固井作业4.ppt

三、套管柱设计方法确定设计条件：安全系数、外载计算方式确定设计条件：安全系数、外载计算方式确定设计条件：安全系数、外载计算方式确定设计条件：安全系数、外载计算方式按内压筛选套管按内压筛选套管按内压筛选套管按内压筛选套管求井底外挤力，选第一段套管求井底外挤力，选第一段套管求井底外挤力，选第一段套管求井底外挤力，选第一段套管选第二段套管，计算其可下深度选第二段套管，计算其可下深度选第二段套管，计算其可下深度选第二段套管，计算其可下深度计算第一段套管长度和有关安全系数计算第一段套管长度和有关安全系数计算第一段套管长度和有关安全系数计算第一段套管长度和有关安全系数选第三段套管选第三段套管选第三段套管选第三段套管 或或或或 选套管，按套管抗拉强度计算其可下深度选套管，按套管抗拉强度计算其可下深度选套管，按套管抗拉强度计算其可下深度选套管，按套管抗拉强度计算其可下深度 抗内压安全系数校核抗内压安全系数校核抗内压安全系数校核抗内压安全系数校核 注意：抗挤应按双轴应力进行计算注意：抗挤应按双轴应力进行计算注意：抗挤应按双轴应力进行计算注意：抗挤应按双轴应力进行计算 1三、套管柱强度设计(油层套管)l l某井某井某井某井177.8mm177.8mm套管，下入深度套管，下入深度套管，下入深度套管，下入深度3500m,3500m,井内钻井内钻井内钻井内钻井液密度井液密度井液密度井液密度1.30g/cm3,1.30g/cm3,水泥返至井深水泥返至井深水泥返至井深水泥返至井深2800m2800m。抗抗抗抗挤安全系数为挤安全系数为挤安全系数为挤安全系数为1.125,1.125,抗拉安全系数为抗拉安全系数为抗拉安全系数为抗拉安全系数为1.8(1.8(不考虑不考虑不考虑不考虑浮力影响浮力影响浮力影响浮力影响)，井口抗内压安全系数为，井口抗内压安全系数为，井口抗内压安全系数为，井口抗内压安全系数为1.1.1.1.l l解（解（解（解（1 1）按抗挤强度设计第一段套管）按抗挤强度设计第一段套管）按抗挤强度设计第一段套管）按抗挤强度设计第一段套管按全掏空计算井底地外挤压力按全掏空计算井底地外挤压力按全掏空计算井底地外挤压力按全掏空计算井底地外挤压力PbPb=0.0098*1.3*3500=45.5(MPa)=0.0098*1.3*3500=45.5(MPa)第一段套管应具有的抗挤强度为第一段套管应具有的抗挤强度为第一段套管应具有的抗挤强度为第一段套管应具有的抗挤强度为Pc1=Pc1=PbPb*sc=45.5*1.125=51.19(MPa)*sc=45.5*1.125=51.19(MPa)由套管性能表查得由套管性能表查得由套管性能表查得由套管性能表查得N-80N-80，壁厚壁厚壁厚壁厚11.51mm11.51mm套管，套管，套管，套管，其抗挤强度为其抗挤强度为其抗挤强度为其抗挤强度为60.46MPa60.46MPa实际抗挤安全系数为：实际抗挤安全系数为：实际抗挤安全系数为：实际抗挤安全系数为：Sc1=60.46/51.19=1.181Sc1=60.46/51.19=1.181N-80N-80，壁厚壁厚壁厚壁厚11.51mm11.51mm2三、套管柱强度设计(油层套管)l l（2 2）第一段套管得顶截面位置取决于第二段）第一段套管得顶截面位置取决于第二段）第一段套管得顶截面位置取决于第二段）第一段套管得顶截面位置取决于第二段套管得可下深度，第二段套管选用抗挤强度套管得可下深度，第二段套管选用抗挤强度套管得可下深度，第二段套管选用抗挤强度套管得可下深度，第二段套管选用抗挤强度低低一级的套管，可选低低一级的套管，可选低低一级的套管，可选低低一级的套管，可选N-80,N-80,壁厚壁厚壁厚壁厚10.36mm10.36mm套套套套管，其抗挤强度为管，其抗挤强度为管，其抗挤强度为管，其抗挤强度为49.35MPa,49.35MPa,抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度TtTt=2708kN,Ts=3066kN,=2708kN,Ts=3066kN,重量为重量为重量为重量为431.5N/m.431.5N/m.