中国石油大学(华东)油井水泥浆性能

油井水泥浆性能实验
一、实验目的
1.掌握油井水泥浆的制备方法 ;
2.掌握测定水泥浆密度、流变性能和稠化时间的原理、实验流程及步骤。

二、实验原理
1、水泥浆密度
水泥浆密度是由配制水泥浆的水泥、配浆水、外加剂和外掺料等材料的密度和掺量决定的。

实验中使用YM 型钻井液密度计(图1)测量水泥浆的密度，该仪器是不等臂杠杠测试仪器，杠杠左端为盛液杯，右端连接平衡筒。

当盛液杯盛满被测试液体时，移动砝码使杠杠主尺保持水平的平衡位置，此时砝码左侧边所对应的刻度线就是所测试液体的密度。

图1 钻井液密度计
2、水泥浆流变性能
大多数水泥浆表现出复杂的非牛顿流体特征。

一般来说，水泥浆属于剪切稀释型流体，描述水泥浆流变性质最常用的流变模式为宾汉塑性模式和幂律模式。

（1）宾汉塑性模式
y p ττμγ=+⋅
（2）幂律模式
n k τγ=⋅
n —幂律系数，无量纲量；k 稠度系数，Pa·s n
实验中使用六转速粘度计测量水泥浆的流变性能，该仪器是以电动机为动力的旋转型仪器。

被测试液体处于两个同心圆筒间的环形空间内。

通过变速传动外转筒以恒速旋转，外转筒通过被测试液体作用于内筒产生一个转矩，使同扭簧连接的内筒旋转了一个相应角度。

依据牛顿定律，该转角的大小与液体的粘度成正比，于是液体粘度的测量转变为内筒转角的测量。

记录表盘参数，通过以下方法计算水泥浆的流变参数。

判别流变模式：
200100300100()/()F θθθθ=--
式中：
300200100300/min 200/min 100/min 0.50.03r r r F θθθ---=±转速时的读数转速时的读数转速时的读数
时选用宾汉模式，否则选用幂律模式
宾汉模式：()p 3001000
300p =0.0015=0.511511ηθθτθη⎧-⎪⎨-⎪⎩ 式中：
0p Pa s Pa ητ-⋅-塑性粘度，；动切力，；
幂律模式：3001003002.092lg 0.511511n n K θθθ⎧⎛⎫=⨯⎪ ⎪⎪⎝⎭⎨
⎪=⎪⎩
式中：
.
n K Pa s --⋅流性指数，无量纲；
稠度系数，
3、水泥浆稠化时间
稠化时间是指从水泥浆配浆开始到水泥浆注入稠化仪中，在实际井温和压力条件下，水泥浆稠度达到100 Bc 所经历的时间。

实验中使用常压稠化仪测量水泥浆的稠化时间。

配制好水泥浆后，随着水泥水化，水泥浆不断变稠，稠化仪浆叶旋转剪切水泥浆的阻力增大，使安装在电位计上的弹簧扭矩及其指针旋转角度也相应增大，电位计的阻值及电压也随之增大。

因此，电位计所反映出来的电压值，不仅表示了弹簧扭矩的大小，也反映了测量水泥浆稠度值的大小
三、实验设备
1、电子天平
2、恒速搅拌器
3、钻井液密度计
4、六速旋转粘度计
5、常压稠化仪
四、实验步骤
1、确定水灰比步骤
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。

表1 API 的水灰比（W/C ）标准
1)在电子天平上称一定质量的水（300g）、G级油井水泥（600 g）和氯化钙
（18g），并将氯化钙溶解于水中；
2)将300 g水倒入搅拌杯中，搅拌器以低速（4000转/分）转动，并在15
秒内加完600g水泥；
3)盖上搅拌杯盖子，在高速（12000转/分）下继续搅拌35秒即制备得到水
泥浆（即仪器“标准1”程序）。

3、水泥浆密度测试步骤
1)移开泥浆杯上的盖子，将配好的水泥浆注入密度计浆杯内;
2)将杯盖慢慢向下旋转让多余的水泥浆从流孔溢出，保证水泥浆充满整个
浆杯；
3)再用拇指堵住流孔，用清水冲洗浆杯外部并擦干；
4)然后将密度计放置在支架上，使刀口边缘位于支架上；
5)移动游码使支架内气泡居中；
6)读数，游码所标示数值即为水泥浆密度；
7)记录水泥浆密度数据及实验温度条件；
8)测试完毕，将盛液杯中的水泥浆倒掉，清洗实验仪器。

