特種水泥漿體系PPT課件

1、1 緒 論 油氣井注水泥技術(shù)是一門多學(xué)科組成的應(yīng)用科學(xué)，包括地質(zhì)、石油、機械、化學(xué)、流體力學(xué)和電子等學(xué)科。它所要解決的主要問題是提高井壁與套管間水泥環(huán)的密封質(zhì)量。一、油氣井注水泥的目的1、使環(huán)形空間完全充滿水泥漿；2、使水泥漿在注替和凝結(jié)過程中壓穩(wěn)油、氣、水層；3、保護(hù)生產(chǎn)管柱。第1頁/共120頁2 固井工程的內(nèi)容包括下套管和注水泥兩大部份。其設(shè)計內(nèi)容較廣，具有復(fù)雜性和特殊性兩大特點：（1）固井作業(yè)是一次性工程；（2）固井作業(yè)是一項系統(tǒng)工程、隱蔽工種，涉及學(xué)科多、內(nèi)容多，且主要流程在井下，施工時未知因素多，有一定風(fēng)險；（3）固井質(zhì)量直接影響油氣田安全合理開發(fā)和后繼 鉆井的正常進(jìn)行；（4）固井工

2、程是一項時間短，費用高，工序內(nèi)容多，工作量大和技術(shù)性強的工程。二、固井工程的特點第2頁/共120頁3 根據(jù)注水泥封隔油氣水層和加固井壁的主要目的，注水泥質(zhì)量的基本要求如下：（1）水泥漿返高和套管內(nèi)水泥塞高度必須符合地質(zhì)和工程設(shè)計要求，過高和過低都是不允許的；（2）注水泥環(huán)形空間的鉆井液應(yīng)全部被水泥漿頂替干凈，即在封固井段無鉆井液竄槽發(fā)生；（3）水泥環(huán)與套管和井壁之間具有足夠的膠結(jié)強度，能經(jīng)受住酸化壓裂等增產(chǎn)措施。影響膠結(jié)強度的因素：水泥的類型和使用的添加劑；井壁狀況；套管表面狀況等。（4）水泥石應(yīng)具有良好的密封性能和低滲透性能，能較好的防止油、氣、水竄及油、氣、水的長期侵蝕和破壞。三、注水泥質(zhì)

3、量的基本要求第3頁/共120頁4 本世紀(jì)初期，1910年已開始在600900米的淺井中進(jìn)行固井。現(xiàn)在已能較好地在7000米和10000米的深井中進(jìn)行注水泥作業(yè)。注水泥技術(shù)隨著科技進(jìn)步在不斷發(fā)展和完善。根據(jù)國內(nèi)外多年的研究和現(xiàn)場經(jīng)驗總結(jié)，提高注水泥質(zhì)量的總目標(biāo)是替凈和封嚴(yán)。 四、注水泥技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r第4頁/共120頁5 針對如何提高水泥漿頂替效率，防止油、氣、水竄，提高水泥石封固質(zhì)量，減少或消除水泥漿對油氣層的損害等問題，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究工作，主要內(nèi)容如下：（1）重視油井水泥系列及外加劑的研究；（2）提高水泥漿的頂替效率；（3）防止環(huán)空氣竄技術(shù)；（4）注水泥流變學(xué)計算機軟件的應(yīng)用；（5）水泥

4、漿對油氣層的損害研究。 四、注水泥技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r第5頁/共120頁6油井水泥油井水泥CH1一、油井水泥的定義 油井水泥是指應(yīng)用于各種鉆井條件下進(jìn)行固井、修井、擠注作業(yè)的硅酸鹽水泥（波特蘭水泥）和非硅酸鹽水泥，包括摻有各種外摻料活外加劑的改性水泥或特種水泥的油井水泥體系。 通常將包括API各級波特蘭水泥稱為基本油井水泥，其它如觸變水泥、膨脹水泥、抗腐蝕水泥等稱為特種油井水泥。 油井水泥與建筑工業(yè)所用的水泥的物理、化學(xué)性能不同。建筑水泥需要滿意的早期強度和凝結(jié)時間，而油井水泥必須按照所需進(jìn)行注水泥井段的地層特點、溫度和壓力范圍等，要求嚴(yán)格確定水泥漿稠化時間、強度、失水、流變參數(shù)和滲透率等性能。第6頁

5、/共120頁7二、油井水泥發(fā)展?fàn)顩r 到目前為止，基本油井水泥和特種油井水泥都取得了很大的發(fā)展?，F(xiàn)將世界石油1999年“固井”?？惺澜缙叽蠊竟叹没舅嗪吞胤N水泥混合物列于下表：第7頁/共120頁8二、油井水泥發(fā)展?fàn)顩r第8頁/共120頁9 從上表可以看出：基本水泥有了很大發(fā)展，共有13類水泥。過去曾經(jīng)有的API A,B,C,D,E,F,G,H,J九種基本水泥，現(xiàn)已簡化或取消而成A,B,C,G,H五種，而且在表中歸結(jié)為一類水泥。D,E,F級水泥，可由G,H級水泥加入緩凝劑來實現(xiàn)。取消J級水泥的主要原因是J 級水泥在62oC 以下基本不水化，初級反應(yīng)活性低。除第一類油井水泥（波特蘭水泥）外，

6、還有許多特殊油井水泥。 最近，特種油井水泥混合物也獲得很大發(fā)展，包括低密度水泥、膨脹水泥、觸變水泥、高寒地區(qū)水泥、提高膠結(jié)強度的水泥、抗CO2 腐蝕水泥、抗酸溶水泥和合成樹脂水泥等。二、油井水泥發(fā)展?fàn)顩r第9頁/共120頁102 油井水泥的主要成分一、化學(xué)組成1. 主要氧化物 1）氧化鈣（CaO) 氧化鈣是熟料中含量最大（通常占62%67%）、最重要的成分，它與酸性氧化物SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3反應(yīng)生成硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣，一般來說，增加熟料中氧化鈣含量能增加硅酸三鈣的含量，就可以提高水泥的強度。第10頁/共120頁11 2）二氧化硅（ SiO2） 二氧化硅在水泥熟料

7、里含量僅次于氧化鈣，通常占20%24%。它與氧化鈣在高溫下能合成硅酸三鈣和硅酸二鈣，這兩種硅酸鹽礦物對水泥石強度影響最大。油井水泥品種不同， SiO2含量是不同的。 3）三氧化二鋁（Al2O3) 三氧化二鋁在水泥熟料中的含量通常占3%7%。三氧化二鋁在高溫下與氧化鈣、氧化鐵形成鋁酸三鈣（3CaOAl2O3)和鐵鋁酸三鈣（4CaOAl2O3Fe2O3),并熔融為液相，促進(jìn)硅鋁酸鈣的形成。當(dāng)水泥中Al2O3增多時，鋁酸三鈣含量升高，使水泥稠花時間縮短，水泥抗硫酸鹽侵蝕性變差。一、化學(xué)組成第11頁/共120頁12 4）氧化鐵（Fe2O3） 氧化鐵 在水泥熟料中的含量通常占2%6%。氧化鐵能與氧化鈣氧

