纤维水泥增强增韧实验_王彦军

大庆石油学院学报第29卷第5期2005年10月JOURNAL OF DAQING PET ROLEU M INS TIT UT E V o l.29No.5Oct.2005收稿日期:20050302;审稿人:张景富;编辑:关开澄 作者简介:王彦军(1966-),男,工程师,主要从事采油工程方面的研究.纤维水泥增强增韧实验王彦军1,罗 云2,曹景萍3(1.大庆油田有限责任公司庆新油田开发公司,黑龙江大庆 163514; 2.大庆石油学院石油工程学院,黑龙江大庆163318; 3.大庆石油学院校产办,黑龙江大庆 163318)摘 要:为使水泥石具有一定的韧性和稳定的力学性能,减小井下作业对水泥环的损坏,延长油气井生产寿命,测试分析了纤维水泥石抗压强度、抗折强度、抗拉强度、胶结强度、弹性模量、断裂韧性和抗冲击功参数,结果表明:水泥石的抗折强度和抗压强度,随着w (纤维掺量)和纤维长度的增大而逐渐增大,而当w (纤维掺量)和纤维长度增大到一定程度后,水泥石的抗折强度和抗压强度又有所下降;w (纤维掺量)为2.0%,纤维长度为3~6m m.A 级原浆水泥石的强度、断裂韧性和抗冲击功通常较小,加入纤维后可以较大幅度地提高其强度、断裂韧性和抗冲击功.纤维具有高强度和高模量,它承受的载荷比水泥石基体要大;纤维的存在可抑制水泥石裂纹的生成和发展,使裂纹扩展形成宏观破坏所需的能量增大;纤维能减小水泥石体积收缩;纤维在水泥石中能形成致密的网状结构,它与水泥之间的黏结产生机械咬合作用,提高了水泥石的宏观强度和韧性.关 键 词:纤维;水泥;固井;增韧实验中图分类号:TE25 文献标识码:A 文章编号:10001891(2005)05002405国内大多数油田已进入高含水开发后期.为适应油田增产稳产需要,已开展了薄差层和表外储层为重点的三次加密调整井、水平井、分支井等各类钻井[1].随着钻井数量的增多,油田开发方面对固井质量的要求也越来越高,而常规水泥石的抗冲击强度、韧性、抗裂能力低,已不能满足现代固井技术的要求.就薄层固井而言,虽然水泥石的抗压强度足以支撑和保护套管,但在射孔过程中爆炸产生的冲击波容易使射孔段一定范围的水泥环产生破裂或裂缝;同时,注水、酸化压裂、热采、井内的高压也会使水泥环受到损伤,水泥石产生脆性断裂,造成油气窜槽,封隔地层所必须的完整性得不到保证,从而严重影响油气井的生产寿命,并给后期生产带来昂贵的修井费用.因此,水泥石除了具有足够的抗压强度外,必须具有一定的韧性,同时满足水泥石力学性能的长期稳定性.笔者研究了纤维水泥的增强增韧性能及机理.1 力学性能1.1 实验标准水泥浆配浆及工程性能测定按A PI 规范10和GB 1346-2001规范进行.1.2 实验材料及测试1.2.1 纤维选择建筑行业使用较多的是钢纤维,但其成本高,并且在固井水泥浆中易分散.具有适度长径比的短纤维又不易加工,因此,采用选择低弹矿物纤维.该纤维分子链中含部分亲水基团,在一定范围较易分散.对于水泥石来讲,可通过在配比中添加适量的纤维来改变水泥石的动态力学性能.增韧防漏纤维(ZRF)组分:多种不同成分纤维的混合物,主体为矿物纤维.纤维长度范围:3~5mm (15%),4~6mm(70%),微纤维.纤维长径比:300~600,微纤维长径比50~100.ZRF 力学性质见表1.1.2.2 抗折强度w (纤维掺量)对水泥石抗折强度的影响见图1.图1中1~7mm 指的是纤维的长度.由图1可见,纤#24#表1 ZRF 的力学性质种类比例/%密度/(g #m -3)直径/L m 长度/mm 抗拉强度/M Pa 弹性模量/GPa 极限伸长率/%纤维A15 2.413~153~5500~90015~255~15纤维B700.908~124~6400~6006~815~25纤维C 15 1.880.6~4.0(50~200)@10-3---图1 w (纤维掺量)对水泥石抗折强度的影响(24h)维长度相同时,水泥石的抗折强度随着w (纤维掺量)增加而增大,w (纤维掺量)为1.5%~ 2.5%时,水泥石的抗折强度较高.在w (纤维掺量)相同时,随着纤维长度的增大,水泥石的抗折强度先逐渐增大,而后明显降低,但随着纤维长度的继续增大,水泥石的抗折强度又呈增大趋势.当纤维长度在3~6mm 时,水泥石的抗折强度较高.实验发现纤维增加水泥石韧性取决于纤维的细长比及w (纤维掺量).当纤维长度小于2mm 时,水泥石试件冲击破坏后断面上的纤维除少数拉断外,大多数是从水泥石基体拔出.当纤维长度为3~5m m 时,试件冲击破坏后断面上纤维被拔出的数量减少,而被拉断的数量明显增加,纤维的抗拉强度和延性得到充分发挥.1.2.3 抗压强度图2 纤维长度对水泥石抗压强度的影响(24h) 纤维长度对水泥石抗压强度的影响见图2.图2中0.5%~3.0%指的是纤维与干水泥的比例.由图2可见,当w (纤维掺量)相同时,水泥石的抗压强度随着纤维长度的增大,呈先增大后减小的趋势,纤维长度为3~6m m 的水泥石的抗压强度较高.图2还表明,在纤维长度相同时,随着w (纤维掺量)的增加,水泥石的抗压强度也先增大后减小,w (纤维掺量)为1.5%~2.5%的水泥石抗压强度较高.