增强水泥基复合材料弯曲性能与纤维作用机理研究

陈智源

摘要：纤维增强水泥基复合材料承担负荷不同和所处环境不同的建筑结构对建筑材料的性能要求也不同。纤维增强水泥基材料由于其优异的性能而被广泛使用。但是，单纯某一种纤维的加入只能增强复合材料性能的一个方面。研究证明，不同类型的纤维对水泥基复合材料有不同的增强效果。例如，钢纤维或碳纤维能够提高水泥基复合材料的抗拉和抗压强度，而聚乙烯纤维或聚乙烯醇纤维在掺入后能够显著增强其韧性。本文基于纤维增强水泥基复合材料弯曲性能与纤维作用机理研究展开论述。

关键词：纤维增强；水泥基复合材料；弯曲性能；纤维作用机理研究

引言

在钻井作业中一般至少要有两次固井（生产井），多至4~5次固井（深探井）。中国石油集团工程技术研究院有限公司依托自主研发的14类36种特色固井外加剂和外掺料，以紧密堆积理论、增韧增强作用机理、抗污染作用机理等为理论指导，形成了高温大温差水泥浆、韧性膨胀水泥浆等10项特色功能性固井工作液体系，为高温深井超深井、复杂高压气井、页岩气、致密油气、储气库等复杂井、疑难井固井提供技术支撑。

1纤维水泥基复合材料的相关概念

1.1纤维水泥基复合材料

水泥石是构成固井内水泥环的主要材料，具有悬挂和保护套管的功能。水泥凝结后形成的水泥石是一种脆性材料，其抗拉强度仅为抗压强度的1/10～1/20。在射孔作业中，水泥环在瞬时会受到3000～4000MPa的强大冲击力，其应力波在水泥环局部形成拉伸的高压力区，远远超出水泥石能够承受的极限荷载，使得水泥环破坏形成宏观裂纹。

1.2纤维掺入水泥基复合材料的作用

针对复杂的煤层气井，目前研究和应用较多的固井体系中，通过在水泥浆体系中掺入粉煤灰、矿渣、和膨润土的低密度水泥浆体系的最低极限密度（1.5g/cm3）达不到超低密度的要求；漂珠水泥浆体系（1.3g/cm3）虽能做到超低密度的标准，但因其本身容易破碎且易受原材料的影响，无法满足长固段固井施工的要求；较合适的微珠作为减轻剂的超低密度水泥浆体系在国内成本较高（万元每吨），无法大规模应用于施工生产中。另外，超低水泥浆密度因在现场应用中较难稳定控制造成其稳定性在可控范围之外，多出现稠化时间长，初终凝时间较长，早期强度不够，抗压强度发展缓慢且强度受损等问题。针对目前超低密度泥浆体系的不足，结合材料性能及水泥浆强度理论，研究了一种低密度、快硬早强型的固井水泥材料，试验过程中通过水泥的复配实验来测试其复配性能从而进行改良，采用理论分析与试验研究相结合的方法，较系统的开展煤层气低密度复合水泥基固井材料研究。最终合成以油井水泥与硫铝酸盐水泥（R.SAC42.5）为基底，空心玻璃微珠作减轻剂，葡萄糖酸钠为缓凝剂的新型低密度复合水泥基固井材料。

2影响固井质量的相关工艺因素

2.1合理设计水泥浆量及精准计算替量

（1）合理设计水泥浆量，即做好水泥浆附加量的确定。由于水泥塞封固段短，一次性成功风险大，加上考虑井径变大及损耗量，所以附加量50%计算水泥量，确保水泥浆能有效封固。注入水泥浆量：根据测出来的井径算出的水泥浆量×附加系数，即4.00m³；由此可见，水泥浆量较少，则采取批混的方式配置水泥浆，使其密度达到1.93g/cm³时，方可注入井筒内，误差控制在不大于0.025g/cm³范围内。（2）精准计算替量。务必做好计量替量工作，准确计算压力平衡参数，单位钻杆内体积为9.26L/m，经计算，替量为10.00m³，全面做好精准施工，确保替量准确。

