固井水泥浆水化规律浅析

固井水泥浆水化规律浅析

臧柏婷 1 吴晓晓

1．冀东油田分公司 开发技术公司，河北 唐山 063200；

摘要：水泥浆水化的良好过程控制是固井质量的保障。为提高固井质量，需要熟悉水泥浆的水化机理，掌握水化的不同阶段规律特征，运用影响水泥浆水化的温度、水灰比、添加剂等条件，控制水泥浆水化速度的快慢，以提高固井质量，满足油气井生产的需要。

关键词：固井水泥浆；水化；规律特征；过程控制

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引言

水泥浆是固井中使用的工作液。固井是由套管向井壁与套管的环空注入水泥浆并让它上反至一定高度，水泥浆随后变成水泥石将井壁与套管固结起来。水泥浆的功能是固井，主要有以下目的：一是固定和保护套管；二是保护高压油气层；三是封隔严重漏失层和其他复杂层。

为使水泥浆顺利注入井壁与套管的环空，要求稠化时间等于注水泥浆的施工时间（即从配水泥浆到水泥浆上返至预定高度的时间）加上一小时。水泥浆的稠化时间由水泥浆稠度随时间的变化曲线决定。水泥浆稠化是由水泥水化引起。因此水泥浆水化的过程控制是水泥浆顺利注入的重要保证。

1水泥浆水化的化学机理

水泥的主要成分是硅酸三钙、硅酸二钙、水铝酸三钙以及铁铝酸四钙。这些材料不同的组成，不同的比例和水在不同的条件下进行水化，会产生不一样的组成以及不一样的功效的水化产物，这些不一样的条件正是影响水泥浆和水泥石的性能的主要因素。在水中，水泥中各组成发生下列的水化反应：

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

水化产生的 还可分别与 和 发生水化反应：

(6)

(7)

2 水泥浆水化不同阶段的规律特征

根据量热法研究水泥的水化，将水泥的水化分为五个阶段。

2.1预诱导阶段

这阶段是在水和水泥混合后的几分钟时间内。在这个阶段，由于水泥干粉为水润湿并开始水化反应，所以放出大量的热（其中包括润湿热和反应热）。水化反应生成的水化物在水泥颗粒表面附近形成过饱和溶液并在表面析出，阻止了水泥颗粒进一步水化，使水花速率迅速下降，进入诱导阶段。

2.2诱导阶段

在此阶段，水泥的水化速率很低。但由于水泥表面析出的水化物逐渐溶解（因它对水泥浆的水相并未达到饱和），所以在这阶段后期，水化速率有所增加。

2.3固化阶段

在此阶段，水化速率增加，水泥水化产生大量的水化物，它们首先溶于水中，随后饱和析出，在水泥颗粒间形成网络结构，使水泥浆固化。

2.4硬化阶段

在此阶段，水泥颗粒间的网络结构变得越来越密，水泥石的强度越来越大，因此渗透率越来越低，影响未水化的水泥颗粒与水的接触，水化速率越来越低。

2.4中止阶段

在此阶段，渗入水泥石的水越来越少，直至不能渗入，从而使水泥的水化停止，完成了水泥水化的全过程。

3 水泥浆水化过程控制分析

水泥浆的过程控制，主要从温度、水灰比、添加剂对水泥浆水化的影响入手，分析三个因素对固井水泥浆水化的影响。

首先，温度方面的影响。随着温度的升高，水化温升峰值趋于提前，且持续时间变短，整个水化过程缩短，这对水泥浆的性能造成很大的影响，不利于水泥浆的泵送，影响固井的顶替效率。这一方面是由于温度的升高，水泥的水化速度加快，使水化程度不断加深；另一方面则是由于在温度及水泥自身水化放热的作用下，水泥浆体中的自由水开始蒸发而导致较强的吸热现象，相对掩盖了水泥水化后期的放热过程。

其次，水灰比的影响。水和石灰的比例不同也影响着水泥的浓度，水泥的水化过程也和两者之间的比例有关。当温度恒定时，水灰比例增加，水泥浆水化的速度和性能均不一样。同时，当水的成分增加时，由于水分对水泥的水化影响很大，水温会随着水化的程度变化，当比例增加到一定值的时候，水泥水化就很迅速且完整，但是水化的产物的疏松度不同，水分就容易对产物进行后期的水化加速，这些不同点主要受到水泥成分和组成的影响。水泥和水的比例不同对水泥浆的水化影响是不一样的，也是不稳定的。因此，在实际的固井过程中，要根据需要，调配出符合要求的水泥浆。固井的类型不同、地质条件不同均是需要根据实际情况现场调配合适的比例的水泥浆以满足工程固井的要求。

第三，添加剂影响。添加剂对调节固井水泥性能和硬化程度有影响，但是这些添加剂自身作用的发挥也受到了水泥浆物理和化学性质的影响，同时它们自身也会对这两者产生作用和影响。因此，添加剂与水泥浆的影响是双向的、互相的。一般而言，添加剂的加入一方面改变了水泥中的浓度，另一方面来讲，也会改变水相离子核的分布，从而会对水泥的水化反应产生明显的影响。并且在这个过程中会促进水泥早期的水化放热，使水化温度快速调高，从而也影响了水化过程。大量的水化热会引起水合物分解，导致井眼扩大、水气窜流等，因此不能使用催化剂，过高的水化温升易造成井下套管变形。

5 结论

第一，水泥浆水化的过程控制是水泥浆顺利注入的重要保证。

第二，根据量热法可将水泥浆水化的全过程划分为预诱导阶段、诱导阶段、固化、硬化、中止五个阶段。

第三，水泥浆水化的快慢受温度、水灰比、添加剂三方面条件的影响

参考文献

[1]王斌斌，王瑞和等.固井水泥浆的水化规律.中国石油大学学报（自然科学版），2010，34(1) ．

[2] Nelson E B主编，刘大为，田锡君，廖润康等译.现代固井技术.沈阳:辽宁科学技术出版社，1994：14～16.