固井技术培训——步玉环课件

1、固井技术培训步玉环水泥浆性能水泥浆性能及特殊水泥浆体系及特殊水泥浆体系 中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）步玉环步玉环2010.8.20固井技术培训步玉环一、描述油井水泥及水泥浆性能的参数一、描述油井水泥及水泥浆性能的参数二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能三、硅酸盐水泥的水化特征及影响因素三、硅酸盐水泥的水化特征及影响因素四、特殊水泥浆体系四、特殊水泥浆体系提纲提纲固井技术培训步玉环一、描述油井水泥及水泥浆性能的参数一、描述油井水泥及水泥浆性能的参数水泥浆的性能水泥浆的性能 (现行现行)国家和国家和API标准标准 密度密度 自由水自由水(析水析水) 滤失量滤失量(失水失水) 稠化时间稠化时

2、间 流变性能流变性能 水泥石抗压强度水泥石抗压强度 水泥石渗透率水泥石渗透率水泥的性能水泥的性能 自由水自由水 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 (原原)国家标准国家标准 密度密度 流动度流动度 凝结时间凝结时间 水泥石抗压强度水泥石抗压强度固井技术培训步玉环二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能1. 1.水泥浆密度水泥浆密度2. 2.水泥浆的稳定性水泥浆的稳定性3. 3.水泥浆流变性水泥浆流变性4. 4.水泥浆滤失量水泥浆滤失量5. 5.水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间6. 6.水泥石强度水泥石强度7. 7.水泥石渗透率水泥石渗透率固井技术培训步玉环二

3、、水泥浆的性能二、水泥浆的性能1、水泥浆密度、水泥浆密度 水泥浆密度是一水泥浆密度是一个重要参数，主要由个重要参数，主要由水泥、水、外加剂和水泥、水、外加剂和外掺料的比例控制。外掺料的比例控制。一般含水量越小，密一般含水量越小，密度越大。度越大。混合水最小水量最大水量不可泵送可泵送泵固井技术培训步玉环 （1 1）用水量）用水量：水化需水量、标准用水量、最小用水量、最大用水量。水化需水量、标准用水量、最小用水量、最大用水量。 水化需水量水化需水量：在正常情况下，水泥水化和凝固的需水量一般为水泥在正常情况下，水泥水化和凝固的需水量一般为水泥质量的质量的25左右。左右。而水泥浆具有可泵性的最小含水量

4、为而水泥浆具有可泵性的最小含水量为38。可见，。可见，实际水泥浆存在较大的游离水，主要以束缚水和自由水的形式存在。实际水泥浆存在较大的游离水，主要以束缚水和自由水的形式存在。 标准用水量标准用水量：按照水泥正常水灰比的加水量。如：按照水泥正常水灰比的加水量。如G级级44，A、B级级46，C级级56，D、E、F、H级级38。 正常用水量：正常用水量：根据根据“水泥浆含水量的确定水泥浆含水量的确定”，在室温下，水泥浆，在室温下，水泥浆的常压稠度的最大值的常压稠度的最大值11ABc的含水量。的含水量。 最小用水量：最小用水量：根据根据“水泥浆含水量的确定水泥浆含水量的确定”，在室温下，水泥浆，在室温

5、下，水泥浆在常压稠化仪中搅拌在常压稠化仪中搅拌20min，其最大稠度为，其最大稠度为30ABc的含水量。的含水量。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆密度水泥浆密度固井技术培训步玉环 最大用水量：最大用水量：为了使水泥颗粒保持悬浮，直至凝固，根据为了使水泥颗粒保持悬浮，直至凝固，根据“水水泥浆含水量的确定泥浆含水量的确定”，在，在27条件下，水泥浆游离水不大于条件下，水泥浆游离水不大于1.4的的含水量。含水量。 最佳用水量：最佳用水量：根据根据“水泥浆含水量的确定水泥浆含水量的确定”，在室温下，水泥，在室温下，水泥浆在常压稠化仪中搅拌浆在常压稠化仪中搅拌20min的最大稠度不大于的最大稠度

6、不大于11ABc，且游离水，且游离水不大于不大于1.4的含水量。的含水量。 在配制水泥浆时应满足在配制水泥浆时应满足2个指标，稠度和游离水含量。对它们的个指标，稠度和游离水含量。对它们的要求是随不同的注水泥类型而改变的。这与油井水泥的质量检验是要求是随不同的注水泥类型而改变的。这与油井水泥的质量检验是两个概念（如标准规定，任何水泥浆在增压稠化仪中稠化两个概念（如标准规定，任何水泥浆在增压稠化仪中稠化15 30min的最大稠度应小于的最大稠度应小于30BC，对，对G级和级和H级水泥，游离水还应小于级水泥，游离水还应小于1.4%）。）。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆密度水泥浆密度固井技术

7、培训步玉环 （2 2）密度设计）密度设计：根据井下条件和施工作业的要求进行密度设计。：根据井下条件和施工作业的要求进行密度设计。设计准则：设计准则： 满足井下压力条件限制。满足井下压力条件限制。静液柱压力必须大于地层孔隙压力，静液柱压力静液柱压力必须大于地层孔隙压力，静液柱压力与流动阻力之和必须小于地层破裂压力。与流动阻力之和必须小于地层破裂压力。 满足顶替效率的密度差要求。满足顶替效率的密度差要求。尾浆领浆前置液钻井液。可能的条件尾浆领浆前置液钻井液。可能的条件下，考虑密度差下，考虑密度差0.12 0.24g/cm3，但密度越大，流动阻力也越大。，但密度越大，流动阻力也越大。 满足水泥石强度

