油田应用化学第四章 水泥浆化学

油田应用化学
第四章 水泥浆化学
本章主要内容
固井概述 水泥浆功能与组成 油井水泥外加剂 几种特殊水泥体系
固井概述 1、固井概念
向井内下入套管， 向井内下入套管 ， 并向井 眼和套管之间的环形空间注入 水泥的施工作业称之为固井 固井。 水泥的施工作业称之为固井。 工艺过程： 工艺过程： 下套管 注水泥 候凝 检测评价
一、油井水泥
（1） 湿法： ） 湿法： 用于湿法生产中的水泥窑称湿法窑， 用于湿法生产中的水泥窑称湿法窑，湿法生产是将生料制成含 水为32%~40%的料浆。由于制备成具有流动性的泥浆，所以各原 水为 的料浆。由于制备成具有流动性的泥浆， 的料浆 料之间混合好，生料成分均匀，使烧成的熟料质量高， 料之间混合好，生料成分均匀，使烧成的熟料质量高，这是湿法生 产的主要优点。 产的主要优点。 优点 缺点：能量消耗大 缺点： （2） 干法： ） 干法： 干法回转窑与湿法回转窑相比优缺点正好相反。 干法回转窑与湿法回转窑相比优缺点正好相反。干法将生料制 成生料干粉，水分一般小于1%，因此它比湿法减少了蒸发水分所 成生料干粉，水分一般小于 ， 需的热量。 需的热量。 缺点：干法生产将生料制成干粉，其流动性比泥浆差。 缺点：干法生产将生料制成干粉，其流动性比泥浆差。原料混合不 成分不均匀。 好，成分不均匀。
其中1300-1450℃阶段，由C3A,C4AF熔融后产生的液相 ℃阶段， 其中 熔融后产生的液相 和部分C 溶解 溶解， 吸收CaO形成 3S必须有充 形成C 必须有充 把CaO和部分 2S溶解，C2S吸收 和部分 吸收 形成 分的时间，以保证 的生成， 分的时间，以保证C3S的生成，否则，过多的游离 的生成 否则，过多的游离CaO的 的 存在，将影响水泥的安定性。 存在，将影响水泥的安定性。
固井概述
（2）注水泥 下套管后，把水泥浆泵入套管内， 下套管后，把水泥浆泵入套管内，再用钻井液把水泥浆 注水泥。 顶替到管外环形空间设计位置的作业称之为注水泥 顶替到管外环形空间设计位置的作业称之为注水泥。 水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。 水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。下胶 塞的作用是与隔离液一道，将水泥浆与钻井液隔离开，防 塞的作用是与隔离液一道，将水泥浆与钻井液隔离开， 止钻井液接触水泥浆后影响水泥浆的性能。下胶塞为中空， 止钻井液接触水泥浆后影响水泥浆的性能。下胶塞为中空， 顶部有一层橡胶膜， 顶部有一层橡胶膜，该膜在压力作用下可压破 。 碰压：上胶塞为实心， 碰压：上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥 当其坐落在已坐于浮箍上的下胶塞上之后， 浆；当其坐落在已坐于浮箍上的下胶塞上之后，地面压力 将很快上升一定值（称为碰压） 将很快上升一定值（称为碰压），该信号说明水泥浆已顶 替到位，施工结束。 替到位，施工结束。
概述
（ a）
（b ）
（ c）
（d ）
（e ）
图 注水泥工艺流程示意图 （a）循环钻井液 （b）注隔离液和水泥浆 （c）替浆 （d）替浆 （e）碰压 1——压力表 2——上胶塞 3——下胶塞 4——钻井液 5——浮箍 6——引鞋 压力表 上胶塞 下胶塞 钻井液 浮箍 引鞋 7——水泥浆 8——隔离液 9——钻井液 水泥浆 隔离液 钻井液
