油井水泥漿性能實驗

1、油井水泥漿性能實驗一、實驗原理1.YM型鉆井液密度計是不等臂杠桿測驗儀器。杠桿左端連接平衡筒。當盛液杯盛滿被測試液體時，移動砝碼使杠桿主尺保持水平的平衡位置，此時砝碼左側(cè)邊所對應的刻度就是所測試液體的密度。2.六轉(zhuǎn)速粘度計是以電動機為動力的旋轉(zhuǎn)型儀器。被測試液體處于兩個同心圓筒間的環(huán)形空間內(nèi)。通過變速傳動外筒以恒速旋轉(zhuǎn)，外傳筒通過被測試液體作用于內(nèi)筒產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩，使同扭簧連接的內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)了一個相應角度。依據(jù)牛頓定律，旋轉(zhuǎn)角的大小于液體的粘度成正比，于是液體粘度的測量轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)筒轉(zhuǎn)角的測量。反應在刻度盤的表針讀數(shù)，通過計算即為液體粘度、切應力。3.水泥漿常壓稠化儀中有一帶固定漿葉的可旋轉(zhuǎn)的水泥容器。

2、漿杯由電機帶動以150轉(zhuǎn)/分得轉(zhuǎn)速逆時針轉(zhuǎn)動，漿杯中的水泥給予槳葉一定的阻力。這個阻力與水泥漿的稠化變化成比例關(guān)系。該阻力矩與指示計的彈簧的扭矩相平衡，通過指針在刻度盤上指示出稠度值。二、實驗儀器、設(shè)備1.電子天平2.恒速攪拌器3.鉆井液密度計4.六速旋轉(zhuǎn)粘度計5.油井水泥常壓稠化儀三、實驗步驟1.標定常壓稠化儀指示計實驗前，應當在標定裝置上對指示計進行標定，指示計機構(gòu)示意圖見圖1。如圖1所示，將銅套圈裝在指示計上方；缺口對準指示計銷軸，尼龍線一端系在指示的銷軸上，另一端沿筒套圈繞一周，然后再沿滑輪的溝槽引下與吊鉤連接。標定時，在吊鉤上裝上砝碼，讀出指示計數(shù)值。然后將吊鉤、砝碼用手托起，是指示

3、計指針回到零。接著松手讓吊鉤、砝碼慢慢落下，讀數(shù)。如此反復幾次，取平均值。表1 標定數(shù)據(jù)表砝碼（克）50100150200250300350400水泥漿稠度（伯登）2.配置水泥漿配置水泥漿之前必須確定水灰比。合理的水灰比是保證水泥環(huán)具有足夠的抗壓強度和水泥漿良好的可泵性的前提。當水灰比過大時，水泥漿難以攪拌和泵送，在環(huán)空流動將產(chǎn)生很高的摩擦阻力。如遇滲透性好的低壓井段，則產(chǎn)生壓差濾失，使水滲入地層，造成憋泵事故。水灰比過小，水泥環(huán)將達不到要求的抗壓強度。API標準推薦的水灰比見表2 API的水灰比（W/C）標準表2 API的水灰比（W/C）標準水泥級別ABCDEFGH球體密度，g/cm1.87

4、1.871.781.971.961.941.8951.974水灰比W/C0.460.460.560.380.380.380.440.381）按實驗時要求的水灰比計算水泥和水的重量（如水灰比0.5）。2）在天平上稱取1400克水泥，用量筒取相應的水量700克。3）若使用外加劑，則將稱好的外加劑放入水中攪拌（如加入2%的促凝劑氯化鈣）。4）將量出的水倒入攪拌器的杯內(nèi)，啟動攪拌機，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為4000轉(zhuǎn)/分。將稱出的干水泥在15秒內(nèi)加入水中。然后調(diào)節(jié)攪拌器轉(zhuǎn)數(shù)為12000轉(zhuǎn)/分，繼續(xù)攪拌35秒。3.測定水泥漿的密度1）將水泥漿倒入樣品杯，邊倒邊攪拌；倒?jié)M后再攪拌25次除去氣泡。2）蓋好蓋子并洗凈從蓋中

5、間小孔溢出的水泥漿。3）用濾紙或面巾紙將密度計上的水擦干凈。4）然后將密度計放在支架上，移動砝碼，使游梁處于平衡狀態(tài)。5）讀出游碼左側(cè)所示的水泥漿密度值。6）測定完畢，將樣品杯中的水泥漿倒掉，用水徹底清洗各部件并將其擦干凈。4.測定水泥漿的流變參數(shù)液體的流變性是指液體在外力作用下所產(chǎn)生的流動和變形特性。也即作用于流體的層間剪切應力與液體變形（流動）特性。1）檢查儀器各轉(zhuǎn)動部件、電器及電源插頭是否安全可靠。2）向左旋轉(zhuǎn)外傳筒，取下外傳同。將內(nèi)轉(zhuǎn)同逆時針方向旋轉(zhuǎn)并向上推與內(nèi)轉(zhuǎn)筒軸錐端配合。向右旋轉(zhuǎn)外傳筒，轉(zhuǎn)上外傳筒。3）接通電源220V/50Hz。4）拉動三位開關(guān)，調(diào)節(jié)高速或低速檔。5）儀器轉(zhuǎn)動時

