纤维水泥石抗拉强度模型研究

为了将纤维水泥浆体系更好地应用于固井工程中,有必要对纤维改善水泥石强度机理进行研究并建立强度模型.利用岩石力学三轴实验机对纤维水泥石试块进行弹性模量测试,得到了纤维水泥石单轴应力-应变实验图.根据细观力学理论和能量守恒原理,在建立顺向分布纤维水泥抗拉强度模型的基础上得到了乱向分布纤维水泥的抗拉强度模型.模型分析结果表明,随着纤维掺量的增加,水泥石的抗拉强度有先增大后降低的趋势,这与实验室试验所得规律相同.     

碳纤维改善水泥石韧性试验研究

针对油田中后期开发面临的固井质量问题,即水泥环脆性破裂问题,对水泥石韧性测定方法进行了讨论,采用水泥试件抗折强度和弹性模量试验以及薄片分析对碳纤维改善水泥石的韧性进行了考察,并分析了碳纤维改善水泥石韧性的机理。结果表明,纤维的加入可以使水泥石的抗折强度提高30%以上;随纤维掺量的增加,水泥石的弹性模量减小,泊松比增加;纤维在水泥石中的分布有效地阻止了裂纹的发展,增强了水泥石的韧性抗断裂能力。对于水泥石的抗折强度存在着最佳纤维长度和纤维掺量,本试验条件下,纤维的最佳长度为700～1400μm,最佳掺量为0.12%～0.19%。     

碳纤维改善水泥石韧性试验研究

针对油田中后期开发面临的固井质量问题，即水泥环脆性破裂问题，对水泥石韧性测定方法进行了讨论，采用水泥试件抗折强度和弹性模量试验以及薄片分析对碳纤维改善水泥石的韧性进行了考察，并分析了碳纤维改善水泥石韧性的机理。结果表明，纤维的加入可以使水泥石的抗折强度提高30％以上；随纤维掺量的增加，水泥石的弹性模量减小，泊松比增加；纤维在水泥石中的分布有效地阻止了裂纹的发展，增强了水泥石的韧性抗断裂能力。对于水泥石的抗折强度存在着最佳纤维长度和纤维掺量，本试验条件下，纤维的最佳长度为700～l400μm，最佳掺量为0．12％～0．19％。     

基于组合体力学模型的固井水泥石封隔能力分析

为探究水力压裂过程中水泥石封隔失效的内在机理，建立了一套基于套管-水泥石-地层组合体弹塑性力学模型的水泥石封隔能力失效分析方法，并通过数值模拟和实验分别验证了力学模型和分析方法的可靠性.然后借助等效应力与屈服强度、应变与材料极限伸长率的对比，绘制了水泥石封隔能力图版.研究表明:水泥石弹性模量对水泥石封隔能力影响存在最优区间，在本文研究条件下，水泥石弹性模量在6~9.7GPa之间有利于保持水泥石封隔能力.研究结果可为不同地区页岩气水平井固井水泥参数选择提供参考.     

水平井大规模压裂固井水泥石性能设计方法

水平井大规模压裂对固井水泥石性能提出了更高的要求，不仅要求水泥石有一定的抗压强度，还需要具备一定变形能力。目前普遍采用的标准已不能满足水平井大规模压裂对水泥环密封性的要求。基于压裂工况条件下水泥环受力分析模型，综合考虑水泥环拉伸破坏和界面剥离破坏两种失效形式，提出了一种能满足大规模压裂密封要求的固井水泥石性能设计方法，建立了包含弹性模量、泊松比以及抗拉强度（或屈服强度）的固井水泥石性能指标控制图版，量化了水泥石的杨氏模量、泊松比、抗拉强度（或屈服强度）之间的关系。根据该指标控制图版进行水泥石性能设计，可以有效减少水泥环破坏的风险。建立了玛湖油田大规模压裂水平井固井指标控制图版，并根据该控制图版优选了弹韧性水泥浆体系，该体系现场应用10余口井，顺利完成了井口压力增量90 MPa的储层压裂改造，效果良好，达到了预期产量。     

聚丙烯纤维与TG固化剂对水泥石灰土强度及稳定性的影响

为提高水泥石灰综合稳定土的基层性能,选用聚丙烯纤维、TG土壤固化剂改良水泥石灰土。根据水泥和石灰含量、聚丙烯纤维掺量、TG固化剂剂量对水泥石灰土无侧限抗压强度的影响规律,从而确定水泥和石灰含量均为4%,聚丙烯纤维和TG固化剂掺量分别取0.2%、0.02%。在此基础上,研究了纤维与固化剂对水泥石灰土劈裂强度、收缩性、水稳定性及冻稳定性的影响。试验结果表明:经聚丙烯纤维与TG固化剂复合固化的水泥石灰土强度及稳定性提高效果最显著,优于高石灰掺量的水泥石灰土。     

油田固井用S90纤维复配材料增韧性能及作用机理

油井水泥石固有的脆性使井下水泥环受射孔弹高能聚流的作用,形成宏观裂纹.S90纤维复配材料降低水泥石的弹性模量,显著提高水泥石的韧性.将S90纤维复配材料分数在水泥浆中,测试水泥石试样的抗拉强度、抗拉断裂能、静态和动态弹性模量以及动态泊松比.结果表明:与净浆相比,S90体系水泥石抗拉强度和抗拉断裂能分别提高了30.1%和 46.6%,静态、动态弹性模量分别降低了11.6%、8.17%,动态泊松比增加了2.53%.S90体系中高弹模微纤维起阻裂作用,低弹模长纤维起增韧作用.     

