固固井井是是钻钻井井工工程程的的临临门门一一脚脚钻钻井井是是勘勘探探开开发发的的必必由由之之路路第八章第八章 固井工艺与质量检测固井工艺与质量检测第一节第一节 固井工艺固井工艺第二节第二节 油井水泥油井水泥第三节第三节 前置液与外加剂前置液与外加剂第四节第四节 固井质量检测固井质量检测第五节第五节 提高固井质量的技术提高固井质量的技术何为固井？何为固井？Well Cementing 固井就是将水泥注入井壁与套管之间环空的固井就是将水泥注入井壁与套管之间环空的过程固井工程是指通井处理钻井液、下套管、过程固井工程是指通井处理钻井液、下套管、再循环处理钻井液、注水泥、候凝、封固质量检再循环处理钻井液、注水泥、候凝、封固质量检测到装井口交井的全过程，是涉及多学科多专业测到装井口交井的全过程，是涉及多学科多专业（石油工程、化学工程、硅酸盐科学、高分子科（石油工程、化学工程、硅酸盐科学、高分子科学、流变学等）的一个系统工程，核心是经济合学、流变学等）的一个系统工程，核心是经济合理地设计套管柱和理地设计套管柱和安全优质地注入水泥浆安全优质地注入水泥浆固井的目的是保护地表水、固井的目的是保护地表水、封隔地层封隔地层和支撑和支撑套管柱。
套管柱2001200220001997第一节第一节 固井工艺固井工艺 一、固井地面设备一、固井地面设备 二、常规固井工艺二、常规固井工艺 三、特殊固井工艺三、特殊固井工艺一、固井地面设备一、固井地面设备循环钻井液循环钻井液 注前置液和水泥浆注前置液和水泥浆 压胶塞压胶塞 替钻井液替钻井液 碰压碰压 二、常规固井工艺二、常规固井工艺钻井固井过程钻井固井过程（Drilling-Cementing Process）三、特殊固井工艺双级固井三、特殊固井工艺双级固井三、特殊固井工艺尾管固井三、特殊固井工艺尾管固井机械式尾管悬挂器机械式尾管悬挂器尾管悬挂示意图尾管悬挂示意图 第二节第二节 油井水泥油井水泥一、油井水泥的制造方法一、油井水泥的制造方法二、油井水泥水化机理二、油井水泥水化机理三、油井水泥水化伴随现象三、油井水泥水化伴随现象四、油井水泥性能与测量四、油井水泥性能与测量五、影响油井水泥性能的因素五、影响油井水泥性能的因素一、一、油井水泥的制造方法（干法和油井水泥的制造方法（干法和湿法湿法）石灰石石灰石 粘土粘土 铝矾土铝矾土 硅石硅石 铁粉铁粉 荧石等荧石等生料生料按比例混合按比例混合1450熟料熟料油井水泥（水硬性胶凝材料）油井水泥（水硬性胶凝材料）加石膏或外加剂，并研磨加石膏或外加剂，并研磨分四个阶段：分四个阶段：（1）预热干燥）预热干燥300600，烧掉有机物质，烧掉有机物质（2）石灰石分解）石灰石分解900：CaCO3分解出分解出CaO和和CO2（3）高温化学反应）高温化学反应1450，生成，生成C2S、C3A、C4AF、C3S（4）冷却、出窑）冷却、出窑磨细磨细油井水泥分级油井水泥分级 A B C D E F G H （J）01830mA级普通水泥（级普通水泥（0.46）C级级早强水泥（早强水泥（0.56）B级中热水泥（级中热水泥（0.46）18304880mD级缓凝水泥（级缓凝水泥（3050m）F级级缓凝水泥缓凝水泥（4880m）E级级缓凝水泥缓凝水泥（4270m）02440mG级基础水泥（级基础水泥（0.44）H级基础水泥（级基础水泥（0.38）二、油井水泥水化机理二、油井水泥水化机理 起始期起始期迟缓期迟缓期凝结期凝结期硬化期硬化期 （几分钟）（几分钟）（几十分钟几个小时）（几十分钟几个小时）（几十分钟）（几十分钟）（几天数年）（几天数年）大量放热大量放热液态特征液态特征水化速度变慢水化速度变慢流动性能稳定流动性能稳定水化加速水化加速不再流动不再流动晶体析出晶体析出强度增加强度增加C-S-H凝胶层凝胶层 那么，那么，油井水泥的水化产物是什么？这些产物有什油井水泥的水化产物是什么？这些产物有什么样的性质？高温水泥石强度退化的根源是什么？加么样的性质？高温水泥石强度退化的根源是什么？加砂又为什么能防止这种退化？下面我们就以国产砂又为什么能防止这种退化？下面我们就以国产 API G级油井水泥为例进行剖析。
