1、油田常用油井水泥的种类和性能要求1 前言油井水泥在我国水泥的分类中归属于特种水泥。可定义为：油井水泥是应用于油气田各种钻井条件下进行固井、修井、挤注等用途的硅酸盐水泥和非硅酸盐水泥的总称。包括掺有各种外掺料或外加剂的改性水泥，后者有时被称为特种油井水泥。通常所指的油井水泥是属于硅酸盐类水泥。应用于油井的硅酸盐水泥与应用于建筑、水工、海工、隧道、巷道等用的硅酸盐水泥是不同的。由于工程施工的性能要求不同尽管都属硅酸盐水泥体系，但化学组成，矿物组成，也会存在差异，其物理化学性能的测试仪器和测试方法都会存在差异。2 油井水泥的种类和应用1903 年在美国加利福尼亚劳木波斯油田使用水泥浆封堵油层上部的水
2、层，该油井被称为世界上最早的注水泥井。到目前为止油井水泥的研究和探索，已有百年的历史。在这一百年里对油井水泥的研究取得了较为显著的成果。美国“世界石油”杂志在 1999 年编纂了“世界主要固井用产品和外加剂汇总” ，它包括了世界七大石油公司相关固井用产品和外加剂的最新统计。其中把基本油井水泥分为了 13 大类，在这 13 类油井水泥中，波特兰水泥(我国称为硅酸盐水泥)是世界各油田最为常用的油井水泥，美国 APl 石油组织根据应用性能的不同，进一步把波特兰水泥分为 A 级、B 级、C 级、D 级、E 级、F 级、G 级、H 级、J 级等油井水泥，随着应用中的不断发展和淘汰，目前简化为 A 级、8
3、 级、C 级、G 级、H级。高铝水泥主要应用于 300以上的热采井、地热井固井。市售低密度水泥主要应用于低压油气井、漏失井等井况的固井。市售膨胀水泥可改善胶结性能防止油气窜流，提高固井质量。微细波特兰水泥、微细波特兰水泥和微细高炉矿渣混合物可用于小间隙井、套管微缝的修补、含水井的封堵以及挤水泥作业和修井作业。高炉矿渣、微细高炉矿渣可用于泥浆转化成水泥浆(MTC)的固井作业。特种油井水泥的种类直接取决于掺入外掺料和外加剂的用途并且随着外掺料和外加剂的发展而发展。其种类多种多样也较为繁杂没有相对明确的界限。从应用角度大致可以分为低密度油井水泥、膨胀油井水泥、触变油井水泥、高寒地区油井水泥、抗腐蚀油
4、井水泥、抗高温油井水泥、纤维油井水泥、提高胶结强度的油井水泥、抗渗透油井水泥等。其中的任何一种油井水泥都有自身的特性用于解决在某一方面具有特殊要求的井况其性能更主要的是依赖于掺入的外掺料和外加剂的种类和性能。在应用时往往并不是在水泥厂混合制得更为常见的是在现场根据固井的需要，由基本油井水泥、外掺料、外加剂按比例混合配成。近些年随着技术的发展油井水泥在非硅酸盐类的研究也在进一步的拓展如：以硫铝酸盐水泥熟料为基材的快凝早强油井水泥用磷酸盐胶凝材料与金属氧化物、其它耐高温材料(BFS) 烧成的磷酸盐水泥，用黏土、工业废渣或矿渣适当工艺处理的沸石型无机聚合物水泥用石灰石和黏土矿物烧结的热合水泥等，凭借
5、其优越的性能在固井领域都具有较好的应用前景。3 我国常用油井水泥的种类和应用我国常用的油井水泥有 API 油井水泥(即按照美国 APl 规范进行分类的波特兰油井水泥) ，还有微细或超细油井水泥、G 级抗高温油井水泥、快凝早强油井水泥。3.1 API 油井水泥我国上世纪 60 年代初就开始了油井水泥的研究和生产当时受到前苏联油井水泥分类的影响，在这个时期油井水泥的生产主要是仿制其 45、90、120、150水泥。我国80 年代开始按照 APl 规范进行油井水泥分类，并且研制开发向全国推广。生产厂家也开始依据 APl 的分类和指标要求从事生产。用了十年左右的时间，到 l993 年底实现了 API
6、油井水泥的全部转化。l988 年我国参照采用美国石油协会 APISPEC l086油井水泥材料和试验规范 l0制定了国家标准 GBl023888油井水泥 。该标准把油井水泥分为九种即 A级、8 级、C 级、D 级、E 级、F 级、G 级、H 级、J 级，此外还根据水泥抗硫酸盐的能力进一步分为普通型(O) 、中抗硫酸盐型 (MSR)、高抗硫酸盐型(HSR)。其中 J 级油井水泥由于在 62以下基本不水化，初始反应活性低不利于使用，所以在以后应用中被 APl 取消了。我国 98 版的油井水泥标准也取消了 J 级油井水泥，今年 3 月实施的最新标准 GBl02382005油井水泥把油井水泥分为了八种
