浅谈水泥浆性能调整方法
张雪郝志武
（华北石油局井下作业公司HB1401固井队）
摘要：固井是油气井在建井过程中的一个重要环节，固井质量的好坏，直接影响到该油气井能否继续钻进、能否顺利地生产、油井的寿命以及油气藏的采收率。水泥浆性能及测定与固井作业有着密切的关系，是进行固井设计和安全施工，保证固井质量的关键因素。为了固井施工的顺利进行，不断提高固井质量，必须要求水泥浆具有良好的性能并进行准确的测量。
关键词：大牛地气田水泥浆性能配方调整分析
引言
水泥浆是由油井水泥、配浆水、外加剂及外掺料按一定的比例配制而成。在一定的温度和压力下，不同的材料相互之间经过化学作用和物理作用，影响并形成了具有特殊性能的水泥浆。由于井身结构的不同，所以需要不同性能的水泥浆，因此给我们配方调整带来了很大的困难。
1、水泥浆的组成成份及各组分对性能的影响
1.1、油井水泥的矿物组分
油井水泥的主要矿物组份（C2S，C3S，C3A和C4AF），C3S是水泥熟料的主要成份，也是影响水泥石强度的主要因素。C2S也是主要成份，其水化速度较慢，早期强度低，但长期强度仍有较大的增加，其含量高的水泥主要用于深井和超深井的固井。C3A水化反应快，对水泥浆稠化时间影响很大，早期强度较高，3d后强度几乎不增长，体积收缩大，抗硫酸盐性能差，所以中抗和高抗水泥对其含量作了严格的限制。C4AF的水化速度剧中，早期强度增长快，后期仍有增加，含量多时会使水泥石的强度减弱。
1.2、水灰比对水泥浆性能的影响
水灰比是指水泥浆中水对水泥的质量比，对水泥浆和水泥石性能都有一定的影响。首先直接影响的是水泥浆的密度，水灰比增加，水泥浆密度减小。随着水灰比的增加，水泥浆的游离液增加，塑性粘度和动切力减小，水灰比超过一定的量时，水泥石的强度显著下降。
1.3、外掺料对水泥浆性能的影响
外掺料是为了改善水泥浆的某些性能而加入水泥的材料。包括减轻剂、加重剂以及提高热稳定性的材料等。减轻剂主要用于降低水泥浆的密度，提高水泥浆的造浆率。加重剂，在钻遇高压层或调整井固井时，为防止井喷、气窜等情况的发生，在水泥中掺入加重剂，以提高水泥浆密度。
1.4、温度、压力对水泥浆性能的影响
大量的试验数据表明，在常压至20.7Mpa的范围内，压力对水泥浆的稠化时间和水泥石的抗压强度有较大的影响，一般随着压力的增加，稠化时间有所缩短，抗压强度有所提高；当压力继续提高时，其影响较小。
温度是影响水泥浆性能最重要的一种因素。对注水泥作业来说，温度对稠化时间的影响是及其重要的。一般来说，相同的水泥浆配方，随着温度的升高，稠化时间缩短。为了保持一定的稠化时间，相应的就要增加缓凝剂的用量，缓凝剂都有其最佳的适应温度范围。温度对水泥浆的其他性能也有较大的影响。
1.5、配浆水的影响
在化验室进行标准检验和试验时，采用的配浆水是蒸馏水或去离子水。而现场固井的配浆水大部分是采用井场水。不同的现场水矿化度差别很大，所含离子种类和浓度也各不相同，对水泥浆性能的影响也不尽相同。因此固井前水泥浆性能试验都应使用现场配浆水进行，以保证水泥浆性能试
验数据的准确性和可靠性，避免固井事故的发生。
2、水泥浆性能的要求
一般来说具有良好性能的水泥浆要不沉降，不起泡；有良好的流动性、适宜的初始稠度，较小的流动摩擦阻力，容易混合泵送；流变性能可通过外加剂调整，以获得较高的顶替效率；满足要求条件下的稠化时间，保证施工的安全；已顶替至环空的水泥浆在固化过程中不受油气水的侵入；顶替及候凝过程具有较低的滤失量，固化后不渗透；注水泥结束后，应有足够的早期强度，且强度增长迅速，长期强度稳定，有效封隔地层；形成的水泥环能够足够支撑套管；具有抗地层流体侵蚀的能力。
2.1、水泥浆性能主要包括以下一些方面：
2.1.1 水泥浆的密度：水泥浆的密度是一个重要参数，也是影响水泥浆性能的基本因素。水泥浆密度主要由水、水泥、外加剂和外掺料的比例来控制。一般情况下，水泥浆含水量越小，密度越大。
2.1.2 水泥浆的流变性：水泥浆的流变性是注水泥流变学设计的基本参数，只有正确地测出水泥浆的流变参数，才能正确地计算出摩擦阻力和循环泵压，提高顶替效率，同时又不至于压漏地层。
2.1.3 水泥浆的失水性能：用来测试水泥浆在固井施工过程中和施工完成后的脱水量。水泥浆失水是30min内一定的温度和压差下，通过一定面积孔隙所能滤失的自由水量。一般纯水泥浆在常温、0.7-6.9Mpa压差下得滤失量大约为1000-2000ml/min。降低水泥浆的失水能够防止渗透地层因滤失作用而引起的施工事故和对油气层的损害。
2.1.4 水泥浆的稠化时间：用以确定水泥浆在模拟井眼温度和压力的条件下保持可泵流体状态的时间。在注水泥施工中，水泥浆首先必须具有良好的可泵性，随着水泥水化反应的不断进行，逐渐形成结构致密的水泥石，这一过程可大致分为稠化、凝结和硬化三个阶段。水泥浆稠化阶段可以适应泵送施工的要求，一旦稠化之后，则完全失去了可泵性，因此水泥浆的稠化时间是控制固井作业的关键参数，是安全施工的首要因素。
