纖維在石油工程中的應用及其效果
國內石油工程技術服務項目―――固井、壓裂和修井，已出現了應用纖維的新趨勢，極大地提高了石油工程技術服務的施工質量和施工效果。纖維在固井、壓裂和修井中先導礦場應用相繼成功，并取得顯著的施工成效，為擴大推廣應用領域和范圍提供了科學依據，也為摻纖維的石油工程特色技術的發展打下堅實的基礎。
石油工程施工作業中所用的纖維均是單纖維類型，且是經加工精選出來的短纖維。各種纖維的粗細、長短有所區別，其性能也有所差異。
石油工程施工作業中摻纖維，即在固井水泥漿中摻入短切纖維，在固化后的水泥環中，短切纖維于水泥水化物間被緊密地粘結起來，從而起到“搭橋”作用和細微的“拉筋”作用，由此傳遞應力負荷、改善水泥環力學形變能力，這樣便提高了固井質量。摻入短切纖維后，在泵注水泥漿的過程中也起到了增稠的作用，降低了水泥漿體系的漏失程度。
固井水泥漿體系中加入一定比例的短切纖維，利用纖維對負荷的傳遞，使形成的水泥石內部缺陷的應力集中減小，從而提高了抗沖擊的能力。加入1.5%和2.0%纖維的油井水泥漿，其養護24h后，單位彎曲強度形變量較純水泥石增加22.4%和53.58%；經養護48h后，單位彎曲形變量較純水泥石增加40.51%和46.8%。摻纖維形成的水泥石，因有較好的相容性和粘附性，因而有各向異性的高韌性。纖維可以對水泥石中缺陷處的裂紋尖端應力場形成屏蔽，提高了水泥石抗斷裂的韌性，纖維水泥石斷裂或彎曲，必然要吸收大量能量。當裂縫張開時，纖維脫離粘結拔出及纖維斷裂、就需要有一定的能量，而纖維被粘結越牢，則斷裂時吸收的能量必然越多。當其纖維與水泥粘結較強，如果發生斷裂時，易出現多點開裂，此時所吸收的能量是纖維被拔出至斷裂的總和。但纖維提高水泥石韌性的幅度，主要取決于纖維的種類、細長比及加入量。纖維水泥石沖擊評價試驗結果表明：纖維長度小于2mm，則水泥石斷面上的纖維只有少數拉斷，多數被拔出。若纖維長度3－5mm，則水泥石斷面上的纖維被拔出的數量減少，而被拉斷的數量明顯增加。纖維的抗拉強度和延伸性能的充分發揮，從而提高了水泥石的性能。
有關評價分析表明摻纖維固井具有多種功能。纖維水泥漿的稠度較高、流動性能降低，因而利于固井施工作業降低水泥漿漏失程度，不僅有效地利用水泥漿，還降低了固井施工作業的風險，利于保護油氣層，降低油氣井投產前的投資。纖維水泥石有顯著的抗破裂的能力，因而射孔的孔眼很規則，且孔眼周圍不出現裂口，對于目前小井眼薄層水泥環射孔尤為適應，對于高密度射孔有好處。
加砂壓裂工藝技術有實現油氣層解除堵塞、改造產出條件的功能，還可起到松軟地層防地層吐砂的功能。壓裂作業往往需要及時返排裂液，但又必須有效地防止縫口向井筒內吐砂，否則出現“包餃子”的不良后患。對于松軟地層壓裂而言，施工作業防吐砂尤為重要?？p口吐砂，將導致人工裂縫內的砂床不穩定，誘發出破碎后的松軟地層吐砂，所支撐的有效縫高明顯降低，致使作業效果降低。正因為如此，壓裂尾錐支撐劑中摻入一定含量的短纖維，往往采用無堿玻璃纖維，使其在作業后強制卸壓的過程中，其中的短切纖維自然形成互繞結構層，網住支撐劑顆粒，避免回流井筒內。這種互繞結構層不影響油氣井的產出能力的發揮。由此推理，油氣井割縫襯管裸眼完井時，其中襯管與井壁間的環空，仍可以泵注充填摻入纖維的攜砂液，以此形成的纖維互繞結構層并網住支撐劑，形成人工過濾層，不僅對井壁起到穩定的作用，也起到濾砂的作用，從而阻止松軟油氣層吐砂。
