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基础知识
第四节 油井水泥
  • 详细说明
  油井水泥属于硅酸盐类水泥,是石灰石、粘土和少量铁矿石,按一定比例混合磨碎,做成生料,然后在1450℃的高温煅烧,生成一种以硅酸钙为主要成分的熟料,再加少量的石膏,磨细成为油井水泥。
水泥熟料主要由以下四种矿物组成:
  (1) 硅酸三钙:3CaO•SiO2(C3S),占40%~60%。水泥石强度主要由它形成,特别对早期强度起主要作用,早期强度要求高的水泥含C3S量较高。
  (2) 硅酸二钙:2CaO•SiO2(C2S),占15%~35%。是缓慢水化矿物,使水泥石强度逐渐增加,持续时间长。
  (3) 铝酸三钙:3CaO•Al2O3(C3A),占6%~15%。是促进水泥快速水化的化合物,是决定水泥初凝时间和稠化时间的主要成分,它对硫酸盐敏感,所以对于含硫酸盐较高的井,所使用的油井水泥中C3A含量不得大于3%。
  (4) 铁铝酸四钙:4CaO•Al2O3•Fe2O3(C4AF),占8%~10%。含量增高会使水泥石的强度降低。
  API标准中提出九个级别的分类,它们是: A,B,C,D,E,F,G,H和J共九个级别。
  A级油井水泥属硅酸盐水泥系列,只有普通型一种(与ASTM标准的I型水泥相似),在没有特殊要求的条件下,使用深度从地面到井深1830m,仅作为普通类型水泥使用。
  B级油井水泥的适用井深与A级水泥相同,但它还具有抗硫酸盐的性能。B级油井水泥分为中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型两种,适用于从地面到井深 1830m,B级水泥中抗硫酸盐型与ASTM标准中Ⅱ型相似,高抗硫酸盐型与ASTM标准中V型相似。与A级油井水泥相比,B级油井水泥只是要求铝酸三钙 (C3A)含量低,以满足抗硫酸盐的要求。
  C级油井水泥适用的井深范围为地面至1830m深度,分为普通型、中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型三种类型,C级水泥中C3A含量较高,比表面积大,因此具有早强特性,C级水泥大致相当于ASTM标准的Ⅲ型水泥。为了满足早强和抗硫酸盐的要求,一般是采用烧制特定组成的熟料和高细磨来生产C级油井水泥。
  影响C级油井水泥性能的主要因素包括熟料,石膏掺量和水泥细度等等。
(1)熟料
  不同类型的C级油井水泥有着不同的特性要求,其主要区别在于抗硫酸盐性能的强弱。从熟料组成角度,可以通过调整C3A的含量来控制水泥的抗硫酸盐性能,同时为保证熟料的强度,还应有足够的C3S含量,因其对水泥的24h抗压强度有显著影响。
(2)石膏掺量
  石膏的掺量对水泥物理性能影响显著,石膏掺量增加,水泥性能改善明显,不仅其稠化时间延长,而且抗压强度也提高。研究表明:当水泥中SO3含量从 1.5%增加至3.0%时,各种C级水泥的稠化时间延长约60%左右,抗压强度增长10%~30%,特别是8h抗压强度增长很高。因此,C级油井水泥的 SO3含量宜控制在2.5%~3.0%。
(3)水泥细度
  为了保证水泥具有较高的早期强度,C级水泥需要磨得很细,一般控制其比表面积为440~460m2/kg,此时水泥8h抗压强度可达 4~8MPa,24h抗压强度达14~17MPa。应强调的是,C级油井水泥粉磨时采用助磨剂是十分必要的,否则粉磨效率显著下降,电耗急剧上升。掺加入适量三乙醇胺作为助磨剂,可以有效缩短粉磨时间,对提高水泥抗压强度也十分有利。
  D、E、F三个级别的油井水泥是适用于中深井和探井条件下的水泥品种,三种级别的油井水泥各自又分为中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型两种。D、E、F级水泥被称为“缓凝水泥”,适用于较深的井,通过大幅度降低水泥中水化速度快的C3S和C3A含量并增大水泥粒度等方法而达到缓凝的目的,目前由于缓凝剂的开发和使用技术有了很大发展,故此类水泥的使用量下降。
  D级油井水泥在中温中压条件下,用于1830~3050m井深,也可作为MSR和HSR类型水泥使用。
  E级油井水泥在高温高压条件下,用于3050~4270m井深,也可作为MSR和HSR类型水泥使用。
  F级油井水泥适用于超高温高压条件下,用于3050~4880m井深,也可作为MSR和HSR类型水泥使用。
  D、E、F级油井水泥的配制和其他级别的水泥不一样,D、F、F三个级别油井水泥适用于较高温度和压力条件下的中、深井注水泥作业。如前所述,一般的油井水泥浆体在高温高压水热条件下水化硬化时,会出现水泥的稠化时间缩短,水泥抗压强度随温度升高而衰减的现象,这主要是由于温度和压力作用改变了水泥水化进程和水化产物的组成与形貌构造所致。为了满足高温高压条件下的注水泥质量,必须根据具体要求烧制特定矿物组成的水泥熟料,但采用这种方法生产D、E、F级油井水泥时,往往是工艺复杂,生产控制难度大,成本高,所以世界各国都倾向于采用以1~2种基本油井水泥为基础,通过掺入不同的外加剂对水泥性能进行调整,以满足不同的固井作业要求。美国是采用外加剂最多的国家,仅油井水泥外加剂就达1000多种。根据API规范规定,API标准G级和H级油井水泥为常用的基本油井水泥品种,D、E、F级油井水泥可以通过在G级或H级水泥基础上掺入适当的缓凝剂配制而成。
  G级和H级油井水泥是两种“基本油井水泥”。所谓基本油井水泥有两层含义,其一是这种水泥在生产时除允许掺加适量石膏外,不得掺入其他任何外加剂;其二是这种基本油井水泥使用时与多种外加剂配合,能适应较大的井深和温度变化范围。G级和H级油井水泥均分为中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型两类,G级、H级油井水泥单独使用时的井深范围是自地面至2440m的深度。
(1) G级和H级油井水泥的主要技术性能要求
  两种水泥均具有较低的初始稠度,稠化时间和抗压强度也较佳,完全符合API Spec10的规定。与G级油井水泥相比,H级油井水泥的技术性能指标除水灰比规定为0.38外,其他各项指标均与其完全相同。
(2) 高抗硫酸盐型G级油井水泥的性能影响因素
  在实际生产中,二水石膏掺量和水泥粉磨细度对水泥的物理性能均有较明显的影响。二水石膏对水泥浆的稠化时间和8h抗压强度均有影响,随石膏掺量增加,强度增长较快;粉磨细度增大时,水泥浆的初始稠度和8h抗压强度相应增加,而稠化时间则缩短,故实际操作上有一个严格控制最优细度和石膏掺量的要求。
(3) 中抗硫酸盐型H级油井水泥的生产与性能
  中抗硫酸盐型H级水泥是美国生产的主要油井水泥品种,这种水泥对原料、燃料的质量和生产工艺要求均较宽松,水泥比表面积仅为270~300m2/g,较有利于工厂组织生产和降低成本。
(4) G级、H级水泥的应用
  G级、H级是目前使用最广泛的油井水泥,使用于一般油井固井,从地面到2440m井深,当加入促凝剂或缓凝剂时,能适用于较大的井深和温度范围。G级和H级水泥作为中抗硫酸盐(MSR)和高抗硫酸盐(HSR)类型水泥使用。
  J级油井水泥适用于超高温高压条件下的3660~4880m井深的注水泥,与促凝剂或缓凝剂一起使用,能适应于较大的井深和温度范围。
以下是各个级别和类型的油井水泥理化指标


