【正文】 。 167。 5 防氣竄水泥 97 表 充氣水泥漿與原漿的水泥石特性 2）水泥石的強度和膨脹性 由表 ，在相同條件下，充氣水泥漿的抗壓強度和連接強度分別比一般原水泥漿高 21%～ 26%和 9%～ 13%。一般水泥都具有收縮特性，而充氣水泥漿即使在壓力作用下，仍具有膨脹和孔隙壓力不大的特點，這有利于防止水泥漿在凝固過程中的油、氣、水竄問題。 167。 5 防氣竄水泥 98 3）水泥石的滲透率 常壓下的充氣水泥漿膨脹性很大，水泥石的強度較低，滲透率一般比原漿達 1000倍以上，無法起到封隔地層的作用。當(dāng)實驗壓力為 5～ 7MPa時，養(yǎng)護 1～ 2d，其滲透率低于原漿水泥石的滲透率，且降低幅度較大。這同樣有利于防氣竄能力的提高。 4）充氣水泥漿對套管的腐蝕問題 由于充氣水泥漿中的微小氣泡是氫氣，有人曾對其是否會造成套管氫脆腐蝕提出質(zhì)疑。氫脆是原子氫作用的結(jié)果，堿性較高的充氣水泥漿具有較強的緩蝕性能，發(fā)氣產(chǎn)生的是離子氫，不存在滲透到金屬內(nèi)部的氫脆問題。 167。 5 防氣竄水泥 99 167。 6 不滲透水泥 不滲透水泥是指水泥漿從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過渡期內(nèi)，能夠減少水泥漿的透氣性和降低水泥石的滲透率，達到阻止氣體滲透過水泥本體的水泥體系。該體系的水泥作用機理有三種： ?一種是靠沉積在地層上不可滲透的水泥濾餅抑制流體滲透過水泥本體； ?二種是配制一種與侵入流體相互作用的改性水泥漿在水泥孔隙中形成一層不可滲透的阻擋層，達到抑制更多的氣體滲透過水泥本體； ?三種是通過加入超細材料堵塞孔隙通道，抑制氣體滲透過水泥本體。 100 167。 6 不滲透水泥 膠乳水泥 一、膠乳水泥 膠乳是用于描述一種乳化聚合物的通用名稱，通常是以很小的球狀聚合物顆粒的乳狀懸浮液的形式提供。聚合物膠粒的粒徑在 ～ 內(nèi)。膠乳水泥具有以下的優(yōu)點： （ 1）減小水泥環(huán)體積收縮，改善水泥環(huán)與套管、地層間的膠結(jié)情況； （ 2）降低射孔時水泥環(huán)的破裂度； （ 3）提高防鉆井液污染的能力； 1. 概述 101 就氣竄控制而言，膠乳的最重要性質(zhì)是它的成膜能力。當(dāng)氣體與膠乳接觸時或膠乳顆粒的濃度超過某一給定的臨界值時，膠乳顆粒就凝聚形成一層聚合物膜。在氣竄就要發(fā)生時，氣體最先侵入水泥封固的氣層部分環(huán)空，在這部分環(huán)空處氣體與遍布水泥中的膠乳接觸，這就引起膠乳顆粒凝聚在水泥孔隙空間形成氣體不能滲透的一層薄膜，正是這層薄膜阻止了氣體進一步往還空上竄。 膠乳水泥的代表體系主要是苯乙烯 丁二烯膠乳體系。 167。 6 不滲透水泥 膠乳水泥 102 2. 膠乳水泥的作用機理 1）膠乳降失水機理 膠乳顆粒的直徑比水泥顆粒粒徑小得多，且膠粒具有良好的彈性。在水泥形成濾餅時一部分膠粒擠塞、充填于水泥顆粒間的空隙中使濾餅的滲透率降低；另一方面，一部分膠粒在壓差的作用下在水泥顆粒間聚集成膜，這層覆蓋在濾餅上的膜進一步使濾餅的滲透率降低。 167。 6 不滲透水泥 膠乳水泥 103 聚合物大分子鏈節(jié)可以自由進行旋轉(zhuǎn)運動，使聚合物具有彈性和塑性。當(dāng)水泥與膠乳一經(jīng)混合，聚合物膠粒即分散在水泥漿中。在水泥水化過程中，這些膠粒聚集并包裹在水泥水化物外面，最終形成聚合物的薄膜覆蓋了 CSH凝膠。同時，由于膠乳在水泥微縫隙間形成橋接并抑制了縫隙的發(fā)展從而增強了水泥石的彈性，提高了抗沖擊能力；水泥石滲透率下降，提高了抗底水腐蝕的能力。此外，由于膠乳水泥具有較好的塑性，所以可提供良好的界面膠結(jié)。 2）膠乳改善水泥石性能的原理 167。 6 不滲透水泥 膠乳水泥 104 二、部分交聯(lián)聚合物 這類不滲透水泥是在水泥漿失重機理研究的基礎(chǔ)上研制出來的。