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        復合纖維增強高溫油井水泥石的力學性能研究

        2022-11-15 05:05:44吳杰周萍方樂武李明西南石油大學新能源與材料學院四川成都610500
        化工管理 2022年30期
        關(guān)鍵詞:水泥石單軸水泥漿

        吳杰,周萍,方樂武,李明(西南石油大學新能源與材料學院,四川 成都 610500)

        0 引言

        隨著油氣行業(yè)的發(fā)展,深井、超深井和非常規(guī)油氣井的數(shù)量越來越多,井下地質(zhì)條件越來越復雜,導致油氣開發(fā)難度增大[1-3]。隨著井的深度增加,井底溫度也在不斷升高。水泥石強度在溫度超過110 ℃時會急劇衰退,所形成的水化產(chǎn)物不穩(wěn)定,水泥石中易產(chǎn)生較大的裂縫[4]。提高水泥石高溫抗壓強度,增強其韌性,有利于防止固井水泥環(huán)發(fā)生氣竄。改善水泥復合材料性能的傳統(tǒng)方法包括在水泥中添加增強材料[5]、摻入化學礦物外摻料以及使用減水劑。目前,針對單一纖維或者橡膠類材料在110 ℃以下增強油井水泥石性能的研究相對較多,而關(guān)于在水泥基體中添加不同級配的復合纖維材料,高溫下增強增韌油井水泥石的研究偏少。硅灰石纖維具有較好的耐高溫性能,超長纖維有更高的強度和斷裂韌性,超細纖維能有效改善水泥混凝土裂前的抗彎韌性,兩種纖維對水泥的作用效果不盡相同,添加復合纖維是一種可行的方法。有效抑制裂紋擴展,就可以改善水泥石性能。

        1 實驗

        1.1 試劑與材料

        G級油井水泥為四川嘉華企業(yè)(集團)股份有限公司生產(chǎn),硅灰石纖維為市售并經(jīng)實驗室處理,分散劑DRS-1S,降失水劑G33S,消泡劑DRX-1L均為市售。水泥漿配方如表1所示。

        表1 水泥漿配方表

        1.2 水泥漿制備

        實驗將長徑比為16:1和13:1的硅灰石纖維按照2:1質(zhì)量配比均勻混合,得到的復合材料稱為DRZ-1S。將DRZ-1S按 照3%、4%、5%和6%的比例分別加入水泥漿中,將配置好的水泥漿倒入相應(yīng)的摸具中,而后放入高溫高壓養(yǎng)護釡進行養(yǎng)護(養(yǎng)護壓力21 MPa),等養(yǎng)護時間達到3 d、取出進行力學性能測試。使用抗壓強度模具(直徑25 mm,高度25 mm)、抗拉強度模具(直徑50 mm,高度25 mm)和單軸模具(直徑25 mm,高度50 mm)來測試油井水泥石的力學性能。按照《油井水泥試驗方法》對養(yǎng)護不同時間不同配比的水泥石進行測試,每組抗壓強度的測試需要7個試樣,每組抗拉的測試需要3個試樣,測試最終結(jié)果取其平均值。按照GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》,測定水泥石的軸應(yīng)力—應(yīng)變曲線,每組測試2個試樣,計算取測試數(shù)據(jù)的平均值作為最后的結(jié)果。

        1.3 分析和測試

        選取實驗室自制的硅灰石纖維GHA和GHB,觀察兩種硅灰石纖維的XRD、FTIR等表征,表征結(jié)果如下:

        如圖1所示,除衍射峰的強度稍有區(qū)別外,衍射峰的位置基本相同。

        圖1 GHA和GHB的XRD圖譜

        如圖2所示,3 420 cm-1處為-OH的伸縮振動峰,1 640 cm-1處為化學結(jié)合水的H-O-H的彎曲振動峰,1 430 cm-1處為甲基-CH3和亞甲基-CH2-的彎曲振動吸收峰,964 cm-1處這個特征峰對應(yīng)硅氧四面體[SiO4]4-中的Si-O鍵的不對稱伸縮振動與位移變化,926 cm-1處為硅氧四面體中Si-O的伸縮振動峰,451 cm-1處為Si-O平面內(nèi)的彎曲振動峰。不同波數(shù)的振動峰所顯示的基團與XRD圖譜衍射峰所反映的物質(zhì)一致。

        圖2 GHA和GHB的FTIR圖譜

        2 結(jié)果與討論

        將DRZ-1S按照不同總加量在不同溫度下養(yǎng)護3天,測試了油井水泥石相關(guān)性能。具體內(nèi)容如下:

