《石油钻探固井技术》ppt课件

1、硕士硕士20022002级级 现代完井工程现代完井工程石油钻探固井技术概述概述井身构造设计井身构造设计套管及套管柱设计套管及套管柱设计油井水泥及水泥浆设计油井水泥及水泥浆设计影响注水泥质量的要素影响注水泥质量的要素1.1.固井的概念固井的概念 固井在井眼中下入适当尺寸及强度固井在井眼中下入适当尺寸及强度的套管柱，然后用水泥浆封固套管与的套管柱，然后用水泥浆封固套管与井壁之间的环形空间的作业。井壁之间的环形空间的作业。 包括包括： 套管与下套管套管与下套管 水泥与注水泥水泥与注水泥2.2.固井的目的固井的目的封隔易塌、易漏等复杂地层，保证钻封隔易塌、易漏等复杂地层，保证钻井顺利进展；井顺利进展；

2、封隔油气水层，建立油气流出通道，封隔油气水层，建立油气流出通道，防止产层间互窜；防止产层间互窜；进展增产措施；进展增产措施；安装井口。安装井口。3.3.固井的内容固井的内容套管及下套管套管及下套管 n水泥与注水泥水泥与注水泥4.4.对固井质量的要求对固井质量的要求套管有足够的强度套管有足够的强度能接受井下各种外力作能接受井下各种外力作用，抗腐蚀、不断、不用，抗腐蚀、不断、不裂、不变形。裂、不变形。水泥环有可靠的密封水泥环有可靠的密封环空封固段不窜、不漏环空封固段不窜、不漏、能经受高压挤注的考、能经受高压挤注的考验。验。 5.5.固井工艺流程固井工艺流程(1) (1) 井眼预备；钻井至预定井深后

3、测井、井眼预备；钻井至预定井深后测井、通井并清洗井眼通井并清洗井眼( (循环钻井液循环钻井液1 12 2周周) )起起钻、下套管、安装水泥头及注水泥地面钻、下套管、安装水泥头及注水泥地面管汇再循环钻井液管汇再循环钻井液1 12 2周；周；(2) (2) 打隔离液或前置液打隔离液或前置液( (普通用量为环空普通用量为环空高度高度100m100m左右左右) )；(3) (3) 释放下胶塞注水泥释放下胶塞注水泥( (领浆、中浆、尾领浆、中浆、尾浆浆) )；(4) (4) 释放上胶塞替钻井液释放上胶塞替钻井液; ;(5) (5) 碰压碰压( (上胶塞下行至套管承托环上胶塞下行至套管承托环, ,泵压泵压

4、忽然升高忽然升高, ,通常通常 5.0 MPa) 5.0 MPa)，注水泥终，注水泥终了。了。6.6.工艺引见工艺引见下套管下套管注水泥注水泥候凝候凝检测评价检测评价7.7.固井的特点固井的特点(1) (1) 固井作业施工时间短。例：固井作业施工时间短。例：3500m 9-3500m 9-5 / 85 / 8 套 管 固 井 作 业 ， 下 套 管 约套 管 固 井 作 业 ， 下 套 管 约12:0012:0016:0016:00，注水泥约，注水泥约3:003:004:00 4:00 ；(2) (2) 作业属一次性工程，且质量要求高，作业属一次性工程，且质量要求高，事后补救困难事后补救困难(

5、 (补救质量可控性差、胜补救质量可控性差、胜利率低、费用高利率低、费用高) )。据资料。据资料( (美国、海洋美国、海洋) )，补救作业费用与根本注水泥作业费，补救作业费用与根本注水泥作业费的比值为的比值为: : 表层套管固井：表层套管固井：5555 技技术套管固井：术套管固井：1515 尾尾 管管 固固 井井 ：120120 产产 层层 固固 井井 ：8484(3) (3) 资料用量大，本钱高。资料用量大，本钱高。 普通为钻普通为钻井总本钱的井总本钱的15153030。一一. .井身构造设计的内容井身构造设计的内容套管的层次；套管的层次；各层套管的尺寸与下入深度；各层套管的尺寸与下入深度；井

6、眼尺寸井眼尺寸( (钻头尺寸钻头尺寸) )与深度；与深度；水泥返高。水泥返高。二二. .井身构造确定的原那么井身构造确定的原那么能有效的维护油气层，使不同压力梯度能有效的维护油气层，使不同压力梯度的油气层不受钻井液的污染。的油气层不受钻井液的污染。应防止漏、喷、塌、卡等复杂情况发生应防止漏、喷、塌、卡等复杂情况发生，为全井顺利钻进发明条件。，为全井顺利钻进发明条件。钻下部高压地层时，所用较高密度钻井钻下部高压地层时，所用较高密度钻井液构成的液柱压力，不压裂上层套管鞋液构成的液柱压力，不压裂上层套管鞋处薄弱的裸露地层。处薄弱的裸露地层。下套管过程中，应不发生压差卡套管。下套管过程中，应不发生压差

