摘要:本文通过在水泥浆中掺入一定数量的碳纤维，在提高水泥石韧性和弹性的同时，从水泥石抗折强度和水泥浆性能两个方面研究了碳纤维水泥浆体系性能特点，从根本上解决了射空作业对环空水泥环的破坏，解决了薄油层固井、套管开窗井井、尾管固井技术难题。
关键词:碳纤维；水泥石；射孔作业；抗折强度；小间隙井
一、碳纤维水泥浆体系性能研究
（一)碳纤维水泥浆体系稠化性能研究
1、试验现象：
试验中对纯水泥浆、掺量为0.215%，纤维长度为350μm、1400μm等长度碳纤维的稠化性能进行了试验，如图1所示。由图可知：纯水泥浆的稠化时间为109min/100BC，加350μm碳纤维的水泥浆稠化时间为104min/100BC，加1400μm碳纤维水泥浆的稠化时间为110min/100BC。说明碳纤维对体系稠化时间影响很少，与纯水泥浆稠化时间相差不超过5min。
试验对长度为350μm纤维，在0.215%、0.3225%、0.43%的掺量条件下，对水泥浆的稠化时间进行测定。图2给出了它们稠化时间对比曲线，通过对曲线进行分析可以得到：当纤维的掺量为0时，水泥浆的稠化时间为109min，纤维的掺量为0.215%、0.3225%、0.43%时的水泥浆稠化时间为104min。掺纤维与不掺纤维的水泥浆的稠化时间只相差5min。
2、现象分析：
沥青基碳纤维为惰性材料，它不与水泥浆中的各种成分发生化学反应，不会放出或吸收热量，因而不会影响水泥浆的水化反应速度，所以，碳纤维的加入对水泥浆的稠化时间没有影响。
（二）碳纤维水泥浆体系失水、自由水、流变性能试验研究
表1碳纤维对水泥浆体系失水量、自由水、流变性能的影响
由表1可知，碳纤维的掺入对体系的API失水量、自由水量及流变性能没有明显的影响，其关键原因在于碳纤维没有掺入体系的水化反应，只是随机分布在水泥颗粒之间，有轻微减少体系中自由水的作用（纤维对自由水的圈蔽），当纤维加量过大，或长度过长时，纤维不能在体系中均匀分散，因而影响体系的流变性能，同时水泥浆难以搅拌，发生纤维的缠绕，混拌不均匀等现象。
（三）碳纤维水泥石抗压强度试验研究
1、试验现象：
试验过程中为了尽量消除由于水泥石的不均质性而造成的实验数据离散，试验采用5块水泥石进行。由表2可知：在相同掺量条件下，随着纤维长度的增加，水泥石的抗压强度表现为先增加后减少的趋势，即存在着最佳的纤维长度。在本试验条件下，碳纤维长度在300μm～800μm之间的水泥石的抗压强度比较好。
在同纤维长度下，随纤维掺量的增加，水泥石的抗压强度呈现出先增加后减小的趋势，即存在着最佳的纤维掺量。在本試验条件下，纤维掺量在0.14%～0.215%之间的水泥石抗压强度最好。
2、现场分析
当碳纤维长度小于300μm时，由于纤维的长度太小，不足以在水泥石之间全部形成“筋骨”来增加水泥石的抗压强度，但当碳纤维长度大于800μm时，纤维的长度又太长，在水泥浆的配制搅拌过程中，容易成团，为此非但没有增强水泥石的强度，反而由于成团处无水泥的连接而影响到水泥石本身的强度。
当掺量小于0.14%的时候，随着碳纤维掺量的增加，抗压强度在不断的升高，这是因为随着碳纤维掺量的增加，碳纤维均匀地分散在水泥石中，提高了水泥石的抗压强度。当碳纤维掺量大于0.215%时，随着碳纤维掺量的增加，单位体积中的碳纤维根数增加，使得碳纤维之间极易搅成团，限制了水泥石的抗压强度提高。
（四）碳纤维水泥石射空抗冲击性能
目前固井行业没有明确的指标衡量水泥石的射空抗冲击性能，为此在大量调研的基础上，模拟井下射空作业，利用64手枪射空判断碳纤维对提高水泥石韧性的贡献，水泥试块的养护条件：24hx70℃x0.1MPa,试块的大小：5inx5in,试验结果如下图：
碳纤维水泥石
原浆水泥石
由上图比较可知，碳纤维水泥石在射空后，水泥石开裂程度小，裂纹数量小，只有轴向的数条裂纹；而原浆水泥石在相同实验条件下，在射空部位裂纹和裂缝较多，而且分布紊乱，说明水泥石韧性和弹性较弹纤维水泥石差。
五、现场试验
例1坨1-4-侧51井
该井是一口开窗侧钻井，设计井深2080m，完钻井深2142m，完钻层位为沙二段。开窗位置为1530～1533.45m，φ118mm钻头完钻，φ95.3mm尾管下深2141.66m,油层段环空间隙：11.35mm,水泥封固段1400～2142.0m；完钻钻井液密度1.20g/cm3，粘度45s，pH值9，API失水4ml、泥饼厚0.4mm；1880m～2142m，每米环容4.59L。注水泥过程如下：首先大排量洗井，调整好泥浆性能，再打前置液1.5m3。
注纤维水泥0.5m3，密度值为1.30～1.78g/cm3；然后提高水泥浆密度至1.85～1.95g/cm3；注入速度控制在0.6～0.8m3/min,共注碳纤维水泥浆35m3。48小时测声波，固井质量优质。
例2营66-斜侧58井
该井是一口侧钻定向井，设计井深2335m，完钻井深2405m，油层底界2375m,完钻层位为沙三段，最大井斜角37.28o。φ118mm钻头完钻，φ95.3mm尾管下深2405m,油层段环空间隙：11.35mm,水泥封固段1790～2405m；完钻钻井液密度1.20g/cm3，粘度48s，pH值8，API失水4ml、泥饼厚0.5mm；2304m～2405m，每米环容3.17L。施工过程：先打前置液1.5m3，在注纤维水泥0.5m3，密度为1.40～1.78g/cm3；然后提高水泥浆密度至1.85～1.93g/cm3；注入速度控制在0.4～0.5m3/min，共注碳纤维水泥浆18m3。48小时测声波，固井质量优质,油井投产后日产量较邻井高。
几点认识：
1．碳纤维的加入对油井水泥浆的稠化性能、失水性能、流变性能基本没有影响。
2．碳纤维水泥可以有效提高小间隙井固井质量。
3．碳纤维水泥石抗射空破坏能力明显优于原浆水泥石。