硅灰石纤维增强页岩气固井水泥力学性能及影响研究

随着全球经济发展，能源供需与能源安全问题日益凸显，世界能源发展开始进入由化石能源转向新能源的关键时期。页岩气作为一种清洁、高效的非常规能源，未来将是我国油气资源的重要补充。页岩气储层渗透率低，开采难度相对较大，主要依靠水平井、压裂、分级压裂甚至重复压裂等复杂开采工艺进行开发，这就对固井水泥石提出了更高的韧性要求，但常规的固井水泥石属于脆性材料，在大型体积压裂下水泥环易发生不同程度的密封破坏，威胁页岩气的安全生产，为此迫切需要提高水泥石的韧性。目前，关于提高固井水泥石韧性的研究大多数集中在通过外部掺入韧性材料的方式，如纤维、晶须、纳米材料、聚合物等，从固井水泥本身的矿物组成出发提高其韧性的研究较少。大多数的研究基本采用单一模式、单一变量对固井水泥石韧性进行改性。为进一步优化固井水泥石的韧性，本研究通过改善固井水泥的矿物组成，制备一种页岩气固井水泥，并外掺韧性材料的协同方式来进一步增强固井水泥石韧性。硅灰石纤维（wollastonitefiber，简称WF）是一种天然存在的具有针状晶体结构的硅酸钙矿物（CaO·SiO2）。有关文献表明，WF兼具矿物外掺料及纤维的特性。因此本研究从页岩气固井对于水泥石韧性的实际需求出发，探究页岩气固井水泥与硅灰石纤维的协同作用对水泥石力学性能和微观结构的影响，对于页岩气的开发具有重要意义。1、试验材料及方法1.1试验材料试验用石灰石、红砂、黏土、铁粉等原料以及G级油井水泥由嘉华特种水泥股份有限公司提供；WF的粒径分布、XRD图谱和SEM分别如图1~图3所示；原料及WF的主要化学成分如表1所示。图1WF粒径分布图2WFXRD图谱表1原材料主要化学成分%图3WFSEM图1.2页岩气固井水泥制备方法将石灰石、红砂、黏土、铁粉等原材料烘干后粉磨至80µm标准筛筛余＜10.0%，均化后按方案分别称重并混匀，压片烘干；将烘干试饼放入高温电炉中恒温煅烧，烧成后将试饼迅速取出，在空气中自然冷却；将煅烧好的熟料取出，并掺入一定量的石膏磨细至一定的细度，即得到页岩气固井水泥，其主要化学组成及矿物组成如表2、表3所示。表2页岩气固井水泥主要化学成分%表3页岩气固井水泥主要矿物组成%1.3测试方法1.3.1水泥浆制备方法本文中水泥浆制备、水泥浆流变性、稠化时间等性能测试试验均按照GB/T10238—2015《油井水泥》和GB/T19139—2012《油井水泥试验方法》进行。通过不同掺量的WF研究其对页岩气固井水泥力学性能的影响，具体试验配方如表4所示。表4试样名称与配方%1.3.2测试手段将新制水泥浆分别倒入抗压强度（50.8mm×50.8mm×50.8mm）和抗折强度（160.0mm×40.0mm×40.0mm）的模具中，在60℃水浴养护2d、7d、28d后取出进行相关力学性能和微观测试。采用NYSQ-2017型压力试验机、DK2—5000型电动抗折试验机分别对到达养护龄期的水泥石进行抗压强度及抗折强度测试，每组试样检测4次取平均值；采用RTR-1000型三轴岩石力学测试仪对水泥石进行三轴力学性能进行评价，试样尺寸为Φ25.0mm×50.0mm的圆柱体，试验测试参数为围压20.70MPa，试验温度为常温，试样的加载速率为（2.00±0.20）kN/min；采用NXNQ0017型旋转黏度计对水泥浆进行流变性测试；采用8340型高温高压稠化仪对水泥浆进行稠化时间的测试，测试条件为52℃、35.6MPa、28min；将破碎后的水泥石研磨成粉干燥24h，采用D8ADVANCE型X射线衍射分析仪以0.02°/s的扫描速率测试5°~80°范围内的水化产物；采用STA449F3Jupiter型同步热分析仪对水化产物进行热重分析；采用Quanta250型环境扫描电子显微镜对水泥石微观形貌进行分析。2、结果与讨论2.1力学性能2.1.1抗压强度图4是G级油井水泥和不同掺量WF的页岩气固井水泥的抗压强度对比。