8、化鋁形成鐵鋁酸鹽，也屬于易熔成分，且液相粘度地（與鋁酸三鈣相反），在煅燒時能降低熟料燒成溫度，加速硅酸三鈣的形成。但若含量過多，則易結(jié)大塊，損傷窖皮，使燒成困難。注：油井水泥特別是高抗硫酸鹽水泥，對鋁酸三鈣的含量控制很嚴(yán)。一、化學(xué)組成第12頁/共120頁132. 游離氧化物 游離氧化物主要指熟料里未經(jīng)化合的氧化鈣和氧化硅，游離鈣硅的增高說明燒結(jié)不完全或者生料配合比有問題。 1）游離氧化鈣 經(jīng)過高溫煅燒而未被硅酸二鈣吸收的CaO稱為游離氧化鈣。它成死燒狀態(tài)，遇水后消化速度很慢，待水泥凝結(jié)硬化后才開始消解，消解后生成的氫氧鈣石固體體積增加很大，使硬化的水泥石漲裂，導(dǎo)致水泥石安定性不好。因此在工廠熟

9、料生產(chǎn)和油井水泥生產(chǎn)過程中把fCaO含量控制的很嚴(yán)。一、化學(xué)組成第13頁/共120頁14 2）游離氧化硅 水泥化學(xué)分析檢驗報告的酸不溶物（inSol)即為游離氧化硅。這是粘土中攜帶的石英在煅燒中未完全反應(yīng)所至。油井水泥中酸不溶物要求小于0.75%。3. 其它氧化物 包括氧化鎂，堿質(zhì)（K2ONa2O)，硫酐（SO3），五氧化二磷，二氧化鈦（TiO2)。一、化學(xué)組成第14頁/共120頁15二、礦物組成 水泥熟料是一種不平衡的多組分固熔體系統(tǒng)，由許多不同的礦物和中間體組成，主要由硅酸三鈣（C3S)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為40%65%,是伯特蘭水泥熟料的主要礦物，其結(jié)構(gòu)是熱力學(xué)不穩(wěn)定的），硅酸二鈣（ C2S）（

10、質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為20%，也是水泥熟料的重要組成），鋁酸三鈣（ C3A）及鐵鋁酸四鈣（ C4AF)等四種固熔體組成。所含微量組分為MgO，K2O，Na2O，TiO2，F(xiàn)eO， SiO2等組分，但在上述四種固熔體中并非均勻分布。第15頁/共120頁16CH2 油井水泥的凝結(jié)與硬化一、油井水泥的水化作用 油井水泥化合物為無水化合物，組成水泥的各種礦物成分能與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成過飽和的不穩(wěn)定溶液，生成帶有不同數(shù)量結(jié)構(gòu)含水的新產(chǎn)物，同時有熱量和體積的變化。 水化反應(yīng)的主要階段為：調(diào)凝期、凝固期、硬化期。第16頁/共120頁17 1）硅酸鹽礦物的水化作用 1. 水泥熟料礦物的水化 在水泥水化時，硅酸鹽礦物實

11、際上是在飽和Ca(OH)2 水溶液中進(jìn)行水化的， C3S和C2S在常溫下水化反應(yīng)可以用下式表示： C3S（ C2S）水化 C-S-H+nCH式中C-S-H表示組分不固定的水化硅酸鈣凝膠。一、油井水泥的水化作用第17頁/共120頁18 C3S的水化速度比C2S要高的多，而且由于熟料中C3S含量高，形成大量C-S-H凝膠。因此， C3S對水泥的初凝及早期強度其主要作用。 C2S水化速度慢，對水泥石的后期強度（特別是28d以后的強度）其主要作用。 C3S和C2S水化反應(yīng)動力學(xué)曲線以及溫度對反應(yīng)速度的影響見圖2.2和圖2.5： 圖2.2 C3S的水化與時間關(guān)系 圖2.3 C2S的水化與時間關(guān)系 一、油

12、井水泥的水化作用第18頁/共120頁19一、油井水泥的水化作用2）硅酸鹽礦物水化反應(yīng)歷程及作用機理 首先討論含量最大的C3S的水化歷程及機理。 C3S的水化為放熱過程，整個反應(yīng)過程可以分為五個階段：第19頁/共120頁20 預(yù)誘導(dǎo)階段：初始快速水化期，伴隨著鈣離子濃度的迅速增長。發(fā)生在C3S與水接觸的最初幾分鐘內(nèi)。 誘導(dǎo)階段：從圖2.4種看到，此階段可以觀察到很弱的水化反應(yīng)，放熱速度明顯下降， C-S-H凝膠緩慢沉淀，而Ca2+ 和OH_離子濃度繼續(xù)上升。圖2.4 C3S水化放熱速度及 Ca2+ 濃度與時間關(guān)系 水化反應(yīng)加速期： Ca(OH)2 開始從溶液中結(jié)晶出來，同時C3S 水化加速，放熱

13、速率加大，溶液中Ca2+ 離子濃度達(dá)到飽和點后緩慢下降。 水化反應(yīng)減緩階段：在此期間C3S 水化反應(yīng)速度達(dá)到最高峰，而后減慢并逐漸趨向于受擴散控制。 擴散階段：此期間為C3S 水化反應(yīng)完全受擴散控制的時期。一、油井水泥的水化作用第20頁/共120頁21 3）鋁酸鈣礦物的水化作用 C3A由于水化速度較快，它對水泥漿的流變性和水泥石早期強度有重要影響。其水化反應(yīng)表達(dá)式為：2C3S + 27H C2AH8 + C4AH19（六方形水化物） 與水化硅酸鈣不同，水化鋁酸鈣是不定體。水化時在C3A表面并不形成保護(hù)層，故觀察不到誘導(dǎo)期，并且很快就達(dá)到完全水化。如果在波特蘭水泥中隊這種水化反應(yīng)不加控制，將會對

14、水泥漿性能發(fā)生嚴(yán)重影響。一、油井水泥的水化作用第21頁/共120頁22 4）鐵鋁酸四鈣（C4AF）的水化 C4AF的水化作用與C3A很相似，但水化速度要低得多。它水化時生成六方形的水化鋁酸鈣和膠凝狀的鐵酸一鈣。C4AF對水泥漿的稠度稍有影響，對強度影響較小，與鋁酸鹽相比，具有更好的水泥漿流動性。一、油井水泥的水化作用第22頁/共120頁232. 波特蘭水泥復(fù)雜礦物體系的水化特點 （2）水化過程中，由于溶液中含有鋁、鐵、硫等離子，所以水化硅酸鈣結(jié)構(gòu)中可能進(jìn)入鋁、鐵、硫等離子，而鈣礬石和硫酸鹽中可能含硅，氫氧化鈣中含有少量鐵雜質(zhì)。 （3）由于水泥是各種礦物的混合物，在水化過程中各礦物之間要互相影響

15、。例如波特蘭水泥中C3A的存在將影響其中硅酸鈣的水化速度。（1）由于波特蘭水泥的水化反應(yīng)實際上是在少量水中進(jìn)行的， C3S水化時會析出大量的氫氧化鈣，同時水泥中還摻有一定量的石膏，故認(rèn)為水泥的水化是在Ca(OH)2和CaSO4飽和溶液中進(jìn)行的。一、油井水泥的水化作用第23頁/共120頁24二、油井水泥凝結(jié)與硬化 1. 水泥水化歷程及機理 用量熱法研究水泥水化過程，大致可分為四個階段：初始活潑期，誘導(dǎo)期，加速期（或稱為凝結(jié)期），及最后的緩速期（或稱為硬化期）。 圖2.5 波特蘭水泥水化曲線圖2.5 顯示了個反應(yīng)階段的主要反應(yīng)和產(chǎn)物。在初始反應(yīng)階段，當(dāng)水泥與水接觸時，馬上開始一個短暫且放熱劇烈的反

