固井用水泥外加剂
油井水泥外加剂及应用
第一节概述
随着石油工业的发展，油气勘探和开发领域日益扩大，钻井技术逐渐提高。深井、超深井和特殊井频频问世，给油井技术提出更高的要求。特别是在地质构造复杂、井下条件恶劣的情况下注水泥，采用纯水泥已经远远不能满足工艺技术的要求，必须依靠外加剂来调节其使用性能。例如:填充剂可以增加产浆量，节约水泥，降低成本;促凝剂或缓凝剂可以调节稠化时间，既能保证施工安全，又能在规定的时间内达到继续作业的强度要求;降失水剂可以减少渗透性地层对水泥浆的滤失作用，保护油气层，提高采收率;分散剂可以改善水泥浆流变性能，增加顶替效率，提高固井质量，延长油井寿命。因此，外加剂的研究、重产和应用在国内外都得到迅速地发展。
外加剂可以使水泥在不改变基本成分的情况下，改变其水泥浆性能。它与水泥的关系是相辅相成的。一般地说，油井水泥外加剂可分为:
(1)调节水泥浆稠化时间的外加剂:促凝剂、缓凝剂;
(2)改变水泥浆失水性能的外加剂:降失水剂;
(3)改善水泥浆流变性能的外加剂:分散剂;
(4)水泥浆密度调节剂:加重剂、减羥剂;
(5)降低循环漏失的外加剂:堵漏剂;
(6)提高水泥石热稳定性的外加剂:石英砂;
(7)配制含盐水泥浆;
第二节促凝剂
在浅井或表层套管注水泥施土中，虽然水泥浆满足了泵送的要求，但往往存在稠化时间长、强度发展慢的问题，严重影响钻井进尺和固井质量。而加入促凝剂或早强剂，可以改变水泥浆性能，既能满足固井作业的要求，又能使强度尽快地达到继续钻进的要求。当然有时也用来缓解因加入其它外加剂，例如分散剂、降失水剂等所引起的过缓凝，目的都是为了加速抗压强度的发展，缩短候凝时间。严格地讲，促凝和早强是有区别的:早强是指早期抗压强度有明显地提高，但对凝结时间不作要求，如常用的分散剂，就有一定的早强作用;而促凝剂则要求缩短凝结时间，即加速凝结，不管强度发展的快慢。这两者往往既有共同的性质，而又有所不同。
由于氯离子对对井下钢材的腐蚀，所以制定了研制无氯根促凝剂，从此以后就出现了非氯化物促凝剂或无氯根促凝剂或不含氯离子促凝剂等。为适应这种情况，本文也把促凝剂分为氯化物促凝剂和非氯化物促凝剂。
一、氯化物促凝剂
氯化物促凝剂主要包括氯化钙、氯化钠、氯化钾和海水等。
1.氯化钙(CaCI2)
多年以来，氯化钙一直被成功地用作促凝剂，也有很理想的早强作用。当加到水泥或混合水中时，其浓度占水泥质量的2%-4%时，即能促进水泥浆的快速固化，达到所要求的候凝时间。
氯化钙是一种极强的吸水材料，可以是片状或粉末状，常规级纯含量是77 %;无水级是粒状或片状，含量为96 %。对大多数需要，常规级加量2 %，无水级加量1.6%就有最佳促凝效果。常规级是最通用的一种类型。无水级从大气吸收少量水分之后，可用于高潮湿的地方(即含水量较高的使用对象，也就是说，只
能加在混合水中，不能加在干水泥中)。加量占干水泥质量4%的氯化钙有时推荐用于高水灰比的水泥浆，这时大体积的水可以冲淡促凝剂的浓度。这种材料适用于A级、C级和低密度水泥。
2.氯化钠(NaCI)
氯化钠作促凝剂应注意浓度范围。一般说来，氯化钠浓度在10%以下时为促凝剂;在10%-18%既不促凝，也不缓凝，其稠化时间与纯水泥浆相似;而当氯化钠浓度提高到18%以上时表现出缓凝作用。
氯化钠在固井中的应用，大概有五个方面:
(1)低浓度可作水泥浆的促凝剂;
(2)高浓度(饱和盐水)可作水泥浆的缓凝剂;
(3)不同的浓度可作水泥浆不同的加重剂;
(4)用饱和盐水水泥浆可固盐层、石膏层或页岩层等。一般地说，使用这种水泥浆，套管与盐层的胶结较好。另外，这种水泥浆还能抑制膨润土砂岩和页岩的膨胀，防止泵经盐岩层时水泥浆冲蚀盐层或使盐岩溶解而增加井径扩大率。
(5)降低寒冷地区水泥浆的冰点。
3.氯化钾(ICI)
氯化钾能促进水泥浆凝固，且对其流动性略有影响，与氯化钙复合使用效果更好。在泥岩、贞岩、夹缝砂岩、石灰岩等注水泥时，若在水泥浆、隔离液或冲洗液中加入0.3%-1.0%的氯化钾，可以抑制粘土膨胀，防止造浆作用，以免影响胶结强度。
据介绍，由于饱和盐水水泥浆在低含盐度层段因渗透压的存在会引起裂缝，而不同盐度的层段选择其平衡盐度的水泥浆又是不可能的，所以人们很少使用饱和盐水水泥浆。
4.氯化钙复合物
据介绍，氯化钙与氯化钠或氯化氨等混合使用效果更好。1%氯化钙与2%氯化氨的混合物，或者2%氯化钙与2%氯化钠的混合物都是良好的复合促凝剂。使用这些复合促凝剂，既能可靠地加速水泥浆凝结和硬化，又不影响水泥浆的流动性能，而且还能降低水泥浆的游离水。它们也可以增加水泥的水化热，使温度升高，提高水泥石的抗渗透性能。
使用氯化钙与氯化氨的复配物，既能加速固化，又能提高早期强度。高反应热又使之特别适用于低温井注水泥。
5.海水
在海上钻井，大多使用海水配制水泥浆。海水中的氯化物(氯化钠、氯化镁和氯化钙等)可起促凝作用，其含量可达2.3% 。开阔海域或大洋中的海水化学成分十分均匀，而在海湾或近海，由于河流淡水的稀释可能促凝作用较弱。一般说来，海水的促凝效果不如氯化钙或它的复配物好，但依然能够用于2000 m以下的油气井注水泥，这时的井底静止温度应不超过80℃。
二、无氯促凝剂
下面介绍的是无氯促凝剂，主要包括碳酸钠、硅酸钠和石膏等无机物，以及低相对分子质量的有机物，像甲酞胺，三乙醇胺等。
1.碳酸钠(Na2CO3)
碳酸钠也称纯碱或苏打。为白色粉末，密度为2.533g/cm3，易溶于水，水溶液呈碱性。碳酸钠与水生成Na2CO3 ·H2O , Na2CO3 ·7H2O和Na2CO3 ·10H2O
三种水合物。工业产品纯度为98%-99 %。依颗粒大小和堆积密度的不同，可分为超羥质纯碱、羥质纯碱和重质纯碱。
纯碱用于油田固井工程是作为油井水泥的增强剂，也可在纤维素类降失水剂中加入纯碱增加流动性。如果水泥浆的初凝和终凝时间相隔较长，加入纯碱之后可以缩短这个区间，但是稠化时间受影响:在加量不同的情况下，有时长，有时短，并不是随加量的增加或减少有规律性的变化，所以使用时应特别慎重。
2.硅酸钠(Na2O ·nSiO2)
工业生产的硅酸钠是一类多硅酸盐，由于它的化学成分类似于玻璃，故通常称为水玻璃。又因硅酸钠的水溶液呈碱性，同时又是肥皂的发泡剂，所以工业上有时一也称为泡花碱。
在石油工业上常用的是硅酸钠水溶液，也有时一用速溶偏硅酸钠。
硅酸钠在固井工程的应用包括以下几个方面:
(1)促凝剂:硅酸钠常被用作油井水泥的无氯根促凝剂，一般加量占干水泥质量的7 %，促凝效果不好，而且加量与凝固时间也不成直线关系，但可使水泥石在12-24h内有较高的抗压强度。硅酸钠的促凝作用主要是由于它与水泥浆中的Ca2+离子反应生成水化硅酸钙C-S-H胶核，从而促使水泥的水化诱导期提前结束。
(2)渗透作用:单纯使用水泥封闭地层遇到的一个特殊问题是不能渗透到所
要求的地层位置，而胶状的硅酸钠水溶液就能满足所希望的渗透性。通常是把水玻璃与氯化钙配成具有一定胶凝时间的溶液注入地层，让其硬化成不具渗透性的固体。或者事先将酸性溶液或氯化钙溶液导入地层，然后再注入硅酸钠溶液。在与酸性溶液接触后发生胶凝而生成不渗透的固体，进而封闭地层。
(3)前置液:在注水泥中，若用硅酸钠溶液作前置液，可以保护盐层和石膏层。应该注意的是输送硅酸钠溶液的管线尽管作了清洗，还可能留有残量的钙，而且盐、膏层还含有氯化钠、氯化镁等，这些都可与硅酸钠作用产生凝胶或沉淀，从而降低了硅酸钠含量，妨碍了应起的作用。如果变成硅酸钾，那就是另一种景象，因硅酸钾与盐、膏层的氯化物接触后不发生絮凝，即使是与钙也只是缓慢地产生胶凝。所以地层中渗入硅酸钾之后，遇到地下水中的钙就能生成凝胶而防止了冲洗期间对井壁的破坏。而且也有利于水泥与地层的胶结。
(4)降失水作用:它本身的降失水效果虽然不好，但对其它降失水剂却无不良影响，故可用作缓解因加降失水剂而引起的水泥浆过缓凝。
3.石膏
石膏是常用的促凝早强剂，指的是无水石膏(CaS04)或半水石膏
(CaS04·0.5H2O),而二水石膏(CaS04·2H2O)还有缓凝作用，它的加量大小直接影响促凝效果。由半水石膏和等量干水泥配制的石膏水泥，是为控制特种注水泥或浅井的需要而专门设计的“快干”水泥，也可以根据需要决定石膏与水泥的比例。对于严重漏失层，调整配比，可将稠化时间缩短到5 min -24h抗压强度可达
6.51 MPa。为控制高压气层，加入占A级水泥质量的25%-50%，可产生12-20min 闪凝。用这种方法掺和的半水石膏水泥对于压住气喷井、修补断裂套管和控制漏失等是非常满意的。由于加入5%-10%半水石膏可增加水泥浆的静切力并产生触变性，对堵漏效果更好。但应特别注意施土的连续
性，否则容易凝固在管线或井筒内。
三、复合促凝剂
硅酸盐水泥60.24%-63 %+CMC0.32%-0.60%+碱金属氢氧化物3.4%-6.2%+尿素1.28%-3.02%+水34.76%-27.18% 。其中碱金属氢氧化物可采用氢氧化钠或氢氧化钾。在制备该溶液时，必须按顺序把氢氧化物、尿素、CMC溶于水中。然后用这种溶液混配水泥浆。尿素、氢氧化物加入CMC水溶液中，可使CMC 改性而导致水溶液稀释，并提高CMC的化学活性。用这些材料固井，既能缩短水泥浆的凝固时间，又能提高它的流动性。
四、促凝悬浮剂
使用这种促凝剂，不使水泥浆产生沉降。并适用于任何水基水泥浆，缩短其候凝时间。它不仅含有铝酸钾、碳酸钾，还含有一定量的氢氧化钾。
第三节缓凝剂
缓凝剂的作用就是能够有效地延长或维持水泥浆处于液态和可泵性的时间。最好的缓凝剂应该是在任何温度区间都具有缓凝作用，而且稠化时间的长短还与其加量的多少成正比，并与各种油井水泥有很好的适应性，也与不同类型的其它外加剂配伍使用时，有很好的相容性。也就是说，不影响水泥浆的其它性能，如增稠、增加静切力、有碍强度发展等。对指定配方的水泥浆，其稠化时间有很好的预测性和重复性，还应该抗污染、无毒、无味、不爆、不燃、不污染环境等。
油井水泥缓凝剂有以下几种类型:
(1)木质素磺酸盐及其异构体或衍生物;
(2)单宁、磺化单宁及其衍生物;
(3)羧酸、羥基羧酸、异构体或衍生物及其盐类;
(4)葡糖酸及其衍生物的钠盐或钙盐
(5)低相对分子质量的纤维素及其衍生物;
(6)有机或无机磷酸盐,
(7)硼酸及其盐类等。
一、木质素磺酸盐类
在油井水泥中常作缓凝剂使用的木质素磺酸盐是钠盐钙盐,氨盐或其混合物。这有一种就是由木质素磺酸盐经硫酸亚铁和重铬酸盐处理后得到的络合物—铁铬木质素磺酸盐。
木质素磺酸盐是利用木材中天然存在的木质素，经亚硫酸盐的磺化作用后，从纸浆废液中提取出来的副产品。只有用木材和亚硫酸盐法造纸才能生产这种产品。
据观察，由于木质素磺酸盐的质量问题，它的缓凝效果和水泥浆的流变性能经常发生变化，重复性很差，这就明显地影响到它的使用性能。经常使用的是木质素磺酸钙和木质素磺酸钠，它们可以在井底循环温度87℃以下单独使用，缓凝效果也好，并可以显著地延长水泥浆的稠化时间。图4.2.1表不出木质素磺酸盐的缓凝作用。增加浓度还可稍微扩大使用温度范围。如果加入硼砂，可把使用温度提高到143℃若再加入有机酸，还可提高到193℃。此外，木质素磺酸钙还能改善水泥浆流动性能，而且对游离水和抗压强度也没有明显的影响。但在使用中或掺量过多的情况下，会使水泥浆产生气泡，影响固
井质量。在高温下使用，若因降解作用而使缓凝失效的话，将导致不堪设想的后果。所以只能用在3000m左右的井深。
图4.2.1表木质素磺酸盐的缓凝作用
铁铬盐，全称是铁铬木质素磺酸盐，是钻井液常用的稀释剂。有时也用作油井水泥的缓凝剂，一般加量为占水泥质量的0.2%-1.0%。它的使用温度也不应超过87℃，并且掺量多时，可产生大量气泡，缓凝效果下降，也影响固井质量。若与分散剂FDN或UNF等复合使用可适用于3000m左右的井深。现在，由于FCLS的毒性(含有重个属铬离子)，用它作钻井液降粘剂的越来越少，所以在固井中用它作缓凝剂的也随之减少。
木质素磺酸氨与葡庚糖酸钠按1:1质量比复配后，可作丁苯胶乳的缓凝剂而用于不渗透性防气窜水泥。
在低浓度木质素磺酸盐的存在下，Ca (OH )2结晶的生成将受到抑制。就是说，在木质素磺酸盐的存在下，C3S水化生成的Ca (OH )2结晶，在晶体结构、尺寸、大小上均有相当大的改变。水化产物的成核和生长均受到木质素磺酸盐的抑制，从而使C3S的水化速度下降。
木质素磺酸盐对低C3A水泥缓凝效果更好，这是因为C3A水化产物较之C3S水化产物有更强的吸附力，故使大量的木质素磺酸盐分子竞先吸附于C3A 水化表面，进而妨碍了缓凝剂分子到达C3S水化产物表面其宏观表现是:对C3A 含量高的水泥体系，木质素磺酸盐在液相中的浓度迅速降低，缓凝效果下降。二、单宁酸及其磺甲基盐类
这类产品包括单宁酸、单宁酸钠、磺甲基五倍子单宁酸钠(SMT，简称磺化单宁)、磺甲基橡碗单宁酸钠、磺甲基褐煤(简称磺化褐煤，又名磺甲基腐植酸)、龙胶粉等。几乎各种磺甲基化合物对水泥都有缓凝作用，且随掺量的增加稠化时间.