固井概述
2、固井的步骤 （1）下套管
表层套管： 表层套管：封隔地表浅水层及浅部疏 松和复杂地层；安装井口、 松和复杂地层；安装井口、悬挂和支 撑后续各层套管。 撑后续各层套管。 生产套管（油层套管）：用以保护生 生产套管（油层套管）：用以保护生 ）： 产层，提供油气生产通道。 产层，提供油气生产通道。 中间套管（技术套管） 中间套管（技术套管）：用来封隔不 同地层压力层系或易漏、易塌、 同地层压力层系或易漏、易塌、易卡 等井下复杂地层。 等井下复杂地层。
完井方法(Completion)
oil
zone
1、射孔完井 、
2、裸眼完井 、
裸眼砾石充填完井
套管砾石充填完井
割缝衬管完井(slotted Liner) 割缝衬管完井
油田应用化学—第四章
第一节 水泥浆功能与组成
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第一节 水泥浆功能与组成
油井水泥： 波特兰”水泥。 油井水泥：“波特兰”水泥。 1903年第一次在油井中使用水泥，以封堵水层。 1903年第一次在油井中使用水泥，以封堵水层。 1910年第一次用水泥封堵井眼与套管的环形空间。 1910年第一次用水泥封堵井眼与套管的环形空间。 20世纪30年代末才开始使用水泥外加剂 20世纪30年代末才开始使用水泥外加剂 世纪30年主要作用：隔绝流体在层间流动，支撑套管， 止管壁腐蚀，封隔漏失层或低压层等。 止管壁腐蚀，封隔漏失层或低压层等。 注水泥过程：配制水泥浆， 注水泥过程：配制水泥浆，把它沿套管向下泵送并上返 至套管外环型空间，在环型空间凝结（24-72h）过程。 至套管外环型空间，在环型空间凝结（24-72h）过程。 凝结的水泥应具有较低的渗透率和一定的抗压强度， 凝结的水泥应具有较低的渗透率和一定的抗压强度， 测井合格后，完井射孔或继续钻进。 测井合格后，完井射孔或继续钻进。
固井概述
（3）候凝 注入井内的水泥浆要凝固并达到一定强度后才能进 行后续的钻井施工或是其它施工，因此， 行后续的钻井施工或是其它施工， 因此， 注水泥施 工结束后，要等待水泥浆在井内凝固， 工结束后， 要等待水泥浆在井内凝固， 该过程称为 候凝； 候凝； 候凝时间通常为24小时或48小时 也有72 72小时或几 候凝时间通常为24小时或48小时 ， 也有72 小时或几 24小时或48小时， 小时的， 小时的 ，候凝时间的长短视水泥浆凝固及强度增长 的快慢而定。。 的快慢而定。。 （4）候凝期满后，测井进行固井质量检测和评价 候凝期满后，
固井概述 6、固井的关键技术
下套管工艺 水泥浆的配方设计 注水泥工艺（浆柱结构、注水泥排量、 注水泥工艺（浆柱结构、注水泥排量、注水泥过程中 的压力控制） 的压力控制） 固井质量检测 质量检测合格，下一步工艺是 质量检测合格，下一步工艺是——？ ？
完井 完井(Well Completion)，油气井的完成方式， 完井(Well Completion)，油气井的完成方式， 即根据油气层的地质特性和开发开采的技术要 在井底建立油气层与油气井井筒之间的合 求 ， 在井底建立 油气层与油气井井筒之间的合 理连通渠道或连通方式 或连通方式。 理连通渠道或连通方式。 完井工作一般是指从钻开油气层开始， 包括 钻 完井工作一般是指从钻开油气层开始 ， 包括钻 开油气层、 下油层套管、 射孔、 开油气层 、 下油层套管 、 射孔 、 下油管和井下 装置，到完井井口、替喷投产或进行测试。 装置，到完井井口、替喷投产或进行测试。
