固井-水泥浆化学概要

1 固井

1.1 定义

固井就是在井眼内下入套管柱，在套管柱与井壁环形空间注入水泥浆进行封固。

1.2 目的

（1）封隔疏松、易塌、易漏等地层；

（2）封隔油、气、水层，防止互相窜通，形成油气通道；

（3）安装井口，控制油气流，以利于钻进。

1.3 流程

（1）下套管

    套管类型有：

1）表层套管

封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层；安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。

    2）生产套管（油层套管）

    用以保护生产层，提供油气生产通道。

3）中间套管（技术套管）

用来封隔不同地层压力层系或易漏、易塌、易卡等井下复杂地层。

（2）注水泥

    下套管后，把水泥浆泵入套管内，再用钻井液把水泥浆顶替到管外环形空间设计位置的作业称之为注水泥。

（3）井口安装和套管试压

    下套管注水泥之后，在水泥凝固期间就要安装井口。套管试压是检查固井质量的重要组成部分。安装好套管头和接好防喷器及防喷管线后，要做套管头密封的耐压力检查，和与防喷器联接的密封试压。固井质量的全部指标合格后，才能进入到下一个作业程序。

1.5 特殊固井技术

不是一次通过套管内注水泥的方法属于特殊固井技术，主要有大口径深井套管固井、延迟固井技术、大斜度定向井注水泥、可溶性地层固井工艺、尾管及尾管回接固井工艺、酸性气井或含硫气井注水泥、多级注水泥技术、高温井注水泥等^[1]。

1.6 国内外固井现状及发展趋势^[2]

自1903年开始固井以来，经过近100年的努力，国内外固井技术有了一定的进步，主要有：油井水泥的扩充与完善；普遍采用计算机控制技术对配浆过程进行连续监控，注水泥设备向操作自动化、密度控制精确化、大能量和大功率方向发展；复杂的地层固井技术日趋完善；固井计算机模拟、仿真与监控技术，提高了固井方案设计、现场施工的准确性、针对性和科学性等。

我国固井技术现状与国外还存在着差距，今后要重点加强抗高温、抗盐系列外加剂的研究与开发，不断拓宽油井水泥外加剂的适用范围，进一步加大油井水泥外加剂的现场使用力度。

2 水泥浆

2.1 定义

2.2 发展过程

（1）1903年第一次在油井中使用水泥，以封堵水层。

（2）1910年第一次用水泥封堵井眼与套管的环形空间。

（3）20世纪30年代末才开始使用水泥外加剂。

2.3 功能

（1）固井和保护套管；

（2）保护高压油气层；

（3）封隔严重漏失层和其他复杂层。

2.4 组成

（1）水

配水泥浆的水可以是淡水、盐水或海水。

（2）水泥

    由石灰石、粘土在1450~1650℃下煅烧、冷却、磨细而成，主要含下列硅酸盐和铝盐酸：

    1）硅酸三钙3CaO·SiO₂（简称C₃S）

     水泥的主要成份，水化速率和强度增加率高，早期强度和最后强度都高。

    2）硅酸二钙2CaO·SiO₂（简称C₂S）

     含量一般在24％～30％之间，水化反应缓慢，强度增长慢，最终强度高。

    3）铝酸三钙3CaO·Al₂O₃（简称C₃A）

      含量少，水化速率高，强度增加速率低，最后强度低。

    4）铁铝酸四钙4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃（简称C₄AF）

     含量少，水化速率高，强度增加速率低，最后强度低。

     除了以上主要成份之外，还有石膏、碱金属硫酸盐、氧化镁和氧化钙等。

（3）外加剂与外渗料

    外加剂指加量小于等于水泥质量5%的物质；外掺料指加量大于水泥质量5%的物质。主要有以下几类：

    1）水泥浆密度调整外掺料：加重剂与减轻剂

    2）膨胀剂：半水石膏、铝粉、氧化镁等

    3）缓凝剂：丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸盐、羧甲基羟乙基纤维素等。

    4）促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾等。

    5）减阻剂：β-萘磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸盐、木质素磺化钠等。

    6）降滤失剂：羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。

    7）防漏外掺料：沥青粒、纤维材料等。     

2.3 性能要求^[3]