1.单宁酸
单宁酸是天然植物单宁在碱性条件下水解得到的有效成分，主要是多元酚基和羥基的有机物，即没食子酸和葡糖酸盐类。一般加量在0.1%以内，即可延长稠化时间，它对流动性没有太大的改善，性能比较稳定，但溶解性不好。
2.磺化单宁和磺化栲胶
磺化单宁和磺化栲胶均有显著的缓凝效果。因为栲胶的主要成分是天然单宁，所以磺化栲胶起缓凝作用的也是单宁。与单宁相比，磺化单宁的性能要稳定得多，水溶性也好，并且使用温度范围也广，在高温下仍有较好的缓凝效果。由于分子中含有磺甲基极性基团，所以不仅可以改善水泥浆的流动性能，还有一定的降失水作用。但水泥石的抗压强度却略有下降。一般加入0.1%(BWOC)以下，就有很好的缓凝效果。若将它们像木质素磺酸盐那样，与硼砂和酒石酸复配，可提高更大的使用温度范围。
3.磺化褐煤
磺化褐煤由于它的溶解性不好，效果也不如其它的磺甲基化合物，所以使用者甚少。
4.龙胶粉
龙胶粉是很好的降失水剂，并且也在酸化压裂液中使用。缓凝好像是它的副作用由于它的分散效果不好，很少作为缓凝剂使用。
这类产品是钻井液的降粘剂，所以在钻井中用量较大，库存也多。一般在固井中很少使用，只是在缺少优质缓凝剂时用于急需。原因是起泡严重，加量大了反而使缓凝作用减弱，且稠化时间与加量也不成直线关系，还易受污染。三、羥基羧酸及其盐类
这类缓凝剂包括酒石酸、柠檬酸、水杨酸、苹果酸和乳酸等及其盐类。这类产品的缓凝作用主要靠分子中。β和α位羥基梭酸基团，这些基团对C a2+有很强的鳌合能力，形成高度稳定的五元环或六元环结构，部分地被吸附于水泥颗粒表面,毒化晶核，阻止水化产物形成。在这类缓凝剂中，经常使用的是酒石酸、柠檬酸及其盐类。
1.酒石酸及其盐类
它们包括酒石酸、酒石酸钠、酒石酸钾和酒石酸钾钠等，被吸附于水泥颗粒表面后，可降低水泥的溶解和水化速度。其阴离子与C a2+生成微溶性沉淀，因而降低了溶液中C a2+浓度，导致缓凝。
经常使用的是酒石酸和酒石酸钾钠它们都是优良的高温缓凝剂，而且还有一定的分散作用，对水泥石强度无不利影响。但是加入酒石酸后，可使水泥浆的游离水和滤失量增大，因此，往往与降失水剂一起使用。酒石酸很容易被碱性介质污染，并且灵敏度很高，所以很多固井施工人员都不愿使用。但也有人认为:对酒石酸来说，不是
不能用，而是不会用，使用中应严格控制加量，因它在任何温度区间，加量就不与稠化时间成直线关系，而是成指数关系，稍微有点变化，就强烈地影响稠化时间。一般加量是0.4%一0.6%(BWOC)，小于0.1%(BWOC)时促凝，而大于0.7%时又长时间不凝，所以使用者必须慎重。另外一点要注意的是，在配制混合水时，应彻底清洗钻井液罐，绝不允许有碱性污染物。
若将酒石酸与氧化锌、磺化单宁、六偏磷酸盐等复合使用，可钝化灵敏度，并能在150-200℃的温度范围内使用。使用酒石酸的盐类，其灵敏度和污染性要缓和得多。据介绍，若把酒石酸及其盐类与硼砂复配，在高达250-2800℃温度下使用，仍然有着可靠的缓凝效果。但在实践中发现，在温度150℃以上使用，其水泥石有严重收缩。
在酒石酸的使用中，还应该注意严格地取样做模拟试验，特别是在施工前，应在泥浆罐内取混合水样，千万不能草率从事。
2.柠檬酸及其钠盐
柠檬酸及其盐类常用的是钠盐，是一种以缓凝为主、兼具分散作用的材料。一般地说，柠檬酸钠的缓凝作用比较温和，当然分散效果也差。最低加量为
0.5%(BWOC)，水泥品牌不同，加量也不同，加量小时，会引起促凝;但加量达到一定值时，其缓凝作用却比较隐定，不会因加量的微小变化而引起凝结时间的较大波动。
四、糖类化合物
蔗糖、棉子糖和可溶性淀粉等糖类化合物是油井水泥优良的缓凝剂。在这类化合物中，以含有五元环(蔗糖和棉子糖)为最好。但是，由于这类缓凝剂的缓凝效果太好，对微小的浓度变化都表现得非常敏感，故使其在应用上受到冷遇。
研究表明，糖类的缓凝作用主要取决于它在碱性条件下水解的灵敏度。因为水解后，糖即转化为含有α-羥碳基(H3 C-CO-)葡萄糖酸或其盐类，它将被强烈地吸附在C-S-H凝胶表面上，使其凝胶成核中心被吸附于表面上的阴离子“毒化”，从而起到抑制水泥水化的作用。 1.葡萄糖酸钠(C6H11O7 Na)
白色或黄色结晶状粉末，易溶于水。据报道，在井底循环温度低于93℃时，易出现过缓凝现象。有效使用温度是150℃。但试验证明，在62℃温度下，对加量非常敏感，即使是0.05%(BWOC)稠化时间也大于240min。在82-97℃时，情
许多无机酸及其盐类可使水泥浆缓凝。常用的有以下几种:
1.硼酸及其钠盐
众所周知，硼酸及其钠盐(硼砂)对油井水泥有很好的缓凝作用，特别是硼酸。但是它的加量与稠化时间不成直线关系，而呈折线或指数关系。灵敏度很高，若不精确到0.05%，就可能引起早凝或过缓凝。
硼砂缓凝效果比较平缓，也就是说，它的缓凝作用并不明显。但加到其它缓凝剂中，却能提高那种缓凝剂的使用温度范围。也可以使稠化时间与加量不成直线关系的缓凝剂性能改变，变成直线关系或接近直线关系。例如:将硼砂与木质素磺酸盐复配，就能将它的使用温度范围提高到204℃或更高。但也有一定的不足，仍只适用于淡水。由于缓凝作用是由两种或几种化合物协同产生的，所以对何种组分相互之间的比例都必须严格地调整;铁铬盐对环境照样不能消除污染。
当然，若将硼砂与酒石酸、柠檬酸、葡糖酸、葡庚糖酸或其钠盐复配，同样也能提高其使用温度范围(193℃以上)，改善其缓凝性能(成直线关系)。由于这种缓凝作用是由两种或几种化合物联合产生的，硼砂只是加强了羥基梭酸的作用，所以当其在高温环境中使用时，如果只是硼砂，基本上就丧失了它的缓凝作用，所以硼砂又称为助缓凝剂。
2.氯化钠
氯化钠浓度大于20%(BWOW)才有缓凝作用。
八、复合物
现在多数的缓凝剂都是复合物，很少用单一的化合物，即使是木质素磺酸盐也要复配上一定量的无机酸或有机酸或它们的盐类，以达到取长补短，弥补各自的不足，使缓凝剂具有互补性。其目的就是扩大使用温度范围，使稠化时间与加量成直线关系，消除单一化合物在低温时加量小，过于灵敏，而高温时加量过多造成浪费的弊病。
有时，为使缓凝剂具有某些分散性或悬浮性，也加一些化合物复配。还有一些产品是不宜单独使用的，例如葡糖酸钠和葡庚糖酸钠，因它可使水泥浆沉降，析出过多的自由水。必须复配一定量的悬浮性很强的化合物，方可使用。由锌盐(氯化锌、硝酸锌、醋酸锌、硫酸锌或它们的混合物)0.2%-1.0%与烷基磺酸盐(氨盐、钠盐或钙盐)复配的缓凝剂，消除了单独使用锌盐可能产生的“瞬间凝固”又称闪凝或先期凝固)。由硼酸、硼砂、纤维素和糊精组成的缓凝剂，其加量与稠化时间有很好的直线关系。
第四节加重剂
增加水泥浆密度的外加剂或外掺料称加重剂。其自身密度都比水泥大。一般要求加重材料颗粒粒度分布要与水泥相当，颗粒太大容易从水泥浆中沉降出来，太小又容易增加水泥浆稠度。用水量要少，且在水泥水化过程中应呈惰性，并与其它外加剂有很好的相容性。增密水泥浆最常用的加重剂是重晶石、钦铁矿和赤铁矿等。
一、重晶石
重晶石的化学名称是硫酸钡，分子式BaS04，是水泥最常用的加重剂。它是以硫酸钡为主要成分的矿物，经机械加工而成为适宜细度的粉末，纯品为白色，一般工业都都含有少许杂质，所以呈淡黄色或棕黄色。重晶石是不溶于水和酸的惰性物质，不易吸水，但受潮后易结块。其质量标准如4.4.1所示。
表4.4.1重晶石质量标准
项目指标
达地面或其它低压层，这就是气窜，也称气侵。通常是有害的，也是危险的，一般需要补注水泥措施加以纠正。为杜绝这种现象的发生，通常采用可压缩水泥、不渗透水泥或触变性水泥等固井。防气窜剂就是配制可压缩水泥、不渗透水泥、触变性水泥、零游离水水泥和不胶凝水泥等所使用的外加剂。一般说来，同一种防气窜剂可能有多种功能，既能使水泥浆具有触变性，又能使水泥浆没有游离水析出。但是，不管由哪种外加剂配制的水泥浆，都必须使其失水、稠化时间和抗压强度等物理性能指标控制在固井设计所要求的范围内。
一、可压缩水泥
可压缩水泥包括泡沫水泥和发气水泥两种。通常泡沫水泥在高压条件下变得几乎没有可压缩性，只有在接近地面、浆体内部压力较高时，气体才有明显的膨胀。所以它在水泥浆过渡状态下，对其体积缩小的补偿作用甚微，一般不作为防气窜水泥使用。因此通常所说的可压缩水泥是指发气水泥。
发气水泥是由发气剂、气体稳定剂和气体分散剂组成的。发气剂的作用是在井下与水泥的水化产物发生化学反应产生气体，而稳定剂和分散剂的作用则是稳定和分散所生成的气体成为细小而稳定的气泡，使之不聚集、不移动、不破裂，借以维持水泥的空隙压力。所产生的气体必须是不溶于水的气体，一般是氢气或氮气。最常用的是由铝粉和水反应所产生的氢气。
准确而有效地控制铝粉的发气时间是非常重要的，这是制备可压缩水泥外加剂的关键。一般有三种办法(1)将铝粉暴露在空气中或加入强氧化剂，使表面发生氧化作用。用这个方法所造成的延缓作用非常强，以致于不发气或发气的时间太长，这是不能很好地控制气窜的;(2)在水泥浆中加化学抑制剂以控制铝粉的发气时间和释放速度。这种方法很昂贵，况且还要在液体载体中把铝粉与一种或多种抑制剂预先混合，然后再与水泥配成水泥浆;(3)将铝粉用脱水山梨醇、丙三醇或季戊四醇的脂肪酸酯处理，以钝化铝粉与水泥浆中水基碱性溶液的反应活性。这就是说，把有效的醋类首先溶于在真空下能挥发和除去的有机溶剂中，再把这种配成的延缓液与一定量铝粉混合。待铝粉的全部表面被润湿后，再真空干燥以脱去溶剂。这就在铝粉的表面涂上一层延缓剂，其表面就不会受到氧化，与水泥干混后，就可按常规注水泥方法固井。
二、不渗透水泥
气窜现象是水泥浆固化到一定程度的可塑性阶段发生的，即水泥浆不能产生静压，也不能传递压力，又还没有充分地固化到足以防止气窜所达到的抗压强度，而气体就从局部硬化的水泥中窜过。可压缩水泥一般都是用铝粉作发气剂，而铝粉的钝化剂又是油酸甘醇醋，所以只能控制发气时一间，不能控制发气速度和发气量。太小，不能控制气窜; 太大，反而更容易诱导气窜;同时，产生的氢气危险性又很大。所以，防气窜效果最好好的是不渗透水泥，而胶乳是这种水泥的主要外加剂之一。
胶乳是最好的胶结辅助剂、防气窜剂、基质增强剂和降失水剂等，还能够增强水泥石的弹性和具有抗腐蚀性流体的能力。所以，胶乳已被广泛地用于改善水泥的胶结和防止气窜作业。油井水泥用得最普遍的是苯乙烯一丁二烯共聚物。在该化合物中，一般苯乙烯占胶乳质量的70%-30%，而丁二烯占30%-70 %。并且一定不能含有与水泥不相容的其它成分。
由水、水泥、胶乳、稳定剂和其它外加剂配成的水泥浆是不渗透水泥之它具有很好的防气窜性能。一般说来，在水泥水化期间，胶乳要在水泥基质中絮凝，这些絮凝物在水泥基质中聚结起来，形成抑制渗透的胶乳膜，从而防止气体或液