4、水泥浆流变性能测试步骤
1)将制备好的水泥浆倒入常压稠度仪样品筒中，于所测试温度下先稠化20
分钟；
2)然后将水泥浆倒入粘度计样品筒中，水泥浆液面达到外筒刻度线标记高
度；
3)先在600转/分下旋转60秒后读数，然后按20秒间隔依次由高速到低速：
300、200、100、6、3转/分连续测量，依次测其读数并记录在表2中。

4)测试完毕，将水泥浆倒掉，清洗实验仪器。

5、水泥浆稠化时间测试步骤
1)标定常压稠化仪指示计：
2)安装好电位计及稠化浆叶，将制备好的水泥浆倒入稠化仪样品筒中，安
装电位计，然后放入稠化仪水浴中，启动电机进行稠化；
3)设定稠化温度：参照稠化仪说明书；
4)记录不同时刻时水泥浆的稠度值于表4中，记录水泥浆稠度达到100 Bc
时所需要的时间（也即水泥浆稠化时间）。

5)清洗实验仪器，实验结束。

五、数据处理
（1）水泥浆配方
测密度和流变性：水泥400g 水灰比0.56
测稠化性能：水泥400g 水灰比0.56
外加剂名称：氯化钙外加剂加量：3%
（2）水泥浆密度
实验室温度及压力条件：20℃，0.1MPa 水泥浆密度：1.710g/cm3
（3）水泥浆的流变性能
实验室温度及压力条件：20℃，0.1MPa
水泥浆的流变参数：
200100300100()/()=(6246)/(7446)=0.571F θθθθ=----
因为F>0.53，所以，该水泥浆为幂律模式：
3001003000.432742.092lg =2.092lg =0.432460.5110.51174==2.557511511n n K Pa s θθθ⎧⎛⎫⎛⎫=⨯⨯⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎨
⨯⎪=⋅⎪⎩
所以该水泥浆的流变方程为：
0.432=2.557τγ⨯
（4）测定水泥浆的稠化时间
图2 水泥浆稠化时间曲线
由上图知前20分钟泥浆稠度基本保持不变，20分钟后，泥浆的稠度开始线性变化，因此，取20分钟后的相关数据作稠化时间曲线：
所以，当稠度为100Bc时，求得稠化时间为：t=70min。

六思考题
黑板上的：
1、实验室测定的各项水泥浆性能与现场施工中有无差别，试分析。

答：有差别。

实验室中测定的水泥浆密度及剪切粘度是在常温常压下测定的，稠度是在模拟地层温度的条件下测定的。

而现场施工中，深井往往是高温高压的，这将会使水泥浆的参数发生较大变化。

高温条件下，水泥浆的流动性能变差，凝固时间变短，稠化时间变短，流动阻力增加。

这是由于高温条件下水泥的水化反应速度加快而引起的。

在这种情况下，水泥浆的性能必须加以调节。

2、常压稠化仪与高温高压稠化仪的不同作用是什么？
答：常温稠化仪能测定地面常温常压条件下流体稠化时间，而高温高压稠化仪主要是模拟地下条件（高温高压）测定流体稠化时间。

3、测试水泥浆的性能对固井施工有什么意义？
答：明确水泥浆的性能参数，可以在固井过程中根据井深、井底温度、井底压力等参数合理的选择水泥和水泥外加剂，从而使水泥能够顺利达到井底并在环空中上返，不至于在注入过程中水泥凝固在套管中，或是形成窜槽等。

4、为什么要经常标定稠化仪电位计？
答：稠化仪在使用过程中由于老化磨损等原因，可能使摩擦减小或增大，从而产生误差，经常标定稠化仪电位计是为了减小实验误差，使实验安全准确的进行。

七、实验总结
通过实验，掌握了油井水泥浆的制备以及水泥浆密度、流变性能和稠化时间的测定方法。

实验过程中，各成员之间应密切合作，才能好又快的完成实验。

最后，十分感谢老师的悉心指导。