16、應(yīng)，水泥水化生成水化硅酸鈣凝膠、水化流鋁酸鈣和氫氧化鈣等水化產(chǎn)物，并很快在水泥粒子周圍形成水化產(chǎn)物的過飽和溶液。隨后，水化反應(yīng)速度迅速下降進(jìn)入誘導(dǎo)期，水化反應(yīng)速度大為降低。當(dāng)水泥顆粒周圍的包覆層在滲透壓力和結(jié)晶壓力作用下遭到破壞，水泥粒子重又水化，此時誘導(dǎo)期結(jié)束進(jìn)入加速期，放熱反應(yīng)加強，并伴有試件的微膨脹。在加速期之后出現(xiàn)水泥水化的緩速期或硬化期。在硬化期， C3S水化生成大量的C-S-H和Ca(OH)2。第24頁/共120頁252. 油井水泥在高、低溫下的反應(yīng)機理 高低溫下與常溫下水泥的水化反應(yīng)由許多不同之處。水泥的主要水化反應(yīng)不是簡單的溶解與沉淀反應(yīng)，本質(zhì)上都是固態(tài)反應(yīng)。這些局部化學(xué)反應(yīng)主

17、要發(fā)生在硅酸鹽、鋁酸鹽、鐵鋁酸鹽各自的表面。二、油井水泥凝結(jié)與硬化第25頁/共120頁261）低溫下油井水泥的反應(yīng)機理具有以下特點：（1）在-5oC 時仍能水化，但在-10oC 時水化趨于停止：（2）C3S的水化非常慢；（3）該溫度下， C2S幾乎不水化；（4）使用促凝劑可提高凝固速度，并促使抗壓強度的形成。2） 高溫下油井水泥的反應(yīng)機理具有以下特點：（1）溫度高于100oC時水泥的水化將形成不同的水化產(chǎn)物；（2）溫度高于200oC 時生成高滲透，低抗壓強度的水化硅酸鹽，引起水泥石強度衰退； （3）無Ca(OH)2存在，但反應(yīng)促使了水化硅酸鹽的生成；（4） C3A和C4AF生成的中間產(chǎn)物與水化

18、硅酸鹽警惕形成一體，殘余物繼續(xù)反應(yīng)生成石榴石和單硅鋁酸鈣。 二、油井水泥凝結(jié)與硬化第26頁/共120頁273. 油井水泥硬化機理 油井水泥硬化過程是兩種或兩種以上礦物，在有水存在的狀態(tài)下生成晶體或者凝膠產(chǎn)物，然后由亞穩(wěn)定的化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的化合物。 硬化水泥相（膠泥基質(zhì)）本身是混合物，他們最終的性能一般依賴于特組成成分的性能和其它相關(guān)的性能（如微觀結(jié)構(gòu)），這些水化相是多孔物質(zhì)，其中的固溶物是水泥水化產(chǎn)生的致密的混合物，包括晶態(tài)和非晶態(tài)。其中C-S-H凝膠是主要的，占固溶物的2/3。二、油井水泥凝結(jié)與硬化第27頁/共120頁28圖2.6 養(yǎng)護(hù)126d的波特蘭水泥的電子掃描顯微圖片 圖2.6是兩張

19、硬化四個月后的水泥掃描電子顯微圖片，可以觀察到形成的大部分結(jié)構(gòu)由附有六角棱狀鈣礬石的C-S-H凝膠和層狀的Ca(OH)2組成。二、油井水泥凝結(jié)與硬化第28頁/共120頁29三、水泥的水化速度及其影響因素 1. 水泥水化速度 水泥水化速度是決定水泥性能的主要指標(biāo)。水化速度是指在單位時間內(nèi)水泥的水化程度或水化深度。而水化程度（)是指某一時刻水泥發(fā)生水化作用的量與完全水化的比值，以百分率表示。 2. 影響水化速度的因素 1）礦物組分的影響油井水泥熟料礦物的水化速度由快到慢排列順序為： 28d內(nèi) C3A C4AF C3S C2S180d內(nèi) C3A C3S C4AF C2S第29頁/共120頁30 溫度

20、是應(yīng)相水泥水化速度的重要因素之一。除此之外，還對水化產(chǎn)物的性質(zhì)、穩(wěn)定性和形態(tài)都有重要作用。提高溫度可以加快水化，特別是可以提高水泥石早期強度，卻使后期的水化程度和強度降低。如圖2.7的放熱曲線所示，當(dāng)提高溫度后其誘導(dǎo)期和凝固階段都很短，這是因為在C3S 表面形成了一個致密的C-S-H膠質(zhì)層阻礙了水泥的完全水化。不同溫度下，水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、形態(tài)均發(fā)生了變化。 圖2.7 溫度對波特蘭水泥水化的影響 2）溫度的影響三、水泥的水化速度及其影響因素第30頁/共120頁31 3）水泥粒度分布的影響 水泥粒度分布是影響水泥水化速度和水泥漿流變性的重要因素。水泥細(xì)度越小說明其顆粒直徑越小，表面積越大，水

21、泥粒子的反應(yīng)活性越大。 4）水灰比對水化速度的影響 水灰比的變化會影響溶液中粒子的濃度，所以水泥的水化速度與水灰比有密切關(guān)系。水灰比越大，同一時間內(nèi)水泥的水化程度就越高，也就說水化速度加快了。但在實際作業(yè)中，為保證固井質(zhì)量，通常水灰比均控制在0.40.7范圍內(nèi)。在允許的情況下，盡量降低水灰比。 5）壓力的影響 提高壓力將加速水泥水化。因此，對于深井固井作業(yè)，隨著施工壓力和溫度的升高，水泥的稠化時間變短。為滿足施工要求，通常使用緩凝劑減緩水化速度。三、水泥的水化速度及其影響因素第31頁/共120頁32四、水泥水化過程中的“閃凝”和“侯凝” 1. 閃凝現(xiàn)象 把波特蘭水泥熟料單獨研磨（即不加石膏），

22、再與水混合， C3A會迅速發(fā)生反應(yīng)，溫度明顯提高，發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)和稠化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱之為閃凝，有時稱為“早凝”。 閃凝的反常凝結(jié)行為在大多數(shù)情況下是由于純熟料粉磨時沒有混入石膏，水泥中含有的鋁酸鹽和硫酸鹽相互作用而造成的，這是一種凝結(jié)無控的水泥體系，此時的反應(yīng)物為C3A的快速水化產(chǎn)物。第32頁/共120頁33 閃凝產(chǎn)生的另一個原因是水泥中石膏的含量與熟料的活性不相匹配，因而在早期水化階段， C3A與水過多的反應(yīng)生成AFm相的結(jié)果。這表明漿體液相中的鋁酸鹽、硫酸鹽和鈣離子之間處于一種不平衡狀態(tài)， 而這種不平衡是由于C3A溶解度大，而C3S、石膏的溶解度小或硫酸鹽含量不足造成的。 1. 閃凝現(xiàn)象四

