王春鹏,梅文博,谭章龙,张亚飞,申文杰,张钟浩,邓 拓,李向阳,李昊龙,杨 浩
(1. 中联煤层气(山西)有限责任公司,太原 030000;2. 中联煤层气有限责任公司,北京 100015;3. 中国地质大学(北京),北京 100083)
地聚合物是富含硅铝相的原料通过聚合反应生成的一种具有无定形三维立体网络状结构的无机胶凝材料[1],其概念是由约瑟夫·戴维德维斯教授于1976年提出来的[2]。地聚合物是一种绿色环保类材料,可作为水泥类材料的替代品[3-4],被誉为21世纪绿色水泥[5];地聚合物表现出来的性能更加优异,具有强度高、耐高温性强和耐久性等优点[6-7]。
固井是油气开发过程的一个重要的环节,水泥浆被泵入套管,凝固后的水泥石起到了封固地层流体,支撑和保护套管的作用[8-9]。水泥石这种脆性材料在井下受温度、压力以及注采等复杂条件影响容易产生裂缝,导致完整性被破坏,严重影响油气生产安全[10]。因此,需要加入增韧材料来提升水泥石的韧性[11]。目前地聚合物在井下应用较少,参考油井水泥常用的增韧材料时,发现玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维和聚乙烯醇纤维应用较多[12-15]。该文通过在地聚合物水泥浆中掺入不同掺量的纤维,研究纤维对地聚合物水泥浆的增韧性能。
1.1 实验材料
实验主要采用矿渣、粉煤灰和碱激发剂来制备地聚合物固井水泥浆。矿渣和粉煤灰的主要成分见表1和表2。碱激发剂采用硅酸钠和氢氧化钠混合溶液,硅酸钠为固体粉末,模数2.0,净含量75%;氢氧化钠为固体颗粒,纯度≥95%。
表1 矿渣含量表Table 1 Slag content table %
表2 粉煤灰含量表Table 2 Fly ash content table %
1.2 实验仪器
制备地聚合物固井水泥浆需要的实验仪器有量筒、电子天平和烧杯等;此外,还需要对制备好的水泥浆进行如抗压强度及抗折强度等性能测试。该文用到的主要实验仪器如表3所示。
表3 主要实验仪器Table 3 Main experimental instruments
1.3 实验方法
将矿渣和粉煤灰按质量比3∶1称量后放入搅拌机搅拌均匀,然后加入碱激发剂进行搅拌。碱激发剂中SiO2与Na2O的配合比为0.5,质量比为12%,水灰比为0.5;依次加入玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维和聚乙烯醇(PVA)纤维,每种纤维选用5种不同的掺量(0.25%,0.50%,1.00%,1.50%和2.00%),搅拌均匀后倒入模具中,振动模具排出气泡后放入40℃养护箱进行养护。养护3天后进行抗压强度和抗折强度测试并进行三点弯曲实验,得到荷载-挠度曲线。抗压强度和抗折强度测试方法参照标准GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》[16];三点弯曲实验按照标准DBJ61/T 112—2016《高延性混凝土应用技术规程》进行[17]。
2.1 实验数据分析
通过掺加玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维和聚乙烯醇纤维(PVA)4种不同的纤维,研究不同掺量对地聚合物固井水泥浆的增韧效果。对掺入的4种不同纤维的地聚合物固井水泥浆进行抗压强度和抗折强度测试,结果见表4。
表4 不同纤维掺量的力学强度Table 4 Mechanical strength of different fiber content
2.1.1 抗压强度分析
由表4可知,试块的抗压强度随着纤维掺量的增加呈先增大后减小的趋势。对玄武岩纤维、PVA纤维和玻璃纤维来说,当纤维掺量低于0.50%时,试块的抗压强度逐渐增长;当纤维掺量为0.50%时,抗压强度达到最大值;继续增加纤维的掺量,试块的抗压强度逐渐降低。对碳纤维来说,当纤维掺量低于1.00%时,试块的抗压强度逐渐增长;继续增加纤维的掺量,试块的抗压强度逐渐降低;当纤维掺量为2.00%时,试块的抗压强度最低。综合对比4种纤维的抗压强度可知,玄武岩纤维对基浆的抗压强度影响最大。
2.1.2 抗折强度分析
由表4可知,对碳纤维来说,当掺量为1.00%时,养护3天的抗折强度达到最大值5.59 MPa,较空白组增长了41%;随着纤维掺量的继续增加,抗折强度逐渐降低。对玄武岩纤维、玻璃纤维和PVA纤维来说,养护3天时,当纤维掺量为0.50%时,掺加玄武岩纤维的试块抗折强度为5.96 MPa,掺加玻璃纤维的抗折强度为5.27 MPa,掺加PVA纤维的抗折强度为5.65 MPa,较未掺纤维的试块分别增长了51%,33%和43%。
为了对抗折强度进行比较,图1列出了4种不同纤维掺量对抗折强度的影响。可以看出,水泥石试块的抗折强度随着纤维掺量的增加呈先上升后下降趋势。纤维的掺入对水泥石的抗折强度有很大的影响,对玄武岩纤维、玻璃纤维和PVA纤维来说,掺量在0.50%时有很好的抗折强度,对碳纤维来说,掺量在1.00%时抗折强度最高。综合对比4种纤维的增韧效果,玄武岩纤维效果好于其他3种纤维。
图1 不同纤维掺量对抗折强度的影响Fig.1 Effect of different fiber content on flexural strength
2.1.3 压折比分析
