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1、浅谈水泥浆性能调整方法张雪 郝志武（华北石油局井下作业公司HB1401固井队）摘要：固井是油气井在建井过程中的一个重要环节，固井质量的好坏，直接影响到该油气井能否继续钻进、能否顺利地生产、油井的寿命以及油气藏的采收率。水泥浆性能及测定与固井作业有着密切的关系，是进行固井设计和安全施工，保证固井质量的关键因素。为了固井施工的顺利进行，不断提高固井质量，必须要求水泥浆具有良好的性能并进行准确的测量。关键词：大牛地气田 水泥浆性能 配方调整分析引 言水泥浆是由油井水泥、配浆水、外加剂及外掺料按一定的比例配制而成。在一定的温度和压力下，不同的材料相互之间经过化学作用和物理作用，影响并形成了具有特殊性能
2、的水泥浆。由于井身结构的不同，所以需要不同性能的水泥浆，因此给我们配方调整带来了很大的困难。1、水泥浆的组成成份及各组分对性能的影响1.1、油井水泥的矿物组分油井水泥的主要矿物组份（C2S，C3S，C3A和C4AF），C3S是水泥熟料的主要成份，也是影响水泥石强度的主要因素。C2S也是主要成份，其水化速度较慢，早期强度低，但长期强度仍有较大的增加，其含量高的水泥主要用于深井和超深井的固井。C3A水化反应快，对水泥浆稠化时间影响很大，早期强度较高，3d后强度几乎不增长，体积收缩大，抗硫酸盐性能差，所以中抗和高抗水泥对其含量作了严格的限制。C4AF的水化速度剧中，早期强度增长快，后期仍有增加，含量
3、多时会使水泥石的强度减弱。1.2、水灰比对水泥浆性能的影响水灰比是指水泥浆中水对水泥的质量比，对水泥浆和水泥石性能都有一定的影响。首先直接影响的是水泥浆的密度，水灰比增加，水泥浆密度减小。随着水灰比的增加，水泥浆的游离液增加，塑性粘度和动切力减小，水灰比超过一定的量时，水泥石的强度显著下降。1.3、外掺料对水泥浆性能的影响外掺料是为了改善水泥浆的某些性能而加入水泥的材料。包括减轻剂、加重剂以及提高热稳定性的材料等。减轻剂主要用于降低水泥浆的密度，提高水泥浆的造浆率。加重剂，在钻遇高压层或调整井固井时，为防止井喷、气窜等情况的发生，在水泥中掺入加重剂，以提高水泥浆密度。1.4、温度、压力对水泥浆
4、性能的影响大量的试验数据表明，在常压至20.7Mpa的范围内，压力对水泥浆的稠化时间和水泥石的抗压强度有较大的影响，一般随着压力的增加，稠化时间有所缩短，抗压强度有所提高；当压力继续提高时，其影响较小。温度是影响水泥浆性能最重要的一种因素。对注水泥作业来说，温度对稠化时间的影响是及其重要的。一般来说，相同的水泥浆配方，随着温度的升高，稠化时间缩短。为了保持一定的稠化时间，相应的就要增加缓凝剂的用量，缓凝剂都有其最佳的适应温度范围。温度对水泥浆的其他性能也有较大的影响。1.5、配浆水的影响在化验室进行标准检验和试验时，采用的配浆水是蒸馏水或去离子水。而现场固井的配浆水大部分是采用井场水。不同的现
5、场水矿化度差别很大，所含离子种类和浓度也各不相同，对水泥浆性能的影响也不尽相同。因此固井前水泥浆性能试验都应使用现场配浆水进行，以保证水泥浆性能试验数据的准确性和可靠性，避免固井事故的发生。 2、水泥浆性能的要求一般来说具有良好性能的水泥浆要不沉降，不起泡；有良好的流动性、适宜的初始稠度，较小的流动摩擦阻力，容易混合泵送；流变性能可通过外加剂调整，以获得较高的顶替效率；满足要求条件下的稠化时间，保证施工的安全；已顶替至环空的水泥浆在固化过程中不受油气水的侵入；顶替及候凝过程具有较低的滤失量，固化后不渗透；注水泥结束后，应有足够的早期强度，且强度增长迅速，长期强度稳定，有效封隔地层；形成的水泥环
6、能够足够支撑套管；具有抗地层流体侵蚀的能力。2.1、水泥浆性能主要包括以下一些方面： 2.1.1 水泥浆的密度：水泥浆的密度是一个重要参数，也是影响水泥浆性能的基本因素。水泥浆密度主要由水、水泥、外加剂和外掺料的比例来控制。一般情况下，水泥浆含水量越小，密度越大。 2.1.2 水泥浆的流变性：水泥浆的流变性是注水泥流变学设计的基本参数，只有正确地测出水泥浆的流变参数，才能正确地计算出摩擦阻力和循环泵压，提高顶替效率，同时又不至于压漏地层。2.1.3 水泥浆的失水性能：用来测试水泥浆在固井施工过程中和施工完成后的脱水量。水泥浆失水是30min内一定的温度和压差下，通过一定面积孔隙所能滤失的自由水
7、量。一般纯水泥浆在常温、0.7-6.9Mpa压差下得滤失量大约为1000-2000ml/min。降低水泥浆的失水能够防止渗透地层因滤失作用而引起的施工事故和对油气层的损害。2.1.4 水泥浆的稠化时间：用以确定水泥浆在模拟井眼温度和压力的条件下保持可泵流体状态的时间。在注水泥施工中，水泥浆首先必须具有良好的可泵性，随着水泥水化反应的不断进行，逐渐形成结构致密的水泥石，这一过程可大致分为稠化、凝结和硬化三个阶段。水泥浆稠化阶段可以适应泵送施工的要求，一旦稠化之后，则完全失去了可泵性，因此水泥浆的稠化时间是控制固井作业的关键参数，是安全施工的首要因素。2.1.5 水泥石的抗压强度：水泥石的强度主在
