固井工艺与质量检测讲义课件

固井是钻井工程的临门一脚钻井是勘探开发的必由之路固井是钻井工程的临门一脚钻井是勘探开发的必由之路1第八章固井工艺与质量检测第一节固井工艺第二节油井水泥第三节前置液与外加剂第四节固井质量检测第五节提高固井质量的技术第八章固井工艺与质量检测2何为固井？WellCementing何为固井？3

固井就是将水泥注入井壁与套管之间环空的过程。固井工程是指通井处理钻井液、下套管、再循环处理钻井液、注水泥、候凝、封固质量检测到装井口交井的全过程，是涉及多学科多专业（石油工程、化学工程、硅酸盐科学、高分子科学、流变学等）的一个系统工程，核心是经济合理地设计套管柱和安全优质地注入水泥浆。

固井的目的是保护地表水、封隔地层和支撑套管柱。固井就是将水泥注入井壁与套管之间环空的过程。固4200120022000199720012002200019975第一节固井工艺

一、固井地面设备二、常规固井工艺三、特殊固井工艺第一节固井工艺6一、固井地面设备一、固井地面设备7固井工艺与质量检测讲义课件8固井工艺与质量检测讲义课件9循环钻井液注前置液和水泥浆压胶塞替钻井液碰压二、常规固井工艺循环钻井液注前置液和水泥浆压胶塞10钻井固井过程（Drilling-CementingProcess）钻井固井过程（Drilling-CementingProc11固井工艺与质量检测讲义课件12三、特殊固井工艺－双级固井三、特殊固井工艺－双级固井13固井工艺与质量检测讲义课件14三、特殊固井工艺－尾管固井机械式尾管悬挂器尾管悬挂示意图三、特殊固井工艺－尾管固井机械式尾管悬挂器尾管悬挂示意图15固井工艺与质量检测讲义课件16

第二节油井水泥一、油井水泥的制造方法二、油井水泥水化机理三、油井水泥水化伴随现象四、油井水泥性能与测量五、影响油井水泥性能的因素第二节油井水泥17一、油井水泥的制造方法（干法和湿法）石灰石粘土

铝矾土硅石铁粉荧石等生料按比例混合1450℃熟料油井水泥（水硬性胶凝材料）加石膏或外加剂，并研磨分四个阶段：（1）预热干燥－300～600℃，烧掉有机物质（2）石灰石分解－900℃：CaCO3分解出CaO和CO2（3）高温化学反应－1450℃，生成C2S、C3A、C4AF、C3S（4）冷却、出窑磨细一、油井水泥的制造方法（干法和湿法）石灰石粘土铝矾土18油井水泥分级

ABCDEF

GH（J）0～1830mA级－普通水泥（0.46）C级－早强水泥（0.56）B级－中热水泥（0.46）1830～4880mD级－缓凝水泥（3050m）F级－缓凝水泥（4880m）E级－缓凝水泥（4270m）0～2440mG级－基础水泥（0.44）H级－基础水泥（0.38）油井水泥分级0～1830mA级－普通水泥（0.46）C级－早19二、油井水泥水化机理

起始期——迟缓期——凝结期——硬化期（几分钟）（几十分钟～几个小时）（几十分钟）（几天～数年）大量放热液态特征水化速度变慢流动性能稳定水化加速不再流动晶体析出强度增加C-S-H凝胶层二、油井水泥水化机理起始期——迟缓期——凝结期——硬化期大20

那么，油井水泥的水化产物是什么？这些产物有什么样的性质？高温水泥石强度退化的根源是什么？加砂又为什么能防止这种退化？下面我们就以国产APIG级油井水泥为例进行剖析。那么，油井水泥的水化产物是什么？这些产物有什么样的性质？21三、油井水泥水化伴随现象放出水化热、胶凝失重、失水与析水、体积减缩、“闪凝”、“假凝”等。A.放出水化热－井温测井、“微环隙”起始期——迟缓期——凝结期——硬化期（几分钟）（几十分钟～几个小时）（几十分钟）（几天～数年）水化速度较快放出热量较大持续时间较短水化速度变慢放出热量很少水化速度加快放出热量最大水化速度很慢放出热量变少持续时间极长放热量由大到小：C3A、C3S、、C4AF、C2S三、油井水泥水化伴随现象起始期——迟缓期——凝结期——硬化期22B.胶凝失重Sabins,F.L.失重公式：水泥浆柱压力降落曲线水泥浆胶凝强度发展曲线有效压力（kPa)胶凝强度（×100Pa)试验时间（min）水泥浆柱有效压力和胶凝强度与试验时间的关系B.胶凝失重水泥浆柱压力降落曲线水泥浆胶凝强度发展曲线有效压23水泥浆柱有效压力与胶凝强度的关系胶凝强度(Pa)浆柱有效压力(KPa)05010015020001020304050水泥浆柱有效压力与胶凝强度的关系胶凝强度(Pa)浆柱有效压力24

