油井水泥及其外加劑

油井水泥及其外加劑第一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日水泥漿是固井中使用的工作液。固井是由套管向井壁與套管的環(huán)空注入水泥漿并讓它上返至一定高度，水泥漿隨后變?yōu)樗嗍瘜⒕谂c套管固結(jié)起來的一種作業(yè)。前言第二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日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）主要用途：用以保護生產(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。第三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日3.1水泥漿的功能與組成一、水泥漿的功能1、固定和保護套管2、保護高壓油氣層3、封隔嚴(yán)重漏失層和其他復(fù)雜地層二、水泥漿組成水、水泥、外加劑和外摻料。1、水：淡水、鹽水第四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日2、水泥--由石灰石、粘土在1450~1650℃下煅燒、冷卻、磨細而成，主要含下列硅酸鹽和鋁鹽酸：（1）硅酸三鈣3CaO·SiO2（簡稱C3S）水泥的主要成份，水化速率和強度增加率高，早期強度和最后強度都高。（2）硅酸二鈣2CaO·SiO2（簡稱C2S）含量一般在24％～30％之間；水化反應(yīng)緩慢，強度增長慢；最終強度高。第五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日（3）鋁酸三鈣3CaO·Al2O3（簡稱C3A）含量少，水化速率高，強度增加速率低，最后強度低。（4）鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3（簡稱C4AF）含量少，水化速率高，強度增加速率低，最后強度低。

水泥水化后的早期強度主要決定于硅酸三鈣，晚期強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早期強度和晚期強度的影響都較小。除了以上主要成份之外，還有石膏、堿金屬硫酸鹽、氧化鎂和氧化鈣等。第六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日油井水泥的分類（1）API水泥的分類級別使用深度范圍m使用溫度范圍，℃類型說明普通抗硫酸鹽中高A0~1830≤76.7●普通水泥B●●中熱水泥，中、高抗硫酸鹽型C●●●早強水泥，普通和中、高抗硫酸言型D1830~305076~127●●用于中溫中壓條件，中、高硫酸鹽型E3050~427076~143●●基本水泥加緩凝劑，高溫高壓用F3050~4880110~160●●基本水泥加緩凝劑，超高壓、高溫用G0~24400~93●●基本水泥，分中、高抗硫酸鹽型H●●J3660~488049~160●超高溫用，普通型第八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日（2）國產(chǎn)以溫度系列為標(biāo)準(zhǔn)的油井水泥第九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日3、水泥的外加劑（1）水泥漿密度調(diào)整外摻料：加重劑與減輕劑（2）膨脹劑：半水石膏、鋁粉、氧化鎂等（3）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。（4）促凝劑：氯化鈣、硅酸鈉、氯化鉀等。（5）減阻劑：—萘磺酸甲醛的縮合物、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽、木質(zhì)素磺化鈉等。（6）降濾失劑：羧甲基羥乙基纖維素、丙烯酸胺、粘土等。（7）防漏外摻料：瀝青粒、纖維材料等。第十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日3.2水泥漿密度及其調(diào)整

固井時，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度，但又以不壓漏地層為度。

配水泥漿時，水與水泥的質(zhì)量比稱為水灰比。水泥漿通常的水灰比在0.3~0.5范圍，所配得水泥漿密度則在1.8~1.9g·cm-3范圍。根據(jù)地層的情況調(diào)整水泥漿密度。若密度不在所要求范圍內(nèi)，則用調(diào)整水泥漿密度外摻料來調(diào)整。調(diào)整水泥漿密度外摻料分為降低水泥漿密度外摻料和提高水泥漿密度外摻料。第十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

能降低水泥漿密度的物質(zhì)稱為降低水泥漿密度外摻料。在低壓油氣層或易漏地層固井時，需在水泥漿中加入降低水泥漿密度外摻料。◎粘土粘土的固相密度（２.4~2.7g·cm-3）。低于水泥的固相密度（3.1~3.2g·cm-3）。

◎粉煤灰

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2.1g·cm-3），比水泥的固相密度低?！蚺蛎浾渲閹r膨脹珍珠巖是通過珍珠巖高壓熔融，然后迅速減壓、冷卻所產(chǎn)生的多孔性固體?！蚩招牟Ａ⒅榭招奶沾晌⒅楹涂招碾迦渲⒅橐唤档退酀{密度外摻料第十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日1.粘土

