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油井水泥的各种型号及作用

2020-09-15 09:32 作者:1980彩平台 点击:

  各级油井水泥的性能及应用范围 1 API A 级油井水泥 A 级油井水泥属硅酸盐水泥系列, 只有普通型一种(与 ASTM 标准的 I 型水泥相似), 其 物理化学性能在表 2-1 和 2-3 中已描述这里不再重复。一般来说,A 级水泥具有可泵性 好、凝结硬化快及早期强度高的特点,对于高压井效果特别好,有利于防止油、气上 窜,提高固井质量。在没有特殊要求的条件下,使用深度从地面到井深 1830m,仅作 为普通类型水泥使用。下面介绍一下 A 级油井水泥的生产工艺。 A 级油井水泥的生产对原料、燃料和生料的质量要求,熟料的煅烧,水泥的制成和装 运等过程都有严格的要求。 (1)原料、燃料和生料的质量要求 虽然 API Spec10 中对 A 级水泥没有明确的矿物组成规定,但水泥的性能要求对原料、 燃料和生料有一定的质量控制。 石灰石:CaO≥52% 铁粉:Fe2O3≥55% 燃煤:灰分≤20% 粘 土:Al2O3 13%~14% 二水石膏:SO3≥40% 热值 ≥25080 kJ/kg 生料组成按计算熟料矿物组成为:C3S 53%~60%;C2S 20%~13%;C4AF l4%~12%; f-CaO≤1.0%配料较好;生料细度≤10%;CaCO3 滴定值±0.5%;Fe2O3 滴定值±0.2%。 (2)熟料的煅烧 严格规定窑的热工制度,适当提高烧成温度,在稳定料量前提下,采用“薄料快转长焰 顺烧”的操作方法,使熟料结粒均齐,立升重保证在 1450~1550g/L,f-CaO≤1.0%。值得 注意的是窑灰应均匀入窑,避免造成熟料成分波动,且应剔除不合格熟料。 (3)水泥的制成和装运 水泥细度按比表面积控制为 35~370m2/kg,0.08mm 方孔筛筛余 4%~6%,水中 SO3 控制 为 2.2%~2.5%。包装和储运应注意避免混入杂物和受潮。 2 B 级油井水泥 B 级油井水泥的适用油井深度与 A 级水泥相同,但它还具有抗硫酸盐的性能。B 级油 井水泥分为中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型两种,适用于从地面到井深 1830m,B 级水 泥与 ASTM 标准中Ⅱ型相似。下文以中抗硫酸盐 B 级油井水泥为例进行说明。 (1)中抗硫酸盐型 B 级油井水泥的技术要求 在化学性能方面,中抗硫酸盐型 B 级水泥要求 C3A≤8%,SO3≤3.0%,其它指标与 A 级 水泥化学性能要求情况相同。物理性能与 A 级水泥不同的是水泥比表面积≥l60m2/kg, 而 38℃常压下,8h 抗压强度≥1.4MPa,24h 抗压强度≥10.3MPa。 (2)影响 B 级油井水泥物理性能的因素 影响 B 级油井水泥物理性能的因素石膏掺量和水泥的细度。石膏掺量的确定应以获得 最高抗压强度为依据,通过实验确定。而细度则影响水泥的稠度、抗压强度、稠化时 间等。实验结果表明,水泥细度增加时,稠度和抗压强度增加,而稠化时间却随之缩 短。显然,细度控制的最优范围应该是稠度、稠化时间和抗压强度三者的最佳匹配点。 (3)中抗硫酸盐型 B 级油井水泥的生产工艺要求 与 A 级油井水泥相比,中抗硫酸盐型 B 级油井水泥在原料、燃料和熟料品质的要求上 基本一致, 只是要求熟料中 C3A 含量低, 故要求粘土质原料中 SiO2≥65%, 2O3≤13%, Al 熟料矿物组成控制在 C3S 53%~60%,C2S13%~20%,C3A≤6%,C4AF 15%~17%, f-CaO≤1%。粉磨水泥过程中,要尽量防止石膏脱水,入磨熟料温度须严格控制,水泥 中 SO3 含量应控制在 2.1%~2.4%。 3 C 级油井水泥 C 级油井水泥适用的井深范围为地面至 1830m 深度,分为普通型、中抗硫酸盐型和高 抗硫酸盐型三种类型,C 级水泥中 C3A 含量和比表面积均较高,因此具有早强特性。C 级水泥大致相当于 ASTM 标准的Ⅲ型水泥。为了满足早强和抗硫酸盐的要求,一般是 采用烧制特定组成的熟料和高细磨来生产 C 级油井水泥。 