油井水泥外加劑

1、May.2004,油井水泥外加劑及水泥漿體系,油井水泥外加劑及作用機(jī)理常用的十大水泥漿體系選擇水泥外加劑和設(shè)計(jì)水泥漿體系應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題,油井水泥外加劑及作用機(jī)理,,May.2004,1. 油井水泥早強(qiáng)劑,油井水泥早強(qiáng)劑主要是指能顯著縮短水泥漿稠化時(shí)間，加速水泥熟料礦物的凝結(jié)與硬化， 提高水泥石早期抗壓強(qiáng)度的外加劑。主要用途： 縮短凝結(jié)時(shí)間，表層套管注水泥、打水泥塞、堵漏等。,May.2004,1.1 油井水泥早強(qiáng)劑作用機(jī)

2、理,研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的早強(qiáng)劑對(duì)水泥漿具有不同的早強(qiáng)作用機(jī)理，通常常用的幾類早強(qiáng)劑，其促凝早強(qiáng)的作用機(jī)理為：,氯鹽類早強(qiáng)劑：氯鹽促進(jìn)水泥漿硬化和早強(qiáng)的機(jī)理，主要有兩個(gè)方面的原因。一是增加水泥顆粒的分散度，從而加速水泥水化和硬化的速度 ；二是與水泥熟料礦物產(chǎn)生化合作用，與C3A化合生成水化氯鋁酸鈣，從而使膠體膨脹，水泥石孔隙減少，密實(shí)性增大，從而提高了水泥石的強(qiáng)度。,硫酸鹽類早強(qiáng)劑：硫酸鹽對(duì)水泥的促硬、早強(qiáng)作用，主要是因?yàn)樗芘c水泥熟料礦

3、物水解析出的氫氧化鈣發(fā)生置換反應(yīng)，從而能加速與水泥熟料中的C3A反應(yīng)生成更多的硫鋁酸鈣，提高水泥水化液相中的固相比例，加快水泥凝結(jié)硬化的速度和早期強(qiáng)度的提高；,有機(jī)早強(qiáng)劑：如三乙醇胺，它能起到促凝早強(qiáng)作用是由于三乙醇胺能促進(jìn)水泥石形成更多的鈣礬石，能有效地吸附在水泥熟料礦物表面，加快C3A與石膏之間的反應(yīng)，但三乙醇胺可能減緩C3S的水化速度。通常，它與其它促凝早強(qiáng)劑復(fù)合使用，可發(fā)揮更好的早強(qiáng)作用。,May.2004,常用的油井水泥促凝早

4、強(qiáng)劑可分為無(wú)機(jī)鹽類早強(qiáng)劑、有機(jī)化合物類早強(qiáng)劑和由多種不同類型早強(qiáng)劑復(fù)合而成的復(fù)合早強(qiáng)劑。一、無(wú)機(jī)鹽類主要包括：氯化鈣：如BJ公司的：A-7,道威爾的：SI液體氯化鈣：如BJ公司的：A-7L,道威爾的：D77硅酸鹽：如BJ公司的：A-2,道威爾的：D29,Diacel A,HALLIBURTON:Econolite硫酸鹽：如BJ公司的：A-10,道威爾的：D53, HALLIBURTON:EA-2氯化鈉：如BJ公司的：A-9

5、,道威爾的：M117等其它無(wú)機(jī)鹽類促凝劑還包括：鋁酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽、 硫代硫酸鹽以及鈉、鉀、銨的氫氧化物等；,1.2 油井水泥早強(qiáng)劑的主要類型,油井水泥早強(qiáng)劑的主要類型,二、有機(jī)化合物促凝劑 主要包括：甲酸鈣[Ca(HCOO)2]、甲酰銨（CHONH2)、草酸（H2C2O4)和三乙醇胺[（N(C2H4OH)3]等。三、復(fù)合促凝劑 研究表明，由多種無(wú)機(jī)鹽促凝劑和有機(jī)化合物促凝劑復(fù)合的早強(qiáng)劑，往往可得到比

6、單一類型促凝劑促凝效果更好的外加劑。我國(guó)目前油田常用的早強(qiáng)劑通常為復(fù)合型的促凝早強(qiáng)劑，往往很少單獨(dú)使用一種早強(qiáng)劑如：：CA-2,CA903S,T90S,S601,S603,SA-1,SS-1等。,May.2004,通過(guò)物理化學(xué)作用，能顯著延緩水泥漿稠化時(shí)間，防止油井水泥凝結(jié)過(guò)快的外加劑可稱作為油井水泥緩凝劑。有些緩凝劑同時(shí)還具有減阻和降失水的作用。主要用途：增加水泥漿稠化時(shí)間，降低水泥漿粘度。,2. 油井水泥緩凝劑,May.2004,

7、2.1 緩凝劑作用機(jī)理,,,,緩凝劑的作用機(jī)理主要是指緩凝劑的化學(xué)性質(zhì)和緩凝劑與水泥相（硅酸鹽或鋁酸鹽）的作用過(guò)程，由于不同的緩凝劑有不同的化學(xué)性質(zhì)和作用過(guò)程，所以，目前所提出的所有理論都還不能全面的解釋緩凝劑本身參與水泥的水化過(guò)程的情況，本項(xiàng)工作需進(jìn)一步的研究。目前，所提出的緩凝劑的主要機(jī)理有：,吸附理論：緩凝作用的產(chǎn)生是因?yàn)榫從齽┪皆谒锉砻嫔弦种屏伺c水的接觸。沉淀理論：緩凝劑與水相中的鈣離子或氫氧根離子反應(yīng)，在水泥顆粒周圍

