油气井注水泥基础知识

固井基本知识一、固井工程的重要性油气井注水泥技术是一门多学科组成的应用科学。

包括地质学，石油工程（钻井、测井、测试、采油、油井增产等工程），机械，化学，力学（流体力学）和电子等学科。

涉及的基础科学知识和工程技术面广，这就要求我们在工作实践中要勤于学习，刻苦钻研，不断学习，不断提高。

固井是钻井工程中一道重要的工序，也是最后一道工序。

固井工程专业化程度高，对油气井建成起关键性作用。

往往因固井质量问题使油气井不能正常生产甚至报废。

固井质量对延长油气井寿命和发挥油气井产能具有重要作用。

固井质量关系到油气田有效勘探和开发。

固井是一种系统工程。

固井工程应从设计、准备、施工和检验等环节严格把关，采用适应地质和油气藏等特点及钻井工艺先进、适用的固井技术，实现安全、优质、经济、可靠的目的。

二、油气井注水泥的历史1、美国石油工业传统上是以1859年锥克（Drake）井的钻进为起点。

2、直到1903年才在加利福尼亚劳木波斯油田使用水泥封堵油层上部的水层。

据说法兰克和联合石油公司把50袋纯硅酸盐水泥混合好后，用捞沙筒送到井下预定位置，后凝28天以后把井内水泥钻掉，再钻穿油层后完井，而水层已被有效封固。

于是该方法成为可行，不久后便在加利福尼亚州有同样为题的油田中传插使用起来。

3、早期的捞沙筒法及油管法在1910年被A.A贝金斯（A.A Perkins)在加州油田提出的双塞法水泥法所代替。

近代注水泥技术也就由此产生。

由于贝金斯公司的服务范围仅限于加州以内，所以其他地区的注水泥方法也以不同的方式出现。

俄克拉何马州1920年哈里伯顿在海威特油田提出了一种新的注水泥方法。

而把套管下在油气层顶部，进行注水泥作业，待水泥凝固后，再钻井下部的油气层完井。

并且开始使用了原始的混浆方法和注水泥设备。

在常规套管固井中双塞注水泥方式目前仍在使用，不同的是经过不断改进和完善而已（木塞、胶塞、压胶塞液等）。

三注水泥分类常规套管注水泥、尾管注水泥、分级注水泥水井地热井处理井大口径井眼一次注水泥（即常规注水泥）永冻层注水泥特种条件下注水泥海上结构注水泥热采井注水泥内管法注水泥水平井注水泥空气钻钻井注水泥通过可溶性地层注水泥挤水泥二次注水泥打水泥塞重新注水泥尾管注水泥：套管串低于井口的注水泥作业。

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列出G级HSR水泥的主要化学成分。

由表中数据可以看出，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C4AF(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?API?G级水泥化学分析二氧化硅SiO2 22.70%三氧化二铝A12O3 3.39%三氧化二铁Fe2O3 4.81%氧化钙CaO 65.60%氧化镁MgO 0.90%氧化钾K2O 0.37%三氧化硫SO3 1.21%氧化钛0.19%氧化锰MnO2 0.09%氧化钠NaO 0.13%氧化铬GeO 0.01%五氧化二磷P2O5 0.11%烧失量LO1 0.49%（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的总量占水泥矿物的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，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。