体侵入水泥柱。同时胶乳的粘附性和粘结性又可以改善水泥石的胶结和弹性。SBR胶乳能够很好地控制失水和延缓胶凝强度的发展，因而使水泥浆得以长时间地产生和传递压力，有利于在水泥浆凝固过程中缩短失重时间而防气窜。胶乳水泥浆体系的缺点是流动性能较差，常导致环空中出现水泥浆沉降和水泥回落现象，因而发展抗压强度的速度较慢，凝固时也不发
生膨胀。适用于不渗透水泥各组分及其要求的是:
(1)水:不能含过多的与水泥浆中外加剂不相容的化合物，普通饮用水或淡水均可。
(2)水泥:含有钙、铝、硅、氧和硫的化合物，并与水反应能固化或硬化的、通称为“波特兰”的水硬水泥，如速凝水泥、抗硫酸th水泥、铝矾土水泥、铝酸钙水泥和那些含有少量促凝剂或缓凝剂的水泥、以及含有第二组分飞灰或火山灰的水泥等。
(3)稳定剂:由于胶乳的絮凝作用，一般不能或很难与水泥配成水泥浆，即使配成水泥浆也难以泵送，并日还只限于低温(60℃以下)使用，所以必须加稳定剂。稳定剂的第二作用是水泥颗粒的分散剂，但主要还是改善胶乳生成胶膜的性质。且这种性质只有在水泥浆中出现气体的情况下才能表现出来。这就是说:只有在稳定剂的存在下，才能配成胶乳水泥浆，并能使其流动性得到改善，也才能抑制气窜。
常用的稳定剂是阴离子型高分子化合物，例如硫酸盐或亚硫酸盐改性的密胺树脂、甲醛/茶磺酸盐缩合物(FDN)等。
三、触变性水泥
触变性水泥在混配和顶替期间是稀释的流体，而当停止泵送时，就迅速形成可塑性的凝胶结构，当再次开泵时，凝胶结构破坏，又转变为可泵性的流体。但当剪切作用停止后，又出现凝胶结构，并转为自支撑状态。理论上讲，真正的触变性流体应该是可以连续转换的，可水泥浆不行，因它随着时间的推移逐渐水化、稠化、直至硬化。所以对触变性水泥浆来说，在何一次静、动态循环之后，其胶凝强度和屈服值均趋于递增。因此，在注水泥施土期间，反复停止泵送之后，使之再次开始流动，将需要更大的启动泵压。故在泵送有触变性的水泥浆时，应尽可能地避免过长的停泵时间。
通常触变性水泥浆在剪切作用下，属于宾汉塑性流体，所以它的性能取决于塑性粘度和屈服值。就触变性水泥浆而言，屈服值是水泥浆开始流动所必须的剪切应力或施土时的启动泵压，也就是剪切速率为零时的剪切应力理论值。对于非触变性流体来讲，不论剪切速率是提高还是减少，其屈服值是不变的。当然，静态下流体的物理结构也没有变化，并且推动流体运动所需要的力也不会随时间而改变。而触变流体，只有在去除剪切应力时才能表现出屈服值，如果经过一段时间后，再使之恢复流动，将需要大于屈服值的力。胶凝强度与屈服值之差不改变流体的“触变性程度”。
有人认为，水泥浆的胶凝强度是发生气窜的主要原因。又有人研究表明，使用触变性水泥和高胶凝强度水泥有助于防止气窜。这不是自相矛盾吗?我们知道，触变性水泥浆的静液压力传递是通过间隙水的压力梯度实现的，并一直保持到开始固化。因此，当地层压力梯度超过间隙水压力梯度时，如果不在环空加回压，就可能发生气窜。如果触变性水泥浆能够产生很高的胶凝强度;确实对气体造成的物理变形和渗透产生足够大的阻力，就能防止气窜。这就是说，当触变性水泥浆静止后，如果它的胶凝强度很快发展到大于24MPa的结构强度的话，就
可以防止气窜。所以并不是说所有的触变性水泥都能防止气窜，而是只有具备“特定触变性质”即很快发展到足以防止气窜的结构强度)的触变性水泥和在一定的环境条件下才行。多数触变性水泥是用于防漏和堵漏。
配制触变性水泥的方法主要是在油井水泥中加入膨润土、硫酸欲和交联聚合物。
第六节降失水剂
失水控制剂在水泥浆中用以维待水/固相比不变。这是通过控制水泥浆中的水滤失进入邻近的渗透性地带中的滤失速度来实现的。
使用降失剂有助于防止:
—水泥浆过早脱水，导致环空堵塞而无法完成注入作业。
—水泥浆流变性改变，使顶替泥桨效率降低。
—水泥浆滤液损害开采层。
通常是根据注水泥作业类型来调节失水量。对一次套管注水泥，水泥浆失水量应在250毫升以下，而对挤水泥作业，控制失水就比较关键，最大不得超过150毫升。
在所有其它条件一样时，水泥浆失水量随比重降低而增加，即:水灰比越高，降失水作用越差。正因如此，填料水泥浆的失水控制很难。
对失水影响很大的另一个因素是水泥浆中水泥颗粒的分散程度。除非使用了某种分散剂，否则事实会证明无论使用了多少失水控制添加剂，都难以控制失水。这是因为分散剂在分散水泥颗粒时，也让它们更加紧密地聚集在滤饼里。这样，使滤饼对水泥浆隙间水的渗透性降低，根据达西定律，滤失速度也就降低。
降失水剂的作用机理有以下几种观点:（1）提高水泥浆粘度，使之不宜脱水;（2）提高水泥浆静切力，一旦静止即发生胶凝，既不产生静压，又不传递外压;（3）粒度大小分布不同的颗粒材料，堵塞地层空隙或微孔;（4）使水溶性聚合物吸附于水泥颗粒表面，形成吸附水化层，造成水泥颗粒桥接进而生成网状结构，束缚更多的自由水，堵塞水泥内部空隙，降低水泥滤饼的渗透性。根据这种原理，可作油井水泥降失水剂的只有两种:固体颗粒材料和水溶性高分子聚合物。
一、颗粒材料
最初用作降失水剂的是膨润土，它是以极小的颗粒进入滤饼并镶嵌在水泥颗粒之间，而使滤饼结构致密，渗透率降低。最近研究表明，用水泥、水、膨润土、禾木胶配制的水泥浆有许多优点:具有低密度，比纯水泥浆更稳定，并且也比较经济;能降低失水，可用于135℃高温;凝固后的水泥石对硫酸盐或其它盐类的侵蚀有很好的抵抗力。这种水泥浆有很低的粘度，又对它的凝固时间无不利影响。
属于这类材料还有沥青、石灰石粉、热塑性树脂等，均可用作降失水剂。
二、纤维素类
这类材料包括羧甲基纤维素(CMC},羥乙基纤维素(HEC},梭甲基羥乙基纤
维素(CMHEC)、纤维素硫酸欲等。它们共同的缺点是水溶性差，粘度大，其降失水性能随温度的升高而降低。。
第七节堵漏剂
在钻井或注水泥期间，钻井液和水泥浆常常会全部或部分地漏失到高渗透地层、自然的或诱发的裂缝性地层、孔隙或孔洞性地层，使之造成严重后果，这就是井漏。为了控制井的漏失，人们虽然已经研究和发展了许多常规的和特殊的堵漏材料，但处理严重漏失的堵剂并不多，且仍以各种水泥和少部分的化学堵剂
及其混合物为最常用，如防漏材料、聚合物和胶凝材料、桥塞剂和堵漏堵水两用剂等。
一、防漏材料
在注水泥中，防止井漏常用的方法是降低水泥浆密度、缩短水泥柱高度和减少环空摩擦阻力，以达到平衡压力固井;也可使用硅酸钾溶液作前置液，或在水泥浆中加入片状、纤维状、颗粒状或凝胶状材料，如赛璐路、玻璃纤维、云母片和硬沥青等帮助控制漏失。当然还可以使用触变性水泥。
二、桥塞剂
桥塞剂一般是颗粒状、薄片状、纤维状和封包吸液颗粒。在使用中可以根据不同情况加到钻井液中、水泥浆中或者与聚合物一起直接封堵漏层。
1.热凝橡胶
以废汽车电瓶壳为原料制成的热凝橡胶颗粒是一种极好的桥堵材料，它既适合水基钻井液，又适合油基钻井液，还适合水泥浆，是目前最适宜的桥塞剂。
2.膨胀团粒
膨胀颗粒是采用含粘土的土壤(粘土、页岩或片石)经碾碎后，放入密闭的加热炉中锻烧成陶瓷化固体，再按所需粒度进行筛分，制成的多孔性团粒材料。这是一种极好的桥塞剂。它的最大优点是化学惰性强，不影响流变参数，而且还具有较高的抗压强度和耐高温的特点。
3.封包石灰
为避免石灰污染钻井液和在未到达漏层之前就与钻井液中的粘土起反应，采用胶膜或有机蜡作保护膜，以喷涂、冷凝或溶涂等方式，将石灰加土成封包石灰颗粒。当使用时，把它加到一段钻井液中，并泵至漏层位置，在井内温度下等待一定时间以后，其封包膜溶解或融化而释放出石灰，使其与地层或井内钻井液中的粘土起作用形成凝胶状物，以封堵漏层。
4.吸油固体材料
将甘蔗渣，天然或人造橡胶经特殊处理后成为吸油固体材料，可作油基钻井液的堵漏剂，也可作某些聚合物堵漏的增强剂。其具体做法是:将甘蔗渣用水浸透后，蒸煮以提出残留糖分。然后干燥脱水，使其含水量达2%-3%。经如此处理后的甘蔗渣，在油中可吸收高达自身质量25倍的油。把天然橡胶或人造橡胶颗粒，放在温度为0-150℃的有机酸水溶液或乳化液中，浸泡约3h，它吸油后的体积也可大大增加。在聚合物堵漏剂中加入经处理后的上述材料，可使聚合物的结构强度大大增加。
5.表面改性的纤维材料
这种表面改性的纤维材料被称作“疏水亲油可水润湿的纤维材料”既可用
于油基钻井液，也可用于水基钻井液。改性短棉绒、泥炭和甘蔗渣经处理可得类似的效果。分级后的纤维，用C6以上的脂肪醇或脂肪取代基的酚和脂肪醛处理(酚、醛需同时处理)，也可用酚醛缩聚物处理。
还可用路易斯酸作催化剂，引发烃类单体聚合，并在纤维上沉积。将纤维材料干燥至含水量小于3%，在液氮中冷却到-80℃。并用一种BF3液氮溶液进行冷处理;也可同时用异丁烯或α-甲基苯乙烯处理纤维材料，而使其具有疏水性。
三、有机聚合物
通常所说的化学堵漏剂指的就是有机聚合物堵漏剂。它们主要是树脂类、丙烯氰类和胶乳类等。
1.树脂类
服醛树脂是前苏联用得最早、也是目前用得最多的树脂堵漏剂。过去所用配方比较简单，只是在服醛树脂中加硬化剂。其缺点是硬化后体积缩小，所以又研制出不收缩变形的配方。解决的办法是添加填料和胶凝剂。
2.丙烯氰聚合物
丙烯氰聚合物早在60年代就已推广应用于堵漏作业，但为了降低成本，提高封堵效果，调整胶凝时间等，又不断改进和完善。这里仅就最近几年开发的新配方举几个例子:
水解聚丙烯氰+10 % 盐酸+水;丙烯氰+木质素磺酸盐+碱金属重铬酸盐+盐
酸或氢氧化钠+钻井液;浓度2.5%聚丙烯酞胺溶液加重铬酸盐和硫代硫酸钠各0.35%，再加2%帘线纤维。
3.以胶乳为基础的混合物
最近几年，胶乳堵漏剂在提高堵塞能力和稳定性方面有了一些进步，例如为了增大胶结体积、提高堵塞能力、降低粘度和保证泵送等，对原配方进行了改进:31%-47%乳胶+4%-5%柴油+1%-2%三乙醇胺类乳化剂+ 0.06%-0.15%氧化石
蜡脂+水。改进后的配方凝结体积和挤注强度都将提高1-2倍。
为使堵漏浆液中的填料分布均匀，并提高凝固混合物的稳定性，可采用如下配方:20%-60%乳胶+1%-10%氯化钠+10%-20 %填料+水。
为使胶乳堵漏剂在保持高堵塞能力的同时，提高初期的抗冲刷能力，可在添加钙质土(高岭土)的同时，再加钠质土(膨润土)，构成下列新胶乳堵剂配
方:28.5%-61.4%胶乳+7.7%-14.3%高岭+1.9%-3.5%膨润土+水。该堵剂适十在地层水窜流条件下使用。
四、无机胶凝剂
以水泥和石膏等无机胶凝材料为基础的堵漏浆液是应用最早、成本最低的堵漏剂。但是，随着整个堵漏工艺水平的提高，这类堵剂的应用呈日益缩小的趋势。不过，由于研究工作的进展，仍有新的技术不断出现，并应用到实践中去。所以，这类材料仍是处理井漏最常用的堵剂，并将在提高封堵效果和降低成木方面取得更大进展。
1.钙铝灰渣
