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1油井水泥组成、级别和类型水泥是水硬性胶结材料，分为普通水泥和油井水泥。普通水泥也称建筑水泥，列入ASTM标准，而油井水泥列入API标准。油井水泥与普通水泥的根本区别在于:油井水泥具有严格的化学成分和矿物组成，而且在生产时除允许加入3%-6%的二水石膏以外不得加其它材料。本节主要介绍油井水泥的化学组成、级别和类型以及生产和应用中的一些基本知识。一、化学组成水泥的质量主要取决于化学成分，而先进的分析方法已为获得水泥的化学成分铺平了道路。表1.2.1列出G级HSR水泥的主要化学成分。由表中数据可以看出，波特兰水泥包括4种主要成分:铝酸三钙C3A(3CaO·A12O3)；铁铝酸四钙C4AF(4CaO·A12O3·Fe2O3)；硅酸三钙C3S（3CaO·SiO2)；硅酸二钙C2S(2CaO·SiO2)。通过各相显微镜检查，熟料颗粒含有4种矿物成分(熟料占水泥总量的95%):表1.2.1APIG级水泥化学分析二氧化硅SiO222.70%三氧化二铝A12O33.39%三氧化二铁Fe2O34.81%氧化钙CaO65.60%氧化镁MgO0.90%氧化钾K2O0.37%三氧化硫SO31.21%氧化钛0.19%氧化锰MnO20.09%氧化钠NaO0.13%氧化铬GeO0.01%五氧化二磷P2O50.11%烧失量LO10.49%（1）硅酸三钙C3S（3CaO·SiO2）：是多边性晶体，占表面的50-60%。（2）硅酸二钙C2S（2CaO·SiO2）：圆形晶体占表面的10-25%。以上两种硅酸钙(三钙和二钙)总量占75%。（3）铁铝酸四钙C4AF（4CaO·A12O3·Fe2O3）：围绕以上两种硅酸盐形成孔隙结构。2（4）C3A(3CaO·A12O3)：针状铝酸盐，也属于孔隙结构。两种硅酸盐占水泥总量的75%，C4AF+C3A的总量占水泥矿物的25%。二、油井水泥级别、分类及应用2.1油井水泥级别、分类由于注水泥作业的井下条件与建筑工程的地面环境完全不同，所以，我国标准或API规范都根据化学成分和矿物组成规定了专门的分级和分类，以适应不同的井深和井下条件。目前，API规范和我国标准把油井水泥分为A-H八个级别，何种水泥都适用于不同的井深、温度和压力。同一级别的油井水泥，又根据C3A(3CaO·A12O3)含量分为：普通性（O）C3A＜15%；中抗硫酸盐性（MSR）C3A≤8%，SO2≤3%；高抗硫酸盐性（HSR）C3A≤8%，C4AF+2C3A≤24%，以示其抗硫酸盐侵蚀的能力。各级油井水泥适用于不同的井况A级只有普通型一种，化学成份和细度类似于ASTMC150，Ⅰ型。适合无特殊要求的浅层固井作业。在我国大庆、吉林、辽宁油田用量较大。配制的水泥浆体系也较为简单，一般是A级油井水泥加入现场水按比例混合即可，有时根据需要可适当加入少量的外加剂如促凝剂等。B级具有中抗硫酸盐型(MSR)和高抗硫酸盐型(HSR)。B级中抗型的化学成份和细度类似于ASTMC150，Ⅱ型。B级高抗型类似于ASTMC150，Ⅴ型。一般适用于需抗硫酸盐的浅层固井作业，目前在我国还没有使用。C级又被称作早强油井水泥，具有普通（O）型，中抗硫酸盐型(MSR)和高抗硫酸盐型(HSR)三种类型。普通（O）型的化学成份和细度类似于ASTMC150，Ⅲ型。一般适用于需早强和抗硫酸盐的浅层固井作业。C级油井水泥凭借其自身低密高强的特性，在浅层油气井的封固和低密度水泥浆的配制都有较大的优势，只是我国固井在配方设计上习惯于用G级油井水泥，限制了C级油井水泥的使用，它在我国几乎没有使用。D级、E级、F级又被称作缓凝油井水泥。具有中抗硫酸盐型(MSR)和高抗硫酸盐型(HSR)。一般适用于中深井和深井的固井作业。D级油井水泥在我国华北油田、中原油田使用较多。由于要通过控制特定矿物组成的水泥熟料，来达到D级油井水泥的指标要求，工艺复杂生产控制难度大而造成成本较高。