水平井固井技术讲座(修改)

1、水平井固井技术,中国石油集团工程技术研究院,谭 文 礼 联系电话：（022）66310273 地址：天津市塘沽区津塘公路40号,本讲义分两个部分 第一部分 水平井的特点、固井要求、固井技术措施描述 第二部分 油井水泥、外加剂与水平井固井水泥浆体系介绍,第一部分 水平井的特点、固井要求、固井技术措施描述,目 录,水平井定义 完井方式 固井的意义 注水泥要求 问题和技术关键 固井设计与工艺技术 提高固井质量的措施 水泥浆配方实例,当最大井斜大于55。60 。时称为大斜度井。 井斜达到85。以上时，并在目的层有水平延伸的井段，称为水平井。,水平井定义,根据曲率半径划分水平井为三类： 1）长半径水平井

2、：曲率半径的范围为914305m;井斜变化为0.66 。 /m0.197 。 /m;水平井段长度6101524m。 2）中长半径水平井：曲率半径的范围为21328m;井斜变化为0.26 。 /m1.64 。 /m;水平井段长度457610m。 3）短长半径水平井：曲率半径的范围为126m;井斜变化为5 。/m10 。/m;水平井段长度91122m。,水平井定义,1、 裸眼完井 2、 筛管完井 3、 筛管及下封隔器完井 4、 筛管，盲管及下封隔器完井 5、 一半筛管及下封隔器完井 6、 一半注水泥一半筛管完井 7、 同心筛管完井 8、 套管注水泥、封隔器、筛管完井 9、全部套管注水泥完井,水平井

3、完井方式,1）延长油井的使用寿命； 2）提高采油速度； 3）可进行增产作业，保证二次、三次采油的技术实施。,水平井固井的意义,水平井对注水泥的要求,由于水平井的井下轨迹特点，下入的套管将可能承受地层纵向下塌应力，因此水泥环的支撑作用的重要性就显得非常重要。 另外，水平井很难判定生产层出水或是侵入水，或是环空窜通引起出水，因此水泥作业的质量非常关键。,注水泥作业要求为： 1）封隔注水泥段内各组产层和其它渗透性岩层，防止层间窜通； 2）水泥环必须连续而坚固，支撑和保护套管柱； 3）支撑并巩固不坚定的砂岩层等； 4）控制地层压力。,水平井对注水泥的要求,1）为了稳固井壁常常用高密度钻井液，从而造成水

4、泥浆顶替钻井液的难度加大，顶替效率很难提高； 2）这些井常常用油基钻井液钻井，这样井下岩石表面由于泥浆的污染而成为亲油特性，亲油物质如何被清除，为固井水泥浆营造良好的亲水界面成为水泥浆能否较好胶结的根本条件，这样固井过程中必须采用良好的冲洗与隔离液体系，有效地清除粘附油基泥浆或油膜成为固井的关键技术之一；,问题和技术关键,3）这类井为了有效地清除岩屑，防止岩屑沉降，通常也采用具有较高粘度和切力的泥浆，由于泥浆的粘附性强，触变结构大，流动性差，这样有效地顶替泥浆成为很难解决的问题； 4）为有效地驱动和清除泥浆，只有增大排量，进行大排量的循环作业，这就带来了漏失、高渗透性地层的稳定等问题，造成下套

5、管不利以及井径不规则，从而影响到水泥的胶结质量。,问题和技术关键,5）水泥浆在凝固过程中，由于重力作用，易在井眼上侧形成游离液通道，引起油、气、水的窜问题。 6）水平井的斜井段常常会形成键槽，岩屑易堆积，造成井眼低侧水泥环窜槽。,问题和技术关键,7）套管的下入问题。套管能否顺利下入，这涉及到钻井问题，关系到井身剖面质量、井眼轨迹以及钻井液性能，因此对套管柱的强度、管串结构需进行合理的设计，尤其是尾管下入时的加压与冲洗循环技术，注水泥时使用可提放旋转套管工艺以及套管的居中技术问题。,问题和技术关键,8）井眼几何形状与直井有很大的不同，由于存在椭圆形井眼与岩屑堆积，清除岩屑的沉积和固相颗粒是提高顶

6、替效率的关键技术之一； 9）由于套管自重的作用，易靠近井壁下侧，形成严重的偏心，降低了水泥浆的顶替效率； 10）地层的垂直应力直接作用在套管柱上，造成套管挤扁变形而强度破坏问题以及水泥环无法进行保护作用的问题。,问题和技术关键,1、关于钻井设计问题 国内外经验：井眼与套管间隙不宜小于38mm，或选择合适的套管/井眼的尺寸比，比值应在0.650.77之间。 为下套管和改善水泥环质量，有条件时尽量增大曲率半径。,固井设计与工艺技术-井眼准备,钻井设计实施中的要求： （1）保持井径规则，防止出现大尺寸和小尺寸井眼； （2）井眼轨迹规则，防止出现全角变化率井段； （3）避免形成键槽； （4）钻近过程中

7、漏失时，需进行堵漏和防漏失处理。,固井设计与工艺技术-井眼准备,2、井眼的处理 1）钻井液的处理。钻井液的流变性影响注水泥质量。完井后，井眼几何形状和井身轨迹已无法改变，因此可控因素只有调整钻井液性能，目的是有效地冲洗和携带增斜井段和水平井段的岩屑。,固井设计与工艺技术-井眼准备,岩屑携带取决于的因素有： （1）流体密度与流变性能（p和。）； （2）环空流速； （3）岩屑形状、密度与尺寸； （4）井斜角的变化。 可控参数为：流速与流体的流变性。,固井设计与工艺技术-井眼准备,2）冲洗和携带岩屑的流速。最低环空流速由井下条件如承压能力、密度与动切力决定。一般为0.917m/s1.52m/s的范围

8、。,固井设计与工艺技术-井眼准备,环空排量,3）下完套管后循环的要求。一般为井筒容积的3倍，相当于循环23周。 4）动切力。 。水平井段注水泥窜槽的主要原因在于钻井液中的固相（岩屑或加重材料）在井眼下侧沉降，水泥浆不易顶替该处泥浆而形成窜槽的条带。要使沉屑与固相颗粒携带走或悬浮在浆体中不沉降，钻井液必须有一定的动切力，这种动切力对泥浆来说需有一个最低的动切力（称为临界动切力），该临界动切力有两层含义：在该临界动切力以下的钻井液将呈现出连续的固相沉槽；防止沉槽出现所需的动切力随着井斜角减小而减小。,固井设计与工艺技术-井眼准备,固井设计与工艺技术-井眼准备,不同井斜角钻井液的临界动切力,固井设计