7、卡套管。套管与井眼、下次钻进的钻头与套管内套管与井眼、下次钻进的钻头与套管内径之间，应有合理的间隙。径之间，应有合理的间隙。三三. .井身构造设计中所需的根底数据井身构造设计中所需的根底数据 1.1.地质方面的数据地质方面的数据 岩性剖面及缺点提示；岩性剖面及缺点提示； 地层孔隙压力剖面；地层孔隙压力剖面； 地层破裂压力剖面。地层破裂压力剖面。2.2.工程类数据工程类数据 抽吸压力与激动压力允许值；抽吸压力与激动压力允许值； 地层压裂平安增值；地层压裂平安增值； 井涌条件；井涌条件； 压差允许值。压差允许值。四四. .套管与井眼尺寸的选择与配合套管与井眼尺寸的选择与配合 消费套管的尺寸应满足采

8、油的要求；消费套管的尺寸应满足采油的要求；据产能、油管大小、增产措施以及井下作据产能、油管大小、增产措施以及井下作业等要求。业等要求。 对于探井，要思索设计原井深能否需求对于探井，要思索设计原井深能否需求加深；加深；实践地与层原地质预告有能够存在差别，实践地与层原地质预告有能够存在差别，能否留可添加中间套管层次的余地。能否留可添加中间套管层次的余地。 要思索到工艺技术程度以及管材、钻头要思索到工艺技术程度以及管材、钻头等的库存情况。等的库存情况。地质复杂情况、取岩心尺寸要求、井眼曲地质复杂情况、取岩心尺寸要求、井眼曲率等。率等。一、套管规范简介一、套管规范简介套管遭到各种类型外力作用，须具有一

9、定强度套管遭到各种类型外力作用，须具有一定强度。外载大小、类型不同，所需的强度要求也不同外载大小、类型不同，所需的强度要求也不同，须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即，须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套管系列。套管系列。对所用的套管系列作一个一致规定，叫套管规对所用的套管系列作一个一致规定，叫套管规范。规定了套管消费的尺寸、钢级、壁厚、衔范。规定了套管消费的尺寸、钢级、壁厚、衔接方式等。接方式等。目前普通运用的美国目前普通运用的美国APIAPI套管规范。其规定的有套管规范。其规定的有关性能主要有。关性能主要有。1 1、尺寸系列又叫名义外径或公称直径、尺寸系列又叫名义外径或公称直径41/

10、241/2，5 5，51/251/2，65/865/8，7 7，75/875/8， 85/885/8，95/895/8，103/4103/4，113/4113/4，1616, , 285/8 285/8，2020，3030.2 2、钢级系列、钢级系列APIAPI钢级有钢级有1010种：种：H,J,K,N,C,L,P,Q,X.H,J,K,N,C,L,P,Q,X.非规范的钢级，也较广泛运用，如非规范的钢级，也较广泛运用，如NKK,S,SS,VNKK,S,SS,V等。等。APIAPI规定钢级代号后面的数字乘以规定钢级代号后面的数字乘以1000 1000 psi(6894.8Pa)psi(6894.8

11、Pa)即为该钢材的最小屈服强度即为该钢材的最小屈服强度。如如: :N-80 N-80 80 801000psi1000psi但也有个别例外但也有个别例外: :S-80 S-80 55Kpsi 55KpsiSS-95 SS-95 80Kpsi 80Kpsi3 3、套管螺纹类型与螺纹衔接、套管螺纹类型与螺纹衔接APIAPI规范螺纹类型：规范螺纹类型：短园螺纹，短园螺纹，STC, CSG, C1STC, CSG, C1长园螺纹，长园螺纹，LTC,LTC,LCSG, C2LCSG, C2梯型螺纹，梯型螺纹，BTC,BTC,BCSG, C33BCSG, C33直连型螺纹，直连型螺纹，XL, XCSG,

12、C11XXL, XCSG, C11X与螺纹类型相对应的螺纹衔接也有四种。与螺纹类型相对应的螺纹衔接也有四种。 螺纹衔接指套管本体与结箍之间的衔接螺纹衔接指套管本体与结箍之间的衔接。 另有一些非规范螺纹由厂家定义。另有一些非规范螺纹由厂家定义。如何选用这些套管，选择原那么：如何选用这些套管，选择原那么：外载外载平安系数平安系数 套管强度套管强度二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算一载荷分类与特点一载荷分类与特点1 1 静载静载特点：长期作用、结协作用在套管上。特点：长期作用、结协作用在套管上。类型：类型：轴向拉力轴向拉力径向外挤压力径向外挤压力径向内压力径向内压力弯曲附加