而且D级油井水泥可以通过G级H级油井水泥加入缓凝剂来代替，该工艺较为简单所以近几年D级油井水泥的使用量也在逐渐下降。E级F级油井水泥在我国尚没有应用报道。3G、H级油井水泥被称为基本油井水泥，具有中抗硫酸盐型(MSR)和高抗硫酸盐型(HSR)。可以与外加剂和外掺料相混合适用于大多数的固井作业。水泥浆体系也多种多样G级H级油井水泥可以与低密材料(粉煤灰、漂珠、膨润土等）配制低密度水泥浆体系，用于低压易漏地层的封固；可与外加剂配成常规密度水泥浆体系，用于常规井的封固，可与加重材料（晶石粉、铁矿粉等）外加剂配成高密度水泥浆体系，用于深井和高压气井的封固。其中G级油井水泥在我国用量最大，生产厂家最多在我国各个油田都有使用。H级油井水泥比G级油井水泥要磨的粗一些，水灰比小，配成水泥浆密度在1.98左右，更适合配制成高密度水泥浆体系用于高压气井的封固，在我国塔里木油田使用较多。2.2油井水泥的应用按照标准或规范的级别和类型生产和供应油井水泥。然后，用户再根据井下条件来选择水灰比或外加剂在现场混合成水泥浆，并进行注水泥作业。使用符合API规范或国家标准的油井水泥，一定要按API模拟试验方法或应用试验方法进行水泥浆配方设计，不仅要有满足施土要求的流变学性质和凝结时间，还要有对地层和套管良好的胶结强度，才能保证注水泥施工的安全，提高固井质量，保持永久的封隔效果，防止油、气、水窜通和运移。（1）对表层套管或浅井，为缩短候凝时间，可使用A级或B级;对深井可使用D、E和F级;对高压气井，可使用H级水泥掺混加重剂而配制成的高密度水泥;若需低密度水泥，多采用C级或G级;经常使用的多半是G级水泥。图1.2.2、1.2.3表示出了各级油井水泥适用的井深、性能指标和注水泥关系。表1.2.2API油井水泥技术指标级别（类型）需要的抗压强度需要的稠化时间性适应范围及条件备注养护时间h养护温度℃最小抗压强度Mpa试验深度m最短稠化时间min水灰比W/C适用井深mA8381.7305900.460~1830无特殊性质要求时，普通型243812.4183090B8381.4305900.460~1830井况要求中4243810.3183090到高抗硫酸盐时C8382.1305900.380~1830井况要求高早强（高温、速凝和增加强度）时，可用低、中和高抗硫酸盐型243813.8183090D877-1830900.381830~3050在中温和中压条件下，有中、高抗硫酸盐型1103.524776.9305010011013.8E877-30501000.383050~4270在高温高压条件下，有中和高抗硫酸盐型1433.524776.9427015414313.8F8110-30501000.383050~4880在较高温高压条件下，有中和高抗硫酸盐型1603.5241106.948801901606.9G8382.12440900.440~2440基本油井水泥，通过外加剂扩大使用范围，有中、6010.32438-60-5高抗硫酸盐型H8382.12440900.380~2440基本油井水泥，有中、高抗硫酸盐型6010.32438-60-J8143-3050180-3600~4880高温高压条件选用，加入缓凝剂，适应更大深度范围177-24143-48801801776.9表1.2.3井深与注水泥时间关系（2)对于滨海、沼泽、含盐地层和腐蚀水层，应使用高抗硫酸型水泥。(3)各级油井水泥的需水量、水泥浆密度和产浆率列在表1.2.4中。表1.2.4油井水泥水灰比、水泥浆密度和产浆率级别需水量水泥浆密度%产浆率%备注A、B461.870.78C561.770.88G441.890.76D、E、F、H381.960,70油井水泥化学指标和物理性能本节仅对油井水泥的化学指标分析与物理性能试验进行简略说明。一、化学分析标准中的化学要求是随水泥的级别和类型而不同的。现探讨如下。1．MgO美国标准，对于建筑水泥，规定质量分数最大值是6.0%。而油井水泥，要求MgO尽可能低。