8、和胶结要求。满足水泥石强度和胶结要求。对于尾浆，特别是封隔油气层段的水泥浆，对于尾浆，特别是封隔油气层段的水泥浆，应尽量使用标准密度（同时，也有利于降低渗透率和孔隙度）。非胶凝材料加重剂应尽量使用标准密度（同时，也有利于降低渗透率和孔隙度）。非胶凝材料加重剂和减轻剂应尽量少加。和减轻剂应尽量少加。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆密度水泥浆密度固井技术培训步玉环 （3 3）密度的调节方法）密度的调节方法：用加入外加剂和外掺料调节水泥：用加入外加剂和外掺料调节水泥浆的密度。水泥浆的正常密度范围是浆的密度。水泥浆的正常密度范围是1.78 1.98 g/cm3。 低密度水泥：低密度水泥：加减轻

9、剂。主要有空心微珠、硅灰、粉煤加减轻剂。主要有空心微珠、硅灰、粉煤灰、硅藻土、水玻璃、膨润土等。灰、硅藻土、水玻璃、膨润土等。 高密度水泥：高密度水泥：加分散剂减水和加重剂。加重剂主要有重加分散剂减水和加重剂。加重剂主要有重晶石、钛铁矿粉、铁矿粉、盐等。晶石、钛铁矿粉、铁矿粉、盐等。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆密度水泥浆密度固井技术培训步玉环 （4 4）密度的测量方法）密度的测量方法：常压钻井液密度计、：常压钻井液密度计、加压钻井液密度计、振荡管密度计和核密度计等。加压钻井液密度计、振荡管密度计和核密度计等。 影响密度测量准确性的因素：影响密度测量准确性的因素：温度压力、排量、温度

10、压力、排量、水泥浆混合效率、空气混入、浆体稳定性、安放水泥浆混合效率、空气混入、浆体稳定性、安放密度计的位置和取样间隔等。密度计的位置和取样间隔等。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆密度水泥浆密度固井技术培训步玉环2、水泥浆稳定性、水泥浆稳定性 水泥浆的稳定性，已越来越得到人们的重视。实践已证水泥浆的稳定性，已越来越得到人们的重视。实践已证明，许多水泥浆由于配方设计不合理，稳定性差，固相颗粒明，许多水泥浆由于配方设计不合理，稳定性差，固相颗粒产生沉降，析出自由水。因此，容易形成桥堵或油气水窜流产生沉降，析出自由水。因此，容易形成桥堵或油气水窜流通道，特别是水平井和大斜度井更容易在井眼上侧

11、形成连通通道，特别是水平井和大斜度井更容易在井眼上侧形成连通的自由水带和在下侧形成固相沉降垫层引起窜槽。的自由水带和在下侧形成固相沉降垫层引起窜槽。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆稳定性水泥浆稳定性固井技术培训步玉环（1 1）稳定性的表示方法）稳定性的表示方法： 水泥浆的稳定性一般可用游离水量（水泥石的体积收缩水泥浆的稳定性一般可用游离水量（水泥石的体积收缩量）、水泥柱的纵向密度分布和表示。量）、水泥柱的纵向密度分布和表示。 实际应用中，只要存在上述情况之一，都认为水泥浆是实际应用中，只要存在上述情况之一，都认为水泥浆是不稳定的，即：垂直水泥柱存在较大的密度梯度，和不稳定的，即：垂直水

12、泥柱存在较大的密度梯度，和 / 或水或水泥浆静止泥浆静止2小时游离出较大的自由水。小时游离出较大的自由水。这两种现象单独发生，这两种现象单独发生，也可以同时出现。也可以同时出现。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆稳定性水泥浆稳定性固井技术培训步玉环（2 2）稳定性的测量方法）稳定性的测量方法： API标准的自由水；标准的自由水； 水泥柱纵向收缩；水泥柱纵向收缩； 水泥柱纵向密度梯度（分布）。水泥柱纵向密度梯度（分布）。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆稳定性水泥浆稳定性固井技术培训步玉环（3 3）提高稳定性的方法：）提高稳定性的方法： 提高水泥浆稳定性就是降低游离水量和沉降量，主要

13、方法提高水泥浆稳定性就是降低游离水量和沉降量，主要方法是增加浆体粘度和静切力。是增加浆体粘度和静切力。 增加水泥浆的粘度：增加水泥浆的粘度：减少用水量（增加水泥或减轻剂或加重减少用水量（增加水泥或减轻剂或加重剂）、增加固相物细度、加入增粘聚合物（一般受温度影响剂）、增加固相物细度、加入增粘聚合物（一般受温度影响大）。大）。 增加水泥浆的静切力（胶凝强度）：增加水泥浆的静切力（胶凝强度）：一般可加入一般可加入AlCl3、 FeCl3和硫酸铝等。和硫酸铝等。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆稳定性水泥浆稳定性固井技术培训步玉环 （4）应注意的问题：）应注意的问题： 应区分概念胶凝与絮凝。应区

14、分概念胶凝与絮凝。流变学角度，流变学角度，胶凝胶凝是由静止是由静止而产生的触变性，施加外力即可恢复流动；而而产生的触变性，施加外力即可恢复流动；而絮凝絮凝则是生则是生成具有结构性的絮凝物，施加外力不能分散流动，只能整成具有结构性的絮凝物，施加外力不能分散流动，只能整体移动。体移动。化学角度，化学角度，胶凝是生成具有胶体结构的凝胶；絮胶凝是生成具有胶体结构的凝胶；絮凝则是生成沉淀物。凝则是生成沉淀物。 应注意静切力提高值应适当。应注意静切力提高值应适当。要充分估计停泵一定时间要充分估计停泵一定时间内能开泵循环和不压漏地层。内能开泵循环和不压漏地层。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆稳定性水