2.1.5 水泥石的抗压强度：水泥石的强度主在从生产层直到地面之间提供一个良好的封隔，相对保持的时间还要长久些，也不允许地层流体或其它流体通过这一环形空间流动。因此，凝固后的水泥石有三个参数：抗压强度、渗透率和孔隙度，其中抗压强度是最重要的参数，它有承受冲击、支撑套管和井眼及隔离地层等几方面作用，直接影响着固井质量。
2.1.6 游离液（自由水）：注水泥后水泥浆在凝固前的持续阶段，浆体中的水会分离出来而向上移，聚集在液柱顶部。这种分离现象会影响封隔地层的效果，特别在井斜较大的井段更为严重。游离液就是实验室用以测量水泥浆分离趋势的参数。
2.1.7 沉降稳定性：与游离液的形成情况相同，水泥浆在凝固前的持续时间里，悬浮的固相颗粒会从水泥浆中分离出来并沉积在水泥浆液柱的底部。利用试验手段可测定水泥浆的相对稳定性。沉降严重可使水泥浆密度发生较大变化，导致地层流体侵入井眼环空并可能使井眼失控。
3、简述所涉及到外掺料及添加剂在水泥浆中的作用
减轻剂（SQ-2人工漂珠）：使用减轻剂来降低水泥浆比重，可以降低水泥浆成本和增加造浆量。
缓凝剂（GH-3）：是指能延长水泥浆凝固时间的化学剂，调整稠化时间。
降失水剂、GSJ长庆降失水剂：形成薄膜或胶粒，减少水泥浆的失水量。物理性能指标：外观是白色固体粉末或浅黄色粉末。
减阻剂（USZ）：又名分散剂，可改善水泥浆的流动性能。
早强剂（GQD）：稳定浆体，提高水泥石的抗震能力和抗折强度。
4、调整配方的步骤
首先第一步根据钻井设计得到一些数据（井深、地温梯度、年平均温度、泥浆密度），根据这些
数据通过公式算出水泥浆所需的温度、压力、升温时间。
第二步根据钻井设计上对水泥浆的性能指标调配出所需要的水泥浆比例（外掺料与添加剂的比例）确定密度，再考虑失水量、游离液、稳定性、流变性、强度、稠化时间。确定每一个性能指标后，通过调整的几个配方、得出最好最符合的一个。
第三步做出大样灰，进行现场施工。
表1大牛地所需水泥浆性能要求
4.1、低密度室内的调整与结论
4.1.1 密度的调整与强度对比
配方：①70%QTX+25%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+0.1%CH-3+1.5%G309
②75%QTX+20%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+0.1%CH-3+1.5%G309
③80%QTX+15%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+0.1%CH-3+1.5%G309
结论：由表2可知，加入漂珠同时增加水灰比虽然达到了密度要求但是强度会随着水灰比的增加而降低，且浆体稳定性也不能保证。因此在总结漂珠低密度水泥浆体系的基础上，应用颗粒级配原理，适量加入颗粒细度极小的微硅，使水泥、漂珠不同颗粒细度的干混材料实现良好的空隙填充，达到紧密堆积的效果，改善了水泥石的微观结构，增加其致密性，从而使得整个体系的强度得到了很好的控制。在上面三个配方里，比较符合所需的是配方①、配方②。
4.1.2 稳定性调整
配方：①70%QTX+25%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+0.1%CH-3+1.5%G309
②75%QTX+20%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+0.1%CH-3+1.5%G309
表3
结论：由表3得知常温下测得的上下密度差＜0.03 g/cm3,具有良好的稳定性，且①要好于②。
4.1.3 其他性能的调整
配方：①70%QTX+25%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+0.1%CH-3+1.5%G309
②75%QTX+20%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+0.1%CH-3+1.5%G309
结论：由表4可以看出，低密度水泥浆体系的流动度大于240mm，具有较好的流动性和可泵性，
流性指数n接近于1且稠度系数k较小，浆体在较低排量下可获得紊流顶替，有利于提高水泥浆的顶替效率。并且在90%较大水灰比下析水量仍然很小，失水量＜200ml,说明在加入了微硅、早强稳定剂和降失水剂后浆体更加稳定，防窜性能好。
4.1.4 稠化时间的调整
配方：①75%QTX+20%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+80w/c
②75%QTX+20%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+80w/c