钙铝灰渣是一种可在5-85℃温度下，用于封堵严重漏失层的堵剂。以电炉炼钢的钙铝灰渣代替水泥，再加粘土粉、磷酸石膏、石棉和水，其经济效益比较显著。
2.低密度封堵液
以经过氯化升华物(钛镁生产废料)改性的水解木质素作为低密度添加剂的羥质封堵液是由A级油井水泥75-90份、碳酸钾2-10份、水80-130份和添加剂10-25份配成的，主要用在50℃以下。
3.快凝水泥
为封堵漏层或井壁失稳层段可用密封袋装送快凝混合物到所堵层段，然后破坏密封袋使快凝水泥与井浆混合。快凝聚合物是由水泥熟料、凝固剂和半水石膏或氧化铝渣组成的。
第七节表面活性剂和隔离液
一、表面活性剂
通常把一种物质两种状态(如冰和水)、两种物质一种状态(如油和水)或两种物质两种状态(如水泥和空气)的接触面称为界面。在一定条件下，任何物质总是以固态、液态和气态的某一状态存在，而分别形成固相、液相和气相。因此，它
们之间组成的界面就有固-固、固-液、液-液、液-气和固-气五种。气体与气体之间认为已完全混合不存在界面。
若溶液中的溶质被吸附在液-气或固-液界面上，表面能就会降低。为此，把显著改变界面能的作用，称为界面活性作用，而其溶质称为表面活性物质或表面活性剂。
1.表面活性剂的构成
表面活性剂的分子基本上是由两部分组成的:一部分为易溶于油而难溶于水的亲油或疏水基团，称为亲油基，如烷基、芳基等;另一部分为易溶于水而难溶于油的亲水或憎油基团，称为亲水基，如羥基、梭基或磺酸基等。
2.表面活性剂的分类
表面活性剂的分类方法很多，常见的是按化学结构分类。当表面活性剂溶于水时凡能在水溶液中电离成离子的称离子型表面活性剂，而不能电离成离子的称为非离子型表面活性剂，离子型表面活性剂又分成阴离子、阳离子和两性离子表面活性剂。
(1)阴离子表面活性剂:油井水泥常用的外加剂，特别是分散剂，多数是阴离子表面活性剂，它溶于水后能离解出阳离子，而使其亲水基团带负电荷，如磺酸盐就属于这一类。
(2)阳离子表面活性剂:阳离子表面活性剂的亲水基团离解出阴离子，而使亲水基团带正电荷。
3.表面活性剂的基本作用
当表面活性剂被吸附在油水相互排斥的界面上时，由于其憎水基和亲水基的作用，能降低它们之间的表面张力。与此有密切关系的是润湿作用、分散作用、起泡和消泡作用等。
(1) 润湿作用:润湿作用就是固体表面上的一种流体被另一种流体所置换的现象。譬如在玻璃或金属表面上，用水去置换空气，液体把气体从固体表面上排开，这种现象就叫润湿或湿润。通常把借助于表面活性剂来达到润湿物体的作用称为润湿或湿润作用。
当把一滴液体滴在固体表面上时，由于表面能或界面能的不同，在固-液-气达到平衡时，可以出现三种不同的情况:润湿的、不润湿的和铺展开的。若在液体中加入表面活性剂，使表面张力降低，而变成润湿的或铺展开的，这就增加了润湿作用。
(2)分散作用:人们通常把固体以微小粒子状态均匀地分布于液体中而组成的一种体系称为分散体系，液体称分散介质或连续相，而固体称分散相或不连续相。通常，水泥颗粒在加水拌和后，由于异性静电凝聚作用，造成部分水泥颗粒凝聚成团。若在溶液中加入少量表面活性剂，就可显著地降低分散相的表面张力。同时，由于离子型表面活性剂被粒子吸附后带有相同的电荷而彼此排斥，使之不能互相靠近，难以形成凝聚结构，而具有分散作用。
(3)起泡和消泡作用:在水泥浆体系中，就一般注水泥作业而言，希望加入不起泡的外加剂，以便在泵送过程中不影响上水效率。可是在可压缩水泥和泡沫水泥中，不但用发气剂，还要加引气剂和泡沫稳定剂，以便达到防气窜和降低水泥浆密度的作用。起泡需要增加表面张力，而消泡则是降低表面张力。
二、隔离液
隔离液既可以破坏钻井液的凝胶结构以利于提高顶替效率，又可以在井内隔离钻井液和水泥浆以便产生不良影响。
(1)油酞胺分散剂体系。基本组分为油包淡水乳化液，其中约含等体积的一般液烃和水，以及43-114kg/m3的乳化剂，1.4-28.6kg/m3的特种表面活性剂及适量的加重剂。所用乳化剂的组成为:68.1%粉状熟石灰、4.8%油酞胺,5%未蒸馏油酸,5%红油和10%未蒸馏二聚油酸。为控制滤失量，在隔离液中加入占乳化剂总质量10%-14%的普通沥青树脂颗粒。使用时，首先把液体油酞胺喷淋到粉状熟石灰上，使其被吸收。然后，再将加热到49-60℃的油酸和二聚油酸的混合物，喷淋在熟石灰上。最后，加入分散剂和粒状沥青树脂，并与喷淋于熟石灰上的油酞胺、油酸和二聚油酸的混合物充分混合，配成乳化剂。
(2)磺酸盐-油酞胺分散剂体系。主要由加重剂、聚合物增粘剂、抗盐剂、磺酸盐分散剂和脂肪酞胺分散剂组成。增粘剂为水溶性聚多糖类聚合物，特别是取代非离子型纤维素的聚合物。例如羥烷基纤维素或纤维素醚，其中以羥烷基基团中含2-3个碳原子的为好。分散剂用量，一般按经济原则和所需密度而定，但一般不超过成品液体质量的1.5%。该隔离液所用水和水基液为淡水或含多种盐类的饱和盐水。盐用来抑制粘土膨胀，浓度以1%-6%为宜。所用加重剂是惰性细颗粒材料，其中至少有90%的粒径小于0.06mm。
(3)抗高温隔离液。这是一种单相水基隔离液，由水、活性白土、锌盐(加重剂)、亲水性表面活性剂、水泥缓凝剂组成。其优点是耐高温，在260℃井底循环温度下性能稳定，而其与油基和水基钻井液都有良好的配伍性。密度可在
0.96 - 2. 64 g/m3可范围内调节，适用于较大密度范围的钻井液。该配方还有良好的控滤失性能。其中表面活性剂能提供亲水效应，增加水泥环的胶结强度。
(4)表面活性剂隔离液。基本组分为水、表面活性剂、加重材料、增粘剂等。常用表面活性剂有羥乙基化千烯基苯酚、羥乙基化醇、磺化线型直链醇以及脂肪酸的酞胺化产物等。以石英砂、重晶石、菱铁矿、粉煤灰、氧化铁等作为加重剂。所用增粘剂范围较广包括呱胶及其衍生物、纤维素及其衍生物、生物聚合物、膨润土、海泡石和绿坡缕石等。该配方与钻井液、水泥浆和盐水都有良好的配伍性。在232℃高温下非常稳定，没有沉降物生成。
(5)抗盐抗温隔离液:主要组分为:4.8%-12.4%木质素;0.5%-1.35%锻烧苏
打; 7.94%-2.5%水溶性铝盐或铁盐(作为木质素的保剂);50.3%-81.3%加重剂;其余为水。这种隔离液与钻井液、水泥浆和盐水都有很好的配伍性，适用于封固含盐量很高的地层，耐150℃高温。
(6)抗沉降隔离液。40%-60%多孔粒状堇青流纹石粉末(或陶粒粉
末);0.5%-2%木质素磺酸盐.,其余为水。堇青流纹石粉末(或陶粒粉末)被用作结构添加剂(起悬浮作用)及抗腐蚀剂，木质素磺酸盐为稳定剂。使用时，先将木质素磺酸盐按上述比例与水混合，然后再加入粒度为0.1×10-4-0.7mm堇青流纹石粉末(或陶粒粉末)，并充分混合。试验表明，该隔离液与钻井液混合后，其密度和剪切力均不受影响，也不会缩短水泥浆的稠化时间。它可改善水泥石强度和沉降稳定性。
(7)稳定隔离液。在用粉末状'bJI-100配制的基液中，加入1%重铬酸盐
3%CCB后，配成的隔离液具有良好的流动性，较低的滤失量和良好的沉降稳定性，即使在160℃时也不会缩短水泥浆的稠化时间。bJIC-150粉状材料是bJI-100材料的改性，具有更好的耐热稳定性。使用时，将其与水按质量比1:4混合，混合后20min - 60min内形成
胶体状悬浮液体系，适用于0-150℃的油井。试验表明，以bJIC-150为基础的隔离液比用bJI-100配制的隔离液具有更好的热稳定性和抗欲性。可用于150℃的固井作业。
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水泥固井
目录 摘要 (2) 关键词 (2) 第一章固井水泥 (3) 第一节各种水泥 (3) 第二节水泥浆体系 (5) 第二章固井水泥添加剂和外渗料 (9) 第三章复杂地层的固井质量 (10) 第一节又喷又漏井的特点 (11) 第二节又喷又漏井的固井技术 (11) 第三节大肚子井眼的固井技术 (13) 第四节下套管遇阻卡的预防及固井技术 (14) 结论 (17) 参考文献 (17)
摘要 固井就是将水泥浆注入井壁与套管之间的环空中的过程，其目的是为了层间封隔和支撑及保护套管，固井质量的好坏直接关系到油气井的寿命和资源的保护，因此必须充分考虑固井作业的各个环节，如：井眼准备、固井材料、固井工具及附件、固井工艺、固井装备和固井施工等，而固井材料作为层间封隔和保护套管目的的主要载体，一直是固井设计的重中之重的环节，也是固井领域研究的主要方面，它包括：基本水泥、混合水、外掺料和外加剂。基本水泥是一些可以发生水化反应并能够形成足够力学性能的胶凝材料；外掺料主要是用来提高或降低水泥浆的密度，改善水泥石的高温性能、渗透率、韧性等力学性能等的材料；外加剂则是可以改变水泥浆的凝结时间、流变性能、游离性能和提高水泥浆的防窜性能与保护油气层，并对水泥石的力学性能产生影响等材料。经过近百年的研究和实践，已形成了一系列的水泥、外加剂和外掺料，并建立了可适用于各类井固井和各种钻井技术以及油田勘探开发需要的水泥浆体系，如：防水窜、防气窜、韧性、胶乳、高密度、泡沫、含盐、普通低密度、抗高温和高强度低密度水泥浆体系，水平井、调整井、地热井、浅气层井和深井固井水泥浆体系，小井眼钻井和欠平衡钻井配套的水泥浆体系，多功能钻井液和泥浆转化为水泥浆技术等。但随着新的钻井技术的不断出现，天然气、煤层气、地热井等资源的不断的被重视，要求的不断提高、深层的能源和难开采储量的开发，对固井的质量有了更高的要求，本文主要对固井中的问题以及固井用的材料做详细的研究，并提出了一些自己的看法。 关键词：特种水泥，外加剂，固井质量，复杂问题
(固井)常规注水泥塞作业规程
常规注水泥塞作业规程 1 主题内容与适用范围 本规程规定了注水泥塞的作业设计、作业准备、作业程序、质量控制与安全要求，资料录取及质量检验。 本规程适用于油井裸眼段、套管内注水泥塞作业，主要用于以下几种用途： 处理钻井过程中的井漏； 定向钻井的侧钻和造斜； 堵塞报废井及回填枯竭层位； 其他类型的注水泥塞作业亦可参照使用。 2 引用标准 无 3 作业设计 3.1 资料收集 3.1.1 收集作业井的井身结构、封固井段、井径数据、井下情况、设备情况、钻具情况、钻井液性能、钻井参数。 3.1.2 收集水泥浆性能。 3.2 设计原则 水泥塞厚度应严格按工程技术要求执行。 3.3 注水泥塞设计编写要求 编写内容、格式应符合附录A的要求。 4 作业准备