13、拉力弯曲附加拉力温差应力温差应力(1)(1)轴向拉力：轴向拉力：T T 自重：自重：W W 浮力：浮力：F F T = W - F T = W - F(2)(2)径向外挤压力：径向外挤压力：管外液柱压力管外液柱压力P1P1地层挤压地层挤压P2P2环空加压环空加压P3P3(3)(3)径向内压力：径向内压力：管内流体压力管内流体压力压裂作业等压力压裂作业等压力2 2 动载动载特点：瞬时地、单一地作用在套管上特点：瞬时地、单一地作用在套管上。起下钻时速度变化产生的动载起下钻时速度变化产生的动载阻、卡套管时提拉动载阻、卡套管时提拉动载摩擦动载摩擦动载碰压动载碰压动载密度差产生的附加拉力密度差产生的附加

14、拉力套管柱在井下所受的套管柱在井下所受的主要外力有哪些？主要外力有哪些？作用在套管上作用在套管上的主要载荷是：的主要载荷是：轴向拉力轴向拉力 Tb= W - FTb= W - F外挤压力外挤压力 PcPc内压力内压力 PiPi二轴向拉力与套管抗拉强度二轴向拉力与套管抗拉强度1 1、轴向拉力计算、轴向拉力计算1.11.1套管自重产生的轴向拉力套管自重产生的轴向拉力 浮力对轴向载荷有减小作用，因此，设计浮力对轴向载荷有减小作用，因此，设计时思索与不思索浮力时的选用的平安系数应有时思索与不思索浮力时的选用的平安系数应有一定区别。一定区别。(1)(1) 不思索浮力时套管自重拉力不思索浮力时套管自重拉力

15、分布规律：在套管柱上由下向上逐渐分布规律：在套管柱上由下向上逐渐增大。增大。最大值位置：井口处。最大值位置：井口处。计算公式：计算公式：1000/qLTbT 井口处套管轴向拉力, KNq 单位长度套管的分量，N/mL 套管长度，m(2) (2) 思索浮力时套管自重拉力思索浮力时套管自重拉力 浮力思索方法：浮力思索方法： 浮力系数法，台阶力法浮力系数法，台阶力法( (按集按集中力思索中力思索) )计算式计算式( (浮力系数法浮力系数法 ) )：Tb套管在钻井液中的分量，KNBF 浮力系数3310101LqBqLTFsmb在空气中在空气中在钻井液中在钻井液中Tb1.21.2 弯曲附加拉力弯曲附加拉

16、力 假设井眼存在较大的假设井眼存在较大的井斜变化或狗腿度时，井斜变化或狗腿度时，由于套管弯曲效应的影由于套管弯曲效应的影响将增大套管的拉力负响将增大套管的拉力负荷，特别是在接近丝扣荷，特别是在接近丝扣啮合处，易构成裂痕损啮合处，易构成裂痕损坏，由于坏，由于APIAPI套管的衔接套管的衔接强度没有思索弯曲应力强度没有思索弯曲应力，所以设计时应从套管，所以设计时应从套管的衔接强度中扣除弯曲的衔接强度中扣除弯曲效应的影响，其计算公效应的影响，其计算公式见有关资料。式见有关资料。1.3 1.3 其它附加拉力其它附加拉力 在普通的套管设计中，没有详细思在普通的套管设计中，没有详细思索附加拉力，而是经过平

17、安系数的选索附加拉力，而是经过平安系数的选用，将它们包括在内。用，将它们包括在内。2 2 轴向拉力作用下的套管强度轴向拉力作用下的套管强度( (抗拉强度抗拉强度2.12.1 轴向拉力作用下套管的失效方式轴向拉力作用下套管的失效方式(1)(1) 丝扣接箍滑脱丝扣接箍滑脱(2)(2) 丝扣断裂丝扣断裂(3)(3) 管体断裂管体断裂(4)(4) 氢脆氢脆2.22.2 套管抗拉强度的选用套管抗拉强度的选用抗拉强度抗拉强度minmin丝扣部分抗拉强度，管体抗丝扣部分抗拉强度，管体抗拉强度拉强度 三三 外挤压力与套管抗挤强度外挤压力与套管抗挤强度1 1 外挤压力计算外挤压力计算1.11.1外挤压力的计算外

18、挤压力的计算思索方法：管内按全掏空的思索方法：管内按全掏空的 最危险形状思索。最危险形状思索。计算方法：计算方法：HPme00981. 0Pe外挤压力，MPaH 计算点深度，mm 管外泥浆(或盐水)密度，g/cm3外挤力分布：沿井深添加，最大在井底。外挤力分布：沿井深添加，最大在井底。阐明：阐明：a.a.水泥环有一定的承载才干，实践的外挤水泥环有一定的承载才干，实践的外挤力在水泥面以下要小得多，可分段思索力在水泥面以下要小得多，可分段思索；b.b.在有易流动塑性地层的情况下如盐岩在有易流动塑性地层的情况下如盐岩层、泥盐层，套管所受的外挤力应按层、泥盐层，套管所受的外挤力应按上覆岩层的压力梯度计

