《水泥浆设计》PPT课件.ppt

1,水泥浆设计技术,2,介绍内容,第一部分 水泥浆的性能及其影响因素第二部分 选用外加剂应注意的方面第三部分 适合井况要求的水泥浆设计,3,第一部分水泥浆的性能及其影响因素,4,一、描述油井水泥 及水泥浆性能的参数,水泥浆的性能(现行)国家和API标准 密度 自由水(析水)滤失量(失水)稠化时间 流变性能 水泥石抗压强度 水泥石渗透率,水泥的性能 自由水 抗压强度 安定性 细度 稠化时间,水泥浆的性能(原)国家标准 密度 流动度 凝结时间 水泥石抗折强度,5,二、水泥浆的性能,1、水泥浆密度 水泥浆密度是一个重要参数，主要由水泥、水、外加剂和外掺料的比例控制。一般含水量越小，密度越大。,6,（1）用水量：水化需水量、标准用水量、最小用水量、最大用水量。水化需水量：在正常情况下，水泥水化和凝固的需水量一般为水泥质量的25左右。而水泥浆具有可泵性的最小含水量为38。可见，实际水泥浆存在较大的游离水，主要以束缚水和自由水的形式存在。,7,标准用水量：按照水泥正常水灰比的加水量。如G级44，A、B级46，C级56，D、E、F、H级38。正常用水量：根据“水泥浆含水量的确定”，在室温下，水泥浆的常压稠度的最大值11ABc的含水量。最小用水量：根据“水泥浆含水量的确定”，在室温下，水泥浆在常压稠化仪中搅拌20min，其最大稠度为30ABc的含水量。,8,最大用水量：为了使水泥颗粒保持悬浮，直至凝固，根据“水泥浆含水量的确定”，在27条件下，水泥浆游离水不大于1.4的含水量。最佳用水量：根据“水泥浆含水量的确定”，在室温下，水泥浆在常压稠化仪中搅拌20min的最大稠度不大于11ABc，且游离水不大于1.4的含水量。在配制水泥浆时应满足2个指标，稠度和游离水含量。对它们的要求是随不同的注水泥类型而改变的。这与油井水泥的质量检验是两个概念（如标准规定，任何水泥浆在增压稠化仪中稠化1530min的最大稠度应小于30BC，对G级和H级水泥，游离水还应小于1.4%）。,9,（2）密度设计：根据井下条件和施工作业的要求进行密度设计。设计准则：满足井下压力条件限制。静液柱压力必须大于地层孔隙压力，静液柱压力与流动阻力之和必须小于地层破裂压力。满足顶替效率的密度差要求。尾浆领浆前置液钻井液。可能的条件下，考虑密度差0.120.24g/cm3，但密度越大，流动阻力也越大。,10,满足水泥石强度和胶结要求。对于尾浆，特别是封隔油气层段的水泥浆，应尽量使用标准密度（同时，也有利于降低渗透率和孔隙度）。非胶凝材料加重剂和减轻剂应尽量少加。,11,（3）密度的调节方法：用加入外加剂和外掺料调节水泥浆的密度。水泥浆的正常密度范围是1.781.98 g/cm3。低密度水泥：加减轻剂。主要有空心微珠、硅灰、粉煤灰、硅藻土、水玻璃、膨润土等。高密度水泥：加分散剂减水和加重剂。加重剂主要有重晶石、钛铁矿粉、铁矿粉、盐等。,12,（4）密度的测量方法：常压钻井液密度计、加压钻井液密度计、振荡管密度计和核密度计等。影响密度测量准确性的因素：温度压力、排量、水泥浆混合效率、空气混入、浆体稳定性、安放密度计的位置和取样间隔等。,13,2、水泥浆的稳定性,水泥浆的稳定性，已越来越得到人们的重视。实践已证明，许多水泥浆由于配方设计不合理，稳定性差，固相颗粒产生沉降，析出自由水。因此，容易形成桥堵或油气水窜流通道，特别是水平井和大斜度井更容易在井眼上侧形成连通的自由水带和在下侧形成固相沉降垫层引起窜槽。,14,（1）稳定性的表示方法：,水泥浆的稳定性一般可用游离水量（水泥石的体积收缩量）、水泥柱的纵向密度分布和表示。实际应用中，只要存在上述情况之一，都认为水泥浆是不稳定的，即：垂直水泥柱存在较大的密度梯度，和/或水泥浆静止2小时游离出较大的自由水。这两种现象单独发生，也可以同时出现。,15,（2）稳定性的测量方法：,API标准的自由水；水泥柱纵向收缩；水泥柱纵向密度梯度（分布）。,16,（3）提高稳定性的方法：,提高水泥浆稳定性就是降低游离水量和沉降量，主要方法是增加浆体粘度和静切力。增加水泥浆的粘度：减少用水量（增加水泥或减轻剂或加重剂）、增加固相物细度、加入增粘聚合物（一般受温度影响大）。,17,增加水泥浆的静切力（胶凝强度）：一般可加入AlCl3、FeCl3和硫酸铝等。应注意的问题：应区分概念胶凝与絮凝。流变学角度，胶凝是由静止而产生的触变性，施加外力即可恢复流动；而絮凝则是生成具有结构性的絮凝物，施加外力不能分散流动，只能整体移动。