水泥浆柱有效压力在初凝前降至水柱压力。测出水泥浆在初凝时的胶凝强度(该值约为1650Pa)，即得水泥浆在初凝前浆柱有效压力的计算公式：当τ≤τs时：当τ＞τs时：水泥浆柱有效压力在初凝前降至水柱压力。测出水泥浆在25

公式的推导－土壤力学理论假定：水泥浆发生明显水化之前，水泥浆就象尚未沉积的土壤；胶凝过程中的水泥浆柱与土壤层具有相似的固结过程。用Terzaghi定律来描述水泥浆内的应力状态：

公式的推导－土壤力学26初始浆柱压力地层压力水泥浆柱压力3.57.0P(MPa)t(hr)abcd2130a-b段：起始期迟缓期b-c段：进入凝结期那么，是不是水泥浆柱压力低于地层压力就发生气窜呢？初始浆柱压力地层压力水泥浆柱压力3.57.0P(MPa)t(27水窜流量的变化规律水窜时间（min)1060120200水侵速率（ml/min)3.30.90.220.11水导率（×10-4μm2)20.77.551.380.69

可以看出：水泥石水导率随水窜时间增加而降低，这说明在水侵时间内，水泥浆内部的水化仍在进行，仍在不断封闭着水运移的通道，提高自身的抗窜能力。

那么，为什么水泥浆柱压力低于地层压力还不会立即发生气窜呢？水窜流量的变化规律水窜时间（min)1060120200水侵28气侵阻力－－水泥浆结构阻止地层流体进入浆体的能力气侵阻力－－水泥浆结构阻止地层流体进入浆体的能力29

C.失水与析水

失水的危害：（1）水泥浆“瞬凝”，导致固井失败。（2）水泥水化不充分，造成固井质量差。（3）水泥浆体积减少，诱发油气水窜。（4）水泥浆向产层失水，污染油气层。析水的危害：（1）水平井－形成连续性水带窜槽。（2）垂直井－形成横向水带和纵向水槽。C.失水与析水30序号浆柱压力（MPa）地层压力（MPa）压差（MPa）失水量（ml）24h声幅值（％）13.521.5560026.04.01580039.07.030600410.58.550503511.59.5650013613.011.0780029压力对水泥浆失水量的影响注：试验水泥浆浆总量为38235ml。序号浆柱压力（MPa）地层压力（MPa）压差（MPa）失水量31D.体积减缩

水泥内部体积减少：以真空微孔隙的形式分布于水泥石中，造成其孔隙压力下降。

水泥表观体积收缩：膨胀率（％）时间（d）膨胀率（％）时间（d）水泥表观体积水泥绝对体积D.体积减缩膨胀率（％）时间（d）膨胀率（％）时间（d）水泥32

总的体积减缩分为两个部分：一部分是外部体积收缩，收缩率为4％～6％；另一部分是结构内部收缩，收缩率小于1％。体积收缩顺序：

C2S（1％）C3SC4AFC3A（16％）水泥浆某时刻水化引起的总收缩率：水泥浆某时刻失水引起的体积收缩值：水泥浆某时刻水化引起的总体积收缩值：总的体积减缩分为两个部分：一部分是外部体积收缩，收缩33水泥总收缩率与时间的关系时间(h)总收缩率(％)05105010001234765水泥总收缩率与时间的关系时间(h)总收缩率(％)05105034E.“闪凝”

闪凝是指把波特兰水泥熟料单独（即不加石膏）研磨后与水混合，C3A会迅速发生反应而发生不可逆转的稠化现象。

产生的原因有两个：一是因研磨时未加入石膏，水泥中含的铝酸盐和硫酸盐相互作用而造成的。二是因水泥中石膏的含量和熟料的活性不匹配，在早期水化阶段C3A与水过多地反应（即C3A的溶解度大而C3S和石膏的溶解度小）而造成的。E.“闪凝”35F.“假凝”

假凝是因水泥中存在的半水石膏或可溶性无水石膏的过量溶解，（有时也会因水泥与外加剂不相容造成絮凝而引起），使浆体液相成为过饱和硫酸盐溶液，导致石膏快速结晶析出针状二水石膏而形成网状结构.假凝使浆体刚性迅速增加，但无大量热放出；立即搅拌，刚性消除，塑性又恢复。解决的方法有：降低粉磨温度、控制产品质量、调整水泥外加剂品种和加量等。F.“假凝”36水化伴随现象与固井工程的关系可能造成的后果放出水化热形成微环隙二界面胶结质量差，环空气窜胶凝失重环空压力系统失衡环空气窜，甚至失控而井喷失水与析水“闪凝”，水化不充分固井问题多，污染油层，窜槽体积减缩形成微环隙，水泥面下移二界面胶结质量差，环空气窜“闪凝”蹩泵固井事故“假凝”泵压升高固井事故水化伴随现象与固井工程的关系可能造成的后果放出水化热形成微环37四、油井水泥性能与测量◣密度◣流动性能◣稠化时间◣强度◣失水量◣自由水◣抗腐蚀能力◣渗透率四、油井水泥性能与测量◣密度38五、影响油井水泥性能的因素◣矿物组分◣水泥细度◣水灰比◣温度◣压力五、影响油井水泥性能的因素◣矿物组分39一、前置液二、外加剂