15、泥浆稳定性固井技术培训步玉环3、水泥浆流变性、水泥浆流变性 流变参数是描述水泥浆在外力作用下，产生流流变参数是描述水泥浆在外力作用下，产生流动的特点的参数。动的特点的参数。 它的合理描述和准确测量，直接影响准确计算它的合理描述和准确测量，直接影响准确计算注水泥过程的流动摩阻压力。注水泥过程的流动摩阻压力。 常用流变模式参数有：常用流变模式参数有： 、 ( (宾汉宾汉) )，n n、k(k(幂律幂律) )， 、n n、k(k(赫赫巴巴) )等。等。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆流变性水泥浆流变性sop固井技术培训步玉环幂律模式幂律模式：nK 宾汉模式宾汉模式：p0赫巴模式赫巴模式：ns

16、K通过线性比较法、回归分析法、方差分析法进行流变模式选择通过线性比较法、回归分析法、方差分析法进行流变模式选择流变参数计算流变参数计算300100030060030006000.00150.5115110.001:0.5111022pppp水泥浆: 钻井液与前置液3001003006003006002.092lg()0.5115113.322lg():0.5111022nnnKnK水泥浆: 钻井液与前置液23003300330033003100610060.26120.511()0.511()5115.110.511lg0.5110.511(0.2550.745):0.511(0.3880.6

17、12)xsxnnxxxxKn水泥浆: 钻井液与前置液二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆流变性水泥浆流变性固井技术培训步玉环（1 1）流变性能的测定方法：）流变性能的测定方法： 常压、常温，采用六速旋转粘度计或范式常压、常温，采用六速旋转粘度计或范式35型粘度计型粘度计 常压、中温（常压、中温（82），用范式），用范式35型粘度计；型粘度计； 高温高压下，用增压流变仪，如高温高压下，用增压流变仪，如7400型流变仪。型流变仪。 只有正确的描述（模型选择）和测出（测试仪器和条件）只有正确的描述（模型选择）和测出（测试仪器和条件）水泥浆的流变性能，才能准确计算注水泥的流动摩阻，合理的水泥浆的流

18、变性能，才能准确计算注水泥的流动摩阻，合理的安排地面设备，防止发生井下事故（漏失），提高顶替效率。安排地面设备，防止发生井下事故（漏失），提高顶替效率。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆流变性水泥浆流变性固井技术培训步玉环（2 2）流变性能的影响因素：）流变性能的影响因素： 水泥浆的流变学性质，不仅受其本身水化过程水泥浆的流变学性质，不仅受其本身水化过程的影响，还受温度、压力、剪切时间、水灰比、的影响，还受温度、压力、剪切时间、水灰比、外掺料和外加剂等的影响。外掺料和外加剂等的影响。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆流变性水泥浆流变性固井技术培训步玉环 温度的影响温度的影响 一般情

19、况下，温度对水泥浆流变性能有很显著的影响，一般情况下，温度对水泥浆流变性能有很显著的影响，其影响的程度往往与外加剂体系有关。其影响的程度往往与外加剂体系有关。流变参数流变参数27507590120150175 ，Pa8.136.574.371.880.55/ ，Pa.s0.62190.58650.33440.26520.20930.14210.1419注注水泥浆密度水泥浆密度c=2.25g/cm3，压力为，压力为15MPa。op二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆流变性水泥浆流变性固井技术培训步玉环 压力的影响压力的影响 一般情况下，压力对流变性能的影响不如温度明显。一般情况下，压力对流变

20、性能的影响不如温度明显。流变参数流变参数常压常压20 MPa40 MPa60 MPa80 MPa100 MPa ，Pa4.665.495.916.036.156.21 ，Pa.s0.47480.55260.59560.59930.67030.6122注注水泥浆密度水泥浆密度c=1.91g/cm3，温度为，温度为75。op二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆流变性水泥浆流变性固井技术培训步玉环 密度的影响密度的影响 随密度的增加，水泥浆的流变性能有较明显的影响。随密度的增加，水泥浆的流变性能有较明显的影响。 这也是在易漏失井注水泥时，限制施工密度波动上限的这也是在易漏失井注水泥时，限制施工密

21、度波动上限的因素之一。因素之一。流变参数流变参数水泥浆密度，水泥浆密度，g/cm31.701.771.801.851.912.07 ，Pa1.9132.8054.3350.9311.7724.355 ，Pa.s6.06.89.811.329.376.5po二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆流变性水泥浆流变性固井技术培训步玉环4、水泥浆滤失量、水泥浆滤失量 水泥浆中的自由水在压差作用下，通过井壁渗入到地水泥浆中的自由水在压差作用下，通过井壁渗入到地层中的现象。层中的现象。 APIAPI根据大量实践和研究，总结出了公认的滤失量控制根据大量实践和研究，总结出了公认的滤失量控制情况。情况。 控制

22、很好：控制很好：200ml200ml 控制中等：控制中等：200200 500ml500ml 控制较差：控制较差：500500 1000ml1000ml 不能控制：不能控制：1000ml1000ml二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆滤失量水泥浆滤失量固井技术培训步玉环 1982年年D.K. Smith指出，指出，6.9MPa下，不同用途的水泥浆下，不同用途的水泥浆的滤失量，应达到以下要求：的滤失量，应达到以下要求： 防气窜：防气窜：30 50ml/30min 固尾管和挤水泥：固尾管和挤水泥：50ml/30min 固套管：固套管：250ml/30min 防窜水泥浆在防窜水泥浆在BHST下测

