[教育]油井水泥及水化原理

1、油井水泥及水化原理,2,目 錄,一、油井水泥二、水泥水化反應(yīng)及作用機(jī)理三、API油井水泥的分類及性能,3,油 井 水 泥,1、固井工程對(duì)油井水泥 性能的要求簡介 1）、井身結(jié)構(gòu)簡介 典型的井身結(jié)構(gòu)示意圖,4,油 井 水 泥,1、固井工程對(duì)油井水泥性能的要求簡介 1）、井身結(jié)構(gòu)簡介 如圖所示，井身結(jié)構(gòu)是油氣井基本數(shù)據(jù)的總稱，包括：下入套管的層次、各層套管的直徑及下入

2、深度、從開鉆到完鉆相應(yīng)于各層套管的鉆頭尺寸及鉆達(dá)深度、各層套管外的水泥返高等。,5,油 井 水 泥,1、固井工程對(duì)油井水泥性能的要求簡介 2）、油井水泥的性能與固井工程的關(guān)系 一般在固井工程中測定的油井水泥漿性能指標(biāo)有：老標(biāo)準(zhǔn)：水泥漿密度、凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度、抗折強(qiáng)度API標(biāo)準(zhǔn)：水泥漿密度、稠化時(shí)間、自由水含量、失水量、水泥石滲透率、流變性、抗壓強(qiáng)度。,6,油 井 水 泥,1、固井工程對(duì)油井水泥性能的要

3、求簡介 2）、油井水泥的性能與固井工程的關(guān)系（1）、水泥漿密度：干水泥：3.05 —— 3.20 g/cm3 要求水泥漿：大于完井時(shí)（or 下套管時(shí)）泥漿密度；但又不能壓漏地層，同時(shí)還要保證水泥石的強(qiáng)度和流動(dòng)性。,7,油 井 水 泥,1、固井工程對(duì)油井水泥性能的要求簡介 2）、油井水泥的性能與固井工程的關(guān)系 （2）、水泥顆粒的細(xì)度： 水泥顆粒＜0.04mm(即：40μ）—— 活性最高

4、 水泥顆粒＞0.09mm(即：90μ）—— 幾乎惰性 油井水泥標(biāo)準(zhǔn)要求：0.08mm 方孔篩篩于≤15%,8,油 井 水 泥,1、固井工程對(duì)油井水泥性能的要求簡介 2）、油井水泥的性能與固井工程的關(guān)系（3）、水泥漿的凝結(jié)時(shí)間： 初凝時(shí)間——自水泥與水混合時(shí)開始至水泥漿 部分失去塑性的時(shí)間間隔； 終凝時(shí)間——自水泥與水混合時(shí)開始至水能承

5、 受一定壓力的硬化程度所經(jīng)歷的時(shí)間 間隔（or 初凝與終凝間的間隔時(shí)間為終凝時(shí)間）； 以前固井工程中一般采用初凝時(shí)間的75%作為固井作業(yè)的施工時(shí)間,9,油 井 水 泥,1、固井工程對(duì)油井水泥性能的要求簡介 2）、油井水泥的性能與固井工程的關(guān)系 （4）、水泥漿的稠化時(shí)間： 稠化時(shí)間——在模擬井下的溫度壓力下，水泥漿稠度達(dá)100BC時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間（o

6、r 從配漿開始到沿井內(nèi)把水泥漿泵送到環(huán)形空間預(yù)定位置水泥漿稠化為止所需要的時(shí)間）； 一般：施工時(shí)間+1小時(shí)安全因子 = 稠化時(shí)間,10,油 井 水 泥,1、固井工程對(duì)油井水泥性能的要求簡介 2）、油井水泥的性能與固井工程的關(guān)系 （5）、水泥漿的失水量： 失水是指水泥漿在環(huán)空上返過程中，由于液柱與地層壓差的作用，自由水滲入地層的現(xiàn)象； 水泥漿的失水量是指水泥漿在30min內(nèi)，指定溫度與壓差下，

