第六章　固井（3）.ppt

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1、第二节 油井水泥,第六章 固井,下套管和注水泥是固井工程的两大环节。注水泥的主要目的：封隔油气、水、层；封隔严重漏失层或复杂地层；保护生产层和套管，将套管与地层结合成一体。,表套：承受各层套管的重量。,注水泥时要把水泥浆泵送到井下几百米或几千米的间隙很小的套管环空中（最大2英寸左右，最小8mm左右），井下的温度、压力随井深而增加，因此油井水泥与建水泥的性能就有所不同，它对水泥浆的流动性、凝结时间等有着特殊的要求。,凡将石灰质物质与黏土物质经均匀混合、高温煅烧 、熟料粉磨，制得的产品称为硅酸盐水泥（波特兰水泥）。油井水泥是指应用于各种钻井条件下进行固井、修井、挤注等作业的特种硅酸盐水泥。,水泥发

2、展概况 公元前20003000年，开始用火煅烧石灰、石膏并将其制成砂浆用作胶凝材料。万里长城，金字塔、狮身人面像等建筑。1796年出现了罗马水泥。当时人们认识到欲制成水硬性高的胶凝材料，必须磨细含有适量(20%25%左右)粘土的石灰，并经过煅烧后方能获得，但制造这种材料的天然原料是不易获得的，必须进行人工配料才行。1824年英国瓦匠约瑟夫亚斯波丁(Joseph Aspdin)制造水泥成功并建立了工厂，而且以“改进人造石块的生产方法”一申请获得专利权，由他制成的水泥称为波特兰水泥，现在我国称之为硅酸盐水泥。油井水泥：1948年，API标准80年代后我国引用API标准,第二节油井水泥,第六章 固井

3、,第二节油井水泥,第六章 固井,油井水泥生产：生产硅酸盐水泥的原料中主要的有四种，即氧化钙(CaO)、二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)和三氧化二铁(Fe2O3)，并且要求它们之间有一定比例。石灰质原料氧化钙，提供水泥碱性成分，每烧成1t熟料约需1.21.4t石灰质原料 粘土质原料酸性成分，如SiO2、Al2O3、Fe2O3等，生产1t水泥需0.20.3t 铁质辅助原料。弥补生料中的Fe2O3的不足铁矿粉、高铁粘土、黄铁矿渣。硅质辅助原料。补充生料中SiO2的不足砂岩、硅石、硅藻土等。铝质辅助原料。补充Al2O3的不足铝矾土 助熔剂降低烧结温度 萤石(主要成分是CaF2)和磷石膏

4、石膏作为油井水泥的调凝剂天然二水石膏 原煤生产燃料,第二节油井水泥,第六章 固井,水泥生料（石灰质原料、粘土质原料和调节材料）,冷却，加入一定量的石膏磨细,油井水泥,生产过程：原料混配粉碎煅烧冷却熟料研磨“两磨一烧”,粉碎,回转窑煅烧1450（优质煤粉）,细度：1100m密度：3.14 g/cm33.15 g/cm3,一、 油井水泥1、油井水泥级别和类型级别 类型 适用条件 井深(m) 井温A 普通硅酸盐类 0-1830 26-76B 抗硫浅井 0-1830 26-76C 高早强、中高抗硫 0-1830 26-76D 缓凝 中温、压 1830-3050 76-128E 缓凝 高温、压 3050

5、-4270 76-143F 缓凝 高温、压 3050-4880 110-160G、H 基本型 0-2440 27-93J 特高温水泥 3660-4880 110,第二节油井水泥,第六章 固井,2.水化反映主要矿物成分硅酸三钙：3CaOSiO2,简写：C3S硅酸二钙：2CaOSiO2,简写：C2S铝酸三钙：3CaOAl2O3,简写：C3A铁铝酸四钙：4CaOAl2O3Fe2O3,简写：C4AF这四种矿物成本占总量的87以上，各种成分在水泥的水化过程中有不同的特点，故各种成分的含量不同，其水泥的性能也有所不同。,第二节油井水泥,第六章 固井,A，G，H级油井水泥熟料矿物组分的要求,第二节油井水泥,

