硅灰石纖維增強(qiáng)頁(yè)巖氣固井水泥力學(xué)性能及影響研究

隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源供需與能源安全問(wèn)題日益凸顯，世界能源發(fā)展開(kāi)始進(jìn)入由化石能源轉(zhuǎn)向新能源的關(guān)鍵時(shí)期。頁(yè)巖氣作為一種清潔、高效的非常規(guī)能源，未來(lái)將是我國(guó)油氣資源的重要補(bǔ)充。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層滲透率低，開(kāi)采難度相對(duì)較大，主要依靠水平井、壓裂、分級(jí)壓裂甚至重復(fù)壓裂等復(fù)雜開(kāi)采工藝進(jìn)行開(kāi)發(fā)，這就對(duì)固井水泥石提出了更高的韌性要求，但常規(guī)的固井水泥石屬于脆性材料，在大型體積壓裂下水泥環(huán)易發(fā)生不同程度的密封破壞，威脅頁(yè)巖氣的安全生產(chǎn)，為此迫切需要提高水泥石的韌性。目前，關(guān)于提高固井水泥石韌性的研究大多數(shù)集中在通過(guò)外部摻入韌性材料的方式，如纖維、晶須、納米材料、聚合物等，從固井水泥本身的礦物組成出發(fā)提高其韌性的研究較少。大多數(shù)的研究基本采用單一模式、單一變量對(duì)固井水泥石韌性進(jìn)行改性。為進(jìn)一步優(yōu)化固井水泥石的韌性，本研究通過(guò)改善固井水泥的礦物組成，制備一種頁(yè)巖氣固井水泥，并外摻韌性材料的協(xié)同方式來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)固井水泥石韌性。硅灰石纖維（wollastonitefiber，簡(jiǎn)稱WF）是一種天然存在的具有針狀晶體結(jié)構(gòu)的硅酸鈣礦物（CaO·SiO2）。有關(guān)文獻(xiàn)表明，WF兼具礦物外摻料及纖維的特性。因此本研究從頁(yè)巖氣固井對(duì)于水泥石韌性的實(shí)際需求出發(fā)，探究頁(yè)巖氣固井水泥與硅灰石纖維的協(xié)同作用對(duì)水泥石力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)于頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)具有重要意義。1、試驗(yàn)材料及方法1.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)用石灰石、紅砂、黏土、鐵粉等原料以及G級(jí)油井水泥由嘉華特種水泥股份有限公司提供；WF的粒徑分布、XRD圖譜和SEM分別如圖1~圖3所示；原料及WF的主要化學(xué)成分如表1所示。圖1WF粒徑分布圖2WFXRD圖譜表1原材料主要化學(xué)成分%圖3WFSEM圖1.2頁(yè)巖氣固井水泥制備方法將石灰石、紅砂、黏土、鐵粉等原材料烘干后粉磨至80μm標(biāo)準(zhǔn)篩篩余＜10.0%，均化后按方案分別稱重并混勻，壓片烘干；將烘干試餅放入高溫電爐中恒溫煅燒，燒成后將試餅迅速取出，在空氣中自然冷卻；將煅燒好的熟料取出，并摻入一定量的石膏磨細(xì)至一定的細(xì)度，即得到頁(yè)巖氣固井水泥，其主要化學(xué)組成及礦物組成如表2、表3所示。表2頁(yè)巖氣固井水泥主要化學(xué)成分%表3頁(yè)巖氣固井水泥主要礦物組成%1.3測(cè)試方法1.3.1水泥漿制備方法本文中水泥漿制備、水泥漿流變性、稠化時(shí)間等性能測(cè)試試驗(yàn)均按照GB/T10238—2015《油井水泥》和GB/T19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》進(jìn)行。通過(guò)不同摻量的WF研究其對(duì)頁(yè)巖氣固井水泥力學(xué)性能的影響，具體試驗(yàn)配方如表4所示。表4試樣名稱與配方%1.3.2測(cè)試手段將新制水泥漿分別倒入抗壓強(qiáng)度（50.8mm×50.8mm×50.8mm）和抗折強(qiáng)度（160.0mm×40.0mm×40.0mm）的模具中，在60℃水浴養(yǎng)護(hù)2d、7d、28d后取出進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能和微觀測(cè)試。