23、、水泥水化過程中的“閃凝”和“侯凝”第33頁/共120頁342. “假凝”現(xiàn)象 假凝通常是由于水泥中存在的半水石膏或可溶性無水石膏過量的溶解，使?jié){體液相成為過飽和硫酸鹽溶液，從而使石膏快速凝結(jié)而引起的。此時析出針狀二水石膏，繼而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。它不是水泥中西種主要礦物的水化產(chǎn)物，而是石膏的相變產(chǎn)物。此外，水泥在研磨或貯存過程中，石膏會脫水形成半水石膏，造成水泥漿配置過程中出現(xiàn)假凝現(xiàn)象。假凝使?jié){體剛性增加很快，而又無大量熱放出現(xiàn)象；因此，若立即攪拌漿體，剛性將被消除，塑性又重新恢復(fù)。四、水泥水化過程中的“閃凝”和“侯凝”第34頁/共120頁35五、水泥陳化 袋裝或罐裝油井水泥暴露在空氣中或處在高溫

24、環(huán)境中，其性能都要受到嚴(yán)重的老化。對水泥石和水泥漿帶來下面的影響：（1）稠化時間增加；（2）抗壓強度降低；（3）水化熱降低；（4）水泥漿粘度增加。這些變化主要是由于硅酸鹽水化物的炭化作用和游離的CaO部分水化造成的。在溫度高的地區(qū)貯存油井水泥，罐內(nèi)溫度足以使石膏脫水，更易造成假凝現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行特殊井的固井施工設(shè)計時，必須謹(jǐn)慎，對水泥進(jìn)行化驗。第35頁/共120頁36CH3 特種水泥體系 隨著固井技術(shù)的進(jìn)步，固井遇到的深井、超深井、特殊井、疑難井越來越多，其完井作業(yè)都存在某些特殊問題需要解決，單靠水泥外加劑是難以解決的。所以人們又不斷創(chuàng)造出多種特殊油井水泥體系。特種水泥的作用日益重要，新型特

25、種水泥的開發(fā)，必將推動固井技術(shù)的進(jìn)步。本章分別對各種特種水泥進(jìn)行介紹。第36頁/共120頁371 低密度水泥 低密度水泥發(fā)展至今有四種： 一種是加入高比例混合水，并控制游離液。一般加入粘性固太無機物和有機物的高吸水材料和輕質(zhì)充填物，如膨潤土、硅藻土、焦炭、水玻璃等，這種方法只能使水泥漿密度降至1.44g/cm3； 第二種是加入細(xì)小而耐壓的中空玻璃球或漂珠，能使水泥漿密度降至1.32 g/cm3； 第三種是用鉆井液、礦渣、微硅、微珠通過鉆井液轉(zhuǎn)化為水泥漿技術(shù)，使水泥漿密度可調(diào)至1.321.6 44g/cm3； 第四種是泡沫水泥，能使水泥漿密度降至更低。第37頁/共120頁38一、粉煤灰水泥1.

26、粉煤灰的基本性能 粉煤灰又稱飛灰，是從以煤為燃料的發(fā)電廠鍋爐的煙氣中收集的灰渣。 1）粉煤灰的化學(xué)成分 以SiO2， Al2O3為主，并含有少量的Fe2O3，CaO，Na2O， K2O和SO3等。粉煤灰的化學(xué)成分被認(rèn)為是評定粉煤灰品質(zhì)的重要技術(shù)數(shù)據(jù)。 2）粉煤灰的礦物組成 粉煤灰主要有六種礦物組成，即玻璃微珠、石英、氧化鐵、炭粒、硫酸鹽等。其中以玻璃微珠和海綿狀玻璃體為主。粉煤灰的活性主要取決于非晶態(tài)的玻璃成分及其結(jié)構(gòu)性質(zhì)，而不是取決于結(jié)晶礦物，玻璃體的含量越多，粉煤灰的活性越高。1 低密度水泥-粉煤灰水泥第38頁/共120頁39 3）粉煤灰的物理性質(zhì) 粉煤灰密度一般為1.82.6g/cm3，

27、松散容量為600 1000kg/cm3，壓實容量為1000 1400kg/ cm3。粉煤灰顆粒直徑為0.5 300m。 如采用粉煤灰作為油井水泥減輕劑時，應(yīng)優(yōu)先選擇SiO2，Al2O3含量高和燒失量較小、玻璃體及玻璃微珠含量高，顆粒較細(xì)的粉煤灰為宜。1 低密度水泥-粉煤灰水泥第39頁/共120頁402. 粉煤灰低密度水泥漿的配方設(shè)計 粉煤灰低密度水泥漿是靠粉煤灰本身密度低于水泥并由于其活性較高可以代替部分水泥，又具有較大的用水量來降低水泥漿的密度。因此，降低的密度值由粉煤灰摻量和用水量來確定。隨便增大用水量會造成水泥漿體系不穩(wěn)定、稠化時間長、強度降低、游離液增大等缺點。使用粉煤灰前，必須先確定

28、粉煤灰的適宜用水量。粉煤灰的產(chǎn)量也需要進(jìn)行有關(guān)試驗后確定。雖然粉煤灰可部分代替水泥并可增加配置水泥漿的用水量，但受粉煤灰本身密度及水泥漿性能的影響，摻量及用水量都是有限的。1 低密度水泥-粉煤灰水泥第40頁/共120頁41 1）粉煤灰需水量的確定 通常，水泥漿的水灰比減小，則配出的水泥漿密度增高，流動性變差。粉煤灰低密度水泥也符合此規(guī)律。當(dāng)水灰比增加時，水泥漿的密度下降，但水泥漿體系的穩(wěn)定性變差，游離液量變大，見表3.1。當(dāng)水灰比增大時，水泥漿的抗壓強度下降，體積收縮率也增大。因此為確保水泥漿的性能，不能盲目增加用水量，應(yīng)首先確定粉煤灰的用水量。水灰比水灰比水泥：粉煤水泥：粉煤灰（質(zhì)量比）灰（

29、質(zhì)量比）水泥漿密水泥漿密度度g/cm3 3游離水游離水 %體積收縮體積收縮 率率 % 抗壓強度抗壓強度 MPa（75o oC,21MPa,24h) 0.890.951.11100:60100:60100:601.661.631.573.95.010.45.88.512.812.310.37.4 表3.1 粉煤灰水泥漿的水灰比與游離水的關(guān)系1 低密度水泥-粉煤灰水泥第41頁/共120頁42 粉煤灰需水量的確定方法是采用相對等流動度法。以G級水泥，水灰比為0.44時配置的水泥漿的流動度為標(biāo)準(zhǔn)，在G級水泥中摻入不同摻量的粉煤灰，并改變其用水量來配置水泥漿，使流動度等于或接近于所定標(biāo)準(zhǔn)值，此時得出的需

30、水值即被認(rèn)為是粉煤灰適宜需水量。1 低密度水泥-粉煤灰水泥第42頁/共120頁432）粉煤灰摻量的確定 粉煤灰在不同摻量下為達(dá)到同一設(shè)計密度，可以通過調(diào)整其用水量來實現(xiàn)。摻量較小時，其相對需水量較大，水泥石的收縮率也較大；隨著粉煤灰摻量的不斷加大，水泥石強度也不斷加大，這是因為水固比逐漸減小的緣故；當(dāng)摻量增加到與水泥成1：1（質(zhì)量比）關(guān)系時，其抗壓強度最高，此時粉煤灰的用水量也接近于適宜用水量。如果此時繼續(xù)增大摻量及相應(yīng)的水灰比，不但水泥漿密度下降很少，且單位體積中水泥含量降低，將影響水泥石強度的發(fā)展。 綜合以上各種影響因素，在使用粉煤灰低密度水泥漿時，推薦粉煤灰摻量為純水泥的100%，用水量