第三节前置液与外加剂一、前置液第三节前置液与外加剂40前置液水基钻井液前置液油基钻井液前置液冲洗液隔离液粘性紊流型化学型研磨型粘滞型粘弹型一、前置液前置液水基钻井液前置液油基钻井液前置液冲洗液隔离液粘性紊流型41二、外加剂缓凝剂速凝剂早强剂分散剂降失水剂加重剂减轻剂膨胀剂热稳定剂增韧剂二、外加剂缓凝剂42第四节固井质量检测目前的固井质量检测方法：

★声幅测井（CBL）

★变密度测井（VDL

★井温测井

★水泥胶结评价测井（CET）第四节固井质量检测目前的固井质量检测方法：43A.声幅测井（CBL）发射器接收器3ft地层水泥环套管发射20kHz声波脉冲信号胶结好，声幅小；胶结差，声幅大。A.声幅测井（CBL）发射器接收器3ft地层水泥环套管44典型声幅测井图示深度m水泥浆密度为1.75～2.10g/cm3声幅(15%,30%],为固井质量合格声幅≤15％，为固井质量优质声幅＞30％，为固井质量不合格水泥浆密度＜1.75g/cm3声幅(20%,40%],为固井质量合格声幅≤20%，为固井质量优质声幅＞40%，为固井质量不合格典型声幅测井图示深度水泥浆密度为1.75～2.10g/c45B.变密度测井发射器接收器（CBL）接收器（VDL）5ft3ft地层水泥环套管发射声脉冲速率：10-12脉冲/s

固井一界面胶结好，二界面胶结差，则套管波信号弱，地层波信号也弱；一二界面胶结都好，则套管波信号弱，地层波信号强。一界面胶结差，则很难判断二界面的胶结情况。（VDL）B.变密度测井发射器接收器接收器5ft3ft地层水泥46变密度测井图解释（a）无水泥的自由套管密度测井（b）注有水泥段套管密度测井变密度测井图解释（a）无水泥的自由套管密度测井（b）注有47固井工艺与质量检测讲义课件48C.井温测井tH井温曲线水泥面主要用途：确定水泥返高，作为水泥充填程度的补充解释。测井时间：固井后12～24hr内，过早或过晚都会影响测量结果。C.井温测井tH井温曲线水泥面主要用途：确定水泥返高，作为水49D.水泥胶结评价测井（CET）

CET在360°圆周上每隔45°共安排了8个换能器，并呈螺旋分布排列，这8个换能器既是发射器又是接收器。声波脉冲的衰减率取决于环空介质的声阻抗：套管外为钻井液时，其声阻抗小，衰减很慢；套管外为水泥浆时，其声阻抗较大，衰减很快；而且，水泥石的强度越高，其声阻抗越大，声波能量衰减越快，即衰减能反映水泥石的强度。D.水泥胶结评价测井（CET）50第五节提高固井质量的技术提高固井质量主要应从三个方面入手：一是提高对钻井液的顶替效率二是防止固井后油气水外窜三是提高水泥环界面胶结与密封质量第五节提高固井质量的技术51尽管固井顶替机理的研究历史已60余年，但鉴于其复杂性，目前仍不十分深入。主要体现在实验方面：按照动力学相似原理要求，室内模拟的参数需要与相应的现场数值相匹配，但难度很大。理论方面：难以建立一套准确描述任意井下条件的动态模型和定量分析法。实用方面：现场施工参数很难同室内测量参数相吻合。一、提高对钻井液的顶替效率尽管固井顶替机理的研究历史已60余年，但鉴于其复杂性52A.顶替效率：无量纲顶替时间：

t*＝tQ/V钻井液（d）（c）（b）（a）水泥浆顶替界面变化情况Z=LZ=0入口出口A.顶替效率：无量纲顶替时间：钻井液（d）（c）（b）（a）53

B.顶替时的作用力与反作用力

钻井液的阻力和水泥浆的驱动力是保证两相流体顶替效果的基本因素。钻井液本身的粘度、切力套管和井壁对钻井液的粘附力钻井液本身的重力泵的压力水泥浆对钻井液的浮力流动的水泥浆对钻井液的粘滞力活动套管引起的牵引力驱动力阻力B.顶替时的作用力与反作用力钻井液本身的粘度、切54塞流层流紊流流态示意图C.顶替流态塞流层流紊流流态示意图C.顶替流态55120°钻井液水泥环套管窄隙处钻井液窜槽示意图S=50%时，窄隙处的钻井液窜槽占整个圆周的1/3，测井声幅值高达36%。D.套管偏心度的影响套管偏心度：120°钻井液水泥环套管窄隙处钻井液窜槽示意图S=50%时56E.井径扩大的影响

