油井水泥浆基本性能测定12.doc

实验12 油井水泥浆基本性能测定
一、实验目的
密度、流动度、滤失量、流变性称为油井水泥浆的基本性能。通过本次实验，主要让同学们了解油井水泥浆基本性能的测定方法，掌握有关仪器的使用方法；对油井水泥浆基本性能的指标范围产生一定的印象。
本实验包括以下内容：油井水泥浆密度的测定；油井水泥浆流动度的测定；油井水泥浆滤失量的测定；油井水泥浆流变性能的测定。
二、实验仪器设备
水泥浆密度计，水泥浆流动度仪，油水泥浆滤失量测定仪，旋转粘度计，高速搅拌器，天平、秒表等。
三、实验步骤
1．水泥浆的配制方法： 配制水泥浆之前必须确定水灰比。
合理的水灰比是保证水泥环具有足够的抗压强度和水泥浆良好的可泵性的前提。当水灰比过小时，水泥浆难以搅拌和泵送，在环空流动将产生较高的摩擦阻力。如遇渗透性好的低压井段，则产生压差滤失，使水渗入地层，造成憋泵事故。水灰比过小，水泥环将达不到要求的抗压强度。
API标准推荐的水灰比见表1：
水泥级别
A
B
C
D
E
F
G
H
浆体密度g/cm3
1.87
1.87
1.78
1.97
1.96
1.94
1.895
1.974
W/C
0.46
0.46
0.56
0.38
0.38
0.38
0.44
0.38
(1)按实验时要求的水灰比计算水泥和水的重量（如水灰比为0.5）
(2)在台秤或天平上称取1400克水泥，用量筒量取相应的水量700克；
(3)若使用外加剂，则将称好的外加剂放入水中并搅拌；
(4)将量出的水倒入搅拌器的杯内，启动搅拌机，调节转数为4000r/min。将称出的干水泥在15秒内加入水中。然后调节搅拌机转数为12000r/min，继续搅拌35秒；
(5)将搅拌后的水泥浆倒入常压稠度仪的浆杯内，在室温下搅拌20分钟即成（速度150r/min）。
2．测定水泥浆密度
由于地层的承压能力不同，在施工中必须控制水泥浆密度。正常密 度在1.78-1.98克／厘米3范围内。（使用加压液体密度计测量较好）。
(1) 测定前，标定密度计。将密度计浆杯中盛满水，盖好杯盖， 擦净溢出的水，然后将其放在刀架上；
(2) 移动游码至1.0处。这时秤臂应呈水平状态；如不准确应进行调整；
(3) 标定之后将水泥浆倒入密度计内，盖好杯盖后擦去溢出的水泥浆。放置于刀架上并调整游码，使秤臂呈水平状态。读出秤臂上的数值，即水泥浆的密度。单位为g/cm3。
3．测定水泥浆流动度
（本参数不在有关标准规定之内，但由于现场仍有局部应用，因此做为保留实验项目） 流动度是表示水泥浆沿管子流动的可能性（即表示水泥浆流动的难易程度），是用定量的水泥浆所摊成饼后的平均直径（厘米）来表示的。
水泥浆流动度仪如图7-11所示：
(1) 调整底盘的脚螺丝，使盘上玻璃管里的水珠居中，将底盘放置水平；
(2) 将截锥体放在底盘正中；
(3) 将已配制好的水泥浆迅速注入锥体内，刮去锥体上口多余的水泥浆；
(4) 立即将截锥体沿竖直方向提起。水泥浆在底盘上摊开成圆饼状；
(5) 测量圆饼相互垂直的两条直径的长度；
(6) 取上述两直径的平均值，即水泥浆流动度。

