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Cement Concrete Res. ：利用球形铁铝酸四钙阐明油井水泥中铁铝酸四钙的力学性能增强机理

题目

Elucidating the mechanical property-enhancement mechanism of ferrite in oil-well cement using spherical ferrite

利用球形铁铝酸四钙阐明油井水泥中铁铝酸四钙的力学性能增强机理

关键词

高铁油井水泥；球形铁铝酸四钙（C₄AF）；水化机理；断裂能消耗

来源

出版年份：2022年

来源：Cement and Concrete Research

课题组：西南石油大学新能源与材料学院程小伟课题组

研究背景

油井水泥作为一种无机胶凝材料，广泛应用于油气田固井工艺中。但是，由于油井水泥的非均质多孔脆性，在极端条件下，其力学性能尤其是韧性无法满足应用要求。硅酸三钙（C₃S）、硅酸二钙（C₂S）、铝酸三钙（C₃A）、铁铝酸四钙（C₄AF）等单相矿物及其水化物的微观结构可影响水泥浆体力学性能。C₄AF的致密结构使其具有优异的力学性能，从而使得高铁（即C₄AF含量高）硅酸盐水泥（HFPC）得到了广泛应用。HFPC作为一种力学性能优异的油井水泥，显著改善了不同载荷下的力学性能，在水平井固井领域应用广泛。因此，阐明C₄AF水化作用机理对增强HFPC力学性能是至关重要的。已有文献报道，C₄AF与C₃A的水化过程相似，但C₄AF水化速率相对较慢；当C₄AF与水接触时，在未水化晶粒表面迅速形成亚稳相产物C-(A, F)-H（即OH-AFm），并最终转变为水石榴石（C₃(A, F)H₆）；然而，在这些水化产物（C-(A, F)-H和C₃(A, F)H₆）结构中，尚不清楚Fe³⁺是否能取代Al³⁺。除此之外，水化产物中存在大量富铁凝胶或氢氧化铁，结晶后的水化产物具有较高的Al/Fe比。

研究出发点

目前，已有文献深入研究了C₄AF水化机理，但在多相混合水泥基体中难以识别C₄AF及其水化产物，因而缺乏C₄AF改善HFPC力学性能机理的研究。

研究内容

本文采用喷射造粒法制备球形C₄AF（SF）颗粒，基于颗粒形态SF在水泥浆体中分布较易辨别，研究了C₄AF改善HFPC力学性能的机理。具体为：通过研究SF水化机理，确定了水泥中C₄AF水化产物组成和微观形貌；通过外掺SF研究其对水泥浆体力学性能的影响，证实了C₄AF可改善HFPC力学性能；通过环境扫描电镜（ESEM）和对水化产物物相分析，观察了水泥浆体中SF微观形貌，阐明了外掺C₄AF后HFPC力学性能的增强机理。

表1水泥浆体配合比

图1 C₄AF和SF的XRD谱图

图2 C₄AF（左）和SF（右）的ESEM图像

图3 SF水化产物的XRD谱图

图4 不同水化时间SF水化产物的ESEM图像：（a）0.5、（b）1、（c）3、（d）6和（e）24 h

图5 SF样品的力学性能：（a）抗压强度和（b）抗拉强度

图6 不同水灰比（w/c）下SF-4样品的抗压强度

图7 含不同掺合料水泥硬化浆体的抗压强度

图8 静载荷作用和多循环荷载作用下SF-0（不含SF）和SF-4（含2.68%SF）样品的三轴应力-应变曲线

图9 SF-0和SF-4样品的水化热

图10 30℃养护28 d水泥浆体的TG和DTG曲线：（a）SF-0和（b）SF-4

图11 SF-0和SF-4样品的孔径分布

图12 断裂能消耗机理

主要结论

本文研究了球形铁铝酸四钙（C₄AF）颗粒的水化过程和改善油井水泥力学性能的机理，并探讨了C₄AF对油井水泥力学性能可能产生的影响。主要结论如下：

（1）使用喷射造粒法制备了SF颗粒；SF颗粒与C₄AF的XRD标准衍射图谱一致，表明SF晶体结构未改变。

（2）SF颗粒与水接触后迅速溶解并放出热量；在反应初期，水化产物AFm相含量逐渐增加，并完全覆盖SF颗粒；随后，这些层状OH-AFm晶体转变为立方水石榴石（C₃(A, F)H₆）晶体。

（3）掺入SF可改善油井水泥力学性能：相较于SF-0样品（不含SF），SF-4样品（含2.68%SF）力学性能更优，其抗压强度和抗拉强度分别提高了11.7%和17.5%；SF-4样品弹性模量和多次荷载作用下变形能力降低，表明水泥浆体韧性得到了显著提高。

（4）SF参与水泥水化反应，优化孔隙结构并消耗断裂能，从而改善了油井水泥的力学性能。