结果表明，G0试样2d、7d和28d抗压强度分别达到了37.1MPa、42.8MPa和48.8MPa，SW0试样2d、7d和28d抗压强度分别达到了39.2MPa、45.6MPa和54.7MPa，同期相较于G0均有所增强；此外，SW10试样2d、7d和28d抗压强度分别达到了35.1MPa、42.5MPa和58.5MPa；SW20试样2d、7d和28d抗压强度分别达到了32.5MPa、36.1MPa和50.8MPa。通过对抗压强度数据的分析发现：随着养护龄期的延长，水泥石抗压强度逐渐增大；随着WF掺量的增加，水泥石抗压强度出现了两种变化趋势：（1）水化进程在2d和7d时，水泥石抗压强度逐渐降低；（2）水化进程在28d时，水泥石抗压强度先增加后降低。出现此类现象的原因主要是由于WF颗粒较粗，反应活性较差，替代部分水泥后降低了胶凝材料的含量，从而导致水泥早期强度发展稍差；随着水化龄期的延长，水泥水化产物所营造的碱性环境促使WF参与水化反应，进而提高水泥石抗压强度，但过量的WF的掺入会导致水泥石中产生大量的孔隙，从而降低密实度和抗压强度；结果表明WF掺量低于10%时，对页岩气固井水泥抗压强度的发展具有促进作用。2.1.2抗折强度图5是G级油井水泥和不同掺量WF的页岩气固井水泥的抗折强度对比。结果表明，G0试样2d、7d和28d抗折强度分别达到了5.7MPa、7.8MPa和8.0MPa，与同期G0试样相比SW0试样2d、7d和28d抗折强度分别增长了28.07%、6.40%和8.75%；而SW10试样2d、7d和28d抗折强度相较于SW0同期分别提高了约15.07%、14.46%和17.24%；SW20试样2d、7d和28d抗折强度相较于SW0同期分别提高了约31.51%、39.76%和48.27%。由抗折强度数据可知，SW0试样抗折强度的发展与抗压强度发展相类似，同期均优于G0试样，表现出更加优异的力学性能；而随WF掺量的增加，水泥石抗折强度逐渐增加。图4水泥石抗压强度图5水泥石抗折强度2.1.3三轴力学测试图6是不同WF掺量的页岩气固井水泥石养护28d应力应变曲线。结果表明，当页岩气固井水泥中WF含量增加时，峰值差应力值和应力-应变曲线下的面积均大于SW0试样。SW5、SW10、SW15和SW20水泥石试样的峰值差应力分别为76.7MPa、80.3MPa、76.2MPa和68.8MPa，相较于SW0试样的差应力分别提升了21.4%、27.1%、20.6%和8.9%。SW0、SW5、SW10、SW15和SW20水泥石试样的弹性模量分别为6.92GPa、6.67GPa、6.35GPa、5.88GPa和5.91GPa，SW15和SW20水泥石试样的弹性模量均低于6.00GPa。应力-应变曲线下的面积与材料的韧性相关。峰值应力和应力-应变曲线下面积的增加表明水泥石试样的强度和韧性得到了提升。此外，加入硅灰石纤维水泥石试样的高峰值应变值表明，WF的加入有助于提高页岩气固井水泥石的韧性。图6应力应变曲线2.2常规性能通过对固井水泥浆流变性、稠化时间进行分析，室内评价了不同WF掺量对页岩气固井水泥浆性能的影响，试验结果如表5和图7所示。根据表5的试验结果可知，WF的加入对水泥浆流变性形成了一定的影响，随着WF掺量的增加水泥浆体系先变稀后变稠；通过Φ300数值变化，可以发现在硅灰石掺量低于10%时，水泥浆体系流变性变好；掺量超过10%时，水泥浆体系流变性逐渐变差；这主要是由于WF相较于页岩气固井水泥颗粒更粗，比表面积更小，在水灰比不变的情况下，替代同等质量的水泥后吸水量更少，流变性变好；但替代量过大时，过多的较大长径比的WF在浆体中形成流动阻力，导致出现增黏效应。根据图7可以发现，WF的掺入延长了页岩气固井水泥浆的稠化时间，随着WF掺量的增加，稠化时间逐渐延长。2.3微观分析2.3.1XRD分析图8~图10分别显示的是不同掺量WF试样养护2d、7d和28d水化产物的XRD图谱。