复合纤维改性水泥浆及性能探讨(编辑修改稿)

复合纤维改性水泥浆及性能探讨(编辑修改稿)内容摘要：

改变这种负的混杂技应。 3．两种纤维在受力初期与水泥基体共 同抵抗外界荷载，当外力超过一定值后，各纤维对水泥基体复合材料的作用不同，决定了混杂纤维水泥基复合材料的独特力学行为 4．碳一尼龙混杂纤维水泥基复合材料抗拉强度，抗弯强度、断裂能、变形能力高于单纤维的效果。 2020年 南京工业大学材料科学与工程学院针对因射 孔和增产措施使油井水泥环产生脆性破坏，从而带来层 间 流体窜流和套管损失率上升的问题，研制出了一种新型复合纤维增韧剂 SD。 实验结果表明：加有 SD 的水泥石的抗压破碎能为 17398J／ m(净浆水泥石为 10562J／ m)，抗拉破碎能为 15897J／ m(净浆水泥石为 256J／ m)；与净浆相比，加有 SD的水泥石的抗冲击功提高了 7l。 加有 SD并配合使用 0． 2 USZ、 1． 2 F17B和 3 F17A的水泥浆体的综合性能满足固井施工的基本技术要求，且 SD与其它外加剂配伍性良好。 2020年 芳纶纤维在砂浆内呈现三维结构，形成乱向支撑体系，在砂浆试体受外力作用时，搭接在出现的裂缝处，阻止或阻碍裂纹的发展，缓解裂纹尖端的应力集中现象，减少裂缝源的数量，提高砂浆的抗折、抗渗性能 [9]。 研究思路 国 内外研究 虽然一直在说纤维改性水泥浆体系的优越性能，但没有具体介绍纤维加量的对水 泥浆（石）的影响规律。 而且 在 国外研究现状 中 ，很少有研究提到聚丙烯纤维及有机无机纤维复合改性的结果。 国内对陶瓷纤维和聚丙烯纤维等有机纤维改性水泥浆体系也处于起步阶段 ，甚至有些停留在理论阶段。 总的来说纤维改性水泥浆不管是优越性能还是不良的副作用都缺少具体系统的研究。 西南石油大学本科毕业论文 6 纤维材料的选择 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，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；另一类是弹性模量低于水泥的纤维，如尼龙纤维、纤维素纤维 ，大部分天然纤维 等。 不同的纤维存在不同的问题，如钢纤维搅拌时易结团，分散均匀性差，不易施工，且掺量大，成本较高；玻璃纤维在混凝土碱性介质中与碱起化学反应，耐久性较差；聚丙烯纤维是一种高强聚丙烯束状单丝纤维，具有不吸水，化学性能稳定，抗温、抗酸碱腐蚀性好，不参与水泥的水化反应等特点，使用聚丙烯纤维的水泥石可提高其抗裂、抗渗、抗冲击和耐磨能力，同时改善其韧性和延展性 [10]。 鉴于纤维的以上特点，本文拟采用陶瓷、聚丙烯纤维作为 固井水泥浆堵漏增韧材料。 另外，由于陶瓷纤维自身提高抗压强度的性能和聚丙烯自身显著提高抗冲强度的性能，通过两种纤维混掺，根据单一复合改性的实验研究结果调整其掺量配比，以获得最佳的复合改性水泥浆体系。 纤维材料堵漏机理分析 提高漏失井段的承压能力，必须根据地层漏失特性和原理，选择适合的堵漏材料和相关体系及施工措施。 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。 复合纤维改性后的水泥浆中纤维无序、均匀地分散在浆体中，封堵裂缝时，纤维在裂缝内架桥结网，水泥颗粒则充填网孔，水泥水化胶凝后与裂缝固结，起到堵漏承压的作用 [12] 复合纤维改性水泥浆及性能探讨 7 纤维材料增韧机理分析 纤维发挥了其阻裂增韧作用，其机理分析如 下 [13]：由于水泥稳定粒料的早期塑性收缩或其他原因，普通水泥稳定粒料内部不可避免地存在少量缺陷或微观裂纹。 在荷载尤其是冲击动荷载作用下，材料内部缺陷或微观裂纹尖端附近将出现应力的奇异性，巨大的应力集中降低了材料的强度尤其是抗冲击韧性，于是宏观裂缝便产生了。 而对于低掺量聚丙烯纤维水泥稳定粒料而言，尽管纤维掺量较低，但由于纤维细度高，混合料单位体积内的纤维根数却较多，纤维呈三维乱向分布于混合料中。 当水泥稳定粒料中有裂纹存在时，如果裂纹位于纤维之间而不跨越纤维，纤维的铆固作用将阻止裂纹的扩展。 