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1、1固 井 概概 述述第一节第一节 油井水泥油井水泥第二节第二节 油井水泥的物理性能油井水泥的物理性能第三节第三节 油井水泥外加剂油井水泥外加剂第四节第四节 注水泥注水泥2概述1 1 1 1、固井工程的概念、固井工程的概念、固井工程的概念、固井工程的概念 为为为为了了了了加加加加固固固固井井井井壁壁壁壁，保保保保证证证证继继继继续续续续钻钻钻钻进进进进，封封封封隔隔隔隔油油油油、气气气气和和和和水水水水层层层层，保保保保证证证证勘勘勘勘探探探探期期期期间间间间的的的的分分分分层层层层试试试试油油油油及及及及在在在在整整整整个个个个开开开开采采采采中中中中合合合合理理理理的的的的油油油油气气气气生
2、生生生产产产产，为为为为此此此此下下下下入入入入优优优优质质质质钢钢钢钢管管管管，并并并并在在在在井井井井筒筒筒筒与与与与钢钢钢钢管管管管环环环环空空空空充填好水泥的作业，称为充填好水泥的作业，称为充填好水泥的作业，称为充填好水泥的作业，称为固井工程固井工程固井工程固井工程。向向向向井井井井内内内内下下下下入入入入套套套套管管管管，并并并并向向向向井井井井眼眼眼眼和和和和套套套套管管管管之之之之间间间间的的的的环环环环形形形形空空空空间间间间注注注注入入入入水水水水泥泥泥泥的的的的施施施施工工工工作作作作业业业业称称称称之之之之为为为为固固固固井井井井。包包包包括括括括下下下下套套套套管管管管
3、和和和和注水泥。注水泥。注水泥。注水泥。3概述2 2、工艺介绍、工艺介绍 下套管 注水泥 候凝 检测评价4概述3 3、固井工程的步骤、固井工程的步骤l下套管下套管下套管下套管 套管由接箍和本体组成。套管由接箍和本体组成。套管由接箍和本体组成。套管由接箍和本体组成。套管柱由单根套管套管柱由单根套管套管柱由单根套管套管柱由单根套管+浮箍浮箍浮箍浮箍+引鞋引鞋引鞋引鞋 图图7-1 7-1 单根套管示意图单根套管示意图1 1接箍接箍 2 2套管本体套管本体5概述3 3 3 3、固井工程步骤、固井工程步骤、固井工程步骤、固井工程步骤l l注水泥注水泥注水泥注水泥下下下下完完完完套套套套管管管管之之之之后
4、后后后，把把把把水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆泵泵泵泵入入入入套套套套管管管管内内内内，再再再再用用用用钻钻钻钻井井井井液液液液把把把把水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆顶顶顶顶替到管外替到管外替到管外替到管外环环环环形空形空形空形空间设计间设计间设计间设计位置的作位置的作位置的作位置的作业业业业称之称之称之称之为为为为注水泥注水泥注水泥注水泥。水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。uu下下下下胶胶胶胶塞塞塞塞的的的的作作作作用用用用是是是是与与与与隔隔隔隔
5、离离离离液液液液（一一一一种种种种专专专专门门门门配配配配制制制制的的的的液液液液体体体体，用用用用以以以以隔隔隔隔离离离离钻钻钻钻井井井井液液液液与与与与水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆）一一一一道道道道，将将将将水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆与与与与钻钻钻钻井井井井液液液液隔隔隔隔离离离离开开开开，防防防防止止止止钻钻钻钻井井井井液液液液接接接接触触触触水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆后后后后影影影影响响响响水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆的的的的性性性性能能能能。下下下下胶胶胶胶塞塞塞塞为为为为中中中中空空空空，顶顶顶顶部部部部有有有有一一一一层层层层橡橡橡橡胶胶胶胶膜膜膜膜，该该该该膜膜膜膜在压力作用下可压破在压力
6、作用下可压破在压力作用下可压破在压力作用下可压破 uu上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆；上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆；上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆；上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆；l l破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜6概述3 3 3 3、固井工程步骤、固井工程步骤、固井工程步骤、固井工程步骤l l碰碰碰碰压压压压：当当当当其其其其坐坐坐坐落落落落在在在在已已已已坐坐坐坐于于于于