采用水溶性聚合物在水泥中通過部分交聯(lián)反應(yīng)形成聚合物的微顆粒結(jié)構(gòu)，水泥漿具有良好的流變性，在水泥漿經(jīng)過滲透性地層時，由于頂替及環(huán)空靜液壓力與地層壓力存在壓差，使該體系的水泥漿產(chǎn)生濾失，部分膠聯(lián)聚合物在井壁上形成具有一定韌性的薄膜，它可降低水泥漿的失水量，防止?jié)B透性漏失，增大抵抗地層流體侵入環(huán)空的附加阻力，且具有成膜特性和很低的失水量，有利于保護油氣層。 167。 6 不滲透水泥 部分交聯(lián)聚合物 105 膠乳與部分膠聯(lián)聚合物的區(qū)別在于：膠乳是固相聚合物的水分散體，其中包括表面活性劑來保護膠體，這種膠體使分散體具有穩(wěn)定性。由于膠乳具有成膜能力，因此當(dāng)膠膜與氣體接觸時，或是顆粒的濃度超過一定臨界值時，膠膜顆粒就聚結(jié)形成了不滲透的聚合物屏障，組織了氣體的進一步上竄。部分膠聯(lián)聚合物是水溶性的，在水泥漿中它通過部分膠聯(lián)反應(yīng)形成聚合物包裹地微顆粒結(jié)構(gòu)，當(dāng)水泥漿通過滲透性地層時，稍有壓差，就相聚成膜，使氣體無法移動，從而阻止了氣竄的發(fā)生。 167。 6 不滲透水泥 部分交聯(lián)聚合物 106 三、微硅水泥 微硅是生產(chǎn)硅和硅鐵合金的副產(chǎn)品，在化學(xué)成分上是由 85%～ 98%無定型的二氧化硅組成的。其平均粒度約為 ，比水泥的平均粒度小100多倍。 用于固井的微硅水泥是油井水泥與微硅按一定比例制定的拌和物，微硅對水泥漿性能的典型改善為：降低游離水和降失水量，提高漿體的穩(wěn)定性。水泥石性能的改善為：提高抗壓強度和膠結(jié)強度、降低 水泥石的滲透率、提高水泥石的耐久性、降低強度衰退。而且由于微硅顆粒細小使得它們能夠填入水泥顆粒之間的空隙，并堵塞一些聯(lián)通的通道，能夠用它配制出不滲透水泥漿，有效地防止氣竄。 國外早在 80年代初就已漿微硅水泥用于低壓易漏油氣井固井并初見成效，而國內(nèi)對微硅水泥的研究和應(yīng)用也已引進。 167。 6 不滲透水泥 微硅水泥 107 167。 7 膨脹水泥 一、概述 水泥漿硬化后體積會收縮，這不僅使界面膠結(jié)不良，地層封隔可能失效，而且還由于水泥石內(nèi)微裂縫的增多而引起水泥石整體性能，如：抗?jié)B透能力、抗腐蝕能力及抗壓強度下降。 為解決水泥石硬化體積收縮問題而開發(fā)出一系列膨脹水泥或膨脹劑。膨脹水泥即在水泥漿凝固時產(chǎn)生輕度體積膨脹的水泥體系。 108 二、膨脹水泥種類和性能 1. 鈣礬石體系 屬于鈣礬石體系的膨脹水泥，國外主要有 K， S， M型，國內(nèi)有SEP型產(chǎn)品。這類膨脹劑（或膨脹水泥），主要由鈣、鋁（或少量鎂）的氧化物和石膏構(gòu)成，以一定細度的煅燒熟料或生料構(gòu)成，摻入波特蘭水泥中，有時需摻入部分鋁酸鹽水泥組成膨脹水泥。這些組分在水泥水化時生成高硫型硫鋁酸鈣（鈣礬石）結(jié)晶，并在水化過程中晶體不斷長大使水泥石體積膨脹，故可補償水泥硬化時發(fā)生的體積收縮。因膨脹是在優(yōu)先空間進行，所產(chǎn)生的化學(xué)預(yù)應(yīng)力可增強界面膠結(jié)強度并在一定程度上改善水泥石結(jié)構(gòu)，提高固井質(zhì)量。此外，由于鈣礬石晶胞中含有多個水分子，故使水泥漿的游離液減少，甚至為零。 167。 7 膨脹水泥 109 鈣礬石體系水泥與原漿水泥比較見圖 。 圖 鈣礬石體系與原漿比較 167。 7 膨脹水泥 110 2. 針鈉鈣石體系 主要膨脹組分為：水溶性弱酸、鈣質(zhì)化合物、硅質(zhì)化合物等。針鈉鈣石膨脹水泥用于封堵孔洞、漏失地層，使用溫度 150275oC。該溫度下體積膨脹率為 %～ 2%。 體系膨脹物相為針鈉鈣石，具有優(yōu)異的膨脹性能、耐高溫性和耐鹽性能。用于堵漏時，其水泥漿的稠化時間相當(dāng)長而且可以用緩凝劑調(diào)節(jié)。針鈉鈣石是氧化鈉和弱酸鈉鹽在高于 150oC條件下與水化硅酸鈣反應(yīng)生成的。 167。 7 膨脹水泥 111 3. 煅燒氧化鎂體系 加有煅燒氧化鎂的油井水泥，在水化過程中氧化鎂形成氫氧化鎂，其體積大于反應(yīng)初始體積，從而使水泥發(fā)生體積膨脹。