水泥浆设计PPT课件

1、12第一部分第一部分 水泥浆的性能及其影响因素水泥浆的性能及其影响因素第二部分第二部分 选用外加剂应注意的方面选用外加剂应注意的方面第三部分第三部分 适合井况要求的水泥浆设计适合井况要求的水泥浆设计3 4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

2、凝结时间凝结时间 水泥石抗折强度水泥石抗折强度51、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6 （1 1）用水量）用水量：水化需水量、标准用水量、最：水化需水量、标准用水量、最小用水量、最大用水量。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固的需水量一般为水泥质量的25左右。左右。而水泥而水泥浆具有可泵性的

3、最小含水量为浆具有可泵性的最小含水量为38。可见，实际。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。水的形式存在。 7 标准用水量：标准用水量：按照水泥正常水灰比的加水量按照水泥正常水灰比的加水量。如如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，水泥浆的常压稠度的最大值，在室温下，水泥浆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

4、常压稠化仪中搅拌，在室温下，水泥浆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。8 最大用水量：最大用水量：为了使水泥颗粒保持悬浮，直至凝固为了使水泥颗粒保持悬浮，直至凝固，根据，根据“水泥浆含水量的确定水泥浆含水量的确定”，在，在27条件下，水泥条件下，水泥浆游离水不大于浆游离水不大于1.4的含水量。的含水量。 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，在室温下，水泥浆在常压稠化仪中搅拌温下，水泥浆在常压稠化仪中搅拌20min的最大稠度不的最大稠度不大于大于11abc，且游离水不大于且游离水不大于1.4的含水量。的含

5、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两个概念（如标准规定，任何水泥浆在增压稠化仪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级水级水泥，游离水还应小于泥，游离水还应小于1.4%）。）。9 （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：根据井下条件和施工作业的要求进行密度设计。设计准则：密度设计。设

6、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。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。尾浆领浆前尾浆领浆前置液钻井液。可能的条件下，考虑密度差置液钻井液。可能的条件下，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。10 满足水泥石强度和胶结要求。满足水泥石强度和胶结要求。对于尾浆对于尾浆，特别是封隔油气层段的水泥浆，应尽量使用标，特别是封隔油气层段的水泥浆，应尽量使用标

7、准密度（同时，也有利于降低渗透率和孔隙度）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。非胶凝材料加重剂和减轻剂应尽量少加。11（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：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泥浆的密度。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：加减轻剂。主要有空心微珠、硅灰加减轻剂。主要有空心微珠、硅灰、粉煤灰、硅藻土、水玻璃、膨润土等。、粉煤灰、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。加重剂主加分散剂减水和加重剂。加重剂

8、主要有重晶石、钛铁矿粉、铁矿粉、盐等。要有重晶石、钛铁矿粉、铁矿粉、盐等。12（4 4）密度的测量方法）密度的测量方法：常压钻井液密度计、加压：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。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、排温度压力、排量、水泥浆混合效率、空气混入、浆体稳定性、量、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。安放密度计的位置和取样间隔等。13 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

9、理，稳定性差，固相颗明，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粒产生沉降，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形窜流通道，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。成连通的自由水带和在下侧形成固相沉降垫层引起窜槽。14 水泥浆的稳定性一般可用游离水量（水泥石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的体积收缩量）、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，都认实际应用中，只要存在上

10、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，和的密度梯度，和 / 或水泥浆静止或水泥浆静止2小时游离出较小时游离出较大的自由水。大的自由水。这两种现象单独发生，也可以同时这两种现象单独发生，也可以同时出现。出现。15 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）。16 提高水泥浆稳定性就是降低游离水量和沉降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。量，主要方法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

11、度：减少用水量（增加水泥减少用水量（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（一般受温度影响大）。粘聚合物（一般受温度影响大）。17 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。应注意的问题：应注意的问题： 应区分概念胶凝与絮凝。应区分概念胶凝与絮凝。流变学角度，流变学角度，胶凝是由胶凝是由静止而产生的触变性，施加外力即可恢复流动；而絮静止而产生的触变性，施加外力即可恢复流动；而絮凝则是生成具有结构性的絮凝物，施加外力不能分散凝则是生成具有结构性的

