第三章

水泥漿化學第一篇鉆井化學

1、固井由套管向井壁與套管的環(huán)空注入水泥漿并讓它上返至一定高度，水泥漿隨后變成水泥石將井壁與套管固結起來。前言前言（1）表層套管封隔地表淺水層及淺部疏松和復雜地層；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）用以保護生產(chǎn)層，提供油氣生產(chǎn)通道。（3）中間套管（技術套管）用來封隔不同地層壓力層系或易漏、易塌、易卡等井下復雜地層。2、套管類型及其作用第一節(jié)水泥漿功能與組成

（1）固井和保護套管

（2）保護高壓油氣層（3）封隔嚴重漏失層和其他復雜層

一、水泥漿的功能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。

（1）硅酸三鈣3CaO·SiO2（簡稱C3S）水泥的主要成份，水化速率和強度增加率高，早期強度和最后強度都高。（2）硅酸二鈣2CaO·SiO2（簡稱C2S）

含量一般在24％～30％之間；水化反應緩慢，強度增長慢；最終強度低。2、水泥漿的組成（3）鋁酸三鈣3CaO·Al2O3（簡稱C3A）含量少，水化速率高，強度增加速率低，最后強度低。（4）鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3（簡稱C4AF）含量少，水化速率高，強度增加速率低，最后強度低。

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

水泥水化后的早期強度主要決定于硅酸三鈣，晚期強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早期強度和晚期強度的影響都較小。水泥石還含有石膏、堿金屬、氧化鈣等。2、水泥漿的組成2、水泥漿的組成

油井水泥分類

按API(AmericanPetroleumInstitute)標準分類:A、B、C、D、E、、F、G、H、J九個級別按我國石油行業(yè)（SY）標準分類，油井水泥根據(jù)適應的地層溫度分成45℃、75℃、95℃、和120℃四個級別。

2、水泥漿的組成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。（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。（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。第二節(jié)水泥漿密度及其調(diào)整第三章水泥漿化學

固井時，為使水泥漿能將井壁與套管間的鉆井液替換的徹底應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，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

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，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（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

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，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

第三節(jié)水泥漿稠化及稠化時間的調(diào)整第三章水泥漿化學

(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測定一定轉(zhuǎn)速的葉片在水泥漿中所受的阻力得到，單位為Bc。

（3）水泥漿稠化速率

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

1、水泥漿稠化

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)生的水化反應為：2、水泥的水化反應2、水泥的水化反應水泥的水化分為五個階段：①預誘導階段：這階段是在水與水泥混合后的幾分鐘時間內(nèi)。在這階段，由于水泥為水潤濕而開始水化反應，放出大量的熱(其中包括潤濕熱和反應熱)。水化反應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，阻止了水泥進一步水化，使水化迅速下降，進入誘導階段．②誘導階段：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(因它對水泥漿的水相未達到飽和)，所以在這階段后期，水化速率有所增加．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)絡結構，使水泥漿固化。④硬化階段：在這階段，水泥顆粒間的網(wǎng)絡結構變得越來越密，水泥石強度越來越大，因此滲透率越來越低，影響未水化的水泥顆粒與水接觸，水化速率越來越低。⑤中止期：在這階段，滲入水泥石的越來越少，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程。水泥的水化分為五個階段：（1）促凝劑：縮短水泥漿稠化時間的物質(zhì)

3、水泥漿稠化時間調(diào)整●促凝機理

壓縮析出水化物表面的擴散雙電層，使它在水泥顆粒間形成有高滲透性的網(wǎng)絡結構，有利于水的滲入和水化反應的進行而起促凝作用。（氯化鈣）

●促凝劑舉例

氯化物、碳酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、鋁酸鹽、低分子有機酸鹽等。

（2）緩凝劑：延長水泥漿稠化時間的物質(zhì)●緩凝機理：

吸附機理：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)絡結構的速率。螯合機理：緩凝劑可與通過螯合形成穩(wěn)定的五元環(huán)和六元環(huán)結構而影響水泥水化物飽和析出的速率。3、水泥漿稠化時間調(diào)整●緩凝劑舉例(1)硼酸及其鹽

●緩凝劑舉例(2)膦酸及其鹽

(3)羥基羧酸及其鹽

●緩凝劑舉例(4)木質(zhì)素磺酸鹽及其改性產(chǎn)物●緩凝劑舉例(5)水溶性聚合物

●緩凝劑舉例第四節(jié)水泥漿流變性及其調(diào)整第三章水泥漿化學

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

1、水泥漿流變性2、水泥漿流變性調(diào)整

水泥漿流變性調(diào)整主要是通過加水泥漿減阻劑降低流動阻力。減阻劑作用機理：同泥漿降粘劑。通過吸附提高水泥顆粒表面負電性并增加水化層厚度從而使水泥顆粒形成的結構拆散。

（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、緩凝作用好等特點。

（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，使用時要加消泡。

減阻劑類型：

（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）磺化樹脂低縮聚物磺化烷基萘甲醛樹脂具有烯類單體低聚物特點，但有一定的緩凝作用（2~4×103）。分散劑類型：第五節(jié)水泥漿濾失性及其調(diào)整第三章水泥漿化學

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，濾失量應越低。1、水泥漿濾失量要求2、降濾失劑分類及作用機理

（1）固體顆粒：捕集和物理堵塞機理

（2）膠乳：粘稠液珠在地層孔隙結構中產(chǎn)生Jamin效應，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、捕集和物理堵塞機理降濾失劑：降濾失劑：降濾失劑：降濾失劑：第六節(jié)氣竄及其控制第三章水泥漿化學

（1）定義高壓氣層中的氣體沿著縫隙進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。

（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）反應生成的鈣礬石分子中含有大量的結晶水，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）（2）鋁粉：2Al+Ca(OH)2+2H2O→Ca(AlO2)2+H2↑（3）氧化鎂：MgO+H2O→Mg(OH)2

氧化鎂引起的體積膨脹率隨溫度增加而增大，高溫固化。2、防氣竄劑（水泥漿膨脹劑）（4）水溶性聚合物：提高水相粘度、物理堵塞（5）水溶性表面活性劑：Jamin效應（6）膠乳：Jamin效應、成膜作用2、防氣竄劑（水泥漿膨脹劑）第七節(jié)水泥漿漏失處理方法第三章水泥漿化學顆粒性材料纖維狀材料加堵漏材料減小水泥漿密度和流動壓降水泥漿漏失處理方法第八節(jié)水泥漿體系第三章水泥漿化學常規(guī)水泥漿特種水泥漿標準水泥、淡水、一般外加劑及材料膨脹水泥漿含鹽水泥漿膠乳水泥漿觸變水泥漿防凍水泥漿高溫水泥漿泡沫水泥漿鉆井液轉(zhuǎn)化水泥漿外加半水石膏、鋁粉、氧化鎂等膨脹劑。防氣竄外加無機鹽。用于巖鹽層、頁巖層固井外加膠乳。提高膠結強度、降低濾失量和水泥