9、与工艺技术-井眼准备,防止固相沉降和携带岩屑，除了动切力外，与钻井液的塑性粘度有关。一般要求动塑比大于1。如胜利油田的经验为：控制。大于9.58Pa，而。/p的比值大于2.0。,固井设计与工艺技术-井眼准备,5）套管的顺利下入对井眼的要求。 弯曲裸眼井段，套管下入在井壁上有较大的摩擦阻力。即摩擦系数大，摩擦角大。在55 。60。井斜角时，套管柱将不可能靠自重而下行，需要施加一定的力，克服阻力，当水平位移对垂深的比例达到一定程度时，就可能产生过大的摩擦而阻止套管的下入，因此要对井壁进行处理，降低摩擦系数。影响摩擦系数的因素有： 地层岩性；下入深度；井壁光滑程度；钻井液特性（类型与润滑性等）。,固

10、井设计与工艺技术-下套管的摩阻计算,1）摩擦阻力的计算 套管对井壁的摩擦力F等于管柱对井壁的法向合力P乘上摩擦系数： F= P 2）摩擦力对轴向载荷影响 上提套管柱时，其有效合成轴向拉力Wu为： Wu =Wb + F Pt /St 式中Wb -套管柱设计合成拉力，kN； Pt -抗拉强度，kN； St -抗拉安全系数（取1.8）；当Wu Pt /St ，则应以较低转速转动套管慢慢上提。,固井设计与工艺技术-下套管的摩阻计算,3）套管柱的附件选择 套管串上主要附件包括：引鞋、回压阀（浮箍）、分接箍、尾管悬挂器、扶正器、刮泥器、水泥伞及管外封隔器。, 浮鞋浮箍的选择（厂家、数量） 封隔器（压力级别

11、问题、密封的可靠性问题） 悬挂器的选择（液压、机械） 筛管的类型（饶丝、隔缝、金属棉等),工具、附件的选择问题,固井设计与工艺技术-水泥浆设计,1）设计需要达到的几项标准 水泥浆游离液为零。可使环空上端积水带控制到最小。 稳定性：上中下密度差0.05g/cm3。形成的水泥石性能均匀一致，有利于与接触界面的胶结。,控制水泥浆产生固相沉降和游离液的重要性 水泥浆的稳定性永远是一项重要性能，特别在斜井中尤为重要，有两项参数可以确定水泥浆的稳定性：游离液和固相沉降。游离液之所以重要，是因为它能浮在大斜度、水平井井眼的顶部而形成一横向流道，井内流体可以自这条横向流道内流动（Keller等人，1987），

12、Nilson和Skabins，1988）。,游离液产生后沿着环空高边聚集，形成低密度液体连通，而在低边又会形成松散的水泥颗粒沉积，照样不与井壁胶结，引起层间窜流和气体运移。因此，减少或消除游离液和水泥颗粒沉降，就可以增加大斜度、水平井的整体性和稳定性，有助于延长开采寿命。在水平井水泥浆试验时要严格控制游离液为零。,沉降和游离液产生的原因 水泥浆是水泥颗粒在水中的高浓度悬浮体。在稀悬浮液中，固体颗粒的沉降遵循Stockes定律，单个颗粒的沉降速度由它的大小和密度决定。在稠悬浮液中，固体颗粒通常以受阻的方式沉降。,在受阻沉降过程中，大多数颗粒的沉降速度远远地低于单个颗粒在稀悬浮液中的沉降速度。“受

13、阻沉降”是指颗粒之间的粘结作用将水泥颗粒粘结在一起，并使她们在沉降过程中保持位置不变。 颗粒浓度高和颗粒之间粘结作用强导致沉降速度降低。这种作用阻碍游离液向上移动，保证水泥浆体的均匀稳定。 产生的原因可归为：水泥颗粒分布不合理、外加材料颗粒与水泥浆不匹配、相分离、材料之间密度差很大、分散剂掺量过大、悬浮材料或增粘材料因温度增加而失效等。,稳定性和游离液的测试方法,测试要求：常温水泥浆易制备，流动度18cm，稳定无沉降。 BHCT下无沉降和游离液。 游离液测试新方法：BHCT下搅拌，倾斜45。、 2h静置测定。,提高水泥浆稳定性的方法,提高水泥浆稳定性的主要方法是增加水泥浆的粘度和胶凝强度。 增

14、加水泥浆的粘度。 方法：1）增加水泥、控制固相颗粒的细度、降低W/C等； 2）加入悬浮剂或增粘剂，诸如纤维素、生物聚合物等。缺点：低温增稠导致配浆困难，温度升高粘度降低。该方法应慎用，需要良好配套材料和技术措施才可选用。, 增加水泥浆的胶凝强度（或切力）。 胶凝强度就是使静止的水泥浆产生流动所增加的最小外力，也称静切力，它一般不超过48pa。 胶凝强度过大，导致泵压增大，循环困难，产生压漏地层或蹩泵的问题。 方法：多价离子物质、膨润土等。 注意：防止絮凝稠物的产生。,（3）新一代方法。通过设计水泥颗粒大小和分布，达到最优堆积和良好的流变性。,2）API失水量 水平井注水泥要求失水量控制在40m

15、L/30min以下。 失水分为两个阶段: 1)注水泥顶替过程的动失水; 2)候凝阶段的静失水。 失水过大影响：水泥浆的流变性、稠度变化、顶替性能、“闪凝”现象、水泥浆的胶结等。,3）水泥浆切力的要求 在满足紊流顶替条件下，切力应满足的关系式为： 水泥浆隔离液泥浆 4）直角稠化和塑性状态到硬化状态时间短：防止流体侵入和窜流。 5）入井液体密度大小应满足关系式为： 水泥浆隔离液泥浆且三者应较接近。尤其是注意在井筒温度条件下，加重隔离液应保持固相的悬浮稳定。,提高水平井固井质量的措施,1、井眼净化技术,由于大位移井和水平井的水平位移大，以及井眼长，清除钻屑就成为主要的问题。又因在井眼的低边形成了钻屑