从各个水化龄期的XRD图谱可以发现，SW0试样的水化产物中主要物相为氢氧化钙（CH）和水化硅酸钙（C-S-H），而在掺杂WF的试样中检测到了CaSiO3的特征峰，并且随WF掺量的增加，峰强逐渐增大。在养护2d、7d时，水化产物类型没有改变，而CaSiO3的特征峰强度有所减弱，表明硅灰石纤维参与了水化反应；养护龄期28d时，在WF掺量低于10%时未检测出明显的CaSiO3特征峰，但掺量超过10%时依然可以检测出明显的CaSiO3特征峰，同时CH特征峰的强度减弱，C-S-H特征峰的强度增强，进一步表明WF确实参与了水泥水化反应，并与水泥水化形成的CH反应生成C-S-H，提高了水泥浆体的强度。表5流变性能注：Φ600、Φ300、Φ200、Φ100、Φ6、Φ3分别表示水泥浆在600、300、200、100、6、3r/min下测试的读数，n为流性指数，K为稠度系数。图7稠化时间图8不同掺量WF水泥石2d水化产物XRD分析图9不同掺量WF水泥石7d水化产物XRD分析图10不同掺量WF水泥石28d水化产物XRD分析2.3.2TG/DTG分析图11是不同掺量的WF水泥石水化28d后的TG/DTG曲线。由分析结果可知，在整个温度区间内出现了3处明显的质量损失，由温度从低到高依次为C-S-H脱水、CH分解以及CaCO3分解。其中CaCO3的生成是由于试样在养护、制样、烘干及测试等过程中水化产物与空气中CO2相接触而反应形成。为了评价WF对水泥水化进程的影响，依据Bhatty等人提出的化学结构水含量作为评价水泥浆水化进程，提出了如下式（1）和式（2）的计算公式：Wb=LW+LOH+0.41LC（1）α=Wb/24×100（2）式中：Wb——水泥浆中水化产物的化学结合水含量，%；LW——水泥浆中水化产物结晶水的质量分数，%；LOH——水泥浆中氢氧化钙结构水的质量分数，%；LC——水泥浆中碳酸根分解的质量分数，%；24%——水泥水化反应中最大的需水量，即为化学结合水最大含量；α——水泥浆的水化反应进程，%。根据公式（1）和公式（2），计算得出不同掺量WF的水泥石中化学结合水含量和水化程度，如图12所示。从图中可以看出，SW5和SW10的化学结合水含量分别比SW0高0.15%和1.17%，SW5和SW10的水化程度分别比SW0高0.62%和4.87%。表明硅灰石纤维的掺入量低于10%时有利于促进水泥水化进程，此外SW10试样结合水含量和水化程度均为最大值，与水泥石抗压强度数据相一致。图11不同掺量WF水泥石水化28d后的TG/DTG曲线图12水化28d试样化学结合水含量及水化程度2.3.3SEM分析图13为养护成型后水泥石的微观形貌，图13（a）显示的是SW0试样水化2d后的微观形貌，图13（b）、（c）、（d）显示的是SW10试样水化2d、7d、28d后的微观形貌，图13（e）、（f）显示的是WF在水泥水化产物中的微观形貌。由图13（a）可知，SW0试样水化后出现大量的六方板状CH晶体，结构较为致密；由图13（b）、（c）、（d）中可以观察到，在掺杂WF的试样中也出现了CH晶体；但随着养护龄期的延长，CH晶体开始减少，表明WF在碱性条件下参与了水化反应，形成C-S-H，从而使水泥浆体中的CH和WF的含量均减少，这个现象与XRD分析结果相吻合。由图13（e）、（f）可观察到明显的WF，在水泥浆水化的过程中WF随机分布在水泥石中，WF表面变得粗糙附着有水化产物，不仅增强了与水泥基体之间的粘结力，也进一步说明WF参与了水泥的水化反应。此外，当水泥石受到外力而产生裂纹时，在延展的过程中触碰到纤维状的WF后，裂纹会发生偏转阻碍裂纹发展。另一方面，由于WF参与了水泥水化反应，增强了与水泥基体之间的粘结力，不仅可有效防止WF被拉出水泥石基体，而且还能提高水泥石基体的密实度，从而提高水泥石的力学性能。图13水泥石微观形貌3、结