纤维/晶须材料对固井水泥石的增韧机理研究

李明，邓双，严平，靳建洲，于永金

1.西南石油大学材料科学与工程学院，四川成都 6105002.西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川成都 610041；3.中国石油钻井工程技术研究院，北京昌平 102206

纤维/晶须材料对固井水泥石的增韧机理研究

李明1*，邓双1，严平2，靳建洲3，于永金3

1.西南石油大学材料科学与工程学院，四川成都 610500
2.西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川成都 610041；
3.中国石油钻井工程技术研究院，北京昌平 102206

扫描电子显微镜（SEM）用于水泥基材料研究，可以准确、快速、直观地提供水泥石断面的微观形貌等信息。固井水泥环这一水泥基材料在井下工况受复杂应力影响易产生微裂缝与微环隙，造成水泥环封固能力下降。高弹模纤维、低弹模纤维、晶须等材料有助于降脆增韧水泥环。为了弄清高弹模纤维、低弹模纤维、晶须等材料对水泥环的降脆增韧机制，用扫描电镜对水泥石微观形貌进行了观察分析，探讨了增韧机制。实验结果表明，高弹模纤维、低弹模纤维、晶须等材料降脆增韧水泥环的机制包括拔出、桥连和裂纹偏转。相对于单掺纤维或单掺晶须，将二者混杂使用的增韧效果更好，其原理在于晶须属于微米级材料，可以阻止微米级微裂纹的产生和扩展；纤维属于毫米级材料，可以阻止毫米级微裂缝的产生与扩展；二者混杂使用可以起到多层次阻裂和增韧的目的。

油井水泥石；扫描电镜；纤维；增韧；微观形貌

李明，邓双，严平，等.纤维/晶须材料对固井水泥石的增韧机理研究[J].西南石油大学学报(自然科学版)，2016，38(5)：151156.

LI Ming，DENG Shuang，YAN Ping，et al.Research on The Toughening Mechanism of Fiber/Whisker on Oil Well Cement Stone[J].Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition)，2016，38(5)：151156.

引言

固井包括下套管和注水泥，水泥浆被泵入套管和井壁之间的的环空，水泥浆凝固硬化后的水泥环起到封固地层各类流体、支撑和保护套管的作用。固井水泥环这一水泥基材料在井下工况受复杂应力影响易产生微裂缝与微环隙，造成水泥环封固能力下降。高弹模纤维、低弹模纤维、晶须等材料有助于降脆增韧水泥环[1—8]，为了弄清高弹模纤维、低弹模纤维、晶须等材料对水泥环的降脆增韧机制，需使用扫描电镜。扫描电镜在水泥基材料研究中有广泛应用，在水泥石微观结构、孔隙结构研究中发挥着重要作用[9—12]。为探明纤维与晶须的增韧机理，对高弹模纤维、地弹模纤维和晶须水泥石的力学性能进行了测试，用扫描电镜对水泥石微观形貌进行了观察分析，探讨了增韧机制。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

高弹模纤维、低弹模纤维、晶须材料、G级油井水泥(四川嘉华公司)、甲基纤维素CM(成都科龙试剂)、羧甲基纤维素钠CMC。其中晶须与纤维的基本参数如表1所示。

表1 晶须/纤维的基本参数Tab.1Properties of whiskers/fibers

1.2 实验仪器

变速搅拌器(江苏江阴保利科研机械有限公司)；YA 300型电子液压试验机(北京海智科技开发中心)；PKZ 5000电动抗折试验机(无锡建仪仪器机械有限公司)；JSM 6490LV型扫描电子显微镜(日本JEOL公司)。

1.3 实验方法

参照GB/T 191392012《油井水泥试验方法》[1—3]配制水泥浆，试样均在90°C，21 MPa水浴条件下养护28 d。水泥石抗压强度和劈裂压力用电子液压试验机测定；水泥石抗折强度用电动抗折试验机测定。

将纤维水泥石试样砸碎成小片状，通过离子溅射仪在样品上进行喷金处理得到厚度约15 nm的SEM试样；用扫描电镜在加速电压为20 kV、工作距离13 mm的条件下对试样进行慢扫描观察，获得放大500～5 000倍、分辨率5～50 μm的二次电子(SE)信号图像若干[14—15]。

2 纤维/晶须水泥石的力学性能

2.1 纤维/晶须水泥石配方

纤维水泥石配方如表2所示。其中P0为空白水泥石试样，P1～P4分别表示单掺高弹模纤维、晶须、低弹模纤维及矿物纤维水泥石试样；M1～M3分别表示掺高弹模纤维/晶须混杂纤维、低弹模纤维/晶须混杂纤维及矿物纤维/晶须混杂纤维水泥石试样。

