油田化學(xué)第3章水泥漿化學(xué)

前言（1）表層套管封隔地表淺水層及淺部疏松和復(fù)雜地層；安裝井口、懸掛和支撐后續(xù)各層套管。（2）生產(chǎn)套管（油層套管）用以保護(hù)生產(chǎn)層，提供油氣生產(chǎn)通道。（3）中間套管（技術(shù)套管）用來(lái)封隔不同地層壓力層系或易漏、易塌、易卡等井下復(fù)雜地層。2、套管類型及其作用第一頁(yè)第二頁(yè)，共54頁(yè)。第一節(jié)水泥漿功能與組成

第二頁(yè)第三頁(yè)，共54頁(yè)。

（1）固井和保護(hù)套管

（2）保護(hù)高壓油氣層（3）封隔嚴(yán)重漏失層和其他復(fù)雜層

一、水泥漿的功能第三頁(yè)第四頁(yè)，共54頁(yè)。2、水泥漿的組成

（2）水泥

水泥是由石灰石、粘土在1450~1650℃下煅燒、冷卻、磨細(xì)而成，它主要含下列硅酸鹽和鋁鹽酸：（1）水配水泥漿的水可以是淡水、鹽水或海水。水泥漿由水、水泥、外加劑和外摻料組成。

第四頁(yè)第五頁(yè)，共54頁(yè)。（1）硅酸三鈣3CaO·SiO2（簡(jiǎn)稱C3S）水泥的主要成份，水化速率和強(qiáng)度增加率高，早期強(qiáng)度和最后強(qiáng)度都高。（2）硅酸二鈣2CaO·SiO2（簡(jiǎn)稱C2S）

含量一般在24％～30％之間；水化反應(yīng)緩慢，強(qiáng)度增長(zhǎng)慢；最終強(qiáng)度低。2、水泥漿的組成第五頁(yè)第六頁(yè)，共54頁(yè)。（3）鋁酸三鈣3CaO·Al2O3（簡(jiǎn)稱C3A）含量少，水化速率高，強(qiáng)度增加速率低，最后強(qiáng)度低。（4）鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3（簡(jiǎn)稱C4AF）含量少，水化速率高，強(qiáng)度增加速率低，最后強(qiáng)度低。

除了以上主要成份之外，還有石膏、堿金屬的氧化物等。2、水泥漿的組成第六頁(yè)第七頁(yè)，共54頁(yè)。

水泥水化后的早期強(qiáng)度主要決定于硅酸三鈣，晚期強(qiáng)度則主要決定于硅酸三鈣和硅酸二鈣，而鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣對(duì)早期強(qiáng)度和晚期強(qiáng)度的影響都較小。水泥石還含有石膏、堿金屬、氧化鈣等。2、水泥漿的組成第七頁(yè)第八頁(yè)，共54頁(yè)。2、水泥漿的組成第八頁(yè)第九頁(yè)，共54頁(yè)。

油井水泥分類

按API(AmericanPetroleumInstitute)標(biāo)準(zhǔn)分類:A、B、C、D、E、、F、G、H、J九個(gè)級(jí)別按我國(guó)石油行業(yè)（SY）標(biāo)準(zhǔn)分類，油井水泥根據(jù)適應(yīng)的地層溫度分成45℃、75℃、95℃、和120℃四個(gè)級(jí)別。