12、絮凝物，施加外力不能分散流动，只能整体移动。流动，只能整体移动。化学角度，化学角度，胶凝是生成具有胶胶凝是生成具有胶体结构的凝胶；絮凝则是生成沉淀物。体结构的凝胶；絮凝则是生成沉淀物。 应注意静切力提高值应适当。应注意静切力提高值应适当。要充分估计停泵一要充分估计停泵一定时间内能开泵循环和不压漏地层。定时间内能开泵循环和不压漏地层。18 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

13、参数有：常用流变模式参数有：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。19 常压、常温或中温（常压、常温或中温（82）,用范式用范式35型粘度型粘度计；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型流变型流变仪。仪。 只有正确的描述（模型选择）和测出（测试仪只有正确的描述（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，合理的安排地面设备，防止发水泥的流动摩阻，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

14、。生井下事故（漏失），提高顶替效率。20 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。21 一般情况下，温度对水泥浆流变性能有很显著一般情况下，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。的影响，其影响的程度往往与外加剂体系有关。流变参数流变参数2727505075759090120120150150175175ypyp，papa8.138.136.576.574.374.371.881.880.550

15、.55/ / /pvpv，pa.spa.s0.62190.62190.58650.58650.33440.33440.26520.26520.20930.20930.14210.14210.14190.1419注注水泥浆密度水泥浆密度c c=2.25g/cm=2.25g/cm3 3，压力为压力为1515mpampa。22 一般情况下，压力对流变性能的影响不如温度一般情况下，压力对流变性能的影响不如温度明显。明显。流变参数流变参数常压常压20 20 mpampa40 40 mpampa60 60 mpampa80 80 mpampa100 100 mpampaypyp，papa4.664.665

16、.495.495.915.916.036.036.156.156.216.21pvpv，pa.spa.s0.47480.47480.55260.55260.59560.59560.59930.59930.67030.67030.61220.6122注注水泥浆密度水泥浆密度c c=1.91g/cm=1.91g/cm3 3，温度为温度为7575。23 随密度的增加，水泥浆的流变性能有较明显随密度的增加，水泥浆的流变性能有较明显的影响。的影响。 这也是在易漏失井注水泥时，限制施工密度这也是在易漏失井注水泥时，限制施工密度波动上限的因素之一。波动上限的因素之一。流变参数流变参数水泥浆密度，水泥浆密度，

17、g/cm31.701.771.801.851.912.07yp，pa1.9132.8054.3350.9311.7724.355pv，pa.s6.06.89.811.329.376.524 水泥浆中的自由水在压差作用下，通过井壁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。渗入到地层中的现象。 apiapi根据大量实践和研究，总结出了公认的滤根据大量实践和研究，总结出了公认的滤失量控制情况。失量控制情况。 控制很好：控制很好：200200mlml 控制中等：控制中等：200200 500500mlml 控制较差：控制较差：500500 10001000mlml 不能控制：不能控制：

18、10001000mlml25 1982年年d.k. smith指出，指出，6.9mpa下，不同下，不同用途的水泥浆的滤失量，应达到以下要求：用途的水泥浆的滤失量，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下测定，其余在下测定，其余在bhct下下测定。测定。26 降低水泥浆的滤失量，能防止因渗透性地层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。的滤失作用引起施工事故和油气层的损害。 27 水泥浆滤失量过大，会造成以下情况

19、：水泥浆滤失量过大，会造成以下情况： 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。环空桥塞，产生层间窜流。28 水泥浆滤失的滤液所造成的对油气层的损害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。，是长期关注的问题。 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。

20、29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，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；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加粘度的材料作降失水剂最好。典型的有胶乳和非渗透剂。30 常用的降失水剂主要有两大类：微粒和水溶性高聚物常用的

21、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 ）、二氯乙烯和聚醋酸乙烯酯（低于）、二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。聚合物。31 在注水泥施工中，由于水泥颗粒的不断水化在注水泥施工中，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，水泥浆的粘度将逐渐增加，直至增稠至

22、不能流动。为了保证注水泥作业的施工安全，必须事先动。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度和压力下的稠化时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。间，作为施工作业时间的依据。32 对水泥浆的可泵性与稠度的关系，目前仍然说法不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：一，但一般认为： 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