19、算；上覆岩层的压力梯度计算；c.c.在很多井中，并不能够发生全掏空的外在很多井中，并不能够发生全掏空的外挤形状，故按上面方法计算出的外挤力挤形状，故按上面方法计算出的外挤力偏大，这样便能够呵斥选择套管的浪费偏大，这样便能够呵斥选择套管的浪费。现行的方法是：根据各层套管详细能。现行的方法是：根据各层套管详细能够出现的最大工况，按有效载荷计算。够出现的最大工况，按有效载荷计算。1.21.2 有效外挤压力计算有效外挤压力计算计算方法：计算方法：Pe=Pc- PiPe=Pc- Pi 其中其中PiPi的计算方法不的计算方法不同，也使得同，也使得PePe有多种算有多种算法。法。2 2 套管的抗挤强度单一外

20、力作用套管的抗挤强度单一外力作用2.12.1 套管在外挤力下的失效方式套管在外挤力下的失效方式套管径厚比的范围不同，套管破坏的套管径厚比的范围不同，套管破坏的方式也有所不同，其变化类似于受压直方式也有所不同，其变化类似于受压直杆件的破坏。杆件的破坏。细长杆压弯失稳细长杆压弯失稳短粗杆塑性变形破坏短粗杆塑性变形破坏套管按径厚比分类为：厚壁：D/t 10中厚壁：10 30 D 套管直径； t 套管壁厚。套管失效方式：主要是失稳破坏，而不是强度破坏。失稳后的套管被挤扁或破裂。2.2 2.2 套管抗挤强度计算套管抗挤强度计算 APIAPI根据上面套管的不同失效方式，给出了一套根据上面套管的不同失效方式

21、，给出了一套抗挤强度计算公式，即：抗挤强度计算公式，即：最小屈服抗挤强度最小屈服抗挤强度最小塑性抗挤强度最小塑性抗挤强度最小塑弹性抗挤强度最小塑弹性抗挤强度最小弹性抗挤强度最小弹性抗挤强度详细公式见有关教材。详细公式见有关教材。3 3 套管在多向载荷作用下的强度变化与计算套管在多向载荷作用下的强度变化与计算3.13.1 套管双轴应力椭圆套管双轴应力椭圆a.a. 方程建立方程建立 由资料力学实际可知，套管在外载作用下由资料力学实际可知，套管在外载作用下，其单元体上受三个正应力作用，其单元体上受三个正应力作用，z轴向应力t周向应力r径向应力ztr这三个应力共同作用时合成应力为这三个应力共同作用时合

22、成应力为MisesMises方程：方程：22221zrrttzc根据第四强度实际，可得套管在多向应力下的强度条件为：根据第四强度实际，可得套管在多向应力下的强度条件为：c c s s其平衡方程有：其平衡方程有：22222szrrttz在这三个应力中，在这三个应力中，r r t,t,故在上面方程中忽略其影响后故在上面方程中忽略其影响后可得出方程：可得出方程：122ststszsz 式中，z/s和t/s分别表示轴向应力和周向应力在屈服应力中占的比例。b.b.方程意义方程意义反映反映z z 、t t与与s s之关系，表示套管所受多向之关系，表示套管所受多向载荷时，套管内轴向应力与周向应力的关系。载荷

23、时，套管内轴向应力与周向应力的关系。t /sz/ s3.23.2轴向拉力作用下套管抗挤强度的计算轴向拉力作用下套管抗挤强度的计算a.a. 计算公式计算公式ATbz10ATss10tdPccct2tdPccs2csbsbcsccPKTTTTPPP214312b. b. 计算计算K K直接由直接由Tb/TsTb/Ts计算计算K K查表求查表求K K法法四四 内压力与套管抗内压强度内压力与套管抗内压强度1 1 内压力计算内压力计算思索形状：内压力最大普通为井喷关井思索形状：内压力最大普通为井喷关井后或酸化压裂时。后或酸化压裂时。内压分布：以井口为最大内压分布：以井口为最大( (无外挤压力无外挤压力)

24、 )。计算方法：计算方法：按井口封锁，全井充溢天然气计算：按井口封锁，全井充溢天然气计算：井口压力井口压力PsPs为：为：LGbePPs410115. 1Pb地层压力以井口安装的许用最高压力作为井口压力以有效内压力计算有效内压力有效内压力有效内压力井口压力管内压力管外压力有效内压力井口压力管内压力管外压力2 2 套管的抗内压强度套管的抗内压强度2.12.1套管在内压作用下的失效方式套管在内压作用下的失效方式套管在内压力下的破坏普通属于强度破坏。套管在内压力下的破坏普通属于强度破坏。2.22.2抗内压强度的计算抗内压强度的计算 套管管体和接箍处的抗内压强度能够不一致，套管管体和接箍处的抗内压强度

