从图4可以看出，随着废旧轮胎橡胶粉掺量的增多，水泥石的抗折强度先增大后减小，过多的废旧轮胎橡胶粉会对水泥石的抗折强度产生不利影响。当废旧轮胎橡胶粉掺量为3%时，水泥石抗折强度最大，比空白水泥石提高了40%。从图5可以看出，少量的废旧轮胎橡胶粉可以提高水泥石的抗冲击强度，过多的废旧轮胎橡胶粉会对水泥石抗冲击强度产生不利影响。当废旧轮胎橡胶粉掺量为3%时，水泥石抗冲击强度达到1.82kJ/m2，比空白水泥石提高了27.3%。实验结果表明，把适量的废旧轮胎橡胶粉掺入水泥浆中，会降低水泥石的抗压强度，有效提高水泥石的抗折强度和抗冲击强度。此外，废旧轮胎橡胶粉应用在油井水泥浆中，需要控制其加量。

2.5 水泥石应力-应变行为

水泥石的应力-应变行为表现了水泥石在遭受外部载荷作用时的形变情况，研究水泥石的应力-应变曲线可以直接地反映水泥石在受压载荷作用下的力学行为。图6为4%加量废旧轮胎橡胶粉的水泥石试样和空白水泥石试样的单轴应力-应变曲线。

从图6可以看出，加入废旧轮胎橡胶粉的水泥石和未加废旧轮胎橡胶粉的水泥石在外部载荷作用下应力-应变曲线差异较大。空白水泥石在遭受压缩应力时，应力与应变表现出更强的线性关系，曲率更小，水泥石脆性大。在相同载荷下，加入废旧轮胎橡胶粉的水泥石的轴向应变大于空白水泥石试样，这表明掺入橡胶粉的水泥石形变能力强，弹性高。根据应力-应变测试结果可得到加入废旧轮胎橡胶粉的水泥石试样的弹性模量为5.6GPa，比空白水泥石试样的弹性模量（9.2 GPa）降低了39.1%。结果表明，废旧轮胎橡胶粉可以有效降低水泥石的弹性模量，改善油井水泥基材料的脆性缺陷。

3 结论

①废旧轮胎橡胶粉的掺入可以降低水泥浆的失水量，提高浆体稳定性，但是会缩短水泥浆的稠化时间，增大流变读数，因此，在使用过程中，需要掺入适量的分散剂和缓凝剂调节水泥浆的性能。

②适量的废旧轮胎橡胶粉掺入水泥浆中，会降低水泥浆的抗压强度，但大幅提高了水泥石的抗折强度和抗冲击强度。

③废旧轮胎橡胶粉的掺入能有效提高水泥石的形变能力，降低水泥石弹性模量，改善油井水泥的脆性缺陷。

参考文献：

[1]Jianjian Song，Mingbiao Xu，Weihong Liu，et al. Thermoplastic rubber （TPR） modified by a silane coupling agent and its influence on the mechanical properties of oil well cement[J]. Advances in Materials Science and Engineering，2019：1-11.

[2]万曦超.油气井固井水泥环力学研究[D].成都：西南石油大学，2006.

[3]黄峰，许明标，宋建建，等.一种碳纤维分散液的制备及其在固井水泥浆中的应用[J].科学技术与工程，2019（8）：79-85.

[4]蒋凯.粉末丁腈橡胶对固井水泥浆性能的影响[J].油田化学，2019（4）：604-609.

[5]李早元，郭小阳.橡胶粉对油井水泥石力学性能的影响[J].石油钻探技术，2008（6）：52-55.

[6]Agapiou K，Gamwell C R，Sodhi T S. Influence of recycled rubber tire morphology on the mechanical properties of well cements[C]//American Rock Mechanics Association.2016.

[7]李波，陆永伟.纳米二氧化硅对固井水泥浆性能的影响[J].河南科技，2019（13）：96-99.

[8]Ridha S，Jamali M F，Setiawan R A . Thickening Time Compatibility of Geopolymer Cement for Drilling Application[J]. Applied Mechanics and Materials，2017（864）：65-70.