4.1 材料准备 4.1.1 按设计要求备足合格的油井水泥和添加剂,并妥善保存,防止受潮。 4.1.2 作业前取水泥样和水样做水泥浆初凝、终凝、流动度试验和添加剂配方试验。水泥养护温度应按作业井段的温度。 4.1.3 备足配浆液,其总量不应小于使用量的1.5倍 4.2 井眼及管柱准备 4.2.1 准确计算、丈量、配好注水泥塞管柱,并作好记录。 4.2.2 循环并处理好泥浆性能，提高泥浆对井壁的冲洗效果，钻井液性能应能维持井壁稳定、井眼干净、无油气侵。 4.2.3 保证按下入钻具紧扣顺序、整立柱起钻，不得错扣。 4.3 地面设施、设备准备 4.3.1 对地面设备进行严格细致检查，保证固定部位安全可靠，转动部分运转正常，仪表准确灵活。主要检查下列部位： a)井架及底座； b)提升系统：绞车、天车、游动滑车、大钩吊环、钢丝绳及固定绳卡等； c)动力设备:柴油机、钻井泵、空压机、发电机及传动系统； d)仪表:指重表、泵冲数表、泵压表、及扭矩表等； 4.3.2 B型钳使用灵活、安全可靠性的质量检查 4.3.3 地面管线连接可靠、不刺不漏。 4.3.4 顶替泥浆的计量准备。
固井常见注水泥方法
常规注水泥 注前置液：为提高水泥泵顶替钻井液的效率，保证水泥环质量，在钻井液与水泥浆之间注入一段“液体”，这种特殊的液体称为前置液，按其性质分为冲洗液和隔离液，在顶替钻井液过程中起到冲洗、稀释和隔离钻井液作用，从而提高水泥浆的顶替效率。 注水泥浆：指按封固井段内井眼与套管之间环荣大小计算用水泥数量，通过固井专用设备将干水泥和配浆水混合成一定密度的水泥浆，并通过套管注到井内。 压胶塞：指注水的水泥数量到达设计要求时，将胶塞压入井内。起作用是有效地隔离顶替液与水泥浆，并刮下套管壁上的水泥浆，同时与管串上的浮配合，起到控制替钻井液量的作用。 为防止先期注入的水泥浆在套管内与钻井液发生混窜，有时还在注前置液之后加入一个下胶塞，这是一个空心只有一层特殊隔膜的胶塞。起作用时组织水泥浆在套管内狱卒阿宁也混攒。当水泥浆充满套管时，下胶塞坐在浮攒上，压力达到一个较小的值时，隔膜被破坏通道打开，保证后续施工正常进行。 钻替井液：指用顶替液推动胶塞，将套管内的水泥浆替到套管外的环形空间，到达封固的层的过程，这是固井工作的重要环节。由于常用的顶替液为钻井液，故称替钻井液。 碰压：当顶替液的数量达到套管串浮箍以上的容积时，胶塞将坐在浮箍上，流体通道封闭，使套管内压力突然升高，这一现象称为碰压。它标志着浮箍以上的套管内的水泥浆全部被顶替到环空。 套管试压：碰压后，为了验证套管串的密封情况而进行的压力试验。具体做法是将套管内压力提高到某一规定的数值，经一定时间后而不下降为合格。说明整个管串的密封性很好，符合油气井投产的使用条件。如果在一定时间内套管内压力下降，则说明管串密封有问题，需查找原因进行处理。有些油田规定在水泥浆侯凝之后进行套管试压。 侯凝：试压结束后，将套管内的压力释放掉，使套管处于不变形的状态下侯凝，保证固井质量。此时，应注意浮箍、浮鞋的密闭性，如发生倒流现象，则需根据水泥浆与泥浆的压差值，确定一个回憋压力。此压力不宜过高，以免套管变形，一般在套管内外静压差基础上附加1-2Mpa. 分级注水泥 分级注水泥是利用连接在管串上的可以打开和关闭的特殊接箍，将一口井的注水泥作业分两次或三次完成的注水泥工艺。 分级注水泥技术可以降低环空液柱压力，减少注水泥作业井漏的发生，从而降低了施工压力，保证施工的安全。同时还可以防止或减少水泥浆失重造成的油气水上窜，有利于提高固井质量。除此之外，还可选择最佳的水泥封固段，节约水泥，降低固井成本。 简单的说可分为两种：正规非连续式双级注水泥和非正规连续式双级注水泥。 正规非连续式双级注水泥：注一级前置液—注一级水泥浆—压第一级胶塞—替顶替液—碰压—敞压—投入打开塞—打开分级箍通道—循环洗井侯凝—注二级前置液—注二级水泥浆—压入关闭塞—替顶替液—碰压—关闭分级箍通道—结束。 非正规连续式双级注水泥：注一级前置液—注一级水泥浆—投一级胶塞—替顶替液—投打开塞—注二级前置液—注二级水泥浆—投关闭塞—替顶替液—一级胶塞碰压二级通道打开—关闭塞坐封通道关闭—施工结束。 尾管注水泥 步骤：在接好注水泥管线并试压后，将前置液通过钻杆泵入，随后注入水泥浆（通过钻杆），注水泥结束后，压入钻杆胶塞并进行顶替，当钻柱内水泥浆被顶替完后，钻杆胶塞与尾管胶塞重合闭锁，压力上升到某一定值（尾管胶塞剪断压力）时，由钻杆胶塞和尾管胶塞组成的
固井质量资料简介
-油气井固井质量评价 固井声波测井的主要任务是检查套管和地层间水泥环的胶结质量，包括第一胶结面的胶结质量—水泥环和套管间的胶结情况、第二胶结面的胶结质量—水泥环和地层间的胶结情况。同时，水泥返高、水泥抗压强度和套管破裂等有关固井工程质量问题都是十分重要的评价内容。由于固井声波测井的井眼条件和测量目的都与裸眼井声波测井不同，因此在方法原理和仪器设计上也有其自身特点。 目前常见的固井质量评价测井仪有声幅测井仪和声波全波变密度测井仪，近几年发展起来的还有SBT扇区水泥绞结成像测井新技术。 .常规的声幅测井（CBL）：检测水泥环与套管（第一界面）的封固质量。 .声幅变密度测井（CBL/VDL）：同时检测第一界面和第二界面胶结的质量。 .扇段水泥胶结测井（SBT）：在实时监测第一、二界面封固质量的同时，测量整个水泥环内部的封固情况，并通过相对方位的资料确定水泥沟槽的相对方位和确定油气水窜槽的具体位置和原因。 .伽玛密度测井(SGDT)：分别探测来自套管、水泥环、泥浆液等介质产生非弹性碰撞的次生伽玛射线记数率，进而计算出水泥环平均密度、套管厚度、套管偏心等参数。 一、声幅测井 1. 声幅测井原理 声幅测井的基本原理是利用水泥和泥 浆（或水）声阻抗差异对沿套管轴向传播的声 波的衰减影响来反映水泥与套管间的胶结质 量。声幅测井仪的声探测装置是由位于井轴上 相隔一段距离的一对声发射器和声接收器构 成。当发射器发出声波后，接收器上接收到的 声信号包括有套管波、水泥波、地层波和泥浆 波的贡献。上述几种波在井中的传播路径见右 图。由于水泥对声波具有较大的吸收系数，实 际到达接收器的水泥波相对很微弱，一般可认 为接收信号中无水泥波的贡献。
固井常用英语单词
固井常用英语单词 cement[si`ment]n.水泥, 接合剂 vt. 接合, 用水泥涂, 巩固vi.粘牢cementing additives 水泥外加剂 accelerator 速凝剂 retarder 缓凝剂 weight-reducing additives 减轻剂 heavyweight additives 增重剂 filtration-control additives 降失水剂 dispersant 分散剂 density 密度 water requirement 需水量 viscosity n. 粘质, 粘性 lost circulation 漏失 thickening time 稠化时间 routine check[ru:`ti:n]例行查核，例行检查 onboard unit 车载设备 cement contamination水泥侵 worst cast 恶果 cement consistency[kEn`sistEnsi]水泥浆稠度 wear well 经久耐用 wear phenomena磨损现象 spare part 备件 water tank 水罐（箱） pump body 泵体 cylinder body 缸体 piston rod 活塞杆 cement block 水泥块 cement scale 水泥垢 casing 套管 conductor casing 导管 surface casing 表套 intermediate casing 技套（中间的套管） production casing 生产套管 liner casing 尾管 wellbore conditioning 井眼条件 running casing 下套管 the setting depth 套管下深 casing string 管串（柱） casing thread 套管丝扣 thread-locking compounds （套管）丝扣胶 wildcat well 探井 formation conditions 地层条件 the weight indicator 指重表 cement yield 水泥造浆率 limit rotary speed 控制下放速度 float collar 浮箍 float shoe 浮鞋 centralizer 扶正器
什么是固井
什么是固井 一、固井：在已钻出的井眼中下入一定尺寸的套管，并在套管与井壁或套管与套管之间的环形空间内注入水泥的工艺过程。 二、井身结构包括以下几方面的内容：所下套管的层次、直径、各层套管下入的深度、井眼尺寸（钻头尺寸）、各层套管的水泥反高等。 三、设计井深的主要依据：地层压力、地层破坏压力和坍塌压力。 四、套管的类型：⒈导管；⒉表层套管；⒊技术套管；⒋生产套管；⒌尾管。 五、井深结构设计的原则：①能有效的保护油气层，使油气层不受钻井液的损害；②能够避免漏、喷、塌、卡等复杂情况产生，保证全井顺利钻进，使钻井周期达到最短；③钻达下部高压地层时所用的较高密度的钻井液产生的液柱压力，不至于把上一层套管鞋处薄弱的裸露地层压裂；④下套管过程中，钻井液液柱压力和地层压力之间的压差，不至于造成卡阻套管。 六、套管柱的受力：轴向压力、外挤压力和内压力。 七、套管柱的附件：⒈引鞋（套管鞋、浮鞋）；⒉回压法；⒊套管扶正器；⒋磁性定位套管； ⒌联顶节。 八、水泥熟料主要成分：①硅酸三钙（C3S）；②硅酸二钙（C2S）；③铝酸三钙（C3A）；④铁铝酸四钙（C4AF）。 九、水化作用：油井水泥与水混合后，水泥中各种矿物分别与水发生水解和水化反映，某些水化产物还能发生二次反映。 十、水化反映的不断进行水泥浆形成水泥石可分为三个阶段：①胶溶期；②凝结期；③硬化期。 十一、稠化时间：指油井水泥浆在规定压力和温度条件下，从开始搅拌至稠度达100Bc所需要的时间。 十二、稠度：水合水泥混合后会逐渐变稠，变稠的速率。 十三、注水泥的设备：水泥车、水泥混合漏斗、水泥分配器、水泥头、胶塞、储灰罐。 十四、碰压：胶塞被推至浮箍时，泵压突然升高。 十五、注水泥主要工序包括：循环和接地面管汇→打隔离液→顶胶塞→碰压→候凝。 十六、提高泥浆的顶替效率：⒈紊流顶替；⒉打前置液；⒊活动套管；⒋调整完井液和水泥浆的性能；⒌使用扶正器。 十七、引起油、气、水窜的原因：水泥浆在凝固过程中的失重是导致油、气、水窜的主要原因，井壁存在泥饼、水泥硬化过程体积收缩也是造成油、气、水窜的原因。 十八、水泥浆失重：指水泥浆柱在凝固过程中对其下部或地层作用的压力逐渐减小的现象。十九、防止油、气、水窜的措施：①采用两用水泥；②分级注水泥；③减小水泥浆返高；④环空憋压候凝；⑤使用特种水泥。 二十、特殊固井技术：习惯上把除了常规一次注水泥技术方法。 二十一、特殊固井技术的种类：⑴、内管注水泥；⑵、尾管固井工艺；⑶、分级注水泥技术。二十二、完井：指从打开生产层到把井交付给采油生产期间的全部生产过程。 二十三、完井包括：打开生产层、下油层套管固井、射孔到试采的全部工艺过程。 二十四、井下复杂情况：钻井作业过程中，由于钻井液的类型与性能选择不当及井身质量较差等原因造成井下钻具的遇阻遇卡、钻进时严重憋跳钻、井漏、井喷等现象，不能维持钻进与其他钻井作业正常进行。 二十五、钻井事故：由于检查不周到，违章操作，处理井下复杂情况的措施不当或疏忽大意而造成的钻具折断、顿钻及井喷失火等恶果。