顶替模拟实验发现：当k＝15%时，切开井筒断面可见由井径小到井径大的扩大处，形成钻井液、前置液、水泥浆相互混掺的滞留区，水泥浆凝固后的强度很低，两个界面的密封性能也很差。E.井径扩大的影响顶替模拟实验发现：当k＝15%57影响顶替效率的因素还有：●顶替时间和紊流接触时间●流变性能●密度差●活动套管与否●泥饼、胶凝物和固相沉积●“死泥浆”的影响影响顶替效率的因素还有：●顶替时间和紊流接触时间58提高顶替效率的方法：◣井眼状况◣套管居中◣流变设计◣活动套管提高顶替效率的方法：59二、防止固井后油气水窜◣提高固井后水泥浆柱压力◣环空加回压◣控制水泥返高◣采用防气窜水泥固井二、防止固井后油气水窜60三、提高水泥环界面胶结与密封质量第一类是常用的物理或机械方法。为解决油气井环空胶结质量问题，国内外学者先后研究并提出了紊流顶替、壁面剪切、活动套管、膨胀挤压、纤维增韧、用刮泥器等固井技术方法。这些方法的出现对油气井环空封隔无疑是十分有益的，但鉴于固井二界面问题的复杂性和现场施工条件的局限性，面对我国油气井泥饼质量差和井径不规则这两大客观事实，它们各自所能达到的效果是比较有限的，表现为目前国内固井一界面胶结良好而固井二界面胶结质量问题依然较为突出。三、提高水泥环界面胶结与密封质量第一类是常用的物理61

第二类是特殊的MTC方法。MTC是一项20世纪90年代世界前沿的固井技术，它解决了钻井液与水泥浆的相容性问题。事实上，若采用目前国内采用的一般钻井液法，因钻井时仍用常规钻井液，对解决固井二界面封隔问题显然不会有明显作用；若采用全部钻井液或部分钻井液法（多功能钻井液），因弱化井径不规则和泥饼较厚这两个复杂性问题而可实现固井二界面封固系统的整体胶结，但整个环空的MTC固化体脆裂、高温性能变异等固有问题又会因射孔而导致更为严重的层间互窜，影响油气开采效果甚至报废井，这在一定程度上却制约了MTC的综合应用效果，也难以得到推广应用。因此，目前MTC大多用来固技术套管或作充填浆，而很少用来固油层套管。第二类是特殊的MTC方法。MTC是一项20世纪62*水泥环界面胶结强度发展规律*水泥环界面胶结强度发展规律635、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。

6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。

7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。

8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。

9、别再去抱怨身边人善变，多懂一些道理，明白一些事理，毕竟每个人都是越活越现实。

10、山有封顶，还有彼岸，慢慢长途，终有回转，余味苦涩，终有回甘。

11、人生就像是一个马尔可夫链，你的未来取决于你当下正在做的事，而无关于过去做完的事。

12、女人，要么有美貌，要么有智慧，如果两者你都不占绝对优势，那你就选择善良。

13、时间，抓住了就是黄金，虚度了就是流水。理想，努力了才叫梦想，放弃了那只是妄想。努力，虽然未必会收获，但放弃，就一定一无所获。

14、一个人的知识，通过学习可以得到;一个人的成长，就必须通过磨练。若是自己没有尽力，就没有资格批评别人不用心。开口抱怨很容易，但是闭嘴努力的人更加值得尊敬。

15、如果没有人为你遮风挡雨，那就学会自己披荆斩棘，面对一切，用倔强的骄傲，活出无人能及的精彩。5、人生每天都要笑，生活的下一秒发生什么，我们谁也不知道。所以，放下心里的纠结，放下脑中的烦恼，放下生活的不愉快，活在当下。人生喜怒哀乐，百般形态，不如在心里全部淡然处之，轻轻一笑，让心更自在，生命更恒久。积极者相信只有推动自己才能推动世界，只要推动自己就能推动世界。

6、人性本善，纯如清溪流水凝露莹烁。欲望与情绪如风沙袭扰，把原本如天空旷蔚蓝的心蒙蔽。但我知道，每个人的心灵深处，不管乌云密布还是阴淤苍茫，但依然有一道彩虹，亮丽于心中某处。

7、每个人的心里，都藏着一个了不起的自己，只要你不颓废，不消极，一直悄悄酝酿着乐观，培养着豁达，坚持着善良，只要在路上，就没有到达不了的远方！

8、不要活在别人眼中，更不要活在别人嘴中。世界不会因为你的抱怨不满而为你改变，你能做到的只有改变你自己！

9、欲戴王冠，必承其重。哪有什么好命天赐，不都是一路披荆斩棘才换来的。

10、放手如拔牙。牙被拔掉的那一刻，你会觉得解脱。但舌头总会不由自主地往那个空空的牙洞里舔，一天数次。不痛了不代表你能完全无视，留下的那个空缺永远都在，偶尔甚至会异常挂念。适应是需要时间的，但牙总是要拔，因为太痛，所以终归还是要放手，随它去。