23、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。泵性只是定性的，实际施工中是以流变性作定量设计的。33 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，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状态下测得的。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。以下是摘录自都不相同，但仍存在一定的关系。以下是摘录自苏联一专利的数据。苏联一专利的数据。34 从表中

24、数据可以看出，一般情况下，稠化时间比初凝时间提前，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，大约在大约在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，压力不同时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。就没有这种关系。序号序号密度密度g/cm3水灰比水灰比温度压力温度压力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min11.820.5100402313015017014050251601802001607027195210230180802920022025022.190.3210040201351

25、601951607017519522018010022025027531.780.451004021120145170140501401702001607023021524035 固井注水泥的目的之一，就是在井壁与套管之间保持良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完井液通过水泥环在环空中流动。流体或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

26、地层。36 要保证水泥石与套管和地层之间的胶结质量，达到有效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，应考虑两个胶结特性：剪切胶结力和水力胶结力封隔地层，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小表示。一般情况下，剪切胶结强度为抗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压强度的1020%。 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

27、水泥环达到最大剪切胶结强度的时间与养护温度有关（如温度有关（如20为为7d，70为为3d），），且最大剪切胶结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，温度升高最大胶结强度一般要降低）。强度增加，温度升高最大胶结强度一般要降低）。37 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漏的压力确力，一般通过测定套管与水泥环之间开始渗漏的压力确定。定。 对于有效封隔地层来说，水力胶结强度比剪切胶结对于有效封隔地层来说，水力胶结强度比剪切胶结

28、强度的作用更大。强度的作用更大。38 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，单位，单位mm2 2。 一般情况下，对水泥石渗透率不作要求，用于封固一般情况下，对水泥石渗透率不作要求，用于封固腐蚀性地层应尽量降低渗透率。腐蚀性地层应尽量降低渗透率。39 40 在选用水泥外加剂时，应该注意的问题有：在选用水泥外加剂时，应该注意的问题有： 首先要考虑选择同一公司或厂家的系列产品首先要考虑选择同一公司或厂家的系列产品，否则，必须进行相容性试验；，否则，必须进行相容性试验； 缓凝剂应选择适应温度范围广，稠化时间与缓凝剂应选择适应温度范围广，稠化时间与加量

29、的线性好的产品；加量的线性好的产品； 降失水剂应选择能形成致密薄滤饼的产品；降失水剂应选择能形成致密薄滤饼的产品； 分散剂应选择不起泡或消泡容易的产品。分散剂应选择不起泡或消泡容易的产品。41 外加剂的效果容易受到井下温度的影响，使用外加剂的效果容易受到井下温度的影响，使用时，必须认真考虑外加剂的适应温度界限。时，必须认真考虑外加剂的适应温度界限。 一般认为，一般认为，在接近适应温度上限时，通常就不在接近适应温度上限时，通常就不再选用，而应选用适应温度更高一级的产品。再选用，而应选用适应温度更高一级的产品。这样这样，不仅能保证设计性能要求，而且能使性能稳定可，不仅能保证设计性能要求，而且能使性

30、能稳定可靠。靠。42 外加剂对浓度的敏感性，主要考虑缓凝剂，外加剂对浓度的敏感性，主要考虑缓凝剂，其它外加剂对浓度的敏感性常常影响不大。其它外加剂对浓度的敏感性常常影响不大。 缓凝剂浓度与稠化时间的呈现以下关系：缓凝剂浓度与稠化时间的呈现以下关系： （1）与浓度成线性）与浓度成线性 （2）与浓度成幂律型）与浓度成幂律型 （3）与浓度成对数关系）与浓度成对数关系 （4）与浓度成不规则变化。）与浓度成不规则变化。43 在水泥浆配方的设计中，使它的各项性能在水泥浆配方的设计中，使它的各项性能都达到设计要求，通常是较难的。都达到设计要求，通常是较难的。 一般是在保证稠化时间不太长的前提下，一般是在保证