8、从生产层直到地面之间提供一个良好的封隔，相对保持的时间还要长久些，也不允许地层流体或其它流体通过这一环形空间流动。因此，凝固后的水泥石有三个参数：抗压强度、渗透率和孔隙度，其中抗压强度是最重要的参数，它有承受冲击、支撑套管和井眼及隔离地层等几方面作用，直接影响着固井质量。2.1.6 游离液（自由水）：注水泥后水泥浆在凝固前的持续阶段，浆体中的水会分离出来而向上移，聚集在液柱顶部。这种分离现象会影响封隔地层的效果，特别在井斜较大的井段更为严重。游离液就是实验室用以测量水泥浆分离趋势的参数。2.1.7 沉降稳定性：与游离液的形成情况相同，水泥浆在凝固前的持续时间里，悬浮的固相颗粒会从水泥浆中分离出
9、来并沉积在水泥浆液柱的底部。利用试验手段可测定水泥浆的相对稳定性。沉降严重可使水泥浆密度发生较大变化，导致地层流体侵入井眼环空并可能使井眼失控。3、简述所涉及到外掺料及添加剂在水泥浆中的作用减轻剂（SQ-2人工漂珠）：使用减轻剂来降低水泥浆比重，可以降低水泥浆成本和增加造浆量。缓凝剂（GH-3）：是指能延长水泥浆凝固时间的化学剂，调整稠化时间。降失水剂、GSJ长庆降失水剂：形成薄膜或胶粒，减少水泥浆的失水量。物理性能指标：外观是白色固体粉末或浅黄色粉末。减阻剂（USZ）：又名分散剂，可改善水泥浆的流动性能。早强剂（GQD）：稳定浆体，提高水泥石的抗震能力和抗折强度。4、调整配方的步骤首先第一步
10、根据钻井设计得到一些数据（井深、地温梯度、年平均温度、泥浆密度），根据这些数据通过公式算出水泥浆所需的温度、压力、升温时间。第二步根据钻井设计上对水泥浆的性能指标调配出所需要的水泥浆比例（外掺料与添加剂的比例）确定密度，再考虑失水量、游离液、稳定性、流变性、强度、稠化时间。确定每一个性能指标后，通过调整的几个配方、得出最好最符合的一个。第三步做出大样灰，进行现场施工。表1大牛地所需水泥浆性能要求项目技术套管注水泥生产套管注水泥领浆尾浆领浆尾浆密度，g/cm1.260.031.880.031.350.031.900.03初始稠度，Bc30稠化时间，min注水泥施工时间附加60min安全时间可泵时
11、间，min可泵时间与稠化时间这之间的间隔小于20min失水量（6.9Mpa30min），ml常规井2005020050定向井1003010030水平井5010游离液,%常规井1.00.11.00.1定向井0.50.050.50.05水平井00抗压强度，Mpa8h24h3.5253.525流变性4.1、低密度室内的调整与结论4.1.1 密度的调整与强度对比 配方：70%QTX+25%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+0.1%CH-3+1.5%G309 75%QTX+20%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+0.1%CH-3+1.5%G309 80%QTX+15%SQ-2+5%Msi+1.5
12、%GQD+0.1%CH-3+1.5%G309表2配方水泥（QTX%）人工漂珠(SQ-2%)微硅(MSI%)水灰比(W/C)密度(g/cm)强度Mpa（70/24h/常压）70255751.353.982801.303.78901.263.5275205751.404.96801.354.5901.314.21480155751.476.01801.455.861901.355.25结论：由表2可知，加入漂珠同时增加水灰比虽然达到了密度要求但是强度会随着水灰比的增加而降低，且浆体稳定性也不能保证。因此在总结漂珠低密度水泥浆体系的基础上，应用颗粒级配原理，适量加入颗粒细度极小的微硅，使水泥、漂珠不
13、同颗粒细度的干混材料实现良好的空隙填充，达到紧密堆积的效果，改善了水泥石的微观结构，增加其致密性，从而使得整个体系的强度得到了很好的控制。在上面三个配方里，比较符合所需的是配方、配方。4.1.2 稳定性调整配方：70%QTX+25%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+0.1%CH-3+1.5%G309 75%QTX+20%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+0.1%CH-3+1.5%G309表3配方水灰比(W/C)密度 (g/cm）上部 (g/cm）中部 (g/cm）底部 (g/cm）上下密度差 (g/cm）751.351.351.351.360.01801.301.301.311.315
14、0.015901.281.281.291.300.02751.401.401.411.4150.015801.351.351.361.370.02901.311.311.321.3250.025结论：由表3得知常温下测得的上下密度差0.03 g/cm,具有良好的稳定性，且要好于。4.1.3 其他性能的调整配方：70%QTX+25%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+0.1%CH-3+1.5%G309 75%QTX+20%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+0.1%CH-3+1.5%G309表4配方水灰比(W/C)密度(g/cm)流动度(mm)六速粘度析水量(ml)失水量(ml)nKPasn751.3526376/42/29/17/8/61450.83960.1140801.3026773/38/28/16/5/32500.84260.1056901.2827265/32/23/14/4/36580.85
