油井水泥外加剂以及固井工艺技术ppt课件.ppt

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1、概 述,随着石油勘探开发事业的发展，钻井技术的进步给固井提出更高的技术要求。用纯水泥固井已成为过去，一代又一代的油井水泥外加剂问世，用以改善水泥浆性能，使之能适应深井或超深井、特殊井复杂地层等的固井施工，达到封隔地层、支撑套管和地层、保护油气层、延长油井寿命和提高石油采收率的目的，同时外加剂的应用水平的提高反过来也促进固井技术的发展。如今，固井工程已成为石油工程、化学工程、硅酸盐科学、高分子科学、流变学等多学科互相渗透的综合学科。,固井可能带来的危害,作业水深：1524m离岸距离：77km油 公 司：BP钻井承包商：越洋钻探公司固井服务公司：哈里伯顿,11人死亡，17人受伤，大面积海域受到严重

2、污染,水下防喷器组,现代完井工程简介,井筒密封性没有建立或失效环空注水泥质量差，未能封隔油气储层，导致油气上窜套管鞋装置失效，未能阻止油气上窜未能及时监测到油气上窜，井控失效负压力测试解读错误，油气井完整性未满足要求，就进行下一步的施工井控监督未及时下达指令紧急停车系统失效，造成油气点燃油气在深水平台上点燃导流至泥浆天然气分离装置时天然气泄漏至钻机平台消防系统未能组织油气点燃紧急封井器未能及时密封紧急封井器未能封住井口,充氮水泥体系复杂，影响因素多水泥浆体积少，易受污染（充氮水泥45桶）未加降失水剂未进行全面的室内实验充氮水泥可能稳定性差，氮气会上窜,环空水泥密封性差,充氮水泥中50的泡沫地面

3、条件下不稳定约18.5的泡沫水泥（井下条件）不稳定哈里伯顿公司的充氮水泥浆的屈服值过低（135时的屈服值为2 1b/100ft2）水泥浆的失水量过大（失水为302mL/30min，标准规定为50mL/30min）,委托独立实验室对固井水泥浆进行了超过500次的实验,水泥浆体系存在的问题,套管鞋内2道密封失效（套管内水泥和浮箍阀）充氮水泥易受污染，氮气从浆体中上窜油气进入套管内另一个的原因可能是：浮箍阀未能转换或者密封失效,套管鞋内密封失效，密封装置失效,套管鞋内装置未能封隔油气,现代完井工程简介,固井可能带来的危害,台H6-1井339.7mm表层套管固完井候凝时，北东方向约250米冒气水后目前

4、情况,涩北气田气层埋藏浅，分布井段长（408.0-1738.2m），层数多（54-79），气水界面复杂,浅层气、浅层盐水活跃。台H6-1井、台6-7井，一开钻至800m下入表层套管固井后，候凝过程中套管外地表窜出盐水和水溶气，被迫报废,台6-7井273mm表层套管固完井候凝时，地表窜出盐水和水溶气,第一节 油井水泥 Oil well cement,常用的油井水泥主要为硅酸盐水泥。本节介绍的波特兰水泥，即为硅酸盐水泥，因为它呈灰色，同英国海岸外围波特兰岛上的石头颜色很相似，故得名“波特兰水泥”油井水泥广泛用于石油和天然气的勘探与生产，也用于水井、污水处理井和地热井中的密封；主要用于密封井筒中地层

5、与套管柱间的环形空间，以便将高压地层与低压地层隔开,为了能有效地封闭环空，油井水泥必须具备以下性能：,1.水泥石渗透率低；2.水泥与地层岩石和套管胶结良好；3.在地层条件温度、压力下性能不变并能承受继续钻进时的机械振动；4.保持套管免受井内腐蚀性介质的腐蚀；5.保护套管，防止钻井时井壁岩石蠕动导致的套管损伤。,一、波特兰水泥的化学组成及矿物组成,1.原料：分为两大类：一类是钙质材料为主，其中CaO质量分数大于45%；另一类是粘土质材料，包括有铝矾土、页岩、泥灰岩、火山岩等，要求粘土质材料中二氧化硅质量分数为60%70%、Al2O3：1020%、Fe2O3：49%，除此之外尚须加入部分校正材料，

6、如硅石、铁矿石、蛇纹石等,第一节 油井水泥 Oil well cement,2.化学组成:,CaO: 6267% SiO2: 2024% Al2O3: 37% Fe2O3: 26%,3.水泥熟料的矿物组成,水泥熟料是一种多矿物的聚集体，由许多不同的矿物和中间体组成，主要由:硅酸三钙3CaOSiO2 （C3S)水泥的主要成份，一般的含量为 4065。对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响高早期强度水泥中含量可达6065， 缓凝水泥中含量在4045硅酸二钙2CaOSiO2 （C2S）含量一般在2430之间； 水化反应缓慢，强度增长慢； 对水泥的最终强度有影响,第一节 油井水泥 Oil well