31、稠化时间不太长的前提下，调节降失水剂与分散剂的加量，以便具有较低的调节降失水剂与分散剂的加量，以便具有较低的失水和良好的可泵性。失水和良好的可泵性。 在实验室，应仔细测定降失水剂与分散剂在实验室，应仔细测定降失水剂与分散剂的浓度比（它们之间的作用是相当复杂的），以的浓度比（它们之间的作用是相当复杂的），以使最小的加量达到最佳的效果。也就是说，应该使最小的加量达到最佳的效果。也就是说，应该综合考虑降失水剂和分散剂的比例，以达到成本综合考虑降失水剂和分散剂的比例，以达到成本最低，效果最好。最低，效果最好。44 通常，外加剂的加入顺序为：通常，外加剂的加入顺序为： 消泡剂、降失水剂、分散剂、缓凝剂。

32、消泡剂、降失水剂、分散剂、缓凝剂。 当然，实际外加剂体系的加入顺序，应根据外当然，实际外加剂体系的加入顺序，应根据外加剂厂家的推荐，通过室内试验测定，并把确定加剂厂家的推荐，通过室内试验测定，并把确定的顺序以报告的形式告知固井作业人员，以便正的顺序以报告的形式告知固井作业人员，以便正确施工。确施工。45 461 1、水泥浆体系的控制因素、水泥浆体系的控制因素 外加剂、外掺料类型及性能；外加剂、外掺料类型及性能； 优选外加剂组配；优选外加剂组配； 外掺料与水泥间粒度级配。外掺料与水泥间粒度级配。47 (1)(1)稳定性评价分析稳定性评价分析 api自由水不足以反映体系稳定性自由水不足以反映体系稳

33、定性 高密度水泥浆体系固相颗粒沉降控制途径高密度水泥浆体系固相颗粒沉降控制途径固相颗粒下沉速度取决于密度差细度；固相颗粒下沉速度取决于密度差细度；体系保持稳定性应具有的最小静切应力和颗粒下沉速度体系保持稳定性应具有的最小静切应力和颗粒下沉速度；低密度体系应选择相对密度较高颗粒较细的减轻剂；低密度体系应选择相对密度较高颗粒较细的减轻剂；高密度体系应选择相对密度较低颗粒较细的加重剂。高密度体系应选择相对密度较低颗粒较细的加重剂。 合理的外掺料级配有助于提高体系稳定性合理的外掺料级配有助于提高体系稳定性48(2)(2)流变性研究流变性研究 流变性对固井作业的影响流变性对固井作业的影响配浆密度控制；配

34、浆密度控制；设计性能与实际性能出现差异；设计性能与实际性能出现差异；作业设计与实际执行效果。作业设计与实际执行效果。 配方组份对流变性控制的响应配方组份对流变性控制的响应固相材料的合理搭配能改善流动性与稳定性的协调；固相材料的合理搭配能改善流动性与稳定性的协调；不能过量使用减阻剂牺牲体系稳定性；不能过量使用减阻剂牺牲体系稳定性；复配、减阻、调凝、降失水要掌握单剂效能；复配、减阻、调凝、降失水要掌握单剂效能；调节流变性必须注意总体性能协调。调节流变性必须注意总体性能协调。49 高温高压对水泥浆流变性能的影响高温高压对水泥浆流变性能的影响 温度对水泥浆流变性影响显著；温度对水泥浆流变性影响显著；

35、压力对水泥浆流变性影响有一定作用范围；压力对水泥浆流变性影响有一定作用范围； 配方变化会使配方变化会使hthphthp流变性出现不同的响应方向；流变性出现不同的响应方向； 流变性在流变性在hthphthp下的变化会导致摩阻增加或降低，影响平下的变化会导致摩阻增加或降低，影响平衡压力设计和顶替流态设计；衡压力设计和顶替流态设计； 高温高压流变性必须用专门手段测定掌握；高温高压流变性必须用专门手段测定掌握； 三参数流变模式能更好的描素流变特性，计算机辅助设三参数流变模式能更好的描素流变特性，计算机辅助设计是必备手段。计是必备手段。50。的变化 s的变化 水泥浆配方 试验条件 (mpa) 。(pa)

36、 (%) s (pas) (%) 80常压 41.17 .1874 pi1 8739 33.05 -19.7 0.0835 -55.4 87常压 32.70 0.2985 pi2 12061 24.34 -25.0 0.116 -61 87常压 3.58 0.039 ss1 8739 11.71 227 0.0604 55 87常压 2.31 0.0885 ss2 12061 4.80 108 0.0567 -36 87常压 12.78 0.095 ss3 14080 62.50 389 0.1087 14.4 注： 为相对于常压项的增加值，负数为减少值 51(3)(3)水泥浆体系防窜性能的研

