油井水泥组成、级别和类型

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1.2.1APIG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·SiO2）：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。同一级别的油井水泥，又根据C3A(3CaO·A12O3)含量分为：普通性（O）C3A＜15%；中抗硫酸盐性（MSR）C3A≤8%，SO2≤3%；高抗硫酸盐性（HSR）C3A≤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ASTMC150，Ⅰ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(MSR)和高抗硫酸盐型(HSR)。B级中抗型的化学成份和细度类似于ASTMC150，Ⅱ型。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作业，目前在我国还没有使用。C级又被称作早强油井水泥，具有普通（O）型，中抗硫酸盐型(MSR)和高抗硫酸盐型(HSR)三种类型。普通（O）型的化学成份和细度类似于ASTMC150，Ⅲ型。一般适用于需早强和抗硫酸盐的浅层固井作业。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密度水泥浆的配制都有较大的优势，只是我国固井在配方设计上习惯于用G级油井水泥，限制了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。具有中抗硫酸盐型(MSR)和高抗硫酸盐型(HSR)。一般适用于中深井和深井的固井作业。D级油井水泥在我国华北油田、中原油田使用较多。由于要通过控制特定矿物组成的水泥熟料，来达到D级油井水泥的指标要求，工艺复杂生产控制难度大而造成成本较高。而且D级油井水泥可以通过G级H级油井水泥加入缓凝剂来代替，该工艺较为简单所以近几年D级油井水泥的使用量也在逐渐下降。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，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1.2.2、1.2.3表示出了各级油井水泥适用的井深、性能指标和注水泥关系。表1.2.2API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℃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mA8381.7305900.460~1830无特殊性质要求时，普通型243812.4183090B8381.4305900.460~1830井况要求中到高抗硫酸盐时243810.3183090C8382.1305900.380~1830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243813.8183090D877-1830900.381830~3050在中温和中压条件下，有中、高抗硫酸盐型1103.524776.9305010011013.8E877-30501000.383050~4270在高温高压条件下，有中和高抗硫酸盐型1433.524776.9427015414313.8F8110-30501000.383050~4880在较高温高压条件下，有中和高抗硫酸盐型1603.5241106.948801901606.9G8382.12440900.440~2440基本油井水泥，通过外加剂扩大使用范围，有中、高抗硫酸盐型6010.32438-60-H8382.12440900.380~2440基本油井水泥，有中、高抗硫酸盐型6010.32438-60-J8143-3050180-3600~4880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1.2.3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别需水量水泥浆密度%产浆率%备注A、B461.870.78C561.770.88G441.890.76D、E、F、H381.960,70--EndFragment--