第二段套管的可下深度为：第二段套管的可下深度为：第二段套管的可下深度为：第二段套管的可下深度为：实取第二段套管的深度为实取第二段套管的深度为实取第二段套管的深度为实取第二段套管的深度为3300m,3300m,则第一段则第一段则第一段则第一段套管的段长为套管的段长为套管的段长为套管的段长为uuL1=3500-3300=200mL1=3500-3300=200m3500m3300m3三、套管柱强度设计(油层套管)（3 3）校核第一段套管的抗拉系数（上端）校核第一段套管的抗拉系数（上端）校核第一段套管的抗拉系数（上端）校核第一段套管的抗拉系数（上端面）和第二段套管的抗挤系数（下端面）面）和第二段套管的抗挤系数（下端面）面）和第二段套管的抗挤系数（下端面）面）和第二段套管的抗挤系数（下端面）uu第一段套管的重量为第一段套管的重量为第一段套管的重量为第一段套管的重量为476kN/m476kN/m，抗拉强度为抗拉强度为抗拉强度为抗拉强度为3048kN,3048kN,浮力系数为：浮力系数为：浮力系数为：浮力系数为：Bf=1-1.3/7.8=0.833Bf=1-1.3/7.8=0.833第一段套管的浮重为：第一段套管的浮重为：第一段套管的浮重为：第一段套管的浮重为：T1=200*0.476=95.24kN(T1=200*0.476=95.24kN(空气中的重量空气中的重量空气中的重量空气中的重量)T1=200*0.476*0.833=79.33kN(T1=200*0.476*0.833=79.33kN(钻井液中的重量钻井液中的重量钻井液中的重量钻井液中的重量)第一段套管的抗拉系数第一段套管的抗拉系数第一段套管的抗拉系数第一段套管的抗拉系数St1=3048/95.24=32(St1=3048/95.24=32(安全安全安全安全)第二段套管的抗挤系数第二段套管的抗挤系数第二段套管的抗挤系数第二段套管的抗挤系数Sc1=49.35/(0.0098*1.30*3300)=1.15(Sc1=49.35/(0.0098*1.30*3300)=1.15(安全安全安全安全)3500m3300m4三、套管柱强度设计(油层套管)l l第二段套管的顶截面取决于第三段套管的可第二段套管的顶截面取决于第三段套管的可第二段套管的顶截面取决于第三段套管的可第二段套管的顶截面取决于第三段套管的可下深度，第三段套管选下深度，第三段套管选下深度，第三段套管选下深度，第三段套管选N-80,N-80,壁厚壁厚壁厚壁厚9.109.10套管套管套管套管(386.9N/m,(386.9N/m,抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度2354kN,Ts=2740kN)2354kN,Ts=2740kN)，抗挤强度为抗挤强度为抗挤强度为抗挤强度为38.03MPa.,38.03MPa.,按抗挤计算第三段套按抗挤计算第三段套按抗挤计算第三段套按抗挤计算第三段套管的可下深度：管的可下深度：管的可下深度：管的可下深度：H3=38.03/(0.0098*1.3*1.125)H3=38.03/(0.0098*1.3*1.125)=2600m =2600m由于第三段套管要承受其下第一和第二段由于第三段套管要承受其下第一和第二段由于第三段套管要承受其下第一和第二段由于第三段套管要承受其下第一和第二段套管的重量，其抗挤强度下降，因此要减套管的重量，其抗挤强度下降，因此要减套管的重量，其抗挤强度下降，因此要减套管的重量，其抗挤强度下降，因此要减小第三段套管的下入深度，（如果不减小，小第三段套管的下入深度，（如果不减小，小第三段套管的下入深度，（如果不减小，小第三段套管的下入深度，（如果不减小，抗挤强度不够）抗挤强度不够）抗挤强度不够）抗挤强度不够）uu水泥面处套管柱的轴向力为水泥面处套管柱的轴向力为水泥面处套管柱的轴向力为水泥面处套管柱的轴向力为uuT1+T2=79.33+500*0.4315*0.833=259kNT1+T2=79.33+500*0.4315*0.833=259kN3500m3300m水泥面2800m5三、套管柱强度设计(油层套管)l l校核水泥面的抗挤强度校核水泥面的抗挤强度校核水泥面的抗挤强度校核水泥面的抗挤强度3500m3300m水泥面2800m6三、套管柱强度设计(油层套管)计算第三段套管的可下深度（采用双轴计算第三段套管的可下深度（采用双轴计算第三段套管的可下深度（采用双轴计算第三段套管的可下深度（采用双轴应力设计）应力设计）应力设计）应力设计）uu找到一个井深，使第三段套管的下截面在拉找到一个井深，使第三段套管的下截面在拉找到一个井深，使第三段套管的下截面在拉找到一个井深，使第三段套管的下截面在拉力作用下，其抗挤安全系数接近力作用下，其抗挤安全系数接近力作用下，其抗挤安全系数接近力作用下，其抗挤安全系数接近1.1251.125uu假设第三段套管下至假设第三段套管下至假设第三段套管下至假设第三段套管下至2300 