水泥固井

目录摘要 (2)关键词 (2)第一章固井水泥 (3)第一节各种水泥 (3)第二节水泥浆体系 (5)第二章固井水泥添加剂和外渗料 (9)第三章复杂地层的固井质量 (10)第一节又喷又漏井的特点 (11)第二节又喷又漏井的固井技术 (11)第三节大肚子井眼的固井技术 (13)第四节下套管遇阻卡的预防及固井技术 (14)结论 (17)参考文献 (17)摘要固井就是将水泥浆注入井壁与套管之间的环空中的过程，其目的是为了层间封隔和支撑及保护套管，固井质量的好坏直接关系到油气井的寿命和资源的保护，因此必须充分考虑固井作业的各个环节，如：井眼准备、固井材料、固井工具及附件、固井工艺、固井装备和固井施工等，而固井材料作为层间封隔和保护套管目的的主要载体，一直是固井设计的重中之重的环节，也是固井领域研究的主要方面，它包括：基本水泥、混合水、外掺料和外加剂。

基本水泥是一些可以发生水化反应并能够形成足够力学性能的胶凝材料；外掺料主要是用来提高或降低水泥浆的密度，改善水泥石的高温性能、渗透率、韧性等力学性能等的材料；外加剂则是可以改变水泥浆的凝结时间、流变性能、游离性能和提高水泥浆的防窜性能与保护油气层，并对水泥石的力学性能产生影响等材料。

经过近百年的研究和实践，已形成了一系列的水泥、外加剂和外掺料，并建立了可适用于各类井固井和各种钻井技术以及油田勘探开发需要的水泥浆体系，如：防水窜、防气窜、韧性、胶乳、高密度、泡沫、含盐、普通低密度、抗高温和高强度低密度水泥浆体系，水平井、调整井、地热井、浅气层井和深井固井水泥浆体系，小井眼钻井和欠平衡钻井配套的水泥浆体系，多功能钻井液和泥浆转化为水泥浆技术等。

但随着新的钻井技术的不断出现，天然气、煤层气、地热井等资源的不断的被重视，要求的不断提高、深层的能源和难开采储量的开发，对固井的质量有了更高的要求，本文主要对固井中的问题以及固井用的材料做详细的研究，并提出了一些自己的看法。

关键词：特种水泥，外加剂，固井质量，复杂问题第一章固井水泥虽然波特兰水泥匹配外加剂和外掺料已基本能满足固井的需要，但为了满足一些特殊地质、环境和工程需要，如：严重漏失、窄间隙、超低密度、超高温等，就需开发一些特种水泥。

在美国，基本水泥除了 API油井水泥外，还包括高铝水泥、矿渣、矿渣和水泥混合物、酸溶水泥和合成树脂水泥等特种水泥，而且还市售一些不同细度和不同密度的水泥及混合物，使用起来非常方便。

我国对特种的研究发展相对较缓慢，初期由于借鉴了前苏联的按温度进行区别的水泥标准，形成了45℃水泥、75℃水泥、120℃水泥等系列，使用起来很不方便，同时水泥与外加剂的相容性也较差。

进入80年代末期，随着我国对API油井水泥规范的认识和理解，逐渐借鉴美国材料学会的油井水泥规范（通常称为API规范），从而形成了A、B、C、D、E、F、G、H、J九类油井水泥，但对特种水泥的研究相对较少，和国外的先进水平有一定的差距，本节将重点研讨矿渣水泥、热合水泥、磷酸盐水泥和沸石型无机聚合物水泥等特种水泥在固井领域应用的可能性。

第一节各种水泥1.1矿渣水泥高炉矿渣是利用高炉冶炼生铁时的副产物，是一种代替水泥的廉价水化材料，它是在1400～1500°C下由铁矿石的土质和石灰石助溶剂熔融化合而成，经过水淬处理后成为玻璃体结构的具有潜在活性的胶凝材料。

在激活剂的作用下，它能在常温下与波特兰水泥一样发生水化反应，但形成低钙的水化产物（C-S-H凝胶），由于它密度比水泥轻，和泥浆相容性好，形成的水泥石结构致密，高温下形成稳定的水化产物，盐对它的水化进程影响小，凝结时间短，水泥石不收缩，而且随温度的提高，激活剂掺量将逐渐减少的特点，已经成为MTC技术的主体材料。