压折比是反应水泥浆韧性的物理量,是抗压强度与抗折强度的比值,压折比越小,其韧性就越好[18]。由表4计算得到养护3天时试块的压折比,对掺加纤维的水泥石试块进行增韧性能评价,结果如图2所示。随着纤维掺量的不断增加,压折比呈先减小后增大的趋势。除碳纤维在掺量为1.00%时压折比最低以外,玄武岩纤维、玻璃纤维和PVA纤维均在掺量为0.50%时压折比最低。未掺入纤维、掺入0.50%的玄武岩纤维、掺入1.00%的碳纤维、掺入0.50%的玻璃纤维和掺入0.50%的PVA纤维的压折比分别为5.01,3.94,4.09,4.16和4.04。与未掺纤维时相比,掺入纤维后试块的压折比分别下降了21.3%,18.3%,16.9%和19.3%,说明试块的韧性得到改善,试块的破坏形态由脆性破坏变为塑性破坏。通过4种纤维的对比可以看出,玄武岩纤维对水泥浆的增韧效果最好,优于其他3种纤维。
图2 不同纤维不同掺量下的压折比Fig.2 Compression folding ratio of different fibers with different dosages
2.2 荷载-挠度曲线分析
从以上研究可以发现,玄武岩纤维、玻璃纤维和PVA纤维掺量为0.50%、碳纤维掺量为1.00%时,试块的性能最好,因此进行三点弯曲实验,分析荷载-挠度曲线,计算出等效弯曲强度和等效弯曲韧性,结果如图3所示。
图3 不同纤维荷载-挠度曲线Fig.3 Load-deflection curve of different fibers
由图3a可知,未掺加纤维的试块随着荷载的增加,挠度也不断增大,当荷载为1.646 kN时挠度最大,为0.276 mm,继续施加荷载时发现荷载迅速减小,这是由于试块发生脆性破坏而出现断裂现象。由图3b～图3e可以看出,掺加纤维后,试块的挠度和承受的最大荷载均有所增大,说明纤维的掺入增大了材料的韧性;对比4种不同的纤维发现,玄武岩纤维效果最好,荷载最大值为2.56 kN时的挠度为1.25 mm,较空白组有了较大的提升,表明基体的韧性得到增强。根据式(1)和式(2)可以计算求出等效弯曲强度和等效弯曲韧性,计算结果见表5。
表5 不同纤维的等效弯曲强度和等效弯曲韧性Table 5 Equivalent bending strength and equivalent bending toughness of different fibers
等效弯曲强度计算公式为:
(1)
等效弯曲韧性计算公式为:
(2)
由表5可以看出,掺入玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维和PVA纤维的极限荷载分别为2.56 kN,2.21 kN,2.12 kN和2.20 kN,相比于不掺加纤维的试块分别提高了55.2%,33.9%,28.5%和33.3%;未掺加纤维的空白组挠度为0.28 mm,而加入4种纤维后挠度分别为1.25 mm,0.56 mm,0.51 mm和0.76 mm,较空白组的试块均有了明显提升,说明纤维的掺入提高了材料的韧性。分析表5 数据可以看出,未掺加纤维的试块其等效弯曲强度为1.30 N/mm2,掺加4种纤维后试块的等效弯曲强度分别为2.46 N/mm2,1.94 N/mm2,1.97 N/mm2和1.76 N/mm2;未掺加纤维的试块等效弯曲韧性为2.4 kJ/m3,掺加4种纤维后试块的等效弯曲韧性分别为21.9 kJ/m3,7.7 kJ/m3,7.2 kJ/m3和9.5 kJ/m3。
2.3 扫描电镜分析
通过以上研究发现,玄武岩纤维在掺量为0.50%时具有良好的增韧效果,水泥石的力学性质得到改善。为进一步探究纤维增韧机理,对掺加玄武岩纤维的水泥石进行扫描电镜分析。图4所示为掺入玄武岩纤维的矿渣-粉煤灰地聚合物断面的SEM图片,其中图4b、图4c和图4d是在相同倍数下得到的不同位置的SEM图。
从图4可以看出,纤维均匀分布在水泥石中且结合良好。当施加外部荷载时,由于玄武岩纤维和地聚合物材料的模量不同,因此会产生不同的形变,会产生剪切应变[19]。因为纤维与地聚合物材料紧密结合,所以会将外部荷载传递到玄武岩纤维上,玄武岩纤维因具有较高的弹性模量和抗拉强度,能承受外部荷载,阻止了裂纹的扩散和水泥石的开裂,纤维的力学性能越好,增韧效果也就越好。此外,玄武岩纤维在水泥石中形成三维网状结构,在水泥石试块受力时,纤维会起到桥连的作用,纤维在水泥石裂缝尖端相连,形成闭合应力从而减少裂纹尖端应力集中,限制微裂缝的延伸,纤维的脱粘和拔出都会消耗大量的能量。因此,纤维的掺入提高了地聚合物材料的断裂能,增加了地聚合物水泥浆的韧性。
1)纤维的掺入对地聚合物固井水泥浆起到了增韧作用;增韧效果为玄武岩纤维>PVA纤维>碳纤维>玻璃纤维。
2)玄武岩纤维增韧效果最好,最优掺量为0.50%;养护3天时,抗压强度为23.47 MPa,抗折强度为5.96 MPa,相较未掺加纤维分别增大了18.2%和50.5%;压折比相较未掺加纤维时降低了21.3%。
3)扫描电镜发现,纤维均匀分布在水泥石中且结合良好。结果表明:纤维的掺入阻止了裂纹的扩散和水泥石的开裂;纤维在水泥石中形成三维网状结构,在水泥石试块受力时,纤维在水泥石裂缝尖端相连,形成闭合应力从而减少裂纹尖端应力集中,限制微裂缝的延伸。
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