采用NYSQ-2017型壓力試驗(yàn)機(jī)、DK2—5000型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)到達(dá)養(yǎng)護(hù)齡期的水泥石進(jìn)行抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度測(cè)試，每組試樣檢測(cè)4次取平均值；采用RTR-1000型三軸巖石力學(xué)測(cè)試儀對(duì)水泥石進(jìn)行三軸力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試樣尺寸為Φ25.0mm×50.0mm的圓柱體，試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)為圍壓20.70MPa，試驗(yàn)溫度為常溫，試樣的加載速率為（2.00±0.20）kN/min；采用NXNQ0017型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對(duì)水泥漿進(jìn)行流變性測(cè)試；采用8340型高溫高壓稠化儀對(duì)水泥漿進(jìn)行稠化時(shí)間的測(cè)試，測(cè)試條件為52℃、35.6MPa、28min；將破碎后的水泥石研磨成粉干燥24h，采用D8ADVANCE型X射線衍射分析儀以0.02°/s的掃描速率測(cè)試5°~80°范圍內(nèi)的水化產(chǎn)物；采用STA449F3Jupiter型同步熱分析儀對(duì)水化產(chǎn)物進(jìn)行熱重分析；采用Quanta250型環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)水泥石微觀形貌進(jìn)行分析。2、結(jié)果與討論2.1力學(xué)性能2.1.1抗壓強(qiáng)度圖4是G級(jí)油井水泥和不同摻量WF的頁(yè)巖氣固井水泥的抗壓強(qiáng)度對(duì)比。結(jié)果表明，G0試樣2d、7d和28d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了37.1MPa、42.8MPa和48.8MPa，SW0試樣2d、7d和28d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了39.2MPa、45.6MPa和54.7MPa，同期相較于G0均有所增強(qiáng)；此外，SW10試樣2d、7d和28d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了35.1MPa、42.5MPa和58.5MPa；SW20試樣2d、7d和28d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了32.5MPa、36.1MPa和50.8MPa。通過(guò)對(duì)抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)：隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，水泥石抗壓強(qiáng)度逐漸增大；隨著WF摻量的增加，水泥石抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了兩種變化趨勢(shì)：（1）水化進(jìn)程在2d和7d時(shí)，水泥石抗壓強(qiáng)度逐漸降低；（2）水化進(jìn)程在28d時(shí)，水泥石抗壓強(qiáng)度先增加后降低。出現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象的原因主要是由于WF顆粒較粗，反應(yīng)活性較差，替代部分水泥后降低了膠凝材料的含量，從而導(dǎo)致水泥早期強(qiáng)度發(fā)展稍差；隨著水化齡期的延長(zhǎng)，水泥水化產(chǎn)物所營(yíng)造的堿性環(huán)境促使WF參與水化反應(yīng)，進(jìn)而提高水泥石抗壓強(qiáng)度，但過(guò)量的WF的摻入會(huì)導(dǎo)致水泥石中產(chǎn)生大量的孔隙，從而降低密實(shí)度和抗壓強(qiáng)度；結(jié)果表明WF摻量低于10%時(shí)，對(duì)頁(yè)巖氣固井水泥抗壓強(qiáng)度的發(fā)展具有促進(jìn)作用。2.1.2抗折強(qiáng)度圖5是G級(jí)油井水泥和不同摻量WF的頁(yè)巖氣固井水泥的抗折強(qiáng)度對(duì)比。結(jié)果表明，G0試樣2d、7d和28d抗折強(qiáng)度分別達(dá)到了5.7MPa、7.8MPa和8.0MPa，與同期G0試樣相比SW0試樣2d、7d和28d抗折強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了28.07%、6.40%和8.75%；而SW10試樣2d、7d和28d抗折強(qiáng)度相較于SW0同期分別提高了約15.07%、14.46%和17.24%；SW20試樣2d、7d和28d抗折強(qiáng)度相較于SW0同期分別提高了約31.51%、39.76%和48.27%。由抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知，SW0試樣抗折強(qiáng)度的發(fā)展與抗壓強(qiáng)度發(fā)展相類(lèi)似，同期均優(yōu)于G0試樣，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的力學(xué)性能；而隨WF摻量的增加，水泥石抗折強(qiáng)度逐漸增加。圖4水泥石抗壓強(qiáng)度圖5水泥石抗折強(qiáng)度2.1.3三軸力學(xué)測(cè)試圖6是不同WF摻量的頁(yè)巖氣固井水泥石養(yǎng)護(hù)28d應(yīng)力應(yīng)變曲線。結(jié)果表明，當(dāng)頁(yè)巖氣固井水泥中WF含量增加時(shí)，峰值差應(yīng)力值和應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積均大于SW0試樣。SW5、SW10、SW15和SW20水泥石試樣的峰值差應(yīng)力分別為76.7MPa、80.3MPa、76.2MPa和68.8MPa，相較于SW0試樣的差應(yīng)力分別提升了21.4%、27.1%、20.6%和8.9%。SW0、SW5、SW10、SW15和SW20水泥石試樣的彈性模量分別為6.92GPa、6.67GPa、6.35GPa、5.88GPa和5.91GPa，SW15和SW20水泥石試樣的彈性模量均低于6.00GPa。應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積與材料的韌性相關(guān)。峰值應(yīng)力和應(yīng)力-應(yīng)變曲線下面積的增加表明水泥石試樣的強(qiáng)度和韌性得到了提升。此外，加入硅灰石纖維水泥石試樣的高峰值應(yīng)變值表明，WF的加入有助于提高頁(yè)巖氣固井水泥石的韌性。圖6應(yīng)力應(yīng)變曲線2.2常規(guī)性能通過(guò)對(duì)固井水泥漿流變性、稠化時(shí)間進(jìn)行分析，室內(nèi)評(píng)價(jià)了不同WF摻量對(duì)頁(yè)巖氣固井水泥漿性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表5和圖7所示。根據(jù)表5的試驗(yàn)結(jié)果可知，WF的加入對(duì)水泥漿流變性形成了一定的影響，隨著WF摻量的增加水泥漿體系先變稀后變稠；通過(guò)Φ300數(shù)值變化，可以發(fā)現(xiàn)在硅灰石摻量低于10%時(shí)，水泥漿體系流變性變好；摻量超過(guò)10%時(shí)，水泥漿體系流變性逐漸變差；這主要是由于WF相較于頁(yè)巖氣固井水泥顆粒更粗，比表面積更小，在水灰比不變的情況下，替代同等質(zhì)量的水泥后吸水量更少，流變性變好；但替代量過(guò)大時(shí)，過(guò)多的較大長(zhǎng)徑比的WF在漿體中形成流動(dòng)阻力，導(dǎo)致出現(xiàn)增黏效應(yīng)。根據(jù)圖7可以發(fā)現(xiàn)，WF的摻入延長(zhǎng)了頁(yè)巖氣固井水泥漿的稠化時(shí)間，隨著WF摻量的增加，稠化時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。2.3微觀分析2.3.1XRD分析圖8~圖10分別顯示的是不同摻量WF試樣養(yǎng)護(hù)2d、7d和28d水化產(chǎn)物的XRD圖譜。從各個(gè)水化齡期的XRD圖譜可以發(fā)現(xiàn)，SW0試樣的水化產(chǎn)物中主要物相為氫氧化鈣（CH）和水化硅酸鈣（C-S-H），而在摻雜WF的試樣中檢測(cè)到了CaSiO3的特征峰，并且隨WF摻量的增加，峰強(qiáng)逐漸增大。在養(yǎng)護(hù)2d、7d時(shí)，水化產(chǎn)物類(lèi)型沒(méi)有改變，而CaSiO3的特征峰強(qiáng)度有所減弱，表明硅灰石纖維參與了水化反應(yīng)；養(yǎng)護(hù)齡期28d時(shí)，在WF摻量低于10%時(shí)未檢測(cè)出明顯的CaSiO3特征峰，但摻量超過(guò)10%時(shí)依然可以檢測(cè)出明顯的CaSiO3特征峰，同時(shí)CH特征峰的強(qiáng)度減弱，C-S-H特征峰的強(qiáng)度增強(qiáng)，進(jìn)一步表明WF確實(shí)參與了水泥水化反應(yīng)，并與水泥水化形成的CH反應(yīng)生成C-S-H，提高了水泥漿體的強(qiáng)度。