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注水泥（固井技术） 第一节. 注水泥设计和计算的基本条件和参数 1. 注水泥设计的主要条件与参数: (1)井所在区域; (2)海域水深, 转盘到海平面高度, 转盘到泥线高度; (3)设计井深(测量井深和垂直井深); (4)井眼轨迹, 造斜点, 最大井斜角; (5)井的性质, 探井还是生产井; (6)油气层估计深度; (7)薄弱地层的破裂压力值, 高孔隙地层压力; (8)井底 (9)钻井液类型及主要性能; (10)套管资料； (11)套管程序; (12)其它条件； 2. 通过实验应取得的参数与资料: (1)水泥浆类型; (2)水泥浆密度; (3)流变性能; (4)自由水含量; (5)失水量; (6)可泵时间; (7)稠化时间; (8)抗压强度; (9)混合水需要量; (10)水泥造浆量; (11)添加剂种类及加入量(固体添加剂为重量百分比, 液体添加剂为体积 百分比)。 第二节. 注水泥质量控制和安全措施 1. 根据注水泥设计和计算参数作出完全符合井况和钻井作业要求的固井 设计。 2. 井眼准备必须达到: ①井壁稳定、不垮塌、不漏失; ②通过循环和处理后钻井液性能稳定, 井眼畅通无阻卡; ③岩屑清除彻底; ④地层孔隙压力, 薄弱地层破裂压力准确; ⑤通过循环建立正确的循环压力。 为此,要求在完钻后彻底通井划眼, 大排量循环, 彻底清除岩屑。一般规定,大斜度井固井, 尾管固井, 在电测后至下套管(尾管)前循环通井不少于2～3次。 3. 套管程序必须符合地层情况, 同一井段不得出现两套以上的地层压力,
套管鞋一定要坐在坚硬地层。 4. 海上作业, 一般规定, 浮箍至浮鞋之间不得少于两根套管; 浮箍位于油气层底界以下不少于25米。 5. 水泥返高面必须满足产层和复杂地层的封固要求, 一般应根据目的层性质确定水泥返高面: (1)常压油气层固井, 水泥返到油气层顶界以上至少150米; (2)高压油气层固井, 水泥返到油气顶界以上至少300米; (3)隔水套管、表层套管固井, 水泥必须返到泥面; (4)技术套管固井, 水泥一般返到上层套管鞋内以上100米左右; (5)尾管固井, 水泥返至尾管顶部。 6. 根据油田经验, 确定裸眼容积附加数, 保证产层封固要求。规定如下: (1)隔水管套固井, 按钻头直径计算的环空容积附加数为200％; (2)表层套管固井, 按钻头直径计算的环空容积附加数为100％; (3)技术套管和油层套管, 按钻头直径计算的环空容积附加数为50％; (4)尾管固井, 按钻头直径计算的环空容积附加数为30％; (5)如果采用电测环形容积, 南海西部地区附加数取5％～10％, 渤海地区取30％左右。 7. 保证水泥浆质量: (1)根据井温和地层液体性质选择水泥类别。如果地层液体中含有硫酸盐溶液, 必须选择高抗硫酸盐型油井水泥; (2)根据井底静止温度,确定是否使用防止水泥强度衰退的添加剂。例如井底静止温度达110℃时会导致水泥石强度的热衰退, 因此超过110℃时的井必须在水泥中加入水泥重量的35％～40％的硅粉; (3)根据井底循环温度选用缓凝剂和其它添加剂。井底循环温度预测不准会导致添加剂的错误选择, 以致造成水泥浆闪凝或超缓凝; (4)重视水质检查是保证水泥浆质量的关键因素之一。例如用淡水配水泥浆, 钻井平台的钻井水应作氯根检验, 凡氯根含量超过500 PPm, 必须更换钻井水。海上用泥浆池配混合水时, 一定要将泥浆池清洗干净, 否则, 会因钻井液材料而影响水泥浆质量; (4) 必须保证现场材料与化验用材料的性能和质量的一致性。 8. 水泥浆体系必须符合地层和施工要求。 海上固井作业常用的水泥浆体系有如下几种: (1)普通海水水泥浆体系, 适用于无特殊要求的导管固井和作表层套管尾随水泥浆; (2)低失水水泥浆体系, 适用于技术套管固井作尾随水泥浆; (3)低密度、高早期强度水泥浆体系, 适用于大斜度井固井, 全面提高水泥石强度; (4)触变水泥浆体系, 适用于漏失层固井。当触变水泥浆进入漏失层时, 前缘的流速减慢并开始形成一种胶凝结构。最后由于流动阻力增加, 漏失层被堵塞。一旦水泥浆凝固, 漏失层将被有效地封堵; (5)延迟胶凝强度水泥浆体系, 适用于气层固井。 9. 套管注水泥, 打水泥塞或挤水泥, 都必须进行水泥浆性能试验。 10. 水泥浆主要性能必须满足地层和作业要求: (1)水泥浆密度, 必须大于钻井液密度。在地层承受能力较大的情况下, 对
固井质量
附件 中国石油天然气集团公司 固井质量检测管理规定 （试行） 二〇〇六年五月
编制说明 为了规范固井质量检测程序，提高固井质量评价结果的客观性，使固井质量检测更好地为油气勘探开发服务，中国石油天然气集团公司特制定《中国石油天然气集团公司固井质量检测管理规定（试行）》。 长期以来，集团公司绝大多数探井、评价井和生产井都采用CBL测井，积累了丰富的评价经验，目前这些仪器仍是固井质量评价的主要测量工具。SBT测井与CBL测井原理相同。因此本规定中的附录C只详细规定了CBL/VDL和SBT 资料采集的质量控制要求，另外本规定第五章“固井质量评价”中引用了SY/T6592《固井质量评价方法》，该标准规定了基于CBL/VDL和SBT测井资料的固井质量评价方法。 对于超声反射回波测井仪CET，USI，PET，CAST和俄罗斯声波及伽马密 度- 套管壁厚组合测井仪器，由于国内应用较少，积累的经验少，只作推荐使用。
目录 第一章标准的引用 第二章测井要求 第三章测井准备 第四章现场施工 第五章固井质量评价 附录A 固井质量检测仪器参考信息附录B 固井质量测井作业通知单附录C 固井质量测井资料质量要求
第一章标准的引用 第一条固井质量检测应执行的相关技术规程SY/T5131 石油放射性测井辐射防护安全规程SY/T5132 测井原始资料质量要求 SY/T5600 裸眼井、套管井测井作业技术规程SY/T5633 石油测井图件格式 SY/T5726 石油测井作业安全规程 SY/T5880.1 石油测井仪器刻度总则 SY/T6030 水平井测井作业技术规范 SY/T6413 数控测井数据采集规程 SY/T6499 固井质量检测仪刻度及评价方法SY/T6592 固井质量评价方法 第二章测井要求 第二条测井项目设计要求
作业场所(固井水泥)粉尘治理及效果评价——引言(1)通用版
操作规程编号：YTO-FS-PD389 作业场所（固井水泥）粉尘治理及效果评价——引言（1）通用版 In Order T o Standardize The Management Of Daily Behavior, The Activities And T asks Are Controlled By The Determined Terms, So As T o Achieve The Effect Of Safe Production And Reduce Hidden Dangers. 标准/ 权威/ 规范/ 实用 Authoritative And Practical Standards
精品规程范本 编号：YTO-FS-PD389 2 / 2 作业场所（固井水泥）粉尘治理及 效果评价——引言（1）通用版 使用提示：本操作规程文件可用于工作中为规范日常行为与作业运行过程的管理，通过对确定的条款对活动和任务实施控制,使活动和任务在受控状态，从而达到安全生产和减少隐患的效果。文件下载后可定制修改，请根据实际需要进行调整和使用。 对油田固井水泥生产和使用作业场所进行了劳动卫生学调查，对粉尘污染严重的立式散装水泥储存罐尾气口排放、水泥裸口装卸、水泥与外加剂干混工艺进行了技术改造和粉尘治理，使用业场所空气中粉尘浓度由平均 49.94mg/m3降至1.19 mg/m3，除尘效率达97.81 mg/m3，效果明显。 固井水泥 作来场所 粉尘治理 油田固井水泥是由普通硅酸盐水泥与各种矿物外加剂或复合外加剂混拌而成的一种特种水泥。在固井水泥的运输、装卸、混拌和固井过程中产生大量粉尘、损害工人身体健康。为此我们对油田固井水泥生产和使用现场进行了劳动卫生学调查，并对生产工艺进行改造，对作业场所环境进行了有效的粉尘治理。 王瑞 刘正亮 刘衍忠 李吉贵 方岱山 该位置可输入公司/组织对应的名字地址 The Name Of The Organization Can Be Entered In This Location
固井水泥用计算的研究
固井水泥用量计算的研究 顾军 摘要水泥用量是固井作业的重要参数。以往的计算公式均以电测井径为依据，误差较大。本文根据实际固井资料提出了计算水泥用量的新公式，它消除了电测井径不准产生的不确定问题，为准确计算固井水泥用量开辟了一条新途径。 主题词固井水泥计算方法 固井水泥用量的淮确计算可以节约固井费用，避免固井漏失，提高固井质量。常用计算方法有两种，即传统的方法和文献[1]推荐的方法。 1、传统的方法 计算固井水泥用量的传统方法是电测井径环空容积再附加一个百分数。其计算公式为 N=n(1+e) 式中：N——固井水泥用量，袋， n——按电测井径计算的水泥量，e——附加系数，％。 2．文献[1]推荐的方法 经验公式为： N=n十0.1(1500－h)－c 式中：h——封固段长度，m； c——修正系数，袋。当c＜400m时，c＝80袋，当400m＜c＜2000m时，c＝0。 分析(1)、(2)式可知，两个计算公式的实质是相同的，即电测井径计算量再附加一个系数。由于电测井径的淮确性和附加量的经验性，使得两式的计算误差较大，因此有必要对固井水泥用量的计算问题进行深入的研究。本文用回归分析方法得出了新的计算公式，现场应用实例表明其计算精度较高。 新公式的建立 对某一地区相同井深和井眼尺寸的井而言，固井资料中的水泥封固段长度和实际水泥用量能真实地反映井径的变化，即环空容积的大小。鄯善油田∮241.3mm井眼下∮177.8mm油层套管固井的有关数据列于表1。由表1可看出，鄯善油田的水泥附加系数为－44.44—84.62％，波动幅度较大，因此用附加系数的方法计算固井水泥用量显然是
