保护油气层的注水泥技术

衡量注水泥技术水平的主要标准是固井质量和减少对油气层的损害。要求注水泥施工后要形成一个完整的水泥环，使水泥与套管、水泥与井壁固结好，水泥胶结强度高，油气水层封隔好，不窜、不漏。注水泥还要能满足各种类型油气藏的需要，将各种类型油气藏井固好并减少损害。

要达到以上要求，就必须提高注水泥技术，提高注水泥技术水平要从改善水泥浆性能，实行合理压差固井，提高水泥浆顶替效率以及防止水泥浆失重引起的气窜等方面做好工作。

改善水泥浆性能要将国产油井水泥逐步向API油井水泥过渡，推广使用API水泥，还要推广使用油井水泥外加剂。

6．3．4．1　推广使用API油井水泥

（1）API油井水泥。API油井水泥标准，按适应井深范围划等级，根据C3A的含量分为普通型（O）、中抗硫酸盐型（MSR）及高抗硫酸盐型（HSR）三种型号。API油井水泥系列大致由以下几类水泥构成。

一类是基本水泥，如G、H级水泥，其化学性能、物理性能指标要求很严。G（HSR）油井水泥是API油井水泥系列中最重要的级别。该级水泥的优点如下：

1）化学成分及矿物组成控制严格，品质纯净；

2）生产中经多级均化处理，产品质地均匀；

3）有严格的烧成工艺和粉磨工艺；

4）施工性能优良，稠化曲线平稳，稠化时间、强度、流变性、密度、游离水等性能指标要求高，有利于注水泥施工；

5）与各种有机、无机外加剂有很好的配伍性；

6）体积收缩和抗腐蚀性有很大的改善。

基本油井水泥能与各种外加剂、外掺料配伍，适应于各种条件下的注水泥技术要求。

另一类属于其他规格的水泥，如A、B、C级为浅井水泥，适用于井深0～1830m，原为ASTMC150、TYPE－I（普通）、Ⅱ（中热）、Ⅲ（早强）硅酸盐水泥。这是早期的API油井水泥标准，是将建筑用硅酸盐水泥引用到油田固井使用，一直沿用至今。

D、E级为中深井油井水泥，较早称为缓凝水泥，由于标准中对它们的矿物组成及制造方法不如G、H级水泥性能指标要求严，因此，采用基本油井水泥加缓凝剂的方法制成这类油井水泥。现在，经API认可的油井水泥生产厂家，一般不再生产D、E、F级油井水泥。

J级油井水泥，是一种高温深井水泥，1974年才被列入油井水泥标准，化学成分至今尚未形成规格要求，物理性能指标也不完全。适应井深3660～4880m，不掺任何外加剂即能用于高温深井固井，若与缓凝剂或其他外加剂配合使用，可适用于更高温度的井深范围。

6．3．4．2　向API油井水泥过渡

我国的45℃、75℃、95℃、120℃油井水泥，经过多年的使用，基本上满足了各油田需要。但是随着油田类型的增多，特别是深井、稠油井、含盐岩层井的增加，国产油井水泥性能就显得不够适应。因此要使我国油井水泥逐步向API油井水泥过渡。我国油井从水泥标准、品种类型、化学成分以及物理性能与API油井水泥相比均有差距，主要表现在以下几个方面：

（1）化学成分方面。国产水泥的化学成分及矿物组成波动范围大，影响油井水泥的物理性能，流变性难以控制和预测。对碱和C3A含量没有严格要求，缺乏抗硫酸盐型号，不宜用于含盐地层、海洋或滨海地区和含有腐蚀水层的油井中。如使用，将会降低油气井水泥环对地层的封隔作用，缩短油井寿命。

由于化学成分要求不严，不仅影响油井水泥浆性质，而且使水泥与外加剂相容性变差。相容性差的原因是与水泥熟料矿物组分的吸附特性有关。在研究吸附问题时，须知道水泥颗粒表面各种矿物的表面比。但实际上各种矿物的表面比很难确定，简便的方法是用矿物组成的重量比代替，出于C3A及C4AF为水泥热料的中间相，与C3S和C2S结晶相相比，表面能高，因此吸附量大。

（2）物理性能方面。国产油井水泥试验条件与实际施工要求有差别，例如流动度和凝结时间是借用建筑水泥的检验方法，属于静态试验。与水泥浆在固井时所处的流动状态不相吻合，因此不能准确地指导固井施工。

API油井水泥标准是把水泥浆稠度达到100Bc的时间定为稠化时间，而水泥浆实际可泵稠度仅为50Bc。API油井水泥标准对稠化时间的要求，注水泥时间（施工时间）加1h至1．5h为稠化时间。由此可知，优质油井水泥不仅初始稠度和稠化时间必须同时满足要求，而且稠度小于50Bc的可泵送时间至少应大于稠化时间的75%，即从稠度50Bc升至100Bc的时间越短越好。

我国原标准用抗折强度测定水泥石力学性能，它没反映出水泥环柱在地层中所承受载荷状况，也没表明受工程载荷时所引起的应力变化。尽管过去人们对油井水泥强度要求不尽相同，但其共同的认识是，强度不是难以达到的指标。许多研究认为，油井水泥不一定需要具备很高的强度。早在1946年美国的佛利斯通过实验提出，水泥环柱的平均抗压强度只要达到0．056MPa时，就能支撑住套管柱。此后的研究表明，油井水泥具备3．5MPa抗压强度时，即可安全地承受二次钻进的钻压等轴向载荷，抗压强度达到14MPa则能经受得住射孔、挤水泥、酸化压裂等强烈的井下作业。API油井水泥标准强度以抗压强度为标准。

我国原标准没有提出游离水的指标要求，而API油井水泥标准对G、H级水泥提出了游离水最大含量不得超过1．4%的要求，避免了在水泥柱中形成水环或水带，有利于提高固井质量。在定向井、大斜度井和水平井注水泥作业中，要求水泥浆自由水为零，失水量也要控制在较低的范围内。

超过油井水泥配浆标准要求的水灰比，配浆时为了控制游离水，可加入保水性材料如膨润土等。

（3）制造工艺方面。我国油井水泥磨制时，除15℃油井水泥外，其他三种油井水泥均掺有活性混合物，API油井水泥标准规定各级水泥磨制时，都不能掺任何混合料。G、H、J级水泥连助磨剂也禁止掺入。因此，API油井水泥比我国原标准生产的油井水泥成分纯，性能稳定，与外加剂的相容性好。

综上所述，我国原有油井水泥标准系列品种不全，性能指标及试验方法与实际注水泥条件要求不一致，加上化学成分要求不严，水泥性能不易稳定。同一品种油井水泥，出于不同厂家生产的产品，其性能相差很大，即使同一品种同一厂家的产品，由于批号不同，性能也不一样。这样在实际使用时就难以掌握，有的油田曾因此出过固井事故。

6．3．4．3　使用外加剂改善水泥浆性能

由于浅层油气的大量开发，促使人们向深层、向更为复杂的地层去获得油气资源。因此，钻井遇到的情况越来越复杂，从而给固井带来越来越大的困难。如调整井固井，低压易漏失井固井，高压油气井固井，稠油井固井，穿越盐岩层、水敏性页岩层井固井，超深井固井及定向井和水平井固井等。为了保证固井质量和施工顺利，防止油气层损害，仅用油井水泥固井是难以胜任的。只有在油井水泥中添加各种外加剂、外掺料，改善、改变油井水泥的性能，使其符合特定井的要求，才能达到提高固井质量和保护油气层的目的。