7、cement,铝酸三钙3CaOAl2O3（简称C3A）促进水泥快速水化；其含量是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素；对水泥浆的流变性及早期强度有较大影响；对硫酸盐极为敏感；对于有较高早期强度的水泥，其含量可达15。 铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3 （C4AF）对强度影响较小，水化速度仅次于C3A，早期强度增长较快，含量为812 其中硅酸盐质量分数为80%。除上述四种基本化合物外，还可能有石膏、碱金属类硫酸盐、MgO、游离CaO和其它混合物,第一节 油井水泥 Oil well cement,第一节 油井水泥 Oil well cement,4、水泥的水化水泥与水混合成水泥浆后，与水发生化学

8、反应，生成各种水化产物。逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。（1）水泥的水化反应 水泥的主要成分与水发生的水化反应为： 3CaO SiO22H2O2CaO SiO2 H2O十Ca(OH)2 2CaO SiO2H2O 2CaO SiO2 H2O 3CaO Al2O36H2O 3CaO Al2O3 6H2O 4CaOAl2O3Fe2O36H2O 3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O 除此之外还发生其他二次反应，生成物中有大量的硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。在反应的过程中，各种水化产物均逐渐凝聚，使水泥硬化。,（2）水泥凝结与硬化溶胶期：水泥与水混合成胶体液，开始发生水化反应

9、，水化产物的浓度开始增加，达到饱和状态时部分水化物以胶态或微晶体析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流动性。凝结期：水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及微晶体大量增加，晶体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶体系。水泥浆变绸，直到失去流动性。硬化期：水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，强度增加，硬化成为水泥石。（3）水泥石组成无定性物质（水泥胶），它具有晶体的结构，颗粒尺寸大体在0lmm左右，互相连接成一个整体。氢氧化钙晶体，是水化反应的产物。未水化的水泥颗粒,第一节 油井水泥 Oil well cement,二、API油井水泥分级方法,鉴于油井水泥特殊的使用环境及对性能的要求，API建

10、立了专门的油井水泥分级方法。目前API水泥分A至H八个级别。每种水泥适用于不同的井况。此外还根据水泥抗硫酸盐能力进行分类，分为普通型（O）、中抗硫型（MSR）和高抗硫型（HSR）。表1-1列出了各种级别API水泥的典型组分及表面积范围。,API级别通常潜在的晶相（质量分数） 常规细度（cm2/g） C3S-C2S C3A C4AF A 45 27 11 8 1600 B 44 31 5 13 1600 C 53 19 11 9 2200 D 28 49 4 12 1500 E 38 43 4 9 1500 G 50 30 5 12 1800 H 50 30 5 12 1600,第一节 油井水泥

11、 Oil well cement,A级：在没有特殊要求的条件下,适用深度:01830m,温度： 76.7,仅作为普通类型水泥使用。 B级：有中等或较高的抗硫能力,适用深度:01830m,温度：76.7,属中热水泥,C3A含量比A级水泥低。 C级：早期强度较高，适用深度:01830m。分O、MSR、HSR型. D级：在中等温度和压力下，适用深度为1830m3050m。温度：76127，分MSR和HSR型。 E级：在高温高压下，适用深度：3050m4270m。温度：76143，分MSR和HSR型。,第一节 油井水泥 Oil well cement,二、API油井水泥分级方法,G级、H级：目前使用最

12、广泛的油井水泥。适用于一般油井固井，从地面到2440m深度，温度：093，当加入促凝剂或缓凝剂时，可更广泛用于各种井深和温度范围。可作为MSR或HSR类型水泥使用。G级水泥与H级水泥的化学成分基本相同，主要区别在于水泥颗粒的粒度和比表面积不同。H级水泥的粒度比G级粗。,F级：在超高温高压下，适用深度：3050m-4880m。温度：110-160，分MSR和HSR型。D级、E级和F级水泥都称为“缓凝水泥”，适用于较深的井。通过大幅度降低水化速度快的C3S和C3A的含量并增大水泥粒度等方法而达到缓凝的目的。目前由于缓凝剂的开发和使用技术有了很大的发展，此类水泥的使用量下降了。,二、API油井水泥分

13、级方法,第一节 油井水泥 Oil well cement,第二节 油井水泥外加剂,在钻井过程中，水泥的用量是相当大的。油井水泥的外加剂是用来调整水泥浆性能的化学助剂。50年代，固井被看作是一门“技艺”，而70至80年代它已成为多种学科互相渗透的综合科学“固井学”了。外加剂的作用和地位超过了水泥本身，有人认为“油井水泥总是作为外加剂的载体用于固井工程中”。外加剂是指掺入量小于或等于水泥重量5%，主要通过物理或化学的作用使水泥浆达到某种性能。油井水泥外加剂主要可分八大类型：,一、促凝剂 (Accelerator),用以缩短稠化时间，加速水泥凝结及硬化；或者用来缓解因加入其它外加剂如分散剂、降失水剂