16、沉积床，而使问题进一步复杂化。下面列出了大位移井和水平井的水平位移井眼净化的可行性的14种方法。,钻屑沉积床,提高环空返速, 塔尔萨大学的研究表明，在各种井斜角下，无论使用层流还是紊流，提高钻井液的环空返速都能提高清井效果。有研究表明在40-60的井斜角下，清洁井眼需要的泵排量最高。, 增大钻杆直径。由于增大钻杆的直径能够提高环空流速，所以能改善井眼净化。 使用层流（045）。同时尽可能地增加钻井液屈服值将提高清井效果。 使用紊流, 增大钻井液比重。在保持钻井液性能不变的情况下，增加钻井液比重能够改善井眼的净化效果。 增大钻井液屈服值（层流） 增大YP/PV比（大于1，YP单位磅/100英尺，

17、PV 的单位厘泊），尤其是在层流返速的情况下。 降低钻井液静切力 在斜井中，触变性非常不利于钻屑的输送，在钻柱不转动时更是如此。稠化的钻井液在井底形成了一层几乎不流动的流体层，而使钻屑滞留在井底，这种影响对细颗粒来说尤为严重。, 使钻柱居中 旋转钻柱 上下活动钻柱 划眼起下钻 周期性划眼起下钻能搅动钻屑，并将使钻屑从井眼中清除出来。在大斜度井中使用井下马达钻进而没有钻杆转动的情况下，进行周期性划眼起下钻十分重要。 控制钻井速度（#） 泵入粘性（重）液段塞 合理选择钻头型号和类型,2、套管下入技术, 清洗井眼（同上） 选用合理的扶正器 使用不同类型的扶正器可以使下套管过程中套管与地层的面接触变为

18、点接触。新的下套管标准要求在大位移、大斜度井中使用滚轮钢性扶正器，在上层套管内必须使用滚轮钢性扶正器；在坚硬地层的裸眼段内同样要使用滚轮钢性扶正器。, 使用模拟软件进行下套管模拟（摩尔软件） 使用近似套管钢性的部分钻具模拟下套管作业, 套管漂浮下入技术 采用漂浮下入技术可以减小套管对下井壁的附着力即对井壁的摩阻；减小井架在载荷，从而保证套管的顺利下入。通常是将套管底部密封住，并充入轻质液体或全部为空气。实践证明，这一原理能够有效地克服大斜度井中在套管上的摩阻。下图为一漂浮节箍的使用示意图。,漂 浮 节 箍 井 下 安 放,漂浮节箍示意图,3、套管居中技术,合理安放扶正器使套管居中，是消除偏心环

19、空窄间隙处滞留钻井液，提高水泥浆顶替效率的重要措施。图中红色部分表示被顶替液，白色部分表示顶替液。从图两种偏心度的顶替效果看，偏心度为0.5的要达到偏心度为0.3的顶替效果，需要增加近1倍的顶替量（顶替体积/井筒容积）。从实验中发现，当偏心度为1时，层流顶替状态下，无论增加多少顶替量，窄间隙的被顶替液都很难驱替。即使在紊流顶替状态下要使窄间隙被驱替干净，需要几倍的顶替量。由此可见套管居中的重要性。,Dowell Schlumberger公司发现套管的居中度满足或超过67%，便于从窄边清除掉滞留的钻井液（完全居中时，居中度=100%）。 居中度定义公式： 套管居中度定义, 扶正器类型,弹性（单、

20、双弓）,钢性滚轮,钢性,(2) 合理安放扶正器,为保证套管的顺利下入和居中度的需要在套管扶正器的下入上必须具有合理性和科学性。套管加扶正器，保持环空流动区域的均匀性，可改善钻井液的顶替效率。反之，水泥浆就容易绕过窄边的钻井液流过。因为水泥浆总会沿着阻力最小的方向流动，也就是井眼最宽的部分流动。如图是根据密度为1.2g/cm3，动切力为4.8Pa的液体流过152.2mm套管与228.6mm井眼环空时的情况作出的结果。 偏心环空窄边、宽边流速比值 由图可见，当偏心度为50%时，平均流速小于1.16m/s，窄边的液体不会移动。即使平均流速超过2.32m/s，窄边的液体还不到平均流速的20%。,建议原

21、则,在能够保证套管居中度的情况下尽量少小扶正器； 在技术套管内和坚硬的裸眼段尽可能多的使用钢性（滚轮）扶正器,数量的确定,根据实际的井斜、方位、井径数据利用固井设计软件进行模拟套管居中度。 必要时可使用套管扶正器定位环。,套管下入模拟,利用不断修正的模拟软件，模拟套管的实际下入。 在套管居中和套管下入安全上，重在考虑套管的安全下入。,4、良好的水泥浆性能,(1)良好的水泥浆稳定性 (2)无沉降和游离液 (3)降低水泥浆失水 防止施工事故 生成过厚泥饼 过早脱水 改变稠化时间 降低强度 环空桥堵 避免油气层损害,5、 保证顶替效率, 影响因素及提高措施 有效地驱替钻井液，提高注水泥的顶替效率是清

22、除钻井液窜槽、保证水泥胶结质量和水泥环密封效果的基本前提。因此，半个多世纪以来，注水泥顶替机理研究一直是国内外固井界重点研究的课题。 研究得出了影响注水泥顶替效率的6个因素： （1）套管在井内的居中度； （2）液体在环空中的流动状态； （3）紊流时液体流过封隔层位所经历的时间； （4）钻井液的触变性； （5）钻井液与水泥浆的流变性能； （6）水泥浆与钻井液的密度差。,合理运用顶替技术提高顶替效率，对于获得良好固井质量是至关重要。套管居中、井径规则程度、顶替液与被顶替液流变性能差异、顶替流态与紊流接触时间、水泥浆密度均匀性、钻井液调整结果等都会不同程度的影响顶替效率。实际工程中，由于受到多种因素

