油田化学第3章_水泥浆化学

1、第三章第三章 水泥浆化学水泥浆化学第一篇第一篇 钻井化学钻井化学 1、固井 由套管向井壁与套管的环空注入水泥浆并让它上返至一定高度，水泥浆随后变成水泥石将井壁与套管固结起来。前言前言前言前言（1）表层套管 封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层；安装井口、 悬挂和支撑后续各层套管。（2）生产套管（油层套管） 用以保护生产层，提供油气生产通道。（3）中间套管（技术套管） 用来封隔不同地层压力层系或易漏、易塌、易卡等井下复杂地层。2 2、套管类型及其作用、套管类型及其作用第一节水泥浆功能与组成 （1）固井和保护套管）固井和保护套管 （2）保护高压油气层）保护高压油气层 （3）封隔严重漏失层和其他复杂层

2、）封隔严重漏失层和其他复杂层 一、水泥浆的功能一、水泥浆的功能2、水泥浆的组成、水泥浆的组成 （2）水泥）水泥 水泥是由石灰石、粘土在水泥是由石灰石、粘土在14501650下煅烧、冷却、下煅烧、冷却、磨细而成，它主要含下列硅酸盐和铝盐酸：磨细而成，它主要含下列硅酸盐和铝盐酸：（1）水）水 配水泥浆的水可以是淡水、盐水或海水。配水泥浆的水可以是淡水、盐水或海水。水泥浆由水、水泥、外加剂和外掺料组成。水泥浆由水、水泥、外加剂和外掺料组成。 （1）硅酸三钙3CaOSiO2（简称C3S） 水泥的主要成份，水化速率和强度增加率高，早期强度和最后强度都高。（2）硅酸二钙）硅酸二钙2CaOSiO2（简称简称

3、C2S） 含量一般在含量一般在2430之间；之间； 水化反应缓慢，强度增长慢；水化反应缓慢，强度增长慢； 最终强度低。最终强度低。2 2、水泥浆的组成、水泥浆的组成（3）铝酸三钙3CaOAl2O3（简称C3A） 含量少，水化速率高，强度增加速率低，最后强度低。（4）铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3（简称C4AF） 含量少，水化速率高，强度增加速率低，最后强度低。 除了以上主要成份之外，还有石膏、碱金属的氧化物等。2 2、水泥浆的组成、水泥浆的组成 水泥水化后的早期强度主要决定于硅酸三钙，水泥水化后的早期强度主要决定于硅酸三钙，晚期强度则主要决定于硅酸三钙和硅酸二钙，而晚期强度则主要决定于

4、硅酸三钙和硅酸二钙，而铝酸三钙和铁铝酸四钙对早期强度和晚期强度的铝酸三钙和铁铝酸四钙对早期强度和晚期强度的影响都较小。影响都较小。 水泥石还含有石膏、碱金属、氧水泥石还含有石膏、碱金属、氧化钙等。化钙等。2 2、水泥浆的组成、水泥浆的组成2 2、水泥浆的组成、水泥浆的组成 油井水泥分类油井水泥分类 按API(American Petroleum Institute)标准分类:A、B、C、D、E、F、G、H、J九个级别 按我国石油行业（SY）标准分类，油井水泥根据适应的地层温度分成45、75、95、和120四个级别。 2 2、水泥浆的组成、水泥浆的组成3 3、水泥浆的外加剂与外掺料 若按用途，则

5、可将水泥浆外加剂与外掺料合在一起分成七类，即水泥浆促凝剂、水泥浆缓凝剂、水泥浆减阻剂、水泥浆膨胀剂、水泥浆降滤失剂、水泥浆密度调整外掺料、水泥浆防漏外掺料。（1）促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾等。（2）缓凝剂：丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸盐、羧甲基羟乙基纤维素等。（3）减阻剂：奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸盐、木质素磺化钠等。（4）膨胀剂（防气窜剂）：半水石膏、铝粉、氧化镁（5）降滤失剂：羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。（6）水泥浆密度调整外掺料 加重剂：重晶石、赤铁粉等。可使水泥浆密度达到 2.3 gcm3。 减轻剂：硅藻土、粘土粉、沥青粉、玻璃微珠、火山灰等。可使水泥浆

6、的密度降到1.45 gm3。（7）防漏失剂：沥青粒、纤维材料等。第二节水泥浆密度及其调整第三章第三章 水泥浆化学水泥浆化学 固井时，为使水泥浆能将井壁与套管间的钻固井时，为使水泥浆能将井壁与套管间的钻井液替换的彻底应要求水泥浆密度大于钻井液密井液替换的彻底应要求水泥浆密度大于钻井液密度，但又以不压漏地层为度。度，但又以不压漏地层为度。 配水泥浆时，水与水泥的质量比称为水灰比。配水泥浆时，水与水泥的质量比称为水灰比。水泥浆通常的水灰比在水泥浆通常的水灰比在0.30.5范围，所配得水泥范围，所配得水泥浆密度则在浆密度则在1.81.9gcm-3范围。范围。前言前言 能降低水泥浆密度的物质称为降低水泥