14、等引起的过缓凝作用。分为无机促凝剂、有机促凝剂和复合促凝剂。,1、无机盐类促凝剂,氯化物是最常用的油井水泥促凝剂。其它如碳酸盐、硅酸盐、铝酸盐、硝酸盐、硫酸盐Na2SO4、Al2(SO4)3、Na2S2O3及钠、钾、铵的氢氧化物也是油井水泥促凝剂。其中CaCl2是最有效、最经济的促凝剂，通常加量为水泥重量的24%。以上促凝剂促凝早强作用强弱顺序为：阳离子：Ca2+Mg2+Li+Na+H2O阴离子：OHClNO3H2O,氯化钙促凝作用机理：,a. 对油井水泥水化作用的影响：一种观点认为CaCl2可以加速铝酸盐或石膏体系的水化速度而起到促凝作用;另一观点认为促凝剂并非促进C3A的水化，而主要是促进

15、C3S的水化。b. 水化硅酸盐凝胶C-S-C结构变化： CaCl2存在下由C-S-C凝胶转化为絮状松散结构，明显提高水化速率。,第二节 油井水泥外加剂,c. Cl-的扩散作用：Konodo认为Cl-的扩散系数比Ca2+大得多，Cl-扩散入水化硅酸钙凝胶屏蔽层的速度大于Ca2+的速度。这样势必引起OH- 向外扩散来保持电平衡，因而形成了羟钙石沉积使水化诱导期提前结束。Singh认为Cl-比OH-小，进入C-S-C凝胶层较容易，这样可使胶粒内压力很快升高而使C-S-C凝胶表层早期破坏而加快了水化速度。d. 改变水化液相的组成： CaCl2的存在，强烈地改变了水泥浆液相中的离子分布，从而加快了水化速

16、度。,氯化钙促凝作用机理：,有机化合物促凝剂：,包括甲酸钙、甲酰胺、草酸和三乙醇胺（TEA）等,第二节 油井水泥外加剂,TEA在铝盐中为促凝剂，能加速C3A的水化并在C3A -CaSO4体系中能加速钙矾石的生成；但在硅酸盐中使C3S水化诱导期延长现时表现出缓凝或缓凝后促凝的作用，故一般不单独使用而是和其它外加剂配伍使用，以缓解或消除由某些外加剂引起的过缓凝作用。,第二节 油井水泥外加剂,复合促凝剂：,具有显著的早强效果和一定的后期增强作用。如由NaNO2（1%）、CaSO42H2O（2%）和三乙醇胺（0.05%）所配制的复合外加剂，是一种较好的促凝剂。当NaNO2、CaSO42H2O与三乙醇胺

17、复合作用时，微量的三乙醇胺不改变水泥的水化生成物，却能加速水泥的水化速度。亚硝酸盐和硝酸盐都能与C3A生成络盐，对水泥环的早期强度及防止套管锈蚀等方面均起着好的作用。二水石膏的加入，使水泥-水体系中SO42-的浓度增加，为较早较多地生成钙矾石创造了条件，这对水泥环早期强度的提高起着积极的作用,2、缓凝剂 (Retarder),缓凝剂可延长水泥凝结时间，增加可泵安全期，并适当降低水泥浆的粘度。其作用机理：a.吸附理论-缓凝剂分子吸附在水化产物表面，阻止水泥颗粒与水进一步接触。b.络合理论-Ca2+被缓凝剂分子螯合，阻止核生成。c.沉淀理论-缓凝剂和液相中的Ca2+或OH-反应形成一个不溶解、不渗

18、透的膜包裹在水泥颗粒表面，从而抑制水泥颗粒的进一步水化，起到降低水化速度的作用。d.成核理论-缓凝剂吸附在水化产物的微核上阻止它进一步生长。,第二节 油井水泥外加剂,目前常用的缓凝剂,（1）.木质素磺酸盐类 对各种油井均有效，可用于30004000m井深中，用量为水泥质量的0.1%1%，使用温度最好不超过122。可单独使用，亦可和硼酸、硼砂或密胺树脂复合作用，若体系中加入硼酸钠时，可使作用温度扩展到315。 作用机理：吸附和成核两种理论的综合。对低C3A型水泥缓凝效果更好。,第二节 油井水泥外加剂,（2）.羟基羧酸,葡糖酸和葡庚酸盐是这类缓凝剂中最广泛应用的材料（国内产品S12），有效使用温度

19、为150 。 同时柠檬酸及其盐也是强缓凝剂，并且还具有较强的分散能力。一般用量为0.3%0.8%，国内产品有SN-1、SN-2等。,作用机理：,依靠分子中、羟基羧酸基团HO-CH2-COOH、 HO-CH2- CH2 -COOH，这些基团对阳离子（如Ca2+) 有很强的螯合能力，形成高度稳定的五圆、六圆环结构；部分吸附于水泥颗粒表面“毒化”水化产物成核中心，阻碍核的生长，达到抑制水化的目的。,第二节 油井水泥外加剂,（3）.糖类化合物,含有五圆环的（如蔗糖、棉子糖）为最好，它的缓凝效果对很小的浓度变化都表现得非常敏感，故在应用上受限制。,作用机理：,其缓凝作用取决于其在碱性条件下水解的敏感度，

