高温水泥浆体系
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发布时间：2022-04-24 01:03
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时间：2023-10-17 03:05
耐高温固井水泥由基本油井水泥H级、G级，外加一定量的外掺料（硅粉、密度调节剂等）及水泥外加剂来构成，其性能主要靠外掺料和外加剂进行调节。耐高温水泥的外加剂主要有降失水剂、缓凝剂、分散剂等。
（1）水泥浆体系
深井高温水泥浆体系主要包括以下几种：
1）超高密度水泥浆体系。深井注水泥常常遇到高压层，为保持井眼压力平衡，井内液柱压力需始终与地层压力保持平衡或略高于地层压力，常常需要使用超高密度水泥浆（<2.5g/cm3）。高密度水泥浆的实现一般是通过以下途径：①减少水灰比；②提高固体材料的堆积密度；③提高配浆水的密度；④外掺加重材料来完成。
2）防气窜水泥浆体系。为了解决高温高压井环空气窜的发生，目前国内外采用的防气窜剂主要包括以下几种触变性外加剂延迟胶凝材料铝粉混合物以及基质流动阻力剂或阻塞剂（胶乳外加剂）等。胶乳防窜水泥浆不仅具有良好的防窜性能，而且具有良好的失水控制和防漏失性能，可以改善水泥石的韧性，减小水泥环体积收缩，改善水泥环与套管、地层的胶结，同时也具有耐腐蚀性能，延长油井寿命。
3）柔性水泥浆体系。柔性水泥浆通常是在水泥浆中加人柔性外加剂、膨胀剂，以提供长期良好的层间封隔。该体系的特点是有弹性、没有收缩、渗透率极低，可以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，防止形成微环空。
4）特种水泥浆体系。对于井底静止温度在95～430℃的高温油气井，尤其是含有高浓度CO2的地热井，传统的水泥组成往往不能满足固井的需要，一般需在水泥中添加35%～40%的细硅砂或硅粉，将C/S比调到1.0～1.2，以保持良好的强度性能。此外，一种新型磷酸钙水泥材料和特种低密度水泥浆也被应用于此类固井中。
（2）外加剂体系
耐高温固井所用的降失水剂有两大类：一是颗粒材料，包括膨润土、石灰石粉、沥青质材料、热塑性树脂、聚合物微粒等；二是水溶性聚合物，包括纤维素衍生物、非离子合成聚合物、阴离子合成聚合物、阳离子聚合物等。20世纪90年代重点开发了合成聚合物类产品，因为天然聚合物及其改性产品可能因其原料的差异而导致性能不稳，并且在高温下其基本特性将受到破坏而导致失效，合成聚合物有超强的高温稳定性，而且重复生产的产品能一直保持理想的性能，降失水剂较多的是胶乳型高分子化合物、AMPS及乙烯类衍生物与不饱和酞胺、非饱和羧酸、不饱和醋、不饱和腈等的二元或多元共聚物，其抗温抗盐性均非常理想，使用温度可达230℃。国外几大固井公司如哈里伯顿、斯伦贝谢、菲利浦斯等都有抗高温的产品，如哈里伯顿的Halad-314L，SCR-100L，斯仑贝谢GASBLIOCK-D700等。
高温缓凝剂主要有木质素盐及其改性或辅以“增强剂”的产品、有机酸类、糖类化合物、纤维素衍生物、有机磷酸盐、合成聚合物等，其中AMPS与不饱和羧酸的共聚物以及合成有机磷酸盐等，抗温可达200多度。
（3）水泥浆配方与组成
水泥浆体系需要在高温下水泥浆稠化时间可调，失水量低，强度发展快，具有良好的综合性能。超深井高温水泥浆材料组成和功能见表5.1。
表5.1 高温固井水泥浆材料组成和功能
（4）水泥石高温安定性
水泥石高温强度降低主要有两方面的原因：①水泥石中的水化产物在高温下，由高钙硅比的水化物向低钙硅比的水化物转化，破坏了水泥石的原有结构，使水泥石的强度降低，这可以通过控制水泥浆中的钙硅比来解决；②由于外加剂的掺入，使水泥石中的某些水化产物的矿物结构发生变化或水化产物晶格存在缺陷，从而导致高温强度受到损害。对于第一种情况，通过掺入石英粉或硅粉来解决，高温水泥必须保证CaO/SiO2分子比在0.6～0.8，才能防止C—S—H在110℃时转化为α-C2SH，而形成一种雪硅钙石（C6S6H5），它使水泥保持较高的强度和低渗透率，当温度升至150℃时，雪硅钙石通常转化为硬硅钙石（C6S6H5）和少量的白钙沸石（C6S3H2），它们对水泥性能的衰退作用最小。
另外，从水泥石的X射线衍射分析可以看出，其水化产物主要为托勃莫莱石（14埃）和硬硅钙石等低碱性的硅酸钙水化物，这些水化产物均属于高温稳定的水化产物，外加剂的掺加不影响硅粉对高温下水泥石强度衰退的抑制作用，X衍射分析从微观结构上证明了该水泥浆体系的高温稳定性。
