油田化學(xué)第3章水泥漿化學(xué)完整版

1、 前言前言 （1）表層套管 封隔地表淺水層及淺部疏松 和復(fù)雜地層；安裝井口、 懸掛 和支撐后續(xù)各層套管。 （2）生產(chǎn)套管（油層套管） 用以保護(hù)生產(chǎn)層，提供油氣 生產(chǎn)通道。 （3）中間套管（技術(shù)套管） 用來(lái)封隔不同地層壓力層系 或易漏、易塌、易卡等井下復(fù)雜 地層。 2 2、套管類型及其作用、套管類型及其作用 第一節(jié) 水泥漿功能與組成 （1）固井和保護(hù)套管）固井和保護(hù)套管 （2）保護(hù)高壓油氣層）保護(hù)高壓油氣層 （3）封隔嚴(yán)重漏失層和其他復(fù)雜層）封隔嚴(yán)重漏失層和其他復(fù)雜層 一、水泥漿的功能一、水泥漿的功能 2、水泥漿的組成、水泥漿的組成 （2）水泥）水泥 水泥是由石灰石、粘土在水泥是由石灰石、粘土在

2、14501650下煅燒、冷卻、下煅燒、冷卻、 磨細(xì)而成，它主要含下列硅酸鹽和鋁鹽酸：磨細(xì)而成，它主要含下列硅酸鹽和鋁鹽酸： （1）水）水 配水泥漿的水可以是淡水、鹽水或海水。配水泥漿的水可以是淡水、鹽水或海水。 水泥漿由水、水泥、外加劑和外摻料組成。水泥漿由水、水泥、外加劑和外摻料組成。 （1）硅酸三鈣3CaOSiO2（簡(jiǎn)稱C3S） 水泥的主要成份，水化速率和強(qiáng)度增加率高， 早期強(qiáng)度和最后強(qiáng)度都高。 （2）硅酸二鈣）硅酸二鈣2CaOSiO2（簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱C2S） 含量一般在含量一般在2430之間；之間； 水化反應(yīng)緩慢，強(qiáng)度增長(zhǎng)慢；水化反應(yīng)緩慢，強(qiáng)度增長(zhǎng)慢； 最終強(qiáng)度低。最終強(qiáng)度低。 2 2、水泥漿

3、的組成、水泥漿的組成 （3）鋁酸三鈣3CaOAl2O3（簡(jiǎn)稱C3A） 含量少，水化速率高，強(qiáng)度增加速率低，最后強(qiáng)度低。 （4）鐵鋁酸四鈣4CaOAl2O3Fe2O3（簡(jiǎn)稱C4AF） 含量少，水化速率高，強(qiáng)度增加速率低，最后強(qiáng)度低。 除了以上主要成份之外，還有石膏、堿金屬的氧化物等。 2 2、水泥漿的組成、水泥漿的組成 水泥水化后的早期強(qiáng)度主要決定于硅酸三鈣，水泥水化后的早期強(qiáng)度主要決定于硅酸三鈣， 晚期強(qiáng)度則主要決定于硅酸三鈣和硅酸二鈣，而晚期強(qiáng)度則主要決定于硅酸三鈣和硅酸二鈣，而 鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣對(duì)早期強(qiáng)度和晚期強(qiáng)度的鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣對(duì)早期強(qiáng)度和晚期強(qiáng)度的 影響都較小。影響都較小。

4、水泥石還含有石膏、堿金屬、氧水泥石還含有石膏、堿金屬、氧 化鈣等?；}等。 2 2、水泥漿的組成、水泥漿的組成 2 2、水泥漿的組成、水泥漿的組成 油井水泥分類油井水泥分類 按API(American Petroleum Institute)標(biāo)準(zhǔn)分類:A、 B、C、D、E、F、G、H、J九個(gè)級(jí)別 按我國(guó)石油行業(yè)（SY）標(biāo)準(zhǔn)分類，油井水泥根 據(jù)適應(yīng)的地層溫度分成45、75、95、和120 四個(gè)級(jí)別。 2 2、水泥漿的組成、水泥漿的組成 3 3、水泥漿的外加劑與外摻料 若按用途，則可將水泥漿外加劑與外摻料合 在一起分成七類，即水泥漿促凝劑、水泥漿緩 凝劑、水泥漿減阻劑、水泥漿膨脹劑、水泥漿 降濾失