8、形成一種不溶解的非滲透層。 成核理論：緩凝劑吸附在水化物的晶核上，抑制了它的進(jìn)一步增長(zhǎng)。 絡(luò)合理論：緩凝劑螯合鈣離子，因而防止了晶核的形成。注：在某種程度上，上述四種機(jī)理有可能在緩凝過(guò)程中都發(fā)生，或其中的一種或兩種機(jī)理在緩凝過(guò)程中同時(shí)發(fā)生。,May.2004,2.2 油井水泥緩凝劑的主要類型,木質(zhì)素磺酸鹽類：如BJ公司的：R-1，R-12,道威爾的：D13,D81,D800，D801, HALLIBURTON: HR-4,HR-7

9、 等， 羥基羧酸類：如葡萄糖酸、檸檬酸、酒石酸、水楊酸、蘋(píng)果酸、乳酸、葡庚糖酸及它們的鹽；如BJ公司的：CR-5,道威爾公司的D110：我院的;H88,H98 等； 糖類化合物：如蔗糖、棉子糖、可溶性淀粉等；如HALLIBUTION 公司的：HR-13L,我院的：S12，等 纖維素衍生物：如BJ公司的R-6或DIACEL-LWL,道威爾公司的D8, HALLIBUTION 公司的：Diacel LWL： 有機(jī)磷酸鹽類：如HEDP

10、,AMDP 等，如：J－RL,H-1 合成高溫緩凝劑 AMPS共聚物體系 無(wú)機(jī)化合物類：如鋁、鋅、硼的化合物；如：HR-A，LW-1,LW-2等，,目前，用作油井水泥緩凝劑的化合物主要有以下的類型，它們可能是這幾類化合物的改性合成化合物，或是幾種化合物的復(fù)合物。,May.2004,3. 油井水泥降失水劑 固井時(shí)水泥漿在壓力下流經(jīng)高滲透地層時(shí)，將發(fā)生“滲透”，水泥漿液相漏入地層，通稱為失水，故能夠降低油井水泥漿失

11、水量的這種外加劑通稱為油井水泥降失水劑，目前主要通過(guò)減小濾餅滲透率或提高水相粘度等手段來(lái)達(dá)到降低失水的目的。主要用途：保護(hù)產(chǎn)能，用于油層注水泥、擠水泥、尾管注水泥、水敏地層注水泥、防氣竄注水泥,May.2004,3.1 降失水劑作用機(jī)理,研究降失水劑的作用機(jī)理主要應(yīng)通過(guò)研究水泥顆粒的形狀和尺寸、流體的粘度、水泥濾餅的質(zhì)量等方面來(lái)進(jìn)行，其中以改善濾餅質(zhì)量為控制失水的關(guān)鍵，目前，降失水劑的作用機(jī)理主要有兩種學(xué)術(shù)觀點(diǎn)： 減少水泥濾餅的

12、滲透率，改善水泥濾餅的結(jié)構(gòu)，以形成致密、滲透率低的濾餅，從而降低失水，可通過(guò)： a: 調(diào)整水泥漿體系的顆粒分布，使超細(xì)顆粒材料能夠嵌入水泥顆粒之間，阻塞濾餅空隙，形成致密結(jié)構(gòu)的濾餅，有助于降低失水。 b: 采用水溶性高分子聚合物，通過(guò)其吸附基團(tuán)和水化基團(tuán)在水泥顆粒表 面形成“水泥顆?！€性高分子—水分子吸附層”的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，束縛住更多自由水，阻塞水泥內(nèi)部空隙，從而降低失水。 增大水泥漿液相

13、粘度，通過(guò)增大液相向地層濾失的阻力，降低水泥漿失水。,May.2004,3.2 油井水泥降失水劑的主要類型,,特制的超細(xì)研磨材料 如：膨潤(rùn)土、石灰石粉、瀝青質(zhì)、熱塑性樹(shù)脂、膠乳等類的顆粒材料 水溶性高分子及有機(jī)材料 1、水溶性改性天然產(chǎn)物 纖維素類 如：道威爾公司的：D-28, HALLIBURTON: Halad-14,22A 等，國(guó)產(chǎn)的BXF-1，LW-1，S24等。 聚乙烯醇類 如：CG701S, G60S系列

14、等 淀粉類 經(jīng)接枝改性的淀粉可用作油井水泥降失水劑，其水溶性好，降濾失性好，與其它水泥外加劑配伍性好，且具有較好的分散性和流變性。 如HALLIBURTON: Halad-9 褐煤類 是一類煤化程度較小的煤，含較高的內(nèi)在灰分和不同數(shù)量的腐殖酸，通過(guò)接枝共聚反應(yīng)在褐煤大分子鏈上引進(jìn)乙烯類側(cè)鏈的方法可用作油井水泥降失水劑， 如SM-B 單寧類，單寧的主要有效成分是具有多元酚基和羧基的有機(jī)物質(zhì)，經(jīng)接枝化學(xué)改性后的單寧還可用作油

15、井水泥降失水劑。,降失水劑主要有兩種類型：特制的超細(xì)研磨材料和水溶性聚合物。,May.2004,2、合成具有磺酸鹽基團(tuán)或剛性基團(tuán)的水溶性聚合物 AMPS的接枝共聚物,如HALLIBUTION的HALAD313S(L),國(guó)內(nèi)由我院開(kāi)發(fā)并廣泛在國(guó)內(nèi)外推廣應(yīng)用的 BXF-200L系列， 本系列的降失水劑有大量的專利報(bào)道，是世界油井水泥降失水劑發(fā)展的一個(gè)方向；丙烯酰胺－丙烯酸聚合物體系: 如： HALLIBURTON: CEMA

16、D－1，國(guó)產(chǎn)的XS－2,聚丙烯酰胺，磺甲基聚丙烯酰胺體系：如國(guó)產(chǎn)的R90抗鹽降失水劑系列聚乙烯多胺的共聚物等:如國(guó)產(chǎn)的SK系列降失水劑。合成苯乙烯－丁二烯，膠乳丙烯酸或類似膠乳水泥漿體系， 如HALLIBUTION的D-air系列，以及國(guó)產(chǎn)的BCT-800膠乳外加劑體系,油井水泥降失水劑的主要類型,May.2004,4. 油井水泥分散劑,,,油井水泥分散劑主要用于改善水泥漿的流動(dòng)性，降低水泥漿體系的粘度，改善并顯著提高水泥漿