37、究与设计水泥浆体系防窜性能的研究与设计 根据水泥浆失重机理提出防窜水泥技术路线根据水泥浆失重机理提出防窜水泥技术路线 延缓水泥浆胶凝速度，尽量延长液态非胶凝时间；延缓水泥浆胶凝速度，尽量延长液态非胶凝时间； 缩短水泥浆的过渡时间，加快过渡期胶凝强度的发展；缩短水泥浆的过渡时间，加快过渡期胶凝强度的发展； 控制控制apiapi滤失量，尽量减小化学体积收缩，提高致密度；滤失量，尽量减小化学体积收缩，提高致密度； 合理组配外掺料、外加剂，增大气侵阻力及其变化速率合理组配外掺料、外加剂，增大气侵阻力及其变化速率。52 防窜外加剂评价选择防窜外加剂评价选择 高效降失水并提高有效粘度；高效降失水并提高有效

38、粘度；封堵孔隙，增大气体运移阻力，形成触变；封堵孔隙，增大气体运移阻力，形成触变；维持高孔隙压力，延缓压降速度；维持高孔隙压力，延缓压降速度；缓凝剂有效延长非胶凝时间；缓凝剂有效延长非胶凝时间；优化组合使用外加剂，合理发挥主效功能。优化组合使用外加剂，合理发挥主效功能。53 为适应各种井况固井的要求，根据要封固井的地质条件为适应各种井况固井的要求，根据要封固井的地质条件的不同，水泥浆可分为：的不同，水泥浆可分为： 按密度分：按密度分： 高密度水泥浆；高密度水泥浆； 低密度水泥浆。低密度水泥浆。 按特定功能分：按特定功能分： 大斜度井或水平井固井水泥浆、防窜水泥浆、抗盐水泥大斜度井或水平井固井水

39、泥浆、防窜水泥浆、抗盐水泥浆、抗腐蚀水泥浆、增塑抗冲击（防裂）水泥浆等。浆、抗腐蚀水泥浆、增塑抗冲击（防裂）水泥浆等。54 以下简单介绍几类典以下简单介绍几类典型水泥浆的设计方法和设计型水泥浆的设计方法和设计中应重点考虑的问题。中应重点考虑的问题。55 包括高密度和超高密度。包括高密度和超高密度。 一般认为，高密度：一般认为，高密度：2.002.30g/cm3； 超高密度：超高密度： 2.30g/cm3。56 水泥浆密度高水泥浆密度高，需要加入的加重剂的比需要加入的加重剂的比例大，如何解决水泥浆体系的悬浮稳定性与流例大，如何解决水泥浆体系的悬浮稳定性与流动性，水泥石的强度与浆体密度之间的矛盾，

40、动性，水泥石的强度与浆体密度之间的矛盾，是高密度水泥浆设计的难点。是高密度水泥浆设计的难点。57 （1）在满足配浆和注替浆对流动性性能要求的前提下）在满足配浆和注替浆对流动性性能要求的前提下，如何保证水泥浆在注替过程中停泵时沉降稳定性和凝结过，如何保证水泥浆在注替过程中停泵时沉降稳定性和凝结过程中的体积稳定性，包括析水、水泥石密度分布和凝结过程程中的体积稳定性，包括析水、水泥石密度分布和凝结过程体积收缩等；体积收缩等； （2）在满足密度要求的条件下，由于加重剂的加入量）在满足密度要求的条件下，由于加重剂的加入量高，水泥胶结相的减少，如何保证水泥石的强度及其发展。高，水泥胶结相的减少，如何保证水

41、泥石的强度及其发展。 584、研究采取的、研究采取的具体技术方法：具体技术方法： （1）选择恰当的水泥与加重材料配比；）选择恰当的水泥与加重材料配比； （2）体系固相材料应具有合理的粒度级配；）体系固相材料应具有合理的粒度级配； （3）外加剂组配应使水泥浆性能易于调节。）外加剂组配应使水泥浆性能易于调节。59（1）加重材料的选择）加重材料的选择 主要考虑主要考虑3个方面的因素个方面的因素 加重剂粒度分布与水泥相匹配。颗粒太粗易使水加重剂粒度分布与水泥相匹配。颗粒太粗易使水泥浆产生沉淀，太细会增加水泥浆粘度；泥浆产生沉淀，太细会增加水泥浆粘度； 用水量少，有助于提高强度；用水量少，有助于提高强度