11、这个世界其实很公平，你想要比别人强，你就必须去做别人不想做的事，你想要过更好的生活，你就必须去承受更多的困难，承受别人不能承受的压力。

12、逆境给人宝贵的磨炼机会。只有经得起环境考验的人，才能算是真正的强者。自古以来的伟人，大多是抱着不屈不挠的精神，从逆境中挣扎奋斗过来的。

13、不同的人生，有不同的幸福。去发现你所拥有幸运，少抱怨上苍的不公，把握属于自己的幸福。你，我，我们大家都可以经历幸福的人生。

14、给自己一份坚强，擦干眼泪；给自己一份自信，不卑不亢；给自己一份洒脱，悠然前行。轻轻品，静静藏。为了看阳光，我来到这世上；为了与阳光同行，我笑对忧伤。

15、总不能流血就喊痛，怕黑就开灯，想念就联系，疲惫就放空，被孤立就讨好，脆弱就想家，不要被现在而蒙蔽双眼，终究是要长大，最漆黑的那段路终要自己走完。5、从来不跌倒不算光彩，每次跌倒后能再站起来，才是最大的荣耀。

6、这个世界到处充满着不公平，我们能做的不仅仅是接受，还要试着做一些反抗。

7、一个最困苦、最卑贱、最为命运所屈辱的人，只要还抱有希望，便无所怨惧。

8、有些人，因为陪你走的时间长了，你便淡然了，其实是他们给你撑起了生命的天空；有些人，分开了，就忘了吧，残缺是一种大美。

9、照自己的意思去理解自己，不要小看自己，被别人的意见引入歧途。

10、没人能让我输，除非我不想赢！

11、花开不是为了花落，而是为了开的更加灿烂。

12、随随便便浪费的时间，再也不能赢回来。

13、不管从什么时候开始，重要的是开始以后不要停止；不管在什么时候结束，重要的是结束以后不要后悔。

14、当你决定坚持一件事情，全世界都会为你让路。

15、只有在开水里，茶叶才能展开生命浓郁的香气。5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，64固井是钻井工程的临门一脚钻井是勘探开发的必由之路固井是钻井工程的临门一脚钻井是勘探开发的必由之路65第八章固井工艺与质量检测第一节固井工艺第二节油井水泥第三节前置液与外加剂第四节固井质量检测第五节提高固井质量的技术第八章固井工艺与质量检测66何为固井？WellCementing何为固井？67

固井就是将水泥注入井壁与套管之间环空的过程。固井工程是指通井处理钻井液、下套管、再循环处理钻井液、注水泥、候凝、封固质量检测到装井口交井的全过程，是涉及多学科多专业（石油工程、化学工程、硅酸盐科学、高分子科学、流变学等）的一个系统工程，核心是经济合理地设计套管柱和安全优质地注入水泥浆。

固井的目的是保护地表水、封隔地层和支撑套管柱。固井就是将水泥注入井壁与套管之间环空的过程。固682001200220001997200120022000199769第一节固井工艺

一、固井地面设备二、常规固井工艺三、特殊固井工艺第一节固井工艺70一、固井地面设备一、固井地面设备71固井工艺与质量检测讲义课件72固井工艺与质量检测讲义课件73循环钻井液注前置液和水泥浆压胶塞替钻井液碰压二、常规固井工艺循环钻井液注前置液和水泥浆压胶塞74钻井固井过程（Drilling-CementingProcess）钻井固井过程（Drilling-CementingProc75固井工艺与质量检测讲义课件76三、特殊固井工艺－双级固井三、特殊固井工艺－双级固井77固井工艺与质量检测讲义课件78三、特殊固井工艺－尾管固井机械式尾管悬挂器尾管悬挂示意图三、特殊固井工艺－尾管固井机械式尾管悬挂器尾管悬挂示意图79固井工艺与质量检测讲义课件80

第二节油井水泥一、油井水泥的制造方法二、油井水泥水化机理三、油井水泥水化伴随现象四、油井水泥性能与测量五、影响油井水泥性能的因素第二节油井水泥81一、油井水泥的制造方法（干法和湿法）石灰石粘土

铝矾土硅石铁粉荧石等生料按比例混合1450℃熟料油井水泥（水硬性胶凝材料）加石膏或外加剂，并研磨分四个阶段：（1）预热干燥－300～600℃，烧掉有机物质（2）石灰石分解－900℃：CaCO3分解出CaO和CO2（3）高温化学反应－1450℃，生成C2S、C3A、C4AF、C3S（4）冷却、出窑磨细一、油井水泥的制造方法（干法和湿法）石灰石粘土铝矾土82油井水泥分级