17、的流變性能的外加劑。 使用效果：稀釋水泥漿，提高頂替效率，降低水馬力，使水泥漿易于泵送。,May.2004,,,,,分散劑的主要作用機(jī)理是分散劑的吸附分散作用，其微觀機(jī)制，則因分散劑的分子結(jié)構(gòu)不同而存在一定的差異，其主要的作用機(jī)理表現(xiàn)為： 吸附－分散和釋放游離水機(jī)理 分散劑可吸附于水泥顆粒的表面，形成吸附雙電層，在電性相斥的作用下，使水泥水化初期形成的絮凝結(jié)構(gòu)分散解體，絮凝體內(nèi)的游離水釋放出來(lái)，提高水泥漿的流變性； 潤(rùn)濕作用

18、 分散劑的潤(rùn)濕作用會(huì)增加水泥顆粒的水化面積，在水泥顆粒表面形成一層穩(wěn)定的溶劑化水膜，阻止了水泥顆粒的直接接觸，起到了潤(rùn)滑分散的作用； 微氣泡潤(rùn)滑作用 分散劑的摻入將引入一定量的微細(xì)氣泡，并與水泥質(zhì)點(diǎn)具有相同符號(hào)的電荷，因而氣泡與水泥顆粒間也因電性相斥，增加了水泥顆粒間的滑動(dòng)能力，使水泥顆粒分散。,4.1 油井水泥分散劑的作用機(jī)理,May.2004,,,,4.2 油井水泥分散劑的主要類型,磺酸鹽類 1）密胺磺酸鹽類（PMS)

19、；如國(guó)產(chǎn)的SM 2）聚萘磺酸鹽類 如道威爾公司的：D31L, HALLIBURTON: CFR-2 ,國(guó)產(chǎn)的FDN,MF,UNF等， 3）木質(zhì)素磺酸鹽如：HALLIBURTON: CFR-2L, 等， 4）聚苯乙烯磺酸鹽 甲醛與丙酮（或其它酮類）縮聚物，如國(guó)產(chǎn)的 SXY,USZ，CF40 分子質(zhì)量相對(duì)較低的羥基聚多糖，如水解淀粉等； 低分子化合物，如羥基羧酸等。,May.2004,5. 油井水泥消泡劑,,,,許多

20、油井水泥外加劑在配制過(guò)程中可能引起氣泡，水泥漿的過(guò)渡起泡可造成嚴(yán)重的后果。能夠在泡沫表面擴(kuò)散形成不穩(wěn)定膜，從而起到消泡作用的外加劑材料可稱作消泡劑。,May.2004,,,,,消泡劑的分子結(jié)構(gòu)通常帶有支鏈并且烴鏈較短，使消泡劑在氣－液界面上形成的雙吸附層強(qiáng)度差，有利于消泡； 消泡劑親水基的極性較弱，親油性較強(qiáng)，對(duì)液膜中極性水分子的吸引力較弱，自由水多，膜中液體的粘度低，容易流動(dòng)，故液膜容易破裂而有利于消泡。 消泡劑分子的活性應(yīng)較高，

21、加入泡沫體系后可頂替泡沫分子，使泡破裂而有利于消泡。,5.1 油井水泥消泡劑的作用機(jī)理,通常認(rèn)為作為消泡劑的材料，在消泡過(guò)程中的主要原理為：,May.2004,,,,5.2 油井水泥消泡劑的主要類型,固井中常用的消泡劑有： 高分子醇， 硅氧烷；如國(guó)產(chǎn)的GPE, 磷酸酯 如國(guó)產(chǎn)的G603 甘油聚醚等 如國(guó)產(chǎn)的GX-2,國(guó)外常用的長(zhǎng)鏈羥基化合物粉狀消泡劑包括道威爾公司的D-6, HALLIBURTON: NF-P,NF-

22、1 等，常用的長(zhǎng)鏈有機(jī)化合物液體消泡劑包括道威爾公司的D-47, HALLIBURTON: P-Air 等，,May.2004,降低水泥漿密度可有效減小靜水液柱壓力，防止壓裂弱膠結(jié)地層；低密度水泥漿可以用于低壓油氣層，以免油氣層收到傷害；減少注水泥的次數(shù)，提高水泥漿造漿率，并由此獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。 通常，我們將能降低水泥漿密度的材料，統(tǒng)稱為油井水泥減輕劑，在同一水泥漿中，為降低水泥漿的密度，提高低密度水泥漿的綜合性

23、能，經(jīng)常同時(shí)使用幾種減輕材料。,6. 油井水泥減輕劑,May.2004,6.1 油井水泥減輕劑的分類,根據(jù)減輕劑降低水泥漿密度的機(jī)理，可以將減輕材料分為三類：,水基減輕劑：指能吸附過(guò)量的水且起到充填作用的材料，如膨潤(rùn)土，硅酸鈉等水溶增粘劑；這類減輕劑能使水泥漿混配保持均勻，阻止過(guò)量游離水的產(chǎn)生； 低密度填充料：指密度低于波特蘭水泥密度（3.15g/cm3)的低密度材料，這類減輕劑只要加量足夠就可以降低水泥漿密度。 氣體減輕材料：指常