5、劑、水泥漿密度調(diào)整外摻料、水泥漿防 漏外摻料。 （1）促凝劑：氯化鈣、硅酸鈉、氯化鉀等。 （2）緩凝劑：丹寧酸鈉、酒石酸、硼酸、鐵鉻木質(zhì)素 磺酸鹽、羧甲基羥乙基纖維素等。 （3）減阻劑：奈磺酸甲醛的縮合物、鐵鉻木質(zhì)素 磺酸鹽、木質(zhì)素磺化鈉等。 （4）膨脹劑（防氣竄劑）：半水石膏、鋁粉、氧化鎂 （5）降濾失劑：羧甲基羥乙基纖維素、丙烯酸胺、粘 土等。 （6）水泥漿密度調(diào)整外摻料 加重劑：重晶石、赤鐵粉等?？墒顾酀{密度達(dá)到 2.3 gcm3。 減輕劑：硅藻土、粘土粉、瀝青粉、玻璃微珠、火 山灰等?？墒顾酀{的密度降到1.45 gm3。 （7）防漏失劑：瀝青粒、纖維材料等。 第二節(jié) 水泥漿密度及其

6、調(diào)整 第三章第三章 水泥漿化學(xué)水泥漿化學(xué) 固井時(shí)，為使水泥漿能將井壁與套管間的鉆固井時(shí)，為使水泥漿能將井壁與套管間的鉆 井液替換的徹底應(yīng)要求水泥漿密度大于鉆井液密井液替換的徹底應(yīng)要求水泥漿密度大于鉆井液密 度，但又以不壓漏地層為度。度，但又以不壓漏地層為度。 配水泥漿時(shí)，水與水泥的質(zhì)量比稱為水灰比。配水泥漿時(shí)，水與水泥的質(zhì)量比稱為水灰比。 水泥漿通常的水灰比在水泥漿通常的水灰比在0.30.5范圍，所配得水泥范圍，所配得水泥 漿密度則在漿密度則在1.81.9gcm-3范圍。范圍。 前言前言 能降低水泥漿密度的物質(zhì)稱為降低水泥漿密度能降低水泥漿密度的物質(zhì)稱為降低水泥漿密度 外摻料。在低壓油氣層或易

7、漏地層固井時(shí)，需在水外摻料。在低壓油氣層或易漏地層固井時(shí)，需在水 泥漿中加入降低水泥漿密度外摻料。泥漿中加入降低水泥漿密度外摻料。 （1）粘土）粘土 粘土的固相密度（粘土的固相密度（2.42.7gcm-3）。低于水泥的）。低于水泥的 固相密度（固相密度（3.13.2gcm-3）。）。 1 1、降低水泥漿密度外摻料、降低水泥漿密度外摻料 （2）粉煤灰）粉煤灰 粉煤灰是粉煤燃燒產(chǎn)生的空心顆粒，主要成分為粉煤灰是粉煤燃燒產(chǎn)生的空心顆粒，主要成分為 二氧化硅。粉煤灰固相密度（約二氧化硅。粉煤灰固相密度（約2.1gcm-3），比水泥），比水泥 的固相密度低。的固相密度低。 （3）膨脹珍珠巖膨脹珍珠巖 膨

8、脹珍珠巖是通過(guò)珍珠巖高壓熔融，然后迅速減膨脹珍珠巖是通過(guò)珍珠巖高壓熔融，然后迅速減 壓、冷卻所產(chǎn)生的多孔性固體。壓、冷卻所產(chǎn)生的多孔性固體。 1 1、降低水泥漿密度外摻料、降低水泥漿密度外摻料 能提高水泥漿密度的物質(zhì)稱為提高水泥漿密度能提高水泥漿密度的物質(zhì)稱為提高水泥漿密度 外摻料。外摻料。 在高壓油氣層固井時(shí)，需在水泥漿中加入提高在高壓油氣層固井時(shí)，需在水泥漿中加入提高 水泥漿密度的外摻料。水泥漿密度的外摻料。 2 2、提高水泥漿密度外摻料、提高水泥漿密度外摻料 （1）高密度固體粉末）高密度固體粉末 （2）水溶性鹽）水溶性鹽 第三節(jié) 水泥漿稠化及稠化時(shí)間的調(diào)整 第三章第三章 水泥漿化學(xué)水泥漿