一、油井水泥
2.水泥熟料矿物的组成 2.水泥熟料矿物的组成 （1）硅酸三钙(C3S) 硅酸三钙(C 水泥中含量最多。一般油井水泥中含量为40-65%。 水泥中含量最多。一般油井水泥中含量为40-65%。是 40 水泥产生强度的主要化合物。水泥的早期强度也是由C 早期强度也是由 水泥产生强度的主要化合物。水泥的早期强度也是由C3S 产生的。如需要高早期强度的水泥，则C3S的含量可相应 产生的。如需要高早期强度的水泥， 增高。 增高。 （2）硅酸二钙(C2S) 硅酸二钙(C 硅酸二钙在油井水泥组成中约占20-30%，是一种缓慢 硅酸二钙在油井水泥组成中约占20-30%，是一种缓慢 20 水化矿物，它能逐渐地长时间地增长水泥强度， 水化矿物，它能逐渐地长时间地增长水泥强度，对水泥 后期强度影响较大。 影响较大 石后期强度影响较大。
一、油井水泥
1. 水泥的生产和化学组成 油井水泥（波特兰水泥） 油井水泥（波特兰水泥）是研磨得很细的含钙的无机 化合物的混合物，在水中能水化和硬化， 化合物的混合物，在水中能水化和硬化，是目前最常用 的水硬性胶凝材料。 的水硬性胶凝材料。 波特兰水泥的原材料：石灰石和粘土或页岩类 波特兰水泥的原材料： 原材料 波特兰水泥的生产流程： 波特兰水泥的生产流程： 生产流程 原料混配、粉碎、煅烧、冷却、熟料研磨等单元。 原料混配、粉碎、煅烧、冷却、熟料研磨等单元。 生产工艺： 波特兰水泥的生产工艺 波特兰水泥的生产工艺：根据原料的混配和粉碎不同 可分为：干法和 可分为：干法和湿法
固井概述 3、固井目的
封隔易塌、易漏等复杂地层， 封隔易塌、易漏等复杂地层，保证钻井顺利进行 封隔油气水层，建立油气流出通道， 封隔油气水层 ， 建立油气流出通道 ， 防止产层间互 窜 进行增产措施 安装井口
固井概述 4、对固井质量的要求
套管有足够的强度
能承受井下各种外力作用，抗腐蚀、 能承受井下各种外力作用，抗腐蚀、 不断、不裂、不变形。 不断、不裂、不变形。
（3）铝酸三钙(C3A) 铝酸三钙 促使水泥快速水化的矿物成分，水化热大，对水泥的初 促使水泥快速水化的矿物成分，水化热大，对水泥的初 快速水化的矿物成分 凝时间和稠化时间有较大的影响 有较大的影响。 硫酸盐类的侵蚀敏感 的侵蚀敏感， 凝时间和稠化时间有较大的影响。对硫酸盐类的侵蚀敏感， 因此，高抗硫盐类油井水泥所含 应降低至3%或更低。 油井水泥所含C 3%或更低 因此，高抗硫盐类油井水泥所含C3A应降低至3%或更低。 （4）铁铝酸四钙(C4AF) 铁铝酸四钙 水化热较低的成分，它使水泥呈深灰色。 水化热较低的成分，它使水泥呈深灰色。在水泥中含有 的成分 深灰色 过量的氧化铁(Fe 会增加C AF含量并降低 的含量。 含量并降低C 过量的氧化铁(Fe2O3)会增加C4AF含量并降低C3A的含量。 AF含量太大会导致水泥石强度下降 含量太大会导致水泥石强度下降。 C4AF含量太大会导致水泥石强度下降。 水泥强度、 上述四种水泥熟料矿物以及石膏是决定水泥强度 上述四种水泥熟料矿物以及石膏是决定水泥强度、凝结 时间等性质的主要因素 等性质的主要因素。 时间等性质的主要因素。根据它们之间的不同配比以及适 当的工艺技术，就可以得到不同性质和标号的油井水泥。 不同性质和标号的油井水泥 当的工艺技术，就可以得到不同性质和标号的油井水泥。