7、浮浮浮浮箍箍箍箍上上上上的的的的下下下下胶胶胶胶塞塞塞塞上上上上之之之之后后后后，地地地地面面面面压压压压力力力力将将将将很很很很快快快快上上上上升升升升一一一一定定定定值值值值（称称称称为为为为碰碰碰碰压压压压），该该该该信信信信号号号号说说说说明明明明水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆已已已已顶顶顶顶替替替替到到到到位位位位，施工结束。施工结束。施工结束。施工结束。l l侯凝：侯凝：侯凝：侯凝：注注注注入入入入井井井井内内内内的的的的水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆要要要要凝凝凝凝固固固固并并并并达达达达到到到到一一一一定定定定强强强强度度度度后后后后才才才才能能能能进进进进行行行行后后后后续续续续的的的的
8、钻钻钻钻井井井井施施施施工工工工或或或或是是是是其其其其它它它它施施施施工工工工，因因因因此此此此，注注注注水水水水泥泥泥泥施施施施工工工工结结结结束束束束后后后后，要要要要等待水泥浆在井内凝固，该过程称为等待水泥浆在井内凝固，该过程称为等待水泥浆在井内凝固，该过程称为等待水泥浆在井内凝固，该过程称为候凝候凝候凝候凝；候候候候凝凝凝凝时时时时间间间间通通通通常常常常为为为为24242424小小小小时时时时或或或或48484848小小小小时时时时，也也也也有有有有72727272小小小小时时时时或或或或几几几几小小小小时时时时的的的的，候候候候凝凝凝凝时时时时间间间间的的的的长长长长短短短短视视
9、视视水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆凝凝凝凝固固固固及及及及强强强强度度度度增增增增长长长长的的的的快快快快慢慢慢慢而而而而定定定定。候候候候凝期满后。凝期满后。凝期满后。凝期满后。l l测井进行固井质量检测和评价测井进行固井质量检测和评价测井进行固井质量检测和评价测井进行固井质量检测和评价 7概述（a a）（b b）（c c）（d d）（e e）图图7-2 7-2 注水泥工艺流程示意图注水泥工艺流程示意图（a a）循环钻井液）循环钻井液 （b b）注隔离液和水泥浆）注隔离液和水泥浆 （c c）替浆）替浆 （d d）替浆）替浆 （e e）碰压）碰压1 1压力表压力表 2 2上胶塞上胶塞 3 3下胶塞下
10、胶塞 4 4钻井液钻井液 5 5浮箍浮箍 6 6引鞋引鞋7 7水泥浆水泥浆 8 8隔离液隔离液 9 9钻井液钻井液8概述4 4 4 4、固井目的、固井目的、固井目的、固井目的封封封封隔隔隔隔易易易易塌塌塌塌、易易易易漏漏漏漏等等等等复复复复杂杂杂杂地地地地层层层层，保保保保证证证证钻钻钻钻井井井井顺顺顺顺利进行利进行利进行利进行封封封封隔隔隔隔油油油油气气气气水水水水层层层层，建建建建立立立立油油油油气气气气流流流流出出出出通通通通道道道道，防防防防止止止止产层间互窜产层间互窜产层间互窜产层间互窜进行增产措施进行增产措施进行增产措施进行增产措施安装井口安装井口安装井口安装井口9概述5、固井内容
11、套管与下套管水泥与注水泥10概述6 6、对固井质量的要求、对固井质量的要求l套管有足够的强度套管有足够的强度能承受井下各种外力作用，抗能承受井下各种外力作用，抗腐蚀、不断、不裂、不变形腐蚀、不断、不裂、不变形l水泥环有可靠的密封水泥环有可靠的密封环环空空封封固固段段不不窜窜、不不漏漏、胶胶结结良好，能经受高压挤注的考验良好，能经受高压挤注的考验11概述7 7 7 7、固井工程的特殊性、固井工程的特殊性、固井工程的特殊性、固井工程的特殊性(1)(1)(1)(1)是一次性工程是一次性工程是一次性工程是一次性工程,如果质量不好如果质量不好如果质量不好如果质量不好,一般情况下难以补救一般情况下难以补救
12、一般情况下难以补救一般情况下难以补救;(2)(2)(2)(2)是是是是隐隐隐隐蔽蔽蔽蔽性性性性工工工工程程程程,主主主主要要要要流流流流程程程程在在在在井井井井下下下下,施施施施工工工工时时时时不不不不能能能能直直直直接接接接观观观观察察察察,质质质质量量量量控控控控制制制制往往往往往往往往决决决决定定定定于于于于设设设设计计计计的的的的准准准准确确确确性性性性和和和和准准准准备备备备工工工工作作作作的的的的好好好好坏坏坏坏,受多种因素的综合影响受多种因素的综合影响受多种因素的综合影响受多种因素的综合影响;(3)(3)(3)(3)影响后续工程的进行影响后续工程的进行影响后续工程的进行影响后续工
