我國油井水泥標準的發展及存在問題分析

唐俊峰 ，王麗敏 ，甘 霖 ，安耀彬

1.中國石油集團工程技術研究院石油工業油井水泥及外加劑質量監督檢驗中心 （天津 300451）

2.中國石油勘探開發研究院石油工業標準化研究所 （北京 100083）

我國油井水泥標準的發展及存在問題分析

唐俊峰1，王麗敏1，甘 霖2，安耀彬1

1.中國石油集團工程技術研究院石油工業油井水泥及外加劑質量監督檢驗中心 （天津 300451）

2.中國石油勘探開發研究院石油工業標準化研究所 （北京 100083）

簡要回顧了我國油井水泥的發展歷史，闡述了我國油井水泥分類方法的演變，重點論述了我國油井水泥標準歷次修訂的技術差異及修訂原因，結合目前我國不同井況的固井現場施工要求和固井材料質量現狀,提出了修訂我國油井水泥和材料標準的建議。

標準；油井水泥；固井

油井水泥是油氣井固井的重要材料之一，其性能優劣直接影響固井作業和固井質量，所以它在固井工程中具有非常重要的作用。隨著石油工業的不斷發展,油氣開發難度越來越高,勘探區域越來越廣，鉆井深度越來越深;加之深水油氣勘探的發展，天然氣水合物開采的需要,常常鉆遇高溫高壓、超低壓漏失、高滲透和高腐蝕環境等地層,致使固井環境越來越惡劣，固井工藝越來越復雜，對固井技術的要求也越來越高。因此，提高固井質量，延長油氣井壽命，保護油氣層和提高采收率，提升油井水泥綜合性能迫在眉睫。而制定科學、先進和準確的油井水泥標準是提高其質量、保證固井順利施工和促進油氣勘探發展的技術基礎和根本保證。

縱觀我國油井水泥的發展歷史,主要分為兩個階段:第一階段是從1963年至1988年，在此階段，油井水泥產品和試驗方法標準主要是按照前蘇聯水泥標準并結合當時我國的國情而制修訂,其技術指標和檢驗方法與建筑水泥沒有本質的區別。第二階段從1988年至今,我國油井水泥標準依據API 10A/ISO 10426-1《固井用油井水泥與材料》而制修訂，其標準不但對油井水泥的化學組成和物理性能進行了嚴格的規定，其試驗方法也是參考井下不同的溫度和壓力條件采用動態的試驗方法，模擬注水泥作業的實際過程。所以，此階段修改采用API 10A/ISO 10426-1制定的我國油井水泥標準，既能正確地評價油井水泥的質量和水泥漿性能，又能正確地指導注水泥作業，使我國油井水泥標準達到國際先進水平，提高了我國油井水泥的生產水平和產品質量，有效地促進了我國油氣勘探開發的技術進步。

1 油井水泥分類方法的演變

20世紀60年代初，我國制定了第一個油井水泥標準GB 202—1963，該標準定義了2類水泥，一類為冷井水泥，試驗溫度為22℃，另一類為熱井水泥，試驗溫度為75℃[1]。1978年對GB 202—1963進行了修訂，修訂后的GB 202—1978定義了2種水泥，即75℃和95℃油井水泥,推薦使用井深范圍為1 500 ～2 500 m 和 2 500～3 500m[2]。 同年又制定了建材行業標準JC 241—1978《45℃油井水泥》和JC 237—1978《高溫油井水泥》，推薦使用井深范圍為0～1 500m[3]和 5 000～7 000m[4]。 這些標準均是參考前蘇聯水泥標準并結合當時我國的國情而制修訂，其分類方法是按照使用溫度和井深范圍進行分類。