23、的制约，很难作到各种因素都处于最好的情况，保证良好的顶替效率，其关键在于如何合理运用相关理论与实际相结合，达到整体协调。, 套管居中 活动套管,活动套管分为旋转和上下活动套管2种方式。活动套管，建议在整个注水泥过程中进行，至少也应保证在前置液出套管前活动套管，以提高驱替效果。 （1）旋转套管，能显著提高顶替效率。不仅可将窄间隙滞留的钻井液带入较宽间隙，而且较宽间隙的水泥浆因旋流作用，也被挤入窄间隙，从而使偏心环空各间隙处的钻井液趋于均匀顶替，见图。转动可能使套管受过大应力作用，一般旋转速度以1020rpm为宜。,图 旋转套管对驱替钻井液的影响,（2）上下活动套管（见图），改变液体流动方向，使水

24、泥浆和钻井液处于剪切状态，有助于破坏钻井液的胶凝结构和触变特性。上下活动套管一般采用两分钟一次，行程4.56m。但应保证套管起下通畅，井下无阻卡。旋转套管，在某些宽间隙的边壁也会形成反向的回流速度，起到上下活动套管相同的作用。牛顿液体的回流速度范围大于非牛顿液体。形成反向的回流速度是在液体受到不规则井壁反作用的结果。,上下活动套管对钻井液影响, 顶替流态,顶替流态是提高顶替效率的一个重要参数。从下表可以看出在偏心环空中，雷诺数小于1477的低速层流时，窄间隙的顶替效率低，而且雷诺数愈小顶替效率愈低，甚至为零；约在1447左右窄间隙的顶替效率较高；雷诺数在临界雷诺数以后顶替效率得到迅速的提高，直

25、至顶替效率达到100%。 顶替流态与顶替效率的关系,上述试验分析表明: 在偏心环空顶替中，紊流顶替是最好的流态；当不能实现紊流顶替，选择高速层流顶替，也是提高顶替效的一种可行措施。, 采用前置液紊流顶替,水泥浆与钻井液的流动状态，对水泥浆驱替钻井液的效果有明显的作用。如2种液体均为紊流流动。滞留在井壁的死区钻井液较薄，容易被钻井液和水泥浆的横向脉动作用清除。由于水泥浆与钻井液流变性受到多种因素的限制，且泵组功率也有限，紊流流态有时是难以达到。 采用优质的前置液（冲洗液和隔离液）： 相容性（钻井液）冲刷紊流加重, 延长紊流接触时间与增大紊流程度,增加水泥浆与隔离液通过某位置的接触时间，对提高偏心

26、环空的顶替效率有明显的作用。模拟实验表明，当水泥浆处于层流时，这种作用对窄间隙钻井液的顶替效果并不明显。即使水泥浆处于紊流流态，水泥浆在窄间隙的顶替效率仍不理想，仅达到70%左右。当接触时间约为37min，水泥浆在窄间隙的顶替效率将会大大提高。最后达到100%。从试验可知，随着水泥浆雷诺数的增加，达到相同顶替效率的接触时间相应减少。当Re=4747时，顶替效率增加到100%所需要的接触时间仅23min。增加紊流接触时间和增大紊流程度，都有提高顶替效果的作用。在水泥浆达不到紊流时，可增加紊流前置液用量延长接触时间，并适当增大排量提高紊流程度，以提高顶替效率。, 降低钻井液触变性,钻井液触变性可用

27、10min静切力表示。它对水泥浆顶替效率有明显的影响，特别是在低速下顶替尤为突出。随着环空返速的增加，钻井液结构破坏，静切力减弱，附着在井壁的滞留钻井液易被驱替带走。,图为模拟试验所得关系曲线。图中表明： 图 钻井液触变性能的影响 （1）钻井液10min静切力为11.5Pa，水泥浆顶替效率较高，约在80左右。 （2）水泥浆返速愈高，紊流程度愈强，触变性愈容易破坏，滞留的钻井液愈容易被顶替干净。, 增大水泥浆与钻井液密度差,增大顶替液与被顶替液间的密度差，对提高水泥浆顶替效率有较好的作用，如图所示。这种作用，对紊流流动尤为明显。 图 液体密度差的影响 两种流体的密度差增加，一方面，其浮力作用使液

28、体交接处的水平分界面更稳定。另一方面，改变了液体流动的相互关系，即水泥浆的压力梯度相对增加，而钻井液的阻力梯度则相对降低。, 调整钻井液性能,调整钻井液性能对提高顶替效率有重要作用。调整原则是在保证井下安全的前提下，尽量降低其塑性粘度、动切力和静切力，减小触变性影响。 （有研究表明增大钻井液的PH值，有利于破坏虚泥饼）,6、 施工过程中的关键技术,(1) 水泥浆量的确定 水平井、大斜度井井径数据很难获取或数据不准。 (2) 顶替过程中套管的漂浮技术 在水平段或大斜度段替入轻质液 (3) 顶替量准确计量 克服胶塞不密封的问题 (4) 水泥浆的污染问题 采用与水泥浆相溶性好的前置液 在尾管固井时，

29、在悬挂器以上替入与水泥浆相溶性好的间隔液 (5) 保证现场施工的设计符合率 优选施工设备和人员 采用带有二次混拌的固井泵车或采用批量混拌罐,1）加有预水化膨润土：H级水泥+1%预水化膨润土+0.6%高温缓凝剂+0.1%分散剂。,水泥浆性能,水平井使用的水泥浆配方实例,2）南海东部石油公司水平井的水泥配方：用于2643m井深。 配方：G级水泥+淡水13.1L/SK+防气窜剂（D600）5.68L/SK+分散剂（D604） 0.23L/SK+缓凝剂（D8） 0.0378L/SK+消泡剂（D47） 0.189L/SK 水泥浆密度为：1.89g/cm3。 稠化时间：275min(50Bc)，294mi

30、n(100Bc) 游离液：0mL，失水：52mL/30min。 3）胜利油田水平井水泥配方： G级水泥+SG1-1（游离液抑制剂）2.5%，W/C=0.44 水泥浆密度为：1.89g/cm3。 稠化时间：86min/62，1530min稠度=16Bc 游离液：0mL，失水：50mL/30min。 48h抗压强度：23.8MPa。,第二部分 水平井固井用水泥浆体系,目 录,油井水泥 水泥外加剂 冲洗液与隔离液 水平井用水泥浆体系介绍,目前，国际通用的油井水泥分类通常是按照API 标准来进行的，共分为A、B、C、D、E、F、G、H 八种类型，以适用于不同的井深、温度和压力的要求。API油井水泥是由