7、通過一定面積所能濾出的自由水量,11,油 井 水 泥,1、固井工程對(duì)油井水泥性能的要求簡介 2）、油井水泥的性能與固井工程的關(guān)系 （6）、水泥石強(qiáng)度： 水泥石強(qiáng)度應(yīng)滿足：支撐和加強(qiáng)套管、抵抗鉆進(jìn)時(shí)沖擊載荷、能承受后期作業(yè)的能力。 一般公認(rèn)：注水泥后8—24h 達(dá) 2.1-3.5MPa,12,油 井 水 泥,1、固井工程對(duì)油井水泥性能的要求簡介 2）、油井水泥的性能與固井工程的關(guān)系 （7

8、）、水泥漿自由水量： 水泥漿自由水量從前用250ml量筒滿刻度，靜置2h測定，API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定G、H級(jí)油井水泥自由水量應(yīng)≤1.4%；但API規(guī)范第23版，將測定方法改為用500ml錐形瓶，規(guī)定G、H級(jí)油井水泥自由水量應(yīng)≤5.9%。,13,油 井 水 泥,1、固井工程對(duì)油井水泥性能的要求簡介 2）、油井水泥的性能與固井工程的關(guān)系 （8）、水泥漿的流動(dòng)度： 這是表示水泥漿沿管子流動(dòng)能力的指標(biāo)；一般是用定

9、量的水泥漿所攤成餅后的平均直徑(cm)來表示。,14,油 井 水 泥,2、油井水泥的生產(chǎn)、組成及性質(zhì)符號(hào)：CaO = C SiO2 = S Al2O3 = A Fe2O3 = F1）、油井水泥的生產(chǎn)油井水泥中含量：C：62—67% 、S：20—24% A：4 — 7% 、F：2.5%,15,油 井 水 泥,1）、油井水泥的生產(chǎn)過程示意圖,16,油 井 水 泥,

10、2、油井水泥的生產(chǎn)、組成及性質(zhì)符號(hào)：CaO = C SiO2 = S Al2O3 = A Fe2O3 = F2）、油井水泥的組成組成：C3S：40—60% — 水泥產(chǎn)生強(qiáng)度的主要化合物， 尤其是早期強(qiáng)度； C2S：20—30% — 水化慢，能在長時(shí)間內(nèi)逐漸增大 強(qiáng)度，分α、αH、αL、β、γ

11、 五種晶型，在水泥中主要是β型。,17,油 井 水 泥,2、油井水泥的生產(chǎn)、組成及性質(zhì)2）、油井水泥的組成組成：C3A：≤3% — 促進(jìn)水泥快速水化的主要化合物， 是決定水泥漿初凝時(shí)間和稠化時(shí)間 的主要物質(zhì)，但對(duì)硫酸鹽敏感，因 此高抗水泥必須≤3% 或更低； C4F： 水泥中

12、水化熱較低的化合物，含量 不宜太大，否則導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度降 低。,18,油 井 水 泥,2、油井水泥的生產(chǎn)、組成及性質(zhì)3）、性質(zhì)—水泥熟料礦物的結(jié)構(gòu)特征（1）C3S： a、C3S在常溫下存在的介穩(wěn)的高溫型礦物。從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，它具有較高的內(nèi)能使其化學(xué)活性大，有較高的反應(yīng)能力； b、由于Mg2+、Al3+進(jìn)入C3S結(jié)構(gòu)中形成固溶體，雖

13、然沒有破壞晶體結(jié)構(gòu)，但外來組分占鋸了晶格結(jié)點(diǎn)的部分位置，破壞了質(zhì)點(diǎn)排列的有序性，引起周期勢(shì)場的畸變。造成結(jié)構(gòu)不完整。,19,油 井 水 泥,2、油井水泥的生產(chǎn)、組成及性質(zhì)3）、性質(zhì)—水泥熟料礦物的結(jié)構(gòu)特征（1）C3S： c、在C3S中。Ca2+配位數(shù)低，且處于不規(guī)則狀態(tài)，從而Ca2+具有較高的活性。 d、在A礦（含有MgO、Al2O3的C3S固溶體）中存在著大尺寸的“空穴”，這可以使OH-直接進(jìn)入晶格，從

14、而有較大的水化速度。,20,油 井 水 泥,2、油井水泥的生產(chǎn)、組成及性質(zhì)3）、性質(zhì)—水泥熟料礦物的結(jié)構(gòu)特征（1）C2S： C2S有5種晶型，它們可相互轉(zhuǎn)換，如圖：,21,油 井 水 泥,2、油井水泥的生產(chǎn)、組成及性質(zhì)3）、性質(zhì)—水泥熟料礦物的結(jié)構(gòu)特征（1）C2S： a、β— C2S是在常溫下存在的、介穩(wěn)的高溫型礦物，因此，其結(jié)構(gòu)具有熱力學(xué)不穩(wěn)定性； b、β— C2S中的C