25、能够不一致，故需同时计算套管管体与丝扣处的抗内压强度。故需同时计算套管管体与丝扣处的抗内压强度。公式：公式：csidtP2875. 0WdWPsi1薄壁圆筒实际0.875允许套管壁厚12.5%的变化W接箍直径d1管末端的接箍扣根直径三、套管柱设计方法三、套管柱设计方法( (一一) )设计原理设计原理套管柱设计，实践上就是怎样选择套管，套管柱设计，实践上就是怎样选择套管，使其能满足井下各种外载形状的方法。使其能满足井下各种外载形状的方法。1.1.选择根据选择根据外载外载平安系数平安系数 套管可用强度套管可用强度选择原那么：选择原那么：应能满足钻井、开发和产层改造的工艺应能满足钻井、开发和产层改造

26、的工艺要求，能满足各种条件下各种作业情况要求，能满足各种条件下各种作业情况以及地层的要求；以及地层的要求；思索一定的平安贮藏；思索一定的平安贮藏；经济性。经济性。工程上对选择套管的有关限制：工程上对选择套管的有关限制： 在要求抗腐蚀的条件下，应先选用在要求抗腐蚀的条件下，应先选用抗硫套管或高一钢级的套管；抗硫套管或高一钢级的套管； 套管段数和种类的数量不应太多，套管段数和种类的数量不应太多，普通应小于普通应小于4 45 5段；段； 井口一根套管应为全井最大壁厚；井口一根套管应为全井最大壁厚； 对复杂井要计算井口的瞬时最大载对复杂井要计算井口的瞬时最大载荷。荷。2 2 选择步骤选择步骤a.a.确

27、定套管在井下能够遇到的最大外载情况；确定套管在井下能够遇到的最大外载情况；b.b.确定运用的平安系数范围：确定运用的平安系数范围： 根据套管强度的计算方法和室内套管强度根据套管强度的计算方法和室内套管强度的实验，井下套管受力形状的思索以及运用的的实验，井下套管受力形状的思索以及运用的套管设计方法等要素，确定一个可用的平安系套管设计方法等要素，确定一个可用的平安系数范围数范围. .抗挤：抗挤：1.00-1.501.00-1.50，普通为，普通为1.00-1.1251.00-1.125抗拉：抗拉：1.60-2.001.60-2.00，普通为，普通为1.8-1.91.8-1.9抗内压：抗内压：1.0

28、0-1.75,1.00-1.75,普通为普通为1.10-1.33,1.10-1.33,常用常用1.101.10c.c.计算出不同井深下套管所需的各种强计算出不同井深下套管所需的各种强度，从现有套管中选择出满足这些要度，从现有套管中选择出满足这些要求的套管；求的套管；d.d.对所选套管进展校核和调整对所选套管进展校核和调整3 3 等平安系数设计法等平安系数设计法3.13.1 设计原那么设计原那么 即要求所设计的各段套管的最小平安即要求所设计的各段套管的最小平安系数应等于规定的平安系数值。系数应等于规定的平安系数值。实践平安系数套管强度实践平安系数套管强度/ /计算外载计算外载3.23.2 设计思

29、索的外载形状设计思索的外载形状轴向力：轴向力： 思索浮力作用下的套管自重弯曲思索浮力作用下的套管自重弯曲段加弯曲应力段加弯曲应力外挤力：外挤力： 管内全掏空时的最危险形状，有特管内全掏空时的最危险形状，有特殊地层段单独按上覆岩层压力殊地层段单独按上覆岩层压力梯度梯度设计设计内压力：内压力： 以有效内压力思索以有效内压力思索3.3 设计顺序：外载特点:井底位置主要受外挤压力作用最大；在井口部位主要受拉力与内压力作用较大。设计顺序:自下而上，先抗挤后抗拉自下而上，先抗挤后抗拉3.43.4 设计步骤：设计步骤：确定设计条件：平安系数、外载计算方式确定设计条件：平安系数、外载计算方式按内压挑选套管按内

30、压挑选套管求井底外挤力，选第一段套管求井底外挤力，选第一段套管选第二段套管，计算其可下深度选第二段套管，计算其可下深度计算第一段套管长度和有关平安系数计算第一段套管长度和有关平安系数选第三段套管选第三段套管选套管，按套管抗拉强度计算其可下深度选套管，按套管抗拉强度计算其可下深度留意：抗挤应按双轴应力进展计算留意：抗挤应按双轴应力进展计算水泥与水混合配成的水泥浆，注入到套管与井眼的环空中，经一定时间的凝结和硬化封固环形空间。固井质量的根本要求之一，是要有可靠的密封性。这便要求运用的水泥在强度等性能方面均具备较高的目的。而影响油井水泥这些性能的要素与它内部的矿物成分的含量是亲密相关的。一、油井水泥