粘土的固相密度（2.4~2.7g·cm-3）低于水泥的固相密度（3.1~3.2g·cm-3）。部分替代機理和稠化機理粘土在水泥漿中的加入量一般為水泥質(zhì)量是2％～32％，可用于配制密度在1.32～1.79g·cm-3范圍的水泥漿。若配制水泥漿的水為淡水或低濃度鹽水，則水泥漿密度降低外摻料可用膨潤土；若配制水泥漿的水為高度濃鹽水，則降低水泥漿密度外摻料應(yīng)使用坡縷石或海泡石。

第十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日2.粉煤灰

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2.1g·cm-3），比水泥的固相密度低。若將粉煤灰部分替代水泥配制水泥漿時，就可將水泥漿的密度降低。用粉煤灰可以配得密度在1.60~1.79g·cm-3范圍的水泥漿。第十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日3.膨脹珍珠巖膨脹珍珠巖是通過珍珠巖高壓熔融，然后迅速減壓、冷卻所產(chǎn)生的多孔性固體。固體中的孔隙是由珍珠巖中的結(jié)晶水在高溫減壓時氣化形成。膨脹珍珠巖的固相密度（約2.4g·cm-3）低于水泥的固相密度。若以部分膨脹珍珠巖替代水泥配制水泥漿時，就可將水泥漿的密度降低。用膨脹珍珠巖可配得密度在1.1~1.2g·cm-3范圍的水泥漿。第十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日4.空心玻璃微珠

空心玻璃微珠是將熔融的玻璃通過特殊噴頭噴出產(chǎn)生。空心玻璃微珠的粒徑在20~200μm范圍，壁厚在0.2~0.4μm范圍。表觀密度在0.4~0.6g·cm-3范圍。若將空心玻璃微珠部分替代水泥配制水泥漿時，就可將水泥漿的密度降低。用玻璃微珠可以配得密度在1.0~1.2g·cm-3

范圍的水泥漿。此外，也可用空心陶瓷微珠（表觀密度約為0.7g·cm-3

）和空心脲醛樹脂微珠（表觀密度約為0.5g·cm-3）配得低密度水泥漿。第十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

能提高水泥漿密度的物質(zhì)稱為提高水泥漿密度外摻料。在高壓油氣層固井時，需在水泥漿中加入提高水泥漿密度的外摻料?！蚋呙芏裙腆w粉末（重晶石，菱鐵礦、鈦鐵礦、磁鐵礦、黃鐵礦等）◎水溶性鹽（通過提高水相密度通過水泥漿密度）

二提高水泥漿密度外摻料第十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日一、水泥漿稠化水泥漿稠化：水與水泥混合后水泥漿逐漸變稠，水泥漿這種逐漸變稠的現(xiàn)象稱為水泥漿稠化。水泥漿稠度：水泥漿稠化的程度用稠度表示。水泥漿的稠度是用稠化儀通過測定一定轉(zhuǎn)速的葉片在水泥漿中所受的阻力得到，單位為Bc（泊登）。

3.3水泥漿稠化及稠化時間的調(diào)整第十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日水泥漿稠化速率：用稠化時間表示。稠化時間是指水與水泥混合后稠度達到100Bc所需的時間。為使水泥漿順利注入井壁與套管的環(huán)空，應(yīng)要求稠化時間等于注水泥漿施工時間（即從配水泥漿到水泥漿上返至預(yù)定高度的時間）加上一小時。

第十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第二十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

水泥與水混合成水泥漿后，與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成各種水化產(chǎn)物。逐漸由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，使水泥硬化和凝結(jié)，形成水泥石。

1、水泥的水化反應(yīng)水泥的主要成分與水發(fā)生的水化反應(yīng)為：

3CaO·SiO2＋2H2O2CaO·SiO2·H2O十Ca(OH)22CaO·SiO2＋H2O2CaO·SiO2·H2O3CaO·Al2O3＋6H2O3CaO·Al2O3·6H2O4CaO·Al2O3.Fe2O3＋6H2O3CaO·Al2O3·6H2O＋CaO·Fe2O3·H2O

除此之外還發(fā)生其他二次反應(yīng)，生成物中有大量的硅酸鹽水化產(chǎn)物及氫氧化鈣等。在反應(yīng)的過程中，各種水化產(chǎn)物均逐漸凝聚，使水泥硬化。第二十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日水化反應(yīng)生成的Ca（OH）2還可與3CaO·Al2O3和4CaO·Fe2O3·Fe2O3發(fā)生水化反應(yīng)第二十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日2、水泥水化過程