影响 C 级油井水泥性能的主要因素包括熟料,石膏掺量和水泥细度等等。 (1)熟料 不同类型的 C 级油井水泥有不同的特性要求, 其主要的区别在于抗硫酸盐性能的强弱。 从熟料组成角度,可以通过调整 C3A 的含量来控制水泥的抗硫酸盐性能,同时为保证 熟料的强度,还要求足够的 C3S 含量,因其对水泥的 24h 抗压强度有显著影响,故必 须保证熟料的饱和比 KH≥0.90。 (2)石膏掺量水泥细度 石膏掺量对水泥物理性能影响显著,石膏掺量增加,水泥性能明显改善,不仅稠化时 间延长,而且抗压强度提高。研究表明:当水泥中 SO3 含量从 1.5%增加至 3.0%时,各 种类型 C 级水泥的稠化时间约延长 60%左右,抗压强度增长 10%~30%,特别是 8h 抗 压强度增长极高。因此,C 级油井水泥的 SO3 含量宜控制在 2.5%~3.0%。 (3)水泥细度 为了保证水泥具有较高的早期强度,C 级水泥需磨得很细,一般控制比表面积为 440~460m2/kg,此时水泥 8h 抗压强度可达 4~8MPa,24h 相应值达 14~17MPa。应该强 调的是,C 级油井水泥粉磨时采用助磨剂十分必要,否则粉磨效率显著下降,电耗急 剧上。掺加适量三乙醇胺作助磨剂,可以有效缩短粉磨时间,对提高水泥抗压强度也 十分有利。 4 D、E、F 级油井水泥 、 、 D、E、F 三个级别的油井水泥为适用于中深井和探井条件下的水泥品种,三种级别的 油井水泥各自又分为中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型油井水泥。 D、E、F 级水泥都称为“缓凝水泥”,适用于较深的井。通过大幅度降低水化速度快的 C3S 和 C3A 的含量并增大水泥粒度等方法而达到缓凝的目的。目前由于缓凝剂开发和 使用技术有了很大的发展,故此类水泥的使用量下降。 D 级油井水泥在中等温度和压力下,用于 3050~4880m 井深。也可作为 MSR 和 HSR 类型水泥使用。 E 级油井水泥在高温高压下, 用于 3050~4880m 井深。 也可作为 MSR 和 HSR 类型水泥。 F 级油井水泥适用于更高温度和压力下, 用于 3050~4880m 井深。 也可作为 MSR 和 HSR 类型水泥。 D、E、F 级油井水泥的主要技术性能要求详见表 2-1 和 2-3。这里特别提出的是 D、E、 F 级油井水泥在非 API 规定条件下的一些物理性能(表 2-5),对生产、应用都有很好的 参考价值。 表 2-5D、E、F 级油井水泥物理性能要求 、 、 水泥级别 水泥物理性能 D 用水量(按水泥质量计)(%) 安定性(压蒸膨胀最大值)(%) 15~30min 稠度最大值(BC) 稠化时间 45℃、26.7MPa 最小值 38 0.80 30 90 E 38 0.80 30 - F 38 0.80 30 - (min) 62℃、51.6MPa 最小值 97℃、92.3MPa 最小值 100 - 100 154 - 6.9 - - 3.5 13.8 - - 100 - 190 120℃、111.3MPa 最小值 - 77℃、 20.7MPa 110℃、 抗压强度 (MPa) 20.7MPa 143℃、 20.7MPa 160℃、 20.7MPa 8 h 最小值 3.5 24h 最小值 6.9 - 6.9 - - 3.5 6.9 24h 最小值 13.8 8 h 最小值 - 24h 最小值 - 8 h 最小值 - 24h 最小值 - D、E、F 级油井水泥的配制和其他级别的水泥不一样。D、F、F 三个级别油井水泥适 用于较高温度和压力条件下的中、深井注水泥作业。如前所述,一般的油井水泥浆体 在高温高压水热条件下水化硬化时,会出现稠化时间缩短,水泥抗压强度随温度升高 而衰减的现象。主要是由于温度和压力作用改变了水泥水化进程和水化产物的组成与 形貌构造所致。为了满足高温高压条件下的注水泥质量,必须根据具体的要求烧制特 定矿物组成的水泥熟料,但采用这种方法生产 D、E、F 级油井水泥时,往往工艺复杂, 生产控制难度大,成本高,所以世界各国都倾向于采用以 1~2 种基本油井水泥为基础, 通过掺入不同的外加剂对水泥性能进行调整,以满足不同的固井作业要求。