2.5　油井水泥

石油與天然氣的勘探開發、生產、供應和安全直接關系著國家經濟發展的命脈，油井水泥在固井工程中發揮著重要作用。固井是通過在套管與地層之間的環空注入水泥漿，起到封隔油氣水層、建立油氣流出通道、防止產層間互竄、保護套管等作用。因此，在固井工程中要求油井水泥漿具有較低的稠度，適宜的稠化時間和較高的抗壓強度。油井水泥的特點是由其使用環境決定的，油井底部的溫度和壓力隨著井深的增加而提高，井深度每增加100m，溫度約提高3℃、壓力增加1.0～2.0MPa，如井深達到7000m以上時，井底溫度可達200℃以上，壓力可達120MPa以上，因此高溫高壓等對油井水泥的性能提出了更高要求。

2.5.1　油井水泥標準

20世紀80年代，國際上油井水泥標準主要分為兩大體系，一標準體系是以蘇聯為代表的“堵塞水泥標準（GOST 標準）”體系；另一標準體系是以美國石油學會為代表的“油井水泥材料和試驗規范（API 10A）”體系，API 10A不僅嚴格規定了各級別油井水泥的化學成分及礦物組成要求，而且還根據石油工業固井施工的特殊要求，規定了注水泥安全性的初始稠度、稠化時間、游離液含量、抗壓強度和抗硫酸鹽類型等性能指標，而這些物理性能的試驗方法是按照模擬實際固井情況所進行不同溫度和壓力條件下的動態試驗，能夠保證注水泥作業的安全和固井質量的可靠性。因此，API 10A標準具有一致公認的科學性、先進性和準確性，得到了世界上絕大多數石油工業國的承認和采用，并被國際標準化組織采用為ISO 10426-1國際標準。

我國現行GB/T 10238—2015《油井水泥》標準將油井水泥分為A、B、C、D、G和H六個級別，不同級別的油井水泥又分為普通型（O型）、中抗硫酸鹽型（MSR）和高抗硫酸鹽型（HSR）。其中，G級和H級水泥是“基本油井水泥”，有中抗硫酸鹽型（MSR）和高抗硫酸鹽型（HSR）兩種。不同級別水泥的化學要求見表2-34，物理性能要求見表2-35。

③ 最大稠化時間。

2.5.2　主要技術特性

固井是通過在套管與地層之間的環空注入水泥漿，從而形成油氣通道。油井水泥在固井中主要起到以下三個作用：①使環形空間注滿水泥漿；②水泥漿凝結后起到封隔油氣水層的作用；③保護套管。固井工程施工示意圖見圖2-22。因此，油井水泥的性能與固井作業有著直接關系，是固井設計、安全施工、保證固井質量的關鍵指標。要求油井水泥應具有適宜的稠化時間，以滿足作業時間要求；應具有足夠的抗壓強度，以保證水泥與套管的膠結牢固程度等。

2.5.2.1　稠化時間

稠化時間是指油井水泥與一定比例的水混合后在規定的溫度和壓力下稠度達到100Bc時所用的時間。由于稠化時間是在模擬不同井深的高溫高壓下進行的，與現場固井施工過程極其近似，水泥漿的稠化時間是控制注水泥施工時間的依據，對固井施工的安全具有切實指導意義，因此，稠化時間是評價油井水泥性能的最重要指標。

影響油井水泥稠化時間的因素較多，最主要的影響因素是熟料礦物組成。油井水泥礦物組成對稠化時間的影響見表2-36。

決定稠化時間的主要礦物為C3S和C3A，隨C3A含量增大，稠化時間逐漸減小。這是由于C3A水化速度較快，對水泥漿體的初始稠度影響較大，如果C3A含量較高，加水攪拌后C3A迅速水化會生成大量片狀的水化鋁酸鈣，導致稠化時間變短。當加入適量石膏后，C3A的水化速度被抑制，則稠化時間由C3S的含量決定。

2.5.2.2　游離液

游離液是指在靜置條件下從水泥漿中析出的有色或無色液體。只有屬于“基本油井水泥”的G級和H級油井水泥有游離液的規定（≤5.9%）。游離液的主要影響因素有油井水泥礦物組成、溫度和水灰比等，其中水灰比對游離液的影響最為顯著。水灰比對G級油井水泥游離液的影響見表2-37。