31、磨细硅酸盐水泥熟料而得到的产品(也称为波特兰水泥)，主要矿物为硅酸钙和铝酸钙，通常含有作为研磨添加剂的一种或多种形态的硫酸钙。 API 油井水泥按抗硫酸盐的能力分为普通型（O）、中抗硫酸盐型（MSR）和高抗硫酸盐型（HSR）三种。,油井水泥的分类,波特兰水泥在制造过程中，通常是将石灰、硅石、铝钒土和氧化铁经研磨形成细粉并按比例混合(两磨一烧)，使混合物具有适当的化学组成，再送到窑内经1500高温进行一系列的化学反应生成以下四种主要化合物： 硅酸三钙:C3S 硅酸二钙:C2S 铝酸三钙:C3A 铁铝酸四钙:C4AF,油井水泥作用机理,波特兰水泥的水化是水泥熟料中的组分与水之间发生复合化学反应使水

32、泥浆逐步稠化和硬化的过程，是一个复杂的溶解/沉淀的过程，在这一过程中，与单纯一种成份的水化反应不同，各种组分以不同的反应速度同时进行水化反应，而且各组分之间互相影响。对水泥水化过程的研究，主要是对在含水环境下水泥中每一种化合物的变化进行研究，并寻找每一种化合物的状态与多种化合物体系（波特兰水泥）的状态变化之间的关系，波特兰水泥中的几种主要化合物有不同的水化活性并形成不同的水化物。,油井水泥作用机理,在波特兰水泥中最多的固相为硅酸盐，通常占水泥总量的80，主要成分是C3S，C2S，但通常C2S数量不超过20。这两种化合物的水化产物都是硅酸钙的水化物和氢氧化钙。,2 C3S+6H C3S2H3+3

33、CH 2C2S+4H C3S2H3+CH,硅酸钙的水化物C3S2H3化学组分不是固定的，而是根据水相中钙的浓度、温度、使用的添加剂及老化程度C:S和H:S比值发生变化，而且形态不固定，通常称之为“C-S-H凝胶”，它是硬化水泥的主要胶结材料，占水泥水化产物的70%。,C3S的水化速度比C2S的水化速度高很多，由于C3S含量多，形成大量的C-S-H胶体，因此C3S对水泥初期及形成早期强度起主要作用，C2S水化对水泥的后期强度起作用。,1、硅酸盐的水化,1、硅酸盐的水化, 预诱导阶段 诱导阶段 反应加速阶段 反应减速阶段 扩散阶段,2、铝酸盐的水化,2、铝酸盐的水化,与水化硅酸钙不同，水化铝酸钙可

34、很快达到完全水化。如果在波特兰水泥中不对这种水化加以控制，将对水泥浆的流变性产生严重的影响，故可在水泥熟料中加入35的石膏来控制C3A的水化。石膏与水接触后，一部分发生溶解，溶液中游离的钙离子和硫酸根离子与C3A分解出的铝离子和氢氧根离子发生反应生成三硫二铝酸钙的水合物，称为钙矾石。 6Ca 2+ +2Al(OH)4- +3SO4 2- + 4OH- +26H2O Ca6Al(OH)62(SO4)3.26H2O,钙矾石以针状晶体形式沉淀在C3A表面上，阻止水化的迅速进行，并最终形成片状硫铝酸钙水合物。,钙矾石晶体的显微照片,3、影响波特兰水泥水化的因素,老化的影响 波特兰水泥暴露在空气中或处在

35、高温环境中，其水泥浆性能将受到以下的影响：稠化时间增加，抗压强度降低，水化热降低，水泥浆粘度增加。这些变化主要是由于硅酸盐水化物的碳化作用和游离CaO部分水化造成的。,温度的影响 温度是影响波特兰水泥水化反应的主要因素之一，主要影响水泥的水化速度、水化物的性质、稳定性及形态等；提高温度能加速水泥的水化速度。,3、影响波特兰水泥水化的因素,水泥粒度分布的影响 水泥粒度分布是影响水泥活性及水泥浆流变性的重要参数。粒度分布范围较窄的水泥形成的抗压强度较高，提高表面积可提高水泥的反应速度。 抗硫性能 井下地层水通常含有硫酸镁和硫酸钠，它们与水泥水化形成的氢氧化钙沉淀物发生反应时会生成氢氧化镁、氢氧化钠

36、和硫酸钙。这些硫酸钙又与铝酸盐发生反应生成次生的钙矾石，使水泥石形成一定的膨胀，这种膨胀对胶结质量产生有利的影响，但无控制的水泥膨胀会导致强度降低，产生裂缝并对套管造成损害。,1、标准油井水泥分为A、B、C、D、E、F、G、H八种类型 A、B、C级较适合于浅井固井，D、E、F级较适合于中深井固井，G、H 为使用最广泛的油井水泥，与各种外加剂、外掺料配合，可满足各种井况固井要求。 2、油井水泥主要成分 硅酸三钙（C3S)，硅酸二钙（C2S），铝酸三钙(C3A）、铁铝酸四钙（C4AF） C3S对水泥初期及形成早期强度起主要作用，C2S水化对水泥的后期强度起作用。 3、油井水泥水化放热、收缩 配浆时

37、，使水泥浆温度升高7 左右 凝结时，使水泥基体温度升高7 15左右 水泥水化产生7%左右的绝对体积收缩,小 结,油井水泥外加剂,油井水泥外加剂的分类,油井水泥早强剂 油井水泥缓凝剂 油井水泥降失水剂 油井水泥分散剂 油井水泥消泡剂 油井水泥减轻剂 油井水泥加重剂 游离水控制和固体悬浮调节剂 防止水泥石高温产生强度退化的外加剂 其他特种功能外加剂,水泥外加剂在固井工艺的发展过程中起着重要的作用，近年来已开发了大量的外加剂来调节水泥浆的主要性能如：稠化时间，稠度，失水量，游离液及水泥石的抗压强度等，以满足不同的井眼条件。,油井水泥促凝早强剂,油井水泥促凝早强剂主要是指能显著缩短水泥浆稠化时间，加速