化学角度，胶凝是生成具有胶体结构的凝胶；絮凝则是生成沉淀物。应注意静切力提高值应适当。要充分估计停泵一定时间内能开泵循环和不压漏地层。,18,3、水泥浆的流变性,流变参数是描述水泥浆在外力作用下，产生流动的特点的参数。它的合理描述和准确测量，直接影响准确计算注水泥过程的流动摩阻压力。常用流变模式参数有：PV、YP(宾汉)，n、k(幂律)，YP、n、k(赫巴)等。,19,（1）流变性能的测定方法：,常压、常温或中温（82）,用范式35型粘度计；高温高压下，用增压流变仪，如7400型流变仪。只有正确的描述（模型选择）和测出（测试仪器和条件）水泥浆的流变性能，才能准确计算注水泥的流动摩阻，合理的安排地面设备，防止发生井下事故（漏失），提高顶替效率。,20,（2）流变性能的影响因素：,水泥浆的流变学性质，不仅受其本身水化过程的影响，还受温度、压力、剪切时间、水灰比、外掺料和外加剂等的影响。,21,温度的影响,一般情况下，温度对水泥浆流变性能有很显著的影响，其影响的程度往往与外加剂体系有关。,22,压力的影响,一般情况下，压力对流变性能的影响不如温度明显。,23,密度的影响,随密度的增加，水泥浆的流变性能有较明显的影响。这也是在易漏失井注水泥时，限制施工密度波动上限的因素之一。,24,4、水泥浆的滤失量,水泥浆中的自由水在压差作用下，通过井壁渗入到地层中的现象。API根据大量实践和研究，总结出了公认的滤失量控制情况。控制很好：200ml 控制中等：200500ml 控制较差：5001000ml 不能控制：1000ml,25,1982年D.K.Smith指出，6.9MPa下，不同用途的水泥浆的滤失量，应达到以下要求：防气窜：3050ml/30min 固尾管和挤水泥：50ml/30min 固套管：250ml/30min 防窜水泥浆在BHST下测定，其余在BHCT下测定。,26,（1）降低滤失量的目的,降低水泥浆的滤失量，能防止因渗透性地层的滤失作用引起施工事故和油气层的损害。,27,防止施工事故,水泥浆滤失量过大，会造成以下情况：生成过厚的滤饼，泵压增加，可能憋漏地层；过早的脱水，有瞬凝的危险；缩短稠化时间，导致过早凝结；降低水泥石强度；环空桥塞，产生层间窜流。,28,防止油气层损害,水泥浆滤失的滤液所造成的对油气层的损害，是长期关注的问题。滤液侵入使粘土膨胀、絮凝及坍塌；与地层水反应生成沉淀；与钻井液滤液反应生成沉淀。,29,（2）降低滤失量的方法,在油气井注水泥中，降低水泥浆滤失量的方法有：降低水灰比，减少自由水；改善水泥浆固相颗粒的粒度级配，增加微米级细颗粒的含量；加入降失水剂：增加水的粘度；迅速形成致密滤饼。值得注意的是：选择能迅速生成滤饼，而不明显增加粘度的材料作降失水剂最好。典型的有胶乳和非渗透剂。,30,（3）降失水剂类型,常用的降失水剂主要有两大类：微粒和水溶性高聚物。微粒材料 无机固相材料，如粘土、超细钙、微硅等；油溶有机材料：如胶乳。常用的有丁苯胶乳（176）、二氯乙烯和聚醋酸乙烯酯（低于）等。水溶性高聚物 主要包括：合成的水溶性聚合物和改性的天然高分子聚合物。,31,5、稠化时间,在注水泥施工中，由于水泥颗粒的不断水化，水泥浆的粘度将逐渐增加，直至增稠至不能流动。为了保证注水泥作业的施工安全，必须事先测定水泥浆在与井内相同温度和压力下的稠化时间，作为施工作业时间的依据。,32,（1）可泵性与稠度,对水泥浆的可泵性与稠度的关系，目前仍然说法不一，但一般认为：容易泵注：5 20BC；不易泵注：20 30BC；难于泵注：30 40BC；不能泵注：40BC（也有认为高密度50BC）；易沉降，伴有自由水：5BC（也有认为2BC）。值得注意：说法虽不一，并无防碍，因用稠度描述可泵性只是定性的，实际施工中是以流变性作定量设计的。,33,（2）稠化时间与初终凝时间的关系,初终凝时间是用韦卡仪在静止状态下测得的，稠化时间是用稠化仪，在水泥浆始终处于运动状态下测得的。尽管所用仪器和水泥浆所处状态都不相同，但仍存在一定的关系。以下是摘录自苏联一专利的数据。,34,稠化时间与初终凝的关系,从表中数据可以看出，一般情况下，稠化时间比初凝时间提前，大约在1530min之间。国内作初凝时间一般都是在常压下进行。温度相同，压力不同时就没有这种关系。,35,6、水泥石强度（抗压强度）,固井注水泥的目的之一，就是在井壁与套管之间保持良好的封隔，在正常生产时间内的任何时候，都不允许地层流体或完井液通过水泥环在环空中流动。