级油井水泥为例进行剖析三、油井水泥水化伴随现象三、油井水泥水化伴随现象 放出水化热、胶凝失重、失水与析放出水化热、胶凝失重、失水与析水、体积减缩、水、体积减缩、“闪凝闪凝”、“假凝假凝”等A.放出水化热放出水化热井温测井、井温测井、“微环隙微环隙”起始期起始期迟缓期迟缓期凝结期凝结期硬化期硬化期（几分钟）（几分钟）（几十分钟几个小时）（几十分钟几个小时）（几十分钟）（几十分钟）（几天数年）（几天数年）水化速度较快水化速度较快放出热量较大放出热量较大持续时间较短持续时间较短水化速度变慢水化速度变慢放出热量很少放出热量很少水化速度加快水化速度加快放出热量最大放出热量最大水化速度很慢水化速度很慢放出热量变少放出热量变少持续时间极长持续时间极长放热量由大到小：放热量由大到小：C3A、C3S、C4AF、C2SB.胶凝失重胶凝失重Sabins,F.L.失重公式：失重公式：水泥浆柱压力降落曲线水泥浆柱压力降落曲线水泥浆胶凝强度发展曲线水泥浆胶凝强度发展曲线有效压力（有效压力（kPa)胶凝强度（胶凝强度（100Pa)试验时间（试验时间（min）水泥浆柱有效压力和胶凝强度水泥浆柱有效压力和胶凝强度与试验时间的关系与试验时间的关系水泥浆柱有效压力与胶凝强度的关系水泥浆柱有效压力与胶凝强度的关系胶凝强度胶凝强度(Pa)(Pa)浆柱有效压力浆柱有效压力(KPa)(KPa)05010015020001020304050 水水泥泥浆浆柱柱有有效效压压力力在在初初凝凝前前降降至至水水柱柱压压力力。
测测出出水水泥泥浆浆在在初初凝凝时时的的胶胶凝凝强强度度(该该值值约约为为1650Pa)，即即得得水水泥泥浆浆在在初初凝凝前前浆浆柱柱有有效效压压力的计算公式：力的计算公式：当当s s 时：时：当当s s 时：时：公式公式 的推导的推导土壤力学理论土壤力学理论假假定定：水水泥泥浆浆发发生生明明显显水水化化之之前前，水水泥泥浆浆就就象象尚尚未未沉沉积积的的土土壤壤；胶胶凝凝过过程程中中的的水水泥泥浆浆柱柱与与土土壤壤层层具具有有相相似似的的固固结过程用用Terzaghi 定律来描述水泥浆内的应力状态：定律来描述水泥浆内的应力状态：初始浆柱压力初始浆柱压力地层压力地层压力水泥浆柱压力水泥浆柱压力3.57.0P(MPa)t(hr)abcd2130a-b段：起始期段：起始期 迟缓期迟缓期b-c段：进入凝结期段：进入凝结期 那么，是不是水泥浆柱压力低于那么，是不是水泥浆柱压力低于地层压力就发生气窜呢？地层压力就发生气窜呢？水窜流量的变化规律水窜流量的变化规律水窜时间（水窜时间（min)1060120200水侵速率（水侵速率（ml/min)3.30.90.220.11水导率（水导率（10-4m2)20.77.551.380.69 可以看出：水泥石水导率随水窜时间增加而可以看出：水泥石水导率随水窜时间增加而降低，这说明在水侵时间内，水泥浆内部的水化降低，这说明在水侵时间内，水泥浆内部的水化仍在进行，仍在不断封闭着水运移的通道，提高仍在进行，仍在不断封闭着水运移的通道，提高自身的抗窜能力。
自身的抗窜能力那么，为什么水泥浆柱压力低于地层那么，为什么水泥浆柱压力低于地层压力还不会立即发生气窜呢？压力还不会立即发生气窜呢？气侵阻力气侵阻力水泥浆结构阻止地层流水泥浆结构阻止地层流体进入浆体的能力体进入浆体的能力 C.