13、程的进行;(4)(4)(4)(4)是一项花钱多的工程是一项花钱多的工程是一项花钱多的工程是一项花钱多的工程;(5)(5)(5)(5)施工时间短施工时间短施工时间短施工时间短,工序内容多工序内容多工序内容多工序内容多,作业量大作业量大作业量大作业量大,是技术强的工程是技术强的工程是技术强的工程是技术强的工程.12第一节第一节油油 井井 水水 泥泥13一、油井水泥1.1.油井水泥级别和类型油井水泥级别和类型油井水泥级别和类型油井水泥级别和类型 目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水目前国内外使
14、用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品。水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成的浆体称为。而成的浆体
15、称为。而成的浆体称为。而成的浆体称为。水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石14一、油井水泥1.油井水泥级别和类型油井水泥级别和类型l目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助
16、磨剂由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品。品。品。品。水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成的浆体称为。的浆体称为。的浆体称为。的浆体称为。水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：
17、水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石一、油井水泥1.油井水泥级别和类型油井水泥级别和类型l l水泥级别：适应不同井深的需要和防止地层流体中硫酸盐对水泥级别：适应不同井深的需要和防止地层流体中硫酸盐对水泥级别：适应不同井深的需要和防止地层流体中硫酸盐对水泥级别：适应不同井深的需要和防止地层流体中硫酸盐对水泥石的腐蚀，有多种级别、类型的油井水泥可供选用。美国水泥石的腐蚀，有多种级别、类型的油井水泥可供选用。美国水泥石的腐蚀，有多种级别、类型的油井水泥可供选用。
18、美国水泥石的腐蚀，有多种级别、类型的油井水泥可供选用。美国石油学会（石油学会（石油学会（石油学会（APIAPIAPIAPI）规定了）规定了）规定了）规定了8 8 8 8种级别的油井水泥，我国也参照种级别的油井水泥，我国也参照种级别的油井水泥，我国也参照种级别的油井水泥，我国也参照APIAPIAPIAPI标准制定了油井水泥的标准。标准制定了油井水泥的标准。标准制定了油井水泥的标准。标准制定了油井水泥的标准。表表表表7-5 API7-5 API7-5 API7-5 API油井水泥使用范围油井水泥使用范围油井水泥使用范围油井水泥使用范围 级别级别类类 型型备注备注普通型普通型中抗硫酸盐型中抗硫酸盐型
19、高抗硫酸盐型高抗硫酸盐型A普通水泥普通水泥B抗硫水泥抗硫水泥C具有高早期强度具有高早期强度D适于中温条件适于中温条件E适于高温条件适于高温条件F适于超高温条件适于超高温条件G基本油井水泥基本油井水泥H基本油井水泥基本油井水泥16一、油井水泥2.水泥的水化反应水泥的水化反应l l凝结过程（硬化过程）：水泥与水混合后，迅速与水凝结过程（硬化过程）：水泥与水混合后，迅速与水凝结过程（硬化过程）：水泥与水混合后，迅速与水凝结过程（硬化过程）：水泥与水混合后，迅速与水发生水化反应，生成各种水化产物，水泥浆也逐渐由液发生水化反应，生成各种水化产物，水泥浆也逐渐由液发生水化反应，生成各种水化产物，水泥浆也逐
20、渐由液发生水化反应，生成各种水化产物，水泥浆也逐渐由液态转变为固态的过程，并形成的四种矿物成分：硅酸三态转变为固态的过程，并形成的四种矿物成分：硅酸三态转变为固态的过程，并形成的四种矿物成分：硅酸三态转变为固态的过程，并形成的四种矿物成分：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。硅酸三钙：硅酸三钙：硅酸三钙：硅酸三钙：3CaO3CaO3CaO3CaO SiOSiOSiOSiO2 2 2 2（简写（简写（简写（简写C C C C3 3 3 3S S S S）。是水泥产生强度的）。是水泥产
