1、第四章、注水泥技术,主要内容,油井水泥 水泥浆的物理性能 前置液体系 注水泥工艺及设备 注水泥设计及计算 提高固井注水泥质量的措施,4、注水泥技术,油井水泥 油井水泥的主要成分 油井水泥的水化作用 油井水泥的分类 水泥浆的性能与固井工程的关系 水泥浆性能与固井工程之间的关系 水泥外添加剂 特种水泥 水泥浆性能的调节 前置液体系 冲洗液 隔离液 提高固井注水泥质量的措施 注水泥质量的基本要求 提高注水泥顶替效率 凝固过程中油、气、水上窜的问题讨论,主要内容：,4、注水泥技术,目的与要求：,重点、难点：,提高固井注水泥质量的措施,了解油井水泥的成分、水化作用、油井水泥的分类、水泥外加剂及特种水泥；
2、 掌握注水泥的基本要求、水泥浆性能、前置液体系及提高注水泥质量的措施。,4、注水泥技术,注水泥：从井口经过套管柱将水泥浆注入井壁与套管柱之间的环空中，将套管柱和地层岩石固结起来的过程。,注水泥目的：固定套管、有效封隔井内的油气水层。,注水泥内容：选择水泥、设计水泥浆性能、选择水泥外加剂、井眼准备、注水泥工艺设计等。,4、注水泥技术,注水泥的基本要求：,（l）水泥浆返高和套管内水泥塞高度必须符合设计要求； （2）注水泥井段环形空间内的钻井液全部被水泥浆替走，不存在残留现象； （3）水泥石与套管及井壁岩石有足够的胶结强度，能经受住酸化压裂及下井管柱的冲击； （4）水泥凝固后管外不冒油、气、水，环空
3、内各种压力体系不能互窜； （5）水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。,一、油井水泥,油井水泥是波特兰水泥（硅酸盐水泥）的一种。,油井水泥的基本要求：,（1）水泥能配成流动性良好的水泥浆，且在规定的时间 内，能始终保持这种流动性。 （2）水泥浆在井下的温度及压力条件下保持性能稳定； （3）水泥浆应在规定的时间内凝固并达到一定的强度； （4）水泥浆应能和外加剂相配合，可调节各种性能； （5）形成的水泥石应有很低的渗透性能等。,一、油井水泥,油井水泥的主要成分:,(1)、硅酸三钙3CaOSiO2（简称C3S）水泥的主要成份，一般的含量为40%65%。 对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。 (2)
4、、硅酸二钙2CaOSiO2（简称C2S）含量一般在24%30%之间； 水化反应缓慢，强度增长慢；对水泥的最终强度有影响。,一、油井水泥,油井水泥的主要成分:,(3)、铝酸三钙3CaOAl2O3（简称C3A）促进水泥快速水化；其含量是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素；对水泥浆的流变性及早期强度有较大影响；对硫酸盐极为敏感；对于有较高早期强度的水泥，其含量可达15%。 (4)、铁铝酸四钙4CaO2Al2O3Fe2O3（简称C4AF），对强度影响较小，水化速度仅次于C3A，早期强度增长较快，含量为 8%12%。,除了以上四种主要成份之外，还有石膏、碱金属的氧化物等。,一、油井水泥,油井水泥的水化作用
5、:,水泥与水混合成水泥浆后，与水发生化学反应，生成各种水化产物。水泥浆逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成有一定强度的固体状物质水泥石。,水泥的水化反应,3CaOSiO22H2O2CaOSiO2H2O十Ca(OH)2 2CaOSiO2H2O2CaOSiO2H2O 3CaOAl2O36H2O3CaOAl2O36H2O 4CaOAl2O3Fe2O36H2O3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O,除此之外还发生其他二次反应，生成物中有大量的硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。,一、油井水泥,水泥的凝结和硬化:,1)、溶胶期：水泥与水混合成胶体液，此时水与水泥成分开始产生水化反应，水化产物的浓
