油气井注水泥基础知识
固井基本知识
固井基本知识一、固井工程的重要性油气井注水泥技术是一门多学科组成的应用科学。
包括地质学，石油工程（钻井、测井、测试、采油、油井增产等工程），机械，化学，力学（流体力学）和电子等学科。
涉及的基础科学知识和工程技术面广，这就要求我们在工作实践中要勤于学习，刻苦钻研，不断学习，不断提高。
固井是钻井工程中一道重要的工序，也是最后一道工序。
固井工程专业化程度高，对油气井建成起关键性作用。
往往因固井质量问题使油气井不能正常生产甚至报废。
固井质量对延长油气井寿命和发挥油气井产能具有重要作用。
固井质量关系到油气田有效勘探和开发。
固井是一种系统工程。
固井工程应从设计、准备、施工和检验等环节严格把关，采用适应地质和油气藏等特点及钻井工艺先进、适用的固井技术，实现安全、优质、经济、可靠的目的。
二、油气井注水泥的历史1、美国石油工业传统上是以1859年锥克（Drake）井的钻进为起点。
2、直到1903年才在加利福尼亚劳木波斯油田使用水泥封堵油层上部的水层。
据说法兰克和联合石油公司把50袋纯硅酸盐水泥混合好后，用捞沙筒送到井下预定位置，后凝28天以后把井内水泥钻掉，再钻穿油层后完井，而水层已被有效封固。
于是该方法成为可行，不久后便在加利福尼亚州有同样为题的油田中传插使用起来。
3、早期的捞沙筒法及油管法在1910年被A.A贝金斯（A.A Perkins)在加州油田提出的双塞法水泥法所代替。
近代注水泥技术也就由此产生。
由于贝金斯公司的服务范围仅限于加州以内，所以其他地区的注水泥方法也以不同的方式出现。
俄克拉何马州1920年哈里伯顿在海威特油田提出了一种新的注水泥方法。
而把套管下在油气层顶部，进行注水泥作业，待水泥凝固后，再钻井下部的油气层完井。
并且开始使用了原始的混浆方法和注水泥设备。
在常规套管固井中双塞注水泥方式目前仍在使用，不同的是经过不断改进和完善而已（木塞、胶塞、压胶塞液等）。
三注水泥分类常规套管注水泥、尾管注水泥、分级注水泥水井地热井处理井大口径井眼一次注水泥（即常规注水泥）永冻层注水泥特种条件下注水泥海上结构注水泥热采井注水泥内管法注水泥水平井注水泥空气钻钻井注水泥通过可溶性地层注水泥挤水泥二次注水泥打水泥塞重新注水泥尾管注水泥：套管串低于井口的注水泥作业。
第6讲 注水泥技术(二)
一级胶塞 过分级箍 时，投二 级打开塞， 并注二级 隔离液体
一级碰压， 同时打开 分级箍
压二级关 闭塞，顶 替钻井液
关闭分级 箍，完成 注水泥
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2、分级注水泥
分级注水泥作业注意事项：
1、一般情况下尽可能使用正规非连续分级注水泥方法。 2、关闭塞关闭压力：二级碰压后，关闭分级箍压力=关
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1、定向井、水平井固井技术
（1）固井工艺难点
弯曲井段，曲率大，套管不易下入。 斜井段套管与井壁发生长段面积的多处接触；井斜越大，摩阻力越大。 当超过70°时，管柱重量的90%作用于井眼下侧，若方位变化大，情 况更为严重。环空的严重偏心度使窄边钻井液不能有效清除。 易形成集中的水带，尤其是水平井，游离水易集中与井眼上方，使油 气窜通。 普通API螺纹受弯曲应力后，容易发生螺纹密封能力下降。
结部分所占套管周长的百分数之间存在线性关系，即与套管胶结的水泥越多，所接收 的声幅越小，而当管外全为钻井液时，所接收的声幅最大。
由测量线路把所接收的声幅大小转变成与之成比例的电压大小，加以记录。沿井
深由下而上进行测试，就可得到一条沿井深反映水泥与套管胶结情况的声幅测井曲线。 应用声幅测井曲线检测水泥环质量是通过相对幅度进行的（以环空内全为钻井液的自 由套管段的声幅值为基准）。 相对幅度＝目的段声幅曲线幅度／自由套管段声幅曲线幅度×100% 。
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1、注水泥的质量要求
2）水泥环质量鉴定
目前我国水泥环质量鉴定一般以声幅测井（CBL，水泥胶结测井）为准。 声幅相对值在15%（油田现场有的也采用10%）以内为优，
30%为合格；
第三章油井水泥
第三章 油井水泥及其外加剂 C2S 结构特点 β-C2S是过冷形成的常温下存在的介稳定结构，具有热力学不稳定性。
在β-C2S结构中，钙离子的配位数一半是6， 一半是8，每个氧和钙的距离不等，
因而也是不稳定的，具有较高的活性。 MgO、SrO或BaO形成的硅酸盐如Mg2SiO4与β-C2S形成置换型固溶体，而稳定剂 P2O5、B2O3等形成[BO4]5-、[PO4]3-置换[SiO4]4+生成固溶体引起电价不平衡，提 高了β-C2S的反应活性。 在β-C2S结构中不具有C3S结构中具有的大空穴，因此，它的水化速度较慢。