目前长庆、吐哈、江苏、大港、胜利、新疆和滇黔桂等油田已将矿渣低密度水泥和普通密度矿渣水泥广泛地应用于长封固段固井、调整井固井及隔离液体系。

但根据矿渣水泥的特点，将会在含盐地层固井、高温环境的深井固井、热采井固井和地热井固井中将有比常规水泥固井更大的优势，但必须进行比较详细的力学性能和长题稳定性方面的研究。

1.2热合水泥水泥是有石灰石和黏土矿物烧结而成，其能发生水化反应的主要矿物是C3S、C2S、C3A、C4AF，而且它们的反应速度和反应历程不是很相同，尤其是水泥中含很多不起反应的杂质和灰质成分，它们对水泥石的抗压强度的贡献较低。

而且水泥在高温下起到关键作用的化学成分是CaO和SiO2，当温度高于110℃时，水泥石会发生强度衰退现象，强度退化问题通常采用的方法是在水泥浆中掺入石英粉或硅粉，将水泥浆中的C/S摩尔比降为0.8~1，随着温度的提高水泥浆中硅粉掺量也要求不断上升，有的甚至可以高达水泥量的60%。

热合水泥是根据α-石英粉与水化的石灰在温度高于95℃既可以发生水化反应的特征派生的高温水泥，由于高温性能比水泥稳定，不含杂质，形成的产物防腐蚀性能好，和水泥一样可以根据需要调节稠化时间，因此在前苏联经常将这种水泥应用于高温井和含CO2和H2S气体井的固井中，因此该特种水泥将在高温深井和地热井固井中具有广阔的应用前景，但必须对其反应的特性加强研究。

1.3磷酸盐水泥磷酸盐胶凝材料是由磷酸或磷酸盐：包括多磷酸、（焦）磷酸，三聚磷酸、四聚磷酸和更高分子的多聚磷酸、偏磷酸及其多聚物作为结合剂，与金属氧化物或拌合BFS或其它耐高温材料，在一定的温度下由于物理化学作用而变成坚硬的固化体，这一材料集合了水泥、陶瓷和耐火材料的主要优点，具有强度高、韧性好、耐火度高、耐热冲击性能好、耐蚀力强、力学性能优良等特点，它在冶金、石化、建材、电力等行业的各类窑炉以及导弹、火箭、航天航空等工业的特殊部位大量应用。

磷酸和磷酸盐无论在碱性、中性和酸性都能胶结硬化，但硬化条件不同，碱性材料胶结硬化很快；中性材料硬化速度适中；而酸性材料只有加热到350℃才硬化。

因此在碱性条件，为了控制凝结时间，还需附加缓凝剂，而在酸性条件则应附加促凝剂。

磷酸盐水泥的硬化机理是复杂的，主要取决氧化物在元素周期表中的位置，当采用碱性氧化物时，低温下主要是胶结剂发生化学反应的过程，对于中性氧化物，则是发生聚合作用、多缩聚作用和化学反应，对于酸性材料则是粘附作用。

提高温度和压力,可提高金属氧化物和磷酸及盐的活性,可以加速其反应。

其反应历程为：公式1 (公式一见附页)1.4 沸石型无机聚合物水泥 20世纪末，法国的J.Davidovits教授在深入研究古代建筑材料的基础上，研制了沸石型无机聚合物材料。

沸石型无机聚合物材料是以粘土、工业废渣或矿渣为原料，经过适当的工艺处理，通过化学反应而得到的具有与陶瓷性能相似的一种新材料。

沸石型无机聚合物的化学名称叫聚硅铝氧化物（polysialate），其分子式为Mn[-（SiO2）z-AlO2]n?wH2O，M是钾、钠或钙阳离子，n是缩聚度，z 为1、2、3或更大的数，可到32，w可到7。

沸石型无机聚合物具有有机高聚物的链结构，但其基本结构为无机的硅—氧四面体与铝氧四面体的三维结构。

表1和2表明沸石型无机聚合物材料具有体积稳定、抗裂、强度高、韧性好、较强的耐腐蚀性和耐久性、耐高温和隔热效果好等优点，预计沸石型无机聚合物材料可在需要耐腐蚀和韧性要求的固井领域有应用前景。