m,2300 m,则第二段套管的则第二段套管的则第二段套管的则第二段套管的段长为段长为段长为段长为L2=1000mL2=1000muu第二段套管在空气中的重量：第二段套管在空气中的重量：第二段套管在空气中的重量：第二段套管在空气中的重量：T2=1000*0.4315=431.5kNT2=1000*0.4315=431.5kNuu第二段套管在钻井液中的重量：第二段套管在钻井液中的重量：第二段套管在钻井液中的重量：第二段套管在钻井液中的重量：T2=0.833*431.5=359.4kNT2=0.833*431.5=359.4kNuu第三段套管下端面的拉力第三段套管下端面的拉力第三段套管下端面的拉力第三段套管下端面的拉力 T1+T2=79.3+359.4=438.7kNT1+T2=79.3+359.4=438.7kNuu考虑双轴应力后第三段套管的抗挤强度为考虑双轴应力后第三段套管的抗挤强度为考虑双轴应力后第三段套管的抗挤强度为考虑双轴应力后第三段套管的抗挤强度为Pcc3=Pc3*K=34.67MPaPcc3=Pc3*K=34.67MPauu第三段套管的抗挤安全系数为第三段套管的抗挤安全系数为第三段套管的抗挤安全系数为第三段套管的抗挤安全系数为 Sc3=34.67/(0.0098*1.3*2300)=1.159(Sc3=34.67/(0.0098*1.3*2300)=1.159(安全安全安全安全)3500m3300m水泥面2800m2300m7三、套管柱强度设计(油层套管)l l校核第二段套管顶截面的抗拉安全系校核第二段套管顶截面的抗拉安全系校核第二段套管顶截面的抗拉安全系校核第二段套管顶截面的抗拉安全系数（数（数（数（Tt2=2708kNTt2=2708kN）St2=Tt2/(T1+T2)St2=Tt2/(T1+T2)=2708/(95.24+431.5)=2708/(95.24+431.5)=5.14 (=5.14 (安全安全安全安全)校核第三段套管顶部（井口）的抗校核第三段套管顶部（井口）的抗校核第三段套管顶部（井口）的抗校核第三段套管顶部（井口）的抗拉强度拉强度拉强度拉强度uu因为因为因为因为T3=2354kN,W3=386.9N/mT3=2354kN,W3=386.9N/muuST3=2354/(T1+T2+T3)=1.66ST3=2354/(T1+T2+T3)=1.66uu井口抗拉系数小于井口抗拉系数小于井口抗拉系数小于井口抗拉系数小于1.8,1.8,抗拉强度不符抗拉强度不符抗拉强度不符抗拉强度不符合要求。合要求。合要求。合要求。3500m3300m水泥面2800m2300m8三、套管柱强度设计(油层套管)l l(4)(4)按抗拉设计确定第三段套管的许按抗拉设计确定第三段套管的许按抗拉设计确定第三段套管的许按抗拉设计确定第三段套管的许用长度用长度用长度用长度实际取实际取实际取实际取L3=2000mL3=2000muuT3=2000*0.3869=774kNT3=2000*0.3869=774kNuu第三段套管顶截面的安全系数为：第三段套管顶截面的安全系数为：第三段套管顶截面的安全系数为：第三段套管顶截面的安全系数为：uuSt3=2354/(95.24+431.5+774)=1.81St3=2354/(95.24+431.5+774)=1.813500m3300m水泥面2800m2300m2000m9三、套管柱强度设计(油层套管)第四段套管选用第四段套管选用第四段套管选用第四段套管选用N-80,N-80,壁厚壁厚壁厚壁厚1010。3636mmmm，长度为长度为长度为长度为300300m,m,井口的抗拉安全系数为：井口的抗拉安全系数为：井口的抗拉安全系数为：井口的抗拉安全系数为：ST4=2708/(T1+T2+T3+T4)ST4=2708/(T1+T2+T3+T4)=2708/(95+431.5+779+129)=2708/(95+431.5+779+129)=1.89 =1.89l l(5)(5)校核井口内压校核井口内压校核井口内压校核井口内压uuSiSi=Pi/=Pi/psps=57.36/=57.36/psps=1.56=1.563500m3300m水泥面2800m2300m300m10l l以上介绍了套管柱外载分析与计算、套管柱强度设计的基以上介绍了套管柱外载分析与计算、套管柱强度设计的基以上介绍了套管柱外载分析与计算、套管柱强度设计的基以上介绍了套管柱外载分析与计算、套管柱强度设计的基本原理和方法，同时以技术套管为例介绍了套管柱强度设本原理和方法，同时以技术套管为例介绍了套管柱强度设本原理和方法，同时以技术套管为例介绍了套管柱强度设本原理和方法，同时以技术套管为例介绍了套管柱强度设计的步骤，并给出了设计例子。