表5流變性能注：Φ600、Φ300、Φ200、Φ100、Φ6、Φ3分別表示水泥漿在600、300、200、100、6、3r/min下測(cè)試的讀數(shù)，n為流性指數(shù)，K為稠度系數(shù)。圖7稠化時(shí)間圖8不同摻量WF水泥石2d水化產(chǎn)物XRD分析圖9不同摻量WF水泥石7d水化產(chǎn)物XRD分析圖10不同摻量WF水泥石28d水化產(chǎn)物XRD分析2.3.2TG/DTG分析圖11是不同摻量的WF水泥石水化28d后的TG/DTG曲線。由分析結(jié)果可知，在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了3處明顯的質(zhì)量損失，由溫度從低到高依次為C-S-H脫水、CH分解以及CaCO3分解。其中CaCO3的生成是由于試樣在養(yǎng)護(hù)、制樣、烘干及測(cè)試等過(guò)程中水化產(chǎn)物與空氣中CO2相接觸而反應(yīng)形成。為了評(píng)價(jià)WF對(duì)水泥水化進(jìn)程的影響，依據(jù)Bhatty等人提出的化學(xué)結(jié)構(gòu)水含量作為評(píng)價(jià)水泥漿水化進(jìn)程，提出了如下式（1）和式（2）的計(jì)算公式：Wb=LW+LOH+0.41LC（1）α=Wb/24×100（2）式中：Wb——水泥漿中水化產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)合水含量，%；LW——水泥漿中水化產(chǎn)物結(jié)晶水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；LOH——水泥漿中氫氧化鈣結(jié)構(gòu)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；LC——水泥漿中碳酸根分解的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；24%——水泥水化反應(yīng)中最大的需水量，即為化學(xué)結(jié)合水最大含量；α——水泥漿的水化反應(yīng)進(jìn)程，%。根據(jù)公式（1）和公式（2），計(jì)算得出不同摻量WF的水泥石中化學(xué)結(jié)合水含量和水化程度，如圖12所示。從圖中可以看出，SW5和SW10的化學(xué)結(jié)合水含量分別比SW0高0.15%和1.17%，SW5和SW10的水化程度分別比SW0高0.62%和4.87%。表明硅灰石纖維的摻入量低于10%時(shí)有利于促進(jìn)水泥水化進(jìn)程，此外SW10試樣結(jié)合水含量和水化程度均為最大值，與水泥石抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)相一致。圖11不同摻量WF水泥石水化28d后的TG/DTG曲線圖12水化28d試樣化學(xué)結(jié)合水含量及水化程度2.3.3SEM分析圖13為養(yǎng)護(hù)成型后水泥石的微觀形貌，圖13（a）顯示的是SW0試樣水化2d后的微觀形貌，圖13（b）、（c）、（d）顯示的是SW10試樣水化2d、7d、28d后的微觀形貌，圖13（e）、（f）顯示的是WF在水泥水化產(chǎn)物中的微觀形貌。由圖13（a）可知，SW0試樣水化后出現(xiàn)大量的六方板狀CH晶體，結(jié)構(gòu)較為致密；由圖13（b）、（c）、（d）中可以觀察到，在摻雜WF的試樣中也出現(xiàn)了CH晶體；但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，CH晶體開(kāi)始減少，表明WF在堿性條件下參與了水化反應(yīng)，形成C-S-H，從而使水泥漿體中的CH和WF的含量均減少，這個(gè)現(xiàn)象與XRD分析結(jié)果相吻合。由圖13（e）、（f）可觀察到明顯的WF，在水泥漿水化的過(guò)程中WF隨機(jī)分布在水泥石中，WF表面變得粗糙附著有水化產(chǎn)物，不僅增強(qiáng)了與水泥基體之間的粘結(jié)力，也進(jìn)一步說(shuō)明WF參與了水泥的水化反應(yīng)。此外，當(dāng)水泥石受到外力而產(chǎn)生裂紋時(shí)，在延展的過(guò)程中觸碰到纖維狀的WF后，裂紋會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)阻礙裂紋發(fā)展。另一方面，由于WF參與了水泥水化反應(yīng)，增強(qiáng)了與水泥基體之間的粘結(jié)力，不僅可有效防止WF被拉出水泥石基體，而且還能提高水泥石基體的密實(shí)度，從而提高水泥石的力學(xué)性能。圖13水泥石微觀形貌3、結(jié)