综合考虑纤维对水泥石抗折强度、抗压强度的影响因素,认为纤维长度为3~6mm ,w (纤维掺量)为1.5%~ 2.5%,水泥石强度较高,最佳w (纤维掺量)为2.0%.最终确定ZRF 水泥浆体系的组成:哈尔滨A 级油井水泥、ZRF 材料、降失水剂、分散剂等.1.2.4 对比实验用哈尔滨A 级油井水泥、ZRF 、油井水泥降失水剂、分散剂、大庆自来水配浆,在常压、38e 条件下,对不同龄期掺有质量分数为2.0%ZRF 硬化水泥石的抗折强度、静态弹性模量、抗冲击功、抗压强度及应力-应变关系的测定.ZRF 水泥试样与原浆试样在同一条件下养护1,2,5,10,15d,分别测试、对比各项参数随时间变化情况.1.2.4.1 测抗压强度依据p 压=F/S 1(p 压为抗压强度,F 为载荷,S 1为F 的作用面积).弹性模量为E ,动态弹性模量表示材料抵抗拉(压)变形的能力,与材料有关,弹性模量越大,变形越小,反之亦然.依据R =E E 测量,其中R =N /A (N 为载荷,A 为受力面积),E =$L/L (L 为试样高度).水泥石的弹性模量越大,变形能力越差,越易脆裂.养护1~15d,制备2种配方水泥石试块若干.在液压式万能材料试验机上测试抗压强度、弹性模量和应力-应变曲线.2种配方水泥石不同养护时间的抗压强度变化见图3.测试结果表明:掺有ZRF 剂水泥石的抗压强#25#第5期 王彦军等:纤维水泥增强增韧实验图3 不同养护时间水泥石抗压强度变化度比净浆水泥石抗压强度增加;养护24h 提高幅度为16.4%,养护48h 提高幅度为21.5%,养护5d 提高幅度为27.4%,养护10d 提高幅度为30%,养护15d 提高幅度为32%.掺有ZRF 剂水泥石的弹性模量比净浆水泥石的弹性模量低,并随着养护时间的延长,降低幅度略有增加.水泥石弹性模量与养护时间的关系见图4.测试结果表明:养护24h降低幅度为36.7%,养护48h 降低幅度为36.9%,养护5d图4 不同养护时间水泥石弹性模量变化降低幅度为37.5%,养护10d 降低幅度为37.8%,养护15d降低幅度为39.5%.1.2.4.2 测抗拉强度依据p 拉=F/S 2(p 拉为抗拉强度,F 为载荷,S 2为试样拉断的断口平均面积),养护1~15d,制备2种配方水泥石试块若干.在电动抗拉仪上测试试样的p 拉.2种配方水泥石不同养护时间的抗拉强度见图5.测试结果表明:掺有ZRF 剂水泥石的抗拉强度比净浆水泥石抗拉强度增加;养护24h 提高幅度为12.2%,养护48h 提高幅度为13.1%,养护5d提高图5 不同养护时间水泥石抗拉强度变化幅度为15.2%,养护10d 提高幅度为15.6%,养护15d 提高幅度为16%.1.2.4.3 测抗折强度根据材料力学、弹性力学测试原理,采用三点法测试.养护1~15d,制备2种配方水泥石试块若干.用抗折试验机测定水泥石的抗折强度.2种配方水泥石不同养护时间的抗折强度见图6.测试结果表明:掺有ZRF 剂水泥石的抗折强度比净浆水泥石抗折强度增加;养护24h 提高幅度为17.3%,养护48h 提高幅度为17.9%,养护5d 提高幅度为19%,养图6 不同养护时间水泥石抗折强度变化护10d 提高幅度为22.9%,养护15d 提高幅度为23.4%.1.2.4.4 测胶结强度水泥石胶结强度是固井过程中有效防止窜流的关键之一,因此可把测定水泥石的胶结强度作为衡量固井质量的重要指标之一.目前,关于胶结强度的测定还没有统一的方法和标准,笔者结合油田具体情况,采用了自制简易实验装置.用2#油套与水泥环模拟第一界面胶结(见图7),高为90mm;用普通油管代替普通套管,用黏砂油管代替黏砂套管.岩石与水泥环模拟第二界面胶结(见图8),岩样内径为25mm,高为50m m.图7和图8中的压块即压力机加压装置.为了防止水泥凝结过程中水分的蒸发,在实验过程中,试样的底面和顶面均用涂有黄油的平整的盖板压紧密封.21MPa 下密闭养护48h,用压力实验机进行压出.对于水泥环与套管之间的胶结,有F 套=p P #d #L,式中:F 套为套管与水泥环胶结强度;p 为压力读数;d 为试模内径;L 为试模中水泥浆体的高度.对于水泥环与地层之间的胶结,有#26#大 庆 石 油 学 院 学 报 第29卷 2005年图7 水泥与套管胶结强度测定装置图8 水泥与岩样胶结强度测定装置F 岩=p P #d #L,式中:F 岩为水泥环与地层胶结强度.实验水泥浆密度为1.90g/cm 3,其结果见表2.从表2可计算得:水泥环与普通套管之间的胶结,ZRF 增韧防漏水泥与原浆对比,水泥石的胶结强度提高约27.4%;水泥环与黏砂套管之间的胶结,ZRF 增韧防漏水泥与原浆对比,水泥石的胶结强度提高约表2 水泥石胶结强度M Pa 配方F 套(普通套管)F 套(黏砂套管)F 岩A 级原浆 2.08 2.35 1.27A+w (ZRF)为2.0%+w (降失水剂)为1.8%+w (分散剂)为0.4% 2.65 3.10 1.5631.9%;水泥环与地层之间的胶结,ZRF 增韧防漏水泥与原浆对比,水泥石的胶结强度提高约22.8%.1.2.4.5 测断裂韧性根据K SH =24C k F max /D 1.5,其中F max =p max a 2+tan -1L ,而p max =E #A #图9 不同养护时间水泥石断裂韧性变化E T ;K SH 为断裂韧性;C K 为修正系数;D 为试样直径;p max 为最大压力;A 为角度;L 为摩擦因数;E T 为临界应变;A 为横截面积.