深孔納米復(fù)合水泥基護(hù)壁堵漏材料研究

王 勝，吳麗鈺，蔣 貴，張統(tǒng)得，陳禮儀

（1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；2.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430010；3.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734）

0 引言

近年來，隨著“三深一土”科技創(chuàng)新戰(zhàn)略發(fā)展，深地資源勘探開采逐漸成為戰(zhàn)略工作重點(diǎn)［1］，深部鉆探相關(guān)材料改進(jìn)及工藝優(yōu)化等關(guān)鍵性技術(shù)也隨著鉆孔深度的增加有著更高要求。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，孔底溫度會隨鉆進(jìn)孔深的增加而有著一定幅度的升高，按地溫梯度平均值（3°/100 m）計(jì)算，當(dāng)鉆至1500～3000 m孔深時(shí)，相應(yīng)地溫約為60～120℃［2］，極易導(dǎo)致鉆進(jìn)過程中常規(guī)水泥基護(hù)壁堵漏材料水化脫水，顆粒團(tuán)聚，漿液稠度迅速增大，泵送困難甚至失去可泵性；骨料因熱膨脹各向異性，晶體間產(chǎn)生失配應(yīng)變，與水泥漿體接觸界面處出現(xiàn)熱開裂，細(xì)小孔隙和裂縫進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)致護(hù)壁堵漏材料強(qiáng)度迅速衰退［3-6］，極大制約材料護(hù)壁堵漏效果。此外，深部地層經(jīng)高溫蝕變結(jié)構(gòu)復(fù)雜破碎，地層壓力大，孔壁極易失穩(wěn)坍塌。針對以上問題，研發(fā)一種適合深孔鉆探護(hù)壁堵漏的新材料具有重要的工程意義。利用復(fù)合材料的超疊加效應(yīng)，通過在水泥基材料中加入適合的纖維和納米材料能夠有效改善其性能?，F(xiàn)有結(jié)果表明，具備優(yōu)異彈性模量及延展性能的纖維摻入水泥基材料后可顯著提高基體的力學(xué)性能，王仕富等［7］研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維與PVA纖維混摻后水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度大于19.3 MPa，能夠增加一定的極限變形。此外，纖維與水泥骨料的強(qiáng)粘結(jié)力有助于形成無序支撐結(jié)構(gòu)，在一定程度上能有效減少水泥試件裂縫產(chǎn)生，延長材料使用壽命［8-13］。而納米材料因其粒子量級極小，活性高，摻入水泥基材料中，可有效促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，密實(shí)孔隙，改善硬化水泥微觀結(jié)構(gòu)，大幅提高材料的強(qiáng)度［14-16］。黃春龍等［17］利用納米微晶纖維素有效改善了水泥基材料的抗折強(qiáng)度以及耐久性，但材料抗壓強(qiáng)度提升幅度較小，僅為2.89%；陳勝宇等［18］通過在水泥基材料中摻入碳納米管和碳纖維使得復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度提升達(dá)到25.53%。但關(guān)于深孔溫度影響下水泥基護(hù)壁堵漏材料的相應(yīng)性能改性研究較少，因此，針對深孔鉆探過程中材料可泵性差，力學(xué)性能低等不足，通過復(fù)摻纖維與納米材料，借助外加劑的調(diào)節(jié)，優(yōu)選其最佳摻量配方，研制一種耐溫深孔納米復(fù)合水泥基護(hù)壁堵漏新材料，以期為深部資源開采技術(shù)改進(jìn)提供一定依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括普通硅酸鹽水泥（P.O32.5R）、G級油井水泥、粉煤灰、特種纖維、納米材料以及由成都理工大學(xué)鉆井工程實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的高效減水劑（GB）、早強(qiáng)劑（ZQ）。試驗(yàn)中所需溫度環(huán)境采用202型電熱恒溫干燥箱以及DHG-9040型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱維持。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定配置好水泥漿液后，每隔相應(yīng)時(shí)間段測試漿液流動(dòng)度；另外漿液從加水?dāng)嚢柚亮鲃?dòng)度為14 cm的時(shí)間記為可泵期。材料的力學(xué)性能測試包括殘余抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度。殘余抗壓強(qiáng)度的測定利用YAS-300型微機(jī)液壓壓力試驗(yàn)機(jī)，試件采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。試樣配制后放入溫度為20℃±1℃、濕度＞90%的養(yǎng)護(hù)箱中固化養(yǎng)護(hù)一定齡期，再置入指定溫度的干燥箱2 h后進(jìn)行強(qiáng)度測試。每組試驗(yàn)制備3個(gè)試樣，試驗(yàn)結(jié)果誤差控制在5%以內(nèi)取平均值。劈裂抗拉強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)測試條件與抗壓強(qiáng)度相同，使用的試驗(yàn)儀器分別為YAS-600型微機(jī)液壓壓力試驗(yàn)機(jī)、KZJ-5000B型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)。

