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1、实用文档油井水泥组成、级别和类型水泥是水硬性胶结材料，分为普通水泥和油井水泥。普通水泥也称建筑水泥，列入ASTM标准，而油井水泥列入API标准。油井水泥与普通水泥的根本区别在于：油井水泥具有严格的化学成分和矿物组成，而且在生产时除允许加入3% -6%的二水石膏以外不得加其它材料。本节主要介绍油井水泥的化学组成、级别和类型以及生产和应用中的一些基本知识。一、化学组成水泥的质量主要取决于化学成分，而先进的分析方法已为获得水泥的化学成分铺平了道路。表1.2.1列岀G级HSR水泥的主要化学成分。由表中数据可以看岀，波特兰水泥包括 4种主要成分： 铝酸三钙 C3A(3CaO A12O3);铁铝酸四钙 C
2、4AF(4CaO A12O3 - Fe2O3);硅酸三钙 C3S (3CaO- SiO2);硅酸二钙 C2S(2CaO- SiO2)。通过各相显微镜检查，熟料颗粒含有4种矿物成分(熟料占水泥总量的95%):表1.2.1 APIG级水泥化学分析二氧化硅SiO222.70%三氧化二铝A12O33.39%三氧化二铁Fe2O34.81%氧化钙CaO65.60%氧化镁MgO0.90%氧化钾K2O0.37%三氧化硫SO31.21%氧化钛0.19%氧化锰MnO20.09%氧化钠NaO0.13%氧化铬GeO0.01%五氧化二磷P2O50.11%烧失量LO10.49%(1) 硅酸三钙 C3S ( 3CaO- S
3、iO2 ):是多边性晶体，占表面的50-60%。(2) 硅酸二钙 C2S (2CaO- SiO2 ):圆形晶体占表面的10-25%。以上两种硅酸钙(三钙和二钙)总量占75%。(3) 铁铝酸四钙 C4AF (4CaO- A12O3- Fe2O3 ):围绕以上两种硅酸盐形成孔隙结构。(4) C3A(3CaO A12O3):针状铝酸盐，也属于孔隙结构。两种硅酸盐占水泥总量的75%C4AF+C3A勺总量占水泥矿物的 25%。二、油井水泥级别、分类及应用2.1油井水泥级别、分类由于注水泥作业的井下条件与建筑工程的地面环境完全不同，所以，我国标准或API规范都根据化学成分和矿物组成规定了专门的分级和分类，
4、以适应不同的井深和井下条件。 目前，API规范和我国标准把油井水泥分为 A-H八个级别，何种水泥都适用于不同的井深、温度和压力。同一级别的油井水泥，又根据 C3A(3CaO- A12O3)含量分为：普通性(O) C3AV 15%中抗 硫酸盐性(MSR C3A 8% ，SO2 3% 高抗硫酸盐性 (HSR C3AC 8% ， C4AF+2C3A 24% 以示其抗硫酸盐侵蚀的能力。各级油井水泥适用于不同的井况A级只有普通型一种，化学成份和细度类似于ASTMC150I型。适合无特殊要求的浅层固井作业。在我国大庆、吉林、辽宁油田用量较大。配制的水泥浆 体系也较为简单，一般是A级油井水泥加入现场水按比例
5、混合即可，有时根据需要可适当加入少量的外加剂如促凝剂等。B级具有中抗硫酸盐型似于 ASTMC150 H型作业，目前在我国还没有使用C级又被称作早强油井水泥，(HSR)三种类型。普通( 抗硫酸盐的浅层固井作业。(MSR )和高抗硫酸盐型(HSR )。B级中抗型的化学成份和细度类B级高抗型类似于 ASTMC150 V型。一般适用于需抗硫酸盐的浅层固井具有普通(O型，中抗硫酸盐型(MSR )和高抗硫酸盐型密度水泥浆的配制都有较大的优势， 了 C级油井水泥的使用，它在我国几乎没有使用。D级、E级、F级又被称作缓凝油井水泥。 (HSR)。一般适用于中深井和深井的固井作业。 较多。由于要通过控制特定矿物组
6、成的水泥熟料, 产控制难度大而造成成本较高。 该工艺较为简单所以近几年O)型的化学成份和细度类似于ASTMC150皿型。一般适用于需早强和C级油井水泥凭借其自身低密高强的特性，在浅层油气井的封固和低只是我国固井在配方设计上习惯于用G级油井水泥， 限制而且D级油井水泥可以通过D级油井水泥的使用量也在逐渐下降。具有中抗硫酸盐型(MSR )和高抗硫酸盐型D级油井水泥在我国华北油田、中原油田使用来达到D级油井水泥的指标要求，工艺复杂生G级H级油井水泥加入缓凝剂来代替，E级F级油井水泥在我国尚没有应用报道。G、H级油井水泥被称为基本油井水泥，具有中抗硫酸盐型(MSR )和高抗硫酸盐型(HSR)。可以与外
7、加剂和外掺料相混合适用于大多数的固井作业。水泥浆体系也多种多样G级H级油井水泥可以与低密材料 （粉煤灰、漂珠、膨润土等）配制低密度水泥浆体系，用于低压易漏地层的封固；可与外加剂配成常规密度水泥浆体系，用于常规井的封固， 可与加重材料（晶石粉、铁矿粉等）外加剂配成高密度水泥浆体系，用于深井和高压气井的封固。其中G级油井水泥在我国用量最大，生产厂家最多在我国各个油田都有使用。H级油井水泥比G级油井水泥要磨的粗一些，水灰比小，配成水泥浆密度在1.98左右，更适合配制成高密度水泥浆体系用于高压气井的封固，在我国塔里木油田使用较多。2.2油井水泥的应用按照标准或规范的级别和类型生产和供应油井水泥。然后，