當油井水泥礦物組成在一定范圍時，隨著水灰比的增加，游離液含量逐漸增加。在固井工程中，為減輕或預防在井身上段部位和正在凝結過程的水泥中形成水帶，應適當控制游離液含量。

2.5.2.3　抗壓強度

抗壓強度是指油井水泥經規定的溫度和時間的養護后在外力施壓時達到的強度極限。各級別油井水泥的強度指標是為保證套管與井壁的牢固膠結，以及在鉆進和射孔時所必需的穩定性，同時還能有效地封隔滲透性巖層。影響油井水泥抗壓強度最主要的因素是熟料礦物組成。硅酸鹽礦物的含量是決定水泥強度的主要因素，一般認為C3S不僅影響早期強度，而且也影響水泥的后期強度，而C2S對早期強度影響不大，而是決定后期強度的主要因素，C3A含量對水泥早期強度的影響較大。礦物組成對G級油井水泥抗壓強度的影響見表2-38。

由表2-38可見，隨著水泥礦物組成中C3S含量的增大，38℃養護和60℃養護下抗壓強度均逐漸增大。

2.5.2.4　生產與應用

（1）生產

目前我國生產油井水泥的企業有20多家，主要生產的級別有A級、D級和G級高抗油井水泥，其中G級水泥用量占油井水泥總用量的95%左右。油井水泥的生產工藝流程與普通硅酸鹽水泥基本相同，只是在某些環節上有特殊的工藝要求和技術要求。以G級油井水泥的生產為例，主要有以下特殊要求：

① 原燃材料要求　為滿足低鋁率、高飽和比和低液相的配料要求，對生產所用的原料和燃料要求石灰石的CaO含量應≥50%，燃煤的灰分應≤20%，石膏中SO3含量應≥40%。

② 生料要求　G級和H級高抗油井水泥熟料礦物組成中C3S含量應在55%～67%，C3A含量為1%～2%。應嚴格控制出磨生料的合格率，出磨生料細度應控制在8%以下，以利于熟料煅燒。

③ 熟料煅燒要求　在熟料煅燒過程中，粉煤細度應控制在5%以下。應適當減少喂料量，同時避免窯內還原氣氛。出窯熟料應迅速冷卻，以提高熟料的活性。應控制熟料的升重和游離氧化鈣含量。

④ 水泥粉磨要求　在水泥粉磨時應有效控制水泥的粉磨細度和較好的顆粒級配，應加強磨機的降溫和出磨水泥的降溫，以防止或降低二水石膏的脫水。

（2）應用

據統計，目前我國油井水泥的年用量約300萬噸，其中G級油井水泥由于可以與外加劑或外摻料相混合后用于各種條件下的注水泥漿設計，因此是國內各油田應用最廣和應用最多的水泥。A級油井水泥在我國大慶、吉林等油田的表層固井中被廣泛應用，H級油井水泥雖然也可以與外加劑或外摻料混合使用，但是我國油氣井固井工程習慣采用G級油井水泥，而限制了H級油井水泥的廣泛使用，只在新疆等少數油田中應用過。D級水泥也稱中深井水泥，在中原、吐哈等油田有過應用。其余B級和C級油井水泥在油氣井固井工程中很少使用。各類特種油井水泥雖然使用量較小，但是在各大油田的針對某些特殊環境的固井工程中都有所涉及。見圖2-23～圖2-28。

2.5.3　特種油井水泥

隨著石油和天然氣開采地質環境的復雜化和深度化，地下巖層結構不斷復雜和溫度壓力不斷增加，復雜地質環境下油氣資源的開采被認為是石油工業的一個重要前沿領地，是世界各國競相爭奪的戰略制高點。但是高溫高壓、高酸性氣體等侵蝕介質侵蝕和熱力破壞對固井工程質量造成嚴重影響。因此，近年來世界各國研發了高溫油井水泥、柔性油井水泥和超細油井水泥等特種油井水泥以滿足復雜固井環境的施工需求。

2.5.3.1　高溫油井水泥

固井水泥石高溫穩定性是影響水泥環層間封隔性能和油氣井壽命的主要原因之一。隨著溫度的升高，水泥環在高溫下產生水泥石滲透率增加、水泥石強度下降以及水泥與套管的膠結強度降低等問題。在高溫環境下，當水泥石滲透率增大到大于地層的滲透率時，出現水泥環封隔失效，危及開采安全，嚴重影響油井生產壽命。