（1）水泥石强度作用主要包括3方面的含义：承受地层压力；支撑套管；封隔地层。,36,（2）水泥浆的固结特性,要保证水泥石与套管和地层之间的胶结质量，达到有效封隔地层，应考虑两个胶结特性：剪切胶结力和水力胶结力。剪切胶结力：支撑套管的自重。一般通过测量水泥石与套管间开始产生移动时的作用力确定，用单位接触面积上所需作用力的大小表示。一般情况下，剪切胶结强度为抗压强度的1020%。值得注意：水泥环达到最大剪切胶结强度的时间与养护温度有关（如20为7d，70为3d），且最大剪切胶结强度的大小与表面粗糙度和温度有关（粗糙度增加最大胶结强度增加，温度升高最大胶结强度一般要降低）。,37,水力胶结力：水力是阻止流体在环空中窜移的能力，一般通过测定套管与水泥环之间开始渗漏的压力确定。对于有效封隔地层来说，水力胶结强度比剪切胶结强度的作用更大。,38,7、水泥石的渗透率,渗透率是一定压力下，水泥石允许流体通过的特性，单位m2。一般情况下，对水泥石渗透率不作要求，用于封固腐蚀性地层应尽量降低渗透率。,39,第二部分选用外加剂应注意的方面,40,在选用水泥外加剂时，应该注意的问题有：首先要考虑选择同一公司或厂家的系列产品，否则，必须进行相容性试验；缓凝剂应选择适应温度范围广，稠化时间与加量的线性好的产品；降失水剂应选择能形成致密薄滤饼的产品；分散剂应选择不起泡或消泡容易的产品。,41,1、外加剂对温度的敏感性,外加剂的效果容易受到井下温度的影响，使用时，必须认真考虑外加剂的适应温度界限。一般认为，在接近适应温度上限时，通常就不再选用，而应选用适应温度更高一级的产品。这样，不仅能保证设计性能要求，而且能使性能稳定可靠。,42,2、外加剂对浓度的敏感性,外加剂对浓度的敏感性，主要考虑缓凝剂，其它外加剂对浓度的敏感性常常影响不大。缓凝剂浓度与稠化时间的呈现以下关系：（1）与浓度成线性（2）与浓度成幂律型（3）与浓度成对数关系（4）与浓度成不规则变化。,43,3、最佳配方的设计方法,在水泥浆配方的设计中，使它的各项性能都达到设计要求，通常是较难的。一般是在保证稠化时间不太长的前提下，调节降失水剂与分散剂的加量，以便具有较低的失水和良好的可泵性。在实验室，应仔细测定降失水剂与分散剂的浓度比（它们之间的作用是相当复杂的），以使最小的加量达到最佳的效果。也就是说，应该综合考虑降失水剂和分散剂的比例，以达到成本最低，效果最好。,44,4、外加剂的混合顺序,通常，外加剂的加入顺序为：消泡剂、降失水剂、分散剂、缓凝剂。当然，实际外加剂体系的加入顺序，应根据外加剂厂家的推荐，通过室内试验测定，并把确定的顺序以报告的形式告知固井作业人员，以便正确施工。,45,第二部分适合井况要求的水泥浆设计,46,一、水泥浆体系研究与控制因素,1、水泥浆体系的控制因素 外加剂、外掺料类型及性能；优选外加剂组配；外掺料与水泥间粒度级配。,47,2、水泥浆主要特殊性能及控制,(1)稳定性评价分析 API自由水不足以反映体系稳定性 高密度水泥浆体系固相颗粒沉降控制途径固相颗粒下沉速度取决于密度差细度；体系保持稳定性应具有的最小静切应力和颗粒下沉速度；低密度体系应选择相对密度较高颗粒较细的减轻剂；高密度体系应选择相对密度较低颗粒较细的加重剂。合理的外掺料级配有助于提高体系稳定性,48,(2)流变性研究 流变性对固井作业的影响配浆密度控制；设计性能与实际性能出现差异；作业设计与实际执行效果。配方组份对流变性控制的响应固相材料的合理搭配能改善流动性与稳定性的协调；不能过量使用减阻剂牺牲体系稳定性；复配、减阻、调凝、降失水要掌握单剂效能；调节流变性必须注意总体性能协调。,49,高温高压对水泥浆流变性能的影响 温度对水泥浆流变性影响显著；压力对水泥浆流变性影响有一定作用范围；配方变化会使HTHP流变性出现不同的响应方向；流变性在HTHP下的变化会导致摩阻增加或降低，影响平衡压力设计和顶替流态设计；高温高压流变性必须用专门手段测定掌握；三参数流变模式能更好的描素流变特性，计算机辅助设计是必备手段。,50,温度压力对泥浆与水泥浆流变性的影响,高温高压下水泥浆流变性将发生较大变化。,51,(3)水泥浆体系防窜性能的研究与设计 根据水泥浆失重机理提出防窜水泥技术路线 延缓水泥浆胶凝速度，尽量延长液态非胶凝时间；缩短水泥浆的过渡时间，加快过渡期胶凝强度的发展；控制API滤失量，尽量减小化学体积收缩，提高致密度；合理组配外掺料、外加剂，增大气侵阻力及其变化速率。