【正文】 泥 石 力學(xué)性能進(jìn)行水 泥漿材料設(shè)計(jì)研究，通過室內(nèi)材料設(shè)計(jì)優(yōu)化油井水泥漿性能，提高 水泥石 抗 沖擊 能力和改善水泥石的力學(xué)形變能力。 研究思路 本文主要研究橡膠粉和纖維材料在油井水泥漿中應(yīng)用時(shí)，對(duì)水泥石 力學(xué)性能的 影響。 實(shí)驗(yàn)常用數(shù)據(jù)： 常規(guī) 密度 ， 水灰比 外加摻量： 降 失水劑 LT2 為 1%； 分散劑 SXY2 為 % 不同摻量的橡膠粉對(duì)水泥漿抗壓強(qiáng)度和 抗 折 強(qiáng)度 的影響 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕喜恐睆?65mm，下部直徑 75mm 抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?40mm 40 mm 160 mm 的長(zhǎng)方體 研究?jī)?nèi)容 （ 1） 橡膠粉對(duì)水泥石 力學(xué) 性能的影響規(guī)律 。 （ 2） 纖維材料對(duì)水泥石 力學(xué) 性能的影響規(guī)律。 （ 3） 通過實(shí)驗(yàn)確定橡膠粉和纖維材料在油井水泥漿中二元復(fù)合最佳 配 比。 照片如 下： 圖 21 橡膠粉樣品 在建筑工業(yè)，橡膠粉常用在混凝土中，其主要目的是提高水泥石耐久性和彈性，該種混凝土廣泛用于高速公路建設(shè)中，可有效抵抗沖擊作用，提高高速公路的使用壽命，還可用于房窟修建中，增加房屋的抗震能力 [4]借鑒橡膠粉在建筑混凝土中的應(yīng)用，研究中將橡膠粉顆粒用于 油井水泥中，以期提高油井水泥石的抗沖擊能力。由于橡膠粉是一種惰性有機(jī)材料，表面憎水，難以與水泥石形成結(jié)構(gòu)，當(dāng)直接添加在水泥漿中時(shí)，其難以分散均勻，在凝固的水泥石中橡膠粉常團(tuán)聚在 一起。實(shí)驗(yàn)中選用了不同粒徑范圍內(nèi)的 橡膠粉 ，以抗壓強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)實(shí)驗(yàn)用 橡膠粉 目數(shù)進(jìn)行篩選， 通過 查閱資料 得 出，當(dāng) 選擇 120 目橡膠粉時(shí)，強(qiáng)度的減小是最小的。 橡膠粉對(duì)水泥石 抗壓強(qiáng)度 和抗折強(qiáng)度 的影響 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 橡膠 粉與 水泥 漿的密度相差較大，加入 水泥漿 后一方面會(huì)使其密度 下 降，另一方面 橡膠 粉與 水泥漿 之間的親和力較弱，加入后會(huì)使其結(jié)構(gòu)變得疏松。加入橡膠粉的水泥 石 在壓裂后裂縫 比不加橡膠粉的水泥 石 要少。 02468101214160 2 4 6 8橡膠粉加量（%）抗壓強(qiáng)度（MPa） 圖 23 橡膠粉不同加量對(duì)應(yīng)水泥石抗壓強(qiáng)度曲線 沒有加入橡膠粉的模子在壓裂后 出現(xiàn)大量裂縫和表皮脫落等現(xiàn)象，而加入 橡膠粉 的模子在壓裂后 只有一條微裂縫而且沒有 脫落現(xiàn)象，對(duì)比照片如下 ： 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 24 不加橡膠 粉 水泥 石 破碎圖 圖 25 加入橡膠粉水泥石壓碎圖 橡膠粉、纖維及 二元復(fù)合 對(duì) 水泥 石力 學(xué) 性能 的影響 7 表 22 橡膠粉不同加量對(duì)應(yīng)水泥石 抗折強(qiáng)度 序號(hào) 橡膠粉加量 % 抗折強(qiáng)度 MPa 變化率 % 1 0 0 2 1 3 3 0 4 5 5 7 冷漿， 50℃ 養(yǎng)護(hù) 24 小時(shí) 012340 2 4 6 8橡膠粉加量（%）抗折強(qiáng)度（MPa） 圖 26 橡膠粉不同加量對(duì)應(yīng)水泥 石抗折強(qiáng)度曲線 通過表 21 可以發(fā)現(xiàn)，在 橡膠 粉加 量 7%時(shí)，水泥 石 的抗 壓 強(qiáng)度先減小，后增大 ， 最大 減小了 %。 