7、浆密度能降低水泥浆密度的物质称为降低水泥浆密度外掺料。在低压油气层或易漏地层固井时，需在水外掺料。在低压油气层或易漏地层固井时，需在水泥浆中加入降低水泥浆密度外掺料。泥浆中加入降低水泥浆密度外掺料。 （1）粘土）粘土 粘土的固相密度（粘土的固相密度（2.42.7gcm-3）。低于水泥的）。低于水泥的固相密度（固相密度（3.13.2gcm-3）。）。 1 1、降低水泥浆密度外掺料、降低水泥浆密度外掺料 （2）粉煤灰）粉煤灰 粉煤灰是粉煤燃烧产生的空心颗粒，主要成分为粉煤灰是粉煤燃烧产生的空心颗粒，主要成分为二氧化硅。粉煤灰固相密度（约二氧化硅。粉煤灰固相密度（约2.1gcm-3），比水泥），比水

8、泥的固相密度低。的固相密度低。 （3）膨胀珍珠岩膨胀珍珠岩 膨胀珍珠岩是通过珍珠岩高压熔融，然后迅速减膨胀珍珠岩是通过珍珠岩高压熔融，然后迅速减压、冷却所产生的多孔性固体。压、冷却所产生的多孔性固体。1 1、降低水泥浆密度外掺料、降低水泥浆密度外掺料 能提高水泥浆密度的物质称为提高水泥浆密度能提高水泥浆密度的物质称为提高水泥浆密度外掺料。外掺料。 在高压油气层固井时，需在水泥浆中加入提高在高压油气层固井时，需在水泥浆中加入提高水泥浆密度的外掺料。水泥浆密度的外掺料。2 2、提高水泥浆密度外掺料、提高水泥浆密度外掺料 （1）高密度固体粉末）高密度固体粉末 （2）水溶性盐）水溶性盐 第三节水泥浆稠

9、化及稠化时间的调整第三章第三章 水泥浆化学水泥浆化学 (1)(1)水泥浆稠化水泥浆稠化 水与水泥混合后水泥浆逐渐变稠水与水泥混合后水泥浆逐渐变稠, ,水泥浆这种逐水泥浆这种逐渐变稠的现象称为水泥浆稠化。渐变稠的现象称为水泥浆稠化。 1 1、水泥浆稠化、水泥浆稠化 (2)(2)水泥浆稠度水泥浆稠度 水泥浆稠化的程度用稠度表示。水泥浆的稠度是水泥浆稠化的程度用稠度表示。水泥浆的稠度是用稠化仪通过测定一定转速的叶片在水泥浆中所受用稠化仪通过测定一定转速的叶片在水泥浆中所受的阻力得到，单位为的阻力得到，单位为BcBc。 （3 3）水泥浆稠化速率）水泥浆稠化速率 用稠化时间表示。用稠化时间表示。稠化时间

10、稠化时间是指水与水泥混合是指水与水泥混合后稠度达到后稠度达到100Bc100Bc所需的时间。所需的时间。 为使水泥浆顺利注入井壁与套管的环空，应要求为使水泥浆顺利注入井壁与套管的环空，应要求稠化时间等于注水泥浆施工时间（即从配水泥浆到稠化时间等于注水泥浆施工时间（即从配水泥浆到水泥浆上返至预定高度的时间）加上一小时。水泥浆上返至预定高度的时间）加上一小时。 1 1、水泥浆稠化、水泥浆稠化 水泥浆稠化是由水泥水化引起的。水泥的主要成分与水发生的水化反应为：2 2、水泥的水化反应2 2、水泥的水化反应 水泥的水化分为五个阶段：水泥的水化分为五个阶段：预预诱导阶段：诱导阶段：这阶段是在水与水泥混合后

11、的几分钟时间这阶段是在水与水泥混合后的几分钟时间内。在这阶段，由于水泥为水润湿而开始水化反应，放出内。在这阶段，由于水泥为水润湿而开始水化反应，放出大量的热大量的热(其中包括润湿热和反应热其中包括润湿热和反应热)。水化反应生成的水化。水化反应生成的水化物在水泥颗粒表面附近形成饱和溶液并在表面析出，阻止物在水泥颗粒表面附近形成饱和溶液并在表面析出，阻止了水泥进一步水化，使水化迅速下降，进入诱导阶段了水泥进一步水化，使水化迅速下降，进入诱导阶段诱导阶段：诱导阶段：在这阶段，水泥的水化速率很低但由于水在这阶段，水泥的水化速率很低但由于水泥表面析出的水化物渐溶解泥表面析出的水化物渐溶解(因它对水泥浆的