21、生强度的）。是水泥产生强度的）。是水泥产生强度的主要化合物，它强度增长快，最后强度也大。主要化合物，它强度增长快，最后强度也大。主要化合物，它强度增长快，最后强度也大。主要化合物，它强度增长快，最后强度也大。硅酸二钙：硅酸二钙：硅酸二钙：硅酸二钙：型型型型2CaO2CaO2CaO2CaO SiOSiOSiOSiO2 2 2 2（简写（简写（简写（简写C C C C2 2 2 2S S S S）。水化反应慢，）。水化反应慢，）。水化反应慢，）。水化反应慢，强度增长慢，但能在长时间内逐渐增大水泥的强度强度增长慢，但能在长时间内逐渐增大水泥的强度强度增长慢，但能在长时间内逐渐增大水泥的强度强度增长慢
22、，但能在长时间内逐渐增大水泥的强度17一、油井水泥2.水泥的水化反应水泥的水化反应铝酸三钙：铝酸三钙：铝酸三钙：铝酸三钙：3CaO3CaO3CaO3CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3（简写（简写（简写（简写C C C C3 3 3 3A A A A）。水化反应速度最快，）。水化反应速度最快，）。水化反应速度最快，）。水化反应速度最快，是决定水泥浆初凝时间和稠化时间的主要因素，对水泥是决定水泥浆初凝时间和稠化时间的主要因素，对水泥是决定水泥浆初凝时间和稠化时间的主要因素，对水泥是决定水泥浆初凝时间和稠化时间的主要因素，对水泥浆的流变性也有很大影响。铝酸三钙对硫酸盐
23、类侵蚀最浆的流变性也有很大影响。铝酸三钙对硫酸盐类侵蚀最浆的流变性也有很大影响。铝酸三钙对硫酸盐类侵蚀最浆的流变性也有很大影响。铝酸三钙对硫酸盐类侵蚀最敏感，因此在抗硫水泥中对铝酸三钙含量有限制。中抗敏感，因此在抗硫水泥中对铝酸三钙含量有限制。中抗敏感，因此在抗硫水泥中对铝酸三钙含量有限制。中抗敏感，因此在抗硫水泥中对铝酸三钙含量有限制。中抗硫酸盐型水泥中铝酸三钙的含量不能超过硫酸盐型水泥中铝酸三钙的含量不能超过硫酸盐型水泥中铝酸三钙的含量不能超过硫酸盐型水泥中铝酸三钙的含量不能超过8%8%8%8%，高抗硫酸，高抗硫酸，高抗硫酸，高抗硫酸盐型的水泥中铝酸三钙的含量不能超过盐型的水泥中铝酸三钙的
24、含量不能超过盐型的水泥中铝酸三钙的含量不能超过盐型的水泥中铝酸三钙的含量不能超过3%3%3%3%。铁铝酸四钙：铁铝酸四钙：铁铝酸四钙：铁铝酸四钙：4CaO4CaO4CaO4CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 FeFeFeFe2 2 2 2O O O O3 3 3 3（简写（简写（简写（简写C C C C4 4 4 4AFAFAFAF）。水化速度）。水化速度）。水化速度）。水化速度仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，硬化三天和仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，硬化三天和仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，硬化三天和仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，硬化三天和28282828天
25、的天的天的天的强度值差别不大，强度的绝对值也不大。强度值差别不大，强度的绝对值也不大。强度值差别不大，强度的绝对值也不大。强度值差别不大，强度的绝对值也不大。18一、油井水泥2.水泥的水化反应水泥的水化反应l l三类水化反应：三类水化反应：三类水化反应：三类水化反应：1 1 1 1）C C C C3 3 3 3A A A A的水化反应的水化反应的水化反应的水化反应3CaO3CaO3CaO3CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3+6H+6H+6H+6H2 2 2 2O 3CaOO 3CaOO 3CaOO 3CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3