ABCDEF

GH（J）0～1830mA级－普通水泥（0.46）C级－早强水泥（0.56）B级－中热水泥（0.46）1830～4880mD级－缓凝水泥（3050m）F级－缓凝水泥（4880m）E级－缓凝水泥（4270m）0～2440mG级－基础水泥（0.44）H级－基础水泥（0.38）油井水泥分级0～1830mA级－普通水泥（0.46）C级－早83二、油井水泥水化机理

起始期——迟缓期——凝结期——硬化期（几分钟）（几十分钟～几个小时）（几十分钟）（几天～数年）大量放热液态特征水化速度变慢流动性能稳定水化加速不再流动晶体析出强度增加C-S-H凝胶层二、油井水泥水化机理起始期——迟缓期——凝结期——硬化期大84

那么，油井水泥的水化产物是什么？这些产物有什么样的性质？高温水泥石强度退化的根源是什么？加砂又为什么能防止这种退化？下面我们就以国产APIG级油井水泥为例进行剖析。那么，油井水泥的水化产物是什么？这些产物有什么样的性质？85三、油井水泥水化伴随现象放出水化热、胶凝失重、失水与析水、体积减缩、“闪凝”、“假凝”等。A.放出水化热－井温测井、“微环隙”起始期——迟缓期——凝结期——硬化期（几分钟）（几十分钟～几个小时）（几十分钟）（几天～数年）水化速度较快放出热量较大持续时间较短水化速度变慢放出热量很少水化速度加快放出热量最大水化速度很慢放出热量变少持续时间极长放热量由大到小：C3A、C3S、、C4AF、C2S三、油井水泥水化伴随现象起始期——迟缓期——凝结期——硬化期86B.胶凝失重Sabins,F.L.失重公式：水泥浆柱压力降落曲线水泥浆胶凝强度发展曲线有效压力（kPa)胶凝强度（×100Pa)试验时间（min）水泥浆柱有效压力和胶凝强度与试验时间的关系B.胶凝失重水泥浆柱压力降落曲线水泥浆胶凝强度发展曲线有效压87水泥浆柱有效压力与胶凝强度的关系胶凝强度(Pa)浆柱有效压力(KPa)05010015020001020304050水泥浆柱有效压力与胶凝强度的关系胶凝强度(Pa)浆柱有效压力88

水泥浆柱有效压力在初凝前降至水柱压力。测出水泥浆在初凝时的胶凝强度(该值约为1650Pa)，即得水泥浆在初凝前浆柱有效压力的计算公式：当τ≤τs时：当τ＞τs时：水泥浆柱有效压力在初凝前降至水柱压力。测出水泥浆在89

公式的推导－土壤力学理论假定：水泥浆发生明显水化之前，水泥浆就象尚未沉积的土壤；胶凝过程中的水泥浆柱与土壤层具有相似的固结过程。用Terzaghi定律来描述水泥浆内的应力状态：

公式的推导－土壤力学90初始浆柱压力地层压力水泥浆柱压力3.57.0P(MPa)t(hr)abcd2130a-b段：起始期迟缓期b-c段：进入凝结期那么，是不是水泥浆柱压力低于地层压力就发生气窜呢？初始浆柱压力地层压力水泥浆柱压力3.57.0P(MPa)t(91水窜流量的变化规律水窜时间（min)1060120200水侵速率（ml/min)3.30.90.220.11水导率（×10-4μm2)20.77.551.380.69

可以看出：水泥石水导率随水窜时间增加而降低，这说明在水侵时间内，水泥浆内部的水化仍在进行，仍在不断封闭着水运移的通道，提高自身的抗窜能力。

那么，为什么水泥浆柱压力低于地层压力还不会立即发生气窜呢？水窜流量的变化规律水窜时间（min)1060120200水侵92气侵阻力－－水泥浆结构阻止地层流体进入浆体的能力气侵阻力－－水泥浆结构阻止地层流体进入浆体的能力93

C.失水与析水

失水的危害：（1）水泥浆“瞬凝”，导致固井失败。（2）水泥水化不充分，造成固井质量差。（3）水泥浆体积减少，诱发油气水窜。（4）水泥浆向产层失水，污染油气层。析水的危害：（1）水平井－形成连续性水带窜槽。（2）垂直井－形成横向水带和纵向水槽。C.失水与析水94序号浆柱压力（MPa）地层压力（MPa）压差（MPa）失水量（ml）24h声幅值（％）13.521.5560026.04.01580039.07.030600410.58.550503511.59.5650013613.011.0780029压力对水泥浆失水量的影响注：试验水泥浆浆总量为38235ml。序号浆柱压力（MPa）地层压力（MPa）压差（MPa）失水量95D.体积减缩