井下高压充填纤维复合防砂体的力学分析

从纤维增强树脂涂敷砂强度的机理入手，首先对单根纤维的压应力进行力学分析，构建了单纤维微元体的压应力力学模型，然后对影响短纤维受力的因素进行分析，采用半经验法确定单向平行短纤维增强复合砂体的工程常数，对理论预测公式进行修正，并引入纤维分布方位因子，建立了考虑流体剪切冲刷的随机取向短纤维增强砂体强度的预测模型。利用该模型得到了纤维复合体极限强度与临界产量的关系，从而为优化纤维加入量以及合理控制开井后的生产制度提供了理论指导。     

聚乙烯醇纤维和维尼纶纤维增强水泥石的研究

以聚乙烯醇纤维和维尼纶纤维为增强纤维，研究了水化时间、养护方式和纤维对水泥石力学性能的影响。发现：随着水化时间的延长，水泥石力学性能提高；养护方式影响素水泥石的力学性能，但较小影响纤维增强水泥石的力学性能；少量纤维加入到水泥基体中，能有效提高水泥石的力学性能；较高强度模量的聚乙烯醇纤维的增强增韧效果优于较低强度模量的维尼纶纤维。     

基于Weibull分布的冻融循环下纤维混凝土损伤模型

对聚丙烯纤维混凝土（PFRC）、钢纤维混凝土（SFRC）、普通混凝土（PC）进行冻融循环试验,经过冻融循环后,得到PFRC、SFRC、PC的相对动弹性模量、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度,分析冻融循环过程中PFRC、SFRC、PC的冻融损伤率、强度衰减率的演化规律和冻融损伤机理,提出基于Weibull分布的纤维混凝土冻融损伤演化模型,并与推导出的力学性能衰减模型联立得到PFRC、SFRC、PC的相对抗压强度、相对抗拉强度与冻融损伤度的演化模型。结果表明:纤维的掺入能有效减小混凝土的强度衰减和冻融损伤,基于Weibull分布建立的两种冻融损伤模型,可以分别通过冻融循环次数、相对强度预测PFRC、SFRC、PC的冻融损伤度。     

纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结性能钻芯拉拔试验研究

为研究纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结性能,采用钻芯拉拔法试验制作模拟中型柱混凝土构件,并分别外包不同强度的聚乙烯醇纤维水泥砂浆、聚丙烯纤维水泥砂浆、钢纤维水泥砂浆。对制作的试验构件进行钻芯拉拔试验,得出界面破坏时的拉拔力,将得到的不同类型的纤维水泥砂浆构件拉拔力数据与构件混凝土轴心抗拉强度、纤维水泥砂浆抗压强度进行比较分析。结果表明,在该试验中合成纤维水泥砂浆的界面黏结强度比钢纤维水泥砂浆的界面黏结强度高;界面黏结强度与构件混凝土轴心抗拉强度呈正相关关系,与纤维水泥砂浆抗压强度呈正相关关系,界面黏结力与砂浆抗压强度呈线性相关关系。     

碳纤维水泥配伍性试验研究

水平井、小眼井钻井技术的应用以及薄油层的开发易使水泥石射孔开裂,从而造成上下油水层串通,因此对水泥石韧性有了更高的要求。为了满足固井施工过程中对水泥浆性能以及对水泥石性能的要求,根据国家固井水泥性能测定操作标准,对碳纤维水泥进行了针对性的配伍性试验研究,包括水泥浆流变性、稠化时间、失水量以及水泥石抗压强度、抗折强度等方面的配伍性试验。研究结果表明,碳纤维与水泥以及水泥添加剂具有良好的配伍性;一定尺寸的短碳纤维可以有效地提高水泥浆的流变性和水泥石的抗折、抗压强度。     

低掺量PA6短纤维水泥基材料的力学性能及耐久性

采用PA6短纤维在较低掺量情况下对水泥基材料力学性能及耐久性进行了研究 ,并与Nycon纤维进行对比。结果表明PA6短纤维可明显提高水泥基材料的抗冲击性能和抗冻融性能 ,对水泥基材料其他性能没有影响 ,PA6短纤维在水泥基材料中可免受大气老化影响 ,其综合性能达到国外同类产品水平     