养护1~15d,制备2种配方水泥石试样若干,初始裂纹约20mm,以保证裂纹前的尖锐度.在实验机上实验,计算机自动绘制P -V 曲线,加载速度为0.01m m/m in,根据工程力学原理建立数学模型进行计算[2].2种配方水泥石不同养护时间的动态断裂韧性变化见图9.从图9可以看出:掺有ZRF 剂水泥石的断裂韧性明显高于净浆水泥石断裂韧性;养护24h 提高幅度为57.4%,养护48h 提高幅度为52.7%,养护5d 提高幅度为49.8%,养护10d 提高幅度为45.2%,养护15d 提高幅度为图10 不同养护时间水泥石冲击功变化41.3%.1.2.4.6 测抗冲击功通常水泥石试样的抗冲击功越大,其增韧效果越好.用规定高度的摆锤打击支撑成简支梁的缺口试样,测量摆锤一次冲击使试样折断的冲击吸收功.配浆,制备水泥石试块40mm @40mm @160mm 带V 型槽,养护1~15d,制备2种配方水泥石试块若干.用冲击试验机测定水泥石的冲击功.2种配方水泥石不同养护时间的冲击功变化见图10.从图10可以看出:掺有ZRF 剂水泥石的抗冲击功比净浆水泥石抗冲击功增加;养护24h 提高幅度为23.4%,养护48h 提高幅度为25.2%,养护5d 提高幅度为28.1%,养护10d 提高幅度为30.4%,养护15d 提高幅度为34.0%.2 增韧机理纤维增韧的主要机理[2]为:①纤维本身具有较高的抗拉、抗折强度及延伸性;②/纤维-水泥浆0体系具有较好的相容性和较高的粘附性,能形成具有各向异性的高韧性水泥石;③纤维在水泥石中能形成致密#27#第5期 王彦军等:纤维水泥增强增韧实验大庆石油学院学报第29卷2005年的网状结构,对水泥石缺陷处的裂纹尖端应力场形成屏蔽,从而提高水泥石的断裂韧性.3增强机理纤维能提高水泥石抗压、抗折强度和抗拉强度,其增强机理[3]为:利用纤维的高强度、高模量,在水泥石受载时,通过界面将载荷传递给纤维,而纤维的抗张模量高于水泥石基体的抗张模量,使发生相同应变的情况下,纤维承受的载荷比水泥石基体要大.纤维由于张力而断裂,使得纤维水泥石的强度比原浆水泥石强度要高,达到增强的目的.纤维提高水泥石的胶结强度原因是:水泥中加入ZRF后,水泥石体积收缩比原浆水泥石小,ZRF水泥石与环空之间微裂缝减少,ZRF水泥石充填环空的面积大,ZRF水泥石与套管和岩石之间的摩擦力增大.当水泥石受力时,需要消耗能量克服水泥石与套管、岩石之间的摩擦阻力,而纤维在水泥石中形成致密的网状结构,纤维与水泥之间的粘结产生一定的机械咬合作用,水泥石表面的纤维将应力传递给内部的水泥石,提高了整体水泥石的抵抗力,从而增强了水泥石与套管、岩石之间的摩擦阻力.水泥石的破坏是由于水泥石内部存在裂缝、空隙等多种缺陷,在外力作用下,其缺陷部位将产生较大的应力集中,从而使裂缝进一步扩展,导致整个水泥石结构或构件的破坏.不同尺度和不同性质的纤维混杂增强水泥基复合材料性能,因为在不同结构层次上它抑制了裂缝的引发与扩展,减少与缩小了裂缝的尺度和数量,同时在纤维的性能层次上又相互补充,从而使纤维混杂的形式可以在较小w(纤维掺量)的情况下充分发挥纤维的增强效果,从整体上改善了水泥石的力学性能[4,5].4结论(1)水泥石的抗折强度和抗压强度,随着w(纤维掺量)和纤维长度的增大而逐渐增大,但是当w(纤维掺量)和纤维长度的增大到一定程度后,水泥石的抗折强度和抗压强度又有所下降.最佳w(纤维掺量)为2.0%,纤维长度为3~6mm.(2)A级原浆水泥石的强度、断裂韧性和抗冲击功通常较小.加入纤维后可以较大幅度地提高其强度、断裂韧性和抗冲击功.(3)纤维具有高强度和高弹性模量,它承受的载荷比水泥石基体要大;纤维的存在可显著抑制水泥石裂纹的生成和发展,使裂纹扩展形成宏观破坏所需的能量增大;纤维能减小水泥石体积收缩;纤维在水泥石中能形成致密的网状结构,它与水泥之间的粘结产生一定的机械咬合作用,从而提高了水泥石的宏观强度和韧性.参考文献:[1]齐国强,王青云,王新兴.调整井钻井完井技术[J].石油钻探技术,1998,26(3):31-33.[2]王文斌,马海忠,魏周胜,等.抗冲击韧性水泥浆体系室内研究[J].钻井液与完井液,2004,21(1):36-39.[3]裴建武.纤维对油井水泥作用机理的实验研究[J].西部探矿工程,2004,(10):68-69.[4]徐至钧.纤维混凝土技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.[5]曾庆敦.复合材料的细观破坏机制与强度[M].北京:科学出版社,2002.