修井作业中使用油井水泥的施工工艺及要求油井水泥在修井作业中扮演着关键的角色，它用于固井作业，稳定井壁、隔离地层和提供支撑。

本文将介绍使用油井水泥的施工工艺及要求。

一、施工工艺1.井底准备：在进行水泥固井之前，需要对井底进行准备。

首先需要检查油井井筒的情况，包括井深、孔眼尺寸、井眼尺寸等。

根据井筒的情况，选择合适的水泥配比和施工工艺。

2.水泥配比：根据油井的特殊情况，包括孔眼尺寸、井眼尺寸、地层特性等，确定合适的水泥配比。

水泥配比主要包括水泥种类、掺合料、水胶比等。

3.水泥浆搅拌：将水泥和掺合料按照一定比例添加到搅拌设备中，在搅拌过程中加入适量的减水剂和增稠剂，调整水泥浆的流动性和稠度。

搅拌时间根据水泥类型和施工要求确定。

4.水泥浆注入：将搅拌好的水泥浆通过泵送系统注入到井筒中。

注入过程中需要控制注入速度和压力，确保水泥浆能够充分填充孔眼和井眼，并与井壁紧密接触。

5.固井养护：固井完成后，需要进行养护以确保水泥的强度和质量。

养护时间根据水泥类型和井深确定，通常需要2-3天。

6.固井质量检查：固井养护完成后，进行固井质量检查。

主要检查水泥固井的质量和强度，包括固井质量检查、质量评估等。

二、施工要求1.水泥质量要求：选择符合国家标准和油井工程要求的水泥种类。

水泥应具有一定的早强性能，能够在较短时间内达到规定的强度，并能够适应井底温度和地层特性。

2.掺合料要求：掺合料应符合国家标准和油井工程要求，能够提高水泥浆的流动性和稠度，改善固井效果。

3.水胶比要求：水胶比是指水泥浆中水的重量与胶体的质量之比，是影响水泥浆流动性和稠度的重要参数。

水胶比应根据施工要求确定，通常在0.4-0.6之间。

4.注入速度和压力要求：注入速度和压力应根据井筒的情况和固井要求确定。

注入速度过快会导致水泥浆泌水，注入速度过慢会导致水泥固化不完全，影响固井质量。

5.养护要求：固井完成后，需要进行养护以确保水泥的强度和质量。

养护时间通常是2-3天，养护期间应保持环境温度稳定，避免外部力量对固井体的破坏。

第一章总论影响注水泥顶替效率的主要影响因素：套管居中、紊流顶替、合理的隔离液与冲洗液的性能及用量、紊流接触时间、活动套管、水泥浆与钻井液流变性能的合理匹配、增加水泥浆与钻井液的密度差、降低钻井液的触变性及滤失性能等。

通常下需要控制紊流触变时间不小于8-10min。

油、气、水窜的主要因素：水泥浆凝结过程中浆柱压力的降低；水泥浆失重：由于水泥浆胶凝、体积收缩及桥堵引起。

钻井液和水泥浆流变模型：更符合带静切力的三参数幂律模型，包括赫谢尔—巴尔克莱（H-B）流变模型和罗伯逊-斯蒂夫（R-S）流变模型。

水泥浆滤失性：水泥浆的失水量比钻井液的滤失量大数十倍，一般可达到500-2000ml/30min(7MPa)，但对于储层油层和气层固井时水泥浆失水量分别控制在200ml/300min(7MPa)和50-100ml/300min(7MPa)。

通常下水泥浆滤液污染深度一般不超过5cm，渗透率下降率在10%左右。

微硅的化学组成为: SiO2 92.46%; Al2O30.29%; Fe2O3 0.88%; CaO 1.78%; MgO 0.3%; P2O5 1.77%。

第二章油井水泥硅酸盐水泥（波兰特水泥）主要成分：氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO2）、三氧化铝（Al2O3）和三氧化二铁（Fe2O3）水灰比对水化速度影响：通常下水灰比均限制在0.4-0.7范围，在允许的条件下尽可能降低水灰比。

常用的G级水泥试验时的水灰比为0.44.在高于350℃的热采井、地热井中，采用加硅粉的技术已不适用，而需应用高铝水泥代替。

水化反应的主要阶段为：调凝期、凝固期、硬化期。

矿渣G级水泥混合物（硅酸盐水泥和高炉矿渣混合物）第三章油井水泥浆与水泥石性能密度：水泥浆密度须满足注水泥全过程浆柱压力与地层压力的平衡关系，即水泥浆柱所产生的静液柱压力和流动阻力须大于或等于地层流体压力，同时小于地层破裂压力或漏失压力。

在设计水泥浆密度时，要求水泥浆密度略大于钻井液密度。

第一节概述新钻油水井固井，老区油水井由于生产层位调整，大修井下衬、尾管后均需注水泥。

注水泥工艺技术应用于油气水井井内形成新的人工井底，应用于固套管，衬、尾管形成能密封油、气、水层及隔层的人工井壁，从而满足注采需要。

挤水泥是在足够的压力下将水泥浆注在井中某一段,是水泥浆在地层表面脱水、造壁、硬化并封堵空隙的过程。

在钻井、固井、完井和修井作业中都采用挤水泥。

油田油、气水井在开发生产过程中，由于受油、气、水运移及各种应力、腐蚀、地质结构及施工措施诸因素的影响，一方面使新打井水泥返高不够，固井质量不合格;另一方面使生产井原固井水泥环遭到破坏，或造成油层窜通或地层胶结物被破坏，近井地带形成空洞，或因地层出水，套管破漏使油水井不能正常生产，通过挤水泥工艺技术，可使固井质量不合。

格井、窜槽井，套管破漏的油、气、水井恢复正常生产。

第二节注水泥塞封堵技术注水泥塞工艺是将一定量的水泥浆替到套管内或井眼的某一部位，使其形成满足注采需要的新的人工井底或满足工艺过程的临时封闭某井段的工艺技术。

（一）.工艺原理当干水泥与适量的水混合成水泥浆后，水泥颗粒与水立即发生水化反应，使水泥浆中产生以水硅酸钙为主要成分的胶体，随着水化作用的不断进行，胶体不断增多，并逐渐聚集变稠。

同时在胶体中产生形成水泥石的新化合物，逐渐在非晶质胶体中开始呈现微粒晶体，并逐渐硬化，使水泥浆失去流动性。

在这一过程中，当水泥浆开始变稠并部分失去塑性时，称为初凝；当水泥浆完全失去流动性并刚能承担一定压力时称为终凝。

终凝完毕后水泥浆硬化成石。

（二）. 注水泥塞的目的及用途在井下作业中注水泥塞是常用的工艺技术之一。

注水泥塞的目的及用途主要有以下几种：（1）封闭已试油层上返新层试油，或进行分层作业时的封堵非目的层。

（2）封闭底部水层；（3）找堵漏、找封窜、上部套管试压等隔开封闭某一层段。

（4）堵塞报废井及回填枯竭层位。

（5）出于安全目的的封闭层位（如封闭高压层、有毒有害流体层）（6）特殊情况下的封堵。