【正文】 老師淵博的學(xué)識(shí)、熱愛(ài)學(xué)術(shù)的精神、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、誨人不倦的工作作風(fēng)和幽默、靈活的待人處事方式使我受益無(wú)窮，不僅使我能靜心完成課題的研究工作，而且也將勉勵(lì)我今后繼續(xù)刻苦學(xué)習(xí)和積極工作 ! 衷心感謝程小偉老 師、莊稼老師和易峰老師在本課題實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中給予的具體的指導(dǎo)啟發(fā)和熱情的幫助。 今后工作展望 （ 1） 對(duì) HFRP 的破壞強(qiáng)度和增韌率的計(jì)算工作機(jī)理以及其他工作性能的研究均有待進(jìn)一步深入，但由于混雜效應(yīng)問(wèn)題的復(fù)雜性，應(yīng)主要通過(guò)借鑒 HFRP 領(lǐng)域的研究成果來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究。增韌的主要原因包括： ① 纖維本身具有較高的抗拉強(qiáng)度和延伸性； ② “纖維 —水泥石 ”體系具有較好的相容性和較高的粘附性，能形成具有各向異性的高韌性水泥石； ③ 纖維可以對(duì)水泥石中缺陷處的裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)形成屏蔽，從而提高水泥石的斷裂韌性； ④ 纖維水泥石斷裂或彎曲時(shí)能吸收大量能量，裂縫張開(kāi)時(shí)，纖維脫離粘結(jié)拔出乃至斷裂都需要一定能量，粘結(jié)越強(qiáng)，斷裂吸收的能量就越大； ⑤ 纖維與水泥粘結(jié)較強(qiáng)時(shí)，斷裂時(shí)易發(fā)生多點(diǎn)開(kāi)裂，此時(shí)斷裂吸收的能量為各斷裂點(diǎn)纖維脫離粘結(jié)拔出乃至斷裂吸收能量的總和 。 圖 純水泥石基體與 HFRP 在抗壓后的破壞形式 圖 是純水泥石基體與加入混雜纖維后的水泥石在測(cè)取 抗壓強(qiáng)度后的破壞形式，從圖上可以明顯觀(guān)察到未加纖維的水泥石在抗壓后出現(xiàn)很明顯的裂紋，水泥石的四周崩落，整個(gè)結(jié)構(gòu)被完全破壞；而加入 SF 和 CF 的水泥石只是在四周出現(xiàn)了很少的破碎現(xiàn)象，也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂紋。 圖 顯示的是 SF 加量為 2%的時(shí)候它在水泥石中的分布情況，由圖可以看出鋼纖維加入后在水泥漿中的分散比較均勻，在進(jìn)行抗折實(shí)驗(yàn)后的斷面均呈現(xiàn)出纖維拔出斷裂。 試驗(yàn)中觀(guān)察 FRP 的破壞形式，單一 CFRP的破壞主要為第二種脆性和纖維拉出破壞，而HFRP 的破壞還伴隨著分層破壞。 4） 抗壓強(qiáng)度 表 HFRP 的抗壓強(qiáng)度 編號(hào) 測(cè)得數(shù)據(jù)（ kN） 1 2 3 Fc平均值（ kN） 抗壓強(qiáng)度 Rc （ MPa） CS01 CS02 CS03 CS04 CS05 CS06 CS07 CS08 CS09 CS10 從表 可以看出， CS0 CS08 和 CS10 的抗壓強(qiáng)度比較高，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的根本在于 SF 和 CF 加量的多少，與表 的原因相同，由此我們可以發(fā)現(xiàn) CS07 和 CS10 兩個(gè)配方的綜合性能比較好。 目前在國(guó)內(nèi)鋼纖維還是多用于建筑方面，在油氣固井方面的應(yīng)用還很欠缺，主要是考慮到鋼纖維的分布均勻，以及它自身的特性的問(wèn)題，但是鋼纖維在我國(guó)生產(chǎn)量比較大，造價(jià)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低廉，這便需要我們需求可以與多元纖維復(fù)和增韌水泥漿的制備及性能研究 15 其相配合的纖維搭配，起到好的增韌效果。 （ 2）抗壓強(qiáng)度 表 加入 SF 后的抗壓強(qiáng)度 編號(hào) 測(cè)得數(shù)據(jù)（ kN） 1 2 3 Fc平均值（ kN） 抗壓強(qiáng)度 Rc（ MPa） S01 S02 圖 鋼纖維體積率與分散系數(shù)的關(guān)系 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 14 S03 S04 S05 S06 從大量鋼纖維增韌的資料來(lái)看，鋼纖維對(duì)提高抗壓強(qiáng)度不是很明顯，但受壓韌性卻大幅度提高。為了使鋼纖維分布均勻，應(yīng)該先將鋼纖維與水泥漿干混然后再攪拌器進(jìn)行混合。 （ 2）水泥 使用固井中常用的 G 級(jí)油井水泥， 其中 G 級(jí)水泥與所摻加的水的水灰比（ W/C） 為 。 C02 和 C06 的抗折和抗壓強(qiáng)度較高。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，加入碳纖維以及其它組分的多少，對(duì)水泥漿的性能有很大影響，為了了解碳纖維加量對(duì)水泥漿性能和水泥石性能的影響程度，實(shí)驗(yàn)時(shí)考察了不同碳纖維加量，并對(duì)比分析了其合理加量。m 的碳纖維，按照其纖維的平均長(zhǎng)度，最佳的添加量為 %～ %范圍。 圖 是 水泥石 1d～ 5d 抗折強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高的變化情況，由圖可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增加，水泥石的抗折強(qiáng)度沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律變化，總體上在 80℃ 后有下降的 趨勢(shì)，抗折強(qiáng)度總體較高的是養(yǎng)護(hù) 3d 的水泥石，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是養(yǎng)護(hù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在隨后的幾天里使得水泥石的微小空隙之間出現(xiàn)了滲水現(xiàn)象，降低了它的抗折強(qiáng)度。 表 常規(guī)密度水泥漿的析水率 編號(hào) 析水 （ mL） 析水率 （ %） 平均值 （ %） 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃ 3 % % % % 1% 1% 常規(guī)密度水泥漿的析水率與養(yǎng)護(hù)溫度有關(guān)，由表 可以明顯看出，其析水率從 50℃ ～ 90℃ 呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。調(diào)節(jié)高度使水泥漿的液面止好在轉(zhuǎn)簡(jiǎn)的測(cè)量線(xiàn)處，在實(shí)驗(yàn)室，水泥漿在測(cè)定前應(yīng)用高速攪拌器攪拌 5min，測(cè)定溫度應(yīng)在 24+3℃ （或所需溫度范圍之內(nèi)）；將粘度計(jì)的轉(zhuǎn)速調(diào)至 600r/min，待讀值穩(wěn)定后讀取并記錄；將轉(zhuǎn)速調(diào)至 300r/min。常以克 /厘米 3（ g/cm3）表示。 根據(jù) API SPEC10 的規(guī)定， G 級(jí)油井水泥是一種基本油井水泥，它在生產(chǎn)中除了允許添加石膏或石膏和水，不許摻入任何 水泥添加劑。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 （ 1）研究目標(biāo) ① 油氣井固井作業(yè)對(duì)水泥漿性能具有一定的工程性能要求， 本研究的目的在于改變水泥漿外摻料增加井下水泥石韌性，以期提高井下水泥石耐久性； ② 建立適合增韌用的 CF/SF 混雜纖維復(fù)合材料的力學(xué)模型，優(yōu)化水泥漿配方，為 HFRP 優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，討論其可行性，提出水泥石增韌的技術(shù)思路，為現(xiàn)場(chǎng)固井作業(yè)水泥漿配方調(diào)整奠定基礎(chǔ)。