计的步骤，并给出了设计例子。计的步骤，并给出了设计例子。计的步骤，并给出了设计例子。l l在现场的套管柱设计中，还会遇到一些特殊的问题：在现场的套管柱设计中，还会遇到一些特殊的问题：在现场的套管柱设计中，还会遇到一些特殊的问题：在现场的套管柱设计中，还会遇到一些特殊的问题：如在腐蚀性环境中要考虑井内流体对套管的腐蚀问题，如在腐蚀性环境中要考虑井内流体对套管的腐蚀问题，如在腐蚀性环境中要考虑井内流体对套管的腐蚀问题，如在腐蚀性环境中要考虑井内流体对套管的腐蚀问题，如硫化氢气体、酸性气体（如二氧化碳）、腐蚀性地如硫化氢气体、酸性气体（如二氧化碳）、腐蚀性地如硫化氢气体、酸性气体（如二氧化碳）、腐蚀性地如硫化氢气体、酸性气体（如二氧化碳）、腐蚀性地层水中的碳酸根和碳酸氢根等对套管的腐蚀问题，这层水中的碳酸根和碳酸氢根等对套管的腐蚀问题，这层水中的碳酸根和碳酸氢根等对套管的腐蚀问题，这层水中的碳酸根和碳酸氢根等对套管的腐蚀问题，这时除强度考虑外，在套管材质上还应选用具有抗腐蚀时除强度考虑外，在套管材质上还应选用具有抗腐蚀时除强度考虑外，在套管材质上还应选用具有抗腐蚀时除强度考虑外，在套管材质上还应选用具有抗腐蚀能力的套管。能力的套管。能力的套管。能力的套管。三、套管柱强度设计11又如对高压气井，为防止气体在螺纹连接处泄露，应又如对高压气井，为防止气体在螺纹连接处泄露，应又如对高压气井，为防止气体在螺纹连接处泄露，应又如对高压气井，为防止气体在螺纹连接处泄露，应选用密封性能良好的特殊螺纹套管。选用密封性能良好的特殊螺纹套管。选用密封性能良好的特殊螺纹套管。选用密封性能良好的特殊螺纹套管。如果管外存在有易流动地层（如塑性盐层），则在该如果管外存在有易流动地层（如塑性盐层），则在该如果管外存在有易流动地层（如塑性盐层），则在该如果管外存在有易流动地层（如塑性盐层），则在该地层附近的外压力要按上覆岩层压力计算，或根据岩地层附近的外压力要按上覆岩层压力计算，或根据岩地层附近的外压力要按上覆岩层压力计算，或根据岩地层附近的外压力要按上覆岩层压力计算，或根据岩石蠕变理论计算岩石蠕变所产生的挤压力。石蠕变理论计算岩石蠕变所产生的挤压力。石蠕变理论计算岩石蠕变所产生的挤压力。石蠕变理论计算岩石蠕变所产生的挤压力。更为严重的是，塑性蠕变地层对套管所产生的挤压力更为严重的是，塑性蠕变地层对套管所产生的挤压力更为严重的是，塑性蠕变地层对套管所产生的挤压力更为严重的是，塑性蠕变地层对套管所产生的挤压力在周向上往往是非均布的，而套管抵抗非均布外压力在周向上往往是非均布的，而套管抵抗非均布外压力在周向上往往是非均布的，而套管抵抗非均布外压力在周向上往往是非均布的，而套管抵抗非均布外压力的能力很低。已有许多理论（包括实验）来计算这种的能力很低。已有许多理论（包括实验）来计算这种的能力很低。已有许多理论（包括实验）来计算这种的能力很低。已有许多理论（包括实验）来计算这种非均布载荷和在这种非均布载荷下套管的承压能力。非均布载荷和在这种非均布载荷下套管的承压能力。非均布载荷和在这种非均布载荷下套管的承压能力。非均布载荷和在这种非均布载荷下套管的承压能力。三、套管柱强度设计12三、套管柱设计方法其它套管强度设计方法其它套管强度设计方法边界载荷法边界载荷法最大载荷法最大载荷法AMOCO西德西德BEB方法方法13三、套管柱设计方法大作业：大作业：已知：套管下深已知：套管下深 H=3100m,设计设计外径外径 D=139.7mm,水泥面深水泥面深 h=2500m,管外泥浆密度管外泥浆密度 1.2 g/cm3,管外泥浆密度管外泥浆密度 1.07 g/cm3,取设计安全系数：取设计安全系数：St=1.8 Sc=1.0 Si=1.1现有现有 N80,K55 两种钢级套管，试设计套管柱。两种钢级套管，试设计套管柱。14第二节第二节油油 井井 水水 泥泥15一、油井水泥1.1.油井水泥级别和类型油井水泥级别和类型油井水泥级别和类型油井水泥级别和类型 目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品。