固井，将它封隔起来，使它不影响后面的钻井；当钻遇其他复杂层（如易
坍塌地层）时，也可在钻完该层后用下套管固井的方法解决。
保护地下水源 2、固井作业的主要环节 固井：由套管向井壁与套管 的环形空间注入水泥浆并让 它上返至一定高度，水泥浆 随后变成水泥石将井壁和套 管固结起来的过程。 下套管 注水泥
第三章 油井水泥及其外加剂
1）硅酸三钙 (C3S)
第三章 油井水泥及其外加剂
C3S相对密度为3.25，稳定温度为1250～2150℃，在高于2150℃ 物理性质 时分解为CaO和液相，在低于1250℃时分解为C3S和 CaO，在低温 下其分解很弱。C3S是水泥产生强度的主要化合物。
含量
硅酸三钙是水泥中含量最多的矿物成分。一般油井水泥中含量为 40%～65%。
2CaO + Fe2O3
1000℃
3（CaO Al2O3） + 2CaO
5CaO Al2O3 + 3(2CaO Fe2O3) + CaO 5CaO 3Al2O3 + 4CaO 2CaO + SiO2
第三章 油井水泥及其外加剂
注水泥技术
使用温度 抗硫酸盐 范围，℃ 普 通 中 高 ●
0 ~ 1830
≤76.7
● 基本水泥加缓凝剂，高温高压用 ● ● ●
3050 ~ 4880 110 ~ 160 0 ~ 2440 3660 ~ 4880 0 ~ 93 49 ~160
国产以温度系列为标准的油井水泥
二、水泥浆性能与固井工程的关系
1、水泥浆性能
①采用套管扶正器，改善套管居中条件；
②注水泥过程中活动套管； ③调节注水泥速度，使水泥浆在环空呈紊流状态；
④调整水泥浆性能。加大钻井液与水泥浆的密度差；
降低钻井液粘度和切力。
小于 30 BC。
好的稠化情况是在现场总的施工时间内，水泥浆的稠度在 50 BC以内。
二、水泥浆性能与固井工程的关系
1、水泥浆性能
③水泥浆的失水 一般用30分钟的失水量表示。
④水泥浆的凝结时间
从液态转变为固态的时间。 对于封固表层及技术套管，希望水泥能有早期较高的强度。
二、水泥浆性能与固井工程的关系
五、提高注水泥质量的措施
2、影响注水泥质量的因素
（2）水泥浆凝结过程中油气水上窜 防止油气水上窜
①采用多级注水泥或两种凝速（上慢下快）的水泥；
②注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空加回压；
③使用膨胀性水泥，防止水泥收缩； ④使用刮泥器，清除井壁泥饼。
五、提高注水泥质量的措施
3、提高顶替效率的措施
一、油井水泥
1、油井水泥的主要成分 （3）铝酸三钙3CaO· 2O3（简称C3A） Al 促进水泥快速水化；
其含量是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素；
（4）铁铝酸四钙4CaO2· 2O3· 2O3（简称C4AF）， Al Fe 对强度影响较小，水化速度仅次于C3A， 除了以上四种主要成份之外，还有石膏、碱金属的氧化物等。
油井水泥综合知识
油井水泥组成、级别和类型水泥是水硬性胶结材料，分为普通水泥和油井水泥。
普通水泥也称建筑水泥，列入ASTM标准，而油井水泥列入API标准。
油井水泥与普通水泥的根本区别在于:油井水泥具有严格的化学成分和矿物组成，而且在生产时除允许加入3%?-6%的二水石膏以外不得加其它材料。
本节主要介绍油井水泥的化学组成、级别和类型以及生产和应用中的一些基本知识。
一、化学组成水泥的质量主要取决于化学成分，而先进的分析方法已为获得水泥的化学成分铺平了道路。
表1.2.1列出G级HSR水泥的主要化学成分。
由表中数据可以看出，波特兰水泥包括4种主要成分:?铝酸三钙C3A(3CaO·A12O3)；铁铝酸四钙C4AF(4CaO·A12O3·Fe2O3)；硅酸三钙C3S（3CaO·SiO2)；硅酸二钙C2S(2CaO·SiO2)。
通过各相显微镜检查，熟料颗粒含有4种矿物成分(熟料占水泥总量的95%): 表1.2.1?API?G级水泥化学分析二氧化硅SiO2 22.70%三氧化二铝A12O3 3.39%三氧化二铁Fe2O3 4.81%氧化钙CaO 65.60%氧化镁MgO 0.90%氧化钾K2O 0.37%三氧化硫SO3 1.21%氧化钛0.19%氧化锰MnO2 0.09%氧化钠NaO 0.13%氧化铬GeO 0.01%五氧化二磷P2O5 0.11%烧失量LO1 0.49%（4）C3A(3CaO·A12O3)：针状铝酸盐，也属于孔隙结构。
?两种硅酸盐占水泥总量的75%，?C4AF+C3A的总量占水泥矿物的25%。
二、油井水泥级别、分类及应用2.1油井水泥级别、分类由于注水泥作业的井下条件与建筑工程的地面环境完全不同，所以，我国标准或API规范都根据化学成分和矿物组成规定了专门的分级和分类，以适应不同的井深和井下条件。