23、定，其余在下测定，其余在BHCT下测定。下测定。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆滤失量水泥浆滤失量固井技术培训步玉环（1 1）降低滤失量的目的）降低滤失量的目的 降低水泥浆的滤失量，能防止因渗透性地层的滤失降低水泥浆的滤失量，能防止因渗透性地层的滤失作用引起施工事故和油气层的损害。作用引起施工事故和油气层的损害。 防止施工事故防止施工事故 生成过厚的滤饼，泵压增加，可能憋漏地层；生成过厚的滤饼，泵压增加，可能憋漏地层； 过早的脱水，有瞬凝的危险；过早的脱水，有瞬凝的危险； 缩短稠化时间，导致过早凝结；缩短稠化时间，导致过早凝结； 降低水泥石强度；降低水泥石强度； 环空桥塞，产生层间窜流

24、。环空桥塞，产生层间窜流。 二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆滤失量水泥浆滤失量固井技术培训步玉环 防止油气层损害防止油气层损害 水泥浆滤失的滤液所造成的对油气层的损害，是长期水泥浆滤失的滤液所造成的对油气层的损害，是长期关注的问题。关注的问题。 滤液侵入使粘土膨胀、絮凝及坍塌；滤液侵入使粘土膨胀、絮凝及坍塌； 与地层水反应生成沉淀；与地层水反应生成沉淀； 与钻井液滤液反应生成沉淀。与钻井液滤液反应生成沉淀。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆滤失量水泥浆滤失量固井技术培训步玉环（2 2）降低滤失量的方法）降低滤失量的方法 在油气井注水泥中，降低水泥浆滤失量的方法有：在油气井注水泥中

25、，降低水泥浆滤失量的方法有： 降低水灰比，减少自由水；降低水灰比，减少自由水； 改善水泥浆固相颗粒的粒度级配，增加微米级细颗粒的含量；改善水泥浆固相颗粒的粒度级配，增加微米级细颗粒的含量； 加入降失水剂：加入降失水剂： 增加水的粘度；增加水的粘度； 迅速形成致密滤饼。迅速形成致密滤饼。 值得注意的是：值得注意的是：选择能迅速生成滤饼，而不明显增加粘度的选择能迅速生成滤饼，而不明显增加粘度的材料作降失水剂最好。典型的有胶乳和非渗透剂。材料作降失水剂最好。典型的有胶乳和非渗透剂。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆滤失量水泥浆滤失量固井技术培训步玉环（3 3）降失水剂类型）降失水剂类型 常用的

26、降失水剂主要有两大类：微粒和水溶性高聚物。常用的降失水剂主要有两大类：微粒和水溶性高聚物。 微粒材料微粒材料 无机固相材料，如粘土、超细钙、微硅等；无机固相材料，如粘土、超细钙、微硅等； 油溶有机材料：如胶乳。常用的有丁苯胶乳（油溶有机材料：如胶乳。常用的有丁苯胶乳（176 ）、二）、二氯乙烯和聚醋酸乙烯酯（低于氯乙烯和聚醋酸乙烯酯（低于）等。）等。 水溶性高聚物水溶性高聚物 主要包括：合成的水溶性聚合物和改性的天然高分子聚合物。主要包括：合成的水溶性聚合物和改性的天然高分子聚合物。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆滤失量水泥浆滤失量固井技术培训步玉环5、稠化时间、稠化时间 在注水泥施工

27、中，由于水泥颗粒的不断水化，水泥浆在注水泥施工中，由于水泥颗粒的不断水化，水泥浆的粘度将逐渐增加，直至增稠至不能流动。为了保证注水的粘度将逐渐增加，直至增稠至不能流动。为了保证注水泥作业的施工安全，必须事先测定水泥浆在与井内相同温泥作业的施工安全，必须事先测定水泥浆在与井内相同温度和压力下的稠化时间，作为施工作业时间的依据。度和压力下的稠化时间，作为施工作业时间的依据。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间固井技术培训步玉环（1 1）可泵性与稠度）可泵性与稠度 对水泥浆的可泵性与稠度的关系，目前仍然说法不一，但对水泥浆的可泵性与稠度的关系，目前仍然说法不一，但一般认为：

28、一般认为： 容易泵注：容易泵注：5 20BC； 不易泵注：不易泵注：20 30BC； 难于泵注：难于泵注：30 40BC； 不能泵注：不能泵注：40BC（也有认为高密度（也有认为高密度50BC ）；）； 易沉降，伴有自由水：易沉降，伴有自由水： 5BC（也有认为（也有认为2BC）。）。 值得注意：值得注意：说法虽不一，并无防碍，因用稠度描述可泵性说法虽不一，并无防碍，因用稠度描述可泵性只是定性的，实际施工中是以流变性作定量设计的。只是定性的，实际施工中是以流变性作定量设计的。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间固井技术培训步玉环（2 2）稠化时间与初终凝时间的关系）稠

29、化时间与初终凝时间的关系 初终凝时间是用韦卡仪在静止状态下测得的，初终凝时间是用韦卡仪在静止状态下测得的，稠化时间是用稠化仪，在水泥浆始终处于运动状稠化时间是用稠化仪，在水泥浆始终处于运动状态下测得的。尽管所用仪器和水泥浆所处状态都态下测得的。尽管所用仪器和水泥浆所处状态都不相同，但仍存在一定的关系。以下是摘录自苏不相同，但仍存在一定的关系。以下是摘录自苏联一专利的数据。联一专利的数据。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间固井技术培训步玉环稠化时间与初终凝的关系稠化时间与初终凝的关系 从表中数据可以看出，一般情况下，稠化时间比初凝时间提前，大约从表中数据可以看出，一般

30、情况下，稠化时间比初凝时间提前，大约在在1530min之间。之间。 国内作初凝时间一般都是在常压下进行。温度相同，国内作初凝时间一般都是在常压下进行。温度相同，压力不同时就没有这种关系。压力不同时就没有这种关系。序号序号密度密度g/cm3水灰比水灰比温度温度压力压力MPa流动度流动度cm稠化时间稠化时间min初凝初凝min终凝终凝min11.820.5100402313015017014050251601802001607027195210230180802920022025022.190.3210040201351601951607017519522018010022025027531.78