水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成的浆体称为。而成的浆体称为。而成的浆体称为。而成的浆体称为。水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石16一、油井水泥1.油井水泥级别和类型油井水泥级别和类型l l目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品。品。品。品。水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成的浆体称为。的浆体称为。的浆体称为。的浆体称为。水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石17一、油井水泥1.油井水泥级别和类型油井水泥级别和类型l l水泥级别：适应不同井深的需要和防止地层流体中硫酸盐对水泥级别：适应不同井深的需要和防止地层流体中硫酸盐对水泥级别：适应不同井深的需要和防止地层流体中硫酸盐对水泥级别：适应不同井深的需要和防止地层流体中硫酸盐对水泥石的腐蚀，有多种级别、类型的油井水泥可供选用。美国水泥石的腐蚀，有多种级别、类型的油井水泥可供选用。美国水泥石的腐蚀，有多种级别、类型的油井水泥可供选用。美国水泥石的腐蚀，有多种级别、类型的油井水泥可供选用。美国石油学会（石油学会（石油学会（石油学会（APIAPIAPIAPI）规定了规定了规定了规定了8 8 8 8种级别的油井水泥，我国也参照种级别的油井水泥，我国也参照种级别的油井水泥，我国也参照种级别的油井水泥，我国也参照APIAPIAPIAPI标准制定了油井水泥的标准。标准制定了油井水泥的标准。标准制定了油井水泥的标准。标准制定了油井水泥的标准。表表表表7-5 7-5 7-5 7-5 APIAPIAPIAPI油井水泥使用范围油井水泥使用范围油井水泥使用范围油井水泥使用范围 级别级别类类 型型备注备注普通型普通型中抗硫酸盐型中抗硫酸盐型高抗硫酸盐型高抗硫酸盐型A普通水泥普通水泥B抗硫水泥抗硫水泥C具有高早期强度具有高早期强度D适于中温条件适于中温条件E适于高温条件适于高温条件F适于超高温条件适于超高温条件G基本油井水泥基本油井水泥H基本油井水泥基本油井水泥18一、油井水泥2.水泥的水化反应水泥的水化反应l l凝结过程（硬化过程）：水泥与水混合后，迅速与水凝结过程（硬化过程）：水泥与水混合后，迅速与水凝结过程（硬化过程）：水泥与水混合后，迅速与水凝结过程（硬化过程）：水泥与水混合后，迅速与水发生水化反应，生成各种水化产物，水泥浆也逐渐由液发生水化反应，生成各种水化产物，水泥浆也逐渐由液发生水化反应，生成各种水化产物，水泥浆也逐渐由液发生水化反应，生成各种水化产物，水泥浆也逐渐由液态转变为固态的过程，并形成的四种矿物成分：硅酸三态转变为固态的过程，并形成的四种矿物成分：硅酸三态转变为固态的过程，并形成的四种矿物成分：硅酸三态转变为固态的过程，并形成的四种矿物成分：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。硅酸三钙：硅酸三钙：硅酸三钙：硅酸三钙：3 3 3 3CaOCaOCaOCaO SiOSiOSiOSiO2 2 2 2（简写简写简写简写C C C C3 3 3 3S S S S）。）。）。）。是水泥产生强度的是水泥产生强度的是水泥产生强度的是水泥产生强度的主要化合物，它强度增长快，最后强度也大。主要化合物，它强度增长快，最后强度也大。主要化合物，它强度增长快，最后强度也大。主要化合物，它强度增长快，最后强度也大。硅酸二钙：硅酸二钙：硅酸二钙：硅酸二钙：型型型型2 2 2 2CaOCaOCaOCaO SiOSiOSiOSiO2 2 2 2（简写简写简写简写C C C C2 2 2 2S S S S）。）。）。）。水化反应慢，水化反应慢，水化反应慢，水化反应慢，强度增长慢，但能在长时间内逐渐增大水泥的强度强度增长慢，但能在长时间内逐渐增大水泥的强度强度增长慢，但能在长时间内逐渐增大水泥的强度强度增长慢，但能在长时间内逐渐增大水泥的强度19一、油井水泥2.水泥的水化反应水泥的水化反应铝酸三钙：铝酸三钙：铝酸三钙：铝酸三钙：3 3 3 3CaOCaOCaOCaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3（简写简写简写简写C C C C3 3 3 3A A A A）。）