不科学的。 水泥用量主要与封固长度有关，为了找出两者间的关系，拟用最小二乘法，将数据分别代入线性回归、指数回归和乘幂回归这三种基本函数，并求出衡量回归程度好坏的标准差。回归结果列于表2。标淮差的表达式为 式中：n＝数据组数 y =实际值 y=预测值。 i 表1 固井基本数据统计表
低密度水泥浆固井技术探讨
低密度水泥浆固井技术探讨 （大庆钻探钻井生产技术服务二公司，吉林松原138000） 低密度水泥浆固井技术的基本原理就是利用水泥浆的低密度性质，发挥通过和填充性，对油井的周围进行有效的填充和密闭，由此保证油井的安全。在低密度水泥浆的发展过程中，其比例设计和添加剂的合理使用成为了其发展的主要推动力，而且增加了强度的低密度水泥浆也在实际的应用中获得了成功。 标签：低密度水泥浆；配比设计；应用优势 1 低密度水泥浆固井思路 随着研究层面的拓展，微观力学和宏观力学的研究进一步通过密集堆积的理论，明确了用颗粒材料粒径大小分布调整来提高其宏观力学特性可能。其原理就是通过对混合物质内的固体粒径的大小和分布状况的调整，使之合理分配和混合，让水泥浆的体系具备更加优良的填充效果，而且让各种粒径的材料实现更好的密集堆积效应，增加水泥浆更多的固相，由此增加水泥浆的性能指标。这时低密度高强度水泥浆就应运而生了。其组成不仅仅考虑到了原料的物理性能，也考虑到了水泥浆化学特性。 2 低密度水泥浆的配备设计 在试验的过程中发现，低密度水泥浆的试验效果降低，尤其是强度的变化差异的主要原因就是，高速度的剪切和破碎对水泥造成的影响。因此在低密度水泥的配备的时候，应当控制搅拌器的转速，控制在4000转每分钟，并控制搅拌的时间，这样就可以达到较为理想的试验效果。 研究人员为了使得整个水泥浆系统达到应用的标准，并提高效果，在试验中已经形成了一个系列化的密度配合方案，基本配比的组合形式为：G级石油井水泥，粉煤灰、漂珠、增加稳定剂、水。在实际的应用中通过改变材料的比例和水量来实现对水泥浆密度的调整。按照上面的组合形成的不同密度的水泥浆都可以实现固井要求，例如：试验中采用的60%水泥、25%粉煤灰、15%漂珠、2%外加剂，水：灰7:3，这样产生的水泥浆密度为1.43g/cm。并且利用这一密度的水泥浆对某油田的3口油井进行加固处理，在施工结束后的检测中得到了较好的胶结数据，胶结良好的段占整个井的80%以上。 3 低密度水泥浆的固井技术特性 3.1 低密度水泥浆的稳定性提高 低密度水泥浆在研究和发展中已经逐步过渡到低密度高强度的材料特性上，因此整个水泥浆的体系的沉降稳定性更好，这主要是来自于增强剂的添加，其中
内插法固井(借鉴分享)
（二）插入法固井工艺 插入法固井工艺一般用于大直径套管固井，是用下部连接有浮箍插头的小直径钻杆插入套管的插座式浮箍（或插座式浮鞋），与环空建立循环，用水泥车通过钻杆向套管外环空注水泥。采用该工艺注水泥能减少水泥浆在套管内与钻井液的掺混，缩短顶替钻井液时间，同时水泥浆可提前返出从而减少因附加水泥量过大而造成的浪费和环境污染。 1. 插入法固井工艺流程 插入法固井工艺套管结构为：插入式浮鞋+套管串（也可以为：引鞋+1根套管+插入式浮箍+套管串）。钻杆串结构为：插头+钻杆扶正器+钻杆串。插入法固井工艺流程:注入前置液→注入水泥浆（见图）→替入钻井液（替入量比钻杆内容积少0.5m3）→放回压检查回压凡尔是否倒流→上提钻杆循环出多余的水泥浆（见图）。 注水泥 水泥浆 钻井液 钻杆 套管 扶正器 插座式浮鞋
下入钻杆,插头插入插座, 注入水泥浆替泥浆结束,起钻循环 2．插入法固井的有关计算 （1）套管串浮力计算 大直径套管固井一般是表层套管固井，要求水泥返出地面，固井施工后，管外环空全部为水泥浆。为了保证套管不被浮起，套管串所受的浮力F f 必须小 于套管串的重量G t 。 套管串所受的浮力F f 的计算公式： F f = S w Hρ s g×10-7 (1) 式中 F f —套管串所受的浮力，kN S w —套管外截面积，cm2 H—浮箍深度，m ρ s —水泥浆密度，g/cm3 g—重力加速度。 套管串重量G t 的计算公式： G t = qH×10-3+ S n Hρ n g×10-7 (2) 式中 G t —套管串重量，kN q—每米套管重量，N/m H—浮箍深度，m S n —套管内截面积，cm2 ρ n —套管内泥浆密度g/cm3 g—重力加速度。 要保证套管串不被浮起，需满足G t ≥F f 。若计算后G t ≤ F f ，必须加重钻 井液，即加大ρ n 的值，以提高套管串的重量G t ，使G t ≥F f 后方可施工。因此， 必须进行钻井液“临界密度”ρ min 的设计。“临界密度”是指替钻井液结束时， 套管串所受的浮力F f 与套管串的重量G t 相等时套管内钻井液的密度。计算方法 是把（1）和（2）式整理后（g取10）即可得出。 “临界密度”ρ min 的计算公式： ρ min =（S w ρ s －q×10-3）/ S n (3) 式中ρ min —临界密度 g/cm3 在做固井设计时，设计替入泥浆的密度ρ s 要大于临界密度ρ min ，实际应 用中，一般按： ρ s =ρ min +（0.1～0.2） （2）钻柱坐封压力的计算 由于插入法固井内管（钻柱）和浮箍的连接是通过插入接头和浮箍插座用插入的方法连接的，所以若不在密封球面与承压锥面之间施加一定的压力，在施工中就会在反向压力的作用下钻具产生“回缩”，造成密封球面与承压锥面之间“脱开”，而失去密封作用。因此，在设计中进行坐封压力的计算是非常必要的。 坐封压力F z 的计算公式为： F z =P max S m ×10-3 (4) 式中 F z —密封球面与承压锥面之间施加的压力（坐封压力） kN
固井技术基础
固井技术基础（量大、多图、易懂） 概述 1、固井的概念 为了达到加固井壁，保证继续安全钻进，封隔油、气和水层，保证勘探期间的分层测试及在整个开采过程中合理的油气生产等目的而下入优质钢管，并在井筒与钢管环空充填好水泥的作业，称为固井工程。 2、固井的目的 1. 封隔易坍塌、易漏失的复杂地层，巩固所钻过的井眼，保证钻井顺利进行； 2. 提供安装井口装置的基础，控制井口喷和保证井内泥浆出口高于泥浆池，以利钻井液流回泥浆池； 3. 封隔油、气、水层，防止不同压力的油气水层间互窜，为油气的正常开采提供有利条件； 4.保护上部砂层中的淡水资源不受下部岩层中油、气、盐水等液体的污染； 5.油井投产后，为酸化压裂进行增产措施创造了先决有利的条件； 3、固井的步骤 1. 下套管 套管与钻杆不同，是一次性下入的管材，没有加厚部分，长度没有严格规定。为保证固井质量和顺利地下入套管，要做套管柱的结构设计。根据用途、地层预测压力和套管下入深度设计套管的强度，确定套管的使用壁厚，钢级和丝扣类型。 2. 注水泥 注水泥是套管下入井后的关键工序，其作用是将套管和井壁的环形空间封固起来，以封隔油气水层，使套管成为油气通向井中的通道。 3. 井口安装和套管试压 下套管注水泥之后，在水泥凝固期间就要安装井口。表层套管的顶端要安套管头的壳体。各层套管的顶端都挂在套管头内，套管头主要用来支撑技术套管和油层套管的重量，这对固井水泥未返至地面尤为重要。套管头还用来密封套管间的环形空间，防止压力互窜。套管头还是防喷器、油管头的过渡连接。陆地上使用的套管头上还有两个侧口，可以进行补挤水泥、监控井况。注平衡液等作业。 4. 检查固井质量 安装好套管头和接好防喷器及防喷管线后，要做套管头密封的耐压力检查，和与防喷器联接的密封试压。探套管内水泥塞后要做套管柱的压力检验，钻穿套管鞋2~3米后（技术套
固井基础-注水泥工艺
1.现场水泥浆稠化时间试验温度主要取（井底循环温度）。 2.实际施工时间与稠化时间的关系是稠化时间=现场施工时间+（60~90min）。 3.高温条件下会造成水泥石强度的衰退，采取加入硅粉的办法，控制强度衰退， 硅粉，石英砂被称为（热稳定剂）。硅粉的加入量一般控制在（25%~30%）之间。 4.固井作业，注水泥前所选用的前臵液，要具有良好（相容性）。 5.注水泥顶替过程中，可能发生（U型管）效应。 6.什么是U型管效应？ U型管效应再某种程度上由于注入的水泥浆密度大于钻井液密度，形成套管内外静液柱差，当这种压差超过管内外沿程流动阻力损失时在管内形成了“液柱”的自由落体。 7.使用内管注水泥方法的好处 可以防止注水泥及替泥浆过程在管内发生窜槽。 解决顶替泥浆量过大，时间长问题。 可以防止产生过大的上顶力，防止套管向上移动。 可以保证使水泥返出地面。 节省固井成本，节约水泥用量。 8.正规非连续式注水泥程序？ 第一级按正常套管注水泥方法，注完水泥并碰压后，井口卸压，证实下部浮鞋浮箍工作可靠，水泥浆不回流。则再投入打开塞，打开分级箍注水泥孔眼，可进行第二级注水泥工作。注水泥前可调整处理井下钻井液性能。二级注水泥结束后臵入关闭塞，碰压并使注水泥孔永久关闭。
9.正规非连续式注水泥第一级水泥返深一般距分级箍（200m）。 10.打开塞的下落速度现场一般按照（1m/s）计算。 11.注水泥塞的目的？ 处理钻井过程中的井漏。 定向井的侧钻和造斜。 堵塞报废井及回填枯竭层位。 提供衬管测试工具的承座基础。 隔绝地层。 12．固井后，出现水泥塞的可能原因有哪些？ 钻井液性能不好，石粉沉淀，出现假塞现象； 套管长度与实际长度不符； 浮箍、浮鞋失灵，敞压时管内回流水泥浆； 替泥浆时，泥浆中混有水泥浆。 13. 施工哨子有几声？分别是怎样规定的？ 施工哨子有五声。第一声哨，循环准备哨。参加施工的人员全部到位，注水泥车开始循环，下灰车开始充气；第二声哨，注水泥开始；第三声哨，注水泥结束；第四声哨，替钻井液开始；第五声哨，替钻井液结束。 14.注水泥施工时间、可泵时间、侯凝时间的关系是：施工时间<可泵时间<侯凝时间 15.表层固井的作用？ 1封隔上部不稳定的松软地层和水层 2安装井口装臵，控制井喷 3支撑技术套管与油层套管的重量 4保护淡水。
科学运用固井外加剂提高水平井固井效果