31、组成与水化凝结过程一、油井水泥组成与水化凝结过程 1 1 油井水泥的主要矿物成分油井水泥的主要矿物成分硅酸三钙：硅酸三钙：3CaO3CaOSiO2SiO2 简写：简写：C3SC3S硅酸二钙：硅酸二钙：2CaO2CaOSiO2SiO2 简写：简写：C2SC2S铝酸三钙：铝酸三钙：3CaO3CaOAl2O3Al2O3 简写：简写：C3AC3A铁铝酸四钙：铁铝酸四钙：4CaO4CaOAl2O3Al2O3Fe2O3Fe2O3简简写：写：C4AFC4AF这四种矿物成分占总量的这四种矿物成分占总量的8787以上，各以上，各种组分在水泥的水化过程中有不同的特性种组分在水泥的水化过程中有不同的特性。故组成水泥

32、的各种组分的比例不同，其。故组成水泥的各种组分的比例不同，其水泥的性能也有所不同，即不同类型的水水泥的性能也有所不同，即不同类型的水泥。泥。2 2 矿物成分对水泥性能的影响矿物成分对水泥性能的影响(1)(1)硅酸三钙：在普通硅酸盐水泥中含硅酸三钙：在普通硅酸盐水泥中含量最高，是水泥产生强度的主要化合量最高，是水泥产生强度的主要化合物。物。 水化反响速度快，早期强度开水化反响速度快，早期强度开展快、最终强度大。展快、最终强度大。(2)(2)硅酸二钙：水化反响慢，强度增长硅酸二钙：水化反响慢，强度增长慢，能在长时间内逐渐增大水泥石的慢，能在长时间内逐渐增大水泥石的强度。强度。(3)(3)铝酸三钙：

33、是促进水泥快速水化的化合铝酸三钙：是促进水泥快速水化的化合物，是决议水泥初凝和稠化时间的主要要物，是决议水泥初凝和稠化时间的主要要素。对水泥浆的流动性有显著影响，并对素。对水泥浆的流动性有显著影响，并对硫酸盐的侵蚀非常敏感，因此，高抗硫酸硫酸盐的侵蚀非常敏感，因此，高抗硫酸盐水泥必需控制其含量盐水泥必需控制其含量3%3%或更低。或更低。(4)(4)铁铝酸四钙：水化速度仅次于铝酸三钙铁铝酸四钙：水化速度仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，但早期强度与最终强，早期强度增长快，但早期强度与最终强度差别不大，且强度的绝对值不大，对水度差别不大，且强度的绝对值不大，对水泥强度奉献很小，含量过大可使强度过早泥

34、强度奉献很小，含量过大可使强度过早减退。减退。 C3AC3A和和C4AFC4AF的生成，主要是为降低水泥消的生成，主要是为降低水泥消费的烧结温度，参与了费的烧结温度，参与了Al2O3Al2O3、Fe2O3Fe2O3。凝结硬化时间凝结硬化时间C2SC3SC3AC4AF水水泥泥石石强强度度(4)(4)矿物成分对强度的影响矿物成分对强度的影响经过调理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：性能要求实现方法高的早期强度 添加C3A、C3S含量、细磨缓凝性能好 控制C3A、C2S含量、粗磨低水化热 限制C3A、C3S含量高抗硫才干 限制C3A3，C3A+2C4AF24油井水泥的类型

35、油井水泥的类型(1)API(1)API规范规范 A A、B B、C C、D D、E E、F F、G G、H H、J J九个级别。九个级别。其中，其中，G G、H H两级为根本水泥。即可经过参与两级为根本水泥。即可经过参与外加剂和外加剂和/ /或外掺料到达其它类型的特性，或外掺料到达其它类型的特性，J J级水泥目前已有逐渐被取消的趋势。级水泥目前已有逐渐被取消的趋势。(2)(2)现行国家规范现行国家规范 按按APIAPI规范，目前主要有规范，目前主要有G G、H H级。级。J J级质量级质量控制规范不严，实践质量不稳定。控制规范不严，实践质量不稳定。(3)(3)原国产规范原国产规范 4545、7

36、575、9595、120120。已不运用。已不运用3 3 水泥的凝结与硬化水泥的凝结与硬化(1)(1)水化反响水化反响水泥矿物与水混合后，发生水化反响水泥矿物与水混合后，发生水化反响，生成各种水化产物。水泥浆将逐渐由，生成各种水化产物。水泥浆将逐渐由液态转变为固态，这个过程叫水泥的凝液态转变为固态，这个过程叫水泥的凝结与硬化过程。结与硬化过程。水泥的水化反响：水泥的水化反响：a.a. C3AC3A的水化反响的水化反响b.b. C3S,C2S,C3S,C2S,及及C4AFC4AF的水化反响的水化反响c.c. 水化的水化的C3AC3A和二水石膏的水化反响和二水石膏的水化反响随着水化的不断进展，水泥