目前，API规范和我国标准把油井水泥分为A-H八个级别，何种水泥都适用于不同的井深、温度和压力。
油气井注水泥基础知识共62页
பைடு நூலகம் 46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
油气井注水泥基础知识
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
修井作业中使用油井水泥的施工工艺及要求
修井作业中使用油井水泥的施工工艺及要求油井水泥在修井作业中扮演着关键的角色，它用于固井作业，稳定井壁、隔离地层和提供支撑。
本文将介绍使用油井水泥的施工工艺及要求。
一、施工工艺1.井底准备：在进行水泥固井之前，需要对井底进行准备。
首先需要检查油井井筒的情况，包括井深、孔眼尺寸、井眼尺寸等。
根据井筒的情况，选择合适的水泥配比和施工工艺。
2.水泥配比：根据油井的特殊情况，包括孔眼尺寸、井眼尺寸、地层特性等，确定合适的水泥配比。
水泥配比主要包括水泥种类、掺合料、水胶比等。
3.水泥浆搅拌：将水泥和掺合料按照一定比例添加到搅拌设备中，在搅拌过程中加入适量的减水剂和增稠剂，调整水泥浆的流动性和稠度。
搅拌时间根据水泥类型和施工要求确定。
4.水泥浆注入：将搅拌好的水泥浆通过泵送系统注入到井筒中。
注入过程中需要控制注入速度和压力，确保水泥浆能够充分填充孔眼和井眼，并与井壁紧密接触。
5.固井养护：固井完成后，需要进行养护以确保水泥的强度和质量。
养护时间根据水泥类型和井深确定，通常需要2-3天。
6.固井质量检查：固井养护完成后，进行固井质量检查。
主要检查水泥固井的质量和强度，包括固井质量检查、质量评估等。
二、施工要求1.水泥质量要求：选择符合国家标准和油井工程要求的水泥种类。
水泥应具有一定的早强性能，能够在较短时间内达到规定的强度，并能够适应井底温度和地层特性。
2.掺合料要求：掺合料应符合国家标准和油井工程要求，能够提高水泥浆的流动性和稠度，改善固井效果。
3.水胶比要求：水胶比是指水泥浆中水的重量与胶体的质量之比，是影响水泥浆流动性和稠度的重要参数。
水胶比应根据施工要求确定，通常在0.4-0.6之间。
4.注入速度和压力要求：注入速度和压力应根据井筒的情况和固井要求确定。
注入速度过快会导致水泥浆泌水，注入速度过慢会导致水泥固化不完全，影响固井质量。
5.养护要求：固井完成后，需要进行养护以确保水泥的强度和质量。
养护时间通常是2-3天，养护期间应保持环境温度稳定，避免外部力量对固井体的破坏。
油气井注水泥理论与应用
第一章总论影响注水泥顶替效率的主要影响因素：套管居中、紊流顶替、合理的隔离液与冲洗液的性能及用量、紊流接触时间、活动套管、水泥浆与钻井液流变性能的合理匹配、增加水泥浆与钻井液的密度差、降低钻井液的触变性及滤失性能等。
通常下需要控制紊流触变时间不小于8-10min。
油、气、水窜的主要因素：水泥浆凝结过程中浆柱压力的降低；水泥浆失重：由于水泥浆胶凝、体积收缩及桥堵引起。
钻井液和水泥浆流变模型：更符合带静切力的三参数幂律模型，包括赫谢尔—巴尔克莱（H-B）流变模型和罗伯逊-斯蒂夫（R-S）流变模型。
水泥浆滤失性：水泥浆的失水量比钻井液的滤失量大数十倍，一般可达到500-2000ml/30min(7MPa)，但对于储层油层和气层固井时水泥浆失水量分别控制在200ml/300min(7MPa)和50-100ml/300min(7MPa)。
通常下水泥浆滤液污染深度一般不超过5cm，渗透率下降率在10%左右。
微硅的化学组成为: SiO2 92.46%; Al2O30.29%; Fe2O3 0.88%; CaO 1.78%; MgO 0.3%; P2O5 1.77%。
第二章油井水泥硅酸盐水泥（波兰特水泥）主要成分：氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO2）、三氧化铝（Al2O3）和三氧化二铁（Fe2O3）水灰比对水化速度影响：通常下水灰比均限制在0.4-0.7范围，在允许的条件下尽可能降低水灰比。
常用的G级水泥试验时的水灰比为0.44.在高于350℃的热采井、地热井中，采用加硅粉的技术已不适用，而需应用高铝水泥代替。
水化反应的主要阶段为：调凝期、凝固期、硬化期。
矿渣G级水泥混合物（硅酸盐水泥和高炉矿渣混合物）第三章油井水泥浆与水泥石性能密度：水泥浆密度须满足注水泥全过程浆柱压力与地层压力的平衡关系，即水泥浆柱所产生的静液柱压力和流动阻力须大于或等于地层流体压力，同时小于地层破裂压力或漏失压力。
在设计水泥浆密度时，要求水泥浆密度略大于钻井液密度。
第5讲 注水泥技术(一)
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1.3、水泥的水化反应
（2）三类水化反应：
① C3A的水化反应