15、a2+具有不規(guī)則配位，使其具有較高的活性； c、在β— C2S結(jié)構(gòu)中，由于雜質(zhì)及穩(wěn)定劑存在，引起電價(jià)不平衡，也提高了它的反應(yīng)活性； d、在β— C2S結(jié)構(gòu)中不具有象C3S結(jié)構(gòu)中具有的那種大“空穴”，這是它的水化速度較慢的因素之一。,22,油 井 水 泥,2、油井水泥的生產(chǎn)、組成及性質(zhì)3）、性質(zhì)—水泥熟料礦物的結(jié)構(gòu)特征（1）C3A： a、在C3A結(jié)構(gòu)中，Ca2+具有不規(guī)則的配位數(shù)，其中處

16、于配位數(shù)為6的鈣離子以及雖然配位數(shù)為12但聯(lián)系松散的鈣離子，均具有較大的活性； b、在C3A晶體結(jié)構(gòu)中，Al3+也具有兩種配位情況，而且四面體[AlO4]5-是變了形的，因此鋁離子也具有較大的活性； c、在C3A結(jié)構(gòu)中具有較大的“空穴”，OH-離子容易進(jìn)入晶格內(nèi)部，因此C3A水化速度較大。,23,油 井 水 泥,2、油井水泥的生產(chǎn)、組成及性質(zhì)3）、性質(zhì)—水泥熟料礦物的結(jié)構(gòu)特征（1）C4AF：

17、 該礦也稱C礦，由四面體[FeO4]5-和八面體[AlO6]9-相互交叉組成。它是在高溫時(shí)形成的一種固溶體，在鋁原子取代鐵原子時(shí)引起晶格穩(wěn)定性的降低，從而使其活性較高，但又不及C3A。,24,油 井 水 泥,2、油井水泥的生產(chǎn)、組成及性質(zhì)3）、性質(zhì)—水泥熟料礦物的結(jié)構(gòu)特征 綜合以上分析可知，其四種單礦物的水化速度排列應(yīng)為： C3A＞C4AF＞C3S＞C2S,25,油 井 水

18、 泥,3、水泥熟料礦物水化反應(yīng)能力的熱力學(xué)判斷 1）、四種礦物熵變值： （1）、2CaO + SiO2 β— 2CaO·SiO2 ΔS0298 = 30.5-2*9.5-10=1.5（cal/克分子·度） （2）、3CaO + SiO2 3CaO·SiO2 ΔS0298 = 40.3-3*9.5-10=1.8（cal/克分子&

19、#183;度） （3）、3CaO + Al2O3 3CaO·Al2O3 ΔS0298 = 49.1-3*9.5-12.186=8.41（cal/克分子·度） (4)、 4CaO + Al2O3 +Fe2O3 4CaO· Al2O3·Fe2O3ΔS0298 = 78-4*9.5-12.186-21.5=6.314（cal/克分子&#

20、183;度）,,,,,26,油 井 水 泥,3、水泥熟料礦物水化反應(yīng)能力的熱力學(xué)判斷 1）、四種礦物熵變值： 熵變值ΔS的大小可以定性的表征其結(jié)構(gòu)有序度的變化程度，一般可以認(rèn)為ΔS愈大，其結(jié)構(gòu)的有序度愈低，在一定意義上，表明其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差；比較四種礦物的ΔS0298 可知，β—C2S的結(jié)構(gòu)有序度最大，故具有較小的化學(xué)活性，而C3A、C4AF則具有較高的ΔS0298 值，結(jié)構(gòu)有序度較小，故具有較高的活性。,27

21、,油 井 水 泥,3、水泥熟料礦物水化反應(yīng)能力的熱力學(xué)判斷 1）、礦物與水相互作用的自由能變化： （1）、2CaO·SiO2+1.17H2O 2CaO·SiO2· 1.17H2O ΔGo298= -592.9+524.19+1.17*56.69=-2.41(kcal/mol) （2）、 3CaO·SiO2+2.17H2O 2CaO·