2、水泥漿的組成第九頁(yè)第十頁(yè)，共54頁(yè)。3、水泥漿的外加劑與外摻料

若按用途，則可將水泥漿外加劑與外摻料合在一起分成七類，即水泥漿促凝劑、水泥漿緩凝劑、水泥漿減阻劑、水泥漿膨脹劑、水泥漿降濾失劑、水泥漿密度調(diào)整外摻料、水泥漿防漏外摻料。第十頁(yè)第十一頁(yè)，共54頁(yè)。（1）促凝劑：氯化鈣、硅酸鈉、氯化鉀等。（2）緩凝劑：丹寧酸鈉、酒石酸、硼酸、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽、羧甲基羥乙基纖維素等。（3）減阻劑：—奈磺酸甲醛的縮合物、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽、木質(zhì)素磺化鈉等。（4）膨脹劑（防氣竄劑）：半水石膏、鋁粉、氧化鎂（5）降濾失劑：羧甲基羥乙基纖維素、丙烯酸胺、粘土等。第十一頁(yè)第十二頁(yè)，共54頁(yè)。（6）水泥漿密度調(diào)整外摻料加重劑：重晶石、赤鐵粉等?？墒顾酀{密度達(dá)到2.3g／cm3。減輕劑：硅藻土、粘土粉、瀝青粉、玻璃微珠、火山灰等。可使水泥漿的密度降到1.45g／m3。（7）防漏失劑：瀝青粒、纖維材料等。第十二頁(yè)第十三頁(yè)，共54頁(yè)。第二節(jié)水泥漿密度及其調(diào)整第三章水泥漿化學(xué)第十三頁(yè)第十四頁(yè)，共54頁(yè)。

固井時(shí)，為使水泥漿能將井壁與套管間的鉆井液替換的徹底應(yīng)要求水泥漿密度大于鉆井液密度，但又以不壓漏地層為度。

配水泥漿時(shí)，水與水泥的質(zhì)量比稱為水灰比。水泥漿通常的水灰比在0.3~0.5范圍，所配得水泥漿密度則在1.8~1.9g·cm-3范圍。前言第十四頁(yè)第十五頁(yè)，共54頁(yè)。

能降低水泥漿密度的物質(zhì)稱為降低水泥漿密度外摻料。在低壓油氣層或易漏地層固井時(shí)，需在水泥漿中加入降低水泥漿密度外摻料。

（1）粘土

粘土的固相密度（2.4~2.7g·cm-3）。低于水泥的固相密度（3.1~3.2g·cm-3）。

1、降低水泥漿密度外摻料第十五頁(yè)第十六頁(yè)，共54頁(yè)。（2）粉煤灰

粉煤灰是粉煤燃燒產(chǎn)生的空心顆粒，主要成分為二氧化硅。粉煤灰固相密度（約2.1g·cm-3），比水泥的固相密度低。（3）膨脹珍珠巖

膨脹珍珠巖是通過(guò)珍珠巖高壓熔融，然后迅速減壓、冷卻所產(chǎn)生的多孔性固體。1、降低水泥漿密度外摻料第十六頁(yè)第十七頁(yè)，共54頁(yè)。

能提高水泥漿密度的物質(zhì)稱為提高水泥漿密度外摻料。在高壓油氣層固井時(shí)，需在水泥漿中加入提高水泥漿密度的外摻料。2、提高水泥漿密度外摻料（1）高密度固體粉末

（2）水溶性鹽

第十七頁(yè)第十八頁(yè)，共54頁(yè)。第三節(jié)水泥漿稠化及稠化時(shí)間的調(diào)整第三章水泥漿化學(xué)第十八頁(yè)第十九頁(yè)，共54頁(yè)。

(1)水泥漿稠化水與水泥混合后水泥漿逐漸變稠,水泥漿這種逐漸變稠的現(xiàn)象稱為水泥漿稠化。

1、水泥漿稠化

(2)水泥漿稠度水泥漿稠化的程度用稠度表示。水泥漿的稠度是用稠化儀通過(guò)測(cè)定一定轉(zhuǎn)速的葉片在水泥漿中所受的阻力得到，單位為Bc。第十九頁(yè)第二十頁(yè)，共54頁(yè)。

（3）水泥漿稠化速率

用稠化時(shí)間表示。稠化時(shí)間是指水與水泥混合后稠度達(dá)到100Bc所需的時(shí)間。為使水泥漿順利注入井壁與套管的環(huán)空，應(yīng)要求稠化時(shí)間等于注水泥漿施工時(shí)間（即從配水泥漿到水泥漿上返至預(yù)定高度的時(shí)間）加上一小時(shí)。