9、化學(xué) (1)(1)水泥漿稠化水泥漿稠化 水與水泥混合后水泥漿逐漸變稠水與水泥混合后水泥漿逐漸變稠, ,水泥漿這種逐水泥漿這種逐 漸變稠的現(xiàn)象稱為水泥漿稠化。漸變稠的現(xiàn)象稱為水泥漿稠化。 1 1、水泥漿稠化、水泥漿稠化 (2)(2)水泥漿稠度水泥漿稠度 水泥漿稠化的程度用稠度表示。水泥漿的稠度是水泥漿稠化的程度用稠度表示。水泥漿的稠度是 用稠化儀通過(guò)測(cè)定一定轉(zhuǎn)速的葉片在水泥漿中所受用稠化儀通過(guò)測(cè)定一定轉(zhuǎn)速的葉片在水泥漿中所受 的阻力得到，單位為的阻力得到，單位為BcBc。 （3 3）水泥漿稠化速率）水泥漿稠化速率 用稠化時(shí)間表示。用稠化時(shí)間表示。稠化時(shí)間稠化時(shí)間是指水與水泥混合是指水與水泥混合

10、后稠度達(dá)到后稠度達(dá)到100Bc100Bc所需的時(shí)間。所需的時(shí)間。 為使水泥漿順利注入井壁與套管的環(huán)空，應(yīng)要求為使水泥漿順利注入井壁與套管的環(huán)空，應(yīng)要求 稠化時(shí)間等于注水泥漿施工時(shí)間（即從配水泥漿到稠化時(shí)間等于注水泥漿施工時(shí)間（即從配水泥漿到 水泥漿上返至預(yù)定高度的時(shí)間）加上一小時(shí)。水泥漿上返至預(yù)定高度的時(shí)間）加上一小時(shí)。 1 1、水泥漿稠化、水泥漿稠化 水泥漿稠化是由水泥水化引起的。水泥的主要成 分與水發(fā)生的水化反應(yīng)為： 2 2、水泥的水化反應(yīng) 2 2、水泥的水化反應(yīng) 水泥的水化分為五個(gè)階段：水泥的水化分為五個(gè)階段： 預(yù)預(yù)誘導(dǎo)階段：誘導(dǎo)階段：這階段是在水與水泥混合后的幾分鐘時(shí)間這階段是在水與水

11、泥混合后的幾分鐘時(shí)間 內(nèi)。在這階段，由于水泥為水潤(rùn)濕而開始水化反應(yīng)，放出內(nèi)。在這階段，由于水泥為水潤(rùn)濕而開始水化反應(yīng)，放出 大量的熱大量的熱(其中包括潤(rùn)濕熱和反應(yīng)熱其中包括潤(rùn)濕熱和反應(yīng)熱)。水化反應(yīng)生成的水化。水化反應(yīng)生成的水化 物在水泥顆粒表面附近形成飽和溶液并在表面析出，阻止物在水泥顆粒表面附近形成飽和溶液并在表面析出，阻止 了水泥進(jìn)一步水化，使水化迅速下降，進(jìn)入誘導(dǎo)階段了水泥進(jìn)一步水化，使水化迅速下降，進(jìn)入誘導(dǎo)階段 誘導(dǎo)階段：誘導(dǎo)階段：在這階段，水泥的水化速率很低但由于水在這階段，水泥的水化速率很低但由于水 泥表面析出的水化物漸溶解泥表面析出的水化物漸溶解(因它對(duì)水泥漿的水相未達(dá)到因它對(duì)

12、水泥漿的水相未達(dá)到 飽和飽和)，所以在這階段后期，水化速率有所增加，所以在這階段后期，水化速率有所增加 固化階段：固化階段：在這階段，水化速率增加。水泥水化產(chǎn)生大在這階段，水化速率增加。水泥水化產(chǎn)生大 量的水化物，它們首先溶于水中，隨后飽和析出，在水泥量的水化物，它們首先溶于水中，隨后飽和析出，在水泥 顆粒間形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使水泥漿固化。顆粒間形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使水泥漿固化。 硬化階段：硬化階段：在這階段，水泥顆粒間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得越來(lái)在這階段，水泥顆粒間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得越來(lái) 越密，水泥石強(qiáng)度越來(lái)越大，因此滲透率越來(lái)越低，影響越密，水泥石強(qiáng)度越來(lái)越大，因此滲透率越來(lái)越低，影響 未水化的水泥顆粒與水接觸，

