油井水泥幾種主要外加劑

1、一、促凝早強劑定義：主要是指能顯著縮短水泥漿稠化時間，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度的外加劑。主要用途：縮短凝結(jié)時間，表層套管注水泥、打水泥塞、堵漏等。作用機(jī)理：氯鹽類早強劑：氯鹽促進(jìn)水泥漿硬化和早強的機(jī)理，主要有兩個方面的原因。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，密實性增大，從而提高了水泥石的強度。硫酸鹽類早強劑：硫酸鹽對水泥的促硬、早強作用，主要是因為它能與水泥熟料礦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

2、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度的提高。有機(jī)早強劑：如三乙醇胺，它能起到促凝早強作用是由于三乙醇胺能促進(jìn)水泥石形成更多的鈣磯石，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，它與其它促凝早強劑復(fù)合使用，可發(fā)揮更好的早強作用。主要類型：無機(jī)鹽類氯化鈣，液體氯化鈣，硅酸鹽，硫酸鹽，氯化鈉，鋁酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽、硫代硫酸鹽以及鈉、鉀、錢的氫氧化物等。有機(jī)化合物促凝劑主要包括：甲酸鈣Ca(HCOO)2、甲酰錢(CHONH2)、草酸(H2c2O4)和三乙醇胺(N(C2H4OH)3等。復(fù)合促凝劑研究表明，由多種無機(jī)鹽促凝

3、劑和有機(jī)化合物促凝劑復(fù)合的早強劑，往往可得到比單一類型促凝劑促凝效果更好的外加劑。我國目前油田常用的早強劑通常為復(fù)合型的促凝早強劑，往往很少單獨使用一種早強劑二、緩凝劑定義：通過物理化學(xué)作用，能顯著延緩水泥漿稠化時間，防止油井水泥凝結(jié)過快的外加劑可稱作為油井水泥緩凝劑。有些緩凝劑同時還具有減阻和降失水的作用。主要作用：延長水泥漿稠化時間，保持水泥漿在注入和頂替期間保持良好的可流動性。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）的作用過程，由于不同的緩凝劑有不同的化學(xué)性質(zhì)和作用過程，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程的情況，本項工作需

4、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)生是因為緩凝劑吸附在水化物表面上抑制了與水的接觸。 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。 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)理有可能在緩凝過程中都發(fā)生，或其中的一種或兩種機(jī)理在緩凝過程中同時發(fā)生。主要類型：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。木質(zhì)素磺酸鹽類羥基竣酸類（灑石酸、硼酸及其鹽、葡萄

5、糖酸）糖類化合物纖維素衍生物有機(jī)磷酸鹽類合成高溫緩凝劑無機(jī)化合物類單寧及其衍生物三、降失水劑定義：固井時水泥漿在壓力下流經(jīng)高滲透地層時，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，目前主要通過減小濾餅滲透率或提高水相粘度等手段來達(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。作用機(jī)理：研究降失水劑的作用機(jī)理主要應(yīng)通過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：減少水泥濾餅的

6、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：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，通過其吸附基團(tuán)和水化基團(tuán)在水泥顆粒表面形成水泥顆粒一線性高分子一水分子吸附層”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。增大水泥漿液相粘度，通過增大液相向地層濾失的阻力，降低水泥漿失水。主要類型：特制的超細(xì)研磨材料和水溶性聚合物。(1)特制的超細(xì)研磨材料如：膨潤土、石灰石粉、瀝青質(zhì)、熱塑性樹脂、膠乳等類的顆粒材料(2)水溶性高分子及有機(jī)材料a.水溶性改性天