表2 纤维/晶须水泥石实验试样配方Tab.2Properties of whiskers/fibers

2.2 纤维/晶须水泥石的力学性能

图1为各纤维水泥石的力学性能。

图1 纤维水泥石养护28 d后的力学性能Fig.1Mechanical property of fiber cement stone curing after 28 d

由图1可以看出，单掺高弹模纤维、晶须和矿物纤维使水泥石抗压、抗折及抗拉强度分别提高了24.0%，44.7%，38.6%；22.8%，26.6%，19.9%；44.8%，17.1%，34.3%。低弹模纤维水泥石的抗折及抗拉强度分别提高了30.9%，30.4%。掺加高弹模纤维/晶须混杂纤维使水泥石抗压、抗折及抗拉强度分别提高了51.6%，60.1%，60.1%，掺加低弹模纤维/晶须混杂纤维使得水泥石抗折及抗拉强度分别提高了53.2%、24.9%。总体来说，纤维水泥石相对于空白试样具有更好的力学性能，而混杂纤维对水泥石力学性能改善效果优于单掺纤维。

3 纤维/晶须增韧的作用机理

纤维增韧水泥石的实质可视为纤维在裂纹区域消耗能量的过程，能量消耗越多则水泥石韧性越好。用扫描电镜对水泥石微观形貌进行了观察分析，认为增韧的作用机制主要有纤维桥连、裂纹偏转及纤维的拔出。

3.1 纤维桥连增韧水泥石

桥连效应是指纤维在微裂纹尖端桥接，形成闭合应力、减小裂纹尖端应力集中，并以此限制裂纹的产生与扩展的现象。水泥石在受力之初，内部裂纹产生较少，且尺寸较小，此时纤维增韧水泥石的主要方式为桥连作用。如图2a所示，当微裂纹产生并扩展至晶须区域时，晶须桥接微裂纹并在裂纹尖端形成闭合应力，使应力分散到裂纹侧面，减少裂纹尖端应力集中，限制微裂纹的扩展。图2b中，显示裂纹扩展被高弹模纤维阻挡，此时裂纹若要继续扩展，必须要对纤维做功至其断裂破坏，并且破坏过程会耗散大量能量。图2c为矿物纤维的桥连现象，从中可以看到，裂纹尺寸约为1～3 μm，而纤维直径约为0.5 μm，由尺寸对比可知，纤维的桥连作用可以限制较大尺寸裂纹的扩展。

图2 纤维在水泥石中的桥连现象Fig.2SEM micrographs of bridging of fiber in cement

3.2 裂纹偏转增韧水泥石

当微裂纹与纤维以较小角度相遇时，裂纹将绕过纤维沿着纤维与水泥基体界面继续扩展的现象称为裂纹偏转。图3为裂纹在晶须水泥石中的偏转现象，晶须的强度很高，约为20 500 MPa，长径比约为10～160，当微裂纹扩展至晶须区域时，裂纹只能绕过晶须沿着水泥基体与晶须结合的薄弱界面才能继续扩展。裂纹偏转主要是通过耗能来降脆增韧水泥石。同时，纤维与水泥基体的黏结性能越好，裂纹偏转过程消耗的能量越多，水泥石的韧性就越好。

3.3 纤维的拔出增韧水泥石

纤维拔出效应是指纤维与裂纹成角较大时，若外加载荷接近或超过水泥材料的屈服强度，裂纹将会迅速扩张，受到较大剪切应力的纤维将与水泥基体发生摩擦剥离直至被拔出，整个过程会持续耗散能量(图4)。

图3 晶须/纤维在水泥石中的裂纹偏转现象Fig.3SEM micrographs of crack deflection of whisker in cement

图4 纤维在水泥石中的拔出现象Fig.4SEM micrographs of pulling out of fiber in cement

图4a为晶须拔出后的微观形貌，可以看到部分晶须在拔出过程中发生了磨损，这表明晶须与水泥基体在拔出过程中发生了剧烈的相互作用，耗散大量能量。图4b中，水泥基体上的纤维拔出，还可以看到纤维被拔出后在水泥基体上留下的压痕。从能量耗散的角度出发，纤维与水泥基体结合效果与拔出过程耗散的能量是成正比的，也与水泥石韧性成正比。图4c为低弹模纤维水泥石的断面形貌，可以清楚观察到纤维在断面上分布的无序性，这种乱向分布体现了纤维增韧水泥石的各向同性。