38、水泥熟料矿物的凝结与硬化， 提高水泥石早期抗压强度的外加剂。 主要用途： 缩短凝结时间 表层套管注水泥、打水泥塞、堵漏等。,油井水泥早强剂作用机理,研究发现，不同类型的早强剂对水泥浆具有不同的早强作用机理，通常常用的几类早强剂，其促凝早强的作用机理为：,氯盐类早强剂：氯盐促进水泥浆硬化和早强的机理，主要有两个方面的原因。一是增加水泥颗粒的分散度，从而加速水泥水化和硬化的速度 ；二是与水泥熟料矿物产生化合作用，与C3A化合生成水化氯铝酸钙，从而使胶体膨胀，水泥石孔隙减少，密实性增大，从而提高了水泥石的强度。,硫酸盐类早强剂：硫酸盐对水泥的促硬、早强作用，主要是因为它能与水泥熟料矿物水解析出的氢氧

39、化钙发生置换反应，从而能加速与水泥熟料中的C3A反应生成更多的硫铝酸钙，提高水泥水化液相中的固相比例，加快水泥凝结硬化的速度和早期强度的提高；,有机早强剂：如三乙醇胺，它能起到促凝早强作用是由于三乙醇胺能促进水泥石形成更多的钙矾石，能有效地吸附在水泥熟料矿物表面，加快C3A与石膏之间的反应，但三乙醇胺可能减缓C3S的水化速度。通常，它与其它促凝早强剂复合使用，可发挥更好的早强作用。,常用的油井水泥促凝早强剂可分为无机盐类早强剂、有机化合物类早强剂和由多种不同类型早强剂复合而成的复合早强剂。 一、无机盐类 主要包括： 氯化钙，液体氯化钙，硅酸盐，硫酸盐，氯化钠等 其它无机盐类促凝剂还包括： 铝酸

40、盐、硝酸盐、碳酸盐、 硫代硫酸盐以及钠、钾、铵的氢氧化物等。,油井水泥早强剂的主要类型,油井水泥早强剂的主要类型,二、有机化合物促凝剂 主要包括：甲酸钙Ca(HCOO)2、甲酰铵（CHONH2)、草酸（H2C2O4)和三乙醇胺（N(C2H4OH)3等。 三、复合促凝剂 研究表明，由多种无机盐促凝剂和有机化合物促凝剂复合的早强剂，往往可得到比单一类型促凝剂促凝效果更好的外加剂。 我国目前油田常用的早强剂通常为复合型的促凝早强剂，往往很少单独使用一种早强剂,通过物理化学作用，能显著延缓水泥浆稠化时间，防止油井水泥凝结过快的外加剂可称作为油井水泥缓凝剂。有些缓凝剂同时还具有减阻和降失水的作用。 主要

41、作用：延长水泥浆稠化时间，保持水泥浆在注入和顶替期间保持良好的可流动（可泵）性。,油井水泥缓凝剂,缓凝剂作用机理,缓凝剂的作用机理主要是指缓凝剂的化学性质和缓凝剂与水泥相（硅酸盐或铝酸盐）的作用过程，由于不同的缓凝剂有不同的化学性质和作用过程，所以，目前所提出的所有理论都还不能全面的解释缓凝剂本身参与水泥的水化过程的情况，本项工作需进一步的研究。目前，所提出的缓凝剂的主要机理有：,吸附理论：缓凝作用的产生是因为缓凝剂吸附在水化物表面上抑制了与水的接触。 沉淀理论：缓凝剂与水相中的钙离子或氢氧根离子反应，在水泥颗粒周围形成一种不溶解的非渗透层。 成核理论：缓凝剂吸附在水化物的晶核上，抑制了它的进

42、一步增长。 络合理论：缓凝剂螯合钙离子，因而防止了晶核的形成。 注：在某种程度上，上述四种机理有可能在缓凝过程中都发生，或其中的一种或两种机理在缓凝过程中同时发生。,油井水泥缓凝剂的主要类型,木质素磺酸盐类 羟基羧酸类 糖类化合物 纤维素衍生物 有机磷酸盐类 合成高温缓凝剂 无机化合物类,目前，用作油井水泥缓凝剂的化合物主要有以下的类型，它们可能是这几类化合物的改性合成化合物，或是几种化合物的复合物。,油井水泥降失水剂 固井时水泥浆在压力下流经高渗透地层时，将发生“渗透”，水泥浆液相漏入地层，通称为失水，故能够降低油井水泥浆失水量的这种外加剂通称为油井水泥降失水剂，目前主要通过减小滤饼渗透率或

43、提高水相粘度等手段来达到降低失水的目的。 主要用途：保护产能，用于油层注水泥、挤水泥、尾管注水泥、水敏地层注水泥、防气窜注水泥,降失水剂作用机理,研究降失水剂的作用机理主要应通过研究水泥颗粒的形状和尺寸、流体的粘度、水泥滤饼的质量等方面来进行，其中以改善滤饼质量为控制失水的关键，目前，降失水剂的作用机理主要有两种学术观点： 减少水泥滤饼的渗透率，改善水泥滤饼的结构，以形成致密、渗透率低的滤饼，从而降低失水，可通过： a: 调整水泥浆体系的颗粒分布，使超细颗粒材料能够嵌入水泥颗粒之间，阻塞滤饼空隙，形成致密结构的滤饼，有助于降低失水。 b: 采用水溶性高分子聚合物，通过其吸附基团和水化基团在水泥

44、颗粒表 面形成“水泥颗粒线性高分子水分子吸附层”的网状结构，束缚住更多自由水，阻塞水泥内部空隙，从而降低失水。 增大水泥浆液相粘度，通过增大液相向地层滤失的阻力，降低水泥浆失水。,油井水泥降失水剂的主要类型,特制的超细研磨材料 如：膨润土、石灰石粉、沥青质、热塑性树脂、胶乳等类的颗粒材料 水溶性高分子及有机材料 1、水溶性改性天然产物 改性纤维素类增稠现象 淀粉类经接枝改性的淀粉可用作油井水泥降失水剂，其水溶性好，降滤失性好，与其它水泥外加剂配伍性好，且具有较好的分散性和流变性。 改性褐煤类是一类煤化程度较小的煤，含较高的内在灰分和不同数量的腐殖酸，通过接枝共聚反应在褐煤大分子链上引进乙烯类侧