。）。）。水化反应速度最快，水化反应速度最快，水化反应速度最快，水化反应速度最快，是决定水泥浆初凝时间和稠化时间的主要因素，对水泥是决定水泥浆初凝时间和稠化时间的主要因素，对水泥是决定水泥浆初凝时间和稠化时间的主要因素，对水泥是决定水泥浆初凝时间和稠化时间的主要因素，对水泥浆的流变性也有很大影响。铝酸三钙对硫酸盐类侵蚀最浆的流变性也有很大影响。铝酸三钙对硫酸盐类侵蚀最浆的流变性也有很大影响。铝酸三钙对硫酸盐类侵蚀最浆的流变性也有很大影响。铝酸三钙对硫酸盐类侵蚀最敏感，因此在抗硫水泥中对铝酸三钙含量有限制。中抗敏感，因此在抗硫水泥中对铝酸三钙含量有限制。中抗敏感，因此在抗硫水泥中对铝酸三钙含量有限制。中抗敏感，因此在抗硫水泥中对铝酸三钙含量有限制。中抗硫酸盐型水泥中铝酸三钙的含量不能超过硫酸盐型水泥中铝酸三钙的含量不能超过硫酸盐型水泥中铝酸三钙的含量不能超过硫酸盐型水泥中铝酸三钙的含量不能超过8%8%8%8%，高抗硫酸，高抗硫酸，高抗硫酸，高抗硫酸盐型的水泥中铝酸三钙的含量不能超过盐型的水泥中铝酸三钙的含量不能超过盐型的水泥中铝酸三钙的含量不能超过盐型的水泥中铝酸三钙的含量不能超过3%3%3%3%。铁铝酸四钙：铁铝酸四钙：铁铝酸四钙：铁铝酸四钙：4 4 4 4CaOCaOCaOCaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 FeFeFeFe2 2 2 2O O O O3 3 3 3（简写简写简写简写C C C C4 4 4 4AFAFAFAF）。）。）。）。水化速度水化速度水化速度水化速度仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，硬化三天和仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，硬化三天和仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，硬化三天和仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，硬化三天和28282828天的天的天的天的强度值差别不大，强度的绝对值也不大。强度值差别不大，强度的绝对值也不大。强度值差别不大，强度的绝对值也不大。强度值差别不大，强度的绝对值也不大。20一、油井水泥2.水泥的水化反应水泥的水化反应l l三类水化反应：三类水化反应：三类水化反应：三类水化反应：1 1 1 1）C C C C3 3 3 3A A A A的水化反应的水化反应的水化反应的水化反应3 3 3 3CaOCaOCaOCaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3+6H+6H+6H+6H2 2 2 2O 3CaOO 3CaOO 3CaOO 3CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 6H6H6H6H2 2 2 2O O O O 2 2 2 2）C3SC3SC3SC3S、C2SC2SC2SC2S及及及及C4AFC4AFC4AFC4AF的水化反应的水化反应的水化反应的水化反应 2(32(32(32(3CaOCaOCaOCaO SiOSiOSiOSiO2 2 2 2)+6H)+6H)+6H)+6H2 2 2 2O O O O 3CaO 3CaO 3CaO 3CaO 2SiO2SiO2SiO2SiO2 2 2 2 3H3H3H3H2 2 2 2O+3Ca(OH)O+3Ca(OH)O+3Ca(OH)O+3Ca(OH)2 2 2 22(2CaO2(2CaO2(2CaO2(2CaO SiOSiOSiOSiO2 2 2 2)+4H)+4H)+4H)+4H2 2 2 2O O O O 3CaO 3CaO 3CaO 3CaO 2SiO2SiO2SiO2SiO2 2 2 2 3H3H3H3H2 2 2 2O+Ca(OH)O+Ca(OH)O+Ca(OH)O+Ca(OH)2 2 2 24CaO4CaO4CaO4CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 FeFeFeFe2 2 2 2O O O O3 3 3 3+2Ca(OH)+2Ca(OH)+2Ca(OH)+2Ca(OH)2 2 