為適應我國石油工業勘探開發的需要,促使我國油井水泥標準化與國際先進標準接軌，便于加強中外合資企業在我國海上勘探和油氣資源的開采，參照采用API Spec 10—1986《油井水泥材料和試驗規范》制定了我國油井水泥標準GB 10238—1988,該標準按其使用溫度、壓力和井深范圍，規定了9個級別的油井水泥，并按其抗硫酸鹽性能分為普通型（O）、中抗硫酸鹽型（MSR）和高抗硫酸鹽（HSR）型 3種類型。顯然，GB 10238—1988《油井水泥》主要是按照抗硫酸鹽性能、使用溫度、壓力和井深范圍對油井水泥進行分類[5]。

1998年,按照等效采用API Spec 10A《油井注水泥用水泥及材料規范》（1995年1月1日第22版）的原則，對GB 10238—1988《油井水泥》進行了修訂。GB 10238—1998《油井水泥》在分類方法上，取消了油井水泥的適用井深范圍，僅按抗硫酸鹽性能、使用溫度與壓力進行分類[6]。

GB 10238—2005《油井水泥》和正在實施的GB/T 10238—2015《油井水泥》分類方法與GB 10238—1998《油井水泥》相同。

2 油井水泥標準歷次修訂的技術差異

20世紀60年代初,我國制定了第一個油井水泥標準GB 202—1963。1978年將GB 202—1963修訂為GB 202—1978。該標準定義了75℃油井水泥、95℃油井水泥。同年還制定了建材行業標準JC 241—1978《45℃油井水泥》、JC 237—1978《高溫油井水泥》和GB 206—1978《油井水泥物理性能檢驗方法》等。兩版本標準對油井水泥的物理性能要求相同,分別為細度、凝結時間、流動度、體積安定性和抗折強度,化學成分要求僅有三氧化硫和氧化鎂。試驗方法也與建筑水泥相同。

鑒于當時我國油井水泥的定義、品種、類型、化學成分和物理性能要求、試驗方法、試驗儀器和生產工藝與美國石油學會(API)油井水泥的巨大差別,為了改變我國油井水泥質量總體水平低和試驗方法落后的局面,提升我國油井水泥標準化水平,加速我國油氣勘探開發的步伐,中國建筑材料科學研究院根據原石油部和國家建材局的要求，于1982—1984年研制成功了符合API Spec 10(1986年版)要求的油井水泥，并在全國油田試用,取得較好的應用效果。與此同時，原中國石油天然氣集團公司工程技術研究院(原石油工業部施工技術研究所)組織專家學者引進符合API標準的油井水泥測試儀器,翻譯編寫API油井水泥試驗方法,并面向全國油井水泥生產企業、各油田和相關單位培訓了大批技術人員，為我國油井水泥標準向API標準過渡、油井水泥質量檢驗和進行油田現場模擬試驗起到了極大的推動作用。在此基礎上，制定了GB 10238—1988《油井水泥》標準，并于1989年10月1日實施。

2.1 GB 202—1978與GB 10238—1988《油井水泥》的不同

2.1.1 化學成分和礦物組成要求嚴謹

水泥的化學成分及礦物組成決定水泥的物理性能和水泥漿性能,特別是對水泥的有害成分和主要礦物控制不理想,勢必影響油井水泥的性能或固井施工性能。GB 10238—1988新增燒失量、不溶物、鋁酸三鈣(C3A)、硅酸三鈣(C3S)和總堿量等控制指標，盡量避免水泥性能惡化。如水泥中有害成分堿含量等將導致水泥漿稠化時間難以預測,流變性能難以控制,鋁酸三鈣(C3A)將嚴重影響水泥漿的稠化特性并使水泥石抗硫酸鹽腐蝕性能下降等。忽視水泥的化學成分和礦物組成,不僅影響水泥漿自身性能,且導致油井水泥與外加劑的相容性惡化，不能實現良好的水泥漿綜合性能。