6、度开始增加，达到饱和状态时部分水化物以胶态或微晶体析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流动性。 2)、凝结期：水泥反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及微晶体大量增加，晶体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶体系。水泥浆变稠，直到失去流动性。 3)、硬化期：水泥的水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，强度增加，已经硬化成为水泥石。,一、油井水泥,油井水泥的分类,1、API水泥使用范围,一、油井水泥,油井水泥的分类,2、国产以温度系列为标准的油井水泥,45水泥：用于表层及浅层，深度小于1500米； 75水泥：用于井深15003200m。当超过3500 m时应加入缓凝剂。温度超过110时，应加入不少
7、于28%的硅粉。 95水泥：用于井深25003500 m。当温度超过ll0时，应加入不少于28%的硅粉。 120水泥：用于井深35005000 m。当用于4500一5000 m时应加入缓凝剂及降失水剂。,二、水泥浆性能与固井工程的关系,（一）、水泥浆性能,1、水泥浆的密度,干水泥密度3.053.20g/cm3； 水泥完全水化需要的水为水泥重量的20%左右； 使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量的45%50%； 水泥浆密度1.801.90g/cm3之间； 水灰比：水与干水泥重量之比。,二、水泥浆性能与固井工程的关系,（一）、水泥浆性能,2、水泥浆的稠化时间,水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用
8、的时间； API标准：从开始混拌到水泥浆稠度达到100BC(水泥调度单位)所用的时间； API标准中规定在初始的1530min时间内，稠化值应当小于30BC。好的稠化情况是在现场总的施工时间内，水泥浆的稠度在50BC以内。,二、水泥浆性能与固井工程的关系,（一）、水泥浆性能,3、水泥浆的失水,定义：水泥浆中自由水通过井壁向地层渗入的现象。 一般用30分钟的失水量表示。 危害： 1)、水泥浆大量失水将造成水泥浆急剧变稠，大大影响其流动性，从而不利于水泥浆对钻井液的顶替。 2)、水泥浆大量失水进入油气层也将对油气层产生损害。,二、水泥浆性能与固井工程的关系,从液态转变为固态的时间； 初凝时间：自水
9、泥与水混合时开始至水泥浆部分失去塑性的时间间隔； 终凝时间：自水泥与水混合时开始至能承受一定压力的硬化程度所经历的时间。 一般取初凝时间的75%为注水泥的施工时间。 对于封固表层及技术套管来讲，希望水泥能有早期较高的强度。以便于尽快开始下一道工序。通常希望固完井候凝8h左右，水泥浆开始凝结成水泥石，其抗压强度可达2.3MPa以上即可开始下一次开钻。,（一）、水泥浆性能,4、水泥浆的凝结时间,二、水泥浆性能与固井工程的关系,（一）、水泥浆性能,5、水泥石的强度,(1)支撑和加强套管 ； (2)应能承受钻柱的冲击载荷； (3)应能承受酸化、压裂等增产措施作业的压力。,6、水泥石的抗蚀性,应能抗各种
10、流体的腐蚀，主要应抗硫酸盐腐蚀。 在水泥成分中控制C3A及C4AF的含量为C3A3%，C4AF+2C3A24%，可使水泥抗硫性提高。也可加入矿渣、石英砂等提高抗硫能力。,二、水泥浆性能与固井工程的关系,（二）、水泥的外加剂,（1）加重剂：重晶石、赤铁粉等。可使水泥浆密度达到 2.3 gcm3。 （2）减轻剂：硅藻土、粘土粉、沥青粉、玻璃微珠、火山灰等。可使水泥浆的密度降到l.45 gm3。 （3）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，保证有足够的注水泥作业时间。 （4）促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾等。 （5）减阻剂：奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸盐、木质
11、素磺化钠等，改善水泥浆的流动性能。 （6）降失水剂：羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。 （7）防漏失剂：沥青粒、纤维材料等。,二、水泥浆性能与固井工程的关系,（三）、特种水泥,1、触变性水泥：当水泥浆静止时，形成胶凝状态，但在流动时，胶凝 状态被破坏，它的流动性是良好的。 2、膨胀水泥：水泥浆凝固时，体积略有膨胀。一般用于高压气井。 3、防冻水泥：用于地表温度较低地区的表层套管固井。 4、抗盐水泥：大段含盐层的固井；大段泥、页岩和膨胀性地层的固井。 5、抗高温水泥：在水泥中加入石英砂或铝酸盐，用于高温条件固井。 6、轻质水泥：主要应用于低压井固井等场合。,三、前置液体系,将水泥浆与钻井液隔