水泥内部体积减少：以真空微孔隙的形式分布于水泥石中，造成其孔隙压力下降。

水泥表观体积收缩：膨胀率（％）时间（d）膨胀率（％）时间（d）水泥表观体积水泥绝对体积D.体积减缩膨胀率（％）时间（d）膨胀率（％）时间（d）水泥96

总的体积减缩分为两个部分：一部分是外部体积收缩，收缩率为4％～6％；另一部分是结构内部收缩，收缩率小于1％。体积收缩顺序：

C2S（1％）C3SC4AFC3A（16％）水泥浆某时刻水化引起的总收缩率：水泥浆某时刻失水引起的体积收缩值：水泥浆某时刻水化引起的总体积收缩值：总的体积减缩分为两个部分：一部分是外部体积收缩，收缩97水泥总收缩率与时间的关系时间(h)总收缩率(％)05105010001234765水泥总收缩率与时间的关系时间(h)总收缩率(％)05105098E.“闪凝”

闪凝是指把波特兰水泥熟料单独（即不加石膏）研磨后与水混合，C3A会迅速发生反应而发生不可逆转的稠化现象。

产生的原因有两个：一是因研磨时未加入石膏，水泥中含的铝酸盐和硫酸盐相互作用而造成的。二是因水泥中石膏的含量和熟料的活性不匹配，在早期水化阶段C3A与水过多地反应（即C3A的溶解度大而C3S和石膏的溶解度小）而造成的。E.“闪凝”99F.“假凝”

假凝是因水泥中存在的半水石膏或可溶性无水石膏的过量溶解，（有时也会因水泥与外加剂不相容造成絮凝而引起），使浆体液相成为过饱和硫酸盐溶液，导致石膏快速结晶析出针状二水石膏而形成网状结构.假凝使浆体刚性迅速增加，但无大量热放出；立即搅拌，刚性消除，塑性又恢复。解决的方法有：降低粉磨温度、控制产品质量、调整水泥外加剂品种和加量等。F.“假凝”100水化伴随现象与固井工程的关系可能造成的后果放出水化热形成微环隙二界面胶结质量差，环空气窜胶凝失重环空压力系统失衡环空气窜，甚至失控而井喷失水与析水“闪凝”，水化不充分固井问题多，污染油层，窜槽体积减缩形成微环隙，水泥面下移二界面胶结质量差，环空气窜“闪凝”蹩泵固井事故“假凝”泵压升高固井事故水化伴随现象与固井工程的关系可能造成的后果放出水化热形成微环101四、油井水泥性能与测量◣密度◣流动性能◣稠化时间◣强度◣失水量◣自由水◣抗腐蚀能力◣渗透率四、油井水泥性能与测量◣密度102五、影响油井水泥性能的因素◣矿物组分◣水泥细度◣水灰比◣温度◣压力五、影响油井水泥性能的因素◣矿物组分103一、前置液二、外加剂

第三节前置液与外加剂一、前置液第三节前置液与外加剂104前置液水基钻井液前置液油基钻井液前置液冲洗液隔离液粘性紊流型化学型研磨型粘滞型粘弹型一、前置液前置液水基钻井液前置液油基钻井液前置液冲洗液隔离液粘性紊流型105二、外加剂缓凝剂速凝剂早强剂分散剂降失水剂加重剂减轻剂膨胀剂热稳定剂增韧剂二、外加剂缓凝剂106第四节固井质量检测目前的固井质量检测方法：

★声幅测井（CBL）

★变密度测井（VDL

★井温测井

★水泥胶结评价测井（CET）第四节固井质量检测目前的固井质量检测方法：107A.声幅测井（CBL）发射器接收器3ft地层水泥环套管发射20kHz声波脉冲信号胶结好，声幅小；胶结差，声幅大。A.声幅测井（CBL）发射器接收器3ft地层水泥环套管108典型声幅测井图示深度m水泥浆密度为1.75～2.10g/cm3声幅(15%,30%],为固井质量合格声幅≤15％，为固井质量优质声幅＞30％，为固井质量不合格水泥浆密度＜1.75g/cm3声幅(20%,40%],为固井质量合格声幅≤20%，为固井质量优质声幅＞40%，为固井质量不合格典型声幅测井图示深度水泥浆密度为1.75～2.10g/c109B.变密度测井发射器接收器（CBL）接收器（VDL）5ft3ft地层水泥环套管发射声脉冲速率：10-12脉冲/s

固井一界面胶结好，二界面胶结差，则套管波信号弱，地层波信号也弱；一二界面胶结都好，则套管波信号弱，地层波信号强。一界面胶结差，则很难判断二界面的胶结情况。（VDL）B.变密度测井发射器接收器接收器5ft3ft地层水泥110变密度测井图解释（a）无水泥的自由套管密度测井（b）注有水泥段套管密度测井变密度测井图解释（a）无水泥的自由套管密度测井（b）注有111固井工艺与质量检测讲义课件112C.井温测井tH井温曲线水泥面主要用途：确定水泥返高，作为水泥充填程度的补充解释。测井时间：固井后12～24hr内，过早或过晚都会影响测量结果。C.井温测井tH井温曲线水泥面主要用途：确定水泥返高，作为水113D.水泥胶结评价测井（CET）