8、用户再根据井下条件来选择水灰比或外加剂在现场混合成水泥浆，并进行注水泥作业。使用符合API规范或国家标准的油井水泥，一定要按API模拟试验方法或应用试验方法进行水泥浆配方设计，不仅要有满足施土要求的流变学性质和凝结时间，还要有对地层和套管良好的胶结强度，才能保证注水泥施工的安全，提高固井质量，保持永久的封隔效果，防止油、气、水窜通和运移。（1）对表层套管或浅井， 为缩短候凝时间， 可使用A级或B级；对深井可使用 D E和F级； 对高压气井，可使用 H级水泥掺混加重剂而配制成的高密度水泥 ；若需低密度水泥，多采用 C级 或G级;经常使用的多半是 G级水泥。图122、123表示岀了各级油井水泥适用
9、的井深、 性能 指标和注水泥关系。表1.2.2 API油井水泥技术指标级别（类型）需要的抗压强度需要的稠化时间性适应范围及条件备注养护时间h养护温度C最小抗压强度Mpa试验深度m最短稠化时间min水灰比W/C适用井深mA8381.7305900.4601830无特殊性质要求时，普通型243812.4183090B8381.4305900.4601830井况要求中到高抗硫酸盐时243810.3183090C8382.1305900.3801830井况要求高早强（高温、速凝和增加 强度）时，可 用低、中和高 抗硫酸盐型243813.8183090877-183090在中温和中D1103.50.38
10、18303050压条件下，有24776.93050100中、高抗硫酸11013.8盐型877-3050100在咼温咼压E1433.50.3830504270条件下，有中24776.94270154和高抗硫酸14313.8盐型8110-3050100在较高温高F1603.50.3830504880压条件下，有241106.94880190中和高抗硫1606.9酸盐型8382.1基本油井水6010.3泥，通过外加G38-2440900.4402440剂扩大使用2460-范围，有中、高抗硫酸盐型H8382.12440900.3802440基本油井水 泥，有中、高抗硫酸盐型6010.32438-60-
11、J8143-3050180-36004880高温高压条件选用，加入 缓凝剂，适应 更大深度范围177-24143-48801801776.9表123井深与注水泥时间关系(2) 对于滨海、沼泽、含盐地层和腐蚀水层，应使用高抗硫酸型水泥。(3) 各级油井水泥的需水量、水泥浆密度和产浆率列在表1.2.4中表1.2.4油井水泥水灰比、水泥浆密度和产浆率级另V需水量水泥浆密度%产浆率%备注A、B461.870.78C561.770.88G441.890.76D E、F、H381.960,70油井水泥化学指标和物理性能本节仅对油井水泥的化学指标分析与物理性能试验进行简略说明。一、化学分析标准中的化学要求是
12、随水泥的级别和类型而不同的。现探讨如下。1 . MgO美国标准，对于建筑水泥，规定质量分数最大值是6.0% 。而油井水泥，要求 MgO尽可能低。有些水泥所具有的MgO质量分数甚至低于 1.0%。这个化合物在中心实验室很容易分析，而在野外实验室一般是不能测定的。MgO只存在于原料中而不在外加剂中，所以对于同批水泥样品很难看岀有什么变化。2. S03在水泥中很难找到游离的SO3一般都是与钙或碱化合生成硫酸盐类。通常有三种来源：原料、燃料和在熟料研磨期间加入的石膏。石膏的加入可使水泥和水的混合物凝固速度变慢，因硫酸盐能防止 C3 A过早水化，使水泥浆突然凝固。石膏不仅为水泥浆提供缓凝，还可降低水泥浆
13、粘度。3烧失量尽管纯波特兰水泥通常的烧失量为1%左右，但标准规定的最大值却是3%当熟料还没有与水作用时，烧失量主要是石膏失去结晶水所致。一般石膏占水泥 5%所以烧失量是1 %（两个结晶水全部失去）。如果加入第二种成分，例如CaC03大约850 C时释放岀CO2将增加烧失量。为了检查碳酸盐类的存在，可以在少量水泥上滴一点盐酸，如起泡，意味着存在CO2控制烧失量是非常重要的。4不溶物波特兰水泥由95%的熟料和5%勺石膏制成。这表明在盐酸中，不溶的残留物是非常少的。所以，API标准（与ASTM标准一样）规定最大值是 0.75% 。但大多数波特兰水泥都在0.5%以下。若不溶性残留物超过 0.75%，那么就表明有第二种成分存在。测定不溶性残留物就能确定 在水泥中加入的第二种成分的质量分数。5 硅酸三钙计算C3 S含量的公式包含了 SiO2 、CaO Fe2O3、AL2O3 和SO3的质量分数。通过分析必须计算这种矿物成分。对于G级和H级水泥，API标准给岀了一个范围：中抗硫酸盐型（MSR是48%-58%;而高抗硫酸盐型（HSR是48%-65%对于其它级别没有这种特殊要求，然而，在所有级别的水泥中检验 C3 S也是必要的。6铝酸三钙API规范给岀了