7、然產(chǎn)物改性纖維素類一一增稠現(xiàn)象 淀粉類一一經(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。 改性褐煤類一一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。 單寧類一一單寧的主要有效成分是具有多元酚基和竣基的有機(jī)物質(zhì)，經(jīng)接枝化學(xué)改性后的單寧還可用作油井水泥降失水劑。b.合成具有磺酸鹽基團(tuán)或剛性基團(tuán)的水溶性聚合物聚乙烯醇類AMPS共聚物 丙烯酰胺-丙烯酸聚合物體系 聚丙烯酰胺，磺甲基聚丙烯酰胺體系 聚乙烯多胺的共聚物等合成苯乙烯-丁二烯，膠乳

8、丙烯酸或類似膠乳水泥漿體系四、分散劑定義：油井水泥分散劑主要用于改善水泥漿的流動性，降低水泥漿體系的粘度，改善并顯著提高水泥漿的流變性能的外加劑。主要用途：稀釋水泥漿，提高頂替效率，降低水馬力，使水泥漿易于泵送。作用機(jī)理：分散劑的主要作用機(jī)理是分散劑的吸附分散作用，具微觀機(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，提高水泥漿的流變性；潤濕作用分散劑的潤濕作用會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

9、劑化水膜，阻止了水泥顆粒的直接接觸，起到了潤滑分散的作用；微氣泡潤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)點具有相同符號的電荷，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能力，使水泥顆粒分散。主要類型：a.磺酸鹽類密胺磺酸鹽類（PMS）聚蔡磺酸鹽類木質(zhì)素磺酸鹽聚苯乙烯磺酸鹽b.醛酮縮聚物c.分子質(zhì)量相對較低的羥基聚多糖，如水解淀粉等；d.低分子化合物，如羥基竣酸等。五、消泡劑定義：許多油井水泥外加劑在配制過程中可能引起氣泡，水泥漿的過渡起泡可造成嚴(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。作用機(jī)理： 消泡劑的分子結(jié)構(gòu)通常帶有支

10、鏈并且爛鏈較短，使消泡劑在氣-液界面上形成的雙吸附層強度差，有利于消泡； 消泡劑親水基的極性較弱，親油性較強，對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，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，加入泡沫體系后可頂替泡沫分子，使泡破裂而有利于消泡。主要類型：高分子醇，硅氧烷磷酸酯甘油聚醴等長鏈羥基化合物粉狀消泡劑長鏈有機(jī)化合物液體消泡劑六、減輕劑定義：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，以免油氣層受到傷害；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。作用機(jī)理：水基減輕劑：指能吸附過量的水

11、且起到充填作用的材料，如膨潤土，硅酸鈉等水溶增粘齊I；這類減輕劑能使水泥漿混配保持均勻，阻止過量游離水的產(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：指常用空氣或氮氣來配制的具有超低密度且足夠抗壓強度的泡沫水泥，常有化學(xué)發(fā)泡和機(jī)械充氣兩種方法。主要類型： 膨潤土：也叫搬土，密度2.602.70g/cm3,是由主要含粘土微礦晶的蒙脫石(NaAl2(AlSi3Oio)組成，是由兩層硅氧四面體夾一層鋁氧八面體所組成，膨潤土低密度水泥漿適宜的密度為1.531.58g/cm3。膨潤土摻量為干水泥重量的210%。

12、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1350-1400c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(2N&OSiO2)、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。 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,壓實容重為1000-1400Kg/M3。

13、粉煤灰的顆粒粒徑為0.5300um。其化學(xué)成分主要以SiO2、AI2O3w為主，并含有少量的F»O3、CaO、Na2。、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1.68-1.55g/cm3。七、加重劑定義：在油氣井固井中，高孔隙壓力、井壁不穩(wěn)定和塑性流動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，可以通過降低用水量和添加高比重的材料來實現(xiàn)。通常我們稱這種可以加重水泥漿密度的高比重材料為油井水泥漿加重劑。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