24、用空氣或氮?dú)鈦?lái)配制的具有超低密度且足夠抗壓強(qiáng)度的泡沫水泥，常有化學(xué)發(fā)泡和機(jī)械充氣兩種方法。,May.2004,膨潤(rùn)土：也叫搬土，密度2.60－2.70g/cm3,是由主要含粘土微礦晶的蒙脫石（NaAl2(AlSi3O10)組成，是由兩層硅氧四面體夾一層鋁氧八面體所組成，膨潤(rùn)土低密度水泥漿適宜的密度為1.53 — 1.58 g/cm3。膨潤(rùn)土摻量為干水泥重量的8—10％。國(guó)內(nèi)主要產(chǎn)品有山東濰坊膨潤(rùn)土和安丘膨潤(rùn)土。國(guó)外同類產(chǎn)品HALLIB

25、UTION公司有：HOWCO Gel,BJ休斯公司有：BJ Gel,道威爾有：Bentonite;水玻璃（液體硅酸鈉):水玻璃又稱泡花堿。由二氧化硅含量很高的石英粉與工業(yè)純堿按一定比例混合，置于 1350—1400℃溶爐中熔融后溶解于水而成的一種粘滯性溶液，呈半透明青灰色或微黃色。它由正硅酸鈉（2Na2O·SiO2)、偏硅酸鈉（Na2O·SiO2)及一硅酸鈉（Na2O·2SiO2）膠態(tài)與分子狀的二氧化硅和

26、水的混合物組成。水玻璃低密度水泥漿的密度可低至1.37g/cm3，推薦摻量為每公斤水泥加0.0564升, 國(guó)外同類產(chǎn)品HALLIBUTION公司有：Econonite,BJ休斯公司有：A-2,道威爾有：D79; 粉煤灰:粉煤灰又稱飛灰，是從以煤為燃料的發(fā)電廠鍋爐的煙氣中收集的灰渣。粉煤灰的比重一般為1.8-2.6，松散容重為600-1000Kg/M3，壓實(shí)容重為1000-1400Kg/M3 。粉煤灰的顆粒粒徑為0.5—300um。

27、其化學(xué)成分主要以SiO2、AI2O3w為主，并含有少量的Fe2O3、CaO、Na2O、K2O和SO3等。通常粉煤灰的摻量約占干水泥重量的60%-120%，相應(yīng)的水泥漿密度為1.68-1.55 g/cm3。國(guó)內(nèi)粉煤灰低密度水泥漿已得到廣泛的應(yīng)用，國(guó)外同類產(chǎn)品HALLIBUTION公司的同類產(chǎn)品有：Pozmix,BJ休斯公司有：Diamix F,道威爾有：Litepoz3;,6.2 油井水泥減輕劑的主要類型,May.2004,微珠：漂珠為空

28、心、密閉、壁薄、粒細(xì)的玻璃球體， 視密度0.65~0.75g/cm3，主要成分為氧化硅、氧化鋁，及少量的氧化鐵、氧化鈣等，可與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成具有膠凝性質(zhì)的化合物，可將水泥漿密度范圍降至1.44—1.08g/cm3 ，摻量范圍為8％～100％，國(guó)內(nèi)漂珠低密度水泥漿已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，國(guó)外同類產(chǎn)品為：HALLIBUTION公司有同類產(chǎn)品為：玻璃微珠，道威爾公司的Litepoz500等。泡沫：用機(jī)械充氣發(fā)氣法和化學(xué)發(fā)泡法在水泥漿中混入

29、或產(chǎn)生一定量的氣體，形成相對(duì)分布均勻且穩(wěn)定的泡沫，以降低水泥漿的密度，泡沫水泥漿的密度可降至0.9-1.30g/cm3,水泥石強(qiáng)度高，滲透率低，可有效地應(yīng)用于低壓易漏油氣田的固井。國(guó)內(nèi)泡沫水泥漿已得到推廣應(yīng)用，特別是我院FC系列化學(xué)泡沫水泥漿已在我國(guó)各大油田得到廣泛的推廣應(yīng)用，取得了良好的效果，國(guó)外各大公司如哈里巴頓、道威爾，BJ 休斯公司等都具有泡沫水泥產(chǎn)品及應(yīng)用的報(bào)告。 此外，在油井水泥中可應(yīng)用的減輕劑還包括：

30、硬瀝青，硅藻土，膨脹珍珠巖，礦渣，微硅以及沸石等；以上的減輕劑可以根據(jù)水泥漿降低密度的需要選擇其中的一種或幾種減輕材料進(jìn)行水泥漿設(shè)計(jì)。,油井水泥減輕劑的主要類型,May.2004,在油氣井固井中，高孔隙壓力、井壁不穩(wěn)定和塑性流動(dòng)地層都要借助高靜水壓力予以控制，為了保持井眼的穩(wěn)定和安全施工，要求提高水泥漿的密度進(jìn)行作業(yè)。 要提高水泥漿的密度，可以通過(guò)降低用水量和添加高比重的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常我們稱這種可以加重水泥漿密度的高

31、比重材料為油井水泥漿加重劑。,8. 油井水泥加重劑,May.2004,合格的加重劑必須滿足以下條件： 材料的顆粒粒度分布與水泥相容。粒度太大容易使水泥漿產(chǎn)生離析，粒度太小又容易增加水泥漿的稠度。 用水量要少。用水量過(guò)大，會(huì)使加重劑加量增大，影響水泥漿的強(qiáng)度發(fā)展。 不影響水泥水化進(jìn)程，與其它添加劑有良好的相容性，同時(shí)對(duì)外加劑的吸附能力要弱。 最常用的水泥漿加重劑是：鈦鐵礦石，赤鐵礦石，重晶石以及錳鐵礦粉MICROMAX。,

32、8.1 油井水泥加重劑的選擇,May.2004,重晶石：是一種白色粉末材料，比重為：4.33，可將水泥漿密度加重至2.3，但需要加入更多的水來(lái)潤(rùn)濕顆粒，所以使用效果受到一定的削弱.國(guó)內(nèi)油田重晶石應(yīng)用較廣，國(guó)外同類產(chǎn)品有：HALLIBUTION的Barite,BJ 休斯公司的W-1,道威爾公司的D-31;鈦鐵礦石：是一種黑色顆粒材料，比重：4.45,可將水泥漿密度加重至2.4，對(duì)水泥漿的稠化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度影響較小。目前能提供的鈦鐵礦石的