2.1.2 主要物理性能發生質的改變

1）增加水泥漿游離液最大含量限定。為使水泥漿具有一定的流動性，確保注水泥順利施工，制備水泥漿時的加水量往往要比水泥水化所需水量增加1～2倍，在水泥漿被頂替完成處于靜止狀態后至水泥漿體形成穩定的凝聚結構前，過剩的水分將從水泥漿體中析出。析出的水一部分上浮至水泥柱頂部加大頂部水泥漿的水灰比而形成一層強度很低的表面層,不能有效的封固地層。另外，過剩的水分將從水泥漿體中析出,這部分水可能是一層有色或無色的液體，嚴重者形成自由套管而失去固井的目的。而另一部分水則積聚在水泥漿內部，形成水帶或水環，當水分蒸發后，在水泥環內部，在第一、二界面之間形成孔隙，增大油氣水層竄流的風險。同時，硬化后的水泥環，滲透率增大，抗滲性較差，耐腐蝕性能降低。

有些特殊井如水平井、斜井或定向井固井要求水泥漿游離水為零,避免因游離水存在而導致上述危害,以保證固井質量,延長油氣井壽命。所以標準中對常用的G、H級兩種基本油井水泥的游離水最大含量進行限定,確保水泥漿凝固后與地層膠結良好。

2）用初始稠度和稠化時間代替流動度和凝結時間。眾所周知,流動度和凝結時間是建筑水泥的技術指標,其結果是在靜態條件下試驗而獲得,用其指導建筑施工確信無疑。但由于油井水泥使用環境的變化,在注水泥期間和水泥漿被頂替結束之前,水泥漿必須始終處于流動狀態,要求具備良好的流變性能并保持合適的稠化時間,以保證注水泥作業順利、安全施工。

3）用抗壓強度代替抗折強度。注水泥的主要目的為：①封隔油、氣、水層，阻止不同壓力的地層流體相互竄流，為油氣的正常開采提供有利條件,保護生產層；②封隔嚴重漏失層或其他坍塌等復雜地層；③支撐套管和防止地下流體對套管的腐蝕；④能夠安全地承受二次鉆進的鉆壓等軸向載荷；⑤能夠經受射孔、擠注水泥、酸化和壓裂等強烈的井下作業工藝。所以,必須要求水泥漿凝固后的水泥石具有一定的抗壓強度、良好的密封性能、低滲透性能和抗腐蝕性能，始終保持水泥環與套管的第一界面、水泥環與地層的第二界面膠結良好。

經驗表明，從支撐套管方面考慮，強度大于3.5 MPa時，便能支撐套管所承受的軸向載荷，滿足二次鉆進的要求。如要求水泥環與套管、水泥環與地層具有良好的膠結和密封性能,其強度應大于7.0 MPa。如從射孔和油氣層開發等井下作業方面考慮，強度應大于14.0 MPa。但如果強度太高，水泥石脆性增加，在射孔等作業產生的沖擊載荷作用下，在初始缺陷的裂紋尖端處會形成高度的應力集中。根據斷裂力學理論,隨著應力水平的發展，一旦斷裂強度因子大于材料的斷裂韌性時裂紋將迅速擴展，從而產生宏觀的裂紋，容易造成油夾層段竄槽，給射孔后開發和增產改造措施帶來很大的困難。

2.1.3 生產工藝嚴加控制

GB 10238—1988對油井水泥的生產更加嚴格,在粉磨時明確規定不得摻入任何活性混合材,對G、H級水泥甚至連助磨劑也禁止摻入。因此,按此標準生產的油井水泥更“純”,消除了因“混合材”對油井水泥性能的影響,便于產品質量控制。

2.1.4 試驗方法改為“動態”法

只有采用動態的試驗方法,模擬水泥漿制備、注水泥和頂替全過程,才能與實際固井作業狀態相符,才能準確地指導現場固井施工。由“靜態”到“動態”的試驗方法被我國固井界公認為是具有“科學性、先進性、準確性和實用性”的試驗方法。

2.2 與GB 10238—1988相比，GB 1023—1998 《油井水泥》的主要變化

1995年,美國石油學會(API)出版第22版API Spec 10A。1998年，我國按照等效采用第22版API Spec 10A的原則，對GB 10238—1988《油井水泥》進行了修訂。GB 10238—1998《油井水泥》在技術內容上作了如下修改。