,52,防窜外加剂评价选择 高效降失水并提高有效粘度；封堵孔隙，增大气体运移阻力，形成触变；维持高孔隙压力，延缓压降速度；缓凝剂有效延长非胶凝时间；优化组合使用外加剂，合理发挥主效功能。,53,二、水泥浆设计,为适应各种井况固井的要求，根据要封固井的地质条件的不同，水泥浆可分为：按密度分：高密度水泥浆；低密度水泥浆。按特定功能分：大斜度井或水平井固井水泥浆、防窜水泥浆、抗盐水泥浆、抗腐蚀水泥浆、增塑抗冲击（防裂）水泥浆等。,54,以下简单介绍几类典型水泥浆的设计方法和设计中应重点考虑的问题。,55,一、高密度水泥浆,包括高密度和超高密度。一般认为，高密度：2.002.30g/cm3；超高密度：2.30g/cm3。,56,1、高密度水泥浆体系的设计难点,水泥浆密度高，需要加入的加重剂的比例大，如何解决水泥浆体系的悬浮稳定性与流动性，水泥石的强度与浆体密度之间的矛盾，是高密度水泥浆设计的难点。,57,2、重点要解决的技术难题,（1）在满足配浆和注替浆对流动性性能要求的前提下，如何保证水泥浆在注替过程中停泵时沉降稳定性和凝结过程中的体积稳定性，包括析水、水泥石密度分布和凝结过程体积收缩等；（2）在满足密度要求的条件下，由于加重剂的加入量高，水泥胶结相的减少，如何保证水泥石的强度及其发展。,58,3、高密度水泥浆体系设计的技术关键（1）高密度和超密度水泥浆的稳定性与流动性之间的协调；（2）高加量加重剂和低胶结相水泥与强度至间的协调。,4、研究采取的具体技术方法：（1）选择恰当的水泥与加重材料配比；（2）体系固相材料应具有合理的粒度级配；（3）外加剂组配应使水泥浆性能易于调节。,59,5、高密度水泥浆配方设计,（1）加重材料的选择 主要考虑3个方面的因素 加重剂粒度分布与水泥相匹配。颗粒太粗易使水泥浆产生沉淀，太细会增加水泥浆粘度；用水量少，有助于提高强度；加重剂在水化过程中与其它外加剂有良好的相容性。,60,筛选加重剂的基本程序,浆体密度,流动性稳定性,抗压强度,稠化时间滤失量,初选加重剂,确定加重剂,61,加重剂的选择与水泥浆密度（a）2.50g/cm3 2.60g/cm3：特选赤铁矿粉加重，铁矿粉密度约4.90 5.00g/cm3；（b）2.30g/cm3 2.40g/cm3：特选赤铁矿粉与钛铁矿粉以适当比例加重；（c）2.20g/cm3 2.30g/cm3：重晶石、钛铁矿粉，或两者以适当比例加重；（d）2.00g/cm3 2.10g/cm3：重晶石、钛铁矿粉以适当比例加重，或用H级水泥。,62,（2）高密度水泥浆稳定性和流变性,高密度水泥浆稳定性 理论研究结果表明：加重剂下沉速率V与加重剂自身密度0和加重前水泥浆密度S的密度差(0-S)以及加重剂颗粒直径d成正比；保持水泥浆稳定的最小静切力s与密度差(0-S)和粒径均方d2成正比，与浆体塑性粘度S成反比。因此，当加重前的水泥浆密度S一定时，应尽可能选择相对密度较低和颗粒较细的加重剂；加重剂与水泥、热稳定剂的混合比例适当，使加重剂下沉速度V最低和保持浆体悬浮稳定能力的静切力s最小。,63,外掺料的密度及粒度分布（v，%）,64,65,加重剂的特性及配浆密度,66,水泥浆流变性 大量室内研究与现场应用实践表明：水泥浆流变性能与固井作业中保证地面混配密度、降低流动阻力、调节顶替流态、平衡注水泥、增大水泥石致密性等密切相关。由于固井工程对水泥浆有多方面的性能要求，而这些性能又相互影响和制约。因此，在设计水泥浆的流变性能时，必须同时兼顾整个工程对水泥浆体系的稳定性、滤失量、稠化时间、抗压强度等性能的要求，以达到既能满足安全泵注、良好顶替的要求，又能满足静止悬浮稳定、减少回落、提高致密性保证层间分隔效果，以及后续工程作业的要求。,67,外掺料及外加剂对水泥浆流变性能的影响,68,（3）高密度水泥浆配方设计,（a）加重剂和热稳定剂的加量水泥浆密度2.10g/cm3：加重剂050%，热稳定剂35%；水泥浆密度2.20g/cm3：加重剂约50%，热稳定剂35%；水泥浆密度2.30g/cm3：加重剂150%，热稳定剂35%；水泥浆密度2.40g/cm3：加重剂170%，热稳定剂35%；水泥浆密度2.50g/cm3：加重剂200%，热稳定剂35%；水泥浆密度2.60g/cm3：加重剂300%，热稳定剂35%。