第三章水泥漿化學

第三章水泥漿化學

引言

①固井及目的：

固井施工：將水泥漿注入套管和井壁的環(huán)形空間并固化。

a.封隔油、氣、水層，保護產層

固井目的

b.封隔嚴重漏層及其它復雜層（易塌、高壓層）

c.支撐和保護套管

②固井質量的關鍵：

a套管與水泥漿界面，以及水泥漿與井壁間界面膠結強度要高；

b防止流體在水泥石環(huán)中竄槽。

主要取決于水泥漿添加劑（是關鍵）。第一節(jié)水泥漿組成與分類

一、水泥漿組成

基本組成：水+水泥+外加劑+外摻料

1.油井水泥：指用于油氣固井水泥，主要為硅酸鹽水泥（與民間用水泥有所不同）

主要礦物組成：

（1）硅酸三鈣：3CaO·SiO2（簡稱C3S）

特點：a.占份額最多：＞50%（質量分數(shù)）；

b.水化速度快，對水泥漿初凝及早期強度起主導作用。

（2）硅酸二鈣：2CaO·SiO2（C2S）

特點：a.含量＞20%；

b.因為水化速度較C3S較低，因此主導水泥后期強度。

（3）鋁酸三鈣：3CaO·Al2O3（C3A）特點：a.含量4%～11%；

b.瞬時水化速度最快（短時間內），所以對水泥漿流變性及早期強度影響明顯（雖然含量較低）；

c.對硫酸鹽的侵蝕敏感，因此抗高硫酸鹽水泥必須嚴格控制C3A含量≤3%。（4）鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3（C4AF）

特點：a.含量8%～13%；

b.水化速度較C3A較快，對水泥石強度影響??；

c.主要用于降低制備和水泥燒結溫度。

2.水泥漿外加劑與外摻料（用于調油井水泥性能，摻至≤15%的各類藥品）分為9大類：促凝劑、緩凝劑、減阻劑、膨脹劑、降濾失劑、防氣竄劑，以及減輕或加重外摻劑和防漏外摻劑，另有其它類。二、水泥與水泥漿分類

1.油井水泥分類按API與材料規(guī)范分為9大級別，級別中又分三種型號，即普通型（O）、中抗硫酸鹽型（MSP）、以及高抗型（HSP）。

國產水泥：按適用溫度分為：45℃0～1800m75℃0～3200m95℃1000～3600m120℃3000～50000mAPI級別組成（%）細度cm2/g適用井深/m型號劃分C3SC2SC3AC4AFA452711816000~18300B44315316000~1830MSP/HSPC531911922001830~3050O/MSP/HSPD784941215003050~4270MSP/HSPE38434415003050~4270MSP/HSPF

3050~4880MSP/HSPG503051218000~2440MSP/HSPH503051216000~2440MSP/HSPI

3600~4880MSP/HSP2.水泥漿分類普通型a.膨脹水泥漿；b.鹽水水泥；分兩大類c.膠化水泥；d.高溫水泥；特殊型e.泡沫水泥；f.防塌水泥漿；

g.耐腐蝕水泥漿；h.鉆井液水泥漿。特種水泥漿細分類/主外加劑特點膨脹水泥漿半水石膏水泥漿半水石膏加量8～12%，石膏+C3A→鈣礬石（含有許多水→膨脹）鋁粉水泥漿2Al+Ca(OH)2+2H2O→Ca(AlO2)+3H2，充氣膨脹煅燒氧化水泥漿高溫下膨脹性好，加量0.25～1.0%(MgO)→Mg(OH)2晶體鹽水泥漿NaCl/KCl海水等主要用于無機鹽層或水敏性強地層膠化水泥漿高分子膠化懸浮液（非滲透性成膜性）膠結強度提高，降滲透率（水泥石）、濾失量、防氣竄高溫水泥漿硅粉（含25～50%）阻止水泥水化：C—S-H→C2SH2（晶形排列，破壞內結構，所以強度下降）泡沫水泥漿氣+穩(wěn)泡劑密度低，相對強度高，稠化時間基本不變（決定于水/灰比）濾失量（含氣高→密度低→失水?。┮驗闉V失沿氣泡周圍進行，跨徑長，不能用旋轉粘度計測定（因為可壓縮，非均質多相性）第二節(jié)水泥漿密度及調節(jié)