20、糖转化为含-羟基（HO-C-C=O）的葡糖酸，它将强烈吸附在C-S-H凝胶表面，使C-S-H凝胶的成核中心被吸附于表面的阴离子“毒化”，抑制水化。,第二节 油井水泥外加剂,（4）.纤维素衍生物,最常用的是CMHEC（羧甲基羟乙基纤维素 ），使用温度120，加量0.20.5%，CMHEC使水泥浆体系增稠，常与分散剂复合使用。 机理：大分子吸附于水泥颗粒表面所致。,（5）.有机磷酸盐,烷基磷酸盐是近年来常用的油井水泥缓凝剂。此材料有优秀的水化稳定性并且使用温度高达204。国内主要牌号为H-1（羟基乙叉二磷酸）。其最佳使用温度在90以下，加量少、效果好。常用量为0.021.0%。当与高温屏蔽剂如柠檬

21、酸等复配作用时，使用温度可高达130。,第二节 油井水泥外加剂,（6）.无机化合物,许多无机化合物可使油井水泥缓凝，常用的有：硼酸、磷酸、氢氟酸、铬酸及其盐类；质量分数大于20%的氯化钠；锌和铅的氧化物。,国内常用的缓凝剂,a.HR-A深井高温缓凝剂即为硼酸、硼砂和高分子材料的复合体系，加量为0.2%2%，适用温度为100200。华北油田应用普遍。b.FCLS 加量为0.080.15%，胜利油田应用较多，中原油田将FCLS与CaCl2复配用于深井固井作业。c.CMC-8 超低粘羧甲基纤维素，抗温130 ，加量0.050.2%，四川油田应用。d.DQH-4 以有机酸为主复配少量分散剂而成，大庆油

22、田应用广泛。e.S12系列，类似国外HR-13L，与S24、S27等降失水剂复配，具有一定的抗盐性，在大港30余口，合格率100%。,第二节 油井水泥外加剂,3、充填剂（减轻剂）Extender,(1).用途： 用以降低水泥浆体系密度，从而使固井水泥浆柱的静压力下降。这有助于防止由于薄弱地层的破裂而引起的井漏，保证固井质量。(2).减轻剂依其作用原理不同分为三类：a.膨润土类材料，其吸附能力强，造浆率高，即通过水泥浆高的水灰比来降低水泥浆密度。b.微珠类低密度材料因其自身密度比水泥轻，故加入水泥浆之后可以使水泥浆密度降低。 c.泡沫水泥类，以向水泥浆中充气或化学发气的办法， 使之形成低密度的泡

23、沫水泥。,第二节 油井水泥外加剂,国内常用的减轻剂,(1). 膨润土 密度为2.62.7g/cm3，是常用的粘土类水泥浆减轻剂，其中蒙脱石含量在85%以上。(2). 硅酸钠 与CaO、CaCl2生成CaSiO3凝胶，提高水灰比而降低水泥浆的密度。常用量为0.23%，适宜温度为6070。(3).硬沥青 密度与水相近，可配制低密度、高强度的水泥浆体系，常与膨润土等复合使用，适用温度为150以下。,第二节 油井水泥外加剂,(4).粉煤灰 粒度约为150um，具有较高的比表面和反应活性，与Ca(OH)2或其它碱土金属氧化物反应生成低硅酸盐水化物。用用粉煤灰配制水泥浆可使水泥密度降到1.61.7g/cm

24、3 。粉煤灰低密度水泥体系具有很强的抗腐蚀能力，其水泥石抗压强度也明显高于粘土体系。(5).微珠 分空心玻璃微珠和脲醛树脂微珠两类，用于超低密度高强度水泥体系，解决易漏地层和地热井、热采井固井施工问题。,4、加重剂 Weighting Agent,能够增加水泥浆比重的外加剂当钻遇高压油气层或在老油田调整井固作业时，为防止井喷、气窜需加大水泥浆密度，常常向水泥中掺入加重剂。通常用作加重剂的物质：(1).加重材料 即材料本身特别重，如重晶石BaSO4、赤铁矿、钛铁矿及石英砂等。(2).分散剂 在保证施工条件下（泵注）下，大幅度降低水灰比。(3).盐 盐水水泥浆或饱和盐水水泥浆也能提高水泥浆的比重。

25、,第二节 油井水泥外加剂,对于加重剂，必须满足以下要求：,比重高；颗粒粒度及其分布与水泥颗粒级配；吸水小；经济实用。,5、分散剂(Dispersant),用来调节水泥颗粒表面电荷，降低水灰比，以获得理想的水泥浆流变性的外加剂。,第二节 油井水泥外加剂,常用的分散剂有,（1）磺酸盐水泥分散剂a. 密胺磺酸盐（PMS）：建筑业中常用，在油井水泥中应用不多，使用温度小于85；b. 聚萘磺酸盐：此类产品是目前油井水泥最通用的分散剂，是 -萘磺酸盐和甲醛的缩合产物。国外牌号有PNS、NSFC 、国内牌号有FDN、NF、UNF等。已在吉林油田使用，NF在辽河、吉林及新疆油田使用。c .木质素磺酸盐：水泥浆