37、浆中的硅酸盐随着水化的不断进展，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添加，逐渐使微小物等在容液中的浓度不断添加，逐渐使微小晶体构成凝聚构造，从而促成水泥的凝结和晶体构成凝聚构造，从而促成水泥的凝结和硬化。硬化。 (2)(2)水泥的凝结与硬化水泥的凝结与硬化“凝聚结晶实际根本思想凝聚结晶实际根本思想以为水泥在凝结和硬化过程要构成两种以为水泥在凝结和硬化过程要构成两种不同类型的三维空间网，即凝聚网和结晶不同类型的三维空间网，即凝聚网和结晶网。由于凝聚结晶网的不断加强，最后网。由于凝聚结晶网的不断加强，最后构成水泥的硬化。

38、构成水泥的硬化。a.凝结过程水化由颗粒外表深化 胶态粒子增多 晶体开场结合 凝聚网。b.硬化过程水化深化 晶体析出 相互结合 结晶网 硬化成微晶构造。二、油井水泥及水泥浆的物理性能二、油井水泥及水泥浆的物理性能1 概念：描画水泥或水泥浆特性的有关参量。2 规范：API规范、国家规范、原国家规范。水泥的性能水泥的性能 自在水自在水 抗压强度抗压强度 安定性安定性 细度细度 稠化时间稠化时间水泥浆的性能水泥浆的性能 (现行现行)国家和国家和API规范规范 密度密度 自在水自在水(析水析水) 滤失量滤失量(失水失水) 稠化时间稠化时间 流变性能流变性能 水泥石抗压强度水泥石抗压强度 水泥石浸透率水泥

39、石浸透率3 3 水泥及水泥浆的性能水泥及水泥浆的性能描画性能的参数描画性能的参数水泥浆的性能水泥浆的性能 (原原)国家规范国家规范 密度密度 流动度流动度 凝结时间凝结时间 水泥石抗折强水泥石抗折强度度(1)(1)密度密度ss：单位体积水泥浆的质量，：单位体积水泥浆的质量，g/cm3g/cm3。 根本要求：注水泥过程中，既要压稳地层不发生流体的侵入根本要求：注水泥过程中，既要压稳地层不发生流体的侵入，也不压裂地层呵斥井漏。，也不压裂地层呵斥井漏。(2)(2)稠化时间稠化时间TtTt：在指定温度和压力条件下，自水泥与水混合开：在指定温度和压力条件下，自水泥与水混合开场至配成的水泥浆的稠度值到达场

40、至配成的水泥浆的稠度值到达100BC100BC所阅历的时间，叫该水所阅历的时间，叫该水泥浆在此条件下的稠化时间。泥浆在此条件下的稠化时间。 根本要求：整个注水泥过程应在稠化时间以内完成，并包含根本要求：整个注水泥过程应在稠化时间以内完成，并包含一定的平安因数。通常：一定的平安因数。通常：施工时间施工时间 稠化时间稠化时间 - 1- 1小时小时 3.13.1水泥浆的性能水泥浆的性能(3)(3)滤失量滤失量Q30Q30：水泥浆中的自在水在压差作用下，经过井壁渗：水泥浆中的自在水在压差作用下，经过井壁渗入到地层中的景象叫滤失，滤失的多少叫滤失量，入到地层中的景象叫滤失，滤失的多少叫滤失量，ml/30

41、minml/30min。 根本要求：在保证注水泥施工顺利平安的前提下，尽量降低根本要求：在保证注水泥施工顺利平安的前提下，尽量降低滤失量。滤失量。( (留意：这与对钻井液的要求有区别留意：这与对钻井液的要求有区别在钻井平安在钻井平安和不损害储层的前提下，可放宽。和不损害储层的前提下，可放宽。) )(4)(4)自在水自在水( (析水析水) )：在一定条件下，水泥浆静置一定时间后分别：在一定条件下，水泥浆静置一定时间后分别出的游离水。常用出的游离水。常用250ml250ml量筒满刻度水泥浆，静止量筒满刻度水泥浆，静止2 2小时分别小时分别出的游离水度量，体积出的游离水度量，体积% %。 根本要求：

42、规定根本要求：规定G G、H H级水泥在规范水灰比下级水泥在规范水灰比下 1.4% 1.4%。实践工。实践工程中，在施工平安的前提下，应尽量降低。如，用于大斜度程中，在施工平安的前提下，应尽量降低。如，用于大斜度和程度井固井的水泥浆，应等于零或近于零。和程度井固井的水泥浆，应等于零或近于零。(5)(5)流变性能：描画水泥浆在外力作用下，产生流动的特点的参流变性能：描画水泥浆在外力作用下，产生流动的特点的参数。常用流变方式参数有：数。常用流变方式参数有：PVPV、YP(YP(宾汉宾汉) )，n n、K(K(幂律幂律) )，YPYP、n n、K(K(赫赫巴巴) )等。等。 根本要求：在保证浆体稳定