2.2.1 取消各級水泥的適用井深范圍

雖然各級油井水泥都有其適用井溫范圍,但是井底溫度與井深二者之間并不遵循確定的比例關系,因為井底溫度與井深的關系主要取決于地溫梯度,即在相同井深條件下,地溫梯度不同,井底溫度也不同。美國石油學會在原油井水泥標準中規定的適用井深范圍,主要是根據美國西南部及墨西哥灣地區70余口油井的統計數據而確定,而這些地區的井下溫度和壓力不能代表世界其他地區的井況。我國不同油田的地溫梯度也不同并且差別較大，所以規定各級水泥的適用井深范圍對于現場固井施工沒有任何意義。

2.2.2 取消J級油井水泥

隨著勘探開發的不斷發展，深井超深井不斷增加，長封固段固井也越來越多，此類井固井突出的難點就是封固段長、底部溫度高，頂部溫度低，底部和頂部形成“大溫差”，頂部水泥漿易出現緩凝甚至超緩凝現象，固井質量難以得到保證。在進行水泥漿設計時，既要考慮水泥漿的稠化時間必須滿足安全固井施工的要求，又要考慮封固段頂部水泥石強度發展的問題。而J級油井水泥的主要礦物為硅酸二鈣(C2S)，水化速率很慢,僅為硅酸三鈣(C3S)的1/20左右。所以，使用J級油井水泥對長封固段井進行一次注水泥，往往出現底部高溫段環空水泥漿水化硬化快，而頂部低溫段水泥漿幾天不凝的問題，導致頂部固井質量差或達不到固井的目的。

根據緩凝劑吸附理論，進行抗高溫緩凝劑分子結構設計，一是引入含有多羧酸基官能團，吸附在水泥顆粒表面，降低水泥水化速度，實現緩凝；二是引入絡合陰離子，與Ca2+生成難溶性沉淀，并吸附在水泥顆粒表面，降低水泥漿中Ca2+離子濃度和水泥水化速度，實現緩凝。并且在溫度一定時，該緩凝劑加量與稠化時間具有良好的線性關系；當稠化時間一定時，試驗溫度越高，緩凝劑加量就越大[7]。該類緩凝劑特點是對溫度和加量不敏感，也不會產生超緩凝現象。使用G級水泥，加入此類緩凝劑，完全可以代替J級油井水泥，解決深井超深井長封固段固井難題。

2.2.3 取消安定性指標及試驗方法

在我國實施GB 10238—1988《油井水泥》后的兩三年間,作為檢驗人員發現，部分生產企業的油井水泥經壓蒸安定性試驗后，試體發生彎曲變形、裂紋、斷裂或線性膨脹率超標等問題。究其原因主要是原材料中的有害成分控制、石膏加量、燒成和粉磨工藝等還不適應新標準的要求。從20世紀90年代初期開始,經對全國各油井水泥生產企業的產品進行檢驗,未出現過壓蒸安定性不合格問題。美國石油學會就壓蒸安定性指標是否取消進行過24 000多次試驗研究。結果表明，各級別油井水泥的壓蒸膨脹率都較低(一般小于0.1%)，無一出現安定性不合格問題。

2.2.4 取消了A和B級油井水泥稠化時間試驗方案1

GB 10238—1988《油井水泥》要求，A和B級油井水泥在試驗方案1(27℃、7.0 MPa)和試驗方案4(45℃、26.7 MPa)條件下的稠化時間指標相同(≥90 min)，此要求顯然不科學。表1和表2試驗結果表明，試驗溫度或壓力越高，水泥漿稠化時間越短。所以，只要在試驗方案4條件下稠化時間滿足要求(≥90 min)，則在試驗方案1條件下，A和B級水泥的稠化時間肯定符合要求。