水泥的水化分為五個階段：第二十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日2、水泥水化過程

水泥的水化分為五個階段：①預(yù)誘導(dǎo)階段：這階段是在水與水泥混合后的幾分鐘時間內(nèi)．在這階段，由于水泥干粉為水潤濕而開始水化反應(yīng)，放出大量的熱(其中包括潤濕熱和反應(yīng)熱)。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，阻止了水泥顆粒進一步水化，使水化速率迅速下降，進入誘導(dǎo)階段．第二十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日2、水泥水化過程②誘導(dǎo)階段：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逐漸溶解(因它對水泥漿的水相未達到飽和)，所以在這階段后期，水化速率有所增加．③固化階段：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，在水泥顆粒間形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使水泥漿固化。第二十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日④硬化階段：在這階段，水泥顆粒間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得越來越密，水泥石強度越來越大，因此滲透率越來越低，影響未水化的水泥顆粒與水接觸，水化速率越來越低．⑤中止期：在這階段，滲入水泥石的越來越少，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程。2、水泥水化過程第二十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日二水泥漿稠化時間調(diào)整

調(diào)凝劑促凝劑縮短水泥漿稠化時間的物質(zhì)緩凝劑延長水泥漿稠化時間的物質(zhì)

1.促凝劑舉例

氯化物、碳酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、鋁酸鹽、低分子有機酸鹽等。

促凝機理

通過壓縮析出水化物表面的擴散雙電層，使它在水泥顆粒間形成有高滲透性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于水的滲入和水化反應(yīng)的進行而起促凝作用。

第二十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日2.緩凝劑舉例①硼酸及其鹽第二十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日②膦酸及其鹽第二十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日③羥基羧酸及其鹽④木質(zhì)素磺酸鹽及其改性產(chǎn)物第三十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第三十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日⑤水溶性聚合物第三十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第三十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日緩凝機理：吸附機理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，影響其在固化階段和硬化階段形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的速率。

螯合機理緩凝劑可與Ca2+通過螯合形成穩(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。第三十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第三十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日一水泥漿流變性水泥漿流變性與水泥漿的流動阻力有關(guān),與水泥漿對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。二水泥漿流變性的調(diào)整

水泥漿流變性調(diào)整主要是通過加水泥漿減阻劑降低流動阻力

減阻劑作用機理：（同泥漿降粘劑）通過吸附提高水泥顆粒表面負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

3.4水泥漿流變性及其調(diào)整第三十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日減阻劑類型

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、抗鹽性強、緩凝作用好等特點

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使用時要加消泡烯類單體低聚物聚乙烯磺酸鈉、聚苯乙烯磺酸鈉、苯乙烯磺酸鈉與順丁烯二酸酐的共聚物等（2~6×103）熱穩(wěn)定性高、不起泡、不緩凝、減阻效果好

磺化樹脂低縮聚物磺化烷基萘甲醛樹脂、具有烯類單體低聚物特點，但有一定的緩凝作用（2~4×103）第三十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第三十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

水泥漿濾失量要求：一般固井常規(guī)濾失量小于250mL，深井固井小于20mL

，油氣層固井小于20mL。地層滲透率越高，濾失量應(yīng)越低。

降濾失劑分類：

固體顆粒捕集和物理堵塞機理乳膠穩(wěn)定的乳膠通過粘稠液珠在地層孔隙結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生疊加Jamin效應(yīng)起降濾失作用；不穩(wěn)定的乳膠通過液珠在地層孔隙表面成膜，降低地層滲透率而起降濾失作用。

水溶性聚合物

增粘、吸附、捕集和物理堵塞機理3.5水泥漿濾失性及其控制第三十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日水泥漿降濾失劑第四十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日水泥漿降濾失劑第四十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日水泥漿降濾失劑第四十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日水泥漿降濾失劑第四十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

氣竄：高壓氣層中的氣體沿著水泥石與井壁和（或）水泥石與套管間的縫隙進入低壓層或上竄至地面的現(xiàn)象。

氣竄原因：水泥降在固化階段和硬化階段體積收縮。

防氣竄劑（水泥漿膨脹劑）：

1.半水石膏

CaSO4·

1/2H20+3/2H2O→CaSO4·2H2O

（半水石膏）