22、SiO2· 1.17H2O +Ca(OH)2 ΔGo298= -592.9-214.33+665.47+2.17*56.69=-18.76(kcal/mol) （3）、 3CaO·Al2O3+15H2O 3CaO· Al2O3 · 6H2O + 9H2O ΔGo298= -1187-9*56.69+807+15*56.69=-40.46(kcal/mol)

23、從其自由能變化值均為負(fù)值表明，這些水化反應(yīng)均能自發(fā)進(jìn)行， ΔGo298值負(fù)得愈多，則表明其反應(yīng)進(jìn)行的可能性愈大。,,,,28,油 井 水 泥,3、水泥熟料礦物水化反應(yīng)能力的熱力學(xué)判斷 從熱力學(xué)判斷可知，水泥熟料礦物可能的水化反應(yīng)能力大小為： C3A＞C4AF＞C3S＞C2S 需要注意的是：熱力學(xué)方法只能指明反應(yīng)過程的可能性、方向和限度，至于反應(yīng)過程和歷程，熱力學(xué)是不能解決的。,29

24、,油 井 水 泥,4、水泥熟料礦物具有膠凝能力的本質(zhì)與條件 1）、水泥熟料礦物其結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，決定其水化反應(yīng)活性，造成其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的原因有： 它有介穩(wěn)的高溫型結(jié)構(gòu)、在礦物中形成了有限的固熔體、微量元素的摻雜使晶格排列的規(guī)律性，受到某種程度的影響 使晶格結(jié)構(gòu)的有序度降低，因而使其穩(wěn)定性降低，水化反應(yīng)能力增大。,,30,油 井 水 泥,4、水泥熟料礦物具有膠凝能力的本質(zhì)與條件

25、2）、水泥熟料礦物具有水化反應(yīng)活性的另一個(gè)結(jié)構(gòu)特征是在晶體結(jié)構(gòu)中存在著活性陽離子，造成的原因有： 不規(guī)則的配位和配位數(shù)的降低、結(jié)構(gòu)的變形、在結(jié)構(gòu)中電場分布的不均勻性 陽離子處于活性狀態(tài)，即：價(jià)鍵不飽和狀態(tài)。 熟料礦物水化的實(shí)質(zhì)是這種活性陽離子在水介質(zhì)的作用下，與極性離子OH-或極性水分子相互作用進(jìn)入溶液，使熟料礦物溶解和解體。從結(jié)晶化學(xué)的觀點(diǎn)看：陽離子的活性程度主要決定于陽離子與氧原子的距離及鍵能的大小

26、。,,31,油 井 水 泥,4、水泥熟料礦物具有膠凝能力的本質(zhì)與條件 3）、膠凝材料硬化并形成人造石的另一個(gè)決定條件是：能否形成足夠數(shù)量的穩(wěn)定的水化物，以及這些水化物能否彼此連生并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。即有兩個(gè)必要條件： （1）、形成的水化物必須是穩(wěn)定的； （2）、形成的水化物要有足夠的數(shù)量，它們之間要能彼此交叉、連生，并且能夠在整個(gè)水泥漿體的空間形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),32,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,1、水泥熟料

27、礦物的水化作用 1)、硅酸鈣礦物的水化作用實(shí)驗(yàn)表明：⑴：β- CS 在一般條件下，不具有水化能力； ⑵：γ- C2S 在一般條件下，具有很小的水化能力； ⑶：β- C2S 具有明顯的水化能力，但水化反應(yīng)速度較慢 ⑷：C3S 具有比較強(qiáng)烈的水化能力。 常溫下β- C2S 和C3S 漿體的水化反應(yīng)可表示為： 2 C3S + 6H2O = C3S2H3

28、+ 3 CH 2 C3S + 4H2O = C3S2H3 + CH 由于在常溫下，水化硅酸鈣呈凝膠狀，其化學(xué)組成是不固定的，故表示為下式更確切： C3S + H2O C-S-H + n C-H C3S + H2O C-S-H + n C-H,,,33,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,1、水泥熟料礦物的水化作用 2)、鋁酸鈣礦物

