单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,水泥浆的性能及其提高固井质量措施,1,一、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,水泥石抗折强度,2,二、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，密度越大混合水,最小水量,最大水量,不可泵送,可泵送泵,3,（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4,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11,ABc,的含水量。
最小用水量：,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20,min，,其最大稠度为30,ABc,的含水量5,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20,min,的最大稠度不大于11,ABc，,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15,30,min,的最大稠度应小于30,BC，,对,G,级和,H,级水泥，游离水还应小于1.4%,）6,（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0.12,0.24,g/cm,3,，,但密度越大，流动阻力也越大7,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8,（3）密度的调节方法,：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1.78,1.98,g/cm,3,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9,（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10,2、水泥浆的稳定性,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11,（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12,（2）稳定性的测量方法,：,API,标准的自由水；,水泥柱纵向收缩；,水泥柱纵向密度梯度（分布）13,（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）14,增加水泥浆的静切力（胶凝强度）：,一般可加入,AlCl,3,、FeCl,3,和硫酸铝等应注意的问题：,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15,3、水泥浆的流变性,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：,PV、YP(,宾汉)，,n、k(,幂律)，,YP、n、k(,赫,巴)等16,（1）流变性能的测定方法：,常压、常温或中温（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17,（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18,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流变参数,27,50,75,90,120,150,175,YP，,Pa,8.13,6.57,4.37,1.88,0.55,/,/,PV,，,Pa.s,0.6219,0.5865,0.3344,0.2652,0.2093,0.1421,0.1419,注,水泥浆密度,c,=2.25g/cm,3,，,压力为,15,MPa,19,压力的影响,一般情况下，压力对流变性能的影响不如温度明显流变参数,常压,20,MPa,40,MPa,60,MPa,80,MPa,100,MPa,YP,，,Pa,4.66,5.49,5.91,6.03,6.15,6.21,PV,，,Pa.s,0.4748,0.5526,0.5956,0.5993,0.6703,0.6122,注,水泥浆密度,c,=1.91g/cm,3,，,温度为,75,。
20,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流变参数,水泥浆密度，,g/cm,3,1.70,1.77,1.80,1.85,1.91,2.07,YP,，,Pa,1.913,2.805,4.335,0.931,1.772,4.355,PV,，,Pa.s,6.0,6.8,9.8,11.3,29.3,76.5,21,4、水泥浆的滤失量,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：200,ml,控制中等：200,500,ml,控制较差：5001000,ml,不能控制：1000,ml,22,1982,年,D.K.Smith,指出，6.9,MPa,下，不同用途的水泥浆的滤失量，应达到以下要求：,防气窜：30,50,ml/30min,固尾管和挤水泥：50,ml/30min,固套管：250,ml/30min,防窜水泥浆在,BHST,下测定，其余在,BHCT,下测定23,（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。
24,防止施工事故,水泥浆滤失量过大，会造成以下情况：,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25,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；,与地层水反应生成沉淀；,与钻井液滤液反应生成沉淀26,（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27,（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28,5、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29,（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：40,BC（,也有认为高密度50,BC,）；,易沉降，伴有自由水：5,BC（,也有认为2,BC）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30,（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31,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15,30,min,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序号,密度,g/cm,3,水灰比,温度压力,MPa,流动度,cm,稠化时间,min,初凝,min,终凝,min,1,1.82,0.5,10040,23,130,150,170,14050,25,160,180,200,16070,27,195,210,230,18080,29,200,220,250,2,2.19,0.32,10040,20,135,160,195,16070,175,195,220,180100,220,250,275,3,1.78,0.45,10040,21,120,145,170,14050,140,170,200,16070,230,215,240,32,6、水泥石强度（抗压强度）,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33,（2）水泥浆的固结特性,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%,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7,d，70,为3,d），,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）34,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。