表1  API水泥的化学要求

 

中抗硫酸盐型(MSR)
氧化镁(MgO) 最大值,%
6.0
6.0
6.0
6.0
6.0
三氧化硫(SO3) 最大值,% 
3.0
3.5
3.0
3.0
3.0
烧失量 最大值, % 
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
不溶物 最大值,% 
0.75
0.75
0.75
0.75
0.75
硅酸三钙(C3S) (2),%
 
 
 
48~58
48~58
铝酸三钙(C3A) 最大值(2),%
8
8
8
8
8
总碱量以氧化钠(Na2O)当量表示  最大值 (3),%
 
 
 
0.75
0.75
高抗硫酸盐型(HSR)
氧化镁(MgO) 最大值,%
6.0
6.0
6.0
6.0
6.0
三氧化硫(SO3) 最大值,% 
3.0
3.5
3.0
3.0
3.0
烧失量 最大值, %
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
不溶物 最大值,% 
0.75
0.75
0.75
0.75
0.75
硅酸三钙(C3S) (2),%
 
 
 
48~65
48~65
铝酸三钙(C3A) 最大值(2),%
3
3
3
3
3
铁铝酸四钙(C4AF)+2倍铝酸三钙(C3A) 最大值,%
24
24
24
24
24
总碱量以氧化钠(Na2O)当量表示  最大值(3),%
 
 
 
0.75
0.75

 表2  API水泥的物理性能要求

水泥分级
A
B
C
D
E
F
G
H
J(1)
水灰比,%
46
46
56
38
38
38
44
38
 
安定度(热蒸膨胀),%最大值
0.80
0.80
0.80
0.80
0.80
0.80
0.80
0.80
 
细度(比面积),m2/kg    最小值
150
150
220
 
 
 
 
 
 
游离水含量,mL        最大值
 
 
 
 
 
 
3.5(2)
3.5(2)
 
8h抗压强度
升温方案
养护温度℃
养护压力MPa
抗压强度(最小值),MPa
38
常压
1.7
1.4
2.1
 
 
2.1
2.1
 
 
60
常压
 
 
 
 
 
10.3
10.3
 
 
6S
110
20.7
 
 
 
3.5
 
 
 
 
 
8S
143
20.7
 
 
 
 
3.5
 
 
 
 
9S
160
20.7
 
 
 
 
 
3.5
 
 
 
12h
8S
143
20.7
 
 
 
 
 
 
 
 
3.5
24h抗压强度
升温方案
养护温度℃
养护压力MPa
抗压强度(最小值),MPa
38
常压
12.4
10.3
13.8
 
 
 
 
 
 
4S
77
20.7
 
 
 
6.9
6.9
 
 
 
 
6S
110
20.7
 
 
 
13.8
 
6.9
 
 
 
8S
143
20.7
 
 
 
 
13.8
 
 
 
 
9S
160
20.7
 
 
 
 
 
6.9
 
 
 
10S
177
20.7
 
 
 
 
 
 
 
 
6.9(3)
 
模拟方案
15~30min稠度(最大值)Bc(4)
稠化时间(最小值),min(5)
 
1
30
90
90
90
 
 
 
 
 
 
4
30
90
90
90
90
 
 
 
 
 
5
30
 
 
 
 
 
 
90
90
 
5
30
 
 
 
 
 
 
120(6)
120(6)
 
6
30
 
 
 
100
100
100
 
 
180
8
30
 
 
 
 
154
 
 
 
 
9
30
 
 
 
 
 
190
 
 
180

注:(1)J级油井水泥用水量,由生产厂推荐。升温方案为10S,J级油井水泥7d后的抗压强度应不低于24h的抗压强度。
(2)游离液以250mL量筒为基准,3.5mL相对应的百分数为1.4%。