聚丙烯纤维对高寒地区水稳基层冷再生混合料性能的影响

为了改善高寒地区水泥稳定冷再生混合料的抗冻和抗干缩性能,提高水泥稳定冷再生技术在市政道路中的应用效果。研究了聚丙烯纤维对水泥稳定冷再生混合料的低温抗冻性、抗干缩开裂能力、抗拉和抗压强度性能的影响。聚丙烯纤维在水泥稳定碎石中起到加筋作用,增强了水泥稳定冷再生混合料的强度、韧性和抗裂性。综合分析得出在标准养护条件下,振动成型法成型的水泥稳定再生混合料的聚丙烯纤维最佳掺量为0.9 kg/m³,最佳纤维长度为12 mm。结合包头等高寒地区全年的气候情况,设计了具有代表性的不同养护条件,研究高寒地区环境对聚丙烯纤维水泥稳定冷再生混合料性能的影响。聚丙烯纤维水泥稳定冷再生混合料在恶劣养护条件下仍能保持较高的力学性能,在确保混合料抗压强度、抗拉强度、抗冻性满足规范要求的情况下,聚丙烯纤维的加入可以减少0.5%的水泥用量。聚丙烯纤维水泥稳定冷再生混合料有效地解决了高寒地区低温、低湿度和昼夜温差大导致水泥稳定冷再生基层易发生的强度不足和开裂等病害,延长了冬季可施工时间。     

集聚纺的纱线强力理论

为了从理论上分析集聚纺纱线较环锭纺纱线强力提高的原因,基于两种纱线的结构差异,如纤维的转移、纤维的堆积密度、纱线的直径等,建立了一个纱线结构计算模型.从理论上分析了纤维伸长率分布、纤维堆积密度及纱线直径对纱线强力的影响,合理解释了集聚纺纱线强力上升的原因.     

钢渣粉对玄武岩纤维混凝土7d和28d压拉性能影响的试验分析

为提高玄武岩纤维混凝土的压拉性能,将钢渣粉掺入玄武岩纤维混凝土中,进行了不同掺量下钢渣粉对玄武岩纤维混凝土7 d和28 d压拉强度影响试验,并对试验结果进行了分析。试验结果表明:相比于基准混凝土,玄武岩纤维钢渣粉混凝土在钢渣粉掺量分别为12%、15%、18%时,其28 d抗压强度分别提高2.1%、2,6%、-1%;28 d劈裂抗拉强度分别提高4.1%、9.2%、-1%。钢渣粉掺量15%时为合适掺量,28 d抗压、劈裂抗拉强度均达到最大。钢渣粉的掺入使混凝土7 d压拉强度低于基准混凝土且随着钢渣粉掺量增加而降低,不能用7 d压拉强度推测28 d压拉强度。     

四元体高强低密度纤维水泥体系的研制

为了解决目前油井水泥拌合料配比设计困难的难题,进一步拓展漂珠微硅类低密度水泥体系的应用范围,基于颗粒级配增强、纤维增韧的技术思路,研制了颗粒级配增强材料KZ和早强剂ZR,并优选了长度为600μm和1050μm的化学改性纤维作为增韧材料,最终在1．15～1．45g／cm^3范围内优化设计出4种不同密度的新型四元体低密度水泥体系,并对该体系的水泥石力学性能和浆体性能进行了系统评价．实验结果表明：四元体系强度明显高于目前现场使用的同一级别的低密度水泥,改性纤维的架桥阻裂作用可显著提高水泥石韧性,水泥浆失水量和游离液含量较低,防窜能力强,稠化和流变性能满足要求,体系稳定性好,验证了四元体系粒径分布的合理性．研究结果为多元体油井水泥体系设计提供了一条新途径．     

碳纤维增强水泥复合材料的制备及性能

利用水热热压技术制备了碳纤维增强水泥复合材料，测定了材料的弯曲、压缩、劈裂拉伸、断裂韧性等力学性能，讨论了材料制备的工艺条件、显微结构等对材料力学性能的影响．实验表明，水热热压和纤维增强是改善混凝土一类脆性材料强韧性的有效手段     

油井水泥纤维增韧材料的研究与应用

为了解决国内油田薄油层井、小间隙井和侧钻井固井后射孔及后续增产措施造成的水泥环脆裂(即二次窜流)问题,研制开发了油井水泥纤维增韧材料(增韧剂F17F).对增韧水泥石的各种力学性能(抗折强度、抗冲击功、弹性模量和应力/应变关系等)及纤维增韧水泥浆体系的工程性能进行了测试.结果表明,增韧水泥石的弹性模量降低了16.9%~48.0%,抗冲击功提高了27.0%~68.0%,抗折强度提高了15.9%~33.0%;增韧水泥的流动性得到改善,其失水量和析水率显著降低.此外,还进行了聚能射孔试验、地面打灰试验、1口井的现场打水泥塞试验和2 口井的现场固井试验.室内实验和现场试验结果表明:增韧水泥的强度、抗冲击能力及其综合工程性能均能满足固井施工的要求.