3CaOAl2O3 + 6H2O → 3CaOAl2O36H2O ② C3S、C2S及C4AF的水化反应 2(3CaOSiO2) + 6H2O → 3CaO2SiO23H2O + 3Ca(OH)2 2(2CaOSiO2) + 4H2O → 3CaO2SiO23H2O + Ca(OH)2 4CaOAl2O3Fe2O3 + 2Ca(OH)2 + 10H2O →
22水泥浆在凝结过程中的失重与油气水窜问题长江大学石油工程学院油气井工程系4防止环空油气水窜的措施控制水泥浆的失水22水泥浆在凝结过程中的失重与油气水窜问题长江大学石油工程学院油气井工程系1油井水泥11注水泥技术的内容和要求12api油井水泥分级方法13水泥的水化反应14油井水泥的物理性能15油井水泥外加剂2注水泥技术21提高注水泥顶替效率的措施22水泥浆在凝结过程中的失重与油气水窜问题长江大学石油工程学院油气井工程系
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1.4、油井水泥的物理性能
（1）
作
水泥浆密度
用：
满足平衡压力要求 保证获得最好的水泥浆性能
基本要求：注水泥期间既不井漏又不井喷
测 量：用泥浆密度计（国外还有加压密度计）
影响因素：水灰比；外掺料（指密度调节剂）用量
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1.4、油井水泥的物理性能
油井水泥
吐哈油田井下技术作业公司
第三节 油井水泥化学指标和物理性能
60℃抗压强度减小幅度比38℃大，即实验温度越高，抗压 强度对水灰比的变化越敏感;随着水灰比的增加，游离液 含量增加。 （6）化学成分影响：
1、 铝酸三钙
C3A的水化速度快，早期水化热高，凝
结速度快，如不加石膏等缓凝剂，C3A可在数秒内凝结，导
第三节 油井水泥化学指标和物理性能
一、化学分析
标准中的化学要求是随水泥的级别和类型而不同的。对
于化学成分的要求在前面的API化学要求中已经提过，如果想
了解可以看看 API化学要求表及我国的化学要求表。
二、物理性能
2.1对于水泥物理性能的介绍先从以下几个概念介绍起。
吐哈油田井下技术作业公司
第三节 油井水泥化学指标和物理性能
吐哈油田井下技术作业公司
第三节 油井水泥化学指标和物理性能
成本也较高。水泥的细度是影响水泥水化性能的一项重要 指标。一般认为水泥颗粒粒径大于40 µm时水泥几乎不水化 或水化速度很慢，直接影响水泥的结石强度。另一方面水
泥细度与可注入加固裂缝的尺寸成正比例，水泥越细，可
注入裂缝的尺寸愈小，扩散半径愈大，注浆效果愈好。表
一、化学组成 水泥的质量主要取决于化学成分，以G级水泥为例，表 1.2.1列出G级HSR水泥的主要化学成分。由表中数据可以看 出，油井水泥包括4种主要成分: 铝酸三钙C3A(3CaO· A12O3)； 铁铝酸四钙C4AF(4CaO· A12O3· Fe2O3)；
硅硅酸三钙（3CaO· SiO2)；
硅酸二钙C2S(2CaO· SiO2)。
1.2.4中。
吐哈油田井下技术作业公司
第二节 油井水泥组成、级别和类型
表1.2.4 油井水泥水灰比、水泥浆密度和产浆率
油井水泥及水化原理
21
油
井
水
泥
2、油井水泥的生产、组成及性质
3）、性质—水泥熟料矿物的结构特征
（1）C4AF： 该矿也称C矿，由四面体[FeO4]5-和八面体[AlO6]9-相 互交叉组成。它是在高温时形成的一种固溶体，在铝原 子取代铁原子时引起晶格稳定性的降低，从而使其活性 较高，但又不及C3A。
22
油
井
水
泥
2、油井水泥的生产、组成及性质
油
井
水
泥
2、油井水泥的生产、组成及性质
3）、性质—水泥熟料矿物的结构特征
（1）C3S： a、C3S在常温下存在的介稳的高温型矿物。从热力学 观点看，它具有较高的内能使其化学活性大，有较高的 反应能力； b、由于Mg2+、Al3+进入C3S结构中形成固溶体，虽然 没有破坏晶体结构，但外来组分占锯了晶格结点的部分 位置，破坏了质点排列的有序性，引起周期势场的畸变。 造成结构不完整。
水泥水化反应及其作用机理
1、水泥熟料矿物的水化作用
2)、铝酸钙矿物的水化作用
由于铝酸钙矿物中空穴的存在，该类矿物具有较高的水化速度， 且对水泥的初凝时间有较大的影响。 C4AH19 ⑴：C3A 高碱性环境的主要 C3A + H2O 常温 C4AH13 C2AH8 C3AH6
注灰基础知识
第一节概述新钻油水井固井，老区油水井由于生产层位调整，大修井下衬、尾管后均需注水泥。
注水泥工艺技术应用于油气水井井内形成新的人工井底，应用于固套管，衬、尾管形成能密封油、气、水层及隔层的人工井壁，从而满足注采需要。
挤水泥是在足够的压力下将水泥浆注在井中某一段,是水泥浆在地层表面脱水、造壁、硬化并封堵空隙的过程。