33、粒度分布較粗，需要調(diào)整水泥漿的粘度以防止水泥漿離析。國(guó)外同類產(chǎn)品有：HALLIBUTION的Hi-Dense3,BJ 休斯公司的W-3,道威爾公司的D-18;赤鐵礦:是一種紅色顆粒材料，粒度分布較細(xì)，需水量較低。比重：4.95,可將水泥漿密度加重至2.65，加量大時(shí)，常常加入分散劑來(lái)調(diào)節(jié)水泥漿的稠度，是一種較為有效的加重材料。國(guó)外同類產(chǎn)品有：Hi-Dense3,BJ 休斯公司的W-5,道威爾公司的D-76;錳鐵礦粉（Micromax

34、）：是一種以赤錳礦粉為主要成分棕紅色粉末的超細(xì)加重材料，比重為：4.8～4.9，平均顆粒粒度5μm,不增加需水量，無(wú)沉降穩(wěn)定問(wèn)題，有適當(dāng)減阻效果,可將水泥漿密度加重至2.8，但由于該種材料價(jià)格昂貴，通常與其它材料配合適用，目前在國(guó)外高壓油氣井固井中已得到較大量的應(yīng)用，在我國(guó)南海高壓氣井固井中已有采用，效果良好。,8.2 油井水泥加重劑的主要類型,May.2004,普通油井水泥屬波蘭水泥范疇，當(dāng)溫度低于110℃時(shí)，具有較低的滲透率，并隨溫

35、度的升高，抗壓強(qiáng)度提高，當(dāng)溫度超過(guò)110 ℃，尤其當(dāng)溫度超過(guò)125 ℃時(shí)，隨溫度的升高抗壓強(qiáng)度大幅度降低，滲透率大大提高，這種現(xiàn)象稱作水泥石強(qiáng)度退化。溫度越高，水泥石強(qiáng)度退化現(xiàn)象更加嚴(yán)重，致使失去保護(hù)井壁，支撐套管和封隔作用，導(dǎo)致油井破壞。 能防止水泥石高溫強(qiáng)度退化，穩(wěn)定水泥石強(qiáng)度，降低水泥石滲透率的外加劑，稱為防止水泥石高溫強(qiáng)度退化的外加劑。主要用于熱力開(kāi)采稠油和深井注水泥。,9. 防止水泥石高溫強(qiáng)度退化的外加劑,Ma

36、y.2004,,防止水泥石高溫產(chǎn)生強(qiáng)度退化的外加劑,目前，防止水泥石高溫產(chǎn)生強(qiáng)度退化的外加劑主要為： 硅石粉即石英砂。 硅粉作為一種高溫穩(wěn)定劑，在高溫、水化過(guò)程中，一方面能吸收水泥水化時(shí)析出的Ca(OH)2，降低了液相中鈣離子的濃度，打破了C2SH和C2SH(A)等高鈣硅酸鹽的平衡，另一方面，硅粉又與水泥中α-C2SH發(fā)生反應(yīng)，生成纖維狀的托勃莫萊石和耐高溫的硬硅鈣石，從而提高了水泥石在高溫下的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，硅粉密度

37、為2.62g/cm3,加量為干灰的35～40％。 石英砂按使用的用途，可分為小于等于200目的細(xì)石英粉和粗石英粉，國(guó)內(nèi)按不同的要求，在高溫下已廣泛應(yīng)用硅石粉作為高溫抗強(qiáng)度退化劑，國(guó)外各大石油公司也有同樣的產(chǎn)品如：HALLIBUTION的Silica Flour,Silica Flour Coarse,BJ 休斯公司的D-8,D-80,道威爾公司的D-66,D-30等。,May.2004,具有控制水泥漿沉降穩(wěn)定性，降低游離

38、液含量等作用的外加劑，可稱作游離水控制和固體懸浮調(diào)節(jié)劑。 控制水泥漿的游離液和沉降穩(wěn)定性的添加劑主要包括：有機(jī)聚合物、生物聚合物、硅酸鈉以及膨潤(rùn)土，綠坡縷石，硅灰等材料，在諸多產(chǎn)品中，生物聚合物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。 國(guó)內(nèi)按水泥漿的設(shè)計(jì)需要，通常添加以上材料中的一種或兩種材料來(lái)保證水泥漿的沉降穩(wěn)定性 并控制游離液含量。國(guó)外也有同樣的產(chǎn)品如BJ 休斯公司的A-2,FWC-10,BA-58,BA-90,道威爾公司

39、的D79,D153,D128,D154,D155，HALLIBUTION公司的Econolite,Diacel A,FWC A ,Versa SetL,Gas Con496等。,10.游離水控制和固體懸浮調(diào)節(jié)劑,,常用的十大水泥漿體系,普通低密度水泥漿體系； 高強(qiáng)度低密度水泥漿體系高 高密度水泥漿體系； 短候凝固井水泥漿體系 高溫深井水泥漿體系； 抗鹽水泥漿體系； 防竄水泥漿體系；

40、 新型泡沫水泥漿體系； 水平井固井水泥漿體系； MTC技術(shù)及多功能鉆井液UF技術(shù)。,May.2004,,,,,,,固井水泥漿體系之一,普通低密度水泥漿體系,May.2004,,,,,,,普通低密度水泥漿的主要類型,膨潤(rùn)土低密度水泥水玻璃低密度水泥粉煤灰低密度水泥漿漂珠低密度水泥漿礦渣低密度水泥漿,May.2004,,,,,,使用特點(diǎn):,膨潤(rùn)土低密度水泥漿,適用密度范圍:1.50—1.60 g/cm3; 使用溫度范