26、良好的分散剂，如铁铬盐FCLS。,（2）SXY型抗高温分散剂,为丙酮和甲醛缩聚物，分子结构中含-OH、-CH3、 C=O和-SO3H基团，其使用温度可达150，是目前国内最好的高温水泥分散剂。SXY、SAF即为此类物质，已在四川、吐哈油田推广应用。（3）低相对分子质量的羟基聚多糖 如水解淀粉、纤维素和其它非离子型聚合物、聚乙烯醇、聚氧乙烯和聚乙二醇等；（4）低分子化合物 如羟基羧酸，柠檬酸、酒石酸、水杨酸等。其中柠檬酸具有极好的抗盐耐温性能，常用于盐水水泥浆体系和高温固井作业中作为分散剂。,第二节 油井水泥外加剂,作用机理,对于表面活性剂类，其作用机理为：吸附作用、形成扩散双电层及润滑作用。

27、对于聚合物类则是热力学熵和焓的贡献阻止了聚合物大分子链的相互缠结，因而阻止了吸附有聚合物大分子链的水泥颗粒的相互接近，即存在聚合物大分子的吸附分散作用。 总而言之，加入分散剂后，由于吸附分散作用、润滑作用及络合作用，在改善了水泥浆流变性的同时，减慢了水泥胶体向晶体转化的速度，结晶完整而致密，使水泥浆凝固后的孔径变小，分布均匀，总孔隙率降低，从而提高了水泥石的后期强度。,第二节 油井水泥外加剂,6、降失水剂（Fluid-loss Control Agent）,定义：控制水泥浆水相向地层漏失。降失水剂的主要作用：（1）当水泥浆液相向地层滤失时，在地层表面形成水泥滤饼，降失水剂改善滤饼结构，形成致密

28、、渗透率低的滤饼从而降低失水。（2）常用聚合物类降失水剂，可增大水泥浆滤液粘度，增加向地层滤失的阻力，降低水泥浆失水。,第二节 油井水泥外加剂,理想的降失水剂应具备如下要求,热稳定性好，有较宽的工作温度范围；抗盐能力强；对水泥浆体系无不良副作用，并能与其它外加剂匹配；加量少、成本低，无污染。,目前常用的降失水剂,（1）微粒材料：膨润土、粘土、沥青、微硅、热塑性树脂和胶乳水泥。（2）水溶性聚合物：天然改性高分子材料和水溶性聚合物已成为水泥浆降失水剂的重要组成部分。国内常用的降失水剂如S24、S27、羟乙基田菁、羟乙基合成龙胶、改性纤维素及改性淀粉等属天然改性高分子材料。、XS-2、LW-1、SZ

29、1-1、SK-1、PQ-1等均为合成水溶性聚合物。,第二节 油井水泥外加剂,作用机理,a.增大液相粘度-在一定条件下（如低温可泵）的确能使失水量得到一定控制，但却给施工带来一定的困难（泵压大，顶替效率不高） b.改善滤饼质量-在水泥浆中如果颗粒的分选程度适当，滤饼就变得致密，滤失量就小。降失水剂主要通过改善水泥颗粒的级配，以控制滤失速度。,应用情况,（1）.LW-1 丙烯酰胺和丙烯酸共聚物，分子量150万。适用温度90170，需和HR-A复配使用。华北油田使用较多。（2）.LW-2 CMC为主+适量助溶剂+有机羧酸盐。使用温度4590，华北油田使用较多。（3）.S24高分子复配产物 使用温度4

30、0140，与酒石酸、UNF组成的复合体系具有一定的抗盐性及减阻性能。已在安徽、青海、河南等油田使用。,第二节 油井水泥外加剂,（4）. S27高分子复配产物 加量1-2%,可使失水降至150ml/30min.7MPa，加量为1.5%时，适用于含盐水泥浆体系。在大港油田固井3口获得成功。（5）.XS-2 “七五”国家重点攻关项目成果，为丙烯酸盐-丙烯酰胺的无规共聚物。使用温度60-120，与其它外加剂相容性好，已在中原、辽河、吐哈、四川、华北油田推广应用。（6）.FC-03、FC-06 阴离子-阳离子共聚物，使用温度小于130。（7）.SK系列 乙烯基单体与丙烯酸共聚物，与硼酸复配在长庆油田固井