在钻井、固井、完井和修井作业中都采用挤水泥。
油田油、气水井在开发生产过程中，由于受油、气、水运移及各种应力、腐蚀、地质结构及施工措施诸因素的影响，一方面使新打井水泥返高不够，固井质量不合格;另一方面使生产井原固井水泥环遭到破坏，或造成油层窜通或地层胶结物被破坏，近井地带形成空洞，或因地层出水，套管破漏使油水井不能正常生产，通过挤水泥工艺技术，可使固井质量不合。
格井、窜槽井，套管破漏的油、气、水井恢复正常生产。
第二节注水泥塞封堵技术注水泥塞工艺是将一定量的水泥浆替到套管内或井眼的某一部位，使其形成满足注采需要的新的人工井底或满足工艺过程的临时封闭某井段的工艺技术。
（一）.工艺原理当干水泥与适量的水混合成水泥浆后，水泥颗粒与水立即发生水化反应，使水泥浆中产生以水硅酸钙为主要成分的胶体，随着水化作用的不断进行，胶体不断增多，并逐渐聚集变稠。
同时在胶体中产生形成水泥石的新化合物，逐渐在非晶质胶体中开始呈现微粒晶体，并逐渐硬化，使水泥浆失去流动性。
在这一过程中，当水泥浆开始变稠并部分失去塑性时，称为初凝；当水泥浆完全失去流动性并刚能承担一定压力时称为终凝。
终凝完毕后水泥浆硬化成石。
（二）. 注水泥塞的目的及用途在井下作业中注水泥塞是常用的工艺技术之一。
注水泥塞的目的及用途主要有以下几种：（1）封闭已试油层上返新层试油，或进行分层作业时的封堵非目的层。
（2）封闭底部水层；（3）找堵漏、找封窜、上部套管试压等隔开封闭某一层段。
（4）堵塞报废井及回填枯竭层位。
（5）出于安全目的的封闭层位（如封闭高压层、有毒有害流体层）（6）特殊情况下的封堵。
油井水泥
4、我国油井水泥分为A、B、C、D、E、F、G、H、
J九个级别，包括普通型、中等抗硫酸盐型和高抗硫 酸盐型三类。使用范围如下： （1）A级油井水泥
无特殊性能要求时，适应于自地面至1830m井深 的注水泥。仅有普通型。
三、API B级油井水泥
B级油井水泥与A级水泥相比，适用油井深 度相同，但B级油井水泥具有抗硫酸盐性能。 B级油井水泥分为中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐 型两种。
四、API C级油井水泥
C级油井水泥适用的井深范围为地面至1830m 深度，分为普通型、中抗硫酸盐型和高抗硫 酸盐型三种类型，其最突出的特点就是要求 水泥具有早强性能。为了满足早强和抗硫酸 盐的要求，一般是采用烧制特定组成的熟料 和高细磨来生产C级油井水泥。
（2）B硫酸盐型两种。 （3）C级油井水泥
要求具有高早强度时，适应于自地面至1830m井 深的注水泥。分为普通型、中抗硫酸盐型和高抗 硫酸盐型三种。
（4）D、E、F级油井水泥 G、H级油井水泥是一种基本水泥。适用与自地面
至2440m井深的注水泥，分为中抗硫酸盐型和高抗 硫酸盐型。与促凝剂或缓凝剂一起使用能适应于较 大的井深和温度范围。
1.其主要性能见表（课本）
2.其生产工艺
（1）原料质量要求
石灰石：CaO≧52% 粘土：Al2O3，13-14% 铁粉：Fe2O3≧55% 二水石膏：SO3≧40%
燃煤：灰分≦20% 热值≧25080kJ/kg
生料组成按计算熟料矿物组成为：C3S 53%-60%； C2S 20%-13%；C4AF 14%-12%；f-CaO≦1.0%配料较 好；生料细度≦10%；CaCO3滴定值±0.5%； Fe2O3 滴定值±0.2%。 （2）熟料的煅烧 严格稳定窑的热工制度，适当提高烧成温度；在稳 定料量前提下，采用“薄料快转长焰顺烧”的操作 方法，使得熟料结粒均齐。
油气井注水泥基础知识
水泥浆性能参数与固井作业关系
失水量
控制过剩自由水－－超过２５％水泥重量的自由水在水泥浆中运移引起的 相态分离，凝固后的内部缺陷 动、静滤失造成设计性能改变－－液相损失，使原设计性能产生变化，流 变性变差，稠化时间缩短，顶替流态改变，安全可泵性降低 水泥泥饼致密性变化－－液相体积减少引起的回落高度，进入产层引起的 原始渗透率降低 水泥变形－－形成进入地层缝隙的水泥浆，影响挤水效果 核心要求：100——150/30min.7MPa保持必要流变性
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水泥浆性能参数与固井作业关系
析水率
体系悬浮稳定性－－多相不稳定体系中固相受阻
沉降 V=2(ρ s-ρ w)g.ds2/9η 体系均匀程度－－上、下密度差，水化反应前后体 积差别回落程度
强度一致性－－整体水泥柱的支撑与卸载能力
内部缺陷－－测井声波响应一致性 核心要求BP沉降系数≤1%或K ≤1.4% 调控原则：增大液相粘度，增大固相比表面，合理 外掺料粒度级配
5.地区矿业开采法规
主要是对井下水资源保护和海洋环保的要求
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固井作业对水泥浆的基本要求