在裂纹刚好穿过纤维 的瞬间，基体的突然断开必然导致纤维在与基体界面分离的部分产生应变的突变，从而使这部分纤维承受很大的拉力。 此时，纤维的作用可看作是一反作用于裂纹面上的闭合力。 由线弹性断裂机理模型中最简单直接的方法 叠加法可知，由纤维等效的闭合力产生的反向应力强度因子在裂纹穿过纤维的瞬时是巨大的，它极大地减小了裂纹总的应力强度因子，从而阻止裂纹继续扩展。 如果裂纹穿过了一系列纤维而纤维仍未被拔出或拔断，则这些纤维产生的反向应力强度因子的总和也不容忽视，所以，纤维极大地阻止了裂纹扩展。 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。 研究内容 通过对现有复合纤维改性油井水泥的归类研究，结合本文的研究思路开展对常规密度的油井水泥浆进行改性，主要研究工作包括以下几个方面： （ 1）根据不影响常规水泥浆的稳定性的原则，确定陶瓷纤维的最佳加量，将陶瓷纤维掺混水泥干灰配制油井水泥浆。 （ 2）根据不影响常规水泥 浆的稳定性的原则，确定聚丙烯纤维的最佳加量，聚丙烯纤维掺混水泥干灰配制油井水泥浆。 （ 3） 分别研究评价以上各个复合改性的油井水泥浆体系的各项性能，包括 流变性实验、力学 （抗折抗压） 性能实验、 失水性能 实验。 （ 4）根据确定加量，改变加入不同尺寸纤维的实验结果综合评价，确定复合改西南石油大学本科毕业论文 8 性水泥浆最佳尺寸的纤维。 （ 5）确定了复合改性纤维的尺寸后改变加量，调整水泥浆的稳定性重复复合纤维改性水泥浆的各项性能评价测试，得到一种满足固井工程应用的复合纤维改性水泥浆体系。 技术路线 复合纤维改性水泥浆及性能探讨 9 2 实验部分 本章主要介绍了 实验所需的 仪器 、药品 ； 制作水泥浆水泥石 实验 方法 及水泥浆 、水泥石 的性能评价等。 主要药品材料 G 级油井水泥 嘉华水泥厂 XP1 消泡剂 河南卫辉市化工有限公司 SXY2 分散剂 四川川峰化学品有限公司 HS2A 降失水剂 四川川峰化学品有限公司 陶瓷纤维 成都锦祥科技有限公司 聚丙烯纤维 成都锦祥科技有限公司 主要实验仪器 电子天平（精度为 ） 电子天平（精度为 ） 筛盘 140 目 2NND6 型 6速旋转粘度计 HH8 数显恒温水浴锅 杰瑞尔电器有限公司 JJ2 组织捣碎机 杰瑞尔电器有限公司 OWC9380 型增压稠化仪 沈阳航空工业学院 应用技术研究所 OWC2020DBX 型恒速搅拌机 沈阳航空工业学院 应用技术研究所 电子液压式压力试验机 YA300 北京海智科技开发中心 抗 折试验机 无锡机械研究所 高温高压失水仪 沈阳航空工业学院 应用技术研究所 烧杯、量筒、玻璃棒、 木棒、瓷砖板 等。 西南石油大学本科毕业论文 10 水泥浆（石）性能评价 制浆 ① 按 SY/T 55041996 要求配浆。 利用 140 目筛子细化水泥干灰后， 称取600/800/1200gG 级水泥， 264/352/528g水，外加剂采用外掺法，水掺量为占水泥干灰 总重的百分数 44%（ %， BWOC）。 ② 将所需的水倒入搅拌浆杯 中，打开低速档 （ 4000r/min177。 200r/min） ，在 15s内把配好的水泥干灰及添加剂倒入浆杯，盖上浆杯盖。 ③ 倒开（调整）到高速档（ 12020r/min177。 500r/min） ,继续搅拌 35177。 1s。 ④ 移除浆液，洗净设备。 水泥浆密度的测定 ① 在样品杯中加入水泥浆至样品杯上缘约 6mm 处。 ② 将盖子放在样品杯上，打开盖子上的单向阀。 使盖子外缘和样品杯上缘表面接触，过量的水泥浆通过单向阀排出。 将单向阀向上拉到封闭位置，用水洗净、 擦干样品 杯和螺纹，然后将螺纹盖帽拧在样品杯上。 ③ 用 专用加压活塞筒吸取适量水泥浆，通过单向阀注入样品杯中，直至单向阀自动封闭。 ④ 将样品杯外壳洗净、擦干，然后将密度计放在支架上，移动游码，使游梁处于平衡状态。 读出游码箭头一侧的密度值。 水泥浆流变性能的 评。