CET在360°圆周上每隔45°共安排了8个换能器，并呈螺旋分布排列，这8个换能器既是发射器又是接收器。声波脉冲的衰减率取决于环空介质的声阻抗：套管外为钻井液时，其声阻抗小，衰减很慢；套管外为水泥浆时，其声阻抗较大，衰减很快；而且，水泥石的强度越高，其声阻抗越大，声波能量衰减越快，即衰减能反映水泥石的强度。D.水泥胶结评价测井（CET）114第五节提高固井质量的技术提高固井质量主要应从三个方面入手：一是提高对钻井液的顶替效率二是防止固井后油气水外窜三是提高水泥环界面胶结与密封质量第五节提高固井质量的技术115尽管固井顶替机理的研究历史已60余年，但鉴于其复杂性，目前仍不十分深入。主要体现在实验方面：按照动力学相似原理要求，室内模拟的参数需要与相应的现场数值相匹配，但难度很大。理论方面：难以建立一套准确描述任意井下条件的动态模型和定量分析法。实用方面：现场施工参数很难同室内测量参数相吻合。一、提高对钻井液的顶替效率尽管固井顶替机理的研究历史已60余年，但鉴于其复杂性116A.顶替效率：无量纲顶替时间：

t*＝tQ/V钻井液（d）（c）（b）（a）水泥浆顶替界面变化情况Z=LZ=0入口出口A.顶替效率：无量纲顶替时间：钻井液（d）（c）（b）（a）117

B.顶替时的作用力与反作用力

钻井液的阻力和水泥浆的驱动力是保证两相流体顶替效果的基本因素。钻井液本身的粘度、切力套管和井壁对钻井液的粘附力钻井液本身的重力泵的压力水泥浆对钻井液的浮力流动的水泥浆对钻井液的粘滞力活动套管引起的牵引力驱动力阻力B.顶替时的作用力与反作用力钻井液本身的粘度、切118塞流层流紊流流态示意图C.顶替流态塞流层流紊流流态示意图C.顶替流态119120°钻井液水泥环套管窄隙处钻井液窜槽示意图S=50%时，窄隙处的钻井液窜槽占整个圆周的1/3，测井声幅值高达36%。D.套管偏心度的影响套管偏心度：120°钻井液水泥环套管窄隙处钻井液窜槽示意图S=50%时120E.井径扩大的影响

顶替模拟实验发现：当k＝15%时，切开井筒断面可见由井径小到井径大的扩大处，形成钻井液、前置液、水泥浆相互混掺的滞留区，水泥浆凝固后的强度很低，两个界面的密封性能也很差。E.井径扩大的影响顶替模拟实验发现：当k＝15%121影响顶替效率的因素还有：●顶替时间和紊流接触时间●流变性能●密度差●活动套管与否●泥饼、胶凝物和固相沉积●“死泥浆”的影响影响顶替效率的因素还有：●顶替时间和紊流接触时间122提高顶替效率的方法：◣井眼状况◣套管居中◣流变设计◣活动套管提高顶替效率的方法：123二、防止固井后油气水窜◣提高固井后水泥浆柱压力◣环空加回压◣控制水泥返高◣采用防气窜水泥固井二、防止固井后油气水窜124三、提高水泥环界面胶结与密封质量第一类是常用的物理或机械方法。为解决油气井环空胶结质量问题，国内外学者先后研究并提出了紊流顶替、壁面剪切、活动套管、膨胀挤压、纤维增韧、用刮泥器等固井技术方法。这些方法的出现对油气井环空封隔无疑是十分有益的，但鉴于固井二界面问题的复杂性和现场施工条件的局限性，面对我国油气井泥饼质量差和井径不规则这两大客观事实，它们各自所能达到的效果是比较有限的，表现为目前国内固井一界面胶结良好而固井二界面胶结质量问题依然较为突出。三、提高水泥环界面胶结与密封质量第一类是常用的物理125

第二类是特殊的MTC方法。MTC是一项20世纪90年代世界前沿的固井技术，它解决了钻井液与水泥浆的相容性问题。事实上，若采用目前国内采用的一般钻井液法，因钻井时仍用常规钻井液，对解决固井二界面封隔问题显然不会有明显作用；若采用全部钻井液或部分钻井液法（多功能钻井液），因弱化井径不规则和泥饼较厚这两个复杂性问题而可实现固井二界面封固系统的整体胶结，但整个环空的MTC固化体脆裂、高温性能变异等固有问题又会因射孔而导致更为严重的层间互窜，影响油气开采效果甚至报废井，这在一定程度上却制约了MTC的综合应用效果，也难以得到推广应用。因此，目前MTC大多用来固技术套管或作充填浆，而很少用来固油层套管。第二类是特殊的MTC方法。MTC是一项20世纪126*水泥环界面胶结强度发展规律*水泥环界面胶结强度发展规律1275、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老