美国是采 用外加剂最多的国家,仅油井水泥外加剂就达 1000 多种。根据 API 规范规定,API 标 准 G 级和 H 级油井水泥为常用的基本油井水泥品种,D、E、F 级油井水泥可以通过在 G 级或 H 级水泥基础上掺入适当的缓凝剂配制而成。 5 API G 级和 H 级水泥 根据 API Spec10 油井水泥材料和试验规范》 《 规定, 级和 H 级油井水泥是两种“基 G 本油井水泥”。所谓基本油井水泥有两层含义,其一是这种水泥在生产时除允许掺加适 量石膏外,不得掺入其他任何外加剂;其二是这种基本油井水泥使用时能与多种外加 剂配合,能适应较大的井深和温度变化范围。G 级和 H 级油井水泥均分为中抗硫酸盐 型和高抗硫酸盐型两类, 级、 级油井水泥单独使用时的井深范围是自地面至 2440m G H 的深度, (1)G 级和 H 级油井水泥的主要技术性能要求 表 2-1 为试验室小磨配制和工厂生产的两种高抗硫酸盐型 G 级油井水泥的物理性能情 况。 从表 2-3 数据不难看出,两种水泥均具有较低的初始稠度,稠化时间和抗压强度也较 佳,完全符合 API Spec10 的规定。 与 G 级油井水泥相比,H 级油井水泥的技术性能指标除水灰比规定为 0.38 外,其他各 项指标均完全相同。 (2)高抗硫酸盐型 G 级油井水泥的生产及性能 ①水泥生产的工艺要求 研究和生产实践表明,高抗硫酸盐型 G 级油井水泥的适宜熟料矿物组成为:C3S 62%~67%,C2S l4%~19%,C3A 1%~2%,C4AF l5%~16%、f-CaO≤0.5%。这一熟料组成 具有典型的低铝率、高饱和比和低液相量特点。要保证配料方案在生产中实现,对原 料、燃料有如下要求: 石灰石:CaO 53%;粘土:SiO2≥65%,Al2O3≤12%;铁粉:Fe203≥55%。 必要时还需以砂岩作硅质校正材料,其 SiO2≥90%;二水石膏:SiO3≥40%。燃煤要求采 用低灰分(灰分≤5%,若 A1203 含量低时可放宽至≤20%),高发热量(>25080kJ/kg)的品 种。 要求生料化学成分均匀,细度均齐,0.08mm 方孔筛筛余在 8%以下。 要求熟料结粒均齐,矿物形成完善,立升重≥1450g/L,f-Ca0≤0.5%;不合格熟料应分 开堆放,以免影响水泥质量。 水泥粉磨时,应降低熟料入磨粒度,采用闭路粉磨流程,以获得合理的水泥细度和颗 粒级配;采用有效的磨内冷却措施,减少水泥中二水石膏的脱水,使水泥质量具有良 好的稳定性。 ②水泥物理性能的影响因素 在实际生产中,二水石膏掺量和水泥粉磨细度对水泥的物理性能均有较明显的影响。 二水石膏对稠化时间和 8h 抗压强度均有影响,随石膏掺量增加,强度增长较快;粉磨 细度增大时,水泥浆的初始稠度和 8h 抗压强度相应增加,而稠化时间缩短,故实际操 作上有一个严格控制最优细度和石膏掺量的要求。 (3)中抗硫酸盐型 H 级油井水泥的生产与性能 中抗硫酸盐型 H 级水泥是美国生产的主要油井水泥品种,这种水泥对原料、燃料的质 量和生产工艺要求均较宽松,水泥比表面积仅为 270~300m2/g,较有利于工厂组织生产 和降低成本。中抗硫酸盐型 H 级水泥的主要物理性能指标见表 2-6。 表 2-6 中抗硫型 H 级水泥的物理性能 编 比表面积 号 (m2/kg 1 2 3 4 314 300 320 274 石膏掺量 游离水 初始稠度 (%) 4 5 6 7 (ml) 0 0 0 0 (BC) (min) 27 27 33 16 96 106 95 117 38℃ 5.3 5.2 4.9 2.3 60℃ 16.0 16.1 16.6 14.5 35.6Mpa 常压下,8h 抗压强度 52℃、 下稠化时间 (MPa) (4)G 级、H 级水泥的应用 G 级、H 级是目前使用最广泛的油井水泥。使用于一般油井固井,从地面到 2440m 井 深。当加入促凝剂或缓凝剂时,可更广泛地适用于各种井深和温度范围。G 级和 H 级 水泥作为 MSR 和 HSR 类型水泥使用。

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