2 2+10H+10H+10H+10H2 2 2 2O 3CaOO 3CaOO 3CaOO 3CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 6H6H6H6H2 2 2 2O+O+O+O+3CaO3CaO3CaO3CaO FeFeFeFe2 2 2 2O O O O3 3 3 3 6H6H6H6H2 2 2 2O O O O 3 3 3 3）水化的水化的水化的水化的C3AC3AC3AC3A与二水石膏的水化反应与二水石膏的水化反应与二水石膏的水化反应与二水石膏的水化反应 3 3 3 3CaOCaOCaOCaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 6H6H6H6H2 2 2 2O+3(CaSOO+3(CaSOO+3(CaSOO+3(CaSO4 4 4 4 2H2H2H2H2 2 2 2O)+20HO)+20HO)+20HO)+20H2 2 2 2O O O O 3CaO3CaO3CaO3CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 3CaSO3CaSO3CaSO3CaSO4 4 4 4 3 3 3 32H2H2H2H2 2 2 2O O O O 21一、油井水泥2.水泥的水化反应水泥的水化反应l l有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：水泥的水化反应是一个不断进行的过程。随着水化的不水泥的水化反应是一个不断进行的过程。随着水化的不水泥的水化反应是一个不断进行的过程。随着水化的不水泥的水化反应是一个不断进行的过程。随着水化的不断进行，水泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展，最后形成断进行，水泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展，最后形成断进行，水泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展，最后形成断进行，水泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展，最后形成硬化的水泥石。硬化的水泥石。硬化的水泥石。硬化的水泥石。水泥的水化反应是一放热反应，在工程上可利用这一特水泥的水化反应是一放热反应，在工程上可利用这一特水泥的水化反应是一放热反应，在工程上可利用这一特水泥的水化反应是一放热反应，在工程上可利用这一特点来探测水泥浆在环形空间内的上返高度。点来探测水泥浆在环形空间内的上返高度。点来探测水泥浆在环形空间内的上返高度。点来探测水泥浆在环形空间内的上返高度。另外，水泥在水化过程中要发生体积收缩（水化后生成另外，水泥在水化过程中要发生体积收缩（水化后生成另外，水泥在水化过程中要发生体积收缩（水化后生成另外，水泥在水化过程中要发生体积收缩（水化后生成物的总体积小于水化前反应物的总体积），在一定条件物的总体积小于水化前反应物的总体积），在一定条件物的总体积小于水化前反应物的总体积），在一定条件物的总体积小于水化前反应物的总体积），在一定条件下该体积收缩对固井质量有着重要的影响下该体积收缩对固井质量有着重要的影响下该体积收缩对固井质量有着重要的影响下该体积收缩对固井质量有着重要的影响 22一、油井水泥2.水泥的水化反应水泥的水化反应l l有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：在油气井固井中，水泥的水化反应是在井下一定的在油气井固井中，水泥的水化反应是在井下一定的在油气井固井中，水泥的水化反应是在井下一定的在油气井固井中，水泥的水化反应是在井下一定的温度压力条件下进行的。温度压力对水泥的水化速温度压力条件下进行的。温度压力对水泥的水化速温度压力条件下进行的。温度压力对水泥的水化速温度压力条件下进行的。温度压力对水泥的水化速度有很大的影响，一般随温度压力的增加，水泥水度有很大的影响，一般随温度压力的增加，水泥水度有很大的影响，一般随温度压力的增加，水泥水度有很大的影响，一般随温度压力的增加，水泥水化速度加快，其中温度的影响更显著。正因为如此，化速度加快，其中温度的影响更显著。正因为如此，化速度加快，其中温度的影响更显著。