31、0.4510040211201451701405014017020016070230215240二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间固井技术培训步玉环（3 3）稠化时间的调节）稠化时间的调节促凝：无机金属盐，有机物促凝：无机金属盐，有机物缓凝：有机酸，无机酸，高分子聚合物，纤维素衍生物缓凝：有机酸，无机酸，高分子聚合物，纤维素衍生物 副副 作作 用：水质敏感性，降强，非单调性，加量指数变化，流变、降用：水质敏感性，降强，非单调性，加量指数变化，流变、降滤协调性与选择性滤协调性与选择性 缓凝的作用机理：抑制水泥矿物组分水化速度，延缓结晶过程缓凝的作用机理：抑制水泥矿物组

32、分水化速度，延缓结晶过程 吸附理论吸附理论 分子吸附于水化颗粒表面，阻止水的接触分子吸附于水化颗粒表面，阻止水的接触(屏蔽层屏蔽层) 组合理论组合理论 分子与液相中分子与液相中 Ca2+离子整合，阻碍晶核生成离子整合，阻碍晶核生成(夺电子夺电子) 晶核毒化理论晶核毒化理论 分于吸附于最初生成的核晶表面，阻止晶体连生，分于吸附于最初生成的核晶表面，阻止晶体连生，难于形成聚晶体难于形成聚晶体 沉淀理论沉淀理论 分子与分子与 Ca2+和和(OH)-离子作用，沉淀于水化表面，阻止离子作用，沉淀于水化表面，阻止水向肢体内部渗透，抑制水化。水向肢体内部渗透，抑制水化。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥

33、浆稠化时间水泥浆稠化时间固井技术培训步玉环6、水泥石强度、水泥石强度 固井注水泥的目的之一，就是在井壁与套管之间保持良好固井注水泥的目的之一，就是在井壁与套管之间保持良好的封隔，在正常生产时间内的任何时候，都不允许地层流体或的封隔，在正常生产时间内的任何时候，都不允许地层流体或完井液通过水泥环在环空中流动。完井液通过水泥环在环空中流动。 （1 1）水泥石强度作用）水泥石强度作用主要包括主要包括3方面的含义：方面的含义： 承受地层压力；承受地层压力； 支撑套管；支撑套管； 封隔地层。封隔地层。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥石强度水泥石强度固井技术培训步玉环（2 2）水泥石抗压强度）水泥石

34、抗压强度二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥石强度水泥石强度（中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 6544- 2003） 不同封固层水泥石抗压强度要求 套管层次水泥浆类型密度，g/cm38h抗压强度，MPa24h抗压强度，MPa表层套管领浆1.601.83.5尾浆1.903.58.0技术套管领浆1.602.13.5尾浆1.905.011.0技术尾管1.905.014.0生产套管领浆1.60-8.0尾浆1.90-14.0生产尾管1.90-14.0固井技术培训步玉环（3 3）水泥的固结特性）水泥的固结特性-胶结强度胶结强度 要保证水泥石与套管和地层之间的胶结质量，达到有效封隔地层，要保证水

35、泥石与套管和地层之间的胶结质量，达到有效封隔地层，应考虑两个胶结特性：剪切胶结力和水力胶结力。应考虑两个胶结特性：剪切胶结力和水力胶结力。 剪切胶结力剪切胶结力 ：支撑套管的自重。一般通过测量水泥石与套管间支撑套管的自重。一般通过测量水泥石与套管间开始产生移动时的作用力确定，用单位接触面积上所需作用力的大开始产生移动时的作用力确定，用单位接触面积上所需作用力的大小表示。一般情况下，剪切胶结强度为抗压强度的小表示。一般情况下，剪切胶结强度为抗压强度的10 % 20%。 水力胶结力：水力胶结力：水力是阻止流体在环空中窜移的能力，一水力是阻止流体在环空中窜移的能力，一般通过测定套管与水泥环之间开始渗

36、漏的压力确定。般通过测定套管与水泥环之间开始渗漏的压力确定。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥石强度水泥石强度固井技术培训步玉环 值得注意：值得注意： 水泥环达到最大剪切胶结强度的时间与养护温度有关（如水泥环达到最大剪切胶结强度的时间与养护温度有关（如20为为7d，70为为3d），且最大剪切胶结强度的大小与表面粗），且最大剪切胶结强度的大小与表面粗糙度和温度有关（粗糙度增加最大胶结强度增加，温度升高最大糙度和温度有关（粗糙度增加最大胶结强度增加，温度升高最大胶结强度一般要降低）。胶结强度一般要降低）。 对于有效封隔地层来说，水力胶结强度比剪切胶结强对于有效封隔地层来说，水力胶结强度比剪切胶

37、结强度的作用更大。度的作用更大。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥石强度水泥石强度固井技术培训步玉环（4 4）水泥石的抗折强度）水泥石的抗折强度二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥石强度水泥石强度 评价水泥石韧性的方法主要有：评价水泥石韧性的方法主要有： 抗冲击韧性试验：指水泥试件受冲击断裂后所消耗能量抗冲击韧性试验：指水泥试件受冲击断裂后所消耗能量(或称断裂或称断裂功功)的大小。用以表示水泥环承受冲击的能力。的大小。用以表示水泥环承受冲击的能力。 抗折强度试验。抗折强度又称为弯曲抗拉强度，测定水泥试件在抗抗折强度试验。抗折强度又称为弯曲抗拉强度，测定水泥试件在抗折实验机上连续均匀加载条