42、； 加重剂在水化过程中与其它外加剂有良好的相容加重剂在水化过程中与其它外加剂有良好的相容性。性。 60浆体浆体密度密度流动性流动性稳定性稳定性抗压抗压强度强度稠化时间稠化时间滤失量滤失量初选初选加重剂加重剂确定确定加重剂加重剂61加重剂的选择与水泥浆密度加重剂的选择与水泥浆密度（a）2.50g/cm3 2.60g/cm3：特选赤铁矿特选赤铁矿粉加重，铁矿粉密度约粉加重，铁矿粉密度约4.90 5.00g/cm3；（b）2.30g/cm3 2.40g/cm3：特选赤铁矿特选赤铁矿粉与钛铁矿粉以适当比例加重；粉与钛铁矿粉以适当比例加重；（c）2.20g/cm3 2.30g/cm3：重晶石、钛重晶石、

43、钛铁矿粉，或两者以适当比例加重；铁矿粉，或两者以适当比例加重；（d）2.00g/cm3 2.10g/cm3：重晶石、钛重晶石、钛铁矿粉以适当比例加重，铁矿粉以适当比例加重，或用或用h级水泥级水泥。62 高密度水泥浆稳定性高密度水泥浆稳定性 理论研究结果表明：理论研究结果表明： 加重剂下沉速率加重剂下沉速率v与加重剂自身密度与加重剂自身密度0和加重前水泥和加重前水泥浆密度浆密度s的密度差的密度差(0-s)以及加重剂颗粒直径以及加重剂颗粒直径d成正比；成正比； 保持水泥浆稳定的最小静切力保持水泥浆稳定的最小静切力 s与密度差与密度差(0-s)和粒和粒径均方径均方d2成正比，与浆体塑性粘度成正比，与

44、浆体塑性粘度s成反比。成反比。 因此，当加重前的水泥浆密度因此，当加重前的水泥浆密度s一定时，一定时， 应尽可能选择相对密度较低和颗粒较细的加重剂；应尽可能选择相对密度较低和颗粒较细的加重剂； 加重剂与水泥、热稳定剂的混合比例适当，使加重剂加重剂与水泥、热稳定剂的混合比例适当，使加重剂下沉速度下沉速度v最低和保持浆体悬浮稳定能力的静切力最低和保持浆体悬浮稳定能力的静切力 s最小。最小。 63外掺料外掺料密度密度g/cmg/cm3 3颗粒直径，颗粒直径， mm类别类别代号代号 10101010 20202020 38383838 45454545 75757575 125125 125125热热

45、稳稳定定剂剂siosio2 2-1-1siosio2 2-1-1siosio2 2-3-3siosio2 2-4-42.452.452.452.452.482.482.482.4832.232.27.77.729.329.30.60.616166.66.619.619.60.10.1202016.416.424240.20.26.16.17.67.68.08.00.10.114.214.228.728.713.113.12.72.79.59.523234.14.121.721.72 210100.90.973.773.7加加重重剂剂fefe2 2o o3 3-1-14.94.987.987.9

46、2.02.03.23.21.21.23.73.72.02.0fefe2 2o o3 3-2-24.94.914.214.214.614.617.117.14.74.713.813.815.315.320.320.3tiotio2 2.fe.fe2 2o o3 34.454.45161612.412.418.618.66.36.318.718.716.616.611.411.464序序号号外掺外掺料加料加量量bwobwoc c外加外加剂剂体系体系密密度度g/g/cmcm3 3水泥浆稳定性，水泥浆稳定性，% %自由自由水水体积体积收缩收缩沉降沉降实验实验1 135% 35% siosio2 2-