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时间：2023-10-17 03:05
耐高温固井水泥由基本油井水泥H级、G级，外加一定量的外掺料（硅粉、密度调节剂等）及水泥外加剂来构成，其性能主要靠外掺料和外加剂进行调节。耐高温水泥的外加剂主要有降失水剂、缓凝剂、分散剂等。
（1）水泥浆体系
深井高温水泥浆体系主要包括以下几种：
1）超高密度水泥浆体系。深井注水泥常常遇到高压层，为保持井眼压力平衡，井内液柱压力需始终与地层压力保持平衡或略高于地层压力，常常需要使用超高密度水泥浆（<2.5g/cm3）。高密度水泥浆的实现一般是通过以下途径：①减少水灰比；②提高固体材料的堆积密度；③提高配浆水的密度；④外掺加重材料来完成。
2）防气窜水泥浆体系。为了解决高温高压井环空气窜的发生，目前国内外采用的防气窜剂主要包括以下几种触变性外加剂延迟胶凝材料铝粉混合物以及基质流动阻力剂或阻塞剂（胶乳外加剂）等。胶乳防窜水泥浆不仅具有良好的防窜性能，而且具有良好的失水控制和防漏失性能，可以改善水泥石的韧性，减小水泥环体积收缩，改善水泥环与套管、地层的胶结，同时也具有耐腐蚀性能，延长油井寿命。
3）柔性水泥浆体系。柔性水泥浆通常是在水泥浆中加人柔性外加剂、膨胀剂，以提供长期良好的层间封隔。该体系的特点是有弹性、没有收缩、渗透率极低，可以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，防止形成微环空。
4）特种水泥浆体系。对于井底静止温度在95～430℃的高温油气井，尤其是含有高浓度CO2的地热井，传统的水泥组成往往不能满足固井的需要，一般需在水泥中添加35%～40%的细硅砂或硅粉，将C/S比调到1.0～1.2，以保持良好的强度性能。此外，一种新型磷酸钙水泥材料和特种低密度水泥浆也被应用于此类固井中。
（2）外加剂体系
耐高温固井所用的降失水剂有两大类：一是颗粒材料，包括膨润土、石灰石粉、沥青质材料、热塑性树脂、聚合物微粒等；二是水溶性聚合物，包括纤维素衍生物、非离子合成聚合物、阴离子合成聚合物、阳离子聚合物等。20世纪90年代重点开发了合成聚合物类产品，因为天然聚合物及其改性产品可能因其原料的差异而导致性能不稳，并且在高温下其基本特性将受到破坏而导致失效，合成聚合物有超强的高温稳定性，而且重复生产的产品能一直保持理想的性能，降失水剂较多的是胶乳型高分子化合物、AMPS及乙烯类衍生物与不饱和酞胺、非饱和羧酸、不饱和醋、不饱和腈等的二元或多元共聚物，其抗温抗盐性均非常理想，使用温度可达230℃。国外几大固井公司如哈里伯顿、斯伦贝谢、菲利浦斯等都有抗高温的产品，如哈里伯顿的Halad-314L，SCR-100L，斯仑贝谢GASBLIOCK-D700等。
高温缓凝剂主要有木质素盐及其改性或辅以“增强剂”的产品、有机酸类、糖类化合物、纤维素衍生物、有机磷酸盐、合成聚合物等，其中AMPS与不饱和羧酸的共聚物以及合成有机磷酸盐等，抗温可达200多度。
（3）水泥浆配方与组成
水泥浆体系需要在高温下水泥浆稠化时间可调，失水量低，强度发展快，具有良好的综合性能。超深井高温水泥浆材料组成和功能见表5.1。
表5.1 高温固井水泥浆材料组成和功能
（4）水泥石高温安定性
水泥石高温强度降低主要有两方面的原因：①水泥石中的水化产物在高温下，由高钙硅比的水化物向低钙硅比的水化物转化，破坏了水泥石的原有结构，使水泥石的强度降低，这可以通过控制水泥浆中的钙硅比来解决；②由于外加剂的掺入，使水泥石中的某些水化产物的矿物结构发生变化或水化产物晶格存在缺陷，从而导致高温强度受到损害。对于第一种情况，通过掺入石英粉或硅粉来解决，高温水泥必须保证CaO/SiO2分子比在0.6～0.8，才能防止C—S—H在110℃时转化为α-C2SH，而形成一种雪硅钙石（C6S6H5），它使水泥保持较高的强度和低渗透率，当温度升至150℃时，雪硅钙石通常转化为硬硅钙石（C6S6H5）和少量的白钙沸石（C6S3H2），它们对水泥性能的衰退作用最小。
另外，从水泥石的X射线衍射分析可以看出，其水化产物主要为托勃莫莱石（14埃）和硬硅钙石等低碱性的硅酸钙水化物，这些水化产物均属于高温稳定的水化产物，外加剂的掺加不影响硅粉对高温下水泥石强度衰退的抑制作用，X衍射分析从微观结构上证明了该水泥浆体系的高温稳定性。