2 結(jié)果與討論

2.1 護(hù)壁堵漏材料的性能指標(biāo)

研究發(fā)現(xiàn)，鉆探孔深＜3000 m時(shí)孔底溫度大多不超過100℃，在此環(huán)境溫度下，護(hù)壁堵漏材料漿液易發(fā)生稠化，導(dǎo)致其流動(dòng)度迅速降低，失去可泵性，漿液無法順利壓入地層裂隙，嚴(yán)重影響護(hù)壁堵漏質(zhì)量。此外，漿液內(nèi)各物相受熱體積發(fā)生變化，導(dǎo)致摩擦加劇，產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，循環(huán)阻力增加，大量孔洞及裂縫的形成也造成水泥基材料力學(xué)性能降低，且其在深部破碎地層漏失嚴(yán)重，難以保證護(hù)壁堵漏材料的正常應(yīng)用。

因此，結(jié)合深孔鉆探工程特點(diǎn)及其實(shí)際需要，水泥基護(hù)壁堵漏材料要求初始流動(dòng)度良好，應(yīng)位于25～28 cm之間，可泵期維持在60～120 min范圍內(nèi)；并且具有足夠高的強(qiáng)度及韌性，即要求在72 h的殘余抗壓強(qiáng)度≮10.0 MPa，抗折強(qiáng)度≮3.0 MPa，殘余劈裂抗拉強(qiáng)度≮0.5 MPa，以較好地減輕溫度帶來的影響；另外，外加劑的性能也應(yīng)在100℃環(huán)境下具備一定的穩(wěn)定性，以免在溫度作用下性能突變影響護(hù)壁堵漏效果。

2.2 材料的優(yōu)選

2.2.1 水泥類型的選擇

針對于深孔鉆探護(hù)壁堵漏材料性能要求，首先對100℃環(huán)境下普通硅酸鹽水泥和G級油井水泥進(jìn)行了對照組實(shí)驗(yàn)。其基本性能如表1所示。

由表1可知，在100℃環(huán)境溫度下，隨著水灰比增大，普通硅酸鹽水泥、G級油井水泥的初始流動(dòng)度以及可泵期均有著明顯提高，殘余抗壓強(qiáng)度明顯降低。但G級油井水泥的基本性能顯然優(yōu)于普通硅酸鹽水泥，其初始流動(dòng)度大，可泵期長達(dá)85 min，72 h殘余抗壓強(qiáng)度下降趨勢緩慢，損失率僅為15.96%，與硅酸鹽水泥相比有一定優(yōu)勢。故在后期試驗(yàn)研究中采用G級油井水泥作為基本膠凝材料，同時(shí)為減小漿液相對地層壓力，適當(dāng)加入粉煤灰作為外摻料以降低水泥基漿液密度，調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間，經(jīng)過試驗(yàn)研究確定其適宜加量為20%。

表1 P.O32.5R水泥與G級油井水泥凈漿基本性能Table 1 Basic properties of P.O32.5R cement and grade G oil well cement paste