31、為其適宜用水量。1 低密度水泥-粉煤灰水泥第43頁/共120頁44 3）粉煤灰低密度水泥漿的特點 根據(jù)粉煤灰摻量的不同可調(diào)節(jié)水泥漿密度為1.551.70 6g/cm3,由于粉煤灰能與水泥水化時析出的游離石灰反應(yīng)生成穩(wěn)定的低鈣硅酸水化產(chǎn)物，提高水泥石的強度和密實性，因此粉煤灰低密度水泥不僅比其它低密度水泥具有更高的強度，而且具有較好的抗?jié)B透性和抗硫酸鹽腐蝕能力。 粉煤灰低密度水泥與膨潤土或水玻璃相比具有較高的強度，良好的穩(wěn)定性，但還存在游離液大、稠化時間長等缺點。摻入促凝早強劑后，具有稠化時間可調(diào)、強度高、游離水少等優(yōu)點，可用于油層油管的封固作業(yè)，在長封固段德固井作業(yè)可以免除分級注水泥的麻煩。粉

32、煤灰的使用屬于三廢利用，因此成本低廉、貨源廣，使用粉煤灰水泥具有良好的經(jīng)濟(jì)效益劑顯著的社會效益。1 低密度水泥-粉煤灰水泥第44頁/共120頁45二、膨潤土低密度水泥 膨潤土密度為2.602.70 g/cm3，主要由含有粘土礦微晶的蒙脫石組成，經(jīng)干燥、磨細(xì)而成的粉狀物質(zhì)。膨潤土具有規(guī)則的層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間可以吸水5.3mL，體積膨脹達(dá)15倍以上，因此設(shè)計膨潤土低密度水泥漿時主要靠增大用水量來實現(xiàn)低密度。膨潤土的作用由兩個，一個是吸附水，另一個作用是靠其吸水后的自身分散，懸浮支撐沉降的水泥顆粒，保持水泥漿體系的穩(wěn)定性。從理論上講，膨潤土低密度水泥漿的設(shè)計密度可低于1.50 g/cm3，但實際上

33、低于這個密度，就失去了其使用價值，原因是，隨著水灰比增大，膨潤土摻量也增大，而水泥石的強度降低，滲透性增加。1 低密度水泥-膨潤土低密度水泥第45頁/共120頁46 膨潤土低密度水泥能與大多數(shù)水泥外加劑相容，但由于膨潤土具有較強的吸附性，有些外加劑可能被吸附，因此外加劑的摻量應(yīng)根據(jù)需要按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗后確定。由于膨潤土具有良好的保水性，添加膨潤土的水泥漿游離液及失水量減少。密度為1.501.60 g/cm3的膨潤土水泥漿，使用溫度范圍為40100oC，其24h抗壓強度為4.58.0MPa，膨潤土的層狀結(jié)構(gòu)在溫度高于100oC時，發(fā)生結(jié)構(gòu)錯動或偏扭，強度急劇下降。1 低密度水泥-膨潤土低密度水

34、泥第46頁/共120頁471 低密度水泥-膨潤土低密度水泥 膨潤土是最經(jīng)濟(jì)的一種材料，可將膨潤土與水泥按比例預(yù)先干混，也可用預(yù)水化法加入到混合水中。由于其主要是靠增加用水量來降低密度的，膨潤土僅起到增加漿體的穩(wěn)定性，因此這種水泥抗壓強度較低。另外，膨潤土具有極強的吸附性，通常不采用外加劑來改善水泥漿性能。其實用溫度也有一定限制。這類水泥用于分級注水泥的領(lǐng)漿，作填充水泥。它具有貨源廣，成本低，使用方便等優(yōu)點。第47頁/共120頁48三、水玻璃（液體硅酸鈉）低密度水泥 水玻璃又稱泡花堿，是一種溶于水的粘滯性溶液，其組成范圍變化較大，物理性質(zhì)取決于溶液中SiO2與Na2O的含量以及它們之間的比值，即

35、模數(shù)和密度。模數(shù)就是SiO2的摩爾數(shù)與Na2O的摩爾數(shù)之比。 水玻璃低密度水泥也是因為水玻璃具有良好的保水性，可以增加配置水泥漿的用水量而達(dá)到降低水泥漿密度的目的。通?？山抵?.45 g/cm3，實際上應(yīng)用水泥密度約為1.55g/cm3。水玻璃還具有促凝作用，模數(shù)高，密度小的促凝效果好。1 低密度水泥水玻璃低密度水泥第48頁/共120頁49 水玻璃的摻量可以增加，但會造成水泥漿稠度很高，影響流動性能。水玻璃低密度水泥的溫度范圍是4090oC，并且僅用于分級注水泥的領(lǐng)漿，做充填水泥。水玻璃可以直接加入混合水中混合，使用尤其方便，成本稍高于膨潤土水泥漿。水玻璃低密度水泥除了用于領(lǐng)漿起到降低液柱靜壓

36、力作用外，由于水玻璃具有促凝作用，在地層發(fā)生井塌的地方，常用水玻璃配置一定密度的速凝水泥固井。對于表層套管固井，為贏得二次開鉆的時間，也常選用水玻璃低密度水泥。1 低密度水泥水玻璃低密度水泥第49頁/共120頁501 低密度水泥微珠低密度水泥四、微珠低密度水泥 微珠低密度水泥是由一種玻璃質(zhì)密閉的、粒細(xì)的、質(zhì)輕的、壁薄的、活性的微珠混拌進(jìn)入基本水泥中構(gòu)成。微珠密度僅為0.7 g/cm3，且是封閉的內(nèi)充空氣的玻璃珠，配置水泥漿時不吸水。秩序少量的水潤濕微珠的表面，使水泥具有一定的流動性即可。因起減輕作用的主要成分是微珠而不是水，所以隨著微珠摻量的增加，可配置出一般減輕劑達(dá)不到的低密度，而且其低水灰

37、比決定了它的高強特性，滲透性很低。第50頁/共120頁511. 微珠在液壓下的行為 在實驗室用高速攪拌機制水泥漿時，要損壞許多漂珠，從而提高漿體的密度。為此需用剪切速率混合器，這是無庸置疑的，其次漂珠低密度水泥漿在珠水泥施工時由于液柱壓力的作用，水泥體積有較大減縮，其原因這方面國內(nèi)外有兩種觀點，一為微珠進(jìn)水說；一為微珠破碎說。 1 低密度水泥微珠低密度水泥第51頁/共120頁522. 微珠水泥漿體系的穩(wěn)定性 微珠與水泥密度差異很大，分別為0.70與3.15 g/cm3。將它們混拌在一起穩(wěn)定性較差，微珠上浮，水泥下沉。運送水泥干灰時，應(yīng)特別注意，最好在現(xiàn)場重混一次，使水泥中微珠分均勻。此外減少用

38、水量和加入適量的外加劑，使水泥和微珠形成均勻穩(wěn)定的體系。1 低密度水泥微珠低密度水泥 3. 微珠低密度水泥的外加劑 配制微珠低密度水泥所采用的外加劑包括：降失水劑（主要承擔(dān)控制失水，減少水泥漿的離析分析），縮短侯凝時間降低水泥漿有效密度的早強劑，消泡劑等。第52頁/共120頁53 4. 微珠低密度水泥漿性能 表3.2 微珠低密度水泥漿的稠化性能 表3.3 微珠低密度水泥漿的失水和強度性能1 低密度水泥微珠低密度水泥第53頁/共120頁541 低密度水泥微珠低密度水泥 此外，耐高溫低密度水泥也越來越受到固井界的重視，即通過加石英粉提高微珠水泥中二氧化硅含量使其C/S比接近于1，篩除對高溫強度不利