7、：A 级、8 级、C 级、D 级、E 级、F 级、G 级、H 级。APl 各级水泥适用于不同的井况A 级只有普通型一种，化学成份和细度类似于ASTM Cl50，I 型，适合无特殊要求的浅层固井作业。在我国大庆、吉林、辽宁油田用量较大配制的水泥浆体系也较为简单一般是 A 级油井水泥加入现场水按比例混合即可，有时根据需要可适当加入少量的外加剂如促凝剂等。B 级具有中抗硫酸盐型(MSR)和高抗硫酸盐型(HSR) 。B 级中抗型的化学成份和细度类似于 ASTM C150，型：B 级高抗型类似于 ASTM Cl50，V 型。一般适用于需抗硫酸盐的浅层固井作业目前在我国还没有使用。C 级又被称作早强油井水
8、泥，具有普通(O) 型、中抗硫酸盐型 (MSR)和高抗硫酸盐型(HSR)三种类型。普通(O) 型的化学成份和细度类似于 ASTM Cl50，型，一般适用于需早强和抗硫酸盐的浅层固井作业。C 级油井水泥凭借其自身低密高强的特性，在浅层油气井的封固和低密度水泥浆的配制都有较大的优势。只是我国固井在配方设计上习惯于用 G 级油井水泥，限制了 C 级油井水泥的使用，它在我国几乎没有使用。D 级、E 级、F 级又被称作缓凝油井水泥，具有中抗硫水泥熟料，来达到 D 级油井水泥的指标要求。工艺复杂生产控制难度大而造成成本较高。而且 D 级油井水泥可以通过 G级、H 级油井水泥加入缓凝剂来代替，该工艺较为简单
9、，所以近几年 D 级油井水泥的使用量也在逐渐下降。E 级、F 级油井水泥在我国尚没有应用报道。G、H 级油井水泥被称为基本油井水泥，具有中抗硫酸盐型 (MSR)和高抗硫酸盐型(HSR)，可以与外加剂和外掺料相混合适用于大多数的固井作业，水泥浆体系也多种多样。G 级、H 级油井水泥可以与低密材料(粉煤灰、漂珠、膨润土等)配制低密度水泥浆体系。用于低压易漏地层的封固：可与外加剂配成常规密度水泥浆体系，用于常规井的封固：可与加重材料(重晶石粉、铁矿粉等 )、外加剂配成高密度水泥浆体系，用于深井和高压气井的封固。其中 G 级油井水泥在我国用量最大。生产厂家最多，在我国各个油田都有使用。H 级油井水泥比
10、 G 级油井水泥要磨的粗一些，水灰比小，配成水泥浆密度在 1.98 左右，更适合配制成高密度水泥浆体系用于高压气井的封固，在我国塔里木油田使用较多。3.2 微细或超细油井水泥使用微细油井水泥或超细油井水泥哪一种命名在我国油田应用中并没有严格区分，有的称为超细油井水泥，也有的称为微细油井水泥。有专家认为水泥中 95粒子的粒径在12m 以下，平均粒径在 3 6m 左右，或者说水泥的细度 (用比表面积表示)达到100m2kg 左右才称的上超细水泥。从世界对基本油井水泥的分类来看，使用微细油井水泥的命名会更好一些。粉磨细度根据各油田现场需要，可以从 50120m2kg 之间甚至更高在我国胜利油田、大庆
11、油田、辽河油田、河南油田、长庆油田、中原油田等油田广泛使用。该系列油井水泥颗粒较为细小，能够渗透到 API 油井水泥不能到达的区域，可用于挤水泥、消除砾石层出水，修复套管泄漏区，封堵地层出水通道以及小间隙固井。3.3 G 级抗高温油井水泥G 级抗高温油井水泥根本上是 G 级高抗油井水泥与硅粉按一定比例混合的产物，主要用于防止井底静止温度大于 110的深井、蒸汽注入井和蒸汽采油井由于温度过高造成的强度倒退。当井底静止温度在 110240条件下的深井时，石英粉的掺量为 35%-40%。对于蒸汽注入井和蒸汽采油井，温度可达到 350左右，硅粉掺量通常在 60以上。其中硅粉的纯度要求不小于 96规格分
12、为细硅粉和粗硅粉两个等级。在我国辽河油田有不少的稠油热采井。水泥浆配方基本上都掺入一定比例的硅粉，可以现场混入也可在水泥厂出厂前混入，这样产生了 G 级抗高温油井水泥。3.4 快凝早强油井水泥快凝早强油井水泥是面向低温地层条件(380)固井开发的一种油井水泥。目前固井使用的 API 油井水泥在低温条件下，存在水泥浆凝结时间长，强度发展慢的缺陷。虽然在基本油井水泥中加人大量促凝剂、早强剂等外加剂能达到预期的效果，但成本投入较大。工艺较为复杂。快凝早强油井水泥则凭借其快凝、早强的优势，是较为理想的产品。但该油井水泥技术还尚未成熟在应用中还没有代表性的产品。有文献报道通过高硅率、高铝率矿物材料及微晶
