郭泉
胜利石油工程有限公司固井技术服务中心技术研究所，山东 东营 257000
摘要：对固井工程有较大影响的是水泥浆性能，当通过调节水泥的化学成分不能完全满足固井工程的要求时，就要加入水泥的外加剂来调节；而特种水泥则主要是用于解决某些油、气井的特殊问题的水泥，或用于解决注水泥中的高温、漏失、环空气窜等问题。本文简要分析了水泥浆的性能、水泥的外加剂，以及特种水泥，旨在为固井工程施工提供参考。
关键词：水泥浆；外加剂；特种水泥
1水泥浆的性能
1.1水泥浆的密度
水泥干灰的密度一般为3.05~3.20g/cm3。通常要使水泥完全水化，需要的水为水泥重量的20%左右即可，但此时水泥浆基本不能流动。要使水泥浆能流动，加水量应达到水泥重量的45%~50%,调节出的水泥浆的密度为1.80~1.90g/cm3之间。这一密度比一般井所用的钻井液密度要大，但可能比某些重钻井液密度要低。
1.2水泥浆的稠化时间
水泥浆调成之后，随着水化反应的进行水泥浆逐渐变稠，流动性变差。在注水泥时用泵注入及顶替过程中，可能会出现水泥浆流动越来越困难，直到不能被泵入，此时，虽然还没有达到水泥的凝固，但是已无法用泵注入及顶替了。因此，注水泥的全过程必须在水泥浆稠化之前完成，稠化时间就决定了施工作业可能的时间。对于施工周期长的深井注水泥，就应当有较长的水泥浆稠化时间为保证。
水泥浆的稠化时间是指水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。例如API标准中规定的这一数值是从开始混拌到水泥浆稠度达到100bC(水泥稠度单位)所用的时间为水泥浆稠化时间。API标准中规定在初始的15~30min时间内，稠化值应当小于30BC。好的稠化情况是在现场总的施工时间内，水泥浆的稠度在50BC以内。
1.3水泥浆的失水
为保证水泥浆的流动。应当使水的加入量比完全水化所用的水量要多出很多。现场用水量一般达到水泥重量的50%左右，才能使水泥浆的流动性良好。水泥在凝固之后，多余的水就析出。析出的水为高矿化度自由水，可以渗入地层，对生产层造成严重污染。如果析出的水不能进入地层，有可能留在水泥石中，形成孔道，会造成流体上窜的通道，破坏水泥石的封隔性及降低水泥石的强度。一般未经处理的水泥浆的失水量可达100mL/30min因此，水泥浆的失水量应当通过加入处理剂的方法尽量使之降低。
1.4水泥浆的凝结时间
水泥浆调成即开始水化，从液态转变为固态的时间就是水泥浆的凝结时间。这一时间不同于稠化时间。一般来说，水泥浆的凝结时间大于稠化时间。水泥浆的凝结时间对施工有较大的影响，即从注水泥到套管被封固后可承担一定负荷的这一段时间，就决定了固井完成到进行下一个工序所用的时间。对于封固表层及技术套管来讲，希望水泥能有早期较高的强度。以便于尽快开始下一道工序。通常希望固完井候凝8h左右，水泥浆开始凝结成水泥石，其抗压强度可达2.3MPa以上即可开始下一次开钻。
1.5水泥石强度
水泥石的强度应满足下述要求：
(1)支撑和加强套管。经研究表明，当水泥石的抗压强度为56kPa时，10m长的水泥环就可支撑94m长的177.8mm的套管，因此支撑套管并不要很高的水泥石强度。
(2)应能承受钻柱的冲击载荷。
(3)应能承受酸化、压裂等增产措施作业的压力。
各种水泥标准中都给出了水泥的极限强度及早期(8~24h)的强度，如P标准中规定，进行射孔的层段，水泥的抗压强度应大于13.8MPa
1.6水泥石的抗蚀性
水泥石应能抗各种流体的腐蚀，主要应抗硫酸盐腐蚀。
在水泥成分中控制C3A及C4AF的含量为C3A≤3%,C4AF+2C3A≤24%,可使水泥抗硫性提高。也可加入矿渣、石英砂等提高抗硫的能力。
2水泥的外加剂
如果仅仅靠调节水泥的化学成分不能完全满足注水泥工艺要求，此时，就应通过加入外加剂调节水泥浆的性能。水泥的某些外加剂与钻井液处理剂有类似之处。
2.1加重剂
当需要高密度水泥浆时，应在水泥浆中使用加重剂。常见的加重剂有重晶石、赤铁矿粉等高密度材料。
用加重剂可使水泥浆的密度达到2.3g/cm3
2.2减轻剂