39、的外加劑。這類水泥在遼河高升地區(qū)廣泛應(yīng)用。第54頁/共120頁55 2 泡沫水泥 泡沫水泥是一種超低密度水泥。它是在水泥漿中充入氣體（氮氣或空氣），并加入表面活性劑以穩(wěn)定泡沫。 制造泡沫水泥的方法有兩種：一種是機械充氣法，這種方法可根據(jù)需要在水泥漿中充入人以設(shè)計量的氣體，并通過人工干預(yù)形成均勻細(xì)小的泡沫。但所需設(shè)備龐大，工藝設(shè)計和施工較為復(fù)雜。另一種是化學(xué)充氣法。它是利用化學(xué)劑在水泥漿中反應(yīng)產(chǎn)生氮氣而形成泡沫水泥，由于發(fā)氣量較小，需要在水泥基漿中加入微珠以降低基漿密度。但無需添加任何輔助設(shè)備，設(shè)計簡單，施工方便。 泡沫水泥最突出的優(yōu)點是在較低密度的條件下，仍能保持較高的強度。前蘇聯(lián)、美國、加拿

40、大等國的油田及一些深水區(qū)的海上油田，多次使用泡沫水泥固井，獲得了良好的效果。第55頁/共120頁56一、泡沫水泥的基本性能1. 泡沫水泥的穩(wěn)定性 眾所周知，泡沫液是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。泡沫破壞主要是由于泡沫的液膜排液變薄和泡沫內(nèi)氣體的擴散，以及外界對膜的擾動作用造成。 2 泡沫水泥第56頁/共120頁57 1）表面張力與粘度 現(xiàn)列出幾種表面活性劑的表面張力、表面粘度和泡沫壽命的有關(guān)數(shù)據(jù)。見表3.4。 表3.4 表面活性劑的張力、表面粘度和泡沫壽命 由上表可見，表面粘度比較高的體系，所形成的泡沫壽命比較長，而表面張力低的體系不一定能形成泡沫穩(wěn)定劑。 2 泡沫水泥第57頁/共120頁58 2）液

41、膜表面電性質(zhì) 離子型表面活性基的分子在泡沫中定向排列，形成擴散雙電層。當(dāng)液面靠近一定程度時帶相同電荷的離子就會起排斥作用，防止液膜進(jìn)一步變薄，阻礙排液進(jìn)行，使泡沫穩(wěn)定。液膜雙電層受電解質(zhì)濃度影響，液膜厚度往往隨電解質(zhì)的濃度升高而變薄。 2 泡沫水泥第58頁/共120頁59 3）表面活性劑結(jié)構(gòu) 有利于泡沫穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)應(yīng)是疏水基、直鏈且長度適中(可提高吸收率）、親水基小、非離子型的親水基表面活性劑。因此，選擇好表面活性劑，是泡沫水泥穩(wěn)定的關(guān)鍵。 一般來說，利用化學(xué)劑發(fā)氣劑制備泡沫水泥，由于發(fā)氣劑和發(fā)泡劑分別預(yù)先混勻于水泥和水中，泡沫比較均勻。如果配方合理，制備方法準(zhǔn)確，就可以得到非常細(xì)小均勻的泡沫水

42、泥。 2 泡沫水泥第59頁/共120頁604）抗壓強度 泡沫水泥在不控制水的條件下，抗壓強度較高。加入降失水劑后，失水控制較好，強度降低較大（表3.5）。 表3.5 泡沫水泥的抗壓強度 2 泡沫水泥第60頁/共120頁61 5）滲透率 泡沫水泥的滲透率受密度影響最大，而且是隨著密度的增加滲透率變??；加壓養(yǎng)護(hù)比常壓養(yǎng)護(hù)的泡沫水泥的滲透率小的多，接近于常規(guī)密度水泥石 的滲透率。這主要是因為，在加壓條件下，增加了水泥石的孔隙壓力，比常壓養(yǎng)護(hù)的水泥石結(jié)構(gòu)致密，從而啊滲透率變小。泡沫水泥是一種低滲透性水泥，它可以有效的防止地層腐蝕性流體對套管的侵蝕。 2 泡沫水泥第61頁/共120頁62 6）導(dǎo)熱性 雖

43、然影響井內(nèi)流體熱損失的因素很多，但由于油管和套管受井深結(jié)構(gòu)影響，其尺寸及鋼質(zhì)型號難于按保溫條件選取，加之管垢沉積和地層因素影響，實際上人為控制油管內(nèi)熱量損失是有限的，主要取決于：（1）在油管外加絕熱層；（2）在油管絕熱層和套管之間的環(huán)空充入空氣；（3）降低水泥環(huán)的導(dǎo)熱系數(shù)。 因此，稠油開采保溫技術(shù)應(yīng)全面考慮，綜合治理，根據(jù)井況不同，使用不同重點的保溫技術(shù)。泡沫水泥導(dǎo)熱系數(shù)低，具有一定的保溫性能，是由于稠油井固井和開采的較好方法。 2 泡沫水泥第62頁/共120頁63二、泡沫水泥在井筒內(nèi)的密度和漿柱壓力 由于氣體的可壓縮性，泡沫水泥漿在井筒內(nèi)的不同位置，其密度是不完全相同的。即井深的增加，氣體體

44、積不斷減少，泡沫水泥漿的密度也隨之增大。因此，采用地面泡沫水泥漿的密度乘以井深來計算漿柱壓力，將會破壞與地層壓力的平衡關(guān)系，直接影響水泥漿的封固位置和固井質(zhì)量。 2 泡沫水泥第63頁/共120頁641. 泡沫水泥漿密度的變化 圖3.1 泡沫水泥漿密度與井深的關(guān)系曲線 為保證泡沫水泥漿的質(zhì)量，氣體必須均勻的分布在水泥漿中，即使在上返流動時也不會出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象。從圖3.1可知： 2 泡沫水泥第64頁/共120頁65（1）泡沫水泥漿的密度隨井深的增加而急劇增大，低密度范圍所適應(yīng)的井深較小。當(dāng)井深超過200m后，泡沫水泥漿的密度已接近于基漿的密度，而井深在120m以內(nèi)，泡沫水泥漿的密度較??；（2）泡沫水

45、泥漿中氣體含越多，即地面泡沫水泥漿密度和a值愈小，適應(yīng)低密度井深范圍愈大；（3）泡沫水泥漿返至井口時的壓力愈高，泡沫水泥漿低密度范圍適應(yīng)的井深愈大。 2 泡沫水泥第65頁/共120頁662. 泡沫水泥漿在井筒內(nèi)的漿柱壓力表3.6 泡沫水泥漿柱平均壓力和平均當(dāng)量密度與井深關(guān)系 2 泡沫水泥第66頁/共120頁673. 壓力對泡沫水泥漿的影響圖3.2 壓力對泡沫水泥漿密度的影響當(dāng)壓力增加至2MPa以后，泡沫水泥漿的密度已接近增大至基漿的密度，而只有壓力在0.5MPa以下，泡沫水泥漿才能保持低密度的特性； 2 泡沫水泥第67頁/共120頁684. 溫度對泡沫水泥漿的影響圖3.3 溫度對泡沫水泥漿密度