,69,（b）液体水泥外加剂体系 中温H级加密实验，浆体密度为2.10g/cm3,70,高温H级加砂加密水泥，浆体密度为2.10g/cm3,71,中温高密度水泥浆（2.302.35cm3）典型配方,72,高温高密度水泥浆（2.302.35cm3）典型配方,73,（c）液体水泥外加剂体系,（105）密度2.30g/cm3高水泥浆的配方及部分性能,74,（120）密度2.30g/cm3高水泥浆的配方及部分性能 由表中数据可见，2.30g/cm3的高水泥浆的综合工程性能良好。在105和120循环温度下，失水量控制较好，在100ml左右，析水较低不大于0.5，水泥石抗压强度在13MPa左右，稠化时间易于调节。,75,（105）密度2.40g/cm3高水泥浆的配方及主要性能,76,（120）密度2.40g/cm3高水泥浆的配方及主要性能,由表中数据可见，2.40g/cm3的高水泥浆的综合工程性能良好。在105和120循环温度下，失水量控制较好，未超过100ml，析水较低不大于0.5，水泥石抗压强度在12MPa以上，稠化时间易于调节。,77,（105）密度2.50g/cm3高水泥浆的配方及主要性能,78,（120）密度2.50g/cm3高水泥浆的配方及主要性能,由表中数据可见，2.50g/cm3的高水泥浆的综合工程性能良好。在105和120循环温度下，失水量控制较好，未超过100 ml，析水较低不大于0.5，水泥石抗压强度大于12MPa，稠化时间易于调节。,79,（105）密度2.60g/cm3高水泥浆的配方及主要性能,80,（120）密度2.60g/cm3高水泥浆的配方及主要性能,由表中数据可见，2.60g/cm3的高水泥浆的综合工程性能良好。在105和120循环温度下，失水量控制较好，未超过100ml，析水较低，不大于0.5，水泥石强度在12MPa以上，稠化时间易于调节。,81,（d）中温（HBST）超高密度水泥浆,典型配方,82,典型配方的主要性能,83,二、低密度水泥浆,1、低密度水泥浆的设计原则 配制低密度水泥浆时，要求和希望水泥浆具有密度适度，综合性能好，价格低，使用方便可靠等特点。一方面，因所选用的外加剂不同，会得到不同的效果；另一方面，也会因设计时偏重某些因素（密度、流动性、成本等）的考虑，会使水泥浆的使用效果受到影响。因此，要设计出固井要求的低密度水泥浆，必须合理选材，并遵循低密度水泥浆的设计原则。具体主要有：,84,（1）配制出的低密度水泥浆应具有可靠的稳定性。要求水泥浆在给定条件下析水小，体积收缩小，浆体不发生分层离析，形成水泥石的密度分布要基本一致；（2）浆体密度应满足要求。降低浆体密度，应主要从减轻材料的选择着手，不能盲目增加用水量，用水量应限制在所选减轻剂允许用水量范围内；（3）满足工程上对水泥浆各性能的要求。在保证施工要求的流变性能和滤失量的前提下，特别要注意水泥浆的早强特性和稳定性与综合工程性能的协调一致。,85,2、低密度水泥浆减轻剂的选择,低密度水泥浆的减轻料可分为两类。自身密度较大，主要靠增大用水量来降低密度。这类材料有粉煤灰、膨润土、膨胀珍珠岩、火山灰、水玻璃等。但为了保证浆体的稳定性、均匀性和强度，用水量受到限制，否则难于保证浆体的综合工程性能，这类低密度水泥浆的密度一般在1.50g/cm3以上，且应用温度要求较高。自身的密度小于水。如空心微珠、空气、氮气等。用这类材料作减轻料配制低密度水泥浆，在较低用水量时，就可获得较低密度的水泥浆。对于低密度水泥浆，重点要解决的是水泥浆的沉降稳定性和早期强度问题。具体选择哪一种减轻料要根据密度的要求和应用条件等综合考虑确定。,86,（1）浅井固井低密度水泥浆减轻剂,封固低压易漏浅井的低密度水泥浆，选择减轻剂时，重点考虑的因素有：一是要根据水泥浆的密度要求，确定适当的减轻剂，需水量要低；二是所配出的低密度水泥浆，在低温条件下强度发展要快。,87,（2）深井超深井固井低密度水泥浆减轻剂,封固易漏失深井超深井的低密度水泥浆，选择减轻剂时，重点考虑的因素有：一是要根据水泥浆的密度要求，选择适当密度的减轻剂，需水量要小；二是所配出水泥浆的密度受压力的影响小；三是所配出的低密度水泥浆，在井下温度条件下强度发展要快。,88,3、低密度水泥浆,（1）空心微珠低密度水泥浆 空心微珠 具有密闭、粒细、质轻和活性等特点，其壳体主要由硅铝玻璃体质组成，与水化产物Ca(OH)2和矿物中CaSO4作用，生成具有胶凝特性的产物，有利于水泥石强度的发展和渗透率的降低，是一种良好的减轻剂。