由此可見(jiàn)，把兩種以上的材料制成復(fù)合材料可以克服單一材料的缺點(diǎn)，改進(jìn)單一材料的性能，并通過(guò)各組分的匹配協(xié)同作用，還可以出現(xiàn)原來(lái)單一材料所沒(méi)有的新性能，達(dá)到材料的綜合利用，以提高經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。 表 高性能纖維的性能比較 表 ACI440 委員會(huì)給出的碳纖維力學(xué)性能表 纖維種類(lèi) 彈性模量（ GPa） 極限強(qiáng)度（ MPa） 斷裂應(yīng)變 % 價(jià)格（元 /㎡） 碳纖維 普通 高強(qiáng) 超高強(qiáng) 高模量 超高模量 200～ 250 220～ 235 220～ 235 345～ 515 515～ 690 3790 3790～ 4825 4825～ 6200 3100 2410 220 另外單一 CF 中，不可避免地存在著纖維斷裂、缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，在 FRP 受拉時(shí)，那些受力大的薄弱纖維先斷裂 （ 在 FRP 的極限強(qiáng)度 40%以下，用聲發(fā)射裝置監(jiān)聽(tīng)，就可記錄到纖維斷裂所發(fā)出的信號(hào) [6]） ，纖維受力情況產(chǎn)生重新分配，又有一些受力大而薄弱的纖維陸續(xù)斷裂，直至纖維束全部斷裂。而且目前我國(guó) CF 的大規(guī)模開(kāi)發(fā)應(yīng)用還很大程度上依賴(lài)著進(jìn)口產(chǎn)品，而 SF 作為我國(guó)的主要傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)相對(duì)成熟，所以發(fā)展 HFRP 有利于充分利用本國(guó)資源，振興民族產(chǎn)業(yè)。但長(zhǎng)期以來(lái)，關(guān)于纖維水泥漿體系的研究仍集中在纖維的選材、纖維的長(zhǎng)短兩個(gè)方面，往往忽略了纖維材料與水泥基質(zhì)的膠結(jié)這一問(wèn)題，如果纖維只是雜亂無(wú)章地分布在水泥基質(zhì)內(nèi)，這對(duì)纖維水泥漿的防漏堵漏有較好的效果，對(duì)凝固后水泥石抗折強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度都有一定的提高，但當(dāng)水泥石在拉斷時(shí)，纖維部分在水泥石基體內(nèi)被拉出，只有較少量是被拉斷，纖維在水泥基體內(nèi)的作用沒(méi)有被充分發(fā)揮出來(lái)，只有在纖 維與水泥基體有效膠結(jié)，充分粘合在一起才能充分體現(xiàn)纖維對(duì)水泥石的力學(xué)改性作用。例如，古埃及人用摻有稻草的粘土制作日光下自然干燥的磚塊，他們由生活實(shí)踐中探索發(fā)現(xiàn)，纖維加入無(wú)機(jī)膠結(jié)構(gòu)中有助于降低其脆性并減少開(kāi)裂。首先進(jìn)行了單一纖維對(duì)水泥石的增韌效果的研究，然后是混雜纖維對(duì)水泥石的增韌，最后從力學(xué)性能等方面進(jìn)行了對(duì)比和分析，判斷兩者的優(yōu)劣性，并嘗試給出幾個(gè)增韌 效果好的配合比。 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)纖維增強(qiáng)水泥及復(fù)合材料也在油氣井固井工作中取得了廣泛的應(yīng)用，對(duì)改善工作質(zhì)量和提高長(zhǎng)久耐久性發(fā)揮了很好的作用，在水泥漿體系中加入纖維材料，其主要目的在于提高水泥石的強(qiáng)度和韌性。 