通過表 22 可以發(fā)現(xiàn)，在 橡膠 粉 加 量 7%時(shí)， 抗折強(qiáng)度是先增大后減小 。在 加 量為 3%時(shí)抗折強(qiáng)度減小了 0%，為最佳 加量 。 一方面，橡膠粉相當(dāng)于砂中的有機(jī)雜質(zhì)，對(duì) 水泥漿 強(qiáng)度有害。另一方面， 水泥 石 中存在大量的不同種類、 不同 孔徑的孔隙，橡膠粉的 加入 填充了這些孔隙，提高了密實(shí)度。當(dāng)橡膠粉的 加 量小于最佳 加 量時(shí)， 水泥 石 中孔隙沒有被填滿，橡膠粉的有害作用表現(xiàn)為強(qiáng)勢(shì)，引 起 水泥 石 的抗壓、抗折強(qiáng)度下降 ； 當(dāng)橡膠粉的 加 量恰為最佳 加 量時(shí) ， 水泥 石 中孔縫基本被填充，密實(shí)度大大提高，橡膠粉的有益作用處于強(qiáng)勢(shì)， 水泥 石 的抗壓強(qiáng)度 和 抗折強(qiáng)度 損失不大 。 另外試驗(yàn)結(jié)果還表明橡膠水泥 石 抗折強(qiáng)度降低的 幅度小于 抗壓強(qiáng)度的降低幅度 。由于 收縮造成砂漿內(nèi)部存在微裂紋，在結(jié)構(gòu)形成的過程中橡膠阻 止 了這些裂縫的引發(fā)，從而減少了裂縫源的數(shù)量，并使裂縫尺度變小，降低了裂縫尖端應(yīng)力集中程度，而且在受力過程中橡膠的存在又抑制了裂縫的引發(fā)與擴(kuò)展 [7]。在油井水泥漿中選擇應(yīng)用纖維材料主要是利用其增韌的機(jī)制 :①纖維本身具有較高的抗拉強(qiáng)度和延展性 ； ②纖維 水泥石具有較好的相容性和較高的粘附性，能夠形成具有各向異性的高韌性水泥石 。纖維與水泥石的作用主要有以下幾點(diǎn) : （ 1） 提高水泥石的強(qiáng)度。 iptobroto[9]等人研究 了 高體積鋼纖維增強(qiáng)的 DSP 材料 (densified system containing homogeneouslyarranged ultrafine particles )，當(dāng)鋼纖維的體積率為 12%時(shí)， DSP 的極限拉應(yīng)變由 %增至 %，與此同時(shí)抗壓強(qiáng)度增高 倍。纖維與水泥基材料充分混合，均勻地分布在水泥漿 中，在水泥凈漿或混凝土砂漿中形成多向分布的支撐體系，有助于減弱水泥或混凝土的塑性收縮與凍融循環(huán)時(shí)的張力。在混凝土中摻入尼龍纖維，可以使裂縫減少近 70%[10]。 （ 3） 提高水泥石的抗沖擊性。美國(guó)哈里伯頓公司做過一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn) :以相同的方式對(duì)兩組 23/4in 的水泥試件進(jìn)行 破壞，采用相同的加載速率，純水泥試件崩裂成碎塊，而纖維水泥雖然試件變形達(dá) 1/4 (占總高度的 % )，卻未發(fā)生破裂，說明纖維水泥具有很好的抗沖擊能力。關(guān)于纖維材料增強(qiáng)增韌作用 機(jī)制主要有以下兩種 理論 。 (2)纖維間距理論 纖維間距理論是 1963 年 Romualdi 和 Baston 針對(duì)亂向短鋼纖維增強(qiáng)混凝土提出的。該理論認(rèn)為水泥基體內(nèi)部存在不同尺度層次的孔隙和缺陷，并造成應(yīng)力集中，為了提高水泥基材料的強(qiáng)度就必須減少裂縫的尺度和數(shù)量，緩和應(yīng)力集中的程度，提高抑制裂縫發(fā)展的能力。