油井水泥外加剂课件

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1、油井水泥外加剂及水泥浆体系,油井水泥外加剂及作用机理 常用的十大水泥浆体系 选择水泥外加剂和设计水泥浆体系应注意的几个问题,May.2004,油井水泥外加剂及作用机理,1. 油井水泥早强剂,油井水泥早强剂主要是指能显著缩短水泥浆稠化时间，加速水泥熟料矿物的凝结与硬化， 提高水泥石早期抗压强度的外加剂。 主要用途： 缩短凝结时间，表层套管注水泥、打水泥塞、堵漏等。,May.2004,1.1 油井水泥早强剂作用机理,研究发现，不同类型的早强剂对水泥浆具有不同的早强作用机理，通常常用的几类早强剂，其促凝早强的作用机理为：,氯盐类早强剂：氯盐促进水泥浆硬化和早强的机理，主要有两个方面的原因。一是增加水

2、泥颗粒的分散度，从而加速水泥水化和硬化的速度 ；二是与水泥熟料矿物产生化合作用，与C3A化合生成水化氯铝酸钙，从而使胶体膨胀，水泥石孔隙减少，密实性增大，从而提高了水泥石的强度。,硫酸盐类早强剂：硫酸盐对水泥的促硬、早强作用，主要是因为它能与水泥熟料矿物水解析出的氢氧化钙发生置换反应，从而能加速与水泥熟料中的C3A反应生成更多的硫铝酸钙，提高水泥水化液相中的固相比例，加快水泥凝结硬化的速度和早期强度的提高；,有机早强剂：如三乙醇胺，它能起到促凝早强作用是由于三乙醇胺能促进水泥石形成更多的钙矾石，能有效地吸附在水泥熟料矿物表面，加快C3A与石膏之间的反应，但三乙醇胺可能减缓C3S的水化速度。通常

3、，它与其它促凝早强剂复合使用，可发挥更好的早强作用。,May.2004,常用的油井水泥促凝早强剂可分为无机盐类早强剂、有机化合物类早强剂和由多种不同类型早强剂复合而成的复合早强剂。 一、无机盐类 主要包括： 氯化钙：如BJ公司的：A-7,道威尔的：SI 液体氯化钙：如BJ公司的：A-7L,道威尔的：D77 硅酸盐：如BJ公司的：A-2,道威尔的：D29,Diacel A,HALLIBURTON:Econolite 硫酸盐：如BJ公司的：A-10,道威尔的：D53, HALLIBURTON:EA-2 氯化钠：如BJ公司的：A-9,道威尔的：M117等 其它无机盐类促凝剂还包括：铝酸盐、硝酸盐、碳

4、酸盐、 硫代硫酸盐以及钠、钾、铵的氢氧化物等；,1.2 油井水泥早强剂的主要类型,May.2004,油井水泥早强剂的主要类型,二、有机化合物促凝剂 主要包括：甲酸钙Ca(HCOO)2、甲酰铵（CHONH2)、草酸（H2C2O4)和三乙醇胺（N(C2H4OH)3等。 三、复合促凝剂 研究表明，由多种无机盐促凝剂和有机化合物促凝剂复合的早强剂，往往可得到比单一类型促凝剂促凝效果更好的外加剂。我国目前油田常用的早强剂通常为复合型的促凝早强剂，往往很少单独使用一种早强剂如：CA-2,CA903S,T90S,S601,S603,SA-1,SS-1等。,通过物理化学作用，能显著延缓水泥浆稠化时间，防止油井

5、水泥凝结过快的外加剂可称作为油井水泥缓凝剂。有些缓凝剂同时还具有减阻和降失水的作用。 主要用途：增加水泥浆稠化时间，降低水泥浆粘度。,2. 油井水泥缓凝剂,May.2004,2.1 缓凝剂作用机理,缓凝剂的作用机理主要是指缓凝剂的化学性质和缓凝剂与水泥相（硅酸盐或铝酸盐）的作用过程，由于不同的缓凝剂有不同的化学性质和作用过程，所以，目前所提出的所有理论都还不能全面的解释缓凝剂本身参与水泥的水化过程的情况，本项工作需进一步的研究。目前，所提出的缓凝剂的主要机理有：,吸附理论：缓凝作用的产生是因为缓凝剂吸附在水化物表面上抑制了与水的接触。 沉淀理论：缓凝剂与水相中的钙离子或氢氧根离子反应，在水泥颗