科学运用固井外加剂提高水平井固井效果 固井外加剂作为钻井过程中的一个重要化学注剂，对于生产的重要性非常突出。本文主要探讨水平井固井外加剂的选择。由于钻遇地层构造的复杂多变给固井工作带来许多新问题，因此，首先要充分了解工作地段的地层特点和有关地质、钻井资料，并据此进行外加剂的选择和水泥浆配方设计。 标签：水平井；固井；外加剂；选择 水平井在当前的钻井技术中得到广泛应用，对于外加剂来讲，只能改变水泥浆的物理性质而不能改变其化学成分。水泥浆只不过是外加剂的载体。通常加量超过5%（BWOC）者称外掺料，低于此者称外加剂。这些外加剂或外掺料与水和水泥之间的物理化学作用是非常复杂的，我们不知道，也很难知道，一般也不需要知道。但是，一定要知道这些外加剂对各级油井水泥的适应性和它们之间的相容性。另外，为了降低成本，在不降低其设计标准的前提下，尽量少加或不加，能用廉价的，不用昂贵的。 1 如何根据井况和地层特点选择水泥和外加剂 通常可将井况概括为如下几种情况： 1.1 浅井、低温井 某些高寒地区的井温低到0℃以下，水泥难以凝结、硬化，这种情况下需要选择促凝和早强的水泥浆体系。 1.2 深井或超深井 井深可达6000～7000m，井温高达200或250℃，水泥浆在此条件下，迅速凝结硬化，水泥石结构变疏松，渗透率增大，同时因高温下水化硅酸钙等结构改变致使水泥石抗压强度陡降。针对此种状况，必须选择耐高温水泥浆体系。通常考虑选用硅粉、微硅耐高温退化水泥体系，并选择高温稳定性好的缓凝剂及与之相容性好的分散剂、降失水剂等外加剂。同时根据固井施工对水泥浆密度的要求，可选择相宜的加重剂。 1.3 热采井，如稠油注蒸汽开发井 热采井与深井不同之处是：热采井的井深不一定很深，注水泥时的井温也可能并不高，但要求固井后水泥环要耐受高温蒸汽（320～350℃）注入下，水泥石抗高温强度退化性能良好，保证油井正常生产，延长油井寿命。对此，最好选用微硅水泥体系，再根据井深、井温等条件，选择配套的外加剂体系，完成水泥浆设计。
降低固井水泥浆密度的新技术
文章编号:1001 5620(2006)04 0047 03 降低固井水泥浆密度的新技术 Fred Sabins (固井解决方案公司(Cement ing Solut ions,Inc),美国) 摘要 针对现有低密度固井水泥浆存在的一些问题,介绍了一种有效降低水泥浆密度的新技术,即使用新型密度减轻材料 美国3M 公司生产的中空玻璃微球(HG S)作为密度减轻剂。介绍了中空玻璃微球H GS 的基本特点,对H GS 低密度水泥浆进行了杨氏模量和抗张强度实验、压力和温度循环下的胶结强度实验、钻穿测试实验及现场测试,并与泡沫水泥浆和硅酸钠水泥浆进行了对比。实验及测试结果表明,添加了中空玻璃微球H GS 的水泥浆有效地降低了密度,并且其混合、泵送及抗压强度、胶结质量等完全可以满足井下作业的要求。 关键词 固井 固井质量 低密度水泥浆 水泥浆添加剂 中空玻璃微球中图分类号:T E256 文献标识码:A 针对低密度固井水泥浆的应用日益增多及现阶段常用的一些低密度固井水泥浆存在的问题,提供了一种新的解决方案,即使用新型密度减轻材料 美国3M 公司生产的中空玻璃微球研制的新型低密度固井水泥浆体系。 1 传统低密度水泥浆体系的局限性 以水作为密度减轻剂的传统低密度水泥浆最低密度为1.5g/cm 3 ,并且需要添加能够吸水并保持水泥均相的物质。虽然这种水泥浆成本低,但其抗压强度低,在强压下无法提供长期层间封隔。使用空心微珠可以使水泥浆密度降至1.35g /cm 3 。空心微珠是从火力发电的副产物 粉煤灰中通过漂选获得的,因此其质量较差,抗压强度较低(一般上限为13.8~20.7M Pa),闭空率较低,水容易进入使空心微珠密度很难控制,使其应用受到了较大限制。 使用氮气的泡沫水泥浆通常用来防止低压储层的循环漏失。但其渗透性高,抗压强度低,因此会导致固井失败和更高的完井成本。而且泡沫水泥浆施工设备较多,使用程序复杂,不易操作,并且存在井内摩阻较大(导致循环漏失)、难以控制固井质量、无法使用声波和超声波测量工具等局限性。 2 中空玻璃微球的基本特点 美国3M 公司生产的中空玻璃微球为薄壁白色 空心球体,成分为碱石灰、硼硅酸盐玻璃,不溶于水,pH 值为9.5,软化温度为600 。3M 中空玻璃微球H GS 系列产品性能如表1所示。 表1 3M 中空玻璃微球H GS 系列产品性能型号抗压强度M Pa 真实密度g /cm 3粒径分布(体积比)/ m 10%50%90%最大HG S200013.80.3220407580HG S300020.70.3518407585HG S400027.60.3815407585HG S500037.90.3816407585HG S600041.30.4615407080HG S1000068.90.6015305565HG S18000 124.0 0.60 11 30 50 60 H GS 中空玻璃微球的特点:为小粒径的完美球体,易混合、易泵送;不可压缩,可以方便准确地进行测井工作;有极高的强度密度比,因此在井下作业时 不会破碎;有相当高的闭空率,水不能进入球体,因此可以使密度保持恒定;呈化学惰性,不会与水泥浆中的其他添加剂发生反应,从而几乎可以和所有的固井水泥浆体系兼容;微球的各向应力一致,可以减少水泥在固化后的收缩;内部有少许气体存在,因此有很好的保温作用,这样就可以加快水泥水化速度,从而减少候凝时间,并且使水泥在短时间内就有较高的强度。 第一作者简介:F red Sabins,专家级高级工程师,作为首席研究员在Cement ing Solutions,Inc 工作了多年,有多年的固井 工作经验。地址:上海市兴义路8号万都中心大厦38层3M 中国有限公司总办事处;邮政编码200336;电话(021)62753535。 第23卷第4期 钻 井 液 与 完 井 液 V ol.23No.42006年7月 DRILLING FLUID &COMPLET ION FLU ID July 2006
固井质量评价
中国石油天然气股份有限公司企业标准 Q／SY 73—2003 固井质量评价 Evaluation for cementing quality 2003—01—27发布 2003—05—31实施 中国石油天然气股份有限公司发布 目次 前言……………………………………………………………………………………… (Ⅱ) 1 范围……………………………………………………………………………………… (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 术语和定义……………………………………………………………………………………… …1 4 固井质量基本要求 (1) 4．1 水泥封固……………………………………………………………………………………… 1
4．2 水泥返深和人工井 底 (1) 4．3 套管柱和井口装 置 (2) 5 水泥环胶结质量评 价 (2) 5．1 测井要求……………………………………………………………………………………… 2 5．2 声幅测井(CBL) (2) 5．3 声波变密度测井 (VDL) (2) 5．4 CBL／VDL综合解 释 (3) 6 套管柱试压……………………………………………………………………………………… …3 表1 水泥环胶结质量声幅测井评价标 准 (2) 表2 常规水泥浆固井水泥环胶结质量CBL／VDL综合解 释 (3) 表3 低密度水泥浆固井水泥环胶结质量CBL／VDL综合解 释 (3) 前言 本标准由中国石油天然气股份有限公司勘探与生产分公司提出。 本标准由中国石油天然气股份有限公司勘探与生产专业标准化技术委员会归口。 本标准起草单位：中国石油天然气股份有限公司石油勘探开发科学研究院廊坊分院、中国石油天然气股份有限公司辽河油田分公司、中国石油天然气股份有限公司冀东油田分公司。 本标准主要起草人：高彦尊、齐奉中、刘爱平、刘大为、白亮清。 1 范围 本标准规定了固井质量基本要求及固井质量评价方法。 本标准适用于油气勘探开发生产过程中的固井质量评价。 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，
固井基础知识
固井基础知识 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
第二部分固井基础知识 第一章基本概念 1、什么叫固井 固井是指向井内下入一定尺寸的套管串，并在其周围注以水泥浆，把套管与井壁紧固起来的工作。 2、什么叫挤水泥 是水泥浆在压力作用下注入井中某一特定位置的施工方法。 3、固井后套管试压的标准是什么 5英寸、51/2英寸试压15MPa，30分钟降压不超过，7英寸，95/8英寸分别为10MPa和8MPa，30分钟不超过；103/4—133/8英寸不超过6MPa，30分钟压降不超。 4、什么叫调整井 为挽回死油区的储量损失，改善断层遮挡地区的注水开发效果以及调整平面矛盾严重地段的开发效果所补钻井叫调整井。 5、什么叫开发井 亦属于生产井的一种，是指在发现的储油构造上第一批打的生产井。 6、什么叫探井 在有储油气的构造上为探明地下岩层生储油气的特征而打的井。 7、简述大庆油田有多少种不同井别的井 有探井、探气井、资料井、检查井、观察井、标准井、生产井、调整井、更新井、定向井、泄压井等。 8、什么叫表外储层 是指储量公报表以外的储层（即未计算储量的油层）。包括：含油砂岩和未划含油砂岩的所有含没产状的储层。 9、固井质量要求油气层底界距人工井底不少于多少米探井不少于多少米 固井质量要求，调整井、开发井油、气层底界距人工井底不少于25米（探井不少于15米）。 10、调整井（小于等于1500米）按质量标准井斜不大于多少度探井（小于等于3000米）按质量标准井斜不大于多少度
调整井按质量标准井斜不大于3度。探井按质量标准井斜不大于5度。 11、调整井（小于等于1500米）井底最大水平位移是多少探井（小于等于3000米）井底最大水平位移是多少 调整井井底最大水平位移是40米。探井井底最大水平位移80米。 12、目前大庆油田常用的固井方法有哪几种 （1）常规固井（2）双密度固井（变密度固井）（3）双级注固井（4）低密度固井（5）尾管固井 13、目前大庆油田形成几套固井工艺 （1）多压力层系调整井固井工艺技术。 （2）水平井固井工艺技术。 （3）斜直井固井工艺技术。 （4）小井眼固井工艺技术。 （5）深井及长封井固井工艺技术。 （6）欠平衡固井工艺技术。 14、水泥头是用来完成注水泥作业的专业工具，常用的有哪几种（1）简易水泥头；（2）单塞水泥头；（3）双塞水泥头；（4）尾管固井水泥头。 15、51/2″水泥头销子直径为多少毫米 51/2″水泥头销子直径为24mm。 16、常用的套管有哪些规格 5″、51/2″、7″、75/8″、85/8″、95/8″、103/4″、123/4″、133/8″、20″等。 17、简述技术套管及油层套管的作用 技术套管是封隔复杂地层，保证固井顺利进行，安装井口装置，支承油层套管重量，必要时可当油层套管使用。 油层套管是封隔油、气、水层与其它不同压力的地层，如因保护套管形成油气通道，满足开采和增产措施的需要。 18、常用扶正器的规格有哪些 5×51/4，51/2×71/2，51/2×81/2，51/2×93/4，95/8×121/4，133/8×173/4。