29、的水化作用 由于鋁酸鈣礦物中空穴的存在，該類礦物具有較高的水化速度，且對(duì)水泥的初凝時(shí)間有較大的影響。 ⑴：C3A C3A + H2O,,常溫,,,C4AH19,,C4AH13,,高堿性環(huán)境的主要水化物——不穩(wěn)定,,,C2AH8,C3AH6,,低堿性環(huán)境的主要水化物——不穩(wěn)定,,高與30℃環(huán)境的主要水化物——穩(wěn)定（立方水化物）,,,,34,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,1、水泥熟料礦物的水化作用 2)、

30、鋁酸鈣礦物的水化作用 ⑵：C4AF C4AF +H2O C3AH + CFHn C4AF---早期水化速度快 、提高早期強(qiáng)度 CFHn---凝膠體，它生成后，會(huì)在C4AF的周圍形成 薄膜，降低水化速度,,35,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,1、水泥熟料礦物的水化作用 3)、石膏的水化作用 （S 代表CaSO4）

31、 CaSO4*2H2O(飽和） C3AS3H31(高硫型） C3A + 6H CaSO4*2H2O(不飽和） C3ASH12 (低硫型）實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)石膏含量較少時(shí)： C3A+ C3AS3H31 C3ASH12 (高硫型水化硫鋁酸鈣） (低硫型水化硫鋁酸鈣）

32、 這就是水泥中要控制石膏的原因，否則，在水泥硬化后 這種轉(zhuǎn)化繼續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致固相體積增加，會(huì)使水泥石結(jié)構(gòu)膨脹和破壞,,,,,,,,,,,,36,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,2、硅酸鹽水泥的水化 1）、水化特點(diǎn) （1）、在一定水灰比下進(jìn)行；（2）硅酸鹽水泥一般是幾種單礦物的混合物。 2）、主要水化產(chǎn)物 （1）、在常溫下，主要是：Ca(OH)2、水化硅酸鈣、 堿度較高的含水鋁酸鈣、含水鐵酸鈣、水化

33、硫鋁酸鈣。 （2）、水化硅酸鈣和水化鋁（or鐵）酸鹽之間發(fā)生二次反應(yīng)生成水化硅鋁酸鈣。,37,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,2、硅酸鹽水泥的水化 3）、影響水化的因素 （1）、石膏:前以述及在水化反應(yīng)初期，石膏是飽和的，產(chǎn)物主要為高硫型水化硫鋁酸鈣（ C3AS3H31），對(duì)促進(jìn)水泥石早期強(qiáng)度有利，但若過量，則會(huì)因水化硫鋁酸鈣體積大而膨脹，使水泥石后期強(qiáng)度產(chǎn)生破壞。 （2）、Ca(OH)2的影響： Ca(O

34、H)2是由于C3S、C2S水化產(chǎn)生的，而Ca(OH)2會(huì)與C3A反應(yīng)，從而加速C3S的水化，且生成的結(jié)晶狀水化鋁酸鹽對(duì)水化硅酸凝膠（C-S-H）有增強(qiáng)作用；C4AF有同樣的反應(yīng)。 （3）、水化產(chǎn)物間的相互影響：主要為C3A、C4AF的存在使C3S、C2S的水化速度加快。,,38,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,3、水化反應(yīng)速度及影響因素 1）、基本概念 水化反應(yīng)速度——指單位時(shí)間內(nèi)水泥的水化程度或水化深度；

35、 水化程度——指某一時(shí)刻水泥發(fā)生水化作用的量和完全水化的比值，以%表示。,39,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,3、水化反應(yīng)速度及影響因素2）、影響因素： （1）、溫度：T℃升高導(dǎo)致V水化加快； （2）、細(xì)度（分散度）：水泥顆粒愈小，水化速度愈快； （3）、W/C（水灰比）： W/C升高導(dǎo)致V水化加快。,40,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,4、水泥水化的歷程與機(jī)理 1)、水化理論 （1）、結(jié)晶理論（溶解

36、沉淀反應(yīng)理論） 該理論首先由法國學(xué)者呂查德理（H.Lechatelier)提出；認(rèn)為：水泥的水化凝結(jié)是水泥顆粒在水的作用下，表面形成水化離子的過程。水化離子不斷向溶液擴(kuò)散，達(dá)到飽和或過飽和后就形成晶胚，晶胚逐漸長大、相互粘結(jié)形成較大的水化物沉淀。以硅酸鈣為列，其水化歷程為：①水泥粒子在水作用下，在表面形成水化離子；②水化離子從粒子表面向溶液中擴(kuò)散；③當(dāng)溶液達(dá)到過飽和時(shí)，離子彼此聚集形成C-S-H凝膠分子；④上述C-S-H分子形成