（1）能配成需要密度的水泥浆，不沉降和具有好的流动度，事宜的初始稠度，且均质和不起泡；

（2）易混合与泵送，分散性好，摩擦阻力小；

（3）流变性好，顶替效率高；

（4）在注水泥、候凝、硬化期间应保持需要的物理性能及化学性能；

（5）水泥浆在固话过程中不受油气水的侵染，失水量小，固化后不渗透；

（6）水泥浆具有足够快的早期强度；

（7）提供足够大的套管、水泥、地层间的胶结强度；

（8）具有抗地层水的腐蚀能力；

（9）满足射孔强度要求；

（10）满足所要求条件下的稠化时间和抗压强度。

2.4 水泥浆密度及其调整

2.4.1 降低水泥浆密度外掺料

能降低水泥浆密度的物质称为降低水泥浆密度外掺料。在低压油气层或易漏地层固井时，需在水泥浆中加入降低水泥浆密度外掺料：

（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）。

（2）粉煤灰

 粉煤灰是粉煤燃烧产生的空心颗粒，主要成分为二氧化硅。粉煤灰固相密度（约2.1g·cm-3），比水泥的固相密度低。

（3）膨胀珍珠岩

  膨胀珍珠岩是通过珍珠岩高压熔融，然后迅速减压、冷却所产生的多孔性固体。

2.4.2 提高水泥浆密度外渗料

能提高水泥浆密度的物质称为提高水泥浆密度外掺料。在高压油气层固井时，需在水泥浆中加入提高水泥浆密度的外掺料：

（1）高密度固体粉末；

（2）水溶性盐 。

2.5 水泥浆稠化及稠化时间的调整

2.5.1 水泥浆稠化

(1)水泥浆稠化

   水与水泥混合后水泥浆逐渐变稠,水泥浆这种逐渐变稠的现象称为水泥浆稠化。

2.5.2水泥的水化反应

水泥浆稠化是由水泥水化引起的。水泥的主要成分与水发生的水化反应为：

2.5.3水泥浆稠化时间调整

（1）促凝剂：缩短水泥浆稠化时间的物质，如氯化物、碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐、铝酸盐、低分子有机酸盐等。

（2）缓凝剂 ：延长水泥浆稠化时间的物质，如硼酸、四硼酸钠、五硼酸钠、次氮基三亚甲基磷酸及其盐（ATMP）、次乙基羟基二磷酸及其盐（HEDP）、铁铬木质素磺酸盐等。

2.6水泥浆流变性及其调整

2.6.1 水泥浆流变性

    水泥浆流变性与水泥浆的流动阻力有关,与水泥浆对钻井液的顶替效率和固井质量有关。

2.6.2 水泥浆流变性调整

    水泥浆流变性调整主要是通过加水泥浆分散剂降低流动阻力：

（1）羟基羧酸及其盐

（2）木质素磺酸盐及其改性产物

（3）烯类单体低聚物

    （4）磺化树脂低缩聚物

2.7 水泥浆滤失性及其调整

2.7.1 水泥浆滤失量要求

一般固井常规滤失量250ml，深井固井50ml ，油气层固井20ml。地层渗透率越低，滤失量应越低。

2.7.2 降滤失剂分类

    降滤失剂可分为：（1）固体颗粒（2）乳胶

（3）水溶性聚合物

降滤失剂主要有：聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素羧甲基羟乙基纤维素钠等。

2.8 气窜及其控制

2.8.1 气窜

气窜指高压气层中的气体沿着缝隙进入低压层或上窜至地面的现象，原因是水泥降在固化阶段和硬化阶段体积收缩。

2.8.2 防气窜剂（水泥浆膨胀剂）

（1）半水石膏

（2）铝粉

（3）氧化镁

（4）水溶性聚合物

（5）水溶性表面活性剂

（6）乳胶

2.9 水泥浆漏失处理方法

    可通过减少水泥浆密度和流动压降、加堵漏材料（纤维状材料和颗粒状材料）减少水泥浆漏失。

2.10 水泥浆体系

参考文献

[1]徐惠峰.钻井技术手册（三）固井[M]北京：石油工业出版社，1990.

[2]丁士东.国内外固井现状及发展趋势[J]钻井液与完井液，2002.

[3]孙明光.钻井、完井工程基础知识手册[M]北京：石油工业出版社，2002.