12、开，起到隔离、缓冲、清洗的作用，可提高固井质量。,（一）、冲洗液 冲洗液：低粘度、低剪切速率、低密度。用于有效冲洗井壁及套管壁，清洗残存的钻井液及泥饼。 作用： 、稀释和分散钻井液，防止钻井液的胶凝和絮凝，有效冲洗井壁及套管壁，清洗残存的钻井液及泥饼； 、在水泥浆及钻井液之间起缓冲作用，有利于提高固井质量。 要求： 、具有接近水的低密度，可在1.03g/cm3左右。 、有很低的塑性粘度，有良好的流动性能，具有低剪切速率、低流动阻力，能在低速下达到紊流的流动特性，其紊流的临界流速在0.30.5m/s左右。 、能与水泥浆及钻井液都有良好的相容性。,三、前置液体系,（二）、隔离液 有效隔开钻井液与水
13、泥浆，以便形成平面推进型的顶替效果。通常为粘稠液体。 作用： 、能有效地隔开钻井液与水泥浆；能形成平面推进型的顶替效果； 、对低压、漏失层可起到缓冲作用； 、具有较高的浮力及拖曳力，以加强顶替效果。 隔离液通常为粘稠的液体。它的粘度较冲洗液要大，密度稍高，静切力应稍大。它的使用是在冲洗液之后注入，隔离液注完之后再注水泥浆。 性能要求： 密度应比钻井液大0.060.123g/cm3；粘度较高，切力值应在(4080)mPas；失水量在50mL/30min左右。,四、提高注水泥质量的措施,（一）、注水泥质量的基本要求,1、固井质量的基本要求： 、依照地质及工程设计要求，套管的下入深度、水泥浆返高和套
14、管内水泥塞高度 符合要求； 、注水泥井段环形空间内的钻井液全部被水泥浆替走，不存在残留现象； 、水泥环与套管和井壁岩石之间的连接良好； 、水泥石能抵抗油、气、水长期的侵蚀。 2、固井中常出现的固井质量问题 、井口有冒油、气、水现象； 、不能有效的封隔各种层位，开采时各种压力互窜，影响井的生产； 、因固结质量不良在生产中引起套管变形，使井报废等。,四、提高注水泥质量的措施,（二）、影响注水泥质量的因素,1、顶替效率低，产生窜槽,注水泥段：,注水泥浆段任一截面积：,顶替效率：水泥浆在环形空间顶替钻井液的程度，用表示。,四、提高注水泥质量的措施,1、顶替效率低，产生窜槽,窜槽：在注水泥过程中，由于水
15、泥浆不能将环空中的钻井液完全替走，使环形空间局部出现未被水泥浆封固住的现象。 窜槽危害：会引起封固质量的下降，使套管失去水泥石的保护，受到岩石侧向变形的挤压，引起套管损坏；使水泥石中形成连通的通道，丧失封隔不同压力体系地层的作用，使套管外冒油、气、水或使地下压力窜通。这是一种常见的注水泥质量缺陷。 形成窜槽的原因： 、套管的居中不好。 、井眼不规则。 、水泥浆性能及顶替措施不当。,四、提高注水泥质量的措施,2、水泥浆凝结过程中油气水上窜,引起油气水上窜的原因： 、水泥浆失重：水泥浆柱在凝结过程中对其下部地层所作用的压力逐渐减小的现象； 、桥堵引起失重： 、水泥浆凝结后体积收缩：收缩率小于0.2
16、%； 、套管内原来有压力，放压后使套管收缩； 、泥饼的存在，影响地层水泥间（第二界面）的胶结。,四、提高注水泥质量的措施,3、提高注水泥质量的措施,（1）、提高顶替效率，防止窜槽,、加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度； 、注水泥时活动套管； 、采用紊流或塞流流态注水泥； 、采用前置液； 、注水泥前调整钻井液性能； 、增加紊流接触时间等。,（2）、防止油气水上窜,、注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空内加压； 、使用膨胀性水泥，防止水泥石收缩； 、采用多级注水泥技术或采用两种凝速的水泥； 、使用刮泥器，清除井壁泥饼。,、加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度,套管居中,套管偏心,四、提高注水泥质量的措施,（1）、提高顶替效率，防止窜槽,（a） （b） （c） 旋转套管提高顶替效率示意图 （a）套管不动 （b）套管开始转动 （c）钻井液将被替完 1井眼 2套管 3流动的水泥浆 4钻井液,、注水泥时活动套管,四、提高注水泥质量的措施,（1）、提高顶替效率，防止窜槽,（a） （b） （c） 不同流态时流速分布示意图 （a）塞流 （b）层流 （c）紊流,、采用紊流或塞流流态注水泥,四、提高注水泥质量的措施,（1）、提高顶替效率，防止窜槽,层流,塞流,紊流,顶替过程中的流态影响,四、提高注水泥质量的措施,本节结束！,