實現(xiàn)“平衡固井”，確?？刂飘惓毫樱柚酀{減輕或加重劑

一、減輕劑

1.粘土（如膨潤土）：常用填充劑（必須配水及減阻劑）粘土↑→抗壓強度↓

天然類：火山巖2.粉煤灰硅藻土人造玻璃廢渣爐渣3.低剪切顆粒材料：如硬瀝青，珍珠巖粉，瀝青吹氧方法

4.硅酸鈉：固體類+CaCl2

液體+CaCl2

5.微珠：玻璃陶瓷（充氣小球）0.4～0.78g/cm3（N2，CO2）

二、水泥加重劑

（1）較高密度材料：如重晶石，赤鐵礦，砂等；（2）降低水灰比（配用減阻劑如FCLS）；（3）加水溶性鹽第三節(jié)水泥漿稠化時間及調節(jié)

稠化時間：即在指定T和P下，從開始攪拌至稠度達100Bc（稠度單位）所需時間。（與水泥水化速度相關）

要提高固井效率及安全，對于淺井往往加入促凝劑，提高水泥水化速度，縮短水泥漿稠化時間。對于深井，要確保安全（避免灌香腸），要加緩凝劑，降低水泥水化速度，延長水泥漿稠化時間。（初始稠化：15～30min之間的稠度≤30Bc）

一、水泥水化反應及其產物

其水化過程為復雜的溶解—沉淀過程，常溫下主要形成產物：Ca(OH)2、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵鋁酸鈣。

1.硅酸鹽水化反應

3CaO·SiO2+2H2O→2CaO·SiO2·H2O+Ca(OH)22CaO·SiO2+H2O→2CaO·SiO2·H2O2.鋁酸鹽水化反應

3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O

3.水化鋁酸鹽與二水石膏的水化作用

3CaO·Al2O3+Ca(OH)2+(n-1)H2O→4CaO·Al2O3·nH2O

4.鐵鋁酸鹽水化反應：

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

二、油井水泥凝結硬化機理（水化理論—凝聚+結晶理論）

凝結硬化過程要形成兩種不同類型的三維網（空間網）

1.凝聚網：

驅動力：a.大比表面積，表面能自發(fā)降低→弱又有可塑性及能變形的凝聚網（可逆）

b.（膠粒）布朗運動促接觸，碰撞

2.結晶網微晶粒聚結→結晶（網）不可逆強三、水泥水化速度及影響因素

1.V水=單位時間內水泥水化量/總水化量×100%

2.主要影響因素

①溫度：T↑→早期水化速度↑→早期強度↑后期水化程度↓→后期強度↓②顆粒大小及分布粒度↓→表面積↑→活性↑→水化速度↑分布越窄↑→強度↑（150→220m3/Kg）

③水灰比（質量）（一般0.3～0.5）水灰比↑→水化程度↑，速度↑水泥抗壓強度↓

④促/緩凝劑四、水泥漿促凝劑：無機有機：甲酰胺等無機鹽：①CaCl2最好，成本最低（1.5%～4%）

促凝機理：促進水進入水泥，加速水化。＜10%起促凝作用②NaCl=10%～18%影響不大＞18%一起緩凝作用

五、緩凝劑：酸及其鹽：如無機化合物NaCl（＞20%）

鋅和鐵的氧水物

有機化合物：如FCLS，糖類等機理：吸附機理，防水化及晶核成長；螯合機理，減緩飽和析出。第四節(jié)水泥漿流變性及調節(jié)

多數(shù)流體，計算公式：

水泥漿減阻劑就是要降水泥漿粘度。

機理：吸附于水泥顆粒，拆散凝聚網，放出自由水→降粘，如FCLS第五節(jié)水泥漿濾失及其控制

水泥漿中自由水經井壁滲入地層中的現(xiàn)象為水泥漿濾失。

改善泥餅質量，降K（聚合物類）

降濾失機理物理堵塞如膨潤土，石灰石粉，瀝青粉提液相的粘度

第六節(jié)氣竄及其控制1.氣竄：油井固井后，高壓流體經水泥石或殘留鉆井液，或膠結面間流竄到低壓地層或井口。

2.氣竄原因：水泥漿凝結過程中失重/水泥體積收縮/膠結界面固井水泥環(huán)整體強度↓腐蝕機會↑

3.氣竄危害層間竄流，油氣資源浪費不利于勘探和開發(fā)，修井等污染地下水流等

防竄劑：包括降濾失劑、半水石膏、鋁粉等

第七節(jié)水泥漿漏失防漏外摻料（多數(shù)不與水泥發(fā)生化學反應）

機理：堆積堵塞孔洞、裂縫增加漏失阻力1.粒狀（不同級配）：如硬瀝青，甲殼皮2.纖維狀：各種纖維防漏外摻料3.片狀：如云母片，松木片等