纖維平均間距越小，則緩和裂縫應(yīng)力集中的作用越大，纖維的強(qiáng)度和韌性的提 高程度也越大。 纖維的選取 根據(jù)復(fù)合材料原理 [11]， 作為增強(qiáng)增韌的纖維材料要滿足以 下 幾個(gè)條件 :①能夠均勻分布在水泥基體中形成網(wǎng)絡(luò) :②其長(zhǎng)徑比大于臨界長(zhǎng)徑比 :③有合適的彈性模量，纖維與水泥基體的彈模比應(yīng)該盡可能高 :④有較高的抗拉強(qiáng)度 :⑤纖維應(yīng)該具有一定的親水性，與水泥界而有較好的粘結(jié)。 纖維材料的作用與諸多因素有關(guān) [12]:①?gòu)椥阅Ａ?:彈性模量高的纖維有利于水泥基體和纖維之間的應(yīng)力傳遞，提高水泥石的抗折強(qiáng)度 ； 彈性模量低 且 延展性好的纖維則有利于提高水泥石的斷裂韌性。③纖維的直徑 :纖維太粗則小易彎曲，太細(xì)又容易彎曲成團(tuán) 。⑤纖維的摻量 :纖維的摻量對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響 不 大，但能夠提高水泥石的韌性和抗沖擊性能。為尋找增韌效果顯著的纖維材料，實(shí)驗(yàn)在眾多種類的纖維中選擇 兩種 種具有代表性的纖維作為試驗(yàn)對(duì)象。 纖維的篩選首先進(jìn)行單一纖維的評(píng)價(jià)，考慮到混雜纖維的增韌效果優(yōu)于單一 纖維體系，故在隨后的試驗(yàn)中會(huì)將性能優(yōu)異的纖維復(fù)配， 并 評(píng)價(jià)其增 強(qiáng)增韌效果。 無機(jī)纖維 CSD66對(duì) 水泥 石 力 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度 的影響 CSD66 簡(jiǎn)介 CSD66 纖維是一種短切無機(jī)纖維，長(zhǎng)度為 3~5mm， 淡黃色，呈團(tuán)狀， 具有較好的親水性。特別是加入 CSD66 的水泥 石 在抗折實(shí)驗(yàn)后，沒有出現(xiàn)完全斷裂的現(xiàn)象，而是在裂縫出有纖維牽連。在 加量 %時(shí) 抗壓強(qiáng)度 增大的速度快，在 加量 %后抗壓強(qiáng)度增到速度減慢 ，抗壓強(qiáng)度最大增量為 %。在加量為 1%時(shí)，抗折強(qiáng)度增加最大，達(dá)到 %。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 結(jié)果分析 按照普通 水泥 石 強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律，其抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)應(yīng)該是基本一致的 。這與纖維類材料 在 水泥 石 中的作用機(jī)理有關(guān)，由于普通 水泥 石 內(nèi)部存在不同程度的微細(xì)裂縫，而微裂縫對(duì)抗折強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度，纖維的存在會(huì)減少微細(xì)裂縫的形成，并阻礙微細(xì)裂縫的發(fā)展，因此其對(duì) 抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較大 [13]。 當(dāng)纖維水泥受到很大的沖擊載荷時(shí) ， 水泥基體破碎 ， 但亂向分布的纖維將破碎的水泥基體束縛在一起 ， 從 而仍保持完整的結(jié)構(gòu) 。纖維水泥中的纖維能與水泥基體共同承受外力。 當(dāng)基體發(fā)生開裂后 ， 橫跨裂縫的纖維就成為外力的主要承受者 ， 可繼續(xù)承受較高的載荷 并 產(chǎn)生較大的變形 ， 直至最后纖維被拉斷或從基體中拔出 而 破壞。防止水泥漿體的收縮開裂 。