12、水相未达到因它对水泥浆的水相未达到饱和饱和)，所以在这阶段后期，水化速率有所增加，所以在这阶段后期，水化速率有所增加固化阶段：固化阶段：在这阶段，水化速率增加。水泥水化产生大在这阶段，水化速率增加。水泥水化产生大量的水化物，它们首先溶于水中，随后饱和析出，在水泥量的水化物，它们首先溶于水中，随后饱和析出，在水泥颗粒间形成网络结构，使水泥浆固化。颗粒间形成网络结构，使水泥浆固化。硬化阶段：硬化阶段：在这阶段，水泥颗粒间的网络结构变得越来在这阶段，水泥颗粒间的网络结构变得越来越密，水泥石强度越来越大，因此渗透率越来越低，影响越密，水泥石强度越来越大，因此渗透率越来越低，影响未水化的水泥颗粒与水接触

13、，水化速率越来越低。未水化的水泥颗粒与水接触，水化速率越来越低。中止期：中止期：在这阶段，渗入水泥石的越来越少，直到不能渗在这阶段，渗入水泥石的越来越少，直到不能渗入，从而使水泥的水化中止，完成了水泥水化的全过程。入，从而使水泥的水化中止，完成了水泥水化的全过程。 水泥的水化分为五个阶段：水泥的水化分为五个阶段：（1）促凝剂：）促凝剂：缩短水泥浆稠化时间的物质缩短水泥浆稠化时间的物质 3 3、水泥浆稠化时间调整、水泥浆稠化时间调整 促凝机理促凝机理 压缩析出水化物表面的扩散双电层，使它在水泥压缩析出水化物表面的扩散双电层，使它在水泥颗粒间形成有高渗透性的网络结构，有利于水的渗入颗粒间形成有高渗

14、透性的网络结构，有利于水的渗入和水化反应的进行而起促凝作用。（氯化钙）和水化反应的进行而起促凝作用。（氯化钙） 促凝剂举例促凝剂举例 氯化物、碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐、铝酸盐、低分氯化物、碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐、铝酸盐、低分子有机酸盐等。子有机酸盐等。 （2）缓凝剂 ：延长水泥浆稠化时间的物质 缓凝机理：缓凝机理： 吸附机理：吸附机理： 缓凝剂吸附在水泥颗粒表面，阻碍与水接触。缓凝剂吸附在水泥颗粒表面，阻碍与水接触。也可吸附在饱和析出的水泥水化物表面，影响其在固化阶段也可吸附在饱和析出的水泥水化物表面，影响其在固化阶段和硬化阶段形成网络结构的速率。和硬化阶段形成网络结构的速率。 螯合机理：缓凝剂

15、可与通过螯合形成稳定的五元环和六螯合机理：缓凝剂可与通过螯合形成稳定的五元环和六元环结构而影响水泥水化物饱和析出的速率。元环结构而影响水泥水化物饱和析出的速率。3 3、水泥浆稠化时间调整、水泥浆稠化时间调整缓凝剂举例缓凝剂举例 (1) (1) 硼酸及其盐硼酸及其盐 缓凝剂举例缓凝剂举例 (2) 膦酸及其盐 (3) (3) 羟基羧酸及其盐羟基羧酸及其盐 缓凝剂举例缓凝剂举例 (4) (4) 木质素磺酸盐及其改性产物木质素磺酸盐及其改性产物 缓凝剂举例缓凝剂举例 (5) (5) 水溶性聚合物水溶性聚合物 缓凝剂举例缓凝剂举例 第四节水泥浆流变性及其调整第三章第三章 水泥浆化学水泥浆化学 水泥浆流变

16、性与水泥浆的流动阻力有关，与水水泥浆流变性与水泥浆的流动阻力有关，与水泥浆对钻井液的顶替效率和固井质量有关。泥浆对钻井液的顶替效率和固井质量有关。 水泥浆流变性与泥浆流变性类似。水泥浆流变性与泥浆流变性类似。 1 1、水泥浆流变性、水泥浆流变性2、水泥浆流变性调整 水泥浆流变性调整主要是通过加水泥浆减阻剂降低流动阻力。 减阻剂作用机理：同泥浆降粘剂。通过吸附提高水泥颗粒表面负电性并增加水化层厚度从而使水泥颗粒形成的结构拆散。 （1）羟基羧酸及其盐）羟基羧酸及其盐 柠檬酸、水杨酸、苹果酸等及其盐。热稳定性高、抗盐性柠檬酸、水杨酸、苹果酸等及其盐。热稳定性高、抗盐性强、缓凝作用好等特点。强、缓凝作