,89,低密度水泥浆的性能序 密 流动度 析水 失水 流变性能 稠化时间 强度 渗透率号 度 cm%ml 0(Pa)s(Pasn)min MPa/48h11.30 22 0 192 3.53 0.069 210 11 0 体21.40 21.5 0 158 2.55 0.087 245 14 0 系31.50 22 0 124 4.11 0.076 232 16 0 141.30 21.5 0 120 3.31 0.062 183 12 0 体5 1.40 22 0 78 3.82 0.075 210 14 0 系6 1.50 22 0 60 3.27 0.078 228 17 0 2,90,空心微珠低密度水泥浆设计应特别重视将提的稳定性,浆体不稳定，空心微珠上漂，水泥颗粒下沉，导致空心微珠完全分离。,91,（2）膨润土及其水泥浆 膨润土本身密度较大，配制低密度水泥浆时，主要靠增大用水量降低密度，在足够水量的条件下，膨润土的体积可膨胀15倍，但干燥后又缩小恢复到原来的体积。因此，浆体凝结后收缩量大，水泥石强度发展慢。1.55g/cm3膨润土水泥浆试验结果是：析水达1523%，体积收缩率达1825%，48h抗压强度7MPa。,92,膨润土低密度水泥浆的体积收缩情况。,93,（3）粉煤灰低密度水泥浆 粉煤灰 粉煤灰的主要成分是SiO2，Al2O3，密度一般为2.02.5g/cm3。作为减轻材料，具有成本低的优点，但由于减轻剂本身密度较高，粉煤灰低密度水泥浆密度一般不能低于1.50g/cm3，否则，其综合性能难于保证。,94,粉煤灰低密度水泥浆的性能,95,设计差的粉煤灰低密度水泥浆,96,（4）硅藻土 硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，主要由硅藻及一部份放射虫类的硅质遗骸所组成。由于它具有质轻，孔隙度大，密度低，吸附性强和一定的化学稳定性等特殊性质，因此是一种重要的非金属矿。硅藻土的主要成分SiO2，固结在硅藻壳外壁和硅藻壳微孔内有少量Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO和有机杂质等。,97,硅藻土低密度水泥浆的性能,98,三、抗盐水泥浆,目前国内外对封固大段盐层的固井水泥浆设计，有两种观点：贫盐和富盐。(1)“贫盐”水泥浆是指含NaCl在15%以下。这类水泥浆，通常具有稠化时间易于调整和高的早期强度，且滤失性能易控制，浆体的流变性容易调节。但由于浆体含盐量较低，水泥浆在流经盐层段或在盐层段候凝时，有溶解盐岩层的趋势，而有可能改变水泥浆的流动特性或凝固特性，影响水泥石的胶结质量。,99,(2)“富盐”水泥浆是指含NaCl在1537%之间(饱和盐水水泥浆含盐约为37%)。这类水泥浆的突出优点是，在流经盐岩层或在盐岩层段环境凝结过程中，能维持水泥浆原有设计性能，有利于保证固井施工的安全和盐岩层的胶结特性。这是由于富盐水泥浆的自由水已溶解有较多的盐，水泥浆在流经盐层或在盐岩层段候凝过程中，进一步溶解周围盐层趋势很小。然而这类高含盐水泥浆也容易出现稠化时间过长、调节困难，水泥石早期抗压强度低候凝时间长，浆体滤失量控制差和粘稠而流动性不好等问题。一般推荐：采用欠饱和盐水水泥浆。,100,需解决的关键问题：水泥浆的流动性能；水泥浆的稠化时间的调控；水泥石的早期强度的发展；界面胶结能力。,101,（a）低温常规密度抗盐水泥浆性能,102,典型配方（含盐量18%BWOW）1%HS-2A+1%SXY-2+2%MN-1 W/C=0.505失水量：Q30=180 ml/30min7MPa50流变性能：nn稠化时间：TT=228 min/5050MPa抗压强度：P24=7 MPa/6048hrs，P48=14 MPa/6048hrs1%HS-2A+1%SXY-2+3%MN-1 W/C=0.505失水量：Q30=200 ml/30min7MPa50流变性能：n=0.8194，k=0.4256 Pa.sn稠化时间：TT=110 min/5050MPa抗压强度：P24=9 MPa/6048hrs，P48=15 MPa/6048hrs,103,(b)中温抗盐高密度水泥浆 s=2.30g/cm3,104,(c)高温抗盐高密度水泥浆 s=2.30g/cm3,105,四、防窜水泥浆,1、发生气窜的原因及影响因素 原因 生产实践和研究表明，高压油气井固井后环空发生油气水窜或井口冒油冒气问题，其主要原因是水泥浆失重所致，具体表现为以下4个方面：（1）水泥浆在凝结过程中，其内部结构力不断增强，与井壁和套管的连接力（胶凝强度）不断增加，水泥环重量逐步悬挂在套管和井壁上，降低了对地层的压力；,106,（2）水泥浆在凝结过程中，由于水化作用，水泥石基体内部收缩形成微孔隙，同时外观也产生体积收缩，降低了孔隙压力和对地层的压力。