高溫油井水泥是指使用于井底靜止溫度大于110℃的油氣井固井工程的特種油井水泥。由于地下巖層結構復雜，地下層環境的溫度和壓力隨著深度增加不斷變化。在高溫條件下水泥石的強度分別在臨界點（110℃和150℃）發生兩次明顯衰退，這是由于當溫度較高時，水泥水化產物結晶完善程度受到限制，晶體脫水，水泥石孔隙增大等。

高溫油井水泥有兩種制備方法，一是采用硅酸鹽水泥熟料加適量的石膏和石英砂共同磨細制成，或用普通油井水泥與石英砂混合制成；另一種是利用工業廢渣與石英砂共同粉磨制成。高溫油井水泥的特點是在150℃以上的高溫和35.6MPa的高壓條件下仍具有良好的強度穩定性。國內有研究機構通過開發配套的穩定劑、分散劑、消泡劑等，配制出的水泥漿可用于170℃以上的固井溫度，具有良好的防氣竄性、失水性能和穩定性，稠化時間可調，已在遼河油田等固井工程中應用，效果良好。

2.5.3.2　柔性油井水泥

在高溫油井、高溫氣采井或地熱井（溫度高于300℃） 中，水泥漿在井下凝固后，由于井下溫度、壓力的變化將導致過大的應力，破壞水泥環的整體性，從而導致層間封隔失效，甚至擠毀套管。在沒有化學損害的情況下，引起層間封隔失效的原因是水泥本身的力學失效、水泥與套管膠結質量差等，這些都可能會導致裂縫形成和體積過量收縮形成微環空，為流體連通提供通道。

柔性油井水泥是指在水泥漿凝固時產生體積膨脹的水泥體系。油井水泥漿硬化后環空水泥石體積收縮不僅使界面膠結不良，地層封隔可能失效，同時，由于水泥石內微裂隙的增多而引起水泥石抗滲透、抗腐蝕及抗壓強度的下降。柔性油井水泥在水泥水化過程中，由于所添加的外加劑和膨脹劑等發生化學反應，水泥體積膨脹產生的化學預應力，可以增強環空與套管、地層的膠結力，避免由于井眼壓力增加或溫度升高引起的應力損壞水泥環。柔性油井水泥通常是在油井水泥中加入柔性外加劑（如硫化橡膠） 、膨脹劑后共同制成的特種油井水泥。試驗表明，在給定的密度下，柔性外加劑摻量越高，水泥的彈性越高，而相應的抗壓強度則越低。在柔性油井水泥中增加膨脹劑對提高柔性水泥的線膨脹性能更有效。

國內外固井公司通過水泥增韌機理研究，開發水泥系列增韌材料，在改善水泥石力學性能的基礎上，工程性能可以保證施工安全及滿足環空封固的需要，目前已在儲氣庫井、頁巖氣井和致密油氣井固井中得到了應用。

2.5.3.3　超細油井水泥

在油田高含水開發期，存在不同類型的水竄、水害，常規的化學堵水、普通水泥封堵、機械封堵等已無法保證工程質量。而且普通油井水泥顆粒較大，不能進入微通道，成功率較低，而超細水泥顆粒直徑比普通水泥小得多，適合于普通油水井的修復、堵水及高含水層的封堵，是一種用于修井封堵的新型材料。

超細油井水泥是水泥顆粒大小分布于1～20μm范圍、平均比表面積在600m2/kg以上的水泥體系，是油井水泥的再次粉碎產物，是更加細化的產品。超細油井水泥不僅具有造漿性能好，固結過程不析水，抗滲性強的優勢，而且水泥漿可泵性好，具有良好的流變性和較高的抗壓強度。可用于封堵套管滲漏和狹窄的縫隙，滲入砂石以隔離流體以及擠入微孔通道等。

超細油井水泥既可以采用延長油井水泥粉磨時間的方法生產，也可以通過油井水泥的顆粒分級或選粉生產。按組分可以分為超細高爐礦渣水泥和超細硅酸鹽油井水泥等，具有密度低和膠凝強度發展快等優點。超細油井水泥可用于高溫深井作業和礫石充填層補注水泥及油氣井的堵水作業等。比如，某口高溫深井固井中使用了超細油井水泥，有效解決了套管環空引起的泄漏，確保了套管的完整性，并恢復了套管內壓力，經濟效益顯著。