研究的目的與意義 在 已有 的 FRP 加固技術(shù)研究和 混雜纖維復(fù)合材料（ HFRP） 的研究為基礎(chǔ)，以提高加固效率為目的，提出以鋼纖維（ SF） 和 碳纖維（ CF） 混雜增韌的設(shè)想，提高水泥漿的韌性，又能顯著降低成本，能夠在油氣固井防漏失方面大規(guī)模使用。表 列出了 碳 纖維詳細(xì)拉伸力學(xué)性能。 （ 2） HFRP 的增韌機(jī)理 纖維水泥，在建筑行業(yè)已有 40 多年的歷史，最早使用的纖維水泥是鋼筋混凝土，隨著金屬加工技術(shù)的提高及有機(jī)纖維和無(wú)機(jī)纖維加工技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了不同成份、不同直徑和不同長(zhǎng)度的纖維混凝土和水泥石。 HFRP 由不同的纖維混雜而成，其性能基本介于各種單一 FRP 之間。 ② 纖維類(lèi)型與水泥漿外加劑的配伍性，使兩種纖維能夠在水泥漿中均勻分散，并使水泥石獲得良好的力學(xué)性能，能夠在油氣井固井作業(yè)中起到防漏失或增韌的功效。將配到好的水泥漿充分?jǐn)嚩?20 秒鐘，迅速注入錐體內(nèi)，并迅速刮平，緊接著將錐體垂直方向迅速上提，待水泥漿在玻璃板上攤開(kāi)成圓餅狀后，測(cè)量攤餅垂直方向的直徑，取平均值作為水泥漿流動(dòng)度。 表 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥漿密度的影響 養(yǎng)護(hù)溫度 密度（ g/cm3） 平均值（ g/cm3） 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃ 根據(jù) API SPEC10， G 級(jí)水泥漿應(yīng)按水灰比（ W/C）為 的密度為 ，這與我們所測(cè)得的密度平均值 。然后再在一夸脫的攪拌器中高速攪拌 35 秒，最后把水泥漿注入一個(gè)潔凈、干燥的 250 毫升刻度玻璃量筒中，并用塑料薄膜或類(lèi)似材料多元纖維復(fù)和增韌水泥漿的制備及性能研究 7 密封玻璃量筒，以免水分蒸發(fā)。 抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式如下： Rc=Fc/A （ ） 式中： Rc抗壓強(qiáng)度， MPa； Fc破壞時(shí)的最大載荷， N； A受壓部分面積 mm2 表 常規(guī)密度水泥石的力學(xué)性能 強(qiáng)度（ MPa） 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃ 1d Rf Rc 2d Rf Rc 3d Rf Rc 4d Rf Rc 5d Rf Rc 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 由圖 可以看出，隨著 養(yǎng)護(hù)溫度的增加，抗壓強(qiáng)度呈遞增的趨勢(shì)，但養(yǎng)護(hù)溫度高于 80℃ 之后，水泥石養(yǎng)護(hù)3d、 4d 后期抗壓強(qiáng)度有所降低。但這種纖維太昂貴，難于用于世紀(jì)工程中推廣。 首先將水灰比為 的水泥漿攪拌均勻，再加入 Landy906L 分散劑、 Landy806L 型的降失水劑和 Landy19L消泡劑，然后在常壓稠化儀中預(yù)制 20 分鐘，預(yù)制完畢后再加入 CF 和甲基纖維素將其攪拌均勻。 （ 3）流變性的測(cè)定 在水泥漿中加入碳纖維后攪拌均勻，用 六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得相應(yīng)轉(zhuǎn)數(shù)下的數(shù)據(jù)，再 根據(jù)流變性的計(jì)算公式 和 得出： 表 加入碳纖維后水泥漿的流變性 轉(zhuǎn)數(shù) Φ600 Φ300 Φ200 Φ100 Φ6 Φ3 讀值 n K 200 126 105 66 16 10 由表 可以看出加入 CF 后的水泥漿的流變性能與純水泥漿（見(jiàn)表 ）相比，其因?yàn)樘祭w維的加入流變性能有所降低 ，但降低幅度很小，原因是纖維在水泥漿中的加入會(huì)對(duì)水泥漿的流動(dòng)有一定