38、件下断裂时的荷载，并计算出其抗折强度。折实验机上连续均匀加载条件下断裂时的荷载，并计算出其抗折强度。 弹性模量试验。弹性模量实际上代表了材料抵抗变形的能力。弹性弹性模量试验。弹性模量实际上代表了材料抵抗变形的能力。弹性模量越大，材料越不容易变形，刚性也就越大。模量越大，材料越不容易变形，刚性也就越大。 抗拉强度试验。测定水泥试件在受到均匀拉伸载荷的作用下断裂时抗拉强度试验。测定水泥试件在受到均匀拉伸载荷的作用下断裂时的载荷，并计算出抗拉强度。的载荷，并计算出抗拉强度。 实弹射孔试验。模拟井下温度和压力条件下养护水泥环并用实弹射实弹射孔试验。模拟井下温度和压力条件下养护水泥环并用实弹射孔，以观察

39、水泥环孔眼是否整齐，有无碎裂及裂纹，评价水泥塑性。孔，以观察水泥环孔眼是否整齐，有无碎裂及裂纹，评价水泥塑性。 固井技术培训步玉环 上述5种方法对固井工程都具有实际的指导意义，但试验的难度具有很大的差别。对比而言，抗折强度、弹性模量试验操作较为简单，对试件的要求较低，而且能定量的分析水泥石韧性变形能力的大小。因此，现在主要以水泥石的抗折强度、弹性模量试验所得到的实验数据来评价水泥石的韧性。 二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥石强度水泥石强度固井技术培训步玉环7、水泥石渗透率、水泥石渗透率 渗透率是一定压力下，水泥石允许流体通过的特性。渗透率是一定压力下，水泥石允许流体通过的特性。 一般情况

40、下，对水泥石渗透率应小于一般情况下，对水泥石渗透率应小于0.010.0110-3m10-3m2 2，用，用于封固腐蚀性地层应尽量降低渗透率。据美国主要页岩气产层于封固腐蚀性地层应尽量降低渗透率。据美国主要页岩气产层储层物性统计，孔隙度为储层物性统计，孔隙度为4.224.226.51% 6.51% ，渗透率为，渗透率为40.940.91010-6-6 mm 。二、水泥浆的性能二、水泥浆的性能-水泥石渗透率水泥石渗透率储层类型储层类型名称名称孔隙度，孔隙度，% 渗透率渗透率 10-3m-2特高孔特高渗特高孔特高渗302000高孔高渗高孔高渗25305002000中孔中渗中孔中渗1525100500

41、低孔低渗低孔低渗101510100特低孔特低渗特低孔特低渗10 MgKPO4.6H2O四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环4 4）FNFN型耐高温油井水泥型耐高温油井水泥 抚顺水泥股份有限公司针对辽河油田热采油井的固井需求，其主要适用于井底温度在l10300条件下的固井施工。 理论依据是：纯熟料油井水泥在井底温度超过ll0湿热条件下，C2S和C3S最初水化生成C2SH2和Ca(OH)2，C2SH2不稳定，发生晶形转变，先是生成C2SH(A)，接着由C2SH(A)转变为C2SH(C)，使水泥形成以C2SH(A)和C2SH(C)为主体的混合

42、物相。这2种水化矿物的强度均小于2MPa，再加上它们在固体状态下晶形转变破坏了水泥石的内部结构，造成高温强度急剧下降，甚至有崩溃的可能。为了减轻硅酸盐油井水泥高温强度的衰减，应在水泥中掺入一定比例的高温稳定剂，使低碱性的CSH(B)成为水泥石的主要水化产物，而纤维状的CSH(B)单体高温稳定强度高达33.1 MPa，因此提高了硅酸盐油井水泥在高温下的强度和热稳定性。 四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环（3）抗高温添加剂缓凝剂1）木质素磺酸盐类 这类缓凝剂主要是影响C3S的水化动力学，对高C,A的水泥，由于C,A对木质素磺酸盐的强烈吸附

43、，影响缓凝剂到达C3S的表面；对低C,A含量的水泥，此缓凝剂的效果较好。 此类缓凝剂主要是从木材、纸浆废液中提取的一种天然高分子，含有各种糖类化合物。 优点是：原材料来源广泛，使用普遍 。 缺点是：由于材料来源分散，木质素磺酸盐的组成、结构，特别是低分子量糖类含量的非均一性，导致性能的差异，使用前必须做大量的试验，以确定稠化时间和调整水泥浆其它性能。 四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环2）羟基羧酸及其盐类 主要有葡萄糖酸、柠檬酸、酒石酸、水杨酸、苹果酸、乳酸、葡庚糖酸及它们的盐。 主要依靠分子中或羟基羧酸基团（HOCCOOH），（HO

44、CCCO2H）。这些基团对阳离子（如Ca2+）有很强的螯合能力，形成高度稳定的五元环或六元环结构，部分地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，达到抑制水化目的。 （3）抗高温添加剂缓凝剂四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环3）糖类化合物 糖类的缓凝作用取决于其在碱性条件下水解的敏感度。糖转化为含有羟羰基（HOCCO）的葡萄糖酸，将强烈地吸附在CSH凝胶表面，使CSH凝胶的成核中心被吸附于表面的阴离子“毒化”，从而起到抑制水化的作用。 但是由于这类缓凝剂其缓凝效果对很小的浓度变化都表现得非常敏感，故在应用上受到限制。这类

45、外加剂影响水泥石的强度。 （3）抗高温添加剂缓凝剂四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环4）纤维素衍生物 主要来源于木材或其它植物的聚多糖。 其缓凝作用是:聚多糖吸附在水泥颗粒上，同时使水泥浆的粘度增加，水渗入水泥颗粒的速度减慢。另外，聚多糖还能控制滤失量。 在水泥浆，但它易使水泥浆体系增稠，常与减阻剂复合使用。 （3）抗高温添加剂缓凝剂四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环5）铝、锌、硼氧化物 （无机盐） 溶解度很小的Zn(OH)2吸附或沉积在水化水泥颗粒表面延缓水泥浆的凝结。一旦