1.配制与注替过程中，保持可控的流动能力 2.井下温度、压力条件下，保持足够可泵时间和体系稳定性 3.静止后快速凝固并保持体积不变 4.凝固水泥石强度高、致密性好、抗腐蚀性强 5.有一定塑性、抵抗射孔震动和冲击
等获得的孔隙压力 由破压预测、漏失试验、钻井液使用获得的破裂 或漏失压力 由钻井液使用、井壁稳定性观察、岩性实验获得 的坍塌压力
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主要设计内容、依据、要求
温度资料
API规范表及计算公式 实测完钻,开发井温度及井底温度 地区经验 计算机模拟器
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第四章注水泥技术
体系。水泥浆变稠，直到失去流动性。
3)、硬化期：水泥的水化物形成晶体状态，互相紧密连接成 一个整体，强度增加，已经硬化成为水泥石。
一、油井水泥
油井水泥的分类
1、API水泥使用范围
一、油井水泥
油井水泥的分类
2、国产以温度系列为标准的油井水泥
45℃水泥：用于表层及浅层，深度小于1500米； 75℃水泥：用于井深1500－3200m。当超过3500 m时应加入缓
四、提高注水泥质量的措施
3、提高注水泥质量的措施
（1）、提高顶替效率，防止窜槽 ①、加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度； ②、注水泥时活动套管； ③、采用紊流或塞流流态注水泥； ④、采用前置液； ⑤、注水泥前调整钻井液性能； ⑥、增加紊流接触时间等。 （2）、防止油气水上窜
①、注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空内加压； ②、使用膨胀性水泥，防止水泥石收缩； ③、采用多级注水泥技术或采用两种凝速的水泥； ④、使用刮泥器，清除井壁泥饼。
第四章、注水泥技术
主要内容
油井水泥 水泥浆的物理性能 前置液体系 注水泥工艺及设备 注水泥设计及计算 提高固井注水泥质量的措施
§4、注水泥技术
主要内容：
油井水泥
油井水泥的主要成分 油井水泥的水化作用 油井水泥的分类
水泥浆的性能与固井工程的关系
水泥浆性能与固井工程之间的关系 水泥外添加剂 特种水泥 水泥浆性能的调节
一、油井水泥
油井水泥的主要成分:
(3)、铝酸三钙3CaO·Al2O3（简称C3A）
促进水泥快速水化；
其含量是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素；对水泥 浆的流变性及早期强度有较大影响；对硫酸盐极为敏感；对 于有较高早期强度的水泥，其含量可达15%。 (4)、铁铝酸四钙4CaO2·Al2O3·Fe2O3（简称C4AF）， 对强度影响较小，水化速度仅次于C3A， 早期强度增长较快，含量为 8%～12%。 除了以上四种主要成份之外，还有石膏、碱金属的氧化物等。
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等获得的孔隙压力 由破压预测、漏失试验、钻井液使用获得的破裂 或漏失压力 由钻井液使用、井壁稳定性观察、岩性实验获得 的坍塌压力
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主要设计内容、依据、要求
温度资料
API规范表及计算公式 实测完钻,开发井温度及井底温度 地区经验 计算机模拟器
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主要设计内容、依据、要求外加剂资料与使用规则 Nhomakorabea——
水泥浆设计影响因素
井眼条件（井深与井温）：决定水泥选型 （级别、特性） 岩性与压力：决定体系特征要求（密度、外 掺料选择） 压力与温度：决定设计实验参数，决定性能 要求
出现几率 补救费用 修补作业费用 % ＄ ＄
35 25 5 5 5600 26100 3000 25900 9930 1960 6525 150 1295
单井修补费用
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例:B.补救作业成本与基本注水泥作业费用关系（同上）
基本作业费 补救作业费 补救基本费用 作业类型 % ＄ ＄ 表层固井 技套固井 尾管固井 产层固井 18100 52200 22200 23800 9930 7600 26600 19900 55 15 120 84
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水泥浆性能参数与固井作业关系
析水率
体系悬浮稳定性－－多相不稳定体系中固相受阻