##28Effects of timing of high-concentration polymer flooding on oil displacement efficiency/2005,29(5):16-18 LI Jun-gang1,YANG Fu-lin2,YANG X-i zhi3(1.S cientif ic R esear ch Of f ice,Daqing P etr oleum I nstitute,Daqing,H eilong j iang163318,China;2.Petr oleum Resear ch I nstitute of Ex p lor ation and Develop ment,Daq ing Oilf ield Cor p.L td., Daqing,H eilong j iang163712,China;3.P etr oleum Engineer ing College,Daqing P etr oleum I nstitu-te,Daqing,H eilongj iang163318,China)Abstract:T he Visco-elastic property of par tially hy dro lyzed poly acry lam ide(H PAM)fluid increases not only the vo lum etric sw eep efficiency but also the displacement efficiency of the pay zone on a m icro scale.The pur pose is to further enhance the o il r ecovery by high co ncentratio n polym er flo oding.T he results o n artificial cores with a Dykstr a-Parson Co efficient of0.72show that an increm ental recov ery o-v er w ater flo oding of mo re than20%OOIP can be o btained by early injectio n of the hig h co ncentratio n po lymer solution,the ear lier the better.T he incremental r ecovery is com parable to alkali/surfactant/ po lymer flo oding but at a lo w er co st.Key words:high concentration solutio n;viscoelasticity;timing of polym er solutio n injection;oil dis-placem ent efficiency;enhanced oil reco veryThermodynamic analysis of pull effect of polymer solution convergence flow on oil interface/2005,29(5):19 -23CU I Wan-jun1,2,JIA Zhen-qi1,CH EN Jing3(1.P etroleum E ngineering College,Daqing Petr oleum I nstitute,Daqing,163318,China;2.Oil Re-cover y P lant N o.1,Daqing Oilf ield Cor p.L td,,Daqing,H eilongj iang163001,China;3.Oil Re-cover y Engineering I nstitute,Daqing Oilf ield,Corp.L td.,Daqing,H eilongj iang163453,China) Abstract:T herm ody namic theo ry can save com plex mathem atic calculation in the study ing o n microco s-m ic oil displacem ent m echanism of poly mer solution.It is easier to reco gnize the difference betw een the oil m ovement of poly mer flooding and the oil mov em ent of w ater flooding in essence.Thermo dynamic energy conservatio n show s that the increase of poly mer solution free energy is the total chang e of pr ess-ing energy,kinetic energ y,potential energy and fr ictio nal heat.The increase of poly mer solution free energy results fro m polym er so