26、 3 6H6H6H6H2 2 2 2O O O O 2 2 2 2）C3SC3SC3SC3S、C2SC2SC2SC2S及及及及C4AFC4AFC4AFC4AF的水化反应的水化反应的水化反应的水化反应 2(3CaO2(3CaO2(3CaO2(3CaO SiOSiOSiOSiO2 2 2 2)+6H)+6H)+6H)+6H2 2 2 2O O O O 3CaO 3CaO 3CaO 3CaO 2SiO2SiO2SiO2SiO2 2 2 2 3H3H3H3H2 2 2 2O+3Ca(OH)O+3Ca(OH)O+3Ca(OH)O+3Ca(OH)2 2 2 22(2CaO2(2CaO2(2CaO2(2Ca
27、O SiOSiOSiOSiO2 2 2 2)+4H)+4H)+4H)+4H2 2 2 2O O O O 3CaO 3CaO 3CaO 3CaO 2SiO2SiO2SiO2SiO2 2 2 2 3H3H3H3H2 2 2 2O+Ca(OH)O+Ca(OH)O+Ca(OH)O+Ca(OH)2 2 2 24CaO4CaO4CaO4CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 FeFeFeFe2 2 2 2O O O O3 3 3 3+2Ca(OH)+2Ca(OH)+2Ca(OH)+2Ca(OH)2 2 2 2+10H+10H+10H+10H2 2 2 2O 3CaOO 3CaO
28、O 3CaOO 3CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 6H6H6H6H2 2 2 2O+O+O+O+3CaO3CaO3CaO3CaO FeFeFeFe2 2 2 2O O O O3 3 3 3 6H6H6H6H2 2 2 2O O O O 3 3 3 3）水化的）水化的）水化的）水化的C3AC3AC3AC3A与二水石膏的水化反应与二水石膏的水化反应与二水石膏的水化反应与二水石膏的水化反应 3CaO3CaO3CaO3CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 6H6H6H6H2 2 2 2O+3(CaSOO+3(CaSOO+3(CaSOO+
29、3(CaSO4 4 4 4 2H2H2H2H2 2 2 2O)+20HO)+20HO)+20HO)+20H2 2 2 2O O O O 3CaO3CaO3CaO3CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 3CaSO3CaSO3CaSO3CaSO4 4 4 4 3 3 3 32H2H2H2H2 2 2 2O O O O 19一、油井水泥2.水泥的水化反应水泥的水化反应l l有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：水泥的水化反应是一个不断进行的过程。随着水化的不水泥的水化反应是一个不断进行的过程。随着水化的不水泥的水化反应是一个不断
30、进行的过程。随着水化的不水泥的水化反应是一个不断进行的过程。随着水化的不断进行，水泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展，最后形成断进行，水泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展，最后形成断进行，水泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展，最后形成断进行，水泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展，最后形成硬化的水泥石。硬化的水泥石。硬化的水泥石。硬化的水泥石。水泥的水化反应是一放热反应，在工程上可利用这一特水泥的水化反应是一放热反应，在工程上可利用这一特水泥的水化反应是一放热反应，在工程上可利用这一特水泥的水化反应是一放热反应，在工程上可利用这一特点来探测水泥浆在环形空间内的上返高度。点来探测水泥浆在环形空间内的上返高度。点来探测水泥
31、浆在环形空间内的上返高度。点来探测水泥浆在环形空间内的上返高度。另外，水泥在水化过程中要发生体积收缩（水化后生成另外，水泥在水化过程中要发生体积收缩（水化后生成另外，水泥在水化过程中要发生体积收缩（水化后生成另外，水泥在水化过程中要发生体积收缩（水化后生成物的总体积小于水化前反应物的总体积），在一定条件物的总体积小于水化前反应物的总体积），在一定条件物的总体积小于水化前反应物的总体积），在一定条件物的总体积小于水化前反应物的总体积），在一定条件下该体积收缩对固井质量有着重要的影响下该体积收缩对固井质量有着重要的影响下该体积收缩对固井质量有着重要的影响下该体积收缩对固井质量有着重要的影响 20一