3.4 混杂纤维增韧水泥石

图5a为高弹模纤维/晶须混杂水泥石微观形貌，在微裂纹产生初期，晶须在较小尺寸区域内通过桥连、裂纹偏转及拔出效应消耗裂纹能量，阻止或减缓微裂纹在水泥基体中的产生、扩展与延伸；当应力增加导致裂纹增大时候，长度为微米级的高弹模纤维通过对大裂纹进行桥连和裂纹偏转作用限制裂纹传播；当应力继续增大时，纤维开始从水泥基体上剥离拔出，消耗大量能量，降低水泥石的破坏速度和程度，使水泥石的韧性得到改善。

图5 混杂水泥石的微观形貌Fig.5SEM micrographs of hybrid fiber cement

图5b为低弹模纤维/碳酸钙晶须水泥石的微观形貌，在微裂纹产生和发展的过程中，尺寸较小的晶须将会率先在较小尺寸区域作用，限制微裂纹的产生和发展；随着应力的增大，微裂纹通过积累、汇合转变为更大尺寸的宏观裂纹，此时尺寸较大的纤维将起主导作用，通过桥连、裂纹偏转及拔出等方式增韧水泥石；低弹模纤维具有较大的变形量和延伸率，所以掺加低弹模纤维不仅能有效地控制宏观裂纹的产生和扩展，还能提高水泥石的变形能力，使水泥石表现出更好的柔韧性。

由图5c可知，矿物纤维与晶须具有不同的尺寸与长径比，可明显改变水泥石的微观结构，在不同结构层次对微裂纹进行有效限制。混杂纤维在增韧过程中具有较好的结构层次与梯度，使混杂纤维水泥石具有更好的韧性。

4 结论

(1)掺加晶须、纤维可以提高水泥石抗压、抗折及抗拉强度约24%～50%、20%～60%及30%～60%，使水泥石有更好的韧性。

(2)应用扫描电镜研究纤维/晶须增韧固井水泥石的断面微观形貌，发现证实了纤维桥连、裂纹偏转及纤维拔出的增韧机理。

(3)晶须为微米级材料，纤维为毫米级材料，二者混杂后，能够在微米级层次和毫米级层次分别发挥作用，协同增效，阻止或减少不同尺度裂纹产生与扩展，从而降脆增韧水泥石。

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李明，1977年生，男，汉族，河南唐河人，副教授，博士，主要从事固井材料与固井工程的教学与研究工作。E-mail：swpulm@126.com

邓双，1991年生，男，汉族，四川南充人，硕士研究生，主要从事纤维材料增韧水泥石相关的研究工作。E-mail：1034197981@qq.com

严平，1976年生，女，汉族，四川泸州人，副教授，主要从事环境科学的教学与研究工作。E-mail：yypp05@126.com

靳建洲，1979年生，男，汉族，辽宁营口人，高级工程师，主要从事固井技术研究工作。E-mail：jinjzdri@cnpc.com.cn

于永金，1982年生，男，汉族，河北保定人，工程师，主要从事固井技术研究工作。E-mail：yuyongjindri@cnpc.com.cn

编辑：王旭东

编辑部网址：http：//zk.swpuxb.com

Research on The Toughening Mechanism of Fiber/Whisker on Oil Well Cement Stone

LI Ming1*，DENG Shuang1，YAN Ping2，JIN Jianzhou3，YU Yongjin3
1.School of Material Science and Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China
2.College of Chemistry and Environmental protection Engineering，Southwest University for Nationalities，Chengdu，Sichuan 610041，China 3.CNPC Drilling Research Institute，Changping，Beijing 102206，China

Information such as the microstructure of cement stone cross section can be accurately，speedily and intuitively，provided by SEM when used in the research of cement-based materials.Oil well cement stone easily caused the micro-fracture and micro-annulus under the complex downhole stressed to decrease the sealing integrity between the cement sheath and the casing or formation.Whisker，fiber，and hybrid fiber are incorporated to strengthen and toughen the cement stone.Microstructures and micromechanical behaviors are investigated using scanning electron microscopy.The experimental results show that the toughness of the hybrid fiber cement stone was better than that of the single fiber cement stone.The toughening mechanisms of cement stone contains bridging，crack deflection and fiber pull out and the improvement could be correlated to energy-dissipating processes at the crack tips for different size and structure between the whisker and fibers and different load phases.

oil well cement stone；SEM；fiber；toughening；mechanism；microstructure

10.11885/j.issn.16745086.2015.01.16.03

16745086(2016)05015106

TE348

A

http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1718.TE.20161010.1119.010.html

20150116

时间：20161010

李明，E-mail：swpulm@126.com

中国石油集团重大科技项目(2014A 4213)。