31、成功。,第二节 油井水泥外加剂,应用情况,7、堵漏剂,控制水泥浆向薄弱地层漏失常用的堵漏材料有：速凝水泥浆或硅酸钠凝胶、赛璐珞屑、压碎的胡桃壳、松木纤维、级配好的CaCO3和NaCl等微粒材料。,第二节 油井水泥外加剂,8、特殊外加剂,复配外加剂如防气窜剂、消泡剂等,第三节 特种水泥（Special cement）,随着石油工业的发展，钻遇的地层日趋复杂，对于某些特殊的问题，诸如水泥浆体积收缩、漏失、微间隙井、盐岩层和腐蚀性地层水、高温深井及气窜等，普通的水泥浆很难保证固井施工的安全和固井质量。这就需要特种水泥来解决此类问题，这里我们重点讨论膨胀水泥、胶乳水泥及硅灰水泥。,一、膨胀水泥（Exp

32、ansive cement）,众所周知，水泥环与地层、套管之间良好的胶结是实现有效的层间封隔的基础，如果界面胶结不良，将会影响后续增产措施的实施。 膨胀水泥即在水泥浆凝结时产生轻度体积膨胀的水泥体系，可以封闭环空微隙、改善水泥环与地层、套管的界面胶结。几种膨胀水泥体系如下：,第三节 特种水泥（Special cement）,1.钙矾石体系,（1）K型水泥：由硅酸盐水泥掺有硫酸钙、氧化钙和无水硫铝酸钙等煅烧熟料混合而成，膨胀率为0.050.20%。（2）M型水泥：由硅酸盐水泥和铝酸钙、硫酸钙混合而成。（3）S型水泥：为高C3A含量的硅酸盐水泥，并掺有10.2%15%的石膏。使用寿命较短。（4）C

33、3A5%的硅酸盐水泥，掺入半水石膏，与S型相似，不同之处在于半水石膏在注水泥前掺入，此体系具有触变性。,第三节 特种水泥（Special cement）,以上产品均为国外产品，属于钙矾石膨胀水泥系列的国内产品有SEP型油井水泥膨胀剂。SEP为钙、镁的氧化物，在未水化之前加入硅酸盐油井水泥中。 SEP型油井水泥膨胀剂的应用明显提高固井优质率，特别对于大斜度井、水平井固井以及低密度水泥浆体系，具有特殊功效。 SEP型油井水泥膨胀剂已在国内各主要油田广为应用，效果良好。,（5）SEP型油井水泥膨胀剂,钙矾石膨胀水泥体系的作用机理：,此体系含有钙、铝、镁氧化物和石膏，在水泥水化条件下能促使高硫型水化硫

34、铝酸钙（即钙矾石）的形成及生长。钙矾石为针状或柱状结晶，每个晶胞含有32个水分子，故其体积较大。随着水化反应进行，钙矾石结晶体不断长大，并填补水泥石内孔隙结构。这种体积长大在有限空间进行，对套管和地层均产生预应力，因而增加水泥石与套管、地层两界面的胶结力。又由于向水泥石孔隙内膨胀，使水泥石结构致密，提高了水泥石的抗压强度并降低了渗透率。,第三节 特种水泥（Special cement）,净浆与膨胀水泥体系比较,第三节 特种水泥（Special cement）,2.氯化钠水泥体系,当水泥浆中含盐量（氯化钠）大于5%时，氯离子与水泥中C3A的水化物反应生成氯铝酸钙复盐（C3ACl10H2O），氯离

35、子与硅酸钙水化产物反应生成氯代硅酸钙水化物，由于这些复盐在孔隙内部所施加的内压力，使水泥石体积膨胀。膨胀率与盐的浓度有关，其作用规律见下图。该体系的有效温度可达204。,第三节 特种水泥（Special cement）,NaCl水泥体系的膨胀,第三节 特种水泥（Special cement）,3.铝粉类水泥体系,某些金属粉末如锌、镁、钛、铝都能用来制备膨胀水泥，最常用的是铝粉。细的铝粉与水泥浆中的碱性物质反应生成大量微小的氢气气泡，使得水泥浆体积增大。这种技术适用于浅井。因为在深井条件下，气泡的膨胀压力不可能超过地层的压力，其作用效果受到限制。与此类似的是钝化铝粉的体系（如KQ油井水泥防窜剂）

36、用于防气窜。,第三节 特种水泥（Special cement）,4.锻烧氧化镁体系,加有锻烧氧化镁的油井水泥体系,在水化过程中氧化镁水化生成氢氧化镁,其体积大于反应初体系的体积,从而在水泥石内部产生膨胀力,产生体积膨胀。 MgO+H2OMg(OH)2,MgO膨胀水泥体系的膨胀规律,第三节 特种水泥（Special cement）,二、胶乳水泥（Latex cement）,胶乳是一种聚合物悬浮体系，通常由油溶性或水溶性单体的乳液聚合或反向乳液聚合制备而得，该体系为亚稳态。胶乳中聚合物胶粒的粒径在0.050.5m范围。加入胶乳后的水泥称为胶乳水泥。,第三节 特种水泥（Special cement）