由纖維和支撐劑所組成的復合介質，纖維是增強相，而支撐劑則是基體。纖維與支撐劑顆粒接觸、通過接觸壓力和摩擦力相互作用達到力學平衡。開始返排液時，由于流載荷，使其平衡失去，支撐劑因發生塑性剪切形變，導致一系列砂拱結構出現。于返排液期間，由砂拱的剪切變形引起纖維變形，誘發纖維軸向力分解為切向和法向兩部分。切向分量抵抗砂拱剪切變形，而法向分量則增加側向壓力，導致支撐劑顆粒間的摩擦力增大，結果又間接地抵抗砂拱剪切變形，從而提高砂拱的穩定性和臨界返排速度，有效地控制支撐劑回流井筒。由相關的數學模型啟示，纖維體積含量越高，纖維越長，支撐劑越細，則纖維與支撐劑顆粒間的摩擦系數越大，纖維所起的增強效果越好。同一類型不同直徑的纖維其拉伸性、耐熱老化性、耐水性、耐化學性有明顯區別，因而選用無堿玻璃纖維必須有一定的原則，增強評價試驗可以提供科學依據。其中臨界纖維體積含量、臨界纖維長細比及支撐劑參數對臨界返排速度影響、纖維折斷強度的影響、壓裂液粘度對臨界返排速度的影響、滲透率及閉合壓力效應、變閉合壓力效應等，均是制定科學方案的依據。增強評價是研究基礎，國內仍只有很少數的實驗室才具備評價的條件。摻纖維壓裂的作業技術，已優于樹脂涂敷砂技術，其技術推廣應用前景良好。摻纖維壓裂利于滿足不關井就初始返排液的需要，有利于低滲儲集層改造作業，尤其是低壓油氣層施工作業，也有利于高效破膠劑的推廣應用和無破膠劑工作液的推廣應用。
石油工程施工作業中所用的纖維均是單纖維類型，且是經加工精選出來的短纖維。各種纖維的粗細、長短有所區別，其性能也有所差異。
石油工程施工作業中摻纖維，即在固井水泥漿中摻入短切纖維，在固化后的水泥環中，短切纖維于水泥水化物間被緊密地粘結起來，從而起到“搭橋”作用和細微的“拉筋”作用，由此傳遞應力負荷、改善水泥環力學形變能力，這樣便提高了固井質量。摻入短切纖維后，在泵注水泥漿的過程中也起到了增稠的作用，降低了水泥漿體系的漏失程度。
固井水泥漿體系中加入一定比例的短切纖維，利用纖維對負荷的傳遞，使形成的水泥石內部缺陷的應力集中減小，從而提高了抗沖擊的能力。加入1.5%和2.0%纖維的油井水泥漿，其養護24h后，單位彎曲強度形變量較純水泥石增加22.4%和53.58%；經養護48h后，單位彎曲形變量較純水泥石增加40.51%和46.8%。摻纖維形成的水泥石，因有較好的相容性和粘附性，因而有各向異性的高韌性。纖維可以對水泥石中缺陷處的裂紋尖端應力場形成屏蔽，提高了水泥石抗斷裂的韌性，纖維水泥石斷裂或彎曲，必然要吸收大量能量。當裂縫張開時，纖維脫離粘結拔出及纖維斷裂、就需要有一定的能量，而纖維被粘結越牢，則斷裂時吸收的能量必然越多。當其纖維與水泥粘結較強，如果發生斷裂時，易出現多點開裂，此時所吸收的能量是纖維被拔出至斷裂的總和。但纖維提高水泥石韌性的幅度，主要取決于纖維的種類、細長比及加入量。纖維水泥石沖擊評價試驗結果表明：纖維長度小于2mm，則水泥石斷面上的纖維只有少數拉斷，多數被拔出。若纖維長度3－5mm，則水泥石斷面上的纖維被拔出的數量減少，而被拉斷的數量明顯增加。纖維的抗拉強度和延伸性能的充分發揮，從而提高了水泥石的性能。