2.2.2 特種纖維的選擇

基于前文研究以水固比0.6，固相比為8∶2的水泥-粉煤灰復(fù)合漿液作為復(fù)合水泥基礎(chǔ)液，通過摻入長度分別為6、9、20 mm且直徑相同的特種纖維，研究其在100℃條件下?lián)搅繉?fù)合水泥基材料力學(xué)性能的影響，纖維性能參數(shù)見表2，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 特種纖維的性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of basalt fiber

表3 特種纖維對水泥復(fù)合基礎(chǔ)液性能影響Table 3 Effect of basalt fiber on properties of cement composite base fluid

由表3可知，纖維摻入后水泥石強(qiáng)度相對于基礎(chǔ)配方均有提高。這主要是因?yàn)樘胤N纖維在漿液中分散不規(guī)律，能夠有效起到橋接和聯(lián)結(jié)作用，減少水泥試件裂縫產(chǎn)生和發(fā)展，改善水泥基材料力學(xué)性能。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，纖維摻量相同時(shí)，長度為20 mm的纖維的摻入反而使得漿液初始流動(dòng)度明顯降低，但對材料強(qiáng)度的提升卻較為顯著；摻量為0.7%時(shí)其抗折強(qiáng)度提高3.26%，劈裂抗壓強(qiáng)度提高了3%。這主要是由于纖維長度過長時(shí)在水泥漿液中極易發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致漿液中部分自由水被包裹，漿液流動(dòng)性減弱。而纖維長度一定，隨著纖維摻量增加，固結(jié)體的抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減弱的趨勢，最佳體積摻量為0.7%。究其原因，纖維摻入后因其無序分布的特點(diǎn)，能在漿液內(nèi)部構(gòu)建三維亂向支撐體系，使得水泥水化產(chǎn)物間粘結(jié)力增強(qiáng)，漿體密實(shí)度提高，減少裂縫的產(chǎn)生并阻礙其在材料內(nèi)部的發(fā)展；與此同時(shí)，纖維自身較大的彈性模量和抗拉強(qiáng)度有利于減弱水泥石所承受的拉應(yīng)力荷載，相應(yīng)材料的抗折強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度均有很大提升。但當(dāng)纖維摻量超過最佳配比時(shí)，單位體積內(nèi)纖維占比較大，分布不均，固結(jié)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)紊亂，孔隙增多，進(jìn)而導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低。

適量特種纖維的加入能夠有效提升復(fù)合水泥基材料的變形性能，令其受壓時(shí)不會直接發(fā)生脆性破壞導(dǎo)致材料失效，有一定延性破壞特征。綜合不同長度纖維的性能表現(xiàn)，纖維選用9 mm長度、0.7%摻量最為合適。

2.2.3 納米材料的選擇

經(jīng)過前文試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，100℃條件下復(fù)合水泥漿液在摻入纖維后其固結(jié)體的殘余抗壓強(qiáng)度會受到一定影響，因此通過加入納米材料以對復(fù)合水泥基材料進(jìn)行改性。

納米材料粒徑小，比表面積大，具有高火山灰活性，能夠填充水泥顆粒間細(xì)小孔隙并催化水化反應(yīng)，生成強(qiáng)度較高的水化硅酸鈣凝膠，提高基體密實(shí)度與力學(xué)性能。當(dāng)基體受荷載時(shí)，能夠與纖維在固結(jié)體內(nèi)部形成的支撐體系協(xié)同作用，更好地改善水泥石力學(xué)性能［10-12］。以G級油井水泥+20%粉煤灰+0.7%特種纖維（W/C=0.6）為復(fù)合漿液，試驗(yàn)對比了3種納米材料（納米SiO2、納米MgO及納米Al2O3）在100℃條件下對護(hù)壁堵漏材料抗壓強(qiáng)度的影響，其影響規(guī)律如圖1所示。