41、圍：40—100℃; 游離液含量大; 流動(dòng)性差,稠化時(shí)間長(zhǎng); 強(qiáng)度低,24小時(shí)抗壓強(qiáng)度為4.5—8.0MPa 滲透性高等,應(yīng)用:主要用于分級(jí)注水泥的領(lǐng)漿，或作為充填水泥漿。具有貨源廣，成本低，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。,May.2004,,,,,,水玻璃低密度水泥漿,使用密度范圍通常為:1.45-1.55g/cm3 使用溫度范圍為40一90℃; 推薦摻量為水泥重量的5.64％; 水泥漿稠化時(shí)間過(guò)長(zhǎng); 抗壓強(qiáng)度低; 游離

42、液大。,使用特點(diǎn):,應(yīng)用：可用作領(lǐng)漿；可用于表層套管固井，以贏得二次開(kāi)鉆的時(shí)間；還可用于井內(nèi)地層坍落的地方，配制一定密度的促凝水泥漿固井。,May.2004,,,,,,粉煤灰摻量約為60%~120%，相應(yīng)密度為1.68~1.55 g/cm3； 具有一定的抗腐蝕能力； 游離水大； 稠化時(shí)間長(zhǎng)； 體積收縮大； 低溫下強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。但與T-90外加劑配合使用，可有效 改善粉煤灰低密度水泥漿的性能。,粉煤灰低密

43、度水泥漿,使用特點(diǎn):,應(yīng)用：可用于有嚴(yán)重腐蝕性水、氣地層的油、氣井固井；也可應(yīng)用于長(zhǎng)封固段固井。,May.2004,,,,,,,漂珠低密度水泥漿,適用密度范圍： 1.68~1.18g/cm3； 適用溫度范圍：30 ~180 ℃； 游離液含量較少； 水泥石強(qiáng)度較高； 滲透率較低； 漂珠易上浮 、進(jìn)水、破碎，可造成漿體沉降穩(wěn)定性、體積 穩(wěn)定性變差。可與T-90,T-93外加劑配合使用，有效改善水

44、泥漿的整體性能。,使用特點(diǎn):,應(yīng)用：采用漂珠超低密度水泥漿固井，可較好地解決長(zhǎng)封固段漏失問(wèn)題。,May.2004,,,,,,礦渣搬土低密度固井液的特點(diǎn),密度適用范圍：1.20~1.70g/cm3； 稠化時(shí)間可調(diào)、流動(dòng)性好； 抗壓強(qiáng)度發(fā)展快； 結(jié)構(gòu)致密； 失水量低、微觸變、耐腐蝕、高早強(qiáng)、短過(guò)渡、 沉降穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，是理想的固井材料。,應(yīng)用：適用于各種注水泥作業(yè)或隔離液。與泥漿相容性好，頂替效率高，能有效提高固井封固質(zhì)量。

45、,使用特點(diǎn):,May.2004,,,,,,,固井水泥漿體系之二,,高強(qiáng)度低密度 水泥漿技術(shù),May.2004,,,,,,,,適用密度范圍為：1.10~1.70g/cm3； 適用溫度范圍為：20~180℃； 游離液基本為零； 失水量易控制，小于50mL； 具有一定的防氣竄能力； 具有一定的抗腐蝕能力； 水泥漿沉降穩(wěn)定性好； 抗壓強(qiáng)度高，水泥石均勻致密不收縮，具有低溫下 其性能與常規(guī)水泥漿相媲

46、美的特點(diǎn)。,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,使用特點(diǎn):,應(yīng)用：可應(yīng)用于低壓易漏、淺層氣、定向井、水平井、欠平衡鉆井、長(zhǎng)封固段的固井；可用于打高強(qiáng)度低密度水泥塞，如側(cè)鉆等；,May.2004,根據(jù)緊密堆積和顆粒級(jí)配理論，利用線形堆積密 度模型和二元系統(tǒng)的最大堆積密度與微細(xì)膠凝材 料直徑的關(guān)系，提高干混材料堆積體積（PVF）；       根據(jù)物料組成的物理化學(xué)作

47、用；進(jìn)行充填的礦物微粒 應(yīng)該是充填性好、表面光滑致密、化學(xué)活性較高的具 有減水作用的高性能礦物摻合料。,設(shè)計(jì)原理,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,May.2004,緊密堆積理論,,,,根據(jù)緊密堆積理論，利用合理的物料顆粒級(jí)配，提高單位體積水泥漿中的固相，形成更加致密的水泥石。,線型堆積模型示意圖,,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,May.2004,緊密堆積理論,,,根據(jù)緊密堆積理論，改善物料的表面性質(zhì)，減少物料顆粒間的充填水和物料

48、表面的潤(rùn)滑水，進(jìn)一步提高單位體積水泥漿中的固相。,含水化膜顆粒的緊密堆積,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,May.2004,增強(qiáng)劑PZW：具有合理顆粒級(jí)配的活性超細(xì)膠凝材料組 成，摻入水泥漿中，可顯著提高低密度水泥漿的強(qiáng)度 穩(wěn)定性等綜合性能；油井水泥：主體固結(jié)材料；漂珠：減輕材料；降失水劑、調(diào)凝劑、分散劑：調(diào)節(jié)水泥漿性能。,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,高強(qiáng)度低密度水泥漿的組成：,May.2004,根據(jù)緊密堆積理論和水泥、漂珠、增強(qiáng)劑

49、的粒徑分布，設(shè)計(jì)的低密高強(qiáng)水泥漿體系的粒徑分布主要為10-60μm、 40-250μm 、 0.5-40μm 。 分布顯示，體系不同粒徑球形粒子可以顯著減小顆粒堆積空隙率，能有效提高和改善水泥漿的綜合性能。,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,May.2004,,,,高強(qiáng)低密度水泥漿的強(qiáng)度性能,高墻低密度水泥漿,普通漂珠低密度水泥漿,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,May.2004,,,,1.3g/cm3，50℃，靜膠凝發(fā)展,超聲波靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì),高強(qiáng)