lution entropy change.It can change into the increase of oil inter face free energy and m ake poly mer solution produce a kind of pull effect on oil interface.T he w ater flo oding cap-illary number theory(N=L v/C)canno t m eet the analysis of the microcosm ic oil displacement efficiency of po lymer so lution.T he poly mer flo oding has higher oil displacement efficiency than the w ater flo od-ing.Key words:polym er;conver gence flow;inter face;fr ee energ y;pull effect;ther modynam icsReinforcement and plasticization experiments on fiber cement/2005,29(5):24-28WANG Yan-jun1,LUO Yun2,CAO Jing-ping3(1.Qingx in Oilf ield Develop ment Comp any,Daqing Oilf ield Corp.L td.,Daqing,H eilongj iang 163514,China;2.Petr oleum Eng ineer ing College,Daqing P etroleum I nstitute,Daqing,H ei-long j iang163318,China;3.School I ndustr y Of f ice,Daqing Petr oleum I nstitute,Daqing,H ei-##119long j iang163318,China)Abstract:In o rder to enhance the str ength and toug hness of the hardened cement,reduce the cement mantle damage caused by do wn-ho le operations and prolong the endurance o f oil or gas w ells,the param-eter s,compressive streng th,ruptur e strength,tensile streng th,cementatio n strength,m odulus o f elas-ticity,fracture toughness and sho ck resistant w er e tested and analyzed.Result show that the ruptur e streng th and compressiv e streng th increase w ith the increase of the am ount and the leng th o f the fiber additive.H o wever,the values of the tw o parameters w ill decrease after the amount and leng th increase to some ex tent.The optimum amo unt is2.0%and the best leng ths of fiber are3~6mm.The streng th, fracture toughness and sho ck r esistant of the hardened cement from class A pure slurry ar e small,but these v alues increase largely w ith the addition of fiber to the slurr y.Fiber has high strength and hig h modulus,it can bear higher load than the cement m atrix can.T he ex istence o f fiber in the slurry can pro hibit the for mation and development o f the fissure in the hardened cement.So,it needs more ener gy fo r the fissure to ex pand into macro scopic breakdow n.Fiber can reduce the volumetric contr actio n o f the hardened cement,also for