一般水泥浆初凝时的收缩率为0.1%0.5%，终凝却大于2%；（3）在水泥浆柱中，水泥浆内自由水的分离，形成了连通的轴向水槽(或水带)，降低了对地层的压力。这种现象在斜井中尤为明显，即在井壁上侧形成了一条明显的水槽，这是油、气、水窜的主要通道；（4）水泥浆失水一般较大，其自由水易渗入渗透性好的地层，在环形空间产生桥堵，阻碍了浆柱对桥堵以下段浆体的压力传递，造成了桥堵段下面地层的油气水互窜。,107,水泥浆失水,108,表中数据说明，30 min失水量大于500 ml水泥浆的抗气窜能力比小于250 ml的水泥浆弱得多，而低于250 ml失水量的水泥浆，抗气窜能力虽有差别，但并不明显。实际上，这些浆体的抗气窜能力，主要表现在稳定性和低游离水。,109,双凝水泥,110,从表可知：（a）双凝水泥浆的防气窜效果明显优于单凝水泥浆。在相同条件下，单凝水泥浆发生了气窜，而双凝水泥浆却阻止了气体进入井筒。（b）随着气层压力的增加和压差比减少，双凝水泥浆防止气窜的效果，同样有一定的限制。从从表中可以看出，当压差减少了2.5%后，防气窜仍然有效，当压差比进一步减小到4.16%时，气体同样侵入速凝水泥段，气体虽未穿过该井段，却在下部形成明显的气斑。,111,（c）水泥浆的缓凝段与速凝段长度比，一般选用21的关系，可得到较好的防气窜效果。因此，应用双凝水泥浆不仅要考虑两种水泥浆的封隔长度、初凝时间的差值，还要考虑水泥浆失重、浆柱压力、气层压力以及气侵压力的平衡关系。,112,环空憋回压,113,由以上试验结果可见：(a)两种处理失水方法的试验都说明，井口憋回压对防止气侵有一定效果，在放失水情况下要憋较大的回压才能防止气侵。(b)传压率随水泥凝结而不断下降。因此，在地层许可条件下，憋压越早，效果越好。一般可选择水泥浆候凝60 min以内完成加压。,114,2、防气窜水泥浆的设计方法,（1）设计与评价方法 水泥浆阻力系数法A值法 A值越小，过渡时间越短，防窜效果越好；设计标准：强防窜能力：00.110中等防窜能力：0.1100.125弱防窜能力：0.1250.150同时，自由水0.50%；API失水100 ml。较好的反映了水泥浆的实际抗气窜能力。,115,116,（2）气窜潜力系数法评价,117,118,从表中可知：（1）根据GFP分类，全井封固时，GFP在48之间，为中等气侵潜力；封固井段1000m时，GFP4，属轻微气侵潜力。很显然，该方法仅反映了井眼状况对气侵影响的趋势。（2）GFP反映了一些定性概念，如井眼与套管的间隙愈大、封隔段愈短，水泥浆与泥浆密度差及过平衡压力愈大，GFP愈小，即气窜的可能性愈小。GFP只是一种气窜可能性的估计。（3）GFP未能反映水泥浆体系、性能、水泥浆凝固过程的失重及阻力发展对气体窜流的影响。,119,（3）试验评价方法,水泥浆测窜仪（主体）,可旋转加热套,压力传感器,温控器,调压阀,水泥浆筒,120,水泥浆测窜仪（数据采集）,121,测窜原理图,液态：P1P2 塑性态：P1P2（因“挂壁”“收缩”）窜通：P2P1 防窜能力：P1P2(min),122,（1）一般防窜能力的水泥浆,在853.8MPa的模拟试验压力下，水泥浆的抗窜压力约为1.7MPa。,在853.8MPa的模拟试验压力下，水泥浆的抗窜压力约为0.3MPa。,123,（2）较强防窜能力 的水泥浆,在904MPa的模拟试验压力下，水泥浆抵抗气体窜入环空的能力大于1.8MPa。,在904MPa的模拟试验压力下，水泥浆抵抗气体窜入环空的能力约3.5MPa。,124,（3）极强防窜能力 的水泥浆,在1705.5MPa的模拟试验压力下，水泥浆在凝结过程中气体不会窜入环空中。,125,四、增塑水泥浆,在继续钻井、射孔、油气层改造等工况下，一般水泥环易于碎裂，尤其是小间隙井。改善水泥石的抗冲击韧性、抗拉强度、抗弯曲强度、弹性模量等塑性参量，可提高水泥环的抗碎裂能力。从而达到提高固井质量，延长油气井生产寿命的目的。改善固井水泥环塑性的基本思路是：在水泥浆中加入能明显改善水泥石塑性的外加剂，以它为核心研究适合不同井况的水泥浆体系配方的组成、工程性能及力学特性，作为固井施工水泥浆设计提供依据。,126,为充分说明水泥石的塑性特征，在研究中常用多个描述材料塑性的参量来说明水泥石的塑性特性：抗折强度、抗冲击韧性、弹性模量。