17、用好等特点。 （2）木质素磺酸盐及其改性产物）木质素磺酸盐及其改性产物 与羟基羧酸及其盐相比有类似特点，使用时要加消泡。与羟基羧酸及其盐相比有类似特点，使用时要加消泡。 减阻剂类型：减阻剂类型： （3）烯类单体低聚物）烯类单体低聚物 聚乙烯磺酸钠、苯乙烯磺酸钠、苯乙聚乙烯磺酸钠、苯乙烯磺酸钠、苯乙 烯磺酸烯磺酸 钠与顺丁烯钠与顺丁烯二酸酐的共聚物等（二酸酐的共聚物等（26103）。热稳定性高、不起泡、不缓）。热稳定性高、不起泡、不缓凝、减阻效果好。凝、减阻效果好。 （4）磺化树脂低缩聚物）磺化树脂低缩聚物 磺化烷基萘甲醛树脂具有磺化烷基萘甲醛树脂具有 烯类单体低聚物特点，但有一烯类单体低聚物特

18、点，但有一定的缓凝作用（定的缓凝作用（24103）。）。分散剂类型：分散剂类型：第五节水泥浆滤失性及其调整第三章第三章 水泥浆化学水泥浆化学 一般固井常规滤失量一般固井常规滤失量250ml，深井固井，深井固井50ml ，油气层固井，油气层固井20ml。地层渗透率越低，。地层渗透率越低，滤失量应越低。滤失量应越低。1 1、水泥浆滤失量要求、水泥浆滤失量要求2、降滤失剂分类及作用机理 （1）固体颗粒：）固体颗粒：捕集和物理堵塞机理捕集和物理堵塞机理 （2）胶乳）胶乳 ：粘稠液珠在地层孔隙结构中产生粘稠液珠在地层孔隙结构中产生Jamin效应，在地层效应，在地层 孔隙表面成膜，降低地层渗透率孔隙表面成

19、膜，降低地层渗透率 （3）水溶性聚合物）水溶性聚合物 ：增粘、吸附、增粘、吸附、 捕集和物理捕集和物理堵塞机理堵塞机理降滤失剂：降滤失剂：降滤失剂：降滤失剂：第六节 气窜及其控制第三章第三章 水泥浆化学水泥浆化学 （1）定义）定义 高压气层中的气体沿着缝隙进入低压层或上窜至高压气层中的气体沿着缝隙进入低压层或上窜至地面的现象。地面的现象。1 1、气窜定义及发生原因、气窜定义及发生原因 （2）气窜原因气窜原因 水泥浆在固化阶段和硬化阶段体积收缩。水泥浆在固化阶段和硬化阶段体积收缩。 （1）半水石膏半水石膏 CaSO4 1/2H20+3/2H2O CaSO42H2O （半水石膏）（半水石膏） 3C

20、aO AL2O3 +6H2O 3CaO AL2O3 6H2O （铝酸三钙）（铝酸三钙） 3（CaSO42H2O）+ 3CaO AL2O3 6H2O +20H2O 3CaO AL2O3 3 CaSO432H2O（钙矾石）（钙矾石） 反应生成的钙矾石分子中含有大量的结晶水，体积膨胀，反应生成的钙矾石分子中含有大量的结晶水，体积膨胀，抑制了水泥浆的体积收缩。抑制了水泥浆的体积收缩。 2 2、 防气窜剂（水泥浆膨胀剂）防气窜剂（水泥浆膨胀剂）（2）铝粉：）铝粉： 2Al+Ca(OH)2+2H2O Ca(AlO2)2+H2 （3）氧化镁：）氧化镁： Mg O+H2O Mg(OH)2 氧化镁引起的体积膨胀

21、率随温度增加而增大，高温固化。氧化镁引起的体积膨胀率随温度增加而增大，高温固化。2 2、 防气窜剂（水泥浆膨胀剂）防气窜剂（水泥浆膨胀剂）（4）水溶性聚合物）水溶性聚合物 ：提高水相粘度、物理堵塞：提高水相粘度、物理堵塞（5）水溶性表面活性剂：）水溶性表面活性剂：Jamin效应效应（6）胶乳）胶乳 ：Jamin效应、成膜作用效应、成膜作用2 2、 防气窜剂（水泥浆膨胀剂）防气窜剂（水泥浆膨胀剂）第七节水泥浆漏失处理方法第三章第三章 水泥浆化学水泥浆化学颗粒性材料颗粒性材料纤维状材料纤维状材料加堵漏材料加堵漏材料减小水泥浆密度和流动压降减小水泥浆密度和流动压降水泥浆漏失处理方法水泥浆漏失处理方法第八节水泥浆体系第三章第三章 水泥浆化学水泥浆化学常规水泥浆常规水泥浆特种水泥浆特种水泥浆标准水泥、淡水、