43、性的前提下，尽量改善。根本要求：在保证浆体稳定性的前提下，尽量改善。(6)(6)抗压强度：在一定温度、压力条件下，水泥浆在一定时间内抗压强度：在一定温度、压力条件下，水泥浆在一定时间内凝结硬化构成的水泥石抵抗压力破坏的才干，凝结硬化构成的水泥石抵抗压力破坏的才干，MPaMPa。 根本要求：支撑和悬挂套管的一部分分量；接受继续钻井的根本要求：支撑和悬挂套管的一部分分量；接受继续钻井的冲击载荷或油气层改造的压力。普通要求在井底静止温度下冲击载荷或油气层改造的压力。普通要求在井底静止温度下4848小时的值小时的值 14MPa 14MPa。(7)(7)水泥石浸透率：一定压力下，水泥石允许流体经过的特性

44、叫水泥石浸透率：一定压力下，水泥石允许流体经过的特性叫水泥石的浸透性，其大小叫浸透率，水泥石的浸透性，其大小叫浸透率，m2m2。 根本要求：普通情况下不作要求，用于封固腐蚀性地层应尽根本要求：普通情况下不作要求，用于封固腐蚀性地层应尽量降低浸透率。量降低浸透率。(8)(8)流动度：水泥浆自重作用下摊开流动的才干，流动度：水泥浆自重作用下摊开流动的才干，cm cm 或或mmmm。建。建筑上称作坍落度。筑上称作坍落度。 根本要求：在保证水泥浆稳定性的前提下，应尽量提高水泥根本要求：在保证水泥浆稳定性的前提下，应尽量提高水泥浆的流动才干。实践工程中，普通要求流动度浆的流动才干。实践工程中，普通要求流

45、动度20cm20cm。(9)(9)凝结时间：一定温度、压力条件下，自水泥与水混合开场至凝结时间：一定温度、压力条件下，自水泥与水混合开场至水泥浆失去流动性所阅历的时间。包括：水泥浆失去流动性所阅历的时间。包括： 初凝时间：自配浆开场至水泥浆部分失去塑性所阅历的时间初凝时间：自配浆开场至水泥浆部分失去塑性所阅历的时间。 终凝时间：自配浆开场至水泥浆凝结硬化能接受一定压力时终凝时间：自配浆开场至水泥浆凝结硬化能接受一定压力时所阅历的时间。所阅历的时间。 根本要求：整个注水泥过程应在初凝时间以内完成，并包含根本要求：整个注水泥过程应在初凝时间以内完成，并包含一定的平安因数。普通：一定的平安因数。普通

46、：施工时间施工时间 75% 75%初凝时间初凝时间(10)(10)其它：抗折强度、安定性、细度。其它：抗折强度、安定性、细度。 抗折强度：在一定温度、压力条件下，水泥浆在一定时间内凝抗折强度：在一定温度、压力条件下，水泥浆在一定时间内凝结硬化构成的水泥石抵抗剪切破坏的才干，结硬化构成的水泥石抵抗剪切破坏的才干，MPaMPa。 安定性安定性: :水泥石的热压膨胀特性，常用线膨胀率表示。要求水泥石的热压膨胀特性，常用线膨胀率表示。要求0.8%0.8%。 细度：水泥灰颗粒的大小，普通不作要求。常用筛于量比外表细度：水泥灰颗粒的大小，普通不作要求。常用筛于量比外表表示。表示。( (如原国产如原国产0.

47、08mm0.08mm方孔方孔15%15%，现行根本水泥，现行根本水泥G G、H H级不级不作要求作要求) ) 。4 4 影响水泥浆性能的主要要素影响水泥浆性能的主要要素5 5 水泥性能的调理水泥性能的调理油井水泥外加剂油井水泥外加剂调理水泥浆性能的外加剂可分为：调理水泥浆性能的外加剂可分为： 三大主剂：降失水剂、分散剂三大主剂：降失水剂、分散剂( (减阻剂减阻剂) )、调凝剂调凝剂( (缓凝剂和促凝剂缓凝剂和促凝剂) )。 其它外加剂：早强剂、防窜剂、膨胀剂、其它外加剂：早强剂、防窜剂、膨胀剂、不浸透剂消泡剂、稳定剂等。不浸透剂消泡剂、稳定剂等。 密度调理：减轻剂、加重剂。密度调理：减轻剂、加重剂。三、固井水泥浆的设计三、固井水泥浆的设计1.1.国内常用水泥外加剂及特性国内常用水泥外加剂及特性2.2.水泥浆设计的普通程序水泥浆设计的普通程序3.3.根本资料的