由圖1可知，隨著納米材料摻量的增加，漿體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小再增加最后降低的趨勢，當(dāng)納米材料摻量＜0.1%時(shí)，水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度隨摻量增加而減弱，尤其納米Al2O3增加材料下降趨勢最快；納米材料加量在0.1%～0.4%間，殘余抗壓強(qiáng)度整體均有大幅上升；當(dāng)納米材料摻量超過0.4%時(shí)，強(qiáng)度值逐漸降低。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，納米MgO和納米Al2O3摻入后抗壓強(qiáng)度與基礎(chǔ)材料固結(jié)體相比未有提升，而納米SiO2對抗壓強(qiáng)度影響較大，當(dāng)摻量為0.4%時(shí)，固結(jié)體殘余抗壓強(qiáng)度提升了12.6%，達(dá)到9.8 MPa的峰值，繼續(xù)增大納米SiO2摻量，殘余抗壓強(qiáng)度開始持續(xù)下降。故優(yōu)選納米SiO2加入復(fù)合水泥漿液以優(yōu)化其在100℃環(huán)境下的性能。

圖1 不同納米材料作用下漿體殘余抗壓強(qiáng)度變化Fig.1 Changes of compressive strength of pastes with different nano materials

2.2.4 優(yōu)化配方及性能表征

在復(fù)合水泥漿液性能測試中，由于漿體早期強(qiáng)度特性表現(xiàn)不明顯，穩(wěn)定性不高，故通過對早強(qiáng)劑ZQ（加量3%～5%），減水劑GB（加量0.3%～0.5%）來進(jìn)一步提高復(fù)合水泥基護(hù)壁堵漏材料的性能。同時(shí)為了滿足深孔鉆探對水泥基材料的綜合性能要求，在上文所述研究基礎(chǔ)上，特設(shè)計(jì)了四因素三水平的正交試驗(yàn)（見表4）。

表4 正交試驗(yàn)因素水平Table 4 Orthogonal test factor level

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)配方對試樣進(jìn)行流動(dòng)性及力學(xué)性能等試驗(yàn)，采用極差分析法分析試驗(yàn)結(jié)果（見表5），觀察不同因素水平對材料性能的影響程度，綜合分析得出最優(yōu)配方比。單因素不同水平試驗(yàn)平均值為K，R表示試驗(yàn)結(jié)果的極差值，R值愈大，則該因素對材料性能影響程度愈高，復(fù)合材料性能影響趨勢如圖2所示。

表5 正交試驗(yàn)及極差計(jì)算結(jié)果Table 5 Results of orthogonal test and range calculation

根據(jù)圖2（a）、（b）分析可知，漿液流動(dòng)性能主要受因素B、D影響，即納米材料與早強(qiáng)劑摻量，其初始流動(dòng)度與可泵期試驗(yàn)的極差值R分別為4.7和5.7，這主要是由于兩者均對水泥水化有著促進(jìn)作用，摻入材料后使得漿液中自由水發(fā)生變化的同時(shí)，影響其流動(dòng)性能，為確保漿液具備良好的流動(dòng)性，因素D選擇L2水平。通過觀察圖2（c）、（d）、（e）可知，納米材料的加入對固結(jié)體強(qiáng)度有著顯著影響，在L2水平下，材料的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值，滿足材料性能要求，這與前文中摻入納米材料改性的目的也相符合，故因素B選擇L2水平較為合適。而為保證復(fù)合水泥基材料變形性能的提升，因素A所代表的特種纖維選擇L1水平。結(jié)合材料流動(dòng)性、強(qiáng)度及韌性試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮因素C選擇L2水平為最佳。

圖2 各因素水平對材料性能的影響趨勢(100℃)Fig.2 Influence trend of various factors on material properties(100℃)

綜上分析可得出適用于深孔的納米復(fù)合水泥基護(hù)壁堵漏材料的優(yōu)化配方：G級油井水泥+20%粉煤灰+0.5%特種纖維+0.4%納米SiO2+0.5%GB+4%ZQ（W/C=0.6）。