6、第六章 固井,水化反映： 水泥矿物与水混合后，发生水化反映，生成各种水化产物（凝胶（纤维、棒、针、片）、大小晶体）。a.C3A的水化反映3CaOAl2O3 + 6H2O 3CaOAl2O36H2O,第二节油井水泥,第六章 固井,b.C3S,C2S,及C4AF的水化反映2(3CaOSiO2) + 6H2O 3CaO2SiO23H2O + 3Ca(OH)22(2CaOSiO2) + 4H2O 3CaO2SiO23H2O + Ca(OH)24CaOAl2O3Fe2O3 + 2Ca(OH)2 + 10H2O 3CaOAl2O36H2O + 3CaOFe2O36H2Oc.水化的C3A和二水石膏的水化反映

7、3CaOAl2O36H2O + 3(CaSO42H2O) + 20H2O 3CaOAl2O33CaSO432H2O,第二节油井水泥,第六章 固井,铝酸三钙对硫酸盐类的侵蚀最为敏感，对抗硫水泥控制C3A的含量（8，3）,水化速度最快：决定初凝和稠化时间的主要因素，对流变性影响也大。,随着水化的不断进行，水泥浆中的硅酸盐水化合物，铝酸盐水化合物、铁铝酸盐水化物等在容液中的浓度不断增加，逐渐使微小晶体形成凝聚结构，从而促成水泥的凝结和硬化。 水泥浆将逐渐由液态转变为固态，这个过程叫水泥的凝结与硬化过程。,第二节油井水泥,第六章 固井,“凝聚结晶”理论：a. 胶溶期 水泥遇水后，粒面发生相溶解和水化反

8、应，水化产物浓度迅速增加，达到饱和状态时，部分水化产物以胶态粒子或小晶体析出，形成胶溶体系。b.凝结过程 水化由颗粒表面深入胶态粒子增多晶体开始联结-凝聚网c.硬化过程 水化深入晶体析出相互联结结晶网-硬化成微晶结构,第二节油井水泥,第六章 固井,3.矿物成分对水泥性能的影响：硅酸三钙：含量最高，40-60。水化反映速度快，128天早期强度高、最终强度大；硅酸二钙：含量中等，20-40%。水化反映速度慢，强度增长慢，后期强度可达到较高值；,第二节油井水泥,第六章 固井,铝酸三钙：含量低，10%水化反映非常强烈、是促进水泥快速水化的物质，但最终强度不大。铁铝酸四钙：含量低，10左右水化速度仅次于

9、铝酸三钙，早期强度增长快，但早期强度与晚期强度差值不大，且绝对强度值不大。对水泥强度影响很小，含量过大可使强度过早减退。,第二节油井水泥,第六章 固井,第二节油井水泥,第六章 固井,水泥的水化放热现象（25）温度变化，水化愈快，温差愈大。应用：温差测井、实验室可根据温度变化来确定水泥浆的凝结状态等。,通过调节水泥矿物成分的含量，便可获得各种适用于不同要求的油井水泥，如：要求实现方法高的早期强度增加C3A含量、细磨缓凝性能好控制C3A和C3S含量、粗磨低水化热限制C3A和C3S含量高抗硫能力限制C3A含量3,第二节油井水泥,第六章 固井,二、 水泥浆性能与固井工程的关系水泥浆密度水泥浆的稠化时间

10、水泥浆流变性水泥浆失水水泥浆析水水泥浆稳定性水泥石强度水泥石渗透率,第二节油井水泥,第六章 固井,水泥浆密度作用：满足平衡压力要求保证获得好的水泥浆性能基本要求：0.20.3，注水泥期间既不漏、不喷。 测量：用泥浆密度计（国外还有加压密度计） 影响因素：水灰比；外掺料（指密度调节剂）用量,第二节油井水泥,第六章 固井,配浆：螺旋浆式揽拌器（瓦梭），低速（4000rpm）15，高速（12000rpm）35。,水泥浆密度： 干水泥的密度为3.14 g/cm33.15 g/cm3，故当水灰比约为0.480.44（干水泥密度按3.15 g/cm3）时，水泥浆的密度为1.85g/cm31.90g/cm3