45、链的方法可用作油井水泥降失水剂。 单宁类单宁的主要有效成分是具有多元酚基和羧基的有机物质，经接枝化学改性后的单宁还可用作油井水泥降失水剂。,降失水剂主要有两种类型：特制的超细研磨材料和水溶性聚合物。,2、合成具有磺酸盐基团或刚性基团的水溶性聚合物 聚乙烯醇类 AMPS共聚物 丙烯酰胺丙烯酸聚合物体系 聚丙烯酰胺，磺甲基聚丙烯酰胺体系 聚乙烯多胺的共聚物等 合成苯乙烯丁二烯，胶乳丙烯酸或类似胶乳水泥浆体系,油井水泥降失水剂的主要类型,油井水泥分散剂,油井水泥分散剂主要用于改善水泥浆的流动性，降低水泥浆体系的粘度，改善并显著提高水泥浆的流变性能的外加剂。 使用效果：稀释水泥浆，提高顶替效率，降低水

46、马力，使水泥浆易于泵送。,分散剂的主要作用机理是分散剂的吸附分散作用，其微观机制，则因分散剂的分子结构不同而存在一定的差异，其主要的作用机理表现为： 吸附分散和释放游离水机理 分散剂可吸附于水泥颗粒的表面，形成吸附双电层，在电性相斥的作用下，使水泥水化初期形成的絮凝结构分散解体，絮凝体内的游离水释放出来，提高水泥浆的流变性； 润湿作用 分散剂的润湿作用会增加水泥颗粒的水化面积，在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜，阻止了水泥颗粒的直接接触，起到了润滑分散的作用； 微气泡润滑作用 分散剂的掺入将引入一定量的微细气泡，并与水泥质点具有相同符号的电荷，因而气泡与水泥颗粒间也因电性相斥，增加了水泥颗

47、粒间的滑动能力，使水泥颗粒分散。,油井水泥分散剂的作用机理,油井水泥分散剂的主要类型,磺酸盐类 1）密胺磺酸盐类（PMS) 2）聚萘磺酸盐类(PNS) 3）木质素磺酸盐(LS) 4）聚苯乙烯磺酸盐(PS) 醛酮缩聚物(CF40S、SAF、USZ、SXY等） 分子质量相对较低的羟基聚多糖，如水解淀粉等； 低分子化合物，如羟基羧酸等（兼有分散和缓凝的功能）。,油井水泥消泡剂,许多油井水泥外加剂在配制过程中可能引起气泡，水泥浆的过渡起泡可造成严重的后果。能够在泡沫表面扩散形成不稳定膜，从而起到消泡作用的外加剂材料可称作消泡剂。,消泡剂的分子结构通常带有支链并且烃链较短，使消泡剂在气液界面上形成的双吸

48、附层强度差，有利于消泡； 消泡剂亲水基的极性较弱，亲油性较强，对液膜中极性水分子的吸引力较弱，自由水多，膜中液体的粘度低，容易流动，故液膜容易破裂而有利于消泡。 消泡剂分子的活性应较高，加入泡沫体系后可顶替泡沫分子，使泡破裂而有利于消泡。,油井水泥消泡剂的作用机理,通常认为作为消泡剂的材料，在消泡过程中的主要原理为：,油井水泥消泡剂的主要类型,固井中常用的消泡剂有： 高分子醇 硅氧烷 磷酸酯 甘油聚醚等 长链羟基化合物粉状消泡剂 长链有机化合物液体消泡剂,降低水泥浆密度可有效减小静水液柱压力，防止压裂弱胶结地层；低密度水泥浆可以用于低压油气层，以免油气层受到伤害；减少注水泥的次数，提高水泥浆造

49、浆率，并由此获得较好的经济效益。 通常，我们将能降低水泥浆密度的材料，统称为油井水泥减轻剂，在同一水泥浆中，为降低水泥浆的密度，提高低密度水泥浆的综合性能，经常同时使用几种减轻材料。,油井水泥减轻剂,油井水泥减轻剂的分类,根据减轻剂降低水泥浆密度的机理，可以将减轻材料分为三类：,水基减轻剂：指能吸附过量的水且起到充填作用的材料，如膨润土，硅酸钠等水溶增粘剂；这类减轻剂能使水泥浆混配保持均匀，阻止过量游离水的产生； 低密度填充料：指密度低于波特兰水泥密度（3.15g/cm3)的低密度材料，这类减轻剂只要加量足够就可以降低水泥浆密度。 气体减轻材料：指常用空气或氮气来配制的具有超低密度且足够抗压强

50、度的泡沫水泥，常有化学发泡和机械充气两种方法。,膨润土：也叫搬土，密度2.602.70g/cm3,是由主要含粘土微矿晶的蒙脱石（NaAl2(AlSi3O10)组成，是由两层硅氧四面体夹一层铝氧八面体所组成，膨润土低密度水泥浆适宜的密度为1.53 1.58 g/cm3。膨润土掺量为干水泥重量的210。 水玻璃（液体硅酸钠):水玻璃又称泡花碱。由二氧化硅含量很高的石英粉与工业纯碱按一定比例混合，置于 13501400溶炉中熔融后溶解于水而成的一种粘滞性溶液，呈半透明青灰色或微黄色。它由正硅酸钠（2Na2OSiO2)、偏硅酸钠（Na2OSiO2)及一硅酸钠（Na2O2SiO2）胶态与分子状的二氧化硅

51、和水的混合物组成。水玻璃低密度水泥浆的密度可低至1.37g/cm3，推荐掺量为每公斤水泥加0.0564升。,油井水泥减轻剂的主要类型,粉煤灰：粉煤灰又称飞灰，是从以煤为燃料的发电厂锅炉的烟气中收集的灰渣。粉煤灰的比重一般为1.8-2.6，松散容重为600-1000Kg/M3，压实容重为1000-1400Kg/M3 。粉煤灰的颗粒粒径为0.5300um。其化学成分主要以SiO2、AI2O3w为主，并含有少量的Fe2O3、CaO、Na2O、K2O和SO3等。通常粉煤灰的掺量约占干水泥重量的60%-120%，相应的水泥浆密度为1.68-1.55 g/cm3。 国内粉煤灰低密度水泥浆已得到广泛的应用。