有關評價分析表明摻纖維固井具有多種功能。纖維水泥漿的稠度較高、流動性能降低，因而利于固井施工作業降低水泥漿漏失程度，不僅有效地利用水泥漿，還降低了固井施工作業的風險，利于保護油氣層，降低油氣井投產前的投資。纖維水泥石有顯著的抗破裂的能力，因而射孔的孔眼很規則，且孔眼周圍不出現裂口，對于目前小井眼薄層水泥環射孔尤為適應，對于高密度射孔有好處。
加砂壓裂工藝技術有實現油氣層解除堵塞、改造產出條件的功能，還可起到松軟地層防地層吐砂的功能。壓裂作業往往需要及時返排裂液，但又必須有效地防止縫口向井筒內吐砂，否則出現“包餃子”的不良后患。對于松軟地層壓裂而言，施工作業防吐砂尤為重要?？p口吐砂，將導致人工裂縫內的砂床不穩定，誘發出破碎后的松軟地層吐砂，所支撐的有效縫高明顯降低，致使作業效果降低。正因為如此，壓裂尾錐支撐劑中摻入一定含量的短纖維，往往采用無堿玻璃纖維，使其在作業后強制卸壓的過程中，其中的短切纖維自然形成互繞結構層，網住支撐劑顆粒，避免回流井筒內。這種互繞結構層不影響油氣井的產出能力的發揮。由此推理，油氣井割縫襯管裸眼完井時，其中襯管與井壁間的環空，仍可以泵注充填摻入纖維的攜砂液，以此形成的纖維互繞結構層并網住支撐劑，形成人工過濾層，不僅對井壁起到穩定的作用，也起到濾砂的作用，從而阻止松軟油氣層吐砂。
由纖維和支撐劑所組成的復合介質，纖維是增強相，而支撐劑則是基體。纖維與支撐劑顆粒接觸、通過接觸壓力和摩擦力相互作用達到力學平衡。開始返排液時，由于流載荷，使其平衡失去，支撐劑因發生塑性剪切形變，導致一系列砂拱結構出現。于返排液期間，由砂拱的剪切變形引起纖維變形，誘發纖維軸向力分解為切向和法向兩部分。切向分量抵抗砂拱剪切變形，而法向分量則增加側向壓力，導致支撐劑顆粒間的摩擦力增大，結果又間接地抵抗砂拱剪切變形，從而提高砂拱的穩定性和臨界返排速度，有效地控制支撐劑回流井筒。由相關的數學模型啟示，纖維體積含量越高，纖維越長，支撐劑越細，則纖維與支撐劑顆粒間的摩擦系數越大，纖維所起的增強效果越好。同一類型不同直徑的纖維其拉伸性、耐熱老化性、耐水性、耐化學性有明顯區別，因而選用無堿玻璃纖維必須有一定的原則，增強評價試驗可以提供科學依據。其中臨界纖維體積含量、臨界纖維長細比及支撐劑參數對臨界返排速度影響、纖維折斷強度的影響、壓裂液粘度對臨界返排速度的影響、滲透率及閉合壓力效應、變閉合壓力效應等，均是制定科學方案的依據。增強評價是研究基礎，國內仍只有很少數的實驗室才具備評價的條件。摻纖維壓裂的作業技術，已優于樹脂涂敷砂技術，其技術推廣應用前景良好。摻纖維壓裂利于滿足不關井就初始返排液的需要，有利于低滲儲集層改造作業，尤其是低壓油氣層施工作業，也有利于高效破膠劑的推廣應用和無破膠劑工作液的推廣應用。