第二节水泥浆体系2.1防气、水窜水泥浆体系体窜流是我国各油田固井过程中普遍遇到的问题，它包括气体窜流和水窜流。

根据失重理论、界面胶结理论、微裂缝-微裂隙理论等概念，国内相继开发了G60不渗透水泥、KQ防气窜水泥、微粒硅水泥以及泡沫水泥等防气窜水泥浆体系，解决了许多油田中温井的气窜问题，在很大范围其得到了推广应用。

虽然这些基本思路与国外公司是相同的，但与国外相比我们在防气窜材料上还比较单一，他们对粘土、碳黑、橡胶粉等材料都有深入的研究，认为他们是一些较好的防气窜材料，而我国很少见使用和研究；国外公司将泡沫水泥（尤其是机械充气水泥）作为主要防气窜水泥浆体系之一，但我们只在长庆油田的部分天然气井中使用，而且机械充气水泥虽然曾研究过，但没有得到推广应用，化学发泡的泡沫水泥也缺乏与之配套的高温降失水剂和缓凝剂；对于低温防窜水泥浆体系和高温高压防窜体系，我国的研究还相对落后，尤其在同时存在高温、高密度或低密度以及含盐等情况时可供选择的水泥浆体系就更为贫乏，难以满足国内新开发的气田和国际业务的需要。

因此必须开展高温条件下的降失水剂、防气窜剂、膨胀剂、缓凝剂和配套的防气窜措施的研究。

随着我国许多油田都进入了开发的中后期，调整井和加密调整井的固井问题越来越突出，由于长期的注水驱油，地层连通性越来越好，地层压力变化很大，增加了固井难度，固井过程中水窜和油气开采中的出水一直是十分关心的问题。

在调整井固井水泥浆方面，我国的东部油田积累了不少成功经验，有大庆和吉林油田使用的锁水、早强水泥浆体系，河南使用的低失水、短过渡、微膨胀、高早强的J-2B、W99等防窜水泥浆，长庆油田使用的CA-2锁水早强水泥浆体系和滇黔桂、新疆、大港油田使用的MTC 技术，主要都是利用水泥浆体系短的过渡时间来解决水窜问题。

因为流体窜流是固井领域中一个长期的科研课题，只有对其成因分析透彻了，才能采取对症下药的解决措施，因此必须开展水泥浆流体窜流的测试模拟技术，摸清各种地质条件和井下压力、温度环境下水泥浆的最有效的防窜性能，开发相对应的行之有效的水泥浆体系。

2.2 低密度高强度水泥浆体系平衡钻井适合于低压低渗、低压高渗和水敏性等地层的勘探开发，而我国不少油田属低压、易漏、低渗的油田，估计储量达60亿吨，至少占常规储量的三分之一至二分之一。

用欠平衡钻井技术打开油层，并用系列化的低压完井技术和增产技术，可以保护储层，提高勘探成功率和油井产量。

因此欠平衡钻井将成为继水平井后钻井技术的另一大发展方向，目前大港、四川、长庆、大庆、克拉玛依、胜利、辽河、塔里木等油田成功完成了数百口的欠平衡钻井作业，预计今后几年将有每年百余口的欠平衡钻井作业，但目前大都采用筛管完井的方法，主要是为了避免水泥浆的对油气层造成伤害，而水泥浆完井具有筛管完井不可替代的优势，因此必须研究一套适合于欠平衡钻井的水泥浆体系，设计欠平衡钻井配套的水泥浆时应考虑：1）尽可能低的水泥浆密度，降低固井压差以减少油气层的损害；2）尽可能高的水泥石强度，满足分层开采，射孔、压裂等措施的要求。

3）由于固井中压差小，储层难以压稳，尽可能提高水泥浆的防窜能力；4）低的失水，防止滤液渗入地层，损害储层；5）良好的流变性，减少摩阻，防止压力激动，压漏地层；6）一定的防漏功能，遇裂缝性储层能及时堵漏，防止水泥浆漏入储层。

根据紧密堆积理论工程院已开发了高强度低密度水泥浆技术，当水泥浆密度为1.2g/cm3时，其24小时的抗压强度可以达到14MP a以上，基本可以和纯水泥想媲美，而且具有较好的堵漏和防窜性能，水泥浆失水可以控制在50ml以下，已在大港、长庆和伊朗的欠平衡钻井中得到应用，并取得了好的效果。