2.5　油井水泥

石油与天然气的勘探开发、生产、供应和安全直接关系着国家经济发展的命脉，油井水泥在固井工程中发挥着重要作用。固井是通过在套管与地层之间的环空注入水泥浆，起到封隔油气水层、建立油气流出通道、防止产层间互窜、保护套管等作用。因此，在固井工程中要求油井水泥浆具有较低的稠度，适宜的稠化时间和较高的抗压强度。油井水泥的特点是由其使用环境决定的，油井底部的温度和压力随着井深的增加而提高，井深度每增加100m，温度约提高3℃、压力增加1.0～2.0MPa，如井深达到7000m以上时，井底温度可达200℃以上，压力可达120MPa以上，因此高温高压等对油井水泥的性能提出了更高要求。

2.5.1　油井水泥标准

20世纪80年代，国际上油井水泥标准主要分为两大体系，一标准体系是以苏联为代表的“堵塞水泥标准（GOST 标准）”体系；另一标准体系是以美国石油学会为代表的“油井水泥材料和试验规范（API 10A）”体系，API 10A不仅严格规定了各级别油井水泥的化学成分及矿物组成要求，而且还根据石油工业固井施工的特殊要求，规定了注水泥安全性的初始稠度、稠化时间、游离液含量、抗压强度和抗硫酸盐类型等性能指标，而这些物理性能的试验方法是按照模拟实际固井情况所进行不同温度和压力条件下的动态试验，能够保证注水泥作业的安全和固井质量的可靠性。因此，API 10A标准具有一致公认的科学性、先进性和准确性，得到了世界上绝大多数石油工业国的承认和采用，并被国际标准化组织采用为ISO 10426-1国际标准。

我国现行GB/T 10238—2015《油井水泥》标准将油井水泥分为A、B、C、D、G和H六个级别，不同级别的油井水泥又分为普通型（O型）、中抗硫酸盐型（MSR）和高抗硫酸盐型（HSR）。其中，G级和H级水泥是“基本油井水泥”，有中抗硫酸盐型（MSR）和高抗硫酸盐型（HSR）两种。不同级别水泥的化学要求见表2-34，物理性能要求见表2-35。

③ 最大稠化时间。

2.5.2　主要技术特性

固井是通过在套管与地层之间的环空注入水泥浆，从而形成油气通道。油井水泥在固井中主要起到以下三个作用：①使环形空间注满水泥浆；②水泥浆凝结后起到封隔油气水层的作用；③保护套管。固井工程施工示意图见图2-22。因此，油井水泥的性能与固井作业有着直接关系，是固井设计、安全施工、保证固井质量的关键指标。要求油井水泥应具有适宜的稠化时间，以满足作业时间要求；应具有足够的抗压强度，以保证水泥与套管的胶结牢固程度等。

2.5.2.1　稠化时间

稠化时间是指油井水泥与一定比例的水混合后在规定的温度和压力下稠度达到100Bc时所用的时间。由于稠化时间是在模拟不同井深的高温高压下进行的，与现场固井施工过程极其近似，水泥浆的稠化时间是控制注水泥施工时间的依据，对固井施工的安全具有切实指导意义，因此，稠化时间是评价油井水泥性能的最重要指标。

影响油井水泥稠化时间的因素较多，最主要的影响因素是熟料矿物组成。油井水泥矿物组成对稠化时间的影响见表2-36。

决定稠化时间的主要矿物为C3S和C3A，随C3A含量增大，稠化时间逐渐减小。这是由于C3A水化速度较快，对水泥浆体的初始稠度影响较大，如果C3A含量较高，加水搅拌后C3A迅速水化会生成大量片状的水化铝酸钙，导致稠化时间变短。当加入适量石膏后，C3A的水化速度被抑制，则稠化时间由C3S的含量决定。

2.5.2.2　游离液

游离液是指在静置条件下从水泥浆中析出的有色或无色液体。只有属于“基本油井水泥”的G级和H级油井水泥有游离液的规定（≤5.9%）。游离液的主要影响因素有油井水泥矿物组成、温度和水灰比等，其中水灰比对游离液的影响最为显著。水灰比对G级油井水泥游离液的影响见表2-37。