表1 油井水泥稠化時間與試驗溫度之間的關系

表2 油井水泥稠化時間與試驗壓力之間的關系

2.2.5 將游離水改為游離液

制備水泥漿時,需加入一定比例的拌和水,使水泥漿具有一定的流動性,以便固井施工。拌和水首先需滿足4個部分的要求：①填滿水泥顆粒的間隙，此部分水為填充水；②濕潤水泥顆粒表面，在表面形成一層足夠厚的水膜，此部分水為表面層水；③滿足水泥的水化，稱為水化水；④水泥中如含有疏松多孔組分，會吸收水分到孔隙內部，此部分水為吸附水。另外,多余的水會在水泥凝結過程中保留起來,由于不同的油井水泥保水性不同,保水性不好的水泥將有少量“水”析出,而析出的“水”是經過與水泥攪拌之后產生的,它已變為含有其他離子的水溶液,所以,將物理性能指標游離水改為游離液更為確切。

2.3 與 GB 10238—1998相比,GB 10238—2005《油井水泥》的主要變化

2005年，中國建筑材料科學研究院等單位修改采用ANSI/API 10A/ISO 10426-1—2001《固井用油井水泥與材料規范》，制定了我國油井水泥標準GB 10238—2005《油井水泥》。與GB 10238—1998相比，主要變化如下：①依據ANSI/API 10A/ISO 10426-1—2001要求，增加了新的術語和定義；②在水泥漿制備時，取消了用玻璃量筒量取試驗用水的方法，采用直接稱質量法；③游離液（游離水）試驗方法由500 mL錐形瓶稱質量法代替用250 mL量筒量取體積法，相應地將G級和H級水泥游離液要求由不超過3.5 mL修改為游離液質量百分含量不得超過5.90%。

2.4 與 GB 10238—2005相比，GB/T 10238—2015《油井水泥》的主要變化

一是GB/T 10238—2015《油井水泥》改為推薦性標準。二是自GB 10238—1988實施至今，還未見過生產E級和F級油井水泥的報導。其主要原因是采用G級基本油井水泥摻入不同的外加劑對水泥漿性能進行調整，以滿足不同的固井作業要求，國外主要產油國也是以G、H油井水泥為基礎，利用外加劑技術制備具有綜合性能的水泥漿，代替E級和F級油井水泥進行不同井況的固井施工。所以,我國現行GB/T 10238—2015刪除了E級和F級油井水泥。

3 問題及建議

半個多世紀以來，油井水泥標準經過歷次修訂和實施，在各個不同的階段發揮了積極的作用，促進了油井水泥質量大幅度提高，特別是和國外先進標準接軌后，有效地推動了我國油氣勘探開發的進步。但在標準實施和油井水泥現場應用過程中,也反映出一些急需解決的問題，這些問題為下一步修訂標準提出了課題和方向，需要組織油井水泥生產企業和油氣田相關單位聯合攻關。

3.1 油井水泥和外加劑的相容性問題

借鑒JC/T 1083—2008《水泥與減水劑相容性試驗方法》,油井水泥與外加劑相容性的定義為:使用相同外加劑時,由于油井水泥的質量而引起水泥漿綜合性能發生變化的程度。眾所周知,為滿足現場不同井況的固井施工,必須在油井水泥中加入不同的外加劑，獲得最佳的水泥漿和水泥石綜合性能，其前提是所使用的油井水泥不影響所加入的外加劑的各種性能，即油井水泥與外加劑具有良好的相容性，只有這樣，才是保證固井質量的基礎。研究發現，在89個油井水泥樣品中，以加入現場常用的醛酮縮合類減阻劑為例，有67個油井水泥樣品存在不同程度的相容性問題。更為嚴重的是，4個油井水泥樣品在加入此類減阻劑后，在常壓85℃攪拌過程中，漿體反而逐漸失去流動性，以致不能進行下一步的測試，這種問題對固井施工存在巨大隱患。固井科技與施工人員共同的愿景是在油井水泥中加入所需的外加劑配制成水泥漿后獲得最終的結果是一榮俱榮而不是一損俱損。

