【正文】 ，固井前雖經(jīng)封堵提高地層承壓能力但在固井注水泥過程中也經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重漏失現(xiàn)象，致使水泥漿低返，輕者返高達(dá)到不要求封不嚴(yán)地層，重者因環(huán)空大量漏失，漿柱壓力下降壓不住地層流體，造成井口帶壓甚至誘發(fā)井噴。水泥環(huán)的破裂將造成油氣井產(chǎn)量大幅度降低，地下流體對(duì)套管和水泥環(huán)的腐蝕加劇，套管損失率上升。對(duì)于小間 隙環(huán)空和薄油層固井而言，由于水泥環(huán)很薄，水泥石的完整性必須得到保證，否則油井壽命將受到嚴(yán)重影響。 近年來，為解決固井工 程中水泥漿的漏失和提高水泥石的力學(xué)性能，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，其中采用韌性纖維復(fù)合水泥基材既能起到防漏堵漏的作用，又能達(dá)到增韌水泥石的目的，且收到了良好的效果。 為此，應(yīng)加強(qiáng)此方面的研究，盡快研制出一種復(fù)合纖維改性水泥漿體系，從而保證固井施工經(jīng)濟(jì)、高效、安全的進(jìn)行，給固井水泥作業(yè)及油氣田開發(fā)帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。固井是油氣井建井過程中的重要環(huán)節(jié)。在正確固井設(shè)計(jì)的前提下，固井水泥漿質(zhì)量的好壞就是固井成功的關(guān)鍵所在 [4]。固井的目的是加固井壁，固定套管，保證繼續(xù)安全鉆井、封隔油氣和水層，保證勘探 期間分層試油及整個(gè)開采工程中合理的油氣生產(chǎn)。因此，常有“油井百年大計(jì)，固井質(zhì)量第一”的說法。應(yīng)對(duì)堵漏是一項(xiàng)昂貴和耗時(shí)的過程并有幾個(gè)可能的后果，如：管的報(bào)廢，井噴，額外套管柱的需求，地層損害，水泥漿薄弱地區(qū)的貧油層的覆蓋問題。這些方 法系統(tǒng)可以歸納成兩大類。專業(yè)的方法包括如專用水泥、膨脹水泥漿、增強(qiáng)增韌劑、高強(qiáng)度柱塞、交聯(lián)聚合物和硅酸鹽系統(tǒng)等體系同樣應(yīng)用于鉆井或固井階段。常見的方法是在固井之前矯正漏失率，但是，在許多案件中，漏失只涉及到固井作業(yè)中前期。這些堵漏方案的成 功水平各不相同而且都需要建立一種新型的方案 [14]。為了適應(yīng)不同井深的需要和防止地層流體中硫酸鹽對(duì)水泥石的腐蝕，有多種級(jí)別、類型的油井水泥可供選用。分別為 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 H 級(jí)油井水泥，其中 G級(jí)和 H級(jí)為基本水泥，與促凝劑或緩凝劑一起使用，能適應(yīng)于較大的井深和溫度范圍。水泥與水混合后，迅速與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成各種水化產(chǎn)物，水泥漿逐漸由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，這一過程也就是水泥漿的凝結(jié)和硬化過程。水泥水化反應(yīng)后生成了如下水化產(chǎn)物：氫氧化鈣、水化硅酸凝膠、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣、水化硫鋁酸鈣。水化硅酸鈣凝膠為纖維狀薄片，從礦物顆粒上向外伸展出去，逐漸形成一連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與水化硫鋁酸鈣，氫氧化鈣等晶體互相穿插，填充于水泥顆粒的空間，增加它們之間的粘結(jié)，使水泥強(qiáng)度不斷提高。隨著水化的不斷進(jìn)行，水泥漿從凝膠態(tài)逐漸向結(jié)晶態(tài)發(fā)展，最后形成硬化的水泥石。溫度壓力對(duì)水泥的水化速度有很大的影響，一般隨溫度壓力的增加，水泥水化速度加快，其中 溫度的影響更顯著。 纖維改性水泥漿研究現(xiàn)狀 國(guó)外研究現(xiàn)狀 1980年 英國(guó) BRE公布了抗堿玻纖增強(qiáng)普通硅酸鹽水泥砂漿十年齡期的材料測(cè)試結(jié)果．顯示出抗堿玻纖在普通硅酸鹽水泥中耐久性仍不理想。 2020年 SPE學(xué)術(shù)論壇研 究得到， AFCS水泥漿體系利用特定尺寸硅基纖維，結(jié)合西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 4 HPLW泥漿有效控制和防止高漏失、天然或人為裂縫、溶蝕孔隙地層的漏失。