中空截锥 2.玻璃板 3.调平螺丝 4.同心圆刻度盘
图10 水泥浆流动仪结构示意图
4．测定水泥浆滤失量
水泥浆中自由水通过井壁渗入地层的现象被称为水泥浆的失水。水泥浆的滤失量远远大于钻井液的滤失量。它是水泥浆的一个很重要的物理性能，对施工和固井质量都有较大的影响.
施工中，一般认为50-200m1/30min的滤失量是最佳的控制失水标准。 A级、C级水泥失水在400～1000ml以上。国产120℃水泥在1400～2000ml以上，较好的75℃钟山牌油井水泥在800-1400ml左右。控制水泥浆的滤失量，主要通过添加降失水剂而实现。常用的降夫水剂有LM-1、LM-2、S-24 （主要成份为CMC）等。不同的固井工艺对滤失量的要求不一样。美国哈里伯顿公司的推荐值是：套管注水泥时，滤失量应控制在100～200ml／30min；尾管注水泥时，滤失量应控制在50～150ml／30min。
实验步骤：
(1) 将气源连接到失水仪上；
(2)（如不要求加温，则跳过这一步）把加热套电源接通，预热仪器、将温度计插入孔内，调节恒温器，使温度要比所要求的温度高6℃。
(3) 关闭压力总成，并倒置水泥浆杯，松开浆杯盖上的紧固螺丝直至能取下钻井液杯盖。
(4) 用高速搅拌机将水泥浆样品搅拌10分钟，注入浆杯至刻线处以留出膨胀余地 ，注意不要流到“O型密封圈或各密封件上。
(5) 小心地在“O”型圈上放一滤纸，然后慢漫地将浆杯盖推进浆杯内， 使盖子的各个螺丝孔与本体上的螺钉对准，拧紧固定螺钉，关闭浆杯上的连通阀杆。
(6) 将浆杯放入加热套中，置于底部定位销上关闭所有阀秆，把温度计插入孔内。
(7) 关闭下连通阀杆装上回压接收器。
(8) 松开调压器手柄，打开中气瓶总开关手柄，再拧紧手柄及压杆手柄，给预定回压使压力表指示为0.7MPa。(用扳手打开上进气连通阀杆四分之一转，按实验温度给回压0.7MPa，维持这个压力，直至达到试验温度并稳定。)
(9)（如不要求加高压，跳过这一步）调节调压器使顶部压力至4.2MPa。用扳手打开浆杯的下连通阀杆二分之一转，开始滤失，收集30分钟的滤液维持温度波动不超过上3.0℃左右，如回压升高可打开接收器的三通阀，放出部分滤液至量筒。30分钟后关闭总压力源手柄、下连通阀杆及上连通阀杆。放压、冷却5分钟以上。然后打开放液阀将滤液收集到量筒里，记录滤液体积、试验温度及压力、时间。
(10)（如要求加高压，跳过这一步）用扳手打开浆杯的下连通阀杆四分之一转，开始滤失收集滤液并启动秒表计时。水泥浆失水完毕，听到气响时停表、拿开量筒。按下式计算滤失量：

其中：Q30-30分钟的滤失量（毫升／30分）；Qt-t分钟的滤液量（毫升）；t-实测滤失量所用的时间（分）
(11) 取下固定销卸下回压接收器总成。取出浆杯冷却。倒出钻井液，洗净擦干。记录泥饼厚度。
5．测定水泥浆流变性能；
液体的流变往是指液体在外力作用下所产主的流动和变形的特性。即作用于液体的层间剪切应力与液体变形（流动）的特性。不同类型的液体，其流变性是不一样的。即使是同一类的液体，不同的温度和压力，以及外加剂加量和搅拌的方法都对液体的流变性能有较大的影响。如粘滞性，切应力、触变性、剪切稀释性等等都属于液体的流变性能参数。它是液体的自身属性。
水泥浆对环空钻井液的有效顶替，除了套管居中度、顶替排量、钻井液与水泥浆的静切力、密度差值外，顶替效率是一个重要因素。当排量一定时，水泥桨流体的流动剖面取决于流动状态，而流动状态又取决于流变参数。因此测量和调整水泥浆流变参数是施工设计的一个重要步骤。了解水泥浆的流变性能及其他基本性能，对理解掌握固井工艺有很大好处。具体操作如下：
(1) 校正旋转粘度计。打开旋转粘度计的开关，指示灯亮。将调速旋扭钮调到低速档（电机转数为750r/min）。变换变速手把，将转筒转速调至300r/min。用浆杯盛清水进行测试，此时旋转粘度计刻度盘上的读值应为1毫帕秒（即旋转一格）。若有误差，应进行调整；
(2) 将刚搅拌过的水泥浆倒入样品杯刻线处（350ml）并立即放在托盘上。上升托盘使液面恰到外筒刻线处，拧紧托盘手轮.
(3) 迅速从600r/min、300r/min、200r/min，100r/min、6r/min、3r/min。依次测定，注意换档！并应在指针稳定时读数。
(4) 实验后，关闭电源、松开托盆、移开量杯。轻轻卸下外筒，相互不得擦伤，避免碰坏连接内筒的轴。洗净外筒，并擦干上好外筒。
(5) 整理数据，书写实验报告。

油井水泥及其试验项目的有关标准
对于石油工业所应用的水泥，国外有关制定标准的机构主要有ASTM(美国材料试验学会），API（美国石油学会）。美国石油学会油井水泥标准化委员会主要进行两项标准化工作，即油井水泥与水泥外加剂标准及推荐试验操作的修改或补充工作。目的是为了保证API油井水泥标准的准确性、适应性和有效性。但其标准或规范本身并不具有任何法律性质，仅由生产者及其用户自愿承认和遵守。国内主要为建筑材料科学研究院。
ASTM标准中规定了五种硅酸盐水泥：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV和V类。对油井水泥要求温度、压力变化范围很大。API标准10种中把油井水泥分为A、B、C、D、E、F、G、H和J 九个级别。目前，已有27个国家采纳API标准为生产油井水泥的标准，自愿认可API油井水泥使用范围的权威性。我国于1989年颁布了“GB一89，油井水泥及其试验方法”的油井水泥国家标准，基本上采用了API规范。现已开始按照该标准生产油井水泥。但仍保留原温度系列的油井水泥标准，即将油井水泥分为45℃、75℃、95℃、120℃四种。油井水泥生产厂家必须执行的试验项目是：自由水、抗压强度、安全性、稠化时间、细度。施工单位（如固井技术服务公司）除了试验上述项目外，还宜进行以下试验内容：水泥浆的失水试验、流变性试验、相容性试验、稠化时间测定和水泥石强度试验。