固井注水泥用纤维及颗粒材料堵漏和增韧实验研究汇总(编辑修改稿)

固井注水泥用纤维及颗粒材料堵漏和增韧实验研究汇总(编辑修改稿)内容摘要：

导论 [M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 在韩国 ， 橡胶颗 粒加入混凝土中做成轨枕，使用后发现减震效果很好。 在美国，橡胶混凝土应用到了网球场、停车场和道路的建设中，性能均表现良好 [20]。 [20] Huynh H,Raghavan of Simulated Shredded Rubber Tire in Highly Alkaline Environments[J].Advanced Cement Based Materials ，1997(6):，利用胶粉的颗粒填充，改善油井水泥环力学性能，以期提高 油井水泥抗冲击性能 [21]。 [21] 路俊刚．国产 SBR用于固井工程的可行性研究 [D]．四川：西南石油大学 ,2020 关于这方面的研究很少，在国内外还鲜有报道。 西南石油大学李早元对此进行了详细的研究，粉体的加入对水泥石的各方面性能均有一定的影响，特别是对其塑性变形能力提高较大，并通过改进的测试技术和微观分析论证了该体系提高水泥石完整性的原理[22]。 [22] 赵志远，毕乾，王立燕 . 废橡胶颗粒改性水泥基材料的塑性开裂和抗冲击性能 [J]. 混凝土与水泥制品， 2020， 4(3):在 国内较早提出塑性水泥概念，并首先成功开发纤维改性水泥体系，此后国内同类研究大多是沿用此法提高硬化水泥石的完整性，但没有在耐久性方面深入考察；目前对掺加橡胶的水泥基复合材料的研究较多，对橡胶颗粒在固井水泥浆中研究较少 [23]。 [23] 李早元 .弹性颗粒材料改善水泥石力学形变能力及评价方法研究 [D].西南石油学院， 2020. 将橡胶粉应用于油井水泥浆体系中存在其先天不足之处，橡胶粉是惰性材料，其表面不亲水，与水泥基体不胶结，将其应用于水泥浆中主要起充填改性作用。 但因为密度低，水泥浆体系沉降稳定性不好保证，且严重 影响水泥石抗压强度的发展。 因此，橡胶粉应用与水泥浆体系中必须对其表面进行处理，增强其表面亲水性，提高橡胶粉与水泥基体的界面胶结。 研究思路及主要内容 研究思路 本文主要研究几种不同的纤维和弹性颗粒材料在油井水泥浆中应用时对水泥浆 堵漏效果 、水泥石固态性能的改善效果和作用机制，主要常规密度水泥浆体系展开实验。 据此，本文技术路线如图 11所示。 研究主要内容 为了更加深入地了解油井水泥浆防漏堵漏机理，更好地进行现场防 漏堵漏的施工，更加有效地封隔漏失地层。 本文 通过用聚丙烯纤维、陶瓷纤维、纤维 SD66以及其与橡胶粉互配的水泥浆进行室 内试验，来获取一定的室内评价方法，研究油井水泥浆的防漏堵漏机理，选择防漏堵漏材料，以实现完全封隔地层，为现场防漏堵漏施工提供指导。 本文主要研究内容如下： 图 11 研究思路图 固井注水泥用纤维及颗粒材料堵漏和增韧实验研究 实验设计与评价手段 实验材料 实验仪器及装备 水泥浆制备及性能测试手段 国内外现状研究 论文研究背景及目的意义 纤维、弹性颗粒 用于 水泥浆堵漏的国内外现状 纤维、弹性颗粒 用于水泥浆增韧的国内外现状 纤维 及弹性材料 改性水泥石性能研究 纤维 及弹性材料 对水泥浆性能影响 纤维 及弹性材料 对水泥石抗压强度的影响 纤维 及弹性材料 水泥石抗折强度影响 纤维 及 弹性材料 水泥石 浆堵漏室内研究 纤维材料用于 水泥浆 堵漏的实验研究 纤维与弹性材料互用于 水泥 浆堵漏的实验研究 弹性材料用于 水泥浆 堵漏的实验研究 堵漏机理的研究 水泥石增韧机理研究 纤维材料增韧机理 弹性颗粒材料增韧机理 多元材料增韧水泥石机械性能分析 （ 1） 纤维及弹性材料用于 水泥浆 堵漏实验 研究 对 几种采用的纤维材料，如 陶瓷纤维、聚丙烯纤维、钢纤维和弹性颗粒材料加入固井水泥浆 ，通过配套处理剂 得到 一套 性能稳定的堵漏 水泥浆体系，基于 现有简易的堵漏装置 ， 考察 各种纤维 及 弹性颗粒材料 用于水泥浆 堵漏的效果 ， 分析几种材料的堵漏机理。 （ 2） 纤维及弹性材料 对水泥浆性能影响研究 评价各种纤维水泥浆体系的常规性能，从工程性能的角度研究各种增韧材料对水泥浆体系常规性能的影响，实验评价各韧性水泥浆体系工程性能。 （ 3） 纤维及弹性材料 对水泥石力学性能评价 通过水泥石抗压强度，抗折强度等性能指标变化差异，研究各种增韧材料、外掺料和外加剂对水泥石力学性能的影响规律 （ 4） 纤维及弹性材料对 水泥浆增韧机理分析 根据加入几种材料前、后水泥石破坏断面变化以及水泥石断裂界面形貌，分析纤维类、弹性颗粒对水泥石宏 观力学性能改变的作用机制。 第 2 章 实验设计及评价手段 水泥环的层间封隔能力直接影响到油气井的生产寿命和开采安全。 如何实现水泥环长期 层间封隔能力 是当前油田极为重视的问题，也是目前研究的最多的课题之一。 油井水泥环是介于套管和地层环隙空间的填充体，环空填充体水泥环长期有效的层间密封能力决定了层间封隔能力的长期有效性。 井下水泥环的形成是通过固井注水泥来实现的，由于水泥是一种特殊的水硬性胶凝材料，井下水泥环形成前水泥浆的液态性能、胶结硬化过程中的液塑态性能以及硬化后的力学性能均直接影响油井水泥环的层间密封性能。 凝固后的水泥环是一种脆性材料，其力学形变低，抗冲击能力差，易在井下工况变化是产生裂纹或破碎，因此要求水泥浆凝结后的水泥石具备一定的韧性。 室内实验通过有效的材料设计改善油井水泥石脆性，增强水泥石抗冲击破碎能力及提高水泥环的力学形变能力将有助于提高水泥环的层间封隔能力。 开展固井水泥 石韧性化改造室内 研究， 特别要注重实验方案的设计和有效的评价手段。 首先要分析对水泥材料、增韧材料和处理剂等因素对水泥石增韧性能的影响，分析材料特性改善水泥石的力学韧性。 实验材料 固井水泥石主要组成材料包括：固井水泥材料、矿物外 掺料和化学外加剂等。 其中，固井水泥材料、矿物外掺料以及化学外加剂的选择和评价特别是在特殊井井固井过程中（如稠油热采井）是很关键的一环。 固井 水泥环 需要在 周期性高低温水湿环境 中服役 ， 因此要求水泥石具备良好的耐高温特性，需要对固井水泥材料、矿物外掺料及化学外加剂等的性能进行适当的说明和陈述。 油井水泥材料 水泥的 化学 组成、 水化 性能、 加量 直接影响到 水泥材料凝固后 水泥石的 宏观和微观力学和结构 性能。 （ 1） 油井 水泥 材料 的化学组成 表 21 是 嘉华 G 级水泥的化学组成 ； 可以看出嘉华 G 级油井水泥主要 化学 成分是 CaO、 SiO Al2O3等化学成分组成。 表 21 嘉华 G 级水泥的化学组成 材料 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO Na2O+K2O SO3 质量分数 /% （ 2）水泥材料的水化产物 固井水泥 石 在不同温度下的水化产物主要有：各种形态的水化硅酸钙（通式为 CSH）、水化铝酸钙、铁铝酸钙 [Ca(A, F)13]、 氢氧化钙 （ CH） 等。 现场固井 油井水泥的物理性能要求包括：水灰比、水泥比表面积、 15～ 30 min内的初始稠度 ，在特定温度和压力下的稠化时间以及在特定温度、压力和养护龄期下的抗压强度。 增韧材料 橡胶粉及橡胶颗粒 一般用废旧轮胎加工而成。 常采用的加工方法有：常温粉碎法、冷冻法、常温化学法 胶粉可作为橡胶、塑料填料及复合材料使用，并可广泛应用于橡胶制品、塑料、沥青改性以及建筑材料等产品中。 试验采用峨眉亚联机械厂橡胶有限公司生产的 60 目橡胶颗粒， 以汽车废轮胎胎面橡胶为原料生产的硫化胶粉。 如图21 所示： 图 21 橡胶粉 早在 20世纪 70～ 80年代，国内外就有将橡胶粉用于沥青混凝 土中，以改善其原有的路用性能。 将橡胶粉以一定掺量加入混凝土中，能够填充空隙，改善水泥与骨料的界面状况，能够约束混凝土内微裂缝的产生和发展，并形成吸收应变能的结构变形中心，吸收震动能，从而明显改善混凝土的抗冲击性，提高混凝土的抗震性能。 纤维类材料 用于油井水泥中的增韧纤维按其性能分为两类：一类是弹性模量高于水泥的高强纤维，用于显著提高强度和韧性，如钢纤维、碳纤维、石棉、玻璃纤维，陶瓷等 . 目前，有关理论认为，有效的缝内桥堵方法可以提高裂缝的承压能力，防止裂缝转向，桥堵高压下产生的支裂缝或微裂 缝。 选择合适的材料进行桥堵的原理是 [11]：① 当桥堵材料的尺寸为裂缝宽度的 2／ 3时，可稳定架桥于裂缝之间；②桥堵材料的尺寸为裂缝宽度的 1／ 3时，可深入裂缝内部，堆积形成桥塞这 2种材料相结合能有效而牢固地封堵裂缝孔隙，所以在地层环境条件下 (一定的温度和压力 )，桥塞材料应具有一定的变形能力和塑性强度 (抗拉、抗折强度 )，与有刚性的材料配合使用，封堵裂缝的效果最好。 