正因为如此，化速度加快，其中温度的影响更显著。正因为如此，水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的情况下测定的。情况下测定的。情况下测定的。情况下测定的。23一、油井水泥2.水泥的水化反应水泥的水化反应l l水化反应产物水化反应产物水化反应产物水化反应产物氢氧化钙氢氧化钙氢氧化钙氢氧化钙、水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶、水化铝酸钙水化铝酸钙水化铝酸钙水化铝酸钙、水化铁酸钙水化铁酸钙水化铁酸钙水化铁酸钙、水水水水化硫铝酸钙化硫铝酸钙化硫铝酸钙化硫铝酸钙。在这些水化产物中，在这些水化产物中，在这些水化产物中，在这些水化产物中，氢氧化钙氢氧化钙氢氧化钙氢氧化钙析出为巨大的晶体，析出为巨大的晶体，析出为巨大的晶体，析出为巨大的晶体，水化硫铝水化硫铝水化硫铝水化硫铝酸钙酸钙酸钙酸钙为较小晶体，水化铝酸钙为更小晶体状态，为较小晶体，水化铝酸钙为更小晶体状态，为较小晶体，水化铝酸钙为更小晶体状态，为较小晶体，水化铝酸钙为更小晶体状态，含水硅酸钙含水硅酸钙含水硅酸钙含水硅酸钙和含水铁酸钙和含水铁酸钙和含水铁酸钙和含水铁酸钙为无定形体呈胶体状态。为无定形体呈胶体状态。为无定形体呈胶体状态。为无定形体呈胶体状态。水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶为纤为纤为纤为纤维状薄片，从矿物颗粒上向外伸展出去，逐渐形成一连续的维状薄片，从矿物颗粒上向外伸展出去，逐渐形成一连续的维状薄片，从矿物颗粒上向外伸展出去，逐渐形成一连续的维状薄片，从矿物颗粒上向外伸展出去，逐渐形成一连续的网状结构，与水化硫铝酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插，填网状结构，与水化硫铝酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插，填网状结构，与水化硫铝酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插，填网状结构，与水化硫铝酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插，填充于水泥颗粒的空间，增加它们之间的粘结，使水泥强度不充于水泥颗粒的空间，增加它们之间的粘结，使水泥强度不充于水泥颗粒的空间，增加它们之间的粘结，使水泥强度不充于水泥颗粒的空间，增加它们之间的粘结，使水泥强度不断提高。断提高。断提高。断提高。24二、油井水泥的物理性能为了保证施工安全并提高固井质量，水泥浆以及为了保证施工安全并提高固井质量，水泥浆以及为了保证施工安全并提高固井质量，水泥浆以及为了保证施工安全并提高固井质量，水泥浆以及最终所形成的水泥石必须满足一定的性能要求。最终所形成的水泥石必须满足一定的性能要求。最终所形成的水泥石必须满足一定的性能要求。最终所形成的水泥石必须满足一定的性能要求。性能包括：性能包括：性能包括：性能包括：l l水泥浆密度水泥浆密度水泥浆密度水泥浆密度l l水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间l l水泥浆流变性水泥浆流变性水泥浆流变性水泥浆流变性l l水泥浆失水量水泥浆失水量水泥浆失水量水泥浆失水量l l水泥浆稳定性水泥浆稳定性水泥浆稳定性水泥浆稳定性l l水泥石抗压强度水泥石抗压强度水泥石抗压强度水泥石抗压强度l l水泥石渗透率水泥石渗透率水泥石渗透率水泥石渗透率其中常测定的是前六项性能其中常测定的是前六项性能其中常测定的是前六项性能其中常测定的是前六项性能25二、油井水泥的物理性能1.水泥浆密度水泥浆密度作用：作用：作用：作用：满足平衡压力要求满足平衡压力要求满足平衡压力要求满足平衡压力要求保证获得最好的水泥浆性能保证获得最好的水泥浆性能保证获得最好的水泥浆性能保证获得最好的水泥浆性能基本要求：基本要求：基本要求：基本要求：注水泥期间既不井漏又不井喷注水泥期间既不井漏又不井喷注水泥期间既不井漏又不井喷注水泥期间既不井漏又不井喷 测测测测 量：量：量：量：用泥浆密度计（国外还有加压密度计）用泥浆密度计（国外还有加压密度计）用泥浆密度计（国外还有加压密度计）用泥浆密度计（国外还有加压密度计）影响因素：影响因素：影响因素：影响因素：水灰比；外掺料（指