2.2井眼准备

取全取准现场资料，全面了解注水泥塞的目的与封固井段、钻井液体系及其性能，了解井眼是否有复杂地层以及钻井队采用的钻具、设备等情况。同时做好以下工作：（1）注水泥塞前充分循环钻井液，大排量洗井，保证井底无沉砂掉块，钻具活动无阻卡；（2）全井置换为饱和卤水，为后续固井施工准备良好的井眼条件。

2.3施工过程

2.3.1正注反循环固井工艺

安装井口反循环装置，采用正注水泥反循环残浆的固井工艺，这样，可以减小混浆污染盐层；同时要求打水泥塞期间活动钻杆，反循环钻井液必须安全迅速，且倒换反循环阀门不得有错，专人负责；施工前进行试反循环，正常后方可进行打水泥塞作业。施工过程中开动转盘活动钻具，确保管串安全，如发现钻盘悬重、扭矩有异常，则立即起钻。

2.3.2现场施工

（1）下入Ø127mm光钻杆柱（壁厚9.19mm）至1169.00m循环2周，清洁井眼，同时调整钻井液性能达到注水泥塞施工要求，且必须能保持旋转活动钻具；（2）管汇试压20MPa，管线不刺不漏，泄压为0；（3）注饱和盐水前隔离液1.28m3，平均排量1.0m3/min；（4）注水泥浆4m3，密度最高1.93g/m3，密度最低1.92g/m3，平均密度1.93g/m3，平均排量1.0m3/min；（5）注饱和盐水后置液0.463m3，平均排量1.0m3/min；（6）替饱和盐水10.00m3，在这个过程中旋转活动钻具；（7）起钻杆至1142.00m，开钻井泵进行反循环，循环出多余水泥浆，然后起出全部钻具，顺利完成茅23定向井“凸”形井眼井底打水泥塞作业。

2.3.3探塞及试压

经过48h水泥浆候凝探塞面，实探塞面为1142.60m，在下部盐层底板以上，符合设计要求；对井筒的气密封进行测试，在30min的停泵观察时间里，压降为0，压力合格，说明水泥塞封固质量良好。

3碳纤维增强水泥措施

随着硫铝酸盐水泥在复合体系中的比重的不断增加（从10%～90%），复合水泥浆液的初始流动度与可泵期呈现逐渐减小的趋势，当硫铝酸盐水泥比例为10%时，可泵期达到18min；初凝时间与终凝时间也是呈逐渐递减的趋势，且初凝与终凝间隔时间逐渐变短，多处于5～10min之间。综合分析，将2种水泥复合后，复合水泥的可泵期、凝结时间等相对于单一水泥大大缩短，说明两者水泥复合后发生了独特的水化反应，使得水泥加水拌合初期不同水泥矿物混合与水发生剧烈反应，使得水泥能够快速水化硬化。这一特性对于低温环境下水化速度缓慢煤层气钻探固井非常有利。

在复合水泥结石的抗压强度随硫铝酸盐水泥比例的增大呈现先增大后减小的趋势，当G级油井水泥/R.SAC42.5=2∶8时，复合水泥结石的抗压强度达到最大值（8MPa左右）。当水泥结石强度最大时，水泥浆液的初始流动度仅为8cm，无可泵期，现场施工时不能在这个时间段内完成泵送；当G级油井水泥/R.SAC42.5=8∶2时，其可泵期达到47min，能满足现场施工要求，但是此比例下复合水泥水化硬化程度相对较低，且水泥结石24h抗压强度仅0.9MPa左右，不能达到煤层气固井的要求。因此当G级油井水泥/R.SAC42.5=4∶6时，复合水泥具有施工优势，但是水泥浆液的密度、凝结时间和抗压强度间存在协调统一问题。因此后续试验以G级油井水泥/R.SAC42.5=4∶6为基础研究对象，通过添加外加剂改善复合水泥的性能。

结束语

一系列固井技术的成功试验，为复杂深井固井材料体系持续优化、工艺技术方法持续完善探索出了新途径，为山前复杂深井固井质量持续提升积累了理论与实践基础；同时，为中国石油川西北复杂深井、准噶尔南缘复杂深井等类似地区固井提供了重要有益借鉴。

参考文献

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