沉降 V=2(ρ s-ρ w)g.ds2/9η 体系均匀程度－－上、下密度差，水化反应前后体 积差别回落程度
强度一致性－－整体水泥柱的支撑与卸载能力
内部缺陷－－测井声波响应一致性 核心要求BP沉降系数≤1%或K ≤1.4% 调控原则：增大液相粘度，增大固相比表面，合理 外掺料粒度级配
保持水泥浆的基本物理性能,达到需改善的性能指标, 外加剂间具有良好配伍性; 设计的水灰比下,体系不发生离析与沉降 初始稠度控制在30BC内; 具有干混/湿混能力,干混在规定储存期内不失效;湿 混易溶于水,不产生气泡,陈化混合液体对设计性能无 明显影响 有一定加量可控范围,加入量,浓度波动,处理效能不 与设计方向相反; 指明适应水泥级别,成本合理; 对人身环境无毒害,不腐蚀套管
2
常用井身结构
■20套管（100m)、133/8套管
(1800m)封固上部松散地层
■95/8套管(4650-5050m)见膏泥 岩下，封固上部低压地层 ■7套管（5695-5750m），封固 复合盐岩层 ■5套管（5860-6000m）封固下 第三系低砂岩、白垩系和侏罗
系
3
质量要求
满足开 采工艺, 延长生 产寿命 支撑保 护套管 目的
层间隔绝,密封,无窜流 符合返高设计 足够的强度与耐腐蚀能力
4
主要质量问题
1.平衡失控——漏失与窜流 2.置换不彻底，顶替不完全——窜槽
3.腐蚀性体流体侵蚀——应力开裂,热应力崩溃
5
提高固井质量技术要求
1.居中、替净、压稳、封严
2.完善的水泥浆设计(体系、性能、浆柱结构)
3.科学化注水泥设计（作业计划与合理施工参数) 4.过程控制与系统优化(材质、装备、监控、评价、反馈)
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水泥浆性能参数与固井作业关系
抗压强度
加固套管柱的支撑载荷能力－－降低轴向载荷 ，提高径向承 载能力 钻进与射孔时保护套管－－高强度与适当韧性吸收振动冲击 能量 压裂时限制压力区域扩展－－ 使压裂能量在环空中损失减小， 提高压裂效能 测井声波传播速度－－高强度，使声波反射能减小，衰减率 大，测井响应好 核心要求：规定WOC时间内，抗压强度≥11MPa 调控原则：准确确定顶界BHCT，合理使用早强剂和缓凝剂
调控原则与减阻剂或非增粘缓凝剂配伍使用，改善颗粒级配，形成表面护 胶膜 ，依靠惰性材料合理级配堵孔，利用比表面电性吸附自由水
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水泥浆性能参数与固井作业关系
稠化时间
BHCT下可泵性变化－－安全可泵长短,作业安全性因子>1-2个 小时 油井水泥质量－－净水泥浆基本物理性能是否符合要求 外加剂影响与可靠性－－单独或复配使用加量,浓度范围,单 调性与反向异常检验 配方合理性检验－－曲线规整度反映水化特性优劣 核心要求:过渡时间 ≤30分钟,厂字型或直角稠化 调控原则:按套管、尾管挤水泥规程、确定升温速率,BHCT尽 可能接近作业条件,BHP按泥浆压力梯度与压耗梯度总和计算。
体积分数 0.41
造 浆 率 0.778 0.778 0.878 0.698 0.698 0.698 0.758 0.698
核心要求：体系聚结稳定性浆体体积＝凝固体积
调控原则：在规定水灰比下合理加入加重减轻材 料及外加剂
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水泥浆性能参数与固井作业关系
流变性
顶替流态要求－－达到设计流态下的临界排量 降低循环压耗－－受地层承压能力限制的流动阻力， 泵注当量，循环密度 地面施工密度控制－－好的流变性使配浆更容易 核心要求： 调控原则BHCT下无沉降现象 剪切速率下粘度计读值
各部分相 互关连， 影响 设计方案 对最终结 果影响 （好的计 划是成功 前提）的 决定作用
配 方 设 计
设备选择与施工计划
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水泥浆设计影响因素
施工计划的科学依据
井眼条件 岩性井深
致 密 性 —— 失 水 完 整 性 —— 诱 裂 流 体 特 性 腐 蚀 敏 感 性 储 层 —— 保 护
压
孔 隙 压 力 —— 防 窜
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水泥浆设计的约束条件
3.工艺条件可行性
井眼几何尺寸、注水泥作业工艺方法、地面施工装备、 配制手段、水泥浆混配条件、方式、密度控制能力、钻井 液特性及处理能力、施工队伍素质、监控与事后评价技术 主要体现在环空流体组成结构和性能要求方面
4.成本限制
陆地海洋钻机租用资金占用及比例投资回报率及收回 周期
紊流顶替PV<50MPa.S.YP<1MPa 低速顶替-
析水要求
满足