再者，由于纤维具有较高的强度以及良好的变形能力，在裂纹扩展中纤维伸长量较大，而纤维的伸长变形必将吸收大量能量，因此，相对于普通水泥稳定粒料而言，复合 纤维水泥稳定粒料的优势还体现在具有良好的吸收能量和变形性能，提高材料在反复冲击荷载作用下的抵抗能力，增强材料的韧性。 碳纤维 碳纤维是一种含碳量 90%以上的纤维状无机碳化合物，具有抗拉强度高、弹性模量高、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、导电性能好与热膨胀系数小等。 碳纤维的研发始于 20 世纪 50 年代中期 ，只要用于制作碳纤维增强树脂（ carbon fibre reinforced plastic,CFRP） ,由于聚丙烯晴纤维所作原料制成的 PAN 基碳纤维（ PAN— based carbon fibre）的价格十分高，故 CFRP 的应用十分局限 [11]。 在七十年代初期，发现参加体积率为 2%～ 4%的 PAN 基碳纤维可以大幅度的提高水泥基体的抗压和抗折强度。 但这种纤维太昂贵，难于用于世纪工程中推广。 图 22 碳纤维 本实验采用的是平均长度为 1200181。 m～ 1750181。 m 的碳纤维，按照其纤维的平均长度，最佳的添加量为 %～ %范围。 钢纤维 目前，以钢纤维作为增强材料的应用是最广泛的，使用数量也最多，它具有高弹性 、 高模量等特点。 钢纤维的长度为单根钢纤维两端间的直线距离，其长度不可以太短，否则影响增强效果；也不可以过长 ，否则在搅拌过程中容易结团，难以在水泥浆中均匀分布。 图 23 钢纤维 本实验采用的是废旧的轮胎所拆取的钢纤维，其平均长度为 ㎝～ ㎝之间，平均直径为 ㎝左右。 陶瓷纤维 其中陶瓷纤维在普通硅酸盐水泥基体中可长时间 (至少一年 )保持其抗弯增强效果，耐久性大大优于抗碱玻纤，并且价格低廉。 （论文采用的陶瓷纤维材料主要来自 成都锦祥科技有限公司） 图 24 陶瓷纤维 本实验采用的是 陶瓷纤维材料主要来自 成都锦祥科技有限公司的陶瓷 纤维， 其平均长度为 mm～ 10 mm之间，平均直径为 mm左右。 聚丙烯纤维 工程用聚丙烯纤维，是以聚丙烯为原材料，通过特殊工艺制造而成的 ， 是一种高强聚丙烯束状单丝纤维，经特殊的表面处理技术。 论文中 另一类是弹性模量低于水泥的纤维，如 聚丙烯纤维、 尼龙纤维、纤维素纤维 ，大部分天然纤维 等。 聚丙烯纤维产品有长丝（包括加弹丝、复合丝、吹捻纱和膨体纱等） 、短纤维、异形丝、鬃丝、切割丝、膜裂丝、喷射丝等。 图 25 聚丙烯纤维 本实验采用的是 陶瓷纤维材料主要来自 成都锦祥科技有限公司的聚丙烯 纤维，其平均长度为 mm～ mm之间，平均直径为 mm左右。 处理剂 在现场固井施工过程中，水泥浆需要具备良好的流变性能、滤失水可控，稠化时间可调等 性能，因此，需要加入一定的处理剂调节水泥浆的各项性能指标。 主要产品有油井水泥降失水剂 、 油井水泥减阻剂等。 油井水泥降失水剂 油井水泥降失水剂适用于套管、尾管注水泥和挤水泥作业，它加入水泥后能有效降低水泥浆的滤失量，减小或消除自由水，对水泥石早期强度无不良影响，并具有一定的抗钙、抗盐和防气窜作用。 以卫辉化工公司 降失水剂 G301 为例，其 性能特点：通过提高水泥浆水相粘度和形成聚合物聚集链束堵塞水泥固相滤饼的孔隙，达到减小滤饼渗透率，降低失水的目的。 具有一定的抗盐性能，水溶性好，可直接水混，与调凝剂配伍性好，适用于各级油井水泥，可调整游离液为零的稳定水泥浆体系，为水平井固井提供了有利条件，适用循环温度为 40℃ ～ 110℃ 的油气井，一般加量 %～ %（ BWOC）。 图 26 降失水剂 G301 油井水泥减阻剂 油井水泥减阻剂它能增加水泥浆的流动度，改善水泥浆的流变性能，有助于实现低泵压紊流注水泥，提高水泥浆对钻 井液的顶替效果，从而提高固井质量。 以卫辉化工公司 减阻剂 USZ 为例， 由甲醛、丙酮等原料聚合磺化干燥而成的桔黄色或红褐色粉末。 通过调节水泥颗粒表面的电荷以获得合适的水泥浆流变性，达到降低泵压，提高顶替效率，便于施工的目的。 加量为 %～ %（ BWOC），易溶于水，适用温度从 30℃ ～ 150℃ （ BHCT），与其它外加剂配伍。