失水与析水失水与析水 失水的危害：失水的危害：（1）水泥浆）水泥浆“瞬凝瞬凝”，导致固井失败导致固井失败2）水泥水化不充分，造成固井质量差水泥水化不充分，造成固井质量差3）水泥浆体积减少，诱发油气水窜水泥浆体积减少，诱发油气水窜4）水泥浆向产层失水，污染油气层水泥浆向产层失水，污染油气层析水的危害：析水的危害：（1）水平井形成连续性水带窜槽水平井形成连续性水带窜槽2）垂直井形成横向水带和纵向水槽垂直井形成横向水带和纵向水槽序号序号浆柱压力浆柱压力（MPa）地层压力地层压力（MPa）压差压差（MPa）失水量失水量（ml）24h声幅值声幅值（）（）13.521.5560026.04.01580039.07.030600410.58.550503511.59.5650013613.011.0780029压力对水泥浆失水量的影响压力对水泥浆失水量的影响注：试验水泥浆浆总量为注：试验水泥浆浆总量为38235ml。
D.体积减缩体积减缩 水泥内部体积减少：以真空微孔隙的形式分布水泥内部体积减少：以真空微孔隙的形式分布于水泥石中，造成其孔隙压力下降于水泥石中，造成其孔隙压力下降水泥表观体积收缩：水泥表观体积收缩：膨胀率（）膨胀率（）时间（时间（d）膨胀率（）膨胀率（）时间（时间（d）水泥表观体积水泥表观体积水泥绝对体积水泥绝对体积 总的体积减缩分为两个部分：一部分是外部总的体积减缩分为两个部分：一部分是外部体积收缩，收缩率为体积收缩，收缩率为46；另一部分是结构；另一部分是结构内部收缩，收缩率小于内部收缩，收缩率小于1体积收缩顺序：体积收缩顺序：C2S（1）C3S C4AF C3A（16）水泥浆某时刻水化引起的总收缩率：水泥浆某时刻水化引起的总收缩率：水泥浆某时刻失水引起的体积收缩值：水泥浆某时刻失水引起的体积收缩值：水泥浆某时刻水化引起的总体积收缩值：水泥浆某时刻水化引起的总体积收缩值：水泥总收缩率与时间的关系水泥总收缩率与时间的关系时间时间(h)(h)总收缩率总收缩率()05105010001234765 E.“闪凝闪凝”闪凝是指把波特兰水泥熟料单独（即不加石膏）闪凝是指把波特兰水泥熟料单独（即不加石膏）研磨后与水混合，研磨后与水混合，C3A 会迅速发生反应而发生不可会迅速发生反应而发生不可逆转的稠化现象。
逆转的稠化现象产生的原因有两个：产生的原因有两个：一是因研磨时未加入石膏，水泥中含的铝酸盐和一是因研磨时未加入石膏，水泥中含的铝酸盐和硫酸盐相互作用而造成的硫酸盐相互作用而造成的二是因水泥中石膏的含量和熟料的活性不匹配，二是因水泥中石膏的含量和熟料的活性不匹配，在早期水化阶段在早期水化阶段 C3A与水过多地反应（即与水过多地反应（即C3A 的溶的溶解度大而解度大而 C3S 和石膏的溶解度小）而造成的和石膏的溶解度小）而造成的F.“假凝假凝”假凝是因水泥中存在的半水石膏或可溶性无水石膏假凝是因水泥中存在的半水石膏或可溶性无水石膏的过量溶解，的过量溶解，（有时也会因水泥与外加剂不相容造成（有时也会因水泥与外加剂不相容造成絮凝而引起），絮凝而引起），使浆体液相成为过饱和硫酸盐溶液，使浆体液相成为过饱和硫酸盐溶液，导致石膏快速结晶析出针状二水石膏而形成网状结构导致石膏快速结晶析出针状二水石膏而形成网状结构.假凝使浆体刚性迅速增加，但无大量热放出；立即假凝使浆体刚性迅速增加，但无大量热放出；立即搅拌，刚性消除，塑性又恢复搅拌，刚性消除，塑性又恢复解决的方法有：降低粉磨温度、控制产品质量、调解决的方法有：降低粉磨温度、控制产品质量、调整水泥外加剂品种和加量等。
整水泥外加剂品种和加量等水化伴随现象水化伴随现象与固井工程的关系与固井工程的关系可能造成的后果可能造成的后果放出水化热放出水化热形成微环隙形成微环隙二界面胶结质量差，环空气窜二界面胶结质量差，环空气窜胶凝失重胶凝失重环空压力系统失衡环空压力系统失衡环空气窜，甚至失控而井喷环空气窜，甚至失控而井喷失水与析水失水与析水“闪凝闪凝”，水化不充分，水化不充分固井问题多，污染油层，窜槽固井问题多，污染油层，窜槽体积减缩体积减缩形成微环隙，水泥面下移形成微环隙，水泥面下移二界面胶结质量差，环空气窜二界面胶结质量差，环空气窜“闪凝闪凝”蹩泵蹩泵固井事故固井事故“假凝假凝”泵压升高泵压升高固井事故固井事故四、油井水泥性能与测量。