46、的影響 由圖3.3可知，溫度增加氣體膨脹，有利于泡沫水泥漿密度的減小，相應(yīng)的提高了漿體的承壓能力。 2 泡沫水泥第68頁/共120頁69三、泡沫水泥漿固井施工工藝技術(shù)1. 充氣泡沫水泥固井施工工藝技術(shù) 充氣泡沫水泥漿固井技術(shù)，由于采用了在地面向水泥漿中充氣，使得其施工工藝與其它固井施工方法有很大的差異，且需要很高的技術(shù)和相應(yīng)的專用設(shè)備與儀器。除了常用固井設(shè)備與設(shè)施外，它還需要增加：（1）一套供氣源裝置以實現(xiàn)充氣；（2）泡沫發(fā)生器裝置使 氣體在水泥漿中達(dá)到充分的分散并形成細(xì)小的獨立氣泡；（3）水泥漿流動狀態(tài)的監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和調(diào)控系統(tǒng)，以使入井的泡沫水泥漿達(dá)到設(shè)計要求；（4）其它如動態(tài)加堯裝置，井

47、口控制裝置等滿足一些滿足施工的特種工具及裝置 2 泡沫水泥第69頁/共120頁701）施工工藝方法 充氣泡沫水泥固井施工方法可以采用地面恒氣量注入，井筒水泥漿變密度方法；也可以采用地面變氣量注入，井筒水泥漿恒密度的方法，這兩種方法各有其特點。井下變密度方法是在井底油層部位可以獲得密度較高，強度也較高的水泥封固段，而上部非主要封固段德水泥漿密度較低，且強度也就較低。地面變氣量，井下恒密度這種方法，井下整個封固段都可獲得設(shè)計密度的水泥漿，也就是說主封固段和次封固段的水泥強度和滲透率等都是一樣的。 2 泡沫水泥第70頁/共120頁71 圖3.4 施工管匯連接圖2）施工流程 2 泡沫水泥第71頁/共1

48、20頁722. 化學(xué)泡沫水泥的固井工藝技術(shù) 通過化學(xué)手段配制的泡沫水泥在進(jìn)行固井施工前必須進(jìn)行密度設(shè)計和灰量計算，從而確定發(fā)泡劑和泡沫劑的加量，并選擇適當(dāng)?shù)奶砑觿┗炫浞椒?。其施工工序分為兩部分，即一路注水泥，另一路注泡沫劑。其工藝流程見圖3.5。 圖3.5 泡沫水泥施工工藝流程示意圖 2 泡沫水泥第72頁/共120頁73 泡沫水泥的施工工藝技術(shù)，除了與一般的注水泥工序有所不同外，還在于其地面注入量的控制。 利用化學(xué)劑充氮配制的泡沫水泥泡沫細(xì)小均勻，密閉獨立，穩(wěn)定性好，是一種良好的超低密度水泥，可應(yīng)用于低壓易漏井、長封固段井及熱采井的固井作業(yè)，且無須配置任何輔助設(shè)備和監(jiān)控儀表，施工方便，便于推廣

49、，具有較高的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。 2 泡沫水泥第73頁/共120頁74 3 耐高溫水泥 凡井底靜止溫度（BHST)大于110oC固井所采用的水泥，均稱為高溫水泥，一般高溫水泥使用范圍由110350oC，但有些上萬m的井及火燒油層的井，所用水泥的耐溫程度應(yīng)達(dá)到950oC。當(dāng)今無論探井或生產(chǎn)井都向深井和超深井發(fā)展，大批的深井和超深井已成為增儲上產(chǎn)的主要來源，因此固深井和超深井的高溫水泥就顯得至關(guān)重要了。第74頁/共120頁75 一、溫度對水泥石性能的影響及高溫強度衰退的原因 影響水泥強度衰退的四個可變因素為：水泥組成、養(yǎng)護(hù)溫度、壓力和時間。 在高溫條件下，水泥石強度就達(dá)到一個高值就會產(chǎn)生衰退，而且

50、存在一個臨界溫度值。 壓力對硅酸鹽強度一般在21MPa前影響較大，而在21MPa影響甚小，因此高溫井向特種水泥體系提出了涉及挑戰(zhàn)課題。 3 耐高溫水泥第75頁/共120頁76 圖3.6 養(yǎng)護(hù)溫度和壓力對水泥石強度的影響 （a）表示C級水泥隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增加而明顯衰減（b）表示200oF（93oC）或低于200oF的情況下壓力增加強度變化很小 3 耐高溫水泥第76頁/共120頁77 所有硅酸鹽水泥在臨界溫度以上都要發(fā)生強度衰退，同時滲透率增加，摻有緩凝劑和高含水量的水泥漿著這種高溫強度衰退現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，由于不同種類的水泥礦物成分組成不同，它們強度衰退的臨界溫度也有高低之分，一般是用于深井或高溫井

51、中的各類水泥，當(dāng)溫度達(dá)到110oC時便會產(chǎn)生強度衰退，而達(dá)到140oC以上這種強度損失更為嚴(yán)重，更高的溫度可能導(dǎo)致水泥石完全喪失機械強度而崩潰。 3 耐高溫水泥第77頁/共120頁78 強度衰退原因： C2S、C2S和C3S水化最初生成的C2SH2，在高溫條件下不穩(wěn)定，發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，先是生成C2SH(A)，繼而轉(zhuǎn)化為C2SH(C)，使水泥形成C2SH(A)和C2SH(C)為主體的混合物相。這兩種水化礦物的強度均小于20kg/cm3，再加上它們在固體狀態(tài)下晶型轉(zhuǎn)變破壞了水泥石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成高溫下強度急驟下降。 3 耐高溫水泥第78頁/共120頁79二、提高水泥石耐高溫的方法 1. 使用抗高溫強

52、度退化劑砂和硅粉 水泥中加入硅砂后，在高溫水熱條件下，SiO2可以吸收水泥熟料水化時析出的Ca(OH)2，水熱合成CSH(B)，降低了“液相”中的Ca2+濃度，這就打破了C2SH2或C2SH(A)，C2SH(C)等高鈣水化硅酸鹽的水化平衡，它們將繼續(xù)水化逐漸為低鈣硅酸鹽，使CSH(B)成為水泥石的主要水化產(chǎn)物，而纖維狀的CSH(B)單體高溫穩(wěn)定強度高達(dá)325kg/cm3，因此提高了硅酸鹽油井水泥在高溫下的強度和熱穩(wěn)定性。 使用硅粉的最低溫度為110oC，因為在此溫度下，純水泥石出現(xiàn)強度降低。硅粉的用量、純度和細(xì)度應(yīng)根據(jù)井的不同情況加以選擇。 3 耐高溫水泥第79頁/共120頁80 2. 抗高溫

53、水泥1）J級水泥：用于靜態(tài)溫度高于126oC的井固井，不需要加入二氧化硅。循環(huán)溫度低于149oC時，幾乎不需要加入緩凝劑，但I(xiàn)SO及API已取消著一類水泥體系。2）硅石灰水泥體系：由粉碎的石英和水化的石灰混合而成，其性能穩(wěn)定，可以判斷和預(yù)測，普通水泥緩凝劑、外加劑或加重材料對這一體系都適應(yīng)。其密度調(diào)節(jié)范圍是1.52.4kg/cm3。3）高鋁水泥：用于火驅(qū)采油井中固井，也用于封固永凍地層。鋁酸鈣水泥不同于波特蘭水泥的是它不含氫氧化鈣，不能用在超高溫井中維持抗壓強度。 3 耐高溫水泥第80頁/共120頁81三、超高溫井固井1. 地?zé)峋叹?地?zé)峋哂械湫偷母哽o態(tài)溫度，甚至范圍從232399oC，通

