石油钻井中油井水泥与固井工程

[摘 要]本文重点讨论了油井水泥主要成分，在石油固井中的水化作用以及水泥的物理性能与固井工程的关系。

[关键词]硅酸盐水泥 水化作用 胶溶 凝结 硬化

中图分类号：TE256.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）18-0172-01

油井水泥主要是硅酸盐水泥 ，主要由四种熟料矿物组成。

C3A（铝酸三钙）由氧化钙和三氧化二铝结合生成。C3A对水泥最终强度影响不大，但对水泥凝固速度影响，对水泥早期强度形成起重要作用。它的凝固时间靠石膏控制。C3A水化最终产物易受硫酸盐水侵蚀。HSR水泥中要求控制C3A含量小于3%。但对具有高早期强度水泥C3A含量可达15%。

C3S（硅酸三钙），由氧化钙和二氧化硅形成，它是波特兰水泥主要成分。缓凝水泥中占40～45%，在高早期强度水泥占60～65%，C3S对水泥强度形成有较大影响，尤其是对早期强度的影响。

C2S（硅酸二钙），也是氧化钙和二氧化硅反应产物，对水泥最终强度起重要影响，C2S水化缓慢，因此不影响初凝时间。

C4AF（铁铝酸四钙）由氧化钙、三氧化二铝与三氧化二铁形成，对强度影响甚小，对HSR水泥。API标准规定一份铁铝酸四钙加两份硅酸三钙的总含量不应超过24%。

水泥熟料除上述四种基本化合物外，还可能含石膏，碱金属类硫酸盐，氧化镁，游离氧化钙和其它混合物。它不影响凝固水泥性能，但影响水化速度、抗化学侵蚀力及水泥浆性能。

增加C3S含量，磨细，取得水泥高早强；控制C2S、C3A含量，粗磨，取得缓凝；限制C3S、C3A含量，并具有低水合热；限制C3A含量，具有耐硫酸盐侵蚀；HSR水泥C3A

一、水泥的水化作用

水泥遇水后，其四种主要化合物：铝酸三钙C3A（3CaO・Al2O3）、硅酸三钙C3S（3CaO・SiO2）、硅酸二钙C2S（2CaO・SiO2）、铁铝酸四钙C4AF（4CaO・Al2O3・Fe2O3），立刻以不同的速率，并在存在相互影响的条件下与水发生水化作用，产生不同性质及类型的水化产物，导致水泥浆体发生一系列物理化学作用，最终形成具有一定支撑能力的硬化体。

水化反应主要形式有：

3CaO・SiO2+2H2O―2CaO・SiO2・H2O+Ca（OH）2；

2CaO・SiO2+H2O―2CaO・SiO2・H2O；

3CaO・Al2O3+6H2O―3CaO・Al2O3・6H2O；

4CaO・Al2O3・Fe2O3+6H2O―3CaO・Al2O3・6H2O+ CaO・Fe2O3・H2O。

上述反应中部分水化产物还将发生二次反应，过程较复杂；一般可分为三个阶段。

1）胶溶期

水泥遇水后，粒面发生相溶解和水化反应，水化产物浓度迅速增加，达饱和状态时，部分水化产物以胶态粒子或小晶体析出，形成胶溶体系。

2）凝结期

水化作用由颗粒表面向深部发展，胶态粒子大量增加，晶体开始相互联结，逐渐絮凝成凝胶结构，水泥浆已失去流动性。

3）硬化期

水化过程进一步更深入发展，这时大量晶体析出、并相互联结，使胶体紧密，结构强度明显增加，逐渐硬化成微晶结构的水泥石固体。

二、水泥的物理性能与固井工程的关系

1、水泥浆密度

一般硅酸盐水泥干灰密度在3.05～3.20克/厘米3之间，因此水泥浆密度取决于用水量及掺入混合材的密度和加量。固井对水泥浆密度的基本要求是必须大于完井时泥浆密度（或下套管时泥浆密度），但不能压漏地层，同时还要保证水泥石的强度和水泥浆的流动性。通常固井水泥浆密度在1.80～1.90克/厘米3，一般比钻井时泥浆密度大得多。