13、水化速率越來(lái)越低。未水化的水泥顆粒與水接觸，水化速率越來(lái)越低。 中止期：中止期：在這階段，滲入水泥石的越來(lái)越少，直到不能滲在這階段，滲入水泥石的越來(lái)越少，直到不能滲 入，從而使水泥的水化中止，完成了水泥水化的全過(guò)程。入，從而使水泥的水化中止，完成了水泥水化的全過(guò)程。 水泥的水化分為五個(gè)階段：水泥的水化分為五個(gè)階段： （1）促凝劑：）促凝劑：縮短水泥漿稠化時(shí)間的物質(zhì)縮短水泥漿稠化時(shí)間的物質(zhì) 3 3、水泥漿稠化時(shí)間調(diào)整、水泥漿稠化時(shí)間調(diào)整 促凝機(jī)理促凝機(jī)理 壓縮析出水化物表面的擴(kuò)散雙電層，使它在水泥壓縮析出水化物表面的擴(kuò)散雙電層，使它在水泥 顆粒間形成有高滲透性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于水的滲入顆粒間形成

14、有高滲透性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于水的滲入 和水化反應(yīng)的進(jìn)行而起促凝作用。（氯化鈣）和水化反應(yīng)的進(jìn)行而起促凝作用。（氯化鈣） 促凝劑舉例促凝劑舉例 氯化物、碳酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、鋁酸鹽、低分氯化物、碳酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、鋁酸鹽、低分 子有機(jī)酸鹽等。子有機(jī)酸鹽等。 （2）緩凝劑 ：延長(zhǎng)水泥漿稠化時(shí)間的物質(zhì) 緩凝機(jī)理：緩凝機(jī)理： 吸附機(jī)理：吸附機(jī)理： 緩凝劑吸附在水泥顆粒表面，阻礙與水接觸。緩凝劑吸附在水泥顆粒表面，阻礙與水接觸。 也可吸附在飽和析出的水泥水化物表面，影響其在固化階段也可吸附在飽和析出的水泥水化物表面，影響其在固化階段 和硬化階段形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的速率。和硬化階段形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的速率。 螯

15、合機(jī)理：緩凝劑可與通過(guò)螯合形成穩(wěn)定的五元環(huán)和六螯合機(jī)理：緩凝劑可與通過(guò)螯合形成穩(wěn)定的五元環(huán)和六 元環(huán)結(jié)構(gòu)而影響水泥水化物飽和析出的速率。元環(huán)結(jié)構(gòu)而影響水泥水化物飽和析出的速率。 3 3、水泥漿稠化時(shí)間調(diào)整、水泥漿稠化時(shí)間調(diào)整 緩凝劑舉例緩凝劑舉例 (1) (1) 硼酸及其鹽硼酸及其鹽 緩凝劑舉例緩凝劑舉例 (2) 膦酸及其鹽 (3) (3) 羥基羧酸及其鹽羥基羧酸及其鹽 緩凝劑舉例緩凝劑舉例 (4) (4) 木質(zhì)素磺酸鹽及其改性產(chǎn)物木質(zhì)素磺酸鹽及其改性產(chǎn)物 緩凝劑舉例緩凝劑舉例 (5) (5) 水溶性聚合物水溶性聚合物 緩凝劑舉例緩凝劑舉例 第四節(jié) 水泥漿流變性及其調(diào)整 第三章第三章 水泥漿化