46、形成三羟基水化锌酸钙后，就会促进水化、加速水泥的硬化和促进水泥后期强度的发展。 但存在加量敏感、易发泡、副作用大等缺点，硼酸钠与纤维素类和聚胺类降失水剂配伍使用时，有可能使降失水效果下降。 （3）抗高温添加剂缓凝剂四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环6）有机膦酸盐 烷基膦酸和它的盐类近来常用作油井水泥缓凝剂。这种村料有优越的水化稳定性并且使用温度温可高达204。 对于这类缓凝剂的作用机理还未完全搞清楚，就目前研究结果看来，缓凝作用可能是膦酸盐基团吸附在水泥颗粒表面进而阻止水泥水化，与其它缓凝剂作用原理相似。 国内常用的有机膦酸盐类缓凝剂

47、为羟基乙叉二膦酸。 （3）抗高温添加剂缓凝剂四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环AMPS/AA共聚物 在碱性溶液中，甚至在较高温度下，由于AMPS分子中磺酸盐基团的保护作用，因而使共聚物稳定。 其缓凝机理可以络合作用和抑制成核的协同作用机理。 AMPS-衣康酸共聚物 AMPS衣康酸（甲叉基丁二酸）共聚物中，AMPS与衣康酸的摩尔比为73/27时有非常优越的缓凝作用，其上限温度可达260而无须强化剂。与AMPS/A相比，本体系有更强的缓凝作用，这可能是由于丙烯酸是单羧酸而衣康酸是双羧基酸的缘故。 7）合成高温缓凝剂AMPS共聚物体系 （3

48、）抗高温添加剂缓凝剂四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环中国石油大学（华东）开发的缓凝剂1）采用曼尼希反应和磺化醛酮共聚合反应原理分别合成了有机膦酸盐SDH-1和有机聚合物SDH-2两种缓凝剂，差热热重分析（DTA-TG）说明SDH-1缓凝剂在230时才开始发生热解 。 2）聚合物缓凝剂WR，当聚合物的加量为2%时，水泥浆在180下的稠化时间可达298min 。（衣康酸、丙烯酸和AMPS ）3）AMPS和顺丁烯二酸为合成单体 ，宽带缓凝剂AS 。中温条件下检验为二级品，高温条件下检验为一级品。 适于60150 。（3）抗高温添加剂缓凝剂

49、四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环1) 纤维素类（3）抗高温添加剂降失水剂 常用于油井水泥降失水的是各种纤维素醚类，包括羧甲基纤维素（CMC）羟乙基纤维素（HEC）羧甲基羟乙基纤维素（CMHEC）等。 纤维素醚类材料具有良好的降失水性能，增加或减少加量总可以将水泥浆的失水量控制在希望的范围内。 但是以上纤维素材料的加入，使水泥浆的稠度过大，使搅拌和泵送十分困难。此类材料还具有一定的侯凝现象，水泥浆不能在井下及时凝固，影响了生产。 四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环2) 其他水

50、溶性改性天然产物 类别报道概 要淀粉类胡俊明等16采用接枝共聚方法,在空气存在下以过硫酸盐、Mn3+或Mn7+为引发剂,直接用市售的淀粉(如羧甲基淀粉)与一种或多种乙烯类单体进行接枝共聚反应,制得淀粉接枝共聚物。Sifferman等17使用环氧氯丙烷交联淀粉，可以提高淀粉的粘度，使其在20160具有良好的降失水性能。木质素类Meister18通过接枝共聚反应在木质素磺酸盐大分子链上引进乙烯类侧链。Schilling19使木质素磺酸盐与氨乙基哌嗪、二缩三(乙二胺)等多胺及甲醛发生曼尼奇反应以制备胺基化木质素磺酸盐。褐煤类Huddleston20 21通过接枝共聚反应在褐煤大分子链上引进乙烯类侧链

51、的方法。单宁类Huddleston2223通过接枝共聚改性。所用单宁为澳州荆树皮单宁,属于缩合类单宁；接枝物为AMPS及AMPS+AM。Eoff 24通过在单宁分子链上接枝乙烯类单体的方法。瓜尔胶Miller25以硼酸盐交联瓜尔豆胶，并加入至少一种表面活性剂干酪素Vijn26复合另一种降失水剂，通过协同起作用。可以复合纤维素衍生物淀粉瓜尔胶乙烯类水溶聚合物等。（3）抗高温添加剂降失水剂四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环3）水溶性合成聚合物水溶性合成聚合物 合成降失水剂通常由含乙烯基单体聚合生成。 常用的阴离子单体有：2-丙烯酰胺基2-

52、甲基丙磺酸（AMPS）丙烯酸（AA）甲基丙烯酸衣康酸（IA）等；非离子单体有：丙烯酰胺（AM）N,N-二甲基丙烯酰胺N,N-二乙基丙烯酰胺N-甲基-N-乙烯基乙酰胺（VMAA）N-乙烯基-2-吡咯烷酮丁二烯甲基乙烯基醚甲基丙烯酸酯顺丁烯二酸酐苯乙烯等；阳离子单体有：3-甲基丙烯酰胺氧丙基三甲基氯化铵等。 （3）抗高温添加剂降失水剂四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环单体概 要应用条件与效果报道AHPS/AM/AMPS/(NVPAA)采用AHPS(3-烯丙氧基2-羟基丙磺酸)与AMPSAM聚合或再与NVPAA三元聚合加量1.5%（BWOC