此微小的膨脹可以補償水泥漿在硬化時產(chǎn)生的體積收縮，改善水泥與套管、地層間的膠結(jié)狀況。 氧化鎂必須經(jīng)過高溫煅燒，對其膨脹率應(yīng)加以控制，不使過大，以免引起水泥石結(jié)構(gòu)破壞，強度下降。 167。 7 膨脹水泥 112 64 4. 氧化鈣復(fù)合體系 氧化鈣膨脹水泥是以活性 CaO粒子為核心，表面被Ca(OH)2或 CaCO3（或兩者并存）的外殼所包裹而構(gòu)成的復(fù)合 CaO膨脹水泥體系。由于 CaO組分水化迅速，膨脹率可達 100%。因此常常在體系中復(fù)合其它組分來控制其水化速度，避免過高、過早的膨脹。對于常用的波特蘭水泥，為保證水泥石的安定性也特別規(guī)定游離 CaO的含量。 167。 7 膨脹水泥 113 5. 高鋁水泥膨脹體系 其膨脹組分由處理過的鋁粒子、硫酸鈣和氧化鈣構(gòu)成。摻入波特蘭水泥形成高鋁水泥。經(jīng)處理的鋁粒子，其核心部分是未水化的鋁，其外殼是高鋁水泥的水化產(chǎn)物，具有防水滲透功能?？梢匝泳徚Ｗ雍诵闹械匿X與水泥其它組分間的反應(yīng)，同時，可使鋁在膨脹水泥水相中高度分散。 167。 7 膨脹水泥 114 167。 8 微細水泥 微細水泥（ SPSC）的顆粒大小主要分布于 1～ 15μm范圍，比常規(guī) G級水泥的顆粒徑小 5～ 10倍，能穿透滲入到常規(guī)水泥達不到的地方，它是適應(yīng)石油工業(yè)特殊要求（擠水泥、堵水、堵漏、充填微細孔隙）而發(fā)展起來的。 115 167。 8 微細水泥 一、微細水泥的性能 化學(xué)組成： 目前國外油田所用的微細水泥按組分，主要有三種類型：微細高爐礦渣、微細波特蘭水泥和微細波特蘭水泥與微細高爐礦渣的混合物。前兩種都是純凈的礦渣或波特蘭水泥，具有密度低，膠凝強度發(fā)展快的優(yōu)點，但也存在高溫強度易衰退的不足。微細高爐礦渣由于反應(yīng)活性低，在低于 20oC時則可單獨使用，也可加入定量的 NaOH等來激活。 116 微細水泥的水化 試驗表明，比表面積大的微細水泥與普通水泥相比，其早期水化 2h 的反應(yīng)能力提高了。為保證水泥的凝結(jié)時間其中 SO3的含量必須控制在 %以上。同時必須加入少量合適的緩凝劑，才能保證水泥凝結(jié)的平穩(wěn)控制。其水化物判別差別不大，但水化程度大大提高，水化產(chǎn)物也大大多于普通水泥。 167。 8 微細水泥 117 2. 物理性能 微細水泥的最主要的物理性能是粒徑小，且分布范圍窄，主要集中于 3～ 15μm內(nèi)。此外，它還具有較強的造漿能力。其沉降能力在低溫下大于 G級水泥，隨著溫度的升高，微細水泥的沉降減少。高溫下，微細水泥更易水化，水灰比增大，微細水泥的漿體穩(wěn)定性變差。 167。 8 微細水泥 118 抗壓強度：由于顆粒較細，其漿體的早期抗壓強度較大，因為水能較快地滲入水泥內(nèi)部，而且由于其表面積增大也能提高水化反應(yīng)速率，從而使早期強度發(fā)展快，水化物比普通水泥多，結(jié)構(gòu)均勻致密。除此之外，微細水泥水化反應(yīng)不易受溫度變化的影響，而常規(guī)水泥漿在低溫下養(yǎng)護易失去早期抗壓強度，故微細水泥極其適合低溫條件下的低密度水泥固井作業(yè)。 167。 8 微細水泥 119 二、微細水泥的應(yīng)用 1. 低溫條件下的一次注水泥 低溫下用于封固套管柱，可獲得較高的早期抗壓強度；用于固表層套管，可以縮短侯凝時間；低溫下能達到要求的抗壓強度，也能在較高溫度時泵入井內(nèi)，保持長時間的可泵性。 167。 8 微細水泥 120 2. 擠水泥 用于修補套管及封堵套管接箍處的漏失。 3. 堵水 除用于水基水泥漿外，還可用烴類液體攜帶微細水泥漿進行選擇性堵水。方法是將微細水泥摻入混有表面活性劑的油基水泥漿中，使微細水泥具有很高的濃度，并能延緩微細水泥與水的反應(yīng)，從而滲入到高滲透的微小通道和裂縫內(nèi)將水堵住。 167。 8 微細水泥 121 167。 9 纖維 水泥