有些水泥所具有的MgO质量分数甚至低于1.0%。这个化合物在中心实验室很容易分析，而6在野外实验室一般是不能测定的。MgO只存在于原料中而不在外加剂中，所以对于同批水泥样品很难看出有什么变化。2．SO3在水泥中很难找到游离的SO3，一般都是与钙或碱化合生成硫酸盐类。通常有三种来源:原料、燃料和在熟料研磨期间加入的石膏。石膏的加入可使水泥和水的混合物凝固速度变慢，因硫酸盐能防止C3A过早水化，使水泥浆突然凝固。石膏不仅为水泥浆提供缓凝，还可降低水泥浆粘度。3．烧失量尽管纯波特兰水泥通常的烧失量为1%左右，但标准规定的最大值却是3%。当熟料还没有与水作用时，烧失量主要是石膏失去结晶水所致。一般石膏占水泥5%，所以烧失量是1%(两个结晶水全部失去)。如果加入第二种成分，例如CaCO3，大约850℃时释放出CO2，将增加烧失量。为了检查碳酸盐类的存在，可以在少量水泥上滴一点盐酸，如起泡，意味着存在CO2。控制烧失量是非常重要的。4．不溶物波特兰水泥由95%的熟料和5%的石膏制成。这表明在盐酸中，不溶的残留物是非常少的。所以，API标准(与ASTM标准一样)规定最大值是0.75%。但大多数波特兰水泥都在0.5%以下。若不溶性残留物超过0.75%，那么就表明有第二种成分存在。测定不溶性残留物就能确定在水泥中加入的第二种成分的质量分数。5．硅酸三钙计算C3S含量的公式包含了SiO2、CaO、Fe2O3、AL2O3和SO3的质量分数。通过分析必须计算这种矿物成分。对于G级和H级水泥，API标准给出了一个范围:中抗硫酸盐型（MSR）是48%-58%;而高抗硫酸盐型（HSR）是48%-65%。对于其它级别没有这种特殊要求，然而，在所有级别的水泥中检验C3S也是必要的。6．铝酸三钙API规范给出了三个最大值:C级普通型（O)最大值是15%，中抗硫酸盐型（MSR）最大值是8%，高抗硫酸盐型（HSR)最大值是3%。为计算这种矿物成分，必须测出Fe2O3、AL2O3的质量分数。无论出现什么可能性，基于下述原因，选择HSR会更好些:（1）C3A含量越低，反应活性越差，所需缓凝剂越少。当然，这还与水泥存放时间有关(储存时间越长，活性越差)。（2）如果出现硫酸盐腐蚀问题C3A含量越低，防腐效果越好。7（3）C3A含量较低或不含C3A的水泥，在熟料研磨时所需石膏较少，这就减少了生成无水石膏和(或)半水石膏的可能性，因而也减少了假凝现象。7．铁铝酸四钙（C4AF)+2倍铝酸三钙（C3A）API规范限制在24%之内是一个放宽数宇，而ASTM标准规定最大值是20%，使用这个标准会更好些。当水泥中Fe2O3与AL2O3的比值小于或等于0.64时，可根据标准计算出其它累计总数。或在任何情况下，知道Fe2O3与AL2O3的百分数都是必须的。对水泥进行详细的分析是可行的。8．总碱含量以氧化钠(NaO)当量表示的总碱含量，API标准限制其最大值为0.75%，而ASTM标准为0.60%。由于碱起促凝作用，所有含碱量低的水泥更受欢迎。9．化学要求中应注意的问题（1）A级水泥只有普通型，当C3A含量等于或低于8%时，SO3最大含量应为3%。但标准中没有对C3A提出要求，只规定SO3最大值是3.5%，这意味着C3A含量为8%-15%。（2）C级水泥普通型，既要求SO3最大值是4.5%，又要求C3A最大值是15%。二、物理性能2.1对于水泥物理性能的介绍先从以下几个概念介绍起。水灰比：是指水的重量与水泥重量之比。最大水量是指一种油井水泥在发生固体分离之前能够加入的水量。最小水量是指配成可以泵送的水泥浆所要求的水量。因此，正常水的比率对于某一特定的水泥等级来说，应控制在最大和最小水灰比范围之间。细度：是指水泥颗粒总体的粗细程度。水泥颗粒越细，与水发生反应的表面积越大，因而水化反应速度较快，而且较完全，早期强度也越高，但在空气中硬化收缩性较大，成本也较高。水泥的细度是影响水泥水化性能的一项重要指标。稠化时间：是指水泥浆在井中仍然可以泵送的时间。这是油井水泥最关键性的性质。稠化时间允许短