32、、油井水泥2.水泥的水化反应水泥的水化反应l有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：在油气井固井中，水泥的水化反应是在井下一定的在油气井固井中，水泥的水化反应是在井下一定的在油气井固井中，水泥的水化反应是在井下一定的在油气井固井中，水泥的水化反应是在井下一定的温度压力条件下进行的。温度压力对水泥的水化速温度压力条件下进行的。温度压力对水泥的水化速温度压力条件下进行的。温度压力对水泥的水化速温度压力条件下进行的。温度压力对水泥的水化速度有很大的影响，一般随温度压力的增加，水泥水度有很大的影响，一般随温度压力的增加，水泥水度有很大的影响，一般随温度压力的增加
33、，水泥水度有很大的影响，一般随温度压力的增加，水泥水化速度加快，其中温度的影响更显著。正因为如此，化速度加快，其中温度的影响更显著。正因为如此，化速度加快，其中温度的影响更显著。正因为如此，化速度加快，其中温度的影响更显著。正因为如此，水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的情况下测定的。情况下测定的。情况下测定的。情况下测定的。21一、油井水泥2.水泥的水化反应水泥的水化反应l l水化反应产物水化反应产物水化反应产物水化反应产物氢氧化钙氢氧化钙氢氧化钙氢氧化
34、钙、水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶、水化铝酸钙水化铝酸钙水化铝酸钙水化铝酸钙、水化铁酸钙水化铁酸钙水化铁酸钙水化铁酸钙、水水水水化硫铝酸钙化硫铝酸钙化硫铝酸钙化硫铝酸钙。在这些水化产物中，在这些水化产物中，在这些水化产物中，在这些水化产物中，氢氧化钙氢氧化钙氢氧化钙氢氧化钙析出为巨大的晶体，析出为巨大的晶体，析出为巨大的晶体，析出为巨大的晶体，水化硫铝水化硫铝水化硫铝水化硫铝酸钙酸钙酸钙酸钙为较小晶体，水化铝酸钙为更小晶体状态，为较小晶体，水化铝酸钙为更小晶体状态，为较小晶体，水化铝酸钙为更小晶体状态，为较小晶体，水化铝酸钙为更小晶体状态，含水硅酸钙含水硅酸钙含水硅酸
35、钙含水硅酸钙和含水铁酸钙和含水铁酸钙和含水铁酸钙和含水铁酸钙为无定形体呈胶体状态。为无定形体呈胶体状态。为无定形体呈胶体状态。为无定形体呈胶体状态。水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶为纤为纤为纤为纤维状薄片，从矿物颗粒上向外伸展出去，逐渐形成一连续的维状薄片，从矿物颗粒上向外伸展出去，逐渐形成一连续的维状薄片，从矿物颗粒上向外伸展出去，逐渐形成一连续的维状薄片，从矿物颗粒上向外伸展出去，逐渐形成一连续的网状结构，与水化硫铝酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插，填网状结构，与水化硫铝酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插，填网状结构，与水化硫铝酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插，填网状结构，与水化
36、硫铝酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插，填充于水泥颗粒的空间，增加它们之间的粘结，使水泥强度不充于水泥颗粒的空间，增加它们之间的粘结，使水泥强度不充于水泥颗粒的空间，增加它们之间的粘结，使水泥强度不充于水泥颗粒的空间，增加它们之间的粘结，使水泥强度不断提高。断提高。断提高。断提高。22二、油井水泥的物理性能为了保证施工安全并提高固井质量，水泥浆以及为了保证施工安全并提高固井质量，水泥浆以及为了保证施工安全并提高固井质量，水泥浆以及为了保证施工安全并提高固井质量，水泥浆以及最终所形成的水泥石必须满足一定的性能要求。最终所形成的水泥石必须满足一定的性能要求。最终所形成的水泥石必须满足一定的性能要求。最终
37、所形成的水泥石必须满足一定的性能要求。性能包括：性能包括：性能包括：性能包括：l l水泥浆密度水泥浆密度水泥浆密度水泥浆密度l l水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间l l水泥浆流变性水泥浆流变性水泥浆流变性水泥浆流变性l l水泥浆失水量水泥浆失水量水泥浆失水量水泥浆失水量l l水泥浆稳定性水泥浆稳定性水泥浆稳定性水泥浆稳定性l l水泥石抗压强度水泥石抗压强度水泥石抗压强度水泥石抗压强度l l水泥石渗透率水泥石渗透率水泥石渗透率水泥石渗透率其中常测定的是前六项性能其中常测定的是前六项性能其中常测定的是前六项性能其中常测定的是前六项性能23二、油井水泥的物理性能1.水泥浆密度