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果證實(shí)了 AFCS和 HPLW固井水泥漿系統(tǒng)的有效性。 2020年 CemNet防漏水泥漿含有惰性纖維質(zhì)，纖維與水泥漿混合可使常規(guī)水泥漿體系就轉(zhuǎn)變成堵漏水泥漿體系。因?yàn)槔w維屬于惰性材料，所以對(duì)水泥漿的稠化時(shí)間、抗壓強(qiáng)度等性能沒有不良影響，而且 配伍性和分散性好，使用纖維水泥漿，可防止固井過程中水泥漿的漏失，保證水泥漿返到設(shè)計(jì)位置。纖維水泥漿主要推薦用于固井時(shí)的堵漏，如固井過程中的循環(huán)漏失及打水泥塞等。 Duri油田(位于印尼蘇門答臘中部盆地 )在鉆井過程中經(jīng)常發(fā)生鉆井液部分漏失或全部漏失的情況，漏速?gòu)?0． 16m3／ h至全部漏失，采用其他堵漏方法成功率低，成本高，后采用CemNet防漏水泥漿固井成功。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 1986年 中國(guó)建材院采用抗堿玻纖增強(qiáng)低堿度硫鋁酸鹽水泥．在耐久性方面取得了良好效果 [5]。那幾年年，同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院已作過碳一尼龍和碳一聚丙烯混雜纖維增強(qiáng)水泥漿復(fù)合材料的研究，達(dá)到了預(yù)期效果 [7]。二次竄流。纖維水泥漿體系研究及應(yīng)用。經(jīng)過兩年刻苦攻關(guān)，最近成功開發(fā)了一套固井纖維水泥漿體系。研究開發(fā)的纖維水泥石的抗折強(qiáng)度提高 15％以上，抗沖擊功提高20％以上，靜態(tài)彈性模量降低 28％一 68％，增韌效果顯著。纖維水泥漿屬于特種水泥漿體系，復(fù)合纖維改性水泥漿及性能探討 5 具有增韌、防漏兩大特點(diǎn)。隨著側(cè)鉆井、分支井技術(shù)的發(fā)展，以及低壓易漏油氣藏固 井需求日益增多，固井纖維水泥漿也將得到廣泛應(yīng)用 [8]。 3．兩種纖維在受力初期與水泥基體共 同抵抗外界荷載，當(dāng)外力超過一定值后，各纖維對(duì)水泥基體復(fù)合材料的作用不同，決定了混雜纖維水泥基復(fù)合材料的獨(dú)特力學(xué)行為 4．碳一尼龍混雜纖維水泥基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度、斷裂能、變形能力高于單纖維的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：加有 SD 的水泥石的抗壓破碎能為 17398J／ m(凈漿水泥石為 10562J／ m)，抗拉破碎能為 15897J／ m(凈漿水泥石為 256J／ m)；與凈漿相比，加有 SD的水泥石的抗沖擊功提高了 7l 。 2020年 芳綸纖維在砂漿內(nèi)呈現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)，形成亂向支撐體系，在砂漿試體受外力作用時(shí)，搭接在出現(xiàn)的裂縫處，阻止或阻礙裂紋的發(fā)展，緩解裂紋尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象，減少裂縫源的數(shù)量，提高砂漿的抗折、抗?jié)B性能 [9]。而且 在 國(guó)外研究現(xiàn)狀 中 ，很少有研究提到聚丙烯纖維及有機(jī)無機(jī)纖維復(fù)合改性的結(jié)果。 總的來說纖維改性水泥漿不管是優(yōu)越性能還是不良的副作用都缺少具體系統(tǒng)的研究。 不同的纖維存在不同的問題，如鋼纖維攪拌時(shí)易結(jié)團(tuán)，分散均勻性差，不易施工，且摻量大，成本較高；玻璃纖維在混凝土堿性介質(zhì)中與堿起化學(xué)反應(yīng)，耐久性較差；聚丙烯纖維是一種高強(qiáng)聚丙烯束狀單絲纖維，具有不吸水，化學(xué)性能穩(wěn)定，抗溫、抗酸堿腐蝕性好，不參與水泥的水化反應(yīng)等特點(diǎn)，使用聚丙烯纖維的水泥石可提高其抗裂、抗?jié)B、抗沖擊和耐磨能力，同時(shí)改善其韌性和延展性 [10]。另外，由于陶瓷纖維自身提高抗壓強(qiáng)度的性能和聚丙烯自身顯著提高抗沖強(qiáng)度的性能，通過兩種纖維混摻，根據(jù)單一復(fù)合改性的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果調(diào)整其摻量配比，以獲得最佳的復(fù)合改性水泥漿體系。目前，有關(guān)理論認(rèn)為，有效的縫內(nèi)橋堵方法可以提高裂縫的承壓能力，防止裂縫轉(zhuǎn)向，橋堵高壓下產(chǎn)生的支裂縫或微裂縫。 