,127,典型水泥浆配方的抗折强度和抗冲击韧性(s=1.90 g/cm3),128,典型水泥浆配方的弹性模量(s=1.90 g/cm3),129,130,五、抗腐蚀水泥浆,地层水中存在CO2、HCO3-、CO32-、Cl-、SO42-等及钻井液材料中可能释放出腐蚀介质：CO2、HCO3-、CO32-、Cl-、SO42-。技术方法：弄清腐蚀机理（油田调查、实验室试验分析）、开发出耐腐蚀水泥浆体系、提高封固质量。,131,实例1：某油田地层水腐蚀套管,（1）油井井区，自开发以来套管腐蚀严重，造成油井生产寿命下降 统计分析1169口油水井,套损井209口,套损率17.88%；套损井平均生产寿命10.1年,最短者16个月；洛河水富含Cl-、HCO3-、SO42-、CO32-、Mg2+等腐蚀性介质，造成电化学腐蚀套管；套管以外壁结垢，剥落，穿孔破坏形式为主；破坏程度无水泥环最严重，有水泥环次之，G级高抗硫最轻。,132,（2）地层水腐蚀套管和水泥石的机理,（a）地层水腐蚀套管的原因拔出井下套管分析，其主要腐蚀产物为Fe(OH)2、FeS、FeCO3；室内套管钢材模拟腐蚀试验表明，在地层水中主要为微电池效应所致；硫酸盐还原菌有加速腐蚀的作用：（4Fe+SO42-+4H2O FeS+3Fe(OH)2+2OH-）,硫酸盐还原菌,133,研究方法 采用油田地层水、单一腐蚀性离子、高浓度复合离子的溶液，模拟井下腐蚀环境侵蚀水泥石。主要采用X-射线衍射、扫描电镜、化学分析等方法。测试分析项目 水泥石水化物组成、溶出物、微观结构、力学性能等。,（b）地层水腐蚀水泥的机理研究方法及测试项目,134,水泥石在不同溶液中浸泡0.5和1.0年的X-射线衍射图。,地层水腐蚀水泥的机理 结果分析,A羟钙石B石膏C钙矾石D水镁石E方解石F氯硅钙石,A羟钙石 B石膏 C钙矾石 D水镁石 E方解石 F鲁硅钙石,135,下表是水泥石在不同溶液中，溶出Ca2+的量随时间的变化关系。,地层水腐蚀水泥的机理 结果分析,136,由上图可知：在各种溶液中，浸泡1.0年的X射线特征峰较0.5年明显弱；在Cl-溶液中有鲁硅钙石生成，在地层水中有鲁硅钙石、方解石、水镁石等生成。由上表可知：水泥石溶出Ca2+的量，随侵蚀时间的延长而迅速递减；浸泡溶液离子浓度愈高，初期溶出Ca2+的速度愈大，溶出Ca2+的衰减速度也愈快。,地层水腐蚀水泥的机理 结果分析,137,综合分析各种测试特性可知，该地层水侵蚀水泥石主要表现为：水溶蚀Ca(OH)2，是基本的腐蚀形式；生成易被溶解或无胶结性能的物相如Ca(HCO3)2、CaCO3、Mg(OH)2等。该两类腐蚀随Ca(OH)2含量的增加而加快，随水泥石渗透率的降低而减弱。人们熟知的硫酸盐腐蚀很弱。,地层水腐蚀水泥的机理 结果分析,138,（3）防止地层水腐蚀套管的技术途径,地层水腐蚀套管和水泥石的机理研究表明，影响套管和水泥石耐久性的关键因素：水泥石基体中Ca(OH)2晶体的含量；水泥石的致密性。技术途径：用耐腐蚀的水泥环封隔洛河层，在套管与地层水之间形成隔离屏障，保护套管不受腐蚀。即：加入能改变水泥石物相耐腐蚀特性和水微观结构的特殊材料。加入的特殊材料，一方面，能与Ca(OH)2反应生成高耐腐蚀的新物相而消耗Ca(OH)2；另一方面，反应剩余的部分能与水泥浆中的固相颗粒形成良好级配，使水泥石致密性好、连通性差、渗透率低。,139,（4）低密度水泥的耐腐蚀性分析,(a)抗腐蚀低密度水泥的组成水泥浆组成：耐腐蚀材料：硅灰；减轻剂：空心微珠；水泥：G级高抗硫酸盐油井水泥。水泥浆密度：1.301.50g/cm3.,140,试验条件：35和50；定时定量更换腐蚀溶液。腐蚀溶液(下表)：,（b）耐腐蚀性能测试,141,下表是腐蚀介质与时间对水泥石性能的影响。水泥浆密度1.40g/cm3.,由上表可见，在35和50的各种溶液中浸泡13年，其各阶段的抗压强度均有不同程度增加，水泥石仍致密不渗透、外观尺寸几乎无变化。因此，从宏观性能看，水泥石具有良好的抵抗地层水侵蚀的能力。,142,下图是模拟地层水侵蚀水泥石的X射线谱图。水泥浆密度1.40g/cm3.,低密度水泥石的X-射线衍射谱图,143,由上图可知，抗腐蚀水泥在10倍模拟地层水离子浓度的溶液中浸泡0.5 年与2.0年，XRD特征峰几乎无差异。(即组成水泥石的物相中，既无方解石、鲁硅钙石、水镁石等明显增生，也没有羟钙石等明显减少.)而一般空心微珠低密度水泥的XRD羟钙石特征峰显著减弱，且水镁石、方