13、种、矿化剂双掺技术的煅烧工艺或使用硫铝酸盐为材料的煅烧工艺，都能生产出较为理想的产品，并且在我国吉林油田的浅层稠油固井和我国山西淮南地区的煤气固井都曾使用过。4 我国常用油井水泥的性能要求4.1 APl 油井水泥A 级、D 级、G 级、H 级油井水泥在应用中的性能，直接与生产的原材料、工艺过程和生产中的质量控制紧密相关，所以各级油井水泥的出厂检验都应该满足国家油井水泥标准 GBl02382005油井水泥 中各项指标的要求。除此之外各生产厂家。都应尽可能的保证各级油井水泥产品质量稳定性，把批次之间检测结果的浮动范围降低到最小，有利于现场水泥浆配方设计和水泥浆体系性能的稳定。各级油井水泥应该与油田
14、通用的油井水泥外加剂，具有较好的配伍性，防止加入油井水泥外加剂后使得油井水泥的活性丧失。油井水泥在应用前，都应该与通用的油井水泥外加剂作配伍性实验。表 l 是三个油井水泥生产厂家某批次产品与通用油井水泥分散剂（醛酮缩合物）的检测结果(依据标准 SYT 54061999)，从检测结果可以发现各厂家与分散剂的配伍性相差较大，厂家 1 检测结果为一级品，厂家 3 检测结果为不合格品。表 1 生产厂家某批次油井水泥流变性检测结果的对比N K 级 别1 0.678 0.147 一 级2 0.478 0.622 二 级3 0.289 4.93 不 合 格厂 家 编 号 检 测 结 果注 1：n 为沉行指数
15、，值偏大较好。k 为制厦系数，值偏小较好。4.2 微细或超细油井水泥在应用中微细油井水泥没有统一的质量标准，在具体指标上也没有明确的规定。厂家的生产往往是根据油田用户的需求，在油井水泥熟料(A 级、 G 级)的基础上深度磨细，或者在油井水泥熟料的基础上适当调整然后深度磨细。在性能上主要是由于细度的变化，导致了水化加剧而引起水泥浆各项物理性能的改变。微细油井水泥的细度比表面积值越高，通过窄缝的能力也越强，在相同条件下封堵的效果就越好。当达到比表面积 90m2kg 左右时，水泥中大约有 90以上颗粒的粒径不大于 l0.5m，平均粒径在 5m 左右，有实验表明该细度油井水泥在通过 0.15mm 的窄
16、缝时，通过量可以达到 90甚至 100，用于某些地层区域的封堵效果才较为显著，所以在应用时一定要保证微细油井水泥的细度符合现场封堵的要求。配制水泥浆时首先要确定水灰比，与 G 级油井水泥的水灰比 0.44 相比，微细油井水泥的水灰比根据细度的不同，一般可以达到 0.71.3，高的甚至可以到 2.0 左右。但是由于水灰比过大有可能使得水泥浆的稳定性变差，所以要考虑保证浆体稳定合适的水灰比。此外可以与外加剂配伍配制成水泥浆，根据应用条件进行调整使水泥浆具有较好的流变性、适宜的凝固时间、满足实际井况需要的抗压强度等一系列指标。4.3 G 级抗高温油井水泥该油井水泥的性能要求首先要保证 G 级油井水泥
17、的质量符合 GB l02382005油井水泥中各项指标的要求，其次保证硅粉的纯度不小于 96，颗粒分布应符合或接近美国SSA 一 1(细硅粉) SSA 一 2(粗硅粉)的颗粒分布的要求，再者保证掺入的种类和比例符合现场施工要求。加硅粉耐高温水泥浆体系的最高温度为 358，超过该温度目前较为理想的固井水泥为高铝水泥，我国尚没有相关产品的报道，现场也没有使用的实例。4.4 快凝早强油井水泥该油井水泥在应用中也没有统一的质量标准，其性能要求主要是(1)快凝，凝结时间短而且可调，初终凝时间间隔短。(2)早强，水泥浆体迅速凝固硬化并产生足够的早期抗压强度。(3)流动性好，在适当的水灰比下水泥浆体的可泵性好。5 结论（1）我国油井水泥的发展与国外相比还有一定的差距，应进一步加大对油井水泥的研究，使品种多样化满足各种油气井的固井需要。（2）C 级油井水泥在浅层固井和配置低密度水泥浆体系有较大的优势应加大推广和使用。（3）微细油井水泥在油田封堵和修补作业中的使用较为广泛，应尽快制定相应的质量标准。（4）根据固井向高温深井和低温浅层的发展趋势，应加快对高温油井水泥如高铝油井水泥和低温油井水泥如快凝早强油井水泥的研究，并且使最终的产品成熟和稳定。