37、,（）提高水泥石的抗拉强度使之具有良好的弹性，降低射孔时水泥的破裂度。（）减少水泥环体积收缩，改善水泥环与套管、地层间的胶结状况。（）降低水泥石渗透率，提高抗地下水腐蚀能力。（）具有良好的防气窜性能。（）降低水泥浆失水。（）延长油井寿命。,三、硅灰水泥（Silica fume cement）,硅灰是炼硅或炼硅铁合金过程中得到的副产品，是以SiO2为主要成分的比表面积极高的活性材料。硅灰是一种空心超细微珠，比表面积是粉煤灰的3050倍，水泥的5060倍。硅灰水泥在提高固井质量，尤其是在复杂井况下的固井中起到重要作用。,第三节 特种水泥（Special cement）,硅灰水泥在油井注水泥中的应用

38、,1.硅灰防气窜水泥体系硅灰水泥用于防气窜始于1983年。在美国用硅灰低密度水泥体系解决浅气层气窜问题获得成功。随后硅灰防气窜水泥体系从浅井扩展应用到中深井固井作业，水泥浆密度从1.54g/cm3到1.95g/cm3，取得满意效果,2.硅灰水泥体系用于抗高温强度退化 水泥石在高温深井、地热井、热采井等高温条件下发生强度退化，渗透率增大而导致层间窜流，严重地影响固井质量和油井生产。各国石油界自50年代起开发了硅粉用来提高水泥体系的抗高温性能，成功地用于高温深井固井。70年代又开发了反应活性更高的硅灰用于水泥高温稳定剂，在高温深井、地热井和热采井中均获得良好效果,第三节 特种水泥（Special

39、cement）,硅灰水泥在油井注水泥中的应用,3.防腐蚀硅灰水泥体系 由于地下水中存在多种腐蚀介质，对油气井水泥环进而对套管发生腐蚀作用，严重地威胁着油气井的寿命。为解决水泥石的腐蚀，通常采用改变水泥组成的办法，如减少熟料中硅酸三钙的含量提高其耐腐蚀的能力；减少铝酸三钙的含量以提高其抗硫酸盐腐蚀的能力。此外向水泥熟料中加入活性二氧化硅以提高水泥抗腐蚀能力，硅灰水泥即为此类体系,第四节 固井工艺,1、导管固井 导管的作业是在钻表层井眼时，将钻井液从地下引导到钻井装置平台上来，这一层关注的深度变化较大，在坚硬的岩石中仅用10-20m，而在沼泽地区则可能上百米，导管管外的水泥浆应返到地面。2、表层套

40、管其作用是封隔地表部分的易塌、易漏地层和水层，安装第二次开钻的井口装置，控制井喷，支撑技术套管与生产套管的部分重量。其下入深度，根据地表部分的易塌、易漏地层和水层的深度而定，一般情况下表层套管的下入深度为30-100m，随着情况的变化，也有下到几百米的，其管外水泥浆通常返到地面。,一、施工类别,3、技术套管用于封隔用钻井液难以控制的复杂地层、无法堵塞的严重漏失层、非目的层的油气层、压力相差悬殊而且要求钻井液性能相互矛盾的油气层等。其管外水泥浆的返高，一般要求要封隔的复杂地层顶部100米以上。对于高压气井，为了防止天然气窜漏，水泥浆也要返至井口。4、生产套管 用以把不同压力和不同性质的油、气、水

41、层分割开来，建立一条油、气和实施增产措施的要求。油层套管的下入深度取决于目的层的深度和完井方法，管外水泥浆一般返至要封隔的油、气层顶部150m以上。对于高压气井及注水井，管外水泥浆通常要返至地面，以利于加固套管、增强螺纹的密封性、提高套管抗内压强度。,第四节 固井工艺,1.内管注水泥器（插入式固井） 适用于井深较浅，套管尺寸较大的井，为了防止注水泥及替浆过程中在套管内发生混串，顶替量大，时间过长。同时用于表层固井还可以节约水泥用量。 工作原理：在套管下部配有以特殊接箍，供钻杆插入的插座。插入座密封后便可通过钻杆浆水泥浆注入井内直接返到环空，注完水泥后将钻杆内的水泥浆顶替干净后，提出钻杆使下部的

42、单流阀关闭，离开出入接箍5m左右，开泵清洗掉钻杆内及套管内残留的水泥浆，固井施工结束。,第四节 固井工艺,二、工艺技术及施工要点,2、分级注水泥分级注水泥是利用连接在管串上的可以打开和关闭的特殊接箍（分级箍），将一口井的注水泥作业分两次或三次完成的注水泥工艺。适用于一下几种情况：一次性注水泥量过大，施工安全无法保证。环空水泥浆住过长，地层承受不了长段水泥浆柱静液住压力而发生井漏。当上下有隔层，但中间不需水泥封隔。下部有气层，为防止水泥浆过大失重而影响固井质量。其施工流程： 注一级前置液、注一级水泥浆、压第一级顶替液、碰压、放压、投打开塞（重力塞）、打开分级箍通道、循环洗井候凝、注二级前置液、注