38、水泥浆密度作用：作用：作用：作用：满足平衡压力要求满足平衡压力要求满足平衡压力要求满足平衡压力要求保证获得最好的水泥浆性能保证获得最好的水泥浆性能保证获得最好的水泥浆性能保证获得最好的水泥浆性能基本要求：基本要求：基本要求：基本要求：注水泥期间既不井漏又不井喷注水泥期间既不井漏又不井喷注水泥期间既不井漏又不井喷注水泥期间既不井漏又不井喷 测测测测 量：量：量：量：用泥浆密度计（国外还有加压密度计）用泥浆密度计（国外还有加压密度计）用泥浆密度计（国外还有加压密度计）用泥浆密度计（国外还有加压密度计）影响因素：影响因素：影响因素：影响因素：水灰比；外掺料（指密度调节剂）用量水灰比；外掺料（指密度调
39、节剂）用量水灰比；外掺料（指密度调节剂）用量水灰比；外掺料（指密度调节剂）用量24二、水泥浆性能与固井工程的关系二、水泥浆性能与固井工程的关系 1.水泥浆密度水泥浆密度 l l水灰比水灰比水灰比水灰比指的是配制水泥指的是配制水泥指的是配制水泥指的是配制水泥浆时浆时浆时浆时配配配配浆浆浆浆水的重量与干水泥的重量之比。水的重量与干水泥的重量之比。水的重量与干水泥的重量之比。水的重量与干水泥的重量之比。l l水泥水泥水泥水泥浆浆浆浆密度与水灰比密度与水灰比密度与水灰比密度与水灰比直接相关，直接相关，直接相关，直接相关，关系关系关系关系为为为为 l l注意：注意：注意：注意：干水泥的密度干水泥的密度干
40、水泥的密度干水泥的密度为为为为3.14 g/cm33.14 g/cm33.14 g/cm33.14 g/cm33.15 g/cm33.15 g/cm33.15 g/cm33.15 g/cm3，故当水泥，故当水泥，故当水泥，故当水泥浆浆浆浆的密的密的密的密度度度度为为为为1.85g/cm31.85g/cm31.85g/cm31.85g/cm31.90g/cm31.90g/cm31.90g/cm31.90g/cm3时时时时，水灰比，水灰比，水灰比，水灰比约为约为约为约为0.480.480.480.480.440.440.440.44。当干水泥中所混合的外加当干水泥中所混合的外加当干水泥中所混合的外
41、加当干水泥中所混合的外加剂剂剂剂加量加量加量加量较较较较大、尤其是大、尤其是大、尤其是大、尤其是为为为为了了了了调节调节调节调节水泥水泥水泥水泥浆浆浆浆密度密度密度密度掺掺掺掺了了了了加重加重加重加重剂剂剂剂或减或减或减或减轻剂轻剂轻剂轻剂（又称（又称（又称（又称为为为为外外外外掺掺掺掺料）料）料）料）时时时时，上式中干，上式中干，上式中干，上式中干水泥密度水泥密度水泥密度水泥密度 c c c c取水泥和取水泥和取水泥和取水泥和这这这这些外加些外加些外加些外加剂剂剂剂及及及及/或外或外或外或外掺掺掺掺料混合后的固相混料混合后的固相混料混合后的固相混料混合后的固相混合物平均密度。合物平均密度。合
42、物平均密度。合物平均密度。这时这时这时这时，m m m m为为为为水固比水固比水固比水固比。25二、油井水泥的物理性能2.2.水泥浆的稠化时间水泥浆的稠化时间水泥浆的稠化时间水泥浆的稠化时间l l定义定义定义定义：在井下温度压力条件下，从给水泥浆加温加压时起至：在井下温度压力条件下，从给水泥浆加温加压时起至：在井下温度压力条件下，从给水泥浆加温加压时起至：在井下温度压力条件下，从给水泥浆加温加压时起至水泥浆稠度达水泥浆稠度达水泥浆稠度达水泥浆稠度达100Bc100Bc（BcBc为稠度单位）所经历的时间称为为稠度单位）所经历的时间称为为稠度单位）所经历的时间称为为稠度单位）所经历的时间称为水水水
43、水泥浆的稠化时间泥浆的稠化时间泥浆的稠化时间泥浆的稠化时间。l l作用作用作用作用：保证施工安全。：保证施工安全。：保证施工安全。：保证施工安全。l l要求要求要求要求：整个注水泥施工作业能够在稠化时间以内完成，并包：整个注水泥施工作业能够在稠化时间以内完成，并包：整个注水泥施工作业能够在稠化时间以内完成，并包：整个注水泥施工作业能够在稠化时间以内完成，并包含一定的安全系数。一般：施工时间含一定的安全系数。一般：施工时间含一定的安全系数。一般：施工时间含一定的安全系数。一般：施工时间+1+1+1+1小时小时小时小时 稠化时间。稠化时间。稠化时间。稠化时间。l l测量测量测量测量：常压稠度仪；高