52、 气体：主要是N2。机械充气或化学法产生气体。,油井水泥减轻剂的主要类型,在油气井固井中，高孔隙压力、井壁不稳定和塑性流动地层都要借助高静水压力予以控制，为了保持井眼的稳定和安全施工，要求提高水泥浆的密度进行作业。 要提高水泥浆的密度，可以通过降低用水量和添加高比重的材料来实现。通常我们称这种可以加重水泥浆密度的高比重材料为油井水泥浆加重剂。,油井水泥加重剂,合格的加重剂必须满足以下条件： 材料的颗粒粒度分布与水泥相容。粒度太大容易使水泥浆产生离析，粒度太小又容易增加水泥浆的稠度。 用水量要少。用水量过大，会使加重剂加量增大，影响水泥浆的强度发展。 不影响水泥水化进程，与其它添加剂有良好的相容

53、性，同时对外加剂的吸附能力要弱。 最常用的水泥浆加重剂是：钛铁矿石，赤铁矿石，重晶石以及可水混加重材料。,油井水泥加重剂,重晶石：是一种白色粉末材料，比重为：4.33，可将水泥浆密度加重至2.3，但需要加入更多的水来润湿颗粒，所以使用效果受到一定的削弱. 钛铁矿石：是一种黑色颗粒材料，比重：4.45,可将水泥浆密度加重至2.4，对水泥浆的稠化时间和抗压强度影响较小。目前能提供的钛铁矿石的粒度分布较粗，需要调整水泥浆的粘度以防止水泥浆离析。,油井水泥加重剂的主要类型,赤铁矿:是一种红色颗粒材料，粒度分布较细，需水量较低。比重：4.95,可将水泥浆密度加重至2.65，加量大时，常常加入分散剂来调节

54、水泥浆的稠度，是一种较为有效的加重材料。 可水混加重材料：是一种以赤锰矿粉为主要成分棕红色粉末的超细加重材料，比重为：4.84.9，平均颗粒粒度5m,不增加需水量，无沉降稳定问题，有适当减阻效果,可将水泥浆密度加重至2.8，但由于该种材料价格昂贵，通常与其它材料配合适用，目前在国外高压油气井固井中已得到较大量的应用，在我国南海高压气井固井中已有采用，效果良好。,油井水泥加重剂的主要类型,API油井水泥当温度低于110时，具有较低的渗透率，并随温度的升高，抗压强度提高，当温度超过110 ，尤其当温度超过125 时，随温度的升高抗压强度大幅度降低，渗透率大大提高，这种现象称作水泥石强度高温退化。温

55、度越高，水泥石强度退化现象更加严重，致使失去保护井壁，支撑套管和封隔作用，导致油井破坏。 能防止水泥石高温强度退化，稳定水泥石强度，降低水泥石渗透率的外加剂，称为防止水泥石高温强度退化的外加剂。主要用于热力开采稠油和深井注水泥。,防止水泥石高温强度退化的外加剂,防止水泥石高温产生强度退化的外加剂,防止水泥石高温产生强度退化的外加剂为：硅石粉即石英砂。 硅粉作为一种高温稳定剂，在高温、水化过程中，一方面能吸收水泥水化时析出的Ca(OH)2，降低了液相中钙离子的浓度，打破了C2SH和C2SH(A)等高钙硅酸盐的平衡，另一方面，硅粉又与水泥中-C2SH发生反应，生成纤维状的托勃莫莱石和耐高温的硬硅钙

56、石，从而提高了水泥石在高温下的强度和热稳定性，硅粉密度为2.62g/cm3，加量为干灰的3540。 石英砂按使用的用途，可分为小于等于200目的细石英粉和粗石英粉，国内按不同的要求，在高温下已广泛应用硅石粉作为高温抗强度退化剂，国外各大石油公司也有同样的产品。,具有控制水泥浆沉降稳定性，降低游离液含量等作用的外加剂，可称作游离水控制和固体悬浮调节剂。 控制水泥浆的游离液和沉降稳定性的添加剂主要包括：有机聚合物、生物聚合物、硅酸钠以及膨润土，绿坡缕石，硅灰等材料，在诸多产品中，生物聚合物占绝对优势。 国内按水泥浆的设计需要，通常添加以上材料中的一种或两种材料来保证水泥浆的沉降稳定性并控制游离液含

57、量。,游离水控制和固体悬浮调节剂,小 结,小 结,冲洗液和隔离液,冲洗液,必须与泥浆和水泥浆相容 主要对泥浆起稀释和分散作用 易于实现紊流 具有亲油与亲水性 一般不加重,冲洗液,水 表面活性剂 分散剂尽可能保持与水泥浆一致 （缓凝剂，有时需要） （NaCl或KCl，有时需要）,油基泥浆时 与泥浆相同种类的油 表面活性剂 跟随：水基冲洗液,隔离液,必须与泥浆和水泥浆相容 主要对泥浆和水泥浆隔离 应有一定黏度，悬浮固相颗粒 最好能实现紊流 具有亲油与亲水性 一般需加重，密度介于泥浆和水泥浆之间,水 热稀释小的增粘剂 分散剂尽可能保持与水泥浆一致 缓凝剂保持与水泥浆一致或略高 加重剂 （降失水剂，有

58、时需要） 表面活性剂 （NaCl或KCl，有时需要）,隔离液,保持环空150m以上的高度 保持环空510min接触时间,冲洗液和隔离液,水平井用水泥浆体系,按材料特性划分 普通低密度水泥浆体系 高强度低密度水泥浆体系 泡沫水泥浆体系（机械充气、化学发泡） 高密度水泥浆体系 耐高温水泥浆体系 低温促凝水泥浆体系 抗（含）盐水泥浆体系 泥浆转化为水泥浆（MTC）及多功能钻井液（UF） 胶乳水泥浆体系 纤维增韧水泥浆体系 触变性水泥浆体系 膨胀水泥浆体系 耐腐蚀水泥浆体系,按功能和用途划分 填充类低密度水泥浆体系 欠平衡钻井配套低密度固井水泥浆体系 高压油气井固井水泥浆体系 深井固井水泥浆体系 热采井固井水泥浆体系 小井眼井固井水泥浆体系 水平井固井水泥浆体系 调整井防水窜固井水泥浆体系 防气窜固井水泥浆体系 防漏固井水泥浆体系 防腐蚀水泥浆体系 盐膏层固井水泥浆