当油井水泥矿物组成在一定范围时，随着水灰比的增加，游离液含量逐渐增加。在固井工程中，为减轻或预防在井身上段部位和正在凝结过程的水泥中形成水带，应适当控制游离液含量。

2.5.2.3　抗压强度

抗压强度是指油井水泥经规定的温度和时间的养护后在外力施压时达到的强度极限。各级别油井水泥的强度指标是为保证套管与井壁的牢固胶结，以及在钻进和射孔时所必需的稳定性，同时还能有效地封隔渗透性岩层。影响油井水泥抗压强度最主要的因素是熟料矿物组成。硅酸盐矿物的含量是决定水泥强度的主要因素，一般认为C3S不仅影响早期强度，而且也影响水泥的后期强度，而C2S对早期强度影响不大，而是决定后期强度的主要因素，C3A含量对水泥早期强度的影响较大。矿物组成对G级油井水泥抗压强度的影响见表2-38。

由表2-38可见，随着水泥矿物组成中C3S含量的增大，38℃养护和60℃养护下抗压强度均逐渐增大。

2.5.2.4　生产与应用

（1）生产

目前我国生产油井水泥的企业有20多家，主要生产的级别有A级、D级和G级高抗油井水泥，其中G级水泥用量占油井水泥总用量的95%左右。油井水泥的生产工艺流程与普通硅酸盐水泥基本相同，只是在某些环节上有特殊的工艺要求和技术要求。以G级油井水泥的生产为例，主要有以下特殊要求：

① 原燃材料要求　为满足低铝率、高饱和比和低液相的配料要求，对生产所用的原料和燃料要求石灰石的CaO含量应≥50%，燃煤的灰分应≤20%，石膏中SO3含量应≥40%。

② 生料要求　G级和H级高抗油井水泥熟料矿物组成中C3S含量应在55%～67%，C3A含量为1%～2%。应严格控制出磨生料的合格率，出磨生料细度应控制在8%以下，以利于熟料煅烧。

③ 熟料煅烧要求　在熟料煅烧过程中，粉煤细度应控制在5%以下。应适当减少喂料量，同时避免窑内还原气氛。出窑熟料应迅速冷却，以提高熟料的活性。应控制熟料的升重和游离氧化钙含量。

④ 水泥粉磨要求　在水泥粉磨时应有效控制水泥的粉磨细度和较好的颗粒级配，应加强磨机的降温和出磨水泥的降温，以防止或降低二水石膏的脱水。

（2）应用

据统计，目前我国油井水泥的年用量约300万吨，其中G级油井水泥由于可以与外加剂或外掺料相混合后用于各种条件下的注水泥浆设计，因此是国内各油田应用最广和应用最多的水泥。A级油井水泥在我国大庆、吉林等油田的表层固井中被广泛应用，H级油井水泥虽然也可以与外加剂或外掺料混合使用，但是我国油气井固井工程习惯采用G级油井水泥，而限制了H级油井水泥的广泛使用，只在新疆等少数油田中应用过。D级水泥也称中深井水泥，在中原、吐哈等油田有过应用。其余B级和C级油井水泥在油气井固井工程中很少使用。各类特种油井水泥虽然使用量较小，但是在各大油田的针对某些特殊环境的固井工程中都有所涉及。见图2-23～图2-28。

2.5.3　特种油井水泥

随着石油和天然气开采地质环境的复杂化和深度化，地下岩层结构不断复杂和温度压力不断增加，复杂地质环境下油气资源的开采被认为是石油工业的一个重要前沿领地，是世界各国竞相争夺的战略制高点。但是高温高压、高酸性气体等侵蚀介质侵蚀和热力破坏对固井工程质量造成严重影响。因此，近年来世界各国研发了高温油井水泥、柔性油井水泥和超细油井水泥等特种油井水泥以满足复杂固井环境的施工需求。

2.5.3.1　高温油井水泥

固井水泥石高温稳定性是影响水泥环层间封隔性能和油气井寿命的主要原因之一。随着温度的升高，水泥环在高温下产生水泥石渗透率增加、水泥石强度下降以及水泥与套管的胶结强度降低等问题。在高温环境下，当水泥石渗透率增大到大于地层的渗透率时，出现水泥环封隔失效，危及开采安全，严重影响油井生产寿命。