37、水化相的晶胚；⑤晶胚長大并形成膠體尺寸的水化物；⑥膠體尺寸的水化物聚集成水化物沉淀。,41,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,4、水泥水化的歷程與機(jī)理 1)、水化理論 （2）、膠體理論（局部化學(xué)反應(yīng)理論） 該理論首先由德國學(xué)者米哈愛利斯（W.Miehaelis)提出。該理論認(rèn)為：水化反應(yīng)是水進(jìn)入水泥礦物內(nèi)部使它膨脹并形成凝膠，凝膠具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分散相是結(jié)晶體或無定形體，在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)之間存在分散介質(zhì)。,42,水泥水化反應(yīng)及其

38、作用機(jī)理,4、水泥水化的歷程 1)、水化理論 （3）、近代理論 該理論是上述兩種理論的結(jié)合。該理論認(rèn)為：水泥成分中溶解速度快的成分按溶解——結(jié)晶——沉淀步驟進(jìn)行水化；而硅酸鈣等組分則可按膠體理論水化；也有觀點(diǎn)認(rèn)為水泥中硅酸鈣早期按結(jié)晶理論，而晚期按膠體理論進(jìn)行水化反應(yīng)進(jìn)行。,43,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,4、水泥水化的歷程與機(jī)理 2)、硅酸鈣的水化歷程 （1）、水化歷程（C3S水化時(shí)的放熱率及Ca2+濃

39、度與時(shí)間的關(guān)系圖）,44,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,4、水泥水化的歷程與機(jī)理 2)、硅酸鈣的水化歷程 （1）、水化歷程 按圖：第Ⅰ期是初始期；第Ⅱ期為誘導(dǎo)期；第Ⅲ期為加速期；第Ⅳ期為中間期（減速期）；第Ⅴ期為穩(wěn)定的慢反應(yīng)期（最終階段）。 （2）、對(duì)誘導(dǎo)期的解釋 對(duì)誘導(dǎo)期的解釋目前爭論較大，但通常有兩種理論。,45,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,4、水泥水化的歷程與機(jī)理 2)、硅酸鈣的水化歷程 （2）

40、、對(duì)誘導(dǎo)期的解釋之一 ——保護(hù)層理論（如圖模型）,46,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,4、水泥水化的歷程與機(jī)理 2)、硅酸鈣的水化歷程 （2）、對(duì)誘導(dǎo)期的解釋之二 ——延緩晶核形成過程理論：該理論認(rèn)為，誘導(dǎo)期是由于Ca(OH)2或/和C-S-H對(duì)晶核形成過程的延緩；而一但晶核開始形成，誘導(dǎo)期就結(jié)束。,47,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,4、水泥水化的歷程與機(jī)理 3)、鋁酸鈣的水化歷程

41、 C3A單礦物與水反應(yīng)一般用下式表示： 2 C3A + 21 H C4AH13+C2AH8 2 C3AH6+9 H (六角水化物） （立方水化物） 如圖：,,,48,水泥水化反應(yīng)及其作用機(jī)理,4、水泥水化的歷程與機(jī)理 4)、硅酸鹽水泥早期水化歷程 硅酸鹽水泥早期水化過程分為四個(gè)時(shí)期。（1）、反應(yīng)活潑期——從拌漿開始5分鐘后

42、就可達(dá)到放熱最大值；（2）、誘導(dǎo)期——由于鈣釩石和水化硅酸鈣包覆層對(duì)水泥粒子的包覆作用，水化極慢；（3）、加速期——滲透壓和結(jié)晶壓力使包覆層破壞；水化加速并達(dá)到平衡（第Ⅱ放熱峰）。（4）硬化期——水化速度很慢，水泥硬化。（如圖）,49,API油井水泥分類及性能,1、API油井水泥分類 我國的油井水泥標(biāo)準(zhǔn)從前采用前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，70年代制訂了自己國家的油井水泥標(biāo)準(zhǔn)，但其標(biāo)準(zhǔn)仍然參照前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)制訂。（45℃、75℃、