54、常是巖性差，滲透能力較高的地層，常帶來循環(huán)液漏失的問題。由于處于熱的狀態(tài)，需要特別的緩凝劑和阻熱或抗熱水泥配方。水泥漿密度通常必須很小，以使循環(huán)漏失量最小。地?zé)峋牧硪灰笫切枰嗑哂虚L期的強度穩(wěn)定性。 3 耐高溫水泥第81頁/共120頁822. 熱采井 采用值蒸汽驅(qū)和火燒油層進(jìn)行熱采常常會遇到低破裂壓力和高滲透率的脆弱和松散地層，因而會導(dǎo)致水泥漿漏失或失水。固井水泥總是要求返到地面，水泥必須能夠承受溫度的升高和熱的循環(huán)作用。 3 耐高溫水泥第82頁/共120頁833. 注蒸汽井 注氣熱采分為蒸汽驅(qū)和蒸汽吞吐兩種方法。注氣井的特性和有關(guān)水泥的特性經(jīng)常矛盾。注蒸汽需要高強度低滲透率的水泥，常規(guī)

55、密度和高密度的水泥漿可滿足上述要求，但由于水泥漿漏失和考慮到其熱導(dǎo)率，這類水泥漿是不合適的。因此，需要研制低密度并具有上述性能的水泥漿。44 3 耐高溫水泥第83頁/共120頁844. 火燒油層井固井 這類井又稱為原地燃燒井，通常都很淺，在開始固井時，溫度比較然而完井后，當(dāng)井被點燃后，溫度可達(dá)121193oC，其充填技術(shù)必須是能在套管周圍形成堅實的水泥環(huán)，由于溫度的可能范圍很寬，由此，每口井的水泥配方必須精確無誤。 3 耐高溫水泥第84頁/共120頁85 4 含鹽水泥漿體系 鹽（NaCl)作為油井水泥外加劑在固井工程中已被廣泛應(yīng)用。其目的為：（1）作為油井水泥早強劑以提高水泥石早期強度；（2）

56、作為平衡地層的電解質(zhì)以防止對淡水敏感的泥頁巖等地層發(fā)生跨塌；（3）為防止水泥漿對地層的溶蝕，用高含鹽的水泥漿封固高壓鹽水層、鹽膏層；（4）為解決淡水缺乏問題，在海洋、沙漠等地區(qū)直接使用鹽水或苦咸水，其中含有鹽。按含鹽量分，鹽水水泥漿大致可分為：低含鹽水泥漿和高含鹽水泥漿和鹽水水泥漿兩大類。第85頁/共120頁86一、鹽對油井G級水泥的影響1. 對水泥漿稠化時間的影響 圖3.7 鹽對水泥漿稠化時間的影響 由圖3.7可見： （1）在52oC條件下，當(dāng)鹽摻量小于水泥量的7.5%時，稠化時間變短；但摻量超過10%時，稠化時間增加，并隨其摻量的增加而逐漸增加。（2）當(dāng)溫度為62oC時，鹽對水泥漿稠化時間

57、的影響不像52oC那樣大，曲線趨于平緩。 4 含鹽水泥漿體系第86頁/共120頁87 2. 鹽對水泥石強度的影響在60oC常壓和飽和鹽水養(yǎng)護(hù)24h的條件下。當(dāng)鹽摻量低于水泥量的5%時，有明顯的早強作用。當(dāng)摻量大于10%時，其強度反而低于純水泥漿強度。對于原漿來說，稠化之后強度迅速增加，而對于含鹽量較高的水泥漿即使稠化時間與原漿接近，而稠化后的強度發(fā)展比較緩慢，或變稠而不凝固。 鹽摻量，鹽摻量，%養(yǎng)護(hù)齡期，養(yǎng)護(hù)齡期，h抗壓強度，抗壓強度，MPa0243142.524345.0243510.0242915.02419 4 含鹽水泥漿體系第87頁/共120頁88 剪切破壞試驗證實：隨著鹽摻量的增加，

58、水泥與鹽巖界面抗剪能力增大，這說明隨著鹽摻量的增大鹽與水泥膠結(jié)強度升高，有助于恢復(fù)巖鹽層由于鉆井而破壞了的某些力學(xué)性質(zhì)，提高了固井質(zhì)量。 3. 鹽對水泥鹽巖膠結(jié)狀態(tài)的影響 界面竄流試驗證實：隨著鹽摻量的增大，水泥漿中的水趨于飽和，不再溶解鹽巖；其次，較大鹽摻量使得水泥石有明顯的微膨脹。由于以上兩方面的原因說明較高鹽摻量的水泥漿與鹽巖的膠結(jié)性能明顯優(yōu)于普通水泥漿，而且鹽摻量應(yīng)大于水泥質(zhì)量的12.5%。此外，加入鹽能引起水泥石的微膨脹。 4 含鹽水泥漿體系第88頁/共120頁89二、含鹽水泥的應(yīng)用1. 低含鹽水泥（含鹽量在混合水中占15%以下） 1）油井水泥早強劑 鹽作為油井水泥早強劑自50年代以

59、來一直被沿用至今，特別是在高寒地區(qū)的固井中，一方面使水泥石具有較高的早期強度，另一方面能有效地降低配漿水的冰點。 2）為防止損害地層而使用鹽水配制水泥漿 使用含有適量鹽的水泥漿有助于防止對淡水敏感的泥頁巖、蒙托石、伊利石等粘土礦物的膨脹、分散造成的井壁坍塌，并可改善水泥與地層之間的膠結(jié)狀態(tài)。 4 含鹽水泥漿體系第89頁/共120頁902. 高含鹽及飽和鹽水泥（15%37.2%） 主要應(yīng)用于封固大段巖鹽層和高壓鹽水層，以防止地層溶解、鹽侵入水泥漿中，以及改善水泥環(huán)與地層的膠結(jié)狀態(tài)。主要用于： 1）用高含鹽水泥漿封固高壓鹽水層 所選定的鹽水濃度要盡量接近地層鹽水的濃度，最大程度的維護(hù)井壁的穩(wěn)定，保

60、證井下安全。或者要盡可能使水泥漿的含鹽量與鉆井完井液相接近，使水泥漿濾液對地層的損害程度達(dá)到最低。 2）用飽和鹽水水泥漿封固鹽巖層、鹽膏鹽層 在封固大段鹽巖層和鹽膏層時，鉆井過程中使用的是飽和鹽水鉆井液或油基鉆井液，要盡量選用飽和鹽水水泥漿固井，以防止注水泥時水泥漿溶解地層，發(fā)生溶蝕造成井徑無規(guī)則擴大，井壁坍塌等系列問題。 4 含鹽水泥漿體系第90頁/共120頁91 5 防氣竄水泥 水泥漿在井筒內(nèi)凝固時，作用于地層的漿柱壓力在不斷下降，從而引起了油、氣、水竄問題。解決的方法之一是使用可壓縮水泥。該水泥能夠在凝固過程產(chǎn)生極微小的氣泡，并使孔隙壓力增加，以彌補水泥漿凝結(jié)過程中井下壓力的降低。第91