53、），7Mpa下耐温可以达到180，耐盐达到36%(BWOW)Bair等2930AMPS/AM使聚合体系中保持一定的氧浓度，将聚合分为温度不同的两个阶段，在聚合前加入一定量的丙烯酸聚合物分子量较小，水泥浆具有良好的流变性，加量0.4%-1.5%BWOC，水泥浆API失水100mlWalker31聚乙烯亚胺复合烷基苯磺酸碱金属盐和萘磺酸缩甲醛碱金属盐聚乙烯亚胺平均分子量40000-60000，加量0.4%-1.5%BWOCBrake32AMPS/AM/AA/NVP四元共聚物复合一种电解质和至少一种表面活性剂可以在150-230应用，耐温耐盐性能优良Stephens333435AM /乙烯咪唑聚合物

54、复合NVP /乙烯磺酸盐聚合物应用不同分子量，按照不同比例复合后再与萘磺酸缩甲醛分散剂一同应用水泥浆具有良好的流变性能和降失水性能，加量0.4%-1.5%BWOC，水泥浆API失水100mlCrema36NVP/ AM共聚物与一种含有磺化苯环的水泥分散剂复合应用使用温度27-150, 加量0.4%-1.5%BWOC，水泥浆API失水100mlCheung37AMPS/VMAA/AM将单体以一定的比例进行共聚使用温度93-260，可以耐饱和盐水Ganguli38AM /乙烯基甲酰胺共聚物分子量100,000 至 3,000,000之间，与萘磺酸甲醛缩合物复合使用加量0.4%-1.5%BWOC，水

55、泥浆API失水100mlCrema394041部分水解聚醋酸乙烯酯进行交联并与硫酸钙盐复合使用，加少量消泡剂耐温达到95，具有一定耐盐性能Moran42AM /乙烯咪唑共聚物分子量在100,000 -3,000,000之间，与聚萘磺酸缩甲醛分散剂复合应用加量0.5%（BWOC）左右可将失水量降至100ml以下Kucera4344AMPS/苯乙烯采用氧化还原引发体系，乳夜聚合加量0.5-1.0%（BWOC）可以在38-205使用Brothers45四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环1）低密度加石英砂的MTC 体系（4） 高温水泥浆体系

56、理论上：加石英砂的低钙浆体应是高温地热井的最佳选择。 MTC体系其主要原料是矿渣，其含钙相当低，所以它的热稳定性相当好。石英砂是为了防止水泥在高温下的强度衰减，温度越高，加砂量越大，最大可以加到40%以上。 某井预计温度在200左右，所以加砂量选为15%和30%。 四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环（4） 高温水泥浆体系2）高温防气窜胶乳水泥浆体系 其胶乳通过苯乙烯、丁二烯、聚乙烯醇等制备而成，具有稳定性好的特点。 室内测其性能，胶乳水泥浆抗温可达140，在高温下的流动性好；稠化曲线成直角，游离液为零，能够防止油气水窜的发生；水泥石抗

57、压强度稍有降低，但改善了水泥石的部分力学性能，使水泥石抗折强度增加，韧性增强。掺入胶乳后水泥石的抗腐蚀性能得到显著提高。 四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环（4） 高温水泥浆体系3）硅、铝 高温水泥浆体系 设计时考虑：组成为高温稳定相(钙长石、斜钙沸石)、铝调节剂和硅氧化物，硅、铝的来源可以是微硅、硅/铝微珠、偏高岭土(煅烧高岭石)、高岭石(粘土)、粉煤灰，其中高岭土和偏高岭土的煅烧产品是最优选择。 另外在设计混合料时，要对粒子尺寸进行优化设计，选择合适的混合料加量配比，以便使高温水泥浆体系达到紧密堆积，同时使得高温水泥浆热平衡后组成

58、为CaO-Al2O3-SiO2-H2O(CASH)矿物体系。 四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环（4） 高温水泥浆体系3）硅、铝 高温水泥浆体系水泥浆体系的CaO-Al2O3-SiO2三元组成相图 四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环（4） 高温水泥浆体系（3）硅、铝 高温水泥浆体系四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系高温水泥浆体系固井技术培训步玉环四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-深水固井水泥浆体系深水固井水泥浆体系2 2、深水固井水泥

59、浆体系、深水固井水泥浆体系（1）深水油气开发的前景）深水油气开发的前景 水深超过500米（1640英尺）的海域，水深超过1500米的称为超深水。迄今已在全球70个地区钻了2000多口探井，目前已成功在墨西哥海湾水深达3051米的海域进行深水钻井作业。 我国管辖的海域面积约300万km2，近海大陆架约130万km2，其中近海大陆架海区含油气盆地面积近70万km2，共有大中型新生代沉积盆地16个，估计蕴藏石油资源量约150-200亿吨，占全国石油总资源量的18.3-22.5%，天然气总资源量为14.09万亿m3，占全国天然气总资源量的32.7%。 在我国的深水海域中，南海有较好的油气远景。南海是世

60、界著名的四大海洋油气资源区之一，含油气构造200多个，油气田180个，石油地质储量大致在230-300亿吨之间，约占中国总资源量的1/3，有“第二个波斯湾”之称。 固井技术培训步玉环深水油深水油气气资源丰资源丰富富深水固井面临新问深水固井面临新问题题四四. .特殊固井水泥浆体系特殊固井水泥浆体系-深水固井水泥浆体系深水固井水泥浆体系（2）深水固井面临的挑战）深水固井面临的挑战固井技术培训步玉环（3 3）研究现状及存在的问题）研究现状及存在的问题研究人员研究人员研究内容研究内容特点特点19741999Zuiderwijk (Shell)LIBIT CEMENT 优点：优点：配制简单、成本低；配制