50、度低密度水泥漿體系,May.2004,,,1.3g/cm3，50℃，超聲強(qiáng)度發(fā)展，稠化時(shí)間190min,超聲波抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì),高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,May.2004,,,1.4g/cm3，50℃，超聲強(qiáng)度發(fā)展，稠化時(shí)間173min,超聲波抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì),高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,May.2004,,,水泥漿密度1.3g/cm3，90℃，靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展，稠化200min,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,超聲波抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì),May.2004

51、,,,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系沉降穩(wěn)定性能,May.2004,,,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,高強(qiáng)度低密度水泥石的防腐性能,PZW 低密度增強(qiáng)劑由較低密度的活性膠凝材料組成，在水泥漿中不僅能發(fā)生凝硬性反應(yīng)，還可進(jìn)一步充填水泥石孔隙，形成更加致密的水泥石。,1.5g/cm3（左） 1.3g/cm3（右）,May.2004,,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,高強(qiáng)度低密度水泥漿失水性能,May.2004,,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,4

52、0℃下不同密度的水泥漿性能,May.2004,,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,50℃下不同密度的水泥漿性能,May.2004,,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,70℃下不同密度的水泥漿性能,May.2004,,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,不同溫度不同密度高強(qiáng)低密水泥漿性能,May.2004,,,1.4g/cm3，90℃,典型水泥漿稠化時(shí)間曲線,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,May.2004,,,,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系,水泥漿體積穩(wěn)定性和沉降穩(wěn)定性良好；

53、水泥石抗壓強(qiáng)度高；接近常規(guī)密度強(qiáng)度 水泥石致密，具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力； 界面膠結(jié)性能良好，具有較強(qiáng)的防氣竄能力；  失水量易控制； 游離液低； 稠化時(shí)間可調(diào)。,高強(qiáng)度低密度水泥漿體系性能特點(diǎn),May.2004,,,,,,,固井水泥漿體系之三,新型泡沫低密度 水泥漿體系,May.2004,,,,,,化學(xué)泡沫低密度水泥漿,使用特點(diǎn):,可配制超低密度的水泥漿，其地面最低密度可達(dá)0.42g/cm3； 密度

54、低，強(qiáng)度高； 滲透率低； 一定的觸變性； 低熱導(dǎo)率； 具有防氣竄能力。,新型泡沫水泥漿是兩種氮?dú)獍l(fā)氣劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成氮?dú)猓诜€(wěn)泡劑的作用下，在水泥漿中形成細(xì)小均勻的氣泡；以降低水泥漿的密度，新型泡沫水泥漿具有以下的使用特點(diǎn)。,May.2004,,發(fā)氣量與發(fā)氣劑配比的關(guān)系,May.2004,泡沫水泥漿的組成,FCA — 發(fā)氣劑FCB — 發(fā)氣劑FCF — 穩(wěn)泡劑FCR — 緩凝劑FCW — 降失水劑F

55、CA+FCB 堿性條件 N2 + 剩余反應(yīng)物,,May.2004,穩(wěn)泡劑FCF加量的確定,May.2004,泡沫水泥漿的實(shí)驗(yàn)室制備方法,利用化學(xué)劑發(fā)氣法制備泡沫水泥要比充氣法簡(jiǎn)單;將一定量的發(fā)氣劑FCA干混于水泥中，用清水配制非泡沫水泥漿(密度控制在1.85～1.90g/cm3 )，方法同API標(biāo)準(zhǔn)，然后將制好的非泡沫水泥漿在低速下(4000rpm)再攪拌10秒，同時(shí)加入一定量的發(fā)氣劑FCB和穩(wěn)泡劑FCF，則可制成泡沫水泥漿。

56、采用這種方法制備的泡沫水泥比較均勻，泡沫細(xì)小，無(wú)需控制反應(yīng)速度和發(fā)泡時(shí)間。,May.2004,新型化學(xué)泡沫水泥結(jié)構(gòu),May.2004,國(guó)外機(jī)械充氣泡沫水泥結(jié)構(gòu),May.2004,泡沫水泥的滲透率,May.2004,溫度對(duì)泡沫水泥密度的影響,May.2004,壓力對(duì)泡沫水泥密度的影響,May.2004,不同溫度下壓力對(duì)泡沫水泥漿密度的影響,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,常壓密度ρ。=1.1g\cm3,90℃,50℃,M

57、ay.2004,泡沫水泥的試驗(yàn)方法,泡沫水泥穩(wěn)定系數(shù)的測(cè)定方法 500—V0 φ=------------------×100% 500稠化時(shí)間的測(cè)定方法抗壓強(qiáng)度的測(cè)定方法,May.2004,稠化時(shí)間的測(cè)定方法,按設(shè)計(jì)要求量取一定量的水泥、外加

58、劑及水；將量取的FCA、FCB和水及其它水劑(除FCF外)放入容積為1升的攪拌杯中，并在攪拌器上低速(4000轉(zhuǎn)/分)攪拌2分鐘，使其完全反應(yīng)放出氮?dú)猓话碅PI標(biāo)準(zhǔn)攪漿。在配好的水泥漿中加入定量的FCF，輕輕用攪拌棒攪拌使其混勻于水泥漿中，然后裝好稠化儀漿杯，按API試驗(yàn)程序試驗(yàn)。,May.2004,抗壓強(qiáng)度的測(cè)定方法,,,May.2004,工藝技術(shù)研究,密度設(shè)計(jì)灰量計(jì)算方法添加劑的混配方法施工工藝方法地面控制參數(shù),May