当要求降低水泥浆密度时，应在水泥浆中加入减轻剂。常见的有硅藻土、粘土粉、沥青粉、玻璃微珠、火山灰等低密度材料使用减轻剂可使水泥浆的密度降到1.45g/cm3。
2.3缓凝剂
可使水泥浆的稠化、凝固时间延长，通常用于高地温梯度的井和深井以保证有足够的注水泥作业时间。常用的缓凝剂有丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸盐、羧甲基羟乙基纤维素等。
2.4促凝剂
可使水泥浆加快凝固，用于缩短水泥的候凝时间及增加水泥的早期强度，多用于浅层及低温层的封固。常用的促凝剂有氯化钙、硅酸钠、氯化钾等。
2.5减阻剂
能明显改善水泥浆的流动性能，使水泥浆的流动阻力减少，有利于在低流速状态下使水泥浆的流动进入紊流状态，提高注水泥的质量。 常见的减阻剂有β奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸盐、木质素磺化钠等。
2.6降失水剂
能降低水泥浆的失水量。与钻井液使用的降失水剂基本一致，常用羧甲基羟乙基纤维素丙烯酸胺、粘土等。
2.7防漏失剂
用于防止水泥浆在易漏失层中的漏失，分为纤维状、颗粒状等固体堵漏材料。如沥青粒、纤维材料等。除此之外，还有一些其他材料，如石英砂为抗高温材料，用甘油聚醚为消泡剂等。各种外加剂在应用前应进行室内试验。
3特种水泥
特种水泥是用于解决某些油、气井的特殊问题的水泥，用于解决注水泥中的高温、漏失、环空气窜等问题。
3.1触变性水泥
普通水泥的流变特性为随着时间的延长，水泥浆变稠，泵送时的压力会变大，静止后再开泵泵送，流动阻力没有明显的增加。也就是说，其触变性没有明显的变化。触变性水泥的特点是当水泥浆静止时，会形成胶凝状态，但在流动时，胶凝状态被破坏，它的流动性是良好的当触变性水泥浆在泵送时，其流动特性良好，水泥浆是稀的、可泵送流体，但是当停泵时迅速形成一种较硬的结构体系，流动性变差。再次泵送时，结构体系破坏又恢复良好的流动性。
3.2膨胀水泥
水泥石应当与套管和地层岩石有良好的连接，以保证水泥把套管、地层岩石封堵牢固。但是一般的硅酸盐水泥凝固后，体积会有微小的收缩，对于非高压层，不会有太大的危害，但对于高压气井就会有较大的危险。因此，对于固高压井就希望水泥凝固时的体积不仅不能收缩而应略有膨胀，使封固性能良好在这种情况下可用膨胀水泥体系。膨胀水泥多为含有铝粉、钙镁钒盐类的水泥。
3.3防冻水泥
在某些寒冷地区施工时，地表温度较低，易使水泥浆受冻，而使水泥石的强度降低，此种情况下应使用防冻水泥封固。例如在永久性冻土层中在寒冷的冬季封固表层套管时就应使用这种水泥。在美国的阿拉斯加，永久性冻土带厚度可达几十米，必须使用防冻水泥。我国的大庆，冬季的表层套管封固也应用防冻水泥。
3.4抗盐水泥
在使用海水配浆或井下有大段盐岩层的情况下，应当使用抗盐水泥。主要是在油井水泥中加入大量的食盐(NaCl)粉，形成抗盐水泥。
3.5抗高温水泥
在地下有高温(注热蒸汽或火烧油层开采井及地热井)的情况下为使水泥能抗高温，就应当使用抗高温水泥。水泥在高温下强度急剧降低，普通的硅酸盐水泥在230℃下其抗压强度降低到原强度的50%左右，温度越高，强度下降越严重。水泥在高温下的另一个严重问题是渗透性加大。在常温下，水泥石的渗透性应低于0.1md,但在230℃下，水泥石的渗透率为常温下的10~100倍，造成水泥的渗漏。在高温下，必须采用抗高温的水泥。可采用在普通硅酸盐水泥中加入石英砂，加入铝酸盐的办法提高抗温性能。
3.6轻质水泥
为减轻水泥浆的密度，可在水泥中加入轻质材料，如火山灰、沸石、硅藻土等，形成轻质水泥。其名称分别为火山灰水泥、硅藻土水泥等。轻质水泥的密度可控制在1.45g/cm3左右，主要用于低压井固井等场合。
4结束语
水泥浆性能对固井工程影响较大，要结合钻井固井施工选用不同性能的水泥浆。而当通过调节水泥的化学成分不能完全满足固井工程的要求时，可以通过外加剂来进行调节，并针对特殊施工选用特种水泥，以满足施工需求。作者简介：郭泉，男，吉林省吉林市人，大学本科，工程师，主任师，专业方向：水泥浆体系。