47、-1 1cncn或或halhal体系体系1.91.95 50 00 00.10.12 235% 35% siosio2 2- -2 22.02.0 2.62.62.22.2 2.82.81.21.2 2.52.53 317.517.5% % siosio2 2- -1 117.517.5% % siosio2 2- -2 20 00 00.30.34 435% 35% siosio2 2- -3 30 00 00.10.15 535% 35% siosio2 2- -4 41.01.0 1.41.41.21.2 1.61.60.50.5 0.80.86 617.517.5% % siosio2

48、 2- -3 317.517.5% % siosio2 2- -4 40 00 00.20.27 7120% 120% fefe2 2o o3 3-1-1cncn或或halhal体系体系2.32.30 00 00 00.10.18 8120% 120% fefe2 2o o3 3-2-20 0 2. 2.2 20 0 2. 2.5 52222 35.535.59 9160%160%tiotio2 2.f .fe e2 2o o3 30 00 00.10.11 10 050% 50% fefe2 2o o3 3-1-170% 70% fefe2 2o o3 3-2-20 00 0 0. 0.6

49、60.30.3 0.70.71 11 165% 65% fefe2 2o o3 3-1-155% 55% fefe2 2o o3 3-2-20 00 0 0. 0.4 40.20.2 0.40.41 12 280%80%t tioio2 2.fe.fe2 2o o3 360% 60% fefe2 2o o3 3-2-20 00 0 0. 0.4 40.20.2 0.40.465材料材料密度，密度，g/cmg/cm3 3颜颜 色色配制浆体密度，配制浆体密度，g/cmg/cm3 3钛铁矿钛铁矿4.34.34.54.5棕黑色棕黑色2.12.12.42.4赤铁矿赤铁矿4.54.55.05.0棕红色棕红

50、色2.12.12.62.6重晶石重晶石4.24.24.354.35白白 色色 2.2 2.266水泥浆流变性水泥浆流变性 大量室内研究与现场应用实践表明：水泥浆流变性大量室内研究与现场应用实践表明：水泥浆流变性能与固井作业中保证地面混配密度、降低流动阻力、调能与固井作业中保证地面混配密度、降低流动阻力、调节顶替流态、平衡注水泥、增大水泥石致密性等密切相节顶替流态、平衡注水泥、增大水泥石致密性等密切相关。关。 由于固井工程对水泥浆有多方面的性能要求，而由于固井工程对水泥浆有多方面的性能要求，而这些性能又相互影响和制约。这些性能又相互影响和制约。 因此，在设计水泥浆的流变性能时，必须同时兼因此，在

51、设计水泥浆的流变性能时，必须同时兼顾整个工程对水泥浆体系的稳定性、滤失量、稠化时间顾整个工程对水泥浆体系的稳定性、滤失量、稠化时间、抗压强度等性能的要求，、抗压强度等性能的要求，以达到既能满足安全泵注、以达到既能满足安全泵注、良好顶替的要求，又能满足静止悬浮稳定、减少回落、良好顶替的要求，又能满足静止悬浮稳定、减少回落、提高致密性保证层间分隔效果，以及后续工程作业的要提高致密性保证层间分隔效果，以及后续工程作业的要求。求。67序号序号密度密度外掺料外掺料外加剂外加剂流变性能流变性能n nk k s s 0 01 11.901.90/ /1.5% 1.5% d158d1583.0% d80a3.

52、0% d80a0.2% d8010.2% d8010.1% cdf-9010.1% cdf-9010.8210.8210.3460.3460.2020.2024.8864.8862 22.082.08/ /2.0% 2.0% flfl1.5% d80a1.5% d80a1.0% hr-13l1.0% hr-13l0.1% d1490.1% d1490.8500.8500.3460.3460.2010.2013.6083.6083 32.252.2550% 50% fefe2 2o o3 3-1-170% 70% fefe2 2o o3 3-2-22.0% 2.0% flfl1.5% d80a1

53、.5% d80a1.0% hr-13l1.0% hr-13l0.1% d1490.1% d1490.8150.8151.2841.2840.5670.5672.2132.2134 42.252.2517.5% 17.5% sio2-sio2-1 117.5% 17.5% sio2-sio2-2 265% 65% fe2ofe2o3-13-155% 55% fe2ofe2o3-23-21.0% 1.0% d158d1583.5% d80a3.5% d80a0.2% d8010.2% d8010.1% cdf-9010.1% cdf-9010.7850.7850.7330.7330.16660.1