1、水泥漿稠化第二十頁(yè)第二十一頁(yè)，共54頁(yè)。第二十一頁(yè)第二十二頁(yè)，共54頁(yè)。

水泥漿稠化是由水泥水化引起的。水泥的主要成分與水發(fā)生的水化反應(yīng)為：2、水泥的水化反應(yīng)第二十二頁(yè)第二十三頁(yè)，共54頁(yè)。2、水泥的水化反應(yīng)第二十三頁(yè)第二十四頁(yè)，共54頁(yè)。水泥的水化分為五個(gè)階段：①預(yù)誘導(dǎo)階段：這階段是在水與水泥混合后的幾分鐘時(shí)間內(nèi)。在這階段，由于水泥為水潤(rùn)濕而開(kāi)始水化反應(yīng)，放出大量的熱(其中包括潤(rùn)濕熱和反應(yīng)熱)。水化反應(yīng)生成的水化物在水泥顆粒表面附近形成飽和溶液并在表面析出，阻止了水泥進(jìn)一步水化，使水化迅速下降，進(jìn)入誘導(dǎo)階段．②誘導(dǎo)階段：在這階段，水泥的水化速率很低．但由于水泥表面析出的水化物漸溶解(因它對(duì)水泥漿的水相未達(dá)到飽和)，所以在這階段后期，水化速率有所增加．第二十四頁(yè)第二十五頁(yè)，共54頁(yè)。③固化階段：在這階段，水化速率增加。水泥水化產(chǎn)生大量的水化物，它們首先溶于水中，隨后飽和析出，在水泥顆粒間形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使水泥漿固化。④硬化階段：在這階段，水泥顆粒間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越密，水泥石強(qiáng)度越來(lái)越大，因此滲透率越來(lái)越低，影響未水化的水泥顆粒與水接觸，水化速率越來(lái)越低。⑤中止期：在這階段，滲入水泥石的越來(lái)越少，直到不能滲入，從而使水泥的水化中止，完成了水泥水化的全過(guò)程。水泥的水化分為五個(gè)階段：第二十五頁(yè)第二十六頁(yè)，共54頁(yè)。第二十六頁(yè)第二十七頁(yè)，共54頁(yè)。（1）促凝劑：縮短水泥漿稠化時(shí)間的物質(zhì)

3、水泥漿稠化時(shí)間調(diào)整●促凝機(jī)理

壓縮析出水化物表面的擴(kuò)散雙電層，使它在水泥顆粒間形成有高滲透性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于水的滲入和水化反應(yīng)的進(jìn)行而起促凝作用。（氯化鈣）

●促凝劑舉例

氯化物、碳酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、鋁酸鹽、低分子有機(jī)酸鹽等。第二十七頁(yè)第二十八頁(yè)，共54頁(yè)。

（2）緩凝劑：延長(zhǎng)水泥漿稠化時(shí)間的物質(zhì)●緩凝機(jī)理：

吸附機(jī)理：緩凝劑吸附在水泥顆粒表面，阻礙與水接觸。也可吸附在飽和析出的水泥水化物表面，影響其在固化階段和硬化階段形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的速率。螯合機(jī)理：緩凝劑可與通過(guò)螯合形成穩(wěn)定的五元環(huán)和六元環(huán)結(jié)構(gòu)而影響水泥水化物飽和析出的速率。3、水泥漿稠化時(shí)間調(diào)整第二十八頁(yè)第二十九頁(yè)，共54頁(yè)?！窬從齽┡e例(1)硼酸及其鹽

第二十九頁(yè)第三十頁(yè)，共54頁(yè)?！窬從齽┡e例(2)膦酸及其鹽

第三十頁(yè)第三十一頁(yè)，共54頁(yè)。(3)羥基羧酸及其鹽

第三十一頁(yè)第三十二頁(yè)，共54頁(yè)?！窬從齽┡e例(4)木質(zhì)素磺酸鹽及其改性產(chǎn)物第三十二頁(yè)第三十三頁(yè)，共54頁(yè)?！窬從齽┡e例(5)水溶性聚合物

第三十三頁(yè)第三十四頁(yè)，共54頁(yè)。●緩凝劑舉例第三十四頁(yè)第三十五頁(yè)，共54頁(yè)。第四節(jié)水泥漿流變性及其調(diào)整第三章水泥漿化學(xué)第三十五頁(yè)第三十六頁(yè)，共54頁(yè)。

水泥漿流變性與水泥漿的流動(dòng)阻力有關(guān)，與水泥漿對(duì)鉆井液的頂替效率和固井質(zhì)量有關(guān)。水泥漿流變性與泥漿流變性類似。