14、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。用水量過大，會使加重劑加量增大，影響水泥漿的強度發(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，同時對外加劑的吸附能力要弱。主要類型：鈦鐵礦石，赤鐵礦石，重晶石以及可水混加重材料。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潤濕顆粒，所以使用效果受到一定的削弱.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,對水泥漿的稠化時間和抗壓強度影響較小。目前能提供的鈦鐵礦石的粒度分布較粗，需要調(diào)整水泥漿的粘度以防止水泥漿離析。赤鐵礦:是一種紅色顆粒材料，粒度

15、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，常常加入分散劑來調(diào)節(jié)水泥漿的稠度，是一種較為有效的加重材料?？伤旒又夭牧希菏且环N以赤鉆礦粉為主要成分棕紅色粉末的超細(xì)加重材料，比重為：4.84.9,平均顆粒粒度5pm,不增加需水量，無沉降穩(wěn)定問題，有適當(dāng)減阻效果，可將水泥漿密度加重至2.8,但由于該種材料價格昂貴，通常與其它材料配合適用，目前在國外高壓油氣井固井中已得到較大量的應(yīng)用，在我國南海高壓氣井固井中已有采用，效果良好。加重劑外觀密度細(xì)度對水泥漿的影響可配制的水泥漿密度重晶石粉白色粉末4.14.497%<75科m80%<45科m增加需水量較大，增

16、稠可達(dá)到2.35g/cm3赤鐵礦粉暗紅色粉末4.85.297%<75科m85%<45科m增加需水量較小，稍增稠可達(dá)到32.60g/cm鈦鐵礦粉黑色細(xì)粒4.44.597%<75科m80%<45科m增加需水量較小可達(dá)到C/L，32.45g/cmBXW300S棕紅色粉末4.84.9平均顆粒粒度5m不增加需水量，無沉降穩(wěn)定問題，有適當(dāng)減阻效果可達(dá)到32.80g/cm八、防止水泥石高溫強度退化的外加劑API油井水泥當(dāng)溫度低于110c時，具有較低的滲透率，并隨溫度的升高，抗壓強度提高，當(dāng)溫度超過110C,尤其當(dāng)溫度超過125C時，隨溫度的升高抗壓強度大幅度降低，滲透率大大提高，這種

17、現(xiàn)象稱作水泥石強度高溫退化。溫度越高，水泥石強度退化現(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。定義：能防止水泥石高溫強度退化，穩(wěn)定水泥石強度，降低水泥石滲透率的外加齊L稱為防止水泥石高溫強度退化的外加劑。主要用于熱力開采稠油和深井注水泥。主要類型：硅石粉即石英砂。硅粉作為一種高溫穩(wěn)定劑，在高溫、水化過程中，一方面能吸收水泥水化時析出的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a-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度和熱穩(wěn)定性，硅粉密度為2.62

18、g/cm3,加量為干灰的3540%。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度退化劑。九、游離水控制和固體懸浮調(diào)節(jié)劑定義：具有控制水泥漿沉降穩(wěn)定性，降低游離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。主要類型：有機(jī)聚合物、生物聚合物、硅酸鈉以及膨潤土，綠坡縷石，硅灰等材料，在諸多產(chǎn)品中，生物聚合物占絕對優(yōu)勢。國內(nèi)按水泥漿的設(shè)計需要，通常添加以上材料中的一種或兩種材料來保證水泥漿的沉降穩(wěn)定性并控制游離液含量。外加劑類別作用,學(xué)成分反應(yīng)機(jī)理促凝劑縮短稠化、凝結(jié)時向“化鈣、氯化鈉提高C-S-H凝膠層滲透率早強劑提高早期強度硅酸鈉與鈣離子反應(yīng)生成C-S-H凝膠核緩凝劑延長稠化、凝結(jié)時問«質(zhì)系磺酸鹽吸附到C-S-H凝膠層，降低滲透率“維素衍生物門機(jī)磷酸鹽類防止聚合及水化物增長無機(jī)化合物類使鈣離子鰲和，不滲透層沉積在C-S-H凝膠層降失水劑減少水泥漿脫水纖維素衍生物提高水泥漿水相黏度合成聚合物