固井技术培训——步玉环().ppt
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1、水泥浆性能及特殊水泥浆体系 中国石油大学(华东) 步玉环 2010.8.20,一、描述油井水泥及水泥浆性能的参数 二、水泥浆的性能 三、硅酸盐水泥的水化特征及影响因素 四、特殊水泥浆体系,提纲,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 水泥石抗压强度,二、水泥浆的性能,1.水泥浆密度 2.水泥浆的稳定性 3.水泥浆流变性 4.水泥浆滤失量 5.水泥浆稠化时间 6.水泥
2、石强度 7.水泥石渗透率,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。,(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。 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
3、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。,二、水泥浆的性能-水泥浆密度,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
4、度应小于30BC,对G级和H级水泥,游离水还应小于1.4%)。,二、水泥浆的性能-水泥浆密度,(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。 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。,二、水泥浆的性能-水泥浆密度,(3)密度的调节
5、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。,二、水泥浆的性能-水泥浆密度,(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。,二、水泥浆的性能-水泥浆密度,2、水泥浆稳定性,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
6、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。,二、水泥浆的性能-水泥浆稳定性,(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。,二、水泥浆的性能-水泥浆稳定性,(2)稳定性的测量方法:, API标准的自由水; 水泥柱纵向收缩;
7、 水泥柱纵向密度梯度(分布)。,二、水泥浆的性能-水泥浆稳定性,(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)。 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。,二、水泥浆的性能-水泥浆稳定性,(4)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
8、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。,二、水泥浆的性能-水泥浆稳定性,3、水泥浆流变性,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: 、 (宾汉),n、k(幂律), 、n、k(赫巴)等。,二、水泥浆的性能-水泥浆流变性,幂律模式:,宾汉模式:,赫巴模式:,通过线性比较法、回归分析法、方差分析法进行流变模式选择,流变参数计算,二、水泥浆的性能-水泥浆流变性,(1)流变性能的测定方法:,常压、常温,采用六速旋转粘度计或范式35型粘度
9、计 常压、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。,二、水泥浆的性能-水泥浆流变性,(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。,二、水泥浆的性能-水泥浆流变性, 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。,二、水泥浆的性能-水泥浆流变性, 压力的影响,一
10、般情况下,压力对流变性能的影响不如温度明显。,二、水泥浆的性能-水泥浆流变性, 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。,二、水泥浆的性能-水泥浆流变性,4、水泥浆滤失量,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,二、水泥浆的性能-水泥浆滤失量,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:
11、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。,二、水泥浆的性能-水泥浆滤失量,(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。 防止施工事故 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。,二、水泥浆的性能-水泥浆滤失量, 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
12、反应生成沉淀; 与钻井液滤液反应生成沉淀。,二、水泥浆的性能-水泥浆滤失量,(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。,二、水泥浆的性能-水泥浆滤失量,(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
13、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。,二、水泥浆的性能-水泥浆滤失量,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。,二、水泥浆的性能-水泥浆稠化时间,(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: 5
14、BC(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。,二、水泥浆的性能-水泥浆稠化时间,(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。,二、水泥浆的性能-水泥浆稠化时间,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。,二、水泥