高温油井水泥是指使用于井底静止温度大于110℃的油气井固井工程的特种油井水泥。由于地下岩层结构复杂，地下层环境的温度和压力随着深度增加不断变化。在高温条件下水泥石的强度分别在临界点（110℃和150℃）发生两次明显衰退，这是由于当温度较高时，水泥水化产物结晶完善程度受到限制，晶体脱水，水泥石孔隙增大等。

高温油井水泥有两种制备方法，一是采用硅酸盐水泥熟料加适量的石膏和石英砂共同磨细制成，或用普通油井水泥与石英砂混合制成；另一种是利用工业废渣与石英砂共同粉磨制成。高温油井水泥的特点是在150℃以上的高温和35.6MPa的高压条件下仍具有良好的强度稳定性。国内有研究机构通过开发配套的稳定剂、分散剂、消泡剂等，配制出的水泥浆可用于170℃以上的固井温度，具有良好的防气窜性、失水性能和稳定性，稠化时间可调，已在辽河油田等固井工程中应用，效果良好。

2.5.3.2　柔性油井水泥

在高温油井、高温气采井或地热井（温度高于300℃） 中，水泥浆在井下凝固后，由于井下温度、压力的变化将导致过大的应力，破坏水泥环的整体性，从而导致层间封隔失效，甚至挤毁套管。在没有化学损害的情况下，引起层间封隔失效的原因是水泥本身的力学失效、水泥与套管胶结质量差等，这些都可能会导致裂缝形成和体积过量收缩形成微环空，为流体连通提供通道。

柔性油井水泥是指在水泥浆凝固时产生体积膨胀的水泥体系。油井水泥浆硬化后环空水泥石体积收缩不仅使界面胶结不良，地层封隔可能失效，同时，由于水泥石内微裂隙的增多而引起水泥石抗渗透、抗腐蚀及抗压强度的下降。柔性油井水泥在水泥水化过程中，由于所添加的外加剂和膨胀剂等发生化学反应，水泥体积膨胀产生的化学预应力，可以增强环空与套管、地层的胶结力，避免由于井眼压力增加或温度升高引起的应力损坏水泥环。柔性油井水泥通常是在油井水泥中加入柔性外加剂（如硫化橡胶） 、膨胀剂后共同制成的特种油井水泥。试验表明，在给定的密度下，柔性外加剂掺量越高，水泥的弹性越高，而相应的抗压强度则越低。在柔性油井水泥中增加膨胀剂对提高柔性水泥的线膨胀性能更有效。

国内外固井公司通过水泥增韧机理研究，开发水泥系列增韧材料，在改善水泥石力学性能的基础上，工程性能可以保证施工安全及满足环空封固的需要，目前已在储气库井、页岩气井和致密油气井固井中得到了应用。

2.5.3.3　超细油井水泥

在油田高含水开发期，存在不同类型的水窜、水害，常规的化学堵水、普通水泥封堵、机械封堵等已无法保证工程质量。而且普通油井水泥颗粒较大，不能进入微通道，成功率较低，而超细水泥颗粒直径比普通水泥小得多，适合于普通油水井的修复、堵水及高含水层的封堵，是一种用于修井封堵的新型材料。

超细油井水泥是水泥颗粒大小分布于1～20μm范围、平均比表面积在600m2/kg以上的水泥体系，是油井水泥的再次粉碎产物，是更加细化的产品。超细油井水泥不仅具有造浆性能好，固结过程不析水，抗渗性强的优势，而且水泥浆可泵性好，具有良好的流变性和较高的抗压强度。可用于封堵套管渗漏和狭窄的缝隙，渗入砂石以隔离流体以及挤入微孔通道等。

超细油井水泥既可以采用延长油井水泥粉磨时间的方法生产，也可以通过油井水泥的颗粒分级或选粉生产。按组分可以分为超细高炉矿渣水泥和超细硅酸盐油井水泥等，具有密度低和胶凝强度发展快等优点。超细油井水泥可用于高温深井作业和砾石充填层补注水泥及油气井的堵水作业等。比如，某口高温深井固井中使用了超细油井水泥，有效解决了套管环空引起的泄漏，确保了套管的完整性，并恢复了套管内压力，经济效益显著。