6、粒周围形成一种不溶解的非渗透层。 成核理论：缓凝剂吸附在水化物的晶核上，抑制了它的进一步增长。 络合理论：缓凝剂螯合钙离子，因而防止了晶核的形成。 注：在某种程度上，上述四种机理有可能在缓凝过程中都发生，或其中的一种或两种机理在缓凝过程中同时发生。,May.2004,2.2 油井水泥缓凝剂的主要类型,木质素磺酸盐类：如BJ公司的：R-1，R-12,道威尔的：D13,D81,D800，D801, HALLIBURTON: HR-4,HR-7 等， 羟基羧酸类：如葡萄糖酸、柠檬酸、酒石酸、水杨酸、苹果酸、乳酸、葡庚糖酸及它们的盐；如BJ公司的：CR-5,道威尔公司的D110：我院的;H88,H98

7、 等； 糖类化合物：如蔗糖、棉子糖、可溶性淀粉等；如HALLIBUTION 公司的：HR-13L,我院的：S12，等 纤维素衍生物：如BJ公司的R-6或DIACEL-LWL,道威尔公司的D8, HALLIBUTION 公司的：Diacel LWL： 有机磷酸盐类：如HEDP,AMDP 等，如：JRL,H-1 合成高温缓凝剂 AMPS共聚物体系 无机化合物类：如铝、锌、硼的化合物；如：HR-A，LW-1,LW-2等，,目前，用作油井水泥缓凝剂的化合物主要有以下的类型，它们可能是这几类化合物的改性合成化合物，或是几种化合物的复合物。,May.2004,3. 油井水泥降失水剂 固井时水泥浆在压力下流

8、经高渗透地层时，将发生“渗透”，水泥浆液相漏入地层，通称为失水，故能够降低油井水泥浆失水量的这种外加剂通称为油井水泥降失水剂，目前主要通过减小滤饼渗透率或提高水相粘度等手段来达到降低失水的目的。 主要用途：保护产能，用于油层注水泥、挤水泥、尾管注水泥、水敏地层注水泥、防气窜注水泥,May.2004,3.1 降失水剂作用机理,研究降失水剂的作用机理主要应通过研究水泥颗粒的形状和尺寸、流体的粘度、水泥滤饼的质量等方面来进行，其中以改善滤饼质量为控制失水的关键，目前，降失水剂的作用机理主要有两种学术观点： 减少水泥滤饼的渗透率，改善水泥滤饼的结构，以形成致密、渗透率低的滤饼，从而降低失水，可通过：

9、a: 调整水泥浆体系的颗粒分布，使超细颗粒材料能够嵌入水泥颗粒之间，阻塞滤饼空隙，形成致密结构的滤饼，有助于降低失水。 b: 采用水溶性高分子聚合物，通过其吸附基团和水化基团在水泥颗粒表 面形成“水泥颗粒线性高分子水分子吸附层”的网状结构，束缚住更多自由水，阻塞水泥内部空隙，从而降低失水。 增大水泥浆液相粘度，通过增大液相向地层滤失的阻力，降低水泥浆失水。,May.2004,3.2 油井水泥降失水剂的主要类型,特制的超细研磨材料 如：膨润土、石灰石粉、沥青质、热塑性树脂、胶乳等类的颗粒材料 水溶性高分子及有机材料 1、水溶性改性天然产物 纤维素类 如：道威尔公司的：D-28, HALLIBUR

10、TON: Halad-14,22A 等，国产的BXF-1，LW-1，S24等。 聚乙烯醇类 如：CG701S, G60S系列等 淀粉类 经接枝改性的淀粉可用作油井水泥降失水剂，其水溶性好，降滤失性好，与其它水泥外加剂配伍性好，且具有较好的分散性和流变性。 如HALLIBURTON: Halad-9 褐煤类 是一类煤化程度较小的煤，含较高的内在灰分和不同数量的腐殖酸，通过接枝共聚反应在褐煤大分子链上引进乙烯类侧链的方法可用作油井水泥降失水剂， 如SM-B 单宁类，单宁的主要有效成分是具有多元酚基和羧基的有机物质，经接枝化学改性后的单宁还可用作油井水泥降失水剂。,降失水剂主要有两种类型：特制的超细

11、研磨材料和水溶性聚合物。,May.2004,2、合成具有磺酸盐基团或刚性基团的水溶性聚合物 AMPS的接枝共聚物,如HALLIBUTION的HALAD313S(L),国内由我院开发并广泛在国内外推广应用的 BXF-200L系列， 本系列的降失水剂有大量的专利报道，是世界油井水泥降失水剂发展的一个方向； 丙烯酰胺丙烯酸聚合物体系: 如： HALLIBURTON: CEMAD1，国产的XS2, 聚丙烯酰胺，磺甲基聚丙烯酰胺体系：如国产的R90抗盐降失水剂系列 聚乙烯多胺的共聚物等:如国产的SK系列降失水剂。 合成苯乙烯丁二烯，胶乳丙烯酸或类似胶乳水泥浆体系， 如HALLIBUTION的D-air系