15、浆的性能-水泥浆稠化时间,(3)稠化时间的调节,促凝:无机金属盐,有机物 缓凝:有机酸,无机酸,高分子聚合物,纤维素衍生物 副 作 用:水质敏感性,降强,非单调性,加量指数变化,流变、降滤协调性与选择性 缓凝的作用机理:抑制水泥矿物组分水化速度,延缓结晶过程 吸附理论 分子吸附于水化颗粒表面,阻止水的接触(屏蔽层) 组合理论 分子与液相中 Ca2+离子整合,阻碍晶核生成(夺电子) 晶核毒化理论 分于吸附于最初生成的核晶表面,阻止晶体连生,难于形成聚晶体 沉淀理论 分子与 Ca2+和(OH)-离子作用,沉淀于水化表面,阻止水向肢体内部渗透,抑制水化。,二、水泥浆的性能-水泥浆稠化时间,6、水泥石
16、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。,二、水泥浆的性能-水泥石强度,(2)水泥石抗压强度,二、水泥浆的性能-水泥石强度,(中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 6544- 2003),不同封固层水泥石抗压强度要求,(3)水泥的固结特性-胶结强度,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
17、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10 % 20%。 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。,二、水泥浆的性能-水泥石强度,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)。 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。,二、水泥浆的性能-水泥石强度,(4)水泥石的抗折强度,二、水泥浆的性能-水泥石强度,评价水
18、泥石韧性的方法主要有: 抗冲击韧性试验:指水泥试件受冲击断裂后所消耗能量(或称断裂功)的大小。用以表示水泥环承受冲击的能力。 抗折强度试验。抗折强度又称为弯曲抗拉强度,测定水泥试件在抗折实验机上连续均匀加载条件下断裂时的荷载,并计算出其抗折强度。 弹性模量试验。弹性模量实际上代表了材料抵抗变形的能力。弹性模量越大,材料越不容易变形,刚性也就越大。 抗拉强度试验。测定水泥试件在受到均匀拉伸载荷的作用下断裂时的载荷,并计算出抗拉强度。 实弹射孔试验。模拟井下温度和压力条件下养护水泥环并用实弹射孔,以观察水泥环孔眼是否整齐,有无碎裂及裂纹,评价水泥塑性。,上述5种方法对固井工程都具有实际的指导意义,
19、但试验的难度具有很大的差别。对比而言,抗折强度、弹性模量试验操作较为简单,对试件的要求较低,而且能定量的分析水泥石韧性变形能力的大小。因此,现在主要以水泥石的抗折强度、弹性模量试验所得到的实验数据来评价水泥石的韧性。,二、水泥浆的性能-水泥石强度,7、水泥石渗透率,渗透率是一定压力下,水泥石允许流体通过的特性。 一般情况下,对水泥石渗透率应小于0.0110-3m2,用于封固腐蚀性地层应尽量降低渗透率。据美国主要页岩气产层储层物性统计,孔隙度为4.226.51% ,渗透率为40.910-6 m 。,二、水泥浆的性能-水泥石渗透率,(1)油井水泥定义:,波特兰水泥(硅酸盐水泥)一种,为水硬性胶凝材
20、料,呈粉末状,加水拌和后成浆体,并能在空气和水中硬化并保持、发展其强度。,1824年由英国建筑工人阿斯普丁发明,通过煅烧石灰石与粘土的混合料得出一种胶凝材料,它制成砖块很像由波特 兰半岛采下来的波特兰石,由此将这种胶凝材料命名“波特 兰水泥”(Portland Cement),波特兰水泥的发明:,三、硅酸盐水泥的水化特征及影响因素,(2)生产工艺流程,三、硅酸盐水泥的水化特征及影响因素,(3)矿物组成(按API分类),三、硅酸盐水泥的水化特征及影响因素,(4)油井水泥的主要水化反应,三、硅酸盐水泥的水化特征及影响因素,油井水泥水化产物SEM照片(室温7 d),C-S-H,钙矾石,C-S-H 水
21、化硅酸钙凝胶,CH Crystal 氢氧化钙晶体,油井水泥水化产物SEM照片,水化过程,三、硅酸盐水泥的水化特征及影响因素,油井水泥水化放热曲线,三、硅酸盐水泥的水化特征及影响因素,(5)油井水泥的低温水化特性,C3S、C2S低温水化能力弱,低温抗压强度发展缓慢。,三、硅酸盐水泥的水化特征及影响因素,温度对油井水泥强度的影响规律,三、硅酸盐水泥的水化特征及影响因素,51,三、硅酸盐水泥的水化特征及影响因素,高温水泥浆体系 深水固井水泥浆体系 高密度水泥浆体系 低密度水泥浆体系 耐腐蚀水泥浆体系,四、特殊固井水泥浆体系,(1)高温对固井的影响,超深井主要分布于新疆塔里木、准噶儿、四川等地区,。
22、川西北老关庙地区钻探的关基井在井深7175m发现了较好的气层。地温梯度为2.8 /100m ,温度达 190 以上。 塔里木地区井深6000m以上的探井均发现了工业油流。 塔深1井达到了8400多米,地温梯度为2.5 /100m ,温度达200 以上。 胜科1井,井深7100多米,温度达220 以上,1. 高温水泥浆体系,四.特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系, 高温缩短水泥浆的稠化时间,会产生“灌香肠” ; 尾管固井、插入法固井时 ,钻具被水泥固死,产生“插旗杆”事故 ; 水泥石的强度衰退 ,缩短油气井的寿命; 水泥浆流变性要求; 水泥浆失水的要求。,(1)高温对固井的影响,四.特殊固井水泥
23、浆体系-高温水泥浆体系,(2)高温固井新材料体系,四.特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系,1) Schlumberger-CASH体系,CASH:CaO-Al2O3-SiO2-H2O,四.特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系,250 水化产物XRD分析,CASH体系高温稳定性,四.特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系,2)Halliburton-ThermaLock体系,主要成分,水合铝酸盐,水合磷酸钙,云母状铝矽酸钙,不含:,氢氧化钙和硅酸钙水化物,四.特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系,水泥石样品,四.特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系,3)陶瓷基高温固井材料,反应原理: MgO + KH2P
24、O4 + 5H2O - MgKPO4.6H2O,四.特殊固井水泥浆体系-高温水泥浆体系,4)FN型耐高温油井水泥,抚顺水泥股份有限公司针对辽河油田热采油井的固井需求,其主要适用于井底温度在l10300条件下的固井施工。 理论依据是:纯熟料油井水泥在井底温度超过ll0湿热条件下,C2S和C3S最初水化生成C2SH2和Ca(OH)2,C2SH2不稳定,发生晶形转变,先是生成C2SH(A),接着由C2SH(A)转变为C2SH(C),使水泥形成以C2SH(A)和C2SH(C)为主体的混合物相。这2种水化矿物的强度均小于2MPa,再加上它们在固体状态下晶形转变破坏了水泥石的内部结构,造成高温强度急剧下降
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