44、温高压稠度仪：常压稠度仪；高温高压稠度仪：常压稠度仪；高温高压稠度仪：常压稠度仪；高温高压稠度仪 测定测定测定测定“稠度稠度稠度稠度-时间时间时间时间”曲线，当稠度达到曲线，当稠度达到曲线，当稠度达到曲线，当稠度达到100Bc100Bc100Bc100Bc时的时间。时的时间。时的时间。时的时间。BcBcBcBc为稠度单位。为稠度单位。为稠度单位。为稠度单位。l l影响因素：影响因素：影响因素：影响因素：水灰比；温度与压力；外加剂水灰比；温度与压力；外加剂水灰比；温度与压力；外加剂水灰比；温度与压力；外加剂26二、油井水泥的物理性能l 水泥浆的稠化时间稠度时间27二、油井水泥的物理性能3.水泥浆
45、失水水泥浆失水概念：概念：概念：概念：水泥浆中自由水通过井壁向地层渗入的现象水泥浆中自由水通过井壁向地层渗入的现象水泥浆中自由水通过井壁向地层渗入的现象水泥浆中自由水通过井壁向地层渗入的现象危害：危害：危害：危害：水泥浆大量失水将造成水泥浆急剧变稠，大大影响其水泥浆大量失水将造成水泥浆急剧变稠，大大影响其水泥浆大量失水将造成水泥浆急剧变稠，大大影响其水泥浆大量失水将造成水泥浆急剧变稠，大大影响其流动性，从而不利于水泥浆对钻井液的顶替。流动性，从而不利于水泥浆对钻井液的顶替。流动性，从而不利于水泥浆对钻井液的顶替。流动性，从而不利于水泥浆对钻井液的顶替。水泥浆大量失水进入油气层也将对油气层产生损
46、害。水泥浆大量失水进入油气层也将对油气层产生损害。水泥浆大量失水进入油气层也将对油气层产生损害。水泥浆大量失水进入油气层也将对油气层产生损害。作用：作用：作用：作用：l l 保证水泥浆的稳定性保证水泥浆的稳定性保证水泥浆的稳定性保证水泥浆的稳定性l l 保证施工安全、防止桥堵保证施工安全、防止桥堵保证施工安全、防止桥堵保证施工安全、防止桥堵l l 有利于防气窜有利于防气窜有利于防气窜有利于防气窜28二、油井水泥的物理性能3.3.水泥浆失水水泥浆失水水泥浆失水水泥浆失水要求：要求：要求：要求：根据不同的井况和施工条件规定。根据不同的井况和施工条件规定。根据不同的井况和施工条件规定。根据不同的井况
47、和施工条件规定。水泥浆失水量水泥浆失水量水泥浆失水量水泥浆失水量指的是水泥浆失水的快慢程度，失水量大小指的是水泥浆失水的快慢程度，失水量大小指的是水泥浆失水的快慢程度，失水量大小指的是水泥浆失水的快慢程度，失水量大小用用用用3030分钟内的失水总体积表示。原则上说，水泥浆失水量分钟内的失水总体积表示。原则上说，水泥浆失水量分钟内的失水总体积表示。原则上说，水泥浆失水量分钟内的失水总体积表示。原则上说，水泥浆失水量越小越好，但控制水泥浆失水的外加剂通常对水泥浆的流越小越好，但控制水泥浆失水的外加剂通常对水泥浆的流越小越好，但控制水泥浆失水的外加剂通常对水泥浆的流越小越好，但控制水泥浆失水的外加剂
48、通常对水泥浆的流变性、稠化时间、抗压强度等有影响，因此应权衡考虑。变性、稠化时间、抗压强度等有影响，因此应权衡考虑。变性、稠化时间、抗压强度等有影响，因此应权衡考虑。变性、稠化时间、抗压强度等有影响，因此应权衡考虑。一般套管注水泥一般套管注水泥一般套管注水泥一般套管注水泥100 ml/30min100 ml/30min200 ml/30min200 ml/30min；挤水泥或尾；挤水泥或尾；挤水泥或尾；挤水泥或尾管注水泥管注水泥管注水泥管注水泥50 ml/30min50 ml/30min150 ml/30min150 ml/30min；防气窜；防气窜；防气窜；防气窜20 ml/30min20
49、ml/30min 40ml/30min40ml/30min；高密度水泥应低于；高密度水泥应低于；高密度水泥应低于；高密度水泥应低于50 ml/30min50 ml/30min。测量：测量：测量：测量：失水仪，（常温与高温、失水仪，（常温与高温、失水仪，（常温与高温、失水仪，（常温与高温、7MPa,30min7MPa,30min）影响因素：影响因素：影响因素：影响因素：水灰比；压差；地层的渗透性；外加剂；泥浆的泥水灰比；压差；地层的渗透性；外加剂；泥浆的泥水灰比；压差；地层的渗透性；外加剂；泥浆的泥水灰比；压差；地层的渗透性；外加剂；泥浆的泥饼饼饼饼29二、油井水泥的物理性能 4.4.水泥浆流变
50、性水泥浆流变性水泥浆流变性水泥浆流变性概念：概念：概念：概念：水泥浆在外加剪切应力作用下流动变形的特性。水泥浆在外加剪切应力作用下流动变形的特性。水泥浆在外加剪切应力作用下流动变形的特性。水泥浆在外加剪切应力作用下流动变形的特性。作用：作用：作用：作用：l l计算流动阻力，选择施工装置和设备，防止井压漏，保计算流动阻力，选择施工装置和设备，防止井压漏，保计算流动阻力，选择施工装置和设备，防止井压漏，保计算流动阻力，选择施工装置和设备，防止井压漏，保证施工安全证施工安全证施工安全证施工安全l l实现紊流或塞流顶替，提高顶替效率实现紊流或塞流顶替，提高顶替效率实现紊流或塞流顶替，提高顶替效率实现紊