16、學(xué)水泥漿化學(xué) 水泥漿流變性與水泥漿的流動(dòng)阻力有關(guān)，與水水泥漿流變性與水泥漿的流動(dòng)阻力有關(guān)，與水 泥漿對(duì)鉆井液的頂替效率和固井質(zhì)量有關(guān)。泥漿對(duì)鉆井液的頂替效率和固井質(zhì)量有關(guān)。 水泥漿流變性與泥漿流變性類似。水泥漿流變性與泥漿流變性類似。 1 1、水泥漿流變性、水泥漿流變性 2、水泥漿流變性調(diào)整 水泥漿流變性調(diào)整主要是通過(guò)加水泥漿減阻 劑降低流動(dòng)阻力。 減阻劑作用機(jī)理：同泥漿降粘劑。通過(guò)吸附 提高水泥顆粒表面負(fù)電性并增加水化層厚度從 而使水泥顆粒形成的結(jié)構(gòu)拆散。 （1）羥基羧酸及其鹽）羥基羧酸及其鹽 檸檬酸、水楊酸、蘋果酸等及其鹽。熱穩(wěn)定性高、抗鹽性檸檬酸、水楊酸、蘋果酸等及其鹽。熱穩(wěn)定性高、抗鹽

17、性 強(qiáng)、緩凝作用好等特點(diǎn)。強(qiáng)、緩凝作用好等特點(diǎn)。 （2）木質(zhì)素磺酸鹽及其改性產(chǎn)物）木質(zhì)素磺酸鹽及其改性產(chǎn)物 與羥基羧酸及其鹽相比有類似特點(diǎn)，使用時(shí)要加消泡。與羥基羧酸及其鹽相比有類似特點(diǎn)，使用時(shí)要加消泡。 減阻劑類型：減阻劑類型： （3）烯類單體低聚物）烯類單體低聚物 聚乙烯磺酸鈉、苯乙烯磺酸鈉、苯乙聚乙烯磺酸鈉、苯乙烯磺酸鈉、苯乙 烯磺酸烯磺酸 鈉與順丁烯鈉與順丁烯 二酸酐的共聚物等（二酸酐的共聚物等（26103）。熱穩(wěn)定性高、不起泡、不緩）。熱穩(wěn)定性高、不起泡、不緩 凝、減阻效果好。凝、減阻效果好。 （4）磺化樹脂低縮聚物）磺化樹脂低縮聚物 磺化烷基萘甲醛樹脂具有磺化烷基萘甲醛樹脂具有 烯

18、類單體低聚物特點(diǎn)，但有一烯類單體低聚物特點(diǎn)，但有一 定的緩凝作用（定的緩凝作用（24103）。）。 分散劑類型：分散劑類型： 第五節(jié) 水泥漿濾失性及其調(diào)整 第三章第三章 水泥漿化學(xué)水泥漿化學(xué) 一般固井常規(guī)濾失量一般固井常規(guī)濾失量250ml，深井固井，深井固井 50ml ，油氣層固井，油氣層固井20ml。地層滲透率越低，。地層滲透率越低， 濾失量應(yīng)越低。濾失量應(yīng)越低。 1 1、水泥漿濾失量要求、水泥漿濾失量要求 2、降濾失劑分類及作用機(jī)理 （1）固體顆粒：）固體顆粒：捕集和物理堵塞機(jī)理捕集和物理堵塞機(jī)理 （2）膠乳）膠乳 ：粘稠液珠在地層孔隙結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生粘稠液珠在地層孔隙結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生 Jamin效應(yīng)

19、，在地層效應(yīng)，在地層 孔隙表面成膜，降低地層滲透率孔隙表面成膜，降低地層滲透率 （3）水溶性聚合物）水溶性聚合物 ：增粘、吸附、增粘、吸附、 捕集和物理捕集和物理 堵塞機(jī)理堵塞機(jī)理 降濾失劑： 降濾失劑： 降濾失劑： 降濾失劑： 第六節(jié) 氣竄及其控制 第三章第三章 水泥漿化學(xué)水泥漿化學(xué) （1）定義）定義 高壓氣層中的氣體沿著縫隙進(jìn)入低壓層或上竄至高壓氣層中的氣體沿著縫隙進(jìn)入低壓層或上竄至 地面的現(xiàn)象。地面的現(xiàn)象。 1 1、氣竄定義及發(fā)生原因、氣竄定義及發(fā)生原因 （2）氣竄原因氣竄原因 水泥漿在固化階段和硬化階段體積收縮。水泥漿在固化階段和硬化階段體積收縮。 （1）半水石膏半水石膏 CaSO4 1/2H20+3/2H2O CaSO42