復(fù)合纖維改性后的水泥漿中纖維無序、均勻地分散在漿體中，封堵裂縫時(shí)，纖維在裂縫內(nèi)架橋結(jié)網(wǎng)，水泥顆粒則充填網(wǎng)孔，水泥水化膠凝后與裂縫固結(jié)，起到堵漏承壓的作用 [12] 復(fù)合纖維改性水泥漿及性能探討 7 纖維材料增韌機(jī)理分析 纖維發(fā)揮了其阻裂增韌作用，其機(jī)理分析如 下 [13]：由于水泥穩(wěn)定粒料的早期塑性收縮或其他原因，普通水泥穩(wěn)定粒料內(nèi)部不可避免地存在少量缺陷或微觀裂紋。而對(duì)于低摻量聚丙烯纖維水泥穩(wěn)定粒料而言，盡管纖維摻量較低，但由于纖維細(xì)度高，混合料單位體積內(nèi)的纖維根數(shù)卻較多，纖維呈三維亂向分布于混合料中。在裂紋剛好穿過纖維 的瞬間，基體的突然斷開必然導(dǎo)致纖維在與基體界面分離的部分產(chǎn)生應(yīng)變的突變，從而使這部分纖維承受很大的拉力。由線彈性斷裂機(jī)理模型中最簡(jiǎn)單直接的方法 疊加法可知，由纖維等效的閉合力產(chǎn)生的反向應(yīng)力強(qiáng)度因子在裂紋穿過纖維的瞬時(shí)是巨大的，它極大地減小了裂紋總的應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而阻止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。 再者，由于纖維具有較高的強(qiáng)度 以及良好的變形能力，在裂紋擴(kuò)展中纖維伸長(zhǎng)量較大，而纖維的伸長(zhǎng)變形必將吸收大量能量，因此，相對(duì)于普通水泥穩(wěn)定粒料而言，復(fù)合纖維水泥穩(wěn)定粒料的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在具有良好的吸收能量和變形性能，提高材料在反復(fù)沖擊荷載作用下的抵抗能力，增強(qiáng)材料的韌性。 （ 2）根據(jù)不影響常規(guī)水泥 漿的穩(wěn)定性的原則，確定聚丙烯纖維的最佳加量，聚丙烯纖維摻混水泥干灰配制油井水泥漿。 （ 4）根據(jù)確定加量，改變加入不同尺寸纖維的實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合評(píng)價(jià)，確定復(fù)合改西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 性水泥漿最佳尺寸的纖維。 技術(shù)路線 復(fù)合纖維改性水泥漿及性能探討 9 2 實(shí)驗(yàn)部分 本章主要介紹了 實(shí)驗(yàn)所需的 儀器 、藥品 ； 制作水泥漿水泥石 實(shí)驗(yàn) 方法 及水泥漿 、水泥石 的性能評(píng)價(jià)等。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 水泥漿（石）性能評(píng)價(jià) 制漿 ① 按 SY/T 55041996 要求配漿。 ② 將所需的水倒入攪拌漿杯 中，打開低速檔 （ 4000r/min177。 ③ 倒開（調(diào)整）到高速檔（ 12020r/min177。 1s。 水泥漿密度的測(cè)定 ① 在樣品杯中加入水泥漿至樣品杯上緣約 6mm 處。使蓋子外緣和樣品杯上緣表面接觸，過量的水泥漿通過單向閥排出。 ③ 用 專用加壓活塞筒吸取適量水泥漿，通過單向閥注入樣品杯中，直至單向閥自動(dòng)封閉。讀出游碼箭頭一側(cè)的密度值。常壓稠化儀要預(yù)先加熱到試驗(yàn)溫度士 1℃。然后倒入粘度計(jì)的樣品杯中至刻度線。 ③ 將樣品杯放在粘度計(jì)載物臺(tái)上， 粘度計(jì)以 600r/min 的速度旋轉(zhuǎn)，升高載物臺(tái)使?jié){液到達(dá)外筒表面刻度線處并固定。在記讀數(shù)之前瞬間以及試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，記錄粘度計(jì)樣品杯中的水泥漿溫度。 ⑥ 根據(jù)上述步驟中記錄的平均溫度，報(bào)告水泥漿的流變性測(cè)量。 水泥 漿流 動(dòng) 度的測(cè) 定 ① 準(zhǔn)備瓷磚板，用少量水潤(rùn)濕，正中放上測(cè)量流變度的錐形容器。 ③ 待漿液流動(dòng)穩(wěn)定后，用直尺測(cè)量其長(zhǎng)寬。常壓稠化儀要預(yù)先加熱到試驗(yàn)溫度士1℃。 ⑥ 1 分鐘內(nèi)將漿液倒入容器 ，進(jìn)行測(cè)試、測(cè)量、記錄。 水泥漿失水測(cè) 定 ① 按標(biāo)準(zhǔn)制備水泥漿 ② 將常壓稠化儀和失水儀預(yù)熱到試驗(yàn)溫度 50177。 ③ 稠化水泥漿，稠化完畢后，取出用木棒攪拌均勻。將上述漿液倒入漿筒中，并在漿面上部至少留 高的空間，放置濾網(wǎng)（ 325 目）、密封環(huán)和端蓋，擰緊固定螺絲，關(guān)閉失水儀漿筒的頂閥和底閥。 的壓力，打開頂閥（從稠化 儀停止攪