在沖擊載荷作用 下 對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)形成屏蔽 而 提高水泥石的斷裂 韌性 纖維的 增韌作用 ： 基體開裂后 ， 由于纖維拔出或纖維彈性伸長(zhǎng) ， 水泥基受拉時(shí)表現(xiàn)出假塑性行為 。這是因?yàn)樵诤艽蟮募雍伤俾氏拢芽p張開時(shí)纖維脫離黏結(jié)、拔出或屈服、乃至斷裂 ， 都需要相當(dāng)大的能量。纖維材料可以控制水泥漿體 早 期微裂紋的產(chǎn)生 ， 減少內(nèi)部毛細(xì)管的形成 ， 改善水泥石的孔結(jié)構(gòu) 。 金屬纖維材料 對(duì)水泥 石 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的 影響 金屬纖維在 固井 水泥漿中的應(yīng)用國(guó)內(nèi)外還沒有較深入的研究，本實(shí)驗(yàn) 是第一次 將 金屬纖維引入固井水泥漿中 ， 屬于探索性實(shí)驗(yàn) ， 參照了 大量 有關(guān)鋼筋混凝土的資料。 金屬 纖維 的抗拉強(qiáng)度，根據(jù) 金屬 纖維 的材質(zhì)和生產(chǎn)工藝不同，其抗拉強(qiáng)度也有所區(qū)別，由于普通 金屬 纖維 水泥 石 主要是因?yàn)殇摾w維拔出而破壞，并不是因 金屬 纖維 拉斷而破壞，鋼纖維在破壞時(shí)承受的最大拉應(yīng)力為 100 ~300Mpa[16]，因此鋼纖維的抗拉強(qiáng)度在 380MPa 以上，一般能滿足要求。由于 金屬 纖維 水泥 石 的破壞主要是 金屬 纖維 的拔出引起，因此提高 金屬 纖維 與 水泥 石 基體界面的粘結(jié)強(qiáng)度是重要問題。② 金屬 纖維 與基體表面的機(jī)械嚙合力。常采用的方法有 :使 金屬 纖維 表面粗糙化、截面呈不規(guī)則形，增加與基體的接觸面積和摩擦力 。使 金屬 纖維 兩端異形化，將兩端制成彎鉤或大頭 形等，以提高其錨固力和抗拔力 [17]。 (3)硬度 :各種 金屬 纖維 的表面硬度較高，在與 水泥漿 攪拌時(shí)，一般不易發(fā)生彎折現(xiàn)象。 由于密度很高，水泥漿中很難懸浮，因此 水泥漿要預(yù)置 后加入金屬纖維 ，同時(shí)加大 降 失水劑 LT2 的量 至 2%。然而實(shí)際上卻很難達(dá)到這種理想狀態(tài)，因?yàn)?金屬 纖維在 水泥漿 構(gòu)件中的分布受到很多種因素的影響 :攪拌時(shí)間，構(gòu)件的形狀和尺寸， 金屬 纖維的體積率，攪拌與振搗的時(shí)間和器具，混凝土配合比與原材料的組成等多種因素都對(duì)鋼纖維的分布和取向有不同程度的影響。它們對(duì) 金屬 纖維的分布和取向的影響主要表現(xiàn)在重力效應(yīng)和邊壁效應(yīng) : (1)重力效應(yīng)。重力效應(yīng)造成纖維在混凝上中的分布上疏下密 [17]。由于模板對(duì)纖維的限制，在振搗過程中靠近模板的 金屬 纖維 趨于平行于模板的平面內(nèi)取向， 金屬 纖維 的這一效應(yīng)稱為邊壁效應(yīng)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 橡膠粉、纖維及 二元復(fù)合 對(duì) 水泥 石力 學(xué) 性能 的影響 19 表 33 金屬纖維纖維不同加量對(duì)應(yīng)水泥石抗壓強(qiáng)度 序號(hào) 金屬纖維加量 % 抗壓強(qiáng)度 Mpa 變化率 % 1 0 2 3 4 5 024681012140 1 2 金屬纖維加量（%）抗壓強(qiáng)度（MPa） 圖 39 金屬纖維不同加量對(duì)應(yīng)水泥石抗壓強(qiáng)度曲線 表 34 金屬纖維纖維不同加量對(duì)應(yīng)水泥石抗折強(qiáng)度 序號(hào) 金屬纖維加量 % 抗折強(qiáng)度 Mpa 變化率 % 1 0 2 3 4