2.2.4.1 流動(dòng)度與可泵期

將優(yōu)化配方置于100℃溫度下測試其流動(dòng)度隨時(shí)間變化趨勢如圖3所示，并測得其可泵期為120 min，與前文中G級油井水泥相比有著很大提升（見表1）。結(jié)合圖2可知，研制的材料在100℃環(huán)境下初始流動(dòng)度可達(dá)28 cm，前期衰退較為平緩，具有良好的穩(wěn)定性，能夠滿足護(hù)壁堵漏過程中對水泥漿液的泵送要求。

圖3 流動(dòng)度變化趨勢Fig.3 Variation trend of liquidity

2.2.4.2 殘余抗壓強(qiáng)度

對100℃溫度條件下不同養(yǎng)護(hù)齡期（12、24、48、72 h）的固結(jié)體試樣測定殘余抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，優(yōu)化配方的殘余抗壓強(qiáng)度隨著齡期增長逐漸增大，在齡期到達(dá)36 h左右已滿足護(hù)壁堵漏水泥材料要求，且72 h殘余抗壓強(qiáng)度達(dá)到11.3 MPa，同條件下G級油井水泥72 h殘余抗壓強(qiáng)度僅為7.9 MPa（見表1），即該優(yōu)化配方相比常規(guī)護(hù)壁堵漏材料而言具備有抵抗深部地層壓力的優(yōu)越性能。

圖4 殘余抗壓強(qiáng)度變化趨勢Fig.4 Variation trend of residual compressive strength

2.2.4.3 抗折強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度

對100℃溫度條件下不同養(yǎng)護(hù)齡期（12、24、48、72 h）的固結(jié)體試樣同樣進(jìn)行抗折、劈裂抗拉強(qiáng)度以測試分析優(yōu)化配方的變形性能，結(jié)果如圖5所示。

由圖5分析可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長，材料劈裂抗拉強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度都逐漸增大，養(yǎng)護(hù)齡期為24 h時(shí)，水泥固結(jié)體劈裂抗拉強(qiáng)度已達(dá)到0.5 MPa；48 h材料抗折強(qiáng)度達(dá)到3.5 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度為0.8 MPa，均已滿足護(hù)壁堵漏材料性能要求。雖然后續(xù)水泥石強(qiáng)度增長趨勢放緩，但72 h其抗拉強(qiáng)度達(dá)到3.8 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度為0.9 MPa，說明材料具有良好的變形性能。由此也可證明在100℃環(huán)境下，前期納米材料與早強(qiáng)劑促進(jìn)水泥充分水化所生成的水化產(chǎn)物，與纖維體系協(xié)同作用情況下能夠有效提升材料的機(jī)械性能。分析可知，納米復(fù)合水泥基護(hù)壁堵漏材料滿足深孔鉆探中材料強(qiáng)度的要求。

圖5 抗折強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度變化趨勢Fig.5 Change trend of flexural strength and splitting tensile strength

3 結(jié)論

（1）研究發(fā)現(xiàn)在深孔鉆探過程中，常規(guī)護(hù)壁堵漏水泥漿液受地層溫度影響流動(dòng)性差，強(qiáng)度低，易出現(xiàn)漏失及開裂破壞失效，無法有效保證護(hù)壁堵漏效果與鉆進(jìn)安全，故提出在材料中復(fù)摻特種纖維、納米材料，以研制適用于深孔的納米復(fù)合水泥基護(hù)壁堵漏新材料。

（2）結(jié)合深孔鉆探水泥基護(hù)壁堵漏材料的性能要求，對水泥類型、特種纖維、納米材料以及外加劑進(jìn)行優(yōu)選，最終試驗(yàn)確定深孔護(hù)壁堵漏材料優(yōu)化配方：G級油井水泥+20%粉煤灰+0.5%特種纖維+0.4%納米SiO2+0.5%GB+4%ZQ（W/C=0.6）。

（3）通過對優(yōu)化配方進(jìn)行性能測試與評價(jià)，其結(jié)果表明，該配方流動(dòng)性好，抗壓強(qiáng)度較大，具備良好的韌性和變形能力，綜合性能滿足深孔護(hù)壁堵漏對于水泥基材料的性能要求。