54、66613.0613.065 52.352.3565% 65% fe2ofe2o3-13-155% 55% fe2ofe2o3-23-22.5% 2.5% d158d1583.5% d80a3.5% d80a0.2% d8010.2% d8010.1% cdf-9010.1% cdf-9010.8830.8830.2400.2400.2130.2131.0551.0556 62.352.3517.5% 17.5% sio2-sio2-3 317.5% 17.5% sio2-sio2-4 465% 65% fe2ofe2o3-33-355% 55% fe2ofe2o3-43-42.0% 2.0%

55、 flfl3.0% d80a3.0% d80a0.2% hr-13l0.2% hr-13l0.1% cdf-9010.1% cdf-9010.8610.8610.2460.2460.0950.0954.364.3668（a）加重剂和热稳定剂的加量加重剂和热稳定剂的加量水泥浆密度水泥浆密度2.10g/cm3：加重剂：加重剂050%，热稳定剂，热稳定剂35%；水泥浆密度水泥浆密度2.20g/cm3：加重剂约：加重剂约50%，热稳定剂，热稳定剂35%；水泥浆密度水泥浆密度2.30g/cm3：加重剂：加重剂150%，热稳定剂，热稳定剂35%；水泥浆密度水泥浆密度2.40g/cm3：加重剂：加重剂170

56、%，热稳定剂，热稳定剂35%；水泥浆密度水泥浆密度2.50g/cm3：加重剂：加重剂200%，热稳定剂，热稳定剂35%；水泥浆密度水泥浆密度2.60g/cm3：加重剂：加重剂300%，热稳定剂，热稳定剂35%。 69序序号号外加剂及加量，外加剂及加量，% %流动度流动度cmcm失水失水mlml9090稠化时间稠化时间minmin降失降失水水缓凝缓凝分散分散悬浮悬浮消泡消泡1 11.01.00.50.52.02.00.050.050.20.220202602601171172 21.51.50.50.52.52.50.050.050.20.221211841841251253 32.02.01.

57、01.02.52.50.050.050.20.221211601602172174 42.52.51.21.23.03.0/ /0.20.221212282282502505 53.03.01.51.53.03.0/ /0.20.22222/ /2782786 62.52.51.81.83.03.0/ /0.20.223231721722952957 72.52.52.02.03.03.0/ /0.20.222222322323453458 82.02.02.52.53.03.00.050.050.20.2212118018042342370序序号号硅硅砂砂% %外加剂及加量，外加剂及加量，%

58、 %流流动动度度cmcm失失水水mlml12120 0 c c稠稠化化时时间间mimin n降降失失水水缓缓凝凝分分散散分分散散缓缓凝凝悬悬浮浮消消泡泡1 13 36 61.1.0 00.0.5 52.2.0 0/ / /0.0.2 220.20.5 528280 010108 82 23 36 61.1.5 50.0.5 52.2.5 5/ / /0.0.2 2212120208 811115 53 33 36 62.2.0 01.1.0 02.2.5 50.0.3 30.0.03030.0.2 2222226262 222227 74 43 36 63.3.0 01.1.2 23.3.0

59、00.0.5 50.0.03030.0.2 222.22.5 5/ /25257 75 53 36 63.3.0 01.1.5 53.3.0 00.0.5 5/ /0.0.2 2232324248 830305 56 63 36 62.2.5 51.1.8 83.3.0 00.0.5 50.0.03030.0.2 2232319192 233336 671序序号号铁铁矿矿粉粉% %外加剂及加外加剂及加量，量，% %流流动动度度cmcmapiapi失失水水mlml稠化稠化时间时间分分散散降降失失水水缓缓凝凝消消泡泡mimin n1 114140 04.04.02.02.00.20.20.20.2

60、 2222 8080 959516168 82 214140 04.04.02.02.00.30.30.20.2 2222 959535352 23 314140 04.04.02.02.00.40.40.20.2 2323 959546467 74 410100 03.03.01.51.5 / / 0.20.2 2222 8080 858512120 05 510100 03.03.01.51.50.10.10.20.2 2222 858520200 06 610100 03.03.01.51.50.20.20.20.2 2222 858530302 27 714140 03.53.53.0