失水控制要求
稠化时间要求 抗压强度要求
PV>100MPa.S.YP>10～15Pa
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水泥浆性能参数与固井作业关系
体系组成结构
冲洗液+领浆+尾浆+压塞液
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水泥浆设计影响因素
固井水泥浆设计
设计计划
目 的 要 求 井 眼 条 件 作 业 类 型 体 系 基 材 选 择 注 替 计 划
6
水泥浆设计的系统工程概念
矿场生产关系
钻 井 眼
评 价 测 井
下 套 管
注 水 泥
质 量 评 价
后 续 作 业
用户控制 (独立)
服务公司 (独立)
测井公司控制 (独立)
独立控制方式很难保证固进质量
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例:A .与表层套管注水泥质量有关的补救费用(美.海洋钻井）
问 题
返 高 不 足 管 鞋 出 水 顶 替 窜 槽 气 窜
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例：抗压强度0.35MPa时支撑能力（每米水泥环）
套管外径 ( ″ )
51/2
7
75/8 85/8 95/8 103/4 113/8
63 ~ 95
198 130 117 103 85 82 悬挂长度 ~ ~ ~ ~ ~ ~ m 325 228 190 163 141 141
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水泥浆性能参数与固井作业关系
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水泥浆性能参数与固井作业关系
密度
地层压力－－平衡防漏与防窜
Eρ
c-
Eρ
m≥0.24CM3
固化强度－－支撑保护套管能力剪切固结强度 （公认标准）增产措施有效程度、水力固结强 度（非标准指标） 致密性--层间隔绝能力≤0.1*10μ m2
外观收缩程度－－声波测井胶结指数10cm
用水量与稳定性－－固相体积分数 0.35～0.8
液态
泵压排量及顶替流态 设计性能波动 安全施工
失水量：ml/30min.7MPa 稠化时间(T.T):h:min
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主要工程性能参数
对套管保护能力
抗压强度 MPa 渗透率
md
固态
耐久性 封隔能力 测井响应
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主要设计内容、依据、要求
注水泥设计内容
设计条件的确定（井温、压力、井眼几何尺 寸） 水泥浆容积计算（返高、段长、充填量、灰 量、水量、造浆率） 顶替液量（阻流环位，套内容积） 施工压力、排量及平衡校核（液体流变性、 顶替流态、排量、压耗、井口压力） 作业时间与设备配置要求及注替顺序 水泥浆配方（外掺料、外加剂、工程性能参 数指标）
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水泥浆设计的约束条件
1.油藏特性要求
(气、水、油流体性质，裸眼、射孔、筛选完井方式， 酸化、压裂、聚合物驱、注水、热采开发方式的要求，主 要体现在尾浆性能要求方面）
2.地质条件限制
（岩性、井深、井温、地层压力、孔隙压力、漏失压力、 坍塌压力、地层水气等腐蚀性介质类型、钻井液条件—— 主要体现在体系选型、结构和设计条件方面）
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主要工程性能参数
1.旧标准:(GB-206-78)
密 度: g/cm3 流 动 度: cm
凝结时间：h:min 初凝 终凝
抗折强度: MPa
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主要工程性能参数
2.API规范(API spec.10)
密度:g/cm3 析水率：% 自由水含量 流变性：τ γ 曲线 动态平衡
体系稳定性
渗透率
致密率－－ 渗流能力（服从达西定律），限制流体通过能力 孔隙封闭程度－－抗渗透，抗浸湿特性，提高抗腐蚀能力 核心要求：>1.4MPa，不渗透 调控原则：降低用水量，总化学收缩量，使用超细堵孔材料
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水泥浆性能参数与固井作业关系
配方设计程序
井场水泥 井场外加剂 核实密度 不 满 足 流变性要求 井场水
5.地区矿业开采法规
主要是对井下水资源保护和海洋环保的要求