6、，輕輕拉動變速杠桿的紅色手柄，根據(jù)標示變換所需要的轉(zhuǎn)速。6）將儀器以300r/min和600r/min轉(zhuǎn)動，觀察外筒不得有擺動。如有擺動應停機重新安裝外傳筒。7）以300r/min，檢查刻度盤指針零位是否擺動。如指針不在零位，應參照儀器校驗的“空載零位校驗”。8）將剛攪拌過的鉆井液倒入樣品杯內(nèi)至刻度線處（350ml），立即置于托盤上，上升托盤使杯內(nèi)液面達到外筒刻度線處。9）迅速從高速跳到低速進行測量，待刻度盤的讀數(shù)穩(wěn)定后，分別記錄各速度梯度下的讀數(shù)。對其他觸變性流體應在固定速度梯度下，剪切一定時間，取最小的讀數(shù)為準；也可以采用在快速攪拌后，迅速轉(zhuǎn)為低速進行讀數(shù)的方法。10）樣品的粘度、切應力等

7、測試和計算參照“數(shù)據(jù)測試及計算”進行。11）測試完畢后，關(guān)閉電源，松開板板手輪，移開樣品杯。12）輕輕卸下外傳筒，并將內(nèi)筒逆時針方向旋轉(zhuǎn)垂直向下用力，取下內(nèi)筒。13）清洗外傳筒，并擦干，將外傳筒安裝在儀器上，清洗內(nèi)筒時應用手指 堵住錐孔，以免贓物和液體進入腔內(nèi)，內(nèi)筒單獨放置在固定位置。表3 粘度計讀數(shù)轉(zhuǎn)速（r/min）36100200300600粘度計讀數(shù)5.測定水泥漿的稠化時間油井水泥在規(guī)定壓力和溫度條件下，從攪拌開始至水泥稠化達到100個稠化度單位（Bc-伯登）時所需要的時間，稱為水泥的稠化時間。它是模擬現(xiàn)場注水泥過程所得到的室內(nèi)試驗值。即從攪拌水泥漿開始計起，直到水泥沿套管到達井底、而后

8、由環(huán)空返至預定的高度為止的全部時間。1）將獎杯輕輕放入杯套內(nèi)，使?jié){杯、杯套的缺口對齊。2）打開總電源開關(guān)。按照實驗中升溫方案的初始值，設(shè)置溫度拔碼式調(diào)節(jié)器的下一排數(shù)字。然后接通加熱器電源。在溫度完全穩(wěn)定后，再進行下列步驟。3）將調(diào)整好的指示計倒置，裝上槳葉。4）將配好的水泥漿小心的倒入漿杯，直到水泥漿與杯內(nèi)壁上的刻度線相平。5）接通電機電源，電機帶動漿杯轉(zhuǎn)動。同時記住開機時間。6）每隔一定時間記錄時間和稠度值。當指示計指針指到預定數(shù)值的時候，關(guān)閉電機電源。7）關(guān)閉加熱器電源。取出指示計和漿杯，注意漿杯溫度較高，切勿燙傷。8）將水泥漿倒入桶內(nèi)。用水沖洗漿杯和漿葉。擦干并涂上油脂，旋轉(zhuǎn)儀器右側(cè)。表

9、4 稠度值記錄時間（min）051520253035404550555860稠度（Bc）四、流變參數(shù)計算1.流變模式判別F=（200-100）/(300-100)式中，F(xiàn)-流變模式判別參數(shù)，無量綱；100-轉(zhuǎn)速為300r/min的儀器讀數(shù)；200-轉(zhuǎn)速為200r/min時的儀器讀數(shù)；300-轉(zhuǎn)速為300r/min時的儀器讀數(shù)。當F=0.50.03時選用賓漢模式，否則選用冪律模式。2.賓漢模式r=0.0015(300-100 ) =0.511300-511r式中，r-塑性粘度，Pa.s；-動切應力，Pa； 3.冪律模式=2.0921g（300/100） k=0.511300/511n式中，-流性

10、指數(shù)，無量綱；k-稠度系數(shù)，Pa.s。五、實驗數(shù)據(jù)處理（1）水泥漿配方流變特性和密度試驗：水泥600g+水300g稠化實驗：水泥600g+水300g+CaCl2 18g（2）水泥漿的密度實驗溫度及壓力條件：20C/atm 水泥漿密度：1.83g/cm3(3)水泥漿的流變性能實驗的溫度及壓力條件：20C/atm表1 粘度計讀數(shù)轉(zhuǎn)速（r/min）36100200300600粘度計讀數(shù)283745（4）水泥漿的稠化時間實驗的溫度及壓力條件：75C/atm表2 不同時刻的水泥漿稠度時間（min）5101520252831稠度（Bc）1.11.11.72.12.93.66.7時間（min）3439424

11、34445稠度（Bc）9.616.526.733.039.950.9（5）流變參數(shù)計算F=（200-100）/(300-100)=（37-28）/（45-28）=0.53選用賓漢模式r=0.0015(300-100 ) =0.0015*(45-28)=0.0255(mPa.s) =0.511300-511r=0.511*45-511*0.0255=9.964(Pa)由圖可見，38分鐘開始線性變化，取38分鐘后數(shù)據(jù)做曲線當稠度為100Bc時，稠化時間為54.78min六、思考1.為什么要經(jīng)常標定指示針？答：經(jīng)常標定是為了校準,進而減小實驗誤差，保證實驗安全準確進行。2.常溫稠化儀與高溫稠化儀的不同作用是什么？答：常溫稠化儀能測定地面常溫常壓下流體稠化時間，而高溫高壓稠化儀主要是模擬地下條件（高溫高壓）測定流體稠化時間。附 稠化實驗溫度條件（API標準）深度（M）井底靜溫（C）套管注水泥（C）擠水泥作業(yè)（C）尾管