43、二级水泥浆、压关闭塞、替顶替液、碰压、关闭分级箍通道。,第四节 固井工艺,2、分级注水泥注意事项：一般要求水泥浆返高在分级箍一下200m左右。打开通道时应根据打开塞下落的的速度和时间，确认打开塞坐在分级箍上方可开泵打开分级箍通道。一般按1m/min来计算打开塞的下落速度。分级箍位置应选在井径规则、岩性好的井段，过大斜度会影响重力塞与内套的坐封。分级箍上下加套管扶正器，保证居中。,第四节 固井工艺,3、尾管注水泥器尾管注水泥器是将尾管挂在套管内壁上的一中特殊装置，并有倒扣和中心管装置，要保证注水泥作业，并在注水泥结束后浆钻具提出。施工步骤下套管、接尾管悬挂器、称重、下钻具，循环、投球、做挂、倒扣

44、；试压、注前置液、注水泥浆、压钻杆胶塞、替浆，大小胶塞重合、碰压、放回水，上提中心管憋压循环。,第四节 固井工艺,3、尾管注水泥器注意事项：1、水泥浆稠化时间的确定：从配水泥浆起至水泥浆完全循环出井口为止，考虑一定的安全系数。2、对尾管悬挂器及短钻杆等工具，要进行全面检查。3、入井钻具要认真检查。4、对入井套管内径要用通径规检查。5、记录好尾管串重量。6、尾管与套管重叠一般选150m-200m，对尾管挂进行悬挂能力的考核。7、对钻具长度丈量准确，认真计算钻杆收缩距。8、应进行流变学设计。9、应观察记录循环钻井液时立罐压力表读数。10、在注水泥浆施工结束时，要保持回压，以防止管外水泥浆倒返。,第

45、四节 固井工艺,4、反循环注水泥由于常规注水泥可能压漏地层，同时井口上部地层漏失性小或具有上一层套管条件。当改变灌注浮箍浮鞋结构，则可从井口环空注水泥浆。 适合于上部有高压或浅层气、下部存在易漏层的井。反循环注水泥对下部地层的流动压降小，同时避免水泥浆顶不出套管留水泥塞事故的发生。 难点： 水泥量与充填量不易掌握，容易造成管内返高。,第四节 固井工艺,5、延迟凝固注水泥通过钻杆向井筒内注入具有较长的凝固时间的缓凝水泥浆，注入结束后，将钻杆起出，在下入未凝固的水泥浆井段内下入底端封闭的套管柱，靠套管挤压水泥浆上溢，而完成注水泥充填作业。,第四节 固井工艺,6、挤水泥挤水泥是一种补救注水泥或修井作

46、业。利用液体压力挤压水泥浆，使之进入地层缝隙的一种方法。其目的：不久注水泥不合格井，挤堵窜槽，补救水泥返高不够及套管与水泥石及地层缝隙或间隙。控制油气比，使油层与相近的气层分隔开。分堵油层下边的水层，控制大量出水和出气。封堵漏层。对多层注入井中的一层或多层封堵，使注入液进入预计层位。补修套管腐蚀孔洞或挤堵炮眼。处理报废层、液体流窜或裸眼完成井的枯竭层。程序：下入挤水泥管串循环洗井。试挤，侧吸水指数一般要以0.3m3/min以上，20MPa以内看是否连续泵入。试压、前置液、水泥浆、关井挤注。,第四节 固井工艺,7、水泥塞 打水泥塞主要用于处理钻井过程中的井漏、定向钻井的侧钻和造斜、堵塞报废井及回

47、填枯竭层位、提供衬套式测试工具承座基础及隔绝地层方法：平衡塞法：浆注灰管柱下至水泥塞设计深度，注完水泥浆后，替出水泥浆，管内留够水泥容积，是水泥面高于环空水泥塞面高度，慢慢起出管柱是水泥塞留在元位置。预置法：先在井筒下部（预计水泥塞下部）压入一直固定桥塞。使用倾卸筒装一定量水泥浆，由电缆送至水泥深度，在该深度通过机械方法或电流法使倾筒开关打开，上提倾卸筒水泥浆倒出。双塞法：现在水泥塞下部压入桥塞。在管柱底部有特殊挡圈，下胶塞可通过挡圈从钻杆内脱出，上胶塞则被胶塞座阻挡，并有该塞控制水泥浆回流。让后上提钻具反循环冲洗管内水泥及管外多余水泥浆。,第四节 固井工艺,7、水泥塞 施工注意事项： 其特点在于要将相对体积较少的水泥浆置于大的井眼中去，而流经管道均比套管小，存在泥浆污染、冲稀、升温快、流阻大、压差大易失水等一系列问题。掌握准确的设计量和记录量。水泥量附加要考虑注替过程中被冲稀或污染影响水泥塞质量问题。应当配置密度较高的水泥浆，进行批量配置要求均匀程度好和流动性好，井下静止温度超过120，应加入35%的硅粉。使用足够量的隔离液。注替水泥浆完毕，上提钻具应慢，防止过大的抽吸作用引起污染。,第四节 固井工艺,