43、95℃油井水泥）當(dāng)時(shí)用凝結(jié)時(shí)間、48小時(shí)抗折強(qiáng)度、流動(dòng)度等技術(shù)指標(biāo)來評(píng)價(jià)水泥質(zhì)量，這些標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)美國API標(biāo)準(zhǔn)來說是顯得簡單一點(diǎn)、粗糙一點(diǎn)。隨著國家改革開放的政策變化，外國公司進(jìn)入中國境內(nèi)鉆井，提出了使用符合美國API標(biāo)準(zhǔn)的油井水泥，從1981年開始由嘉華水泥廠和國家建材研究院開始了API標(biāo)準(zhǔn)水泥的開發(fā)。1982年開始進(jìn)入南海、黃海以及東海的石油公司選用，得到了外國公司的認(rèn)可，1986年嘉華公司第一次申請(qǐng)API花押字。1988年國家油井水

44、泥標(biāo)準(zhǔn)正式等效采用美國API標(biāo)準(zhǔn)。,50,API油井水泥分級(jí)及性能,1、API油井水泥分類 API標(biāo)準(zhǔn)共有九個(gè)級(jí)別的油井水泥，1995年API標(biāo)準(zhǔn)去掉了J級(jí)油井水泥，現(xiàn)API標(biāo)準(zhǔn)只有八個(gè)級(jí)別的油井水泥。其中A、B、C、D、E、F級(jí)油井水泥是由水硬性硅酸鈣為主要成分的水泥熟料，加入適量石膏和助磨劑，磨細(xì)制成的產(chǎn)品。在粉磨與混合D、E、F級(jí)水泥的過程中，允許摻加適宜的調(diào)凝劑，并要求助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度不產(chǎn)生不良影響。G、H級(jí)油井水泥為

45、基本水泥，是由水硬性硅酸鈣為主要成分的水泥熟料，加入適量石膏或石膏和水，磨細(xì)制成的產(chǎn)品。在粉磨與混合G、H級(jí)水泥的過程中，不允許摻加其它任何外加物。，,51,API油井水泥分級(jí)及性能,2、API油井水泥的性能 API油井水泥有三個(gè)類型，即：普通型（O）、中抗硫酸鹽型（MSR）、高抗硫酸鹽型（HSR）。 （1）、A級(jí)：適用于 0——1830米井深，溫度至76.7℃，無特殊要求，僅有普通型（O）； （2）、B級(jí)：適用于 0

46、——1830米井深，溫度至76.7℃，屬于中熱水泥，分為中抗硫酸鹽型（MSR）、高抗硫酸鹽型（HSR）。 （3）、C級(jí)：適用于 0——1830米井深，溫度至76.7℃，屬于早強(qiáng)水泥，分為普通型（O）、中抗硫酸鹽型（MSR）、高抗硫酸鹽型（HSR）。 （4）、D級(jí)：適用于 1830——3050米井深，溫度至76——127℃，為基本水泥加緩凝劑而成，用于中溫中壓條件。分為MSR、HSR；。,52,API油井水泥分級(jí)及性能,2、API

47、油井水泥的性能 （5）、E級(jí)：適用于 0——1830米井深，溫度76——143℃ ，為基本水泥加緩凝劑而成，用于高溫高壓條件；分為MSR、HSR。 （6）、F級(jí)：適用于 3050——4880米井深，溫度110——160℃，為基本水泥加緩凝劑而成，用于超高溫高壓條件；分為MSR、HSR。 （7）、G級(jí)、H級(jí)：適用于 0——2440米井深，溫度至93℃，屬于基本水泥，分為MSR、HSR；兩者的差異僅在粒度上。,53,API油井水

48、泥分級(jí)及性能,3、API油井水泥的性能測試 目前，我國對(duì)油井水泥及其外加劑性能測試是按美國石油學(xué)會(huì)制定API《油井水泥試驗(yàn)推薦做法》（API RP 10B）以及參照API標(biāo)準(zhǔn)制定的國家標(biāo)準(zhǔn)《油井水泥及其試驗(yàn)方法》進(jìn)行評(píng)價(jià)的。 測定其體系性能包括以下主要方面：水泥漿密度、油井模擬稠化時(shí)間試驗(yàn)、靜失水試驗(yàn)、滲透率試驗(yàn)、水泥漿的流變性和膠凝強(qiáng)度、水泥漿穩(wěn)定性試驗(yàn)以及與井下流體的相容性試驗(yàn)。井下流體有地層水、前置液、