3.2 油井水泥質量穩定性問題

隨著固井技術的發展和施工難度的增大，對油井水泥質量提出一系列新的要求，如與外加劑的相容性、良好的流變性和稠化特性、不同腐蝕環境下的抗侵蝕性等，其中油井水泥質量穩定性是最基本的要求。相對油氣田固井而言，總是希望所使用的油井水泥質量比較穩定，各項技術性能指標在限定的標準偏差范圍之內。只有這樣，才能順利模擬現場試驗，試驗結果才有參考的價值，才能降低事故發生的風險，避免造成不必要的經濟損失。

3.3 油井水泥外摻料質量問題

對于深井、超深井固井、稠油熱采井固井，低壓漏失層固井，高溫高壓井固井、大斜度井和水平井等復雜井固井，僅用油井水泥加入外加劑顯然不能解決這些井的固井問題。對于深井、超深井、稠油熱采井固井，必須加入二氧化硅粉，防止強度倒退。對于低壓漏失層固井，需加入粉煤灰、漂珠或氮氣制備低密度水泥漿，解決地層漏失的問題。對于高溫高壓井固井既要解決強度倒退的問題，又要加入重晶石或鐵礦粉，平衡地層壓力防止井涌或井噴。對于大斜度井和水平井等復雜井固井，必須加入懸浮穩定劑，確保水泥漿體系穩定，實現無游離液產生，避免第二界面形成通道發生竄槽，影響固井質量或縮短油井壽命。遇到腐蝕地層還要加入防腐材料，防止腐蝕環境對水泥環的腐蝕。由此可知，外摻料在固井中的作用不可替代。筆者曾對某油田公司固井所用粉煤灰、二氧化硅微粉和漂珠性能進行檢驗與評價，其結果令人擔憂。

3.4 建議

1）鑒于固井工程面臨的實際問題,我國現行油井水泥標準應借鑒建材行業標準，增加油井水泥與外加劑的相容性和油井水泥質量穩定性指標，提高我國油井水泥標準技術水平和產品質量，適應我國油氣勘探開發的發展。

2）根據固井施工的特點和要求，制定固井所用外摻料的技術指標，作為我國固井材料標準的一部分，并將我國油井水泥標準名稱改為“油井水泥與材料”，與ISO 10426-1保持一致。

[1]中國建筑材料科學研究院.油井水泥:GB 10238—1988[S].北京:中國標準出版社,1990,1-3

[2]全國水泥標準化技術委員會.油井水泥:GB 10238—1998[S].北京:中國標準出版社,2004,1-3.

[3]安耀彬,周 怡,劉翠微,等.國內外油井水泥及外加劑標準的發展和動態[A].《2010年固井技術研討會論文集》編委會.2010年固井技術研討會論文集[C].北京:石油工業出版社,2010:83-97.

[4]李 楊,盧東紅,莫繼春,等.油井水泥石斷裂韌性的實驗研究[J].鉆采工藝,2000,23(3):31-33.

[5]文寨軍,付守娣.油井水泥新標準中若干問題簡述[J].中國建材科技,1999(4):11-12.

[6]安耀彬,唐俊峰,楊 威,等.油井水泥與外加劑相容性試驗研究[A].《2014年固井技術研討會論文集》編委會.2014年固井技術研討會論文集[C].北京:石油工業出版社,2014:95-100.

[7]張 華,馮宇思,靳建洲,等.大溫差水泥漿體系的研究與應用[J].鉆井液與完井液,2012,29(5):54-57.

The development history of oil well cement in China is briefly reviewed,and the evolution of classification method of oil well cement in China is expounded.The technical differences and reasons of the previous revision of oil well cement standards in China are analyzed.According to the requirements of cementing site construction and the present situation of cementing material quality in different well conditions in China,the suggestion for revising the oil well cement and material standard in China is put forward.

standard;oil well cement;cementing

唐俊峰（1984-），男，工程師，現從事油井水泥和鉆井液材料檢測工作。

賈 強

2017-10-26