59、.2004,泡沫水泥的密度設(shè)計(jì)方法,泡沫水泥在井下的實(shí)際密度的大小必須滿足下列基本準(zhǔn)則： n  H"rm+(H'-H")rw+∑(Hi-1-Hi)rFi i=1 ──────────────── 〈[r]漏當(dāng)

60、 H0如果水泥返高距井口不小于200m， rF＝1/2（ rF頂+ rF底)，則： H0[r]漏當(dāng)－H'rm－(H'-H")rw rF＝─────────────── H0-H',May.2004,灰量計(jì)算方法, 灰量大小應(yīng)滿足下式：  G.qF＝(1+n

61、)V電測(cè)環(huán)容 故 rFV電測(cè)環(huán)容 G＝(1+n)────--- rs(m+1/rc) G----灰量，噸; qF----泡沫水泥造漿量，方/噸;m----水灰比; qs----純水泥造漿量，方/噸; n----灰量附加系數(shù)，一般n=0.

62、1--0.2;  rs----純水泥漿密度; rc----水泥密度，g/cm3.,May.2004,添加劑的混配方法,發(fā)氣劑FCA、增強(qiáng)劑FCP、緩凝劑FCR、降失水劑FCW均按一定比例干混于水泥中，倒罐兩次，混拌均勻后裝車上井。施工前將發(fā)氣劑FCB、穩(wěn)泡劑FCF倒入注泡沫劑水泥車上的水箱中，并加水至設(shè)計(jì)注入總量，手動(dòng)攪拌使其混勻。

63、,May.2004,固井施工工藝技術(shù),May.2004,地面控制參數(shù),注純水泥密度 注泡沫劑排量 注入泡沫劑液體排量的大小，可用下列公式計(jì)算： 泡沫劑總量 泡沫劑排量＝──────×注水泥排量 水泥漿總量,May.2004,,,,,,,,應(yīng) 用：,適用于一般低壓易漏地層、水敏性

64、地層、熱采井以及防氣 竄井的固井。 1994年至今在長(zhǎng)慶、遼河、吐哈、河南油 氣田共進(jìn)行了300余口井的試驗(yàn)推廣，使用效果良好；,1994年至今，在長(zhǎng)慶馬 嶺、華池、靖安等油田 和陜甘寧中部盆地氣井 試驗(yàn)推廣了300余口井次 一次固井合格率100%， 優(yōu)質(zhì)率80.3%。,May.2004,,,,,,固井水泥漿體系之四,短候凝水泥漿體系,May.2004,,,,,,,短候凝水泥漿體系的主要

65、類型,CA903S低溫短候凝水泥漿體系； J-2B短候凝防竄水泥漿體系； SQ短候凝防竄水泥漿體系。,May.2004,,,,,短候凝水泥漿體系,使用溫度范圍：27 ~ 75 ℃； API濾失量≤50~100ml； 具有明顯的促凝早強(qiáng)作用； 具有較高的早期強(qiáng)度，8小時(shí)抗壓強(qiáng)度較凈漿提高50%--100%； 靜膠凝過(guò)渡時(shí)間短，一般為15~30min，初凝到終凝時(shí)間為10~20min； 具有微觸變性和較高的

66、內(nèi)聚力； 水泥漿硬化后具有一定的微膨脹性，可防止微裂縫--微裂隙的形成；,使用特點(diǎn):,本體系主要是針對(duì)調(diào)整井、底水活躍井、高壓油氣井以及叢式井快速鉆井中導(dǎo)管和表層套管及低溫淺井的固井而研究開(kāi)發(fā)的。,May.2004,,,,低溫短候凝水泥漿體系,原漿：水泥+44%水，密度1.90；短侯凝：水泥+44%水+4%CA903,May.2004,,,,,,,J-2B短候凝防竄水泥漿體系 已先后在滇黔貴油田、南陽(yáng)油田、 長(zhǎng)慶油田、江蘇油

67、田推廣使用逾200多口，固井優(yōu)質(zhì)率90%。 SQ短候凝防竄水泥漿體系 在百色油田6口調(diào)整井中進(jìn)行了應(yīng)用， 其固井一、二界面優(yōu)質(zhì)的有3口，合格的有2口，滿足了調(diào)整井固井 要求。 CA903S短候凝防竄水泥漿體系已成功應(yīng)用于渤海油田叢式井快 速鉆井中導(dǎo)管和表層套管固井，使固井候凝期由24小時(shí)縮短為4小時(shí)。， 實(shí)現(xiàn)了叢式井集中表層快速不間斷鉆井作業(yè)。替代了進(jìn)口外加劑， 固井300余井次。僅縮短

68、鉆井周期一項(xiàng)就為油田節(jié)約7000余萬(wàn)元。,短候凝水泥漿的應(yīng)用,May.2004,,,,,固井水泥漿體系之五,防竄水泥漿體系,May.2004,,,,,,,防氣竄水泥漿的主要類型,不滲透防竄水泥漿體系 G60、 G60S、 J-2B、 W99 充氣水泥漿體系 KQ（H2）、 FC（N2）,May.2004,,使用溫度范圍：30 ~ 185℃； API濾失量≤50~100ml；體系中高聚物能迅

69、速成 膜，形成較高的內(nèi)聚力,有效防止氣竄的發(fā)生； 過(guò)渡時(shí)間短，具有較強(qiáng)的防氣竄能力； 早期強(qiáng)度高，水泥石致密，有助于防氣竄的發(fā)生；； 具有一定的微觸變性。,,防竄水泥漿體系,性能特點(diǎn):,May.2004,,,,,,,,G60防竄外加劑 自1987年以來(lái)，已在渤海、南海、東海、遼河 等油田應(yīng)用數(shù)百噸，固井質(zhì)量?jī)?yōu)良。與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，其價(jià)格 僅相當(dāng)于同類產(chǎn)品的1/10，具有很好的性能價(jià)格比，取得了較好的