70℃低密度水泥浆体系与70℃低密度水泥浆体系加或不加缓凝剂稠化曲线对比图
图1 70℃低密度不加缓凝剂稠化曲线图2 70℃低密度加0.1%缓凝剂稠化曲线
结论：由图1、图2以明显的看出，在相同温度，相同压力的条件下，缓凝剂的加量直接影响稠化时间的长短。为了保持一定的稠化时间，相应的就要增加缓凝剂的用量，缓凝剂都有其最佳的适应温度范围。
4.2、尾浆室内的配方调整与结论
配方：①100%QTX+0.35%USZ+1.5%G309
②100%QTX+0.40%USZ+1.5%G309
③100%QTX+0.45%USZ+1.5%G309
表6
结论：由表7得知，尾浆的密度是用水灰比来调整的，水灰比越大，密度就越小。减阻剂加量，直接影响着浆体流动度，也对稠化时间有一定的影响。根据不同井的需要，选择不同的水灰比，而稠化时间也是需要少量的缓凝剂来调整。
在大牛地气田，低密度配方②中的80w/c、尾浆配方②中的44w/c比较适合常规井的要求，低密度配方①中的90w/c、尾浆配方③中的44w/c比较适合水平井的要求。
5、水泥浆配方性能的应用与分析（以D66-204井为例）
D66-204属于定向井（常规井），完钻地层奥陶系马家沟组。
根据经验公式得出D66-204实验条件：温度为70℃、压力为30Mpa、升温时间为30min。
我们选用在室内调整配方中的低密度配方②：80w/c+75%QTX+20%SQ-2+5%Msi+1.5%GQD+0.14%GH-3；尾浆配方②：44w/c+100%QTX+0.40%USZ+1.5%G309。
根据钻井设计上要求的水泥浆性能指标见表7
5.1、性能试验数据如表8、表9
表8 低密度性能数据
表9 尾浆性能数据
从实验数据上看，浆体的稳定性和其他性能均可以满足现场施工的要求。
5.2、浆体稠化曲线
图3 D66-204 低密度
图4 D66-204 尾浆
从图3、图4可以看出两者在30Bc 后稠度发展较快，且在稠化初期没有因为压力的变化而导致稠度值发生大的变化，可以保证现场施工的安全。
5.3、现场施工实际混配密度曲线：
——D66-204
D66-204低密度密度最大值1.36g/cm 3，最小值1.34g/cm 3，平均值1.35g/cm 3； 尾浆密度最大值1.90g/cm 3，最小值1.85g/cm 3，平均值1.88g/cm 3。 5.4、固井质量
D66-204
由图可以看出声幅值绝大部分在10%以内，固井质量达到了优质。 6、认识
6.1、 得知外掺料及添加剂在水泥浆中的作用后，根据其主要作用，在水泥浆调整方面，能更好的掌握性能大范围的调整。比如在流变性、稳定性这两个方面，有时调出来的水泥浆流变性达到
要求时，稳定性就不是特别的稳定，主要原因就是流变性是根据水灰比和分散剂来调整的，水灰比
1.1
1.21.31.41.51.61.71.81.921471013161922252831343740434649525558
测量次数
大的情况下对稳定性是有一定的影响的。相反的，达到水泥浆稳定性的最佳状态时，流变性就会相对的较弱一些；
6.2、了解调整配方的同时，我们需要从设计上知道哪些条件和性能要求，通过添加剂的作用来确定配方。在室内试验数据分析表中，可以知道低密度水泥浆密度范围在1.26g/cm3-1.38 g/cm3内，尾浆水泥浆密度范围在 1.85 g/cm3-1.90 g/cm3内、稠化时间可调、浆体流变性和稳定性好，水泥石抗压强度符合标准要求，适合大牛地气田固井工艺对水泥浆性能的要求；
6.3、通过实例D66-204这口井的配方验证我的调整方法是符合要求、可行的；
6.4、由于水泥浆中的外加剂相对较多且复杂，需要加强对干混作业的过程监控，以确保大样灰的均匀性，同时应做好干混过程中的除尘工作，防止粉尘污染。
【参考文献】
[1]油气井注水泥理论与应用（J）黄柏宗石油工业出版社 2001
[2]D66-204井钻井工程设计设计人：王锦昌
[3]D66-204井现场固井施工设计设计人：张冬生 2011.5.22
[4]美国油井注水泥技术史密斯石油工业出版社
[5]《固井作业规程》释义石油钻井工程专业标准化委员会编石油工业出版社
[6]水泥浆性能与测定中国石化勘探开发研究院石油钻井研究所 2002
【作者简介】
张雪，2010年毕业于河南工业技术学院，专业为计算机网络管理与维护，现任华北石油局井下作业公司HB-1401固井队化验员。主要从事水泥浆化验工作。通讯地址：河南省郑州市中原区须贾路4号院井下作业公司，邮编：450042。联系电话：152********。
郝志武，现任华北石油局井下作业公司HB-1401固井队化验员。主要从事水泥浆化验工作，通讯地址：河南省郑州市中原区须贾路4号院井下作业公司，邮编：450042。联系电话：134********