        (1)選擇總加量3%、4%、5%和6%共4個加量,研究DRZ-1S不同總加量下油井水泥石抗壓強度和抗拉強度。

        (2)選取150 ℃、160 ℃、170 ℃、180 ℃、190 ℃和200 ℃共6個溫度,討論不同溫度下DRZ-1S加入后油井水泥石的抗壓強度、抗拉強度。

        (3)選取200 ℃加入DRZ-1S后性能較好的水泥石與空白試樣水泥石測單軸應(yīng)力—應(yīng)變。

        (4)對200 ℃下加入DRZ-1S性能較好的水泥石和空白試樣水泥石進行XRD測試和SEM測試。

        2.1 水泥石抗壓強度

        如圖3所示,在DRZ-1S加量在3%、4%、5%以及6%下,溫度范圍在150~200 ℃(溫度梯度

        圖3 水泥石抗壓強度

        10 ℃)之間時,空白水泥石的抗壓強度隨著溫度的升高而降低。150 ℃下空白水泥石的抗壓強度為39 MPa,200 ℃下空白水泥石抗壓強度為16.57 MPa,強度衰退57.5%。

        同一溫度下,加入不同總量的DRZ-1S后,抗壓強度總體比空白樣有一定衰退。只有總加量為5%,在160~200 ℃溫度條件下時,抗壓強度有一定的提升。

        提高量分別為0.92%、 6.02%、 38.21%、14.8%和52.86%。200 ℃時,DRZ-1S的4個加量下水泥石抗壓強度均比空白水泥石抗壓強度有所提高,隨著溫度的升高,提高量分別為13.6%、22.8%、52.9%和53.8%。總體看來,DRZ-1S總加量5%時,對水泥石的增強效果最好。

        2.2 水泥石抗拉強度

        如圖4所示,在DRZ-1S加量3%、4%、5%以及6%下,溫度范圍在150~200 ℃(溫度梯度10 ℃)之間,當溫度為150 ℃、160 ℃、180 ℃和200 ℃時,總加量5%水泥石抗拉強度比空白水泥石抗拉強度高最多,提高量分別為117.9%、104.4%、30.9%和51.5%。

        圖4 水泥石劈裂抗拉強度

        170 ℃時,總加量6%水泥石抗拉強度比空白水泥石抗拉強度高最多,提高量為77.2%。190 ℃時,總加量4%水泥石抗拉強度比空白水泥石抗拉強度高最多,提高量為64.3%。總體看來,DRZ-1S總加量5%時,對水泥石的增韌效果最好。

        2.3 水泥石單軸壓縮測試

        如圖5所示,當溫度在200 ℃時,空白水泥石的峰值應(yīng)力為17.36 MPa,DRZ-1S加量為5%的水泥石峰值應(yīng)力為30.17 MPa,應(yīng)力提高量為73.8%。

        圖5 200 ℃下空白水泥石與DRZ-1S加量5%水泥石單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        2.4 水泥石XRD測試

        如圖6所示,加入DRZ-1S后XRD曲線與空白水泥石XRD曲線較為相似,對應(yīng)衍射峰的強度有一定區(qū)別,說明DRZ-1S加入后不影響水泥的水化。同時能夠看出未反應(yīng)的熟料顆粒C3S等。

        圖6 200 ℃空白水泥石與DRZ-1S加量5%水泥石XRD

        2.5 水泥石SEM測試

        如圖7所示,空白水泥石形成了較為明顯的裂縫,在外界荷載作用下,有潛在的風險使基體遭到進一步破壞,水泥石的強度較低。如圖8所示,在DRZ-1S加入后,和水泥石緊密結(jié)合,很好地填充了水泥石的孔洞,有效阻擋了裂紋的進一步擴展,從而提高了水泥石的強度及韌性。表明DRZ-1S與基體具有較好的相容性。

        圖7 空白水泥石SEM

        圖8 加入DRZ-1S水泥石SEM

        3 結(jié)語

        (1)DRZ-1S加量為5%時,在160~200 ℃不同溫度下均能有效提高水泥石的抗壓強度;在200 ℃下,不同加量的DRZ-1S均對空白水泥石的抗壓強度有不同程度的提高。

        (2)加入DRZ-1S后,相比于空白水泥石,水泥石的抗拉強度有不同程度的提高。加量為5%時水泥石的增韌效果最好。

        (3)單軸壓縮測試表明, 200 ℃下加入5%DRZ-1S后,相比于空白水泥石,水泥石峰值和應(yīng)力分別提高81.8%和73.8%。

        (4)200 ℃下的水泥石XRD及TG測試表明,加入DRZ-1S對水泥的水化沒有影響。

        (5)SEM測試表明,加入DRZ-1S能有效改善水泥石內(nèi)部長裂紋現(xiàn)象,從而增強水泥石韌性。

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