1、水泥漿流變性第三十六頁(yè)第三十七頁(yè)，共54頁(yè)。2、水泥漿流變性調(diào)整

水泥漿流變性調(diào)整主要是通過(guò)加水泥漿減阻劑降低流動(dòng)阻力。減阻劑作用機(jī)理：同泥漿降粘劑。通過(guò)吸附提高水泥顆粒表面負(fù)電性并增加水化層厚度從而使水泥顆粒形成的結(jié)構(gòu)拆散。

第三十七頁(yè)第三十八頁(yè)，共54頁(yè)。

（1）羥基羧酸及其鹽檸檬酸、水楊酸、蘋果酸等及其鹽。熱穩(wěn)定性高、抗鹽性強(qiáng)、緩凝作用好等特點(diǎn)。

（2）木質(zhì)素磺酸鹽及其改性產(chǎn)物與羥基羧酸及其鹽相比有類似特點(diǎn)，使用時(shí)要加消泡。

減阻劑類型：第三十八頁(yè)第三十九頁(yè)，共54頁(yè)。

（3）烯類單體低聚物聚乙烯磺酸鈉、苯乙烯磺酸鈉、苯乙烯磺酸鈉與順丁烯二酸酐的共聚物等（2~6×103）。熱穩(wěn)定性高、不起泡、不緩凝、減阻效果好。

（4）磺化樹(shù)脂低縮聚物磺化烷基萘甲醛樹(shù)脂具有烯類單體低聚物特點(diǎn)，但有一定的緩凝作用（2~4×103）。分散劑類型：第三十九頁(yè)第四十頁(yè)，共54頁(yè)。第五節(jié)水泥漿濾失性及其調(diào)整第三章水泥漿化學(xué)第四十頁(yè)第四十一頁(yè)，共54頁(yè)。

一般固井常規(guī)濾失量250ml，深井固井50ml，油氣層固井20ml。地層滲透率越低，濾失量應(yīng)越低。1、水泥漿濾失量要求第四十一頁(yè)第四十二頁(yè)，共54頁(yè)。2、降濾失劑分類及作用機(jī)理

（1）固體顆粒：捕集和物理堵塞機(jī)理

（2）膠乳：粘稠液珠在地層孔隙結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生Jamin效應(yīng)，在地層孔隙表面成膜，降低地層滲透率

（3）水溶性聚合物：增粘、吸附、捕集和物理堵塞機(jī)理第四十二頁(yè)第四十三頁(yè)，共54頁(yè)。降濾失劑：第四十三頁(yè)第四十四頁(yè)，共54頁(yè)。降濾失劑：第四十四頁(yè)第四十五頁(yè)，共54頁(yè)。降濾失劑：第四十五頁(yè)第四十六頁(yè)，共54頁(yè)。降濾失劑：第四十六頁(yè)第四十七頁(yè)，共54頁(yè)。第六節(jié)氣竄及其控制第三章水泥漿化學(xué)第四十七頁(yè)第四十八頁(yè)，共54頁(yè)。

（1）定義高壓氣層中的氣體沿著縫隙進(jìn)入低壓層或上竄至地面的現(xiàn)象。1、氣竄定義及發(fā)生原因（2）氣竄原因水泥漿在固化階段和硬化階段體積收縮。

第四十八頁(yè)第四十九頁(yè)，共54頁(yè)。

（1）半水石膏

CaSO4·

1/2H20+3/2H2O→CaSO4·2H2O

（半水石膏）

3CaO

·

AL2O3+6H2O→3CaO

·

AL2O36H2O

（鋁酸三鈣）

3（CaSO4·2H2O）+3CaO

·

AL2O36H2O+20H2O→3CaO

·

AL2O3·

3

CaSO4·32H2O（鈣礬石）反應(yīng)生成的鈣礬石分子中含有大量的結(jié)晶水，體積膨脹，抑制了水泥漿的體積收縮。

2、防氣竄劑（水泥漿膨脹劑）第四十九頁(yè)第五十頁(yè)，共54頁(yè)。（2）鋁粉：2Al+Ca(OH)2+2H2