m dense netw ork structure,w hich interlo cks m echanically w ith the cement, impr oving the macroscopic streng th and toughness o f the hardened cement.Key words:fiber;cement;w ell cem enting;ex periment studyRock resistivity displacement experiment of core on clastic reservoir/2005,29(5):29-31BI Yan-bin1,2,REN Yu-tian2,ShI H ong-ping3,L B Gu-i yo u4(1.P etroleum E x p loration&Pr oduction Research I nstitute,SI N OPE C,B eij ing100083,China;2. Postd octoral S cientif ic Research Wor king Station,Chinese P etr oleum Univer sity,B eij ing102249, China;3.E ducation and T raining Center,Daqing Oilf ield Cor p.L td.,Daqing,H eilongj iang 163255,China;4.D aqing Vocational College,Daqing,H eilong j iang163255,China)Abstract:In order to evaluate flooded zones and to study residual oil satur ation and its distribution,w ith the cor e samples from a sealed coring w ell,w aterflo oding displacement experiment is carried out in term of reservo ir par am eters,and the relatio nship betw een rock resistivity and w ater saturation is studied on different petrophysical facie types and differ ent injecting salinity condition.The ex perim ent results show that variation character betw een r ock resistiv ity and w ater saturatio n is sim ilar to tho se co res possessing the same petrophysical facie types and injecting salinity conditio n.Otherw ise,it possesses individual e-lectr icity response pro perties.In the current dev elo pment period,variation tendency of reservo ir resis-tivity is mostly in declining stage,w hile that of pay zo nes seriously flooded is underg oing a stable per-i o d.As residuary w ater recycle is considered,w ith the increase in w ater saturation,a co ntinuous de-crease of r eser voir r esistivity w ill be the main electricity response characteristic of the flo oded zones. Key words:clastic ro ck reservo ir;core sam ple;w aterflooding displacem ent experiment;petrophy sical facies;r esistivity;w ater saturatio nApplication of fuzzy comprehensive judgment in optimum choice of polymer solution/2005,29(5):32-34 WANG Wei,LU Xiang-guo,ZH ON G Qiang(P etroleum Engineer ing College,Daqing P etr oleum I nstitute,Daqing,H elongj iang163318,China) ##120。