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纤维增韧水泥浆技术研究 陈兴中马海忠姜向祖温雪丽 (川庆钻探工程公司长庆工程技术研究院) 摘要:长庆油田属于典型的“三低”油气田,为了获得产能每口井都要进行压裂等措施改造, 普通水泥石存在抗拉强度低、抗破裂性能差、抗冲击强度低等问题。针对水泥石韧性不足的原 因,根据油井水泥理化性能和现场施工要求,加入适当纤维来提高水泥石环韧性,由于纤维和 水泥是两种不同性质的材料,因此需要对纤维进行表面改性和预分散处理,使其均匀分布于水 泥浆中,通过大量的试验数据验证,具有很好的效果。与长庆油田目前使用的水泥浆体系配伍 性良好,现场施工无特殊要求。 关键词:纤维韧性固井水泥浆 1前言 水泥是构成固井水泥石环的主要材料,具有悬挂固结和保护套管的功能,其主要作用之一是 改善套管的受力状态,延长套管的使用寿命并决定油气井的寿命。 水泥石的硬脆特性是致使油井水泥环的整体性在复杂多变的井下工况及油气井后续施工中 受破坏、导致层间封隔失效的主要原因。因此改善油井水泥石力学性能,赋予油井水泥石一种可 控塑性形变能力,增加水泥石抗冲击破碎性能,减轻水泥环在受冲击力作用时的应力集中所造成 的破裂伤害程度,对油气井开采寿命及提高采收率有着重要的作用。本文就是通过研究对纤维材 料表面改性,在水泥中添加特殊改性的增强纤维,来改善水泥石的性能,特别是提高水泥石的 韧性,达到满足油气井改造的需要,有利于延长油气井寿命。 2纤维改性、分散处理研究 2.1适用于水泥浆体系的纤维筛选 现代复合材料水泥所用的纤维种类繁多,按其材料可分为:金属纤维,石棉纤维、玻璃纤 维、硼纤维、碳纤维等;聚丙烯纤维抗拉强度中等,耐酸碱,不吸水,干态、湿态纤维强度无 变化,价格便宜,不与水泥基体材料发生化学反应,被认为是最有工业价值的纤维品种之一。 聚丙烯纤维的物化性能见表1: 表1:聚丙烯纤维的物化性能 密度(g/cm3)0.91弹性模量(Mpa)〉3500 导热性(W/MK)≤0.24当量直径(µm)<100 产品形状束状网断裂延伸率(%)10-50 耐酸碱性≥94.4%吸水性(g/cm3)≤0.0001 抗拉强度≥560熔点(℃)160-170 1 聚丙稀纤维在低纤维掺量下,对砂浆混凝土的抗冲击性能、韧性、耐疲劳性能、抗渗性能 等方面都有明显的改善。所以聚丙烯纤维增韧水泥方面得到了国内外的广泛关注。 2.2表面改性研究 聚丙烯纤维的化学性质不活泼,其表面特性表现为憎水型,对水泥基体的亲和力不够理想。 为增强聚丙烯纤维对水泥的附着力,对纤维进行了表面改性,改善纤维表面的润湿特征。长度 为3mm的聚丙烯纤维,加入纤维改性处理剂ZR-1后,水泥石的抗折强度和抗压强度。结果见 表2: 表2:ZR-1对纤维(3mm)水泥石力学性能影响 抗折强度(Mpa)抗压强度(Mpa) 纤维加 ZR-1:0.5%ZR-1:0%ZR-1:0.5%ZR-1:0% 量% 7天14天7天14天7天14天7天14天 0.057.527.996.506.7227.638.725.436.1 0.18.898.316.827.128.539.726.137.2 0.159.028.777.557.5728.833.926.230.5 由表2可以看出,纤维改性处理剂ZR-1能改善纤维与水泥石基体的胶结性,提高水泥石 的抗压抗折强度,改善水泥石力学性能。 2.3.分散助剂的研究 纤维在水泥浆中的分散程度不同,形成的水泥石的强度也会不同,纤维分散越均匀,其水 泥石的强度就越大,水泥石的韧性就越好。在制备水泥浆的过程中,较长的纤维易缠绕勾连成 团状,纤维在水泥基体中分散的均匀性显著下降,所控制的微裂纹数量减少,致使水泥石的抗 折强度降低。 为了使纤维更好的分散于水泥浆体中,形成均匀的水泥石,在纤维增韧剂中设计了一种分 散助剂ZR-2,ZR-2可以吸附于纤维表面,均匀分散难于溶解于水的纤维,起到阻止纤维缠绕 成团,提高水泥浆的稳定性能。同时也能防止纤维的沉降和凝聚。作用机理如下: 1)吸附于纤维的表面,使凝聚的纤维表面易于湿润。 2)在纤维的表面形成吸附层,使纤维表面的电荷增加,提高形成立体阻碍的纤维间的反作用 力。 以上所述,分散助剂ZR-2能有效地分散液体中的纤维。分散助剂ZR-2对水泥浆相容稳定性 的影响,是通过对密度为1.88g/cm3纤维水泥浆进行了稳定性成型养护,再测量纤维水泥浆凝结形 成水泥石在纵向上的密度分布来确定的。水泥浆配方为:G+0.3%纤维+0.4%ZR-2。实验结果见 图1: 2 1.98 1.93 1.883mm 1.834mm 1.786mm 1.73 1.68 m 0cm0cm 10cm20cm340cm50cm60c70cm890cm 100cm 图1:不同长度的聚丙烯