11、。,推导,水泥浆的稠化时间概念：在模拟井下温度、压力条件下，水泥浆稠度达到一定值所用的时间。作用：保证施工安全。要求：整个注水泥施工作业能够在稠化时间以内完成，并包含一定的安全系数。一般：施工时间+1小时 16cm,阿兹圆锥,第二节油井水泥,第六章 固井,水泥浆失水 概念：水泥浆中自由水通过井壁向地层渗入的现象要求：失水量越小越好 一般套管注水泥100 ml/30min200 ml/30min；挤水泥或尾管注水泥50 ml/30min150 ml/30min；防气窜20 ml/30min 40ml/30min；高密度水泥应低于50 ml/30min。测量：失水仪，（常温与高温、 7MPa, 3

12、0min）影响因素：水灰比；压差；地层的渗透性；外加剂；泥浆的泥饼。,第二节油井水泥,水泥浆稳定性概念：在静止过程中，水泥浆中的自由水自水泥浆中析出而形成连续水相的现象称为析水；由于颗粒沉降而导致水泥浆上下密度不一致的现象称为沉降稳定性 。有析水就有沉降稳定性问题，但无析水不一定沉降稳定性就好。 要求：原则上析水越小越好、沉降稳定性中水泥浆上下密度的差别越小越好，在定向井和水平井中要使用零析水水泥浆。测量：0.81m玻璃管，凝结后分段检测。影响因素：水灰比；外加剂,第二节油井水泥,第六章 固井,水泥石强度要求： 1）能支承住井内的套管 2）能承受住钻进时的冲击载荷 3）能承受酸化压裂理想情况下

13、，0.7MPa可支撑套管， 3.5MPa可开钻。但实际井下地层水泥环套管之间的胶结情况很难知道。因此一般要求水泥石的强度要高。强度低测井结果不好！(研究的热点）测量： API：抗压强度-抗压强度试验机 强度指时间：6hr, 12hr, 24hr, 48hr( 以前国内：抗折强度-抗折试验机)影响因素：水灰比；温度与压力；外加剂,第二节油井水泥,第六章 固井,水泥石渗透率 水泥石的渗透率指的是在一定压差下，水泥石允许流体通过的能力。大多数水泥石的渗透率都低于110-5平方微米 。为实现封隔，水泥与套管尤其是水泥与井壁的胶结强度是研究的重点。 要求：水泥石的渗透率越低越好。 测量：水泥渗透率仪影响

14、因素：水灰比；温度与压力；外加剂。,第二节油井水泥,第六章 固井,Pa.s，mL/s,cm,cm2,kPa,三、油井水泥外加剂 油井水泥的种类是有限的，为了满足不同情况下固井施工和固井质量的要求，注水泥时在水泥浆中一般均加有各种外加剂来调节水泥浆的性能。 缓凝剂速凝剂减阻剂降失水剂降密度剂加重剂增强度剂热稳定剂,第二节油井水泥,第六章 固井,国外分为13大类；国内分为15大类；其产品上百种计。,缓凝剂(H-1)、速凝剂(CaCl2) 缓凝剂和速凝剂用来调节水泥浆的稠化时间，有的速凝剂还能提高水泥石的早期强度。减阻剂(SXY) 加入减阻剂的目的是为了改善水泥浆的流动性能、降低流动摩阻。,第二节油

15、井水泥,第六章 固井,降失水剂(LT、LW） 降失水剂的作用是降低水泥浆的失水量，防止水泥浆脱水。 降密度剂、加重剂 减轻材料：防井漏和保护油气层漏失。如漂珠、硅藻土微珠等。3M玻璃微珠 加重材料：用于高压油气井固井。如铁矿粉密度 4.435.3 、重晶石粉密度 4.34.6,第二节油井水泥,第六章 固井,第二节油井水泥,第六章 固井,增强度剂(SW、WG） 微硅是炼硅或硅铁合金的副产物，固体状态，平均密度为2.0g/cm3左右。成分以SiO2主，其平均粒度为0.15m，比表面约为1525m2/g，是水泥的4560倍(水泥约为0.33m2/g)。 能提高水泥石的早期强度并具有低渗透率的特性和改善水泥浆浆体的稳定性能及触变性能。加量一般为115。,热稳定剂 在水泥浆中掺入适量的硅粉可以防止高温下水泥石的强度衰退。硅粉加量与温度有关，对于井底静止温度110的井，硅粉加量为35%40%，对于蒸汽注入井或蒸汽采油井（温度更高），硅粉加量通常在60%以上。,第二节油井水泥,第六章 固井,发生晶型转变强度下降，严重时甚至崩溃。,