12、列，以及国产的BCT-800胶乳外加剂体系,油井水泥降失水剂的主要类型,May.2004,4. 油井水泥分散剂,油井水泥分散剂主要用于改善水泥浆的流动性，降低水泥浆体系的粘度，改善并显著提高水泥浆的流变性能的外加剂。 使用效果：稀释水泥浆，提高顶替效率，降低水马力，使水泥浆易于泵送。,May.2004,分散剂的主要作用机理是分散剂的吸附分散作用，其微观机制，则因分散剂的分子结构不同而存在一定的差异，其主要的作用机理表现为： 吸附分散和释放游离水机理 分散剂可吸附于水泥颗粒的表面，形成吸附双电层，在电性相斥的作用下，使水泥水化初期形成的絮凝结构分散解体，絮凝体内的游离水释放出来，提高水泥浆的流变

13、性； 润湿作用 分散剂的润湿作用会增加水泥颗粒的水化面积，在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜，阻止了水泥颗粒的直接接触，起到了润滑分散的作用； 微气泡润滑作用 分散剂的掺入将引入一定量的微细气泡，并与水泥质点具有相同符号的电荷，因而气泡与水泥颗粒间也因电性相斥，增加了水泥颗粒间的滑动能力，使水泥颗粒分散。,4.1 油井水泥分散剂的作用机理,May.2004,4.2 油井水泥分散剂的主要类型,磺酸盐类 1）密胺磺酸盐类（PMS)；如国产的SM 2）聚萘磺酸盐类 如道威尔公司的：D31L, HALLIBURTON: CFR-2 ,国产的FDN,MF,UNF等， 3）木质素磺酸盐如：HALLIB

14、URTON: CFR-2L, 等， 4）聚苯乙烯磺酸盐 甲醛与丙酮（或其它酮类）缩聚物，如国产的 SXY,USZ，CF40 分子质量相对较低的羟基聚多糖，如水解淀粉等； 低分子化合物，如羟基羧酸等。,May.2004,5. 油井水泥消泡剂,许多油井水泥外加剂在配制过程中可能引起气泡，水泥浆的过渡起泡可造成严重的后果。能够在泡沫表面扩散形成不稳定膜，从而起到消泡作用的外加剂材料可称作消泡剂。,May.2004,消泡剂的分子结构通常带有支链并且烃链较短，使消泡剂在气液界面上形成的双吸附层强度差，有利于消泡； 消泡剂亲水基的极性较弱，亲油性较强，对液膜中极性水分子的吸引力较弱，自由水多，膜中液体的粘

15、度低，容易流动，故液膜容易破裂而有利于消泡。 消泡剂分子的活性应较高，加入泡沫体系后可顶替泡沫分子，使泡破裂而有利于消泡。,5.1 油井水泥消泡剂的作用机理,通常认为作为消泡剂的材料，在消泡过程中的主要原理为：,May.2004,5.2 油井水泥消泡剂的主要类型,固井中常用的消泡剂有： 高分子醇， 硅氧烷；如国产的GPE, 磷酸酯 如国产的G603 甘油聚醚等 如国产的GX-2, 国外常用的长链羟基化合物粉状消泡剂包括道威尔公司的D-6, HALLIBURTON: NF-P,NF-1 等，常用的长链有机化合物液体消泡剂包括道威尔公司的D-47, HALLIBURTON: P-Air 等，,Ma

16、y.2004,降低水泥浆密度可有效减小静水液柱压力，防止压裂弱胶结地层；低密度水泥浆可以用于低压油气层，以免油气层收到伤害；减少注水泥的次数，提高水泥浆造浆率，并由此获得较好的经济效益。 通常，我们将能降低水泥浆密度的材料，统称为油井水泥减轻剂，在同一水泥浆中，为降低水泥浆的密度，提高低密度水泥浆的综合性能，经常同时使用几种减轻材料。,6. 油井水泥减轻剂,May.2004,6.1 油井水泥减轻剂的分类,根据减轻剂降低水泥浆密度的机理，可以将减轻材料分为三类：,水基减轻剂：指能吸附过量的水且起到充填作用的材料，如膨润土，硅酸钠等水溶增粘剂；这类减轻剂能使水泥浆混配保持均匀，阻止过量游离水的产生； 低密度填充料：指密度低于波特兰水泥密度（3.15g/cm3)的低密度材料，这类减轻剂只要加量足够就可以降低水泥浆密度。 气体减轻材料：指常用空气或氮气来配制的具有超低密度且足够抗压强度的泡沫水泥，常有化学发泡和机械充气两种方法。,May.2004,膨润土：也叫搬土，密度2.602.70