2、水泥颗粒的细度

水泥颗粒的大小将影响水泥水化反应的快慢，颗粒愈小，单位重量的水泥颗粒与水接触的表面积就愈大，水泥水化反应就愈快。研究指出，当水泥颗粒0.09毫米时，几乎接近于惰性物质。水泥颗粒细度用筛余百分数表示。国内四种油井水泥要求用0.08毫米方孔筛筛余不超过15%为合格。

3、水泥浆的凝结时间

水泥与水混合后立即发生水化，随水化不断进行，水泥浆逐渐由液态变为固态。凝结时间就是用时间来测量凝结过程的方法。把凝结分为二个阶段，其一为初凝时间。即自水泥与水混合时开始至水泥浆部分失去塑性的时间间隔；其二为终凝时间。即自水泥与水混合时开始至能承受一定压力的硬化程度所经历的时间。国内外均用维卡仪来测定凝结时间。一般取初凝时间的75%为注水泥的施工时间。

4、水泥浆的稠化时间

随着水泥不断的变化，水泥浆的粘度和切力将显著增加，水泥浆将逐渐变稠直到失去流动性。为了保证注水泥施工安全，能用泵将水泥浆打至井内环形空间预定高度，必须预先测定与井内相同温度和压力下，水泥浆稠度达到某一定值所需的时间，即稠化时间。用它作为控制注水泥施工时间的依据。API按油气井不同情况规定了不同模拟实验条件，用增压稠度仪从实验加温加压开始至100Bc（稠化单位）时所经历的时间，规定为水泥浆的稠化时间。整个注水泥时间必须控制在稠化时间以内，并考虑有较大的安全系数。

5、水泥浆失水

水泥浆中的自由水通过井壁渗入地层的现象称为水泥浆失水。它是一种渗滤现象，影响它的主要因素有：

1）水泥浆的失水性能。水泥浆的失水量大小，反映了水泥浆本身的胶体性质，只有当水泥浆中分散得较细的胶体粒子占有相当的数量，水泥浆的失水就能控制到较小数值。一般未经处理的水泥浆失水量高达1000毫升/30分钟以上。

2）水灰比的大小。实验资料表明，水泥水化需水量一般为水泥重量的20%左右，但为了水泥浆具有足够的流动性，水灰比（水与干水泥重量之比）一般在0.5左右，因此有大量的过剩水分（自由水）可以渗入地层或在水泥石内造成一条向上窜通的通道，破坏水泥环的封隔作用。

地层的渗透性。在松软和孔隙性地层中往往会引起大量失水。水泥浆大量失水将造成水泥浆急剧变稠，大大影响其流动性，甚至造成不能把水泥浆替出套管的事故。水泥浆大量失水侵入油气层将严重污染和损害生产层

6、水泥浆的流变性

钻井液常用的数学模式是宾汉模式，其流变参数是塑性粘度、屈服值以及胶凝强度。近年来，幂律模式得到更广泛的运用，在国外资料中水泥浆几乎全用幂律模式来描述，其流变参数是稠度系数（K）和流性指数（n）

浆体的流变性能在固井过程中主要有以下作用：

1）计算注水泥和替泥浆过程的循环摩擦损失，防止井眼憋漏合理选择装置与设备。

2）设计注水泥的最佳流态，提高顶替效率和固井质量。

怎样测得水泥浆流变性以及流变性对固井顶替效率有何影响目前还未完全解决，在API油井水泥性能标准中流变性仍是“试行”标准。

7、水泥石强度

水泥石强度应满足固井下列几方面要求：

1）支撑和加强套管。经研究表明，水泥石强度为56千帕时，10米长的水泥环能支承94米长的177.8毫米套管。由此可见，支撑和加强套管不要求很高的水泥石强度。

2）抵抗钻井时冲击载荷。钻井时对套管冲击载荷的大小，主要取决于钻井技术措施，在钻柱加压部分未出套管鞋前，控制钻压和转速，减小钻柱对套管和水泥环的冲击载荷。

3）能承受酸化压裂。注水泥井段承受酸化压裂时压力的最薄弱环节不是水泥石本身，而应是水泥环与井壁连接处（或水泥环与套管连接处），水泥石强度远大于水泥环与井壁的连接强度。

在美国各州（油田），注水泥后8～24小时或水泥石抗压强度达2.1～3.5兆帕，就可进行固井后的其它作业（试压、钻水泥塞、射孔）。