油井水泥浆性能实验

一、实验原理

1.YM型钻井液密度计是不等臂杠杆测验仪器。杠杆左端连接平衡筒。当盛液杯盛满被测试液体时，移动砝码使杠杆主尺保持水平的平衡位置，此时砝码左侧边所对应的刻度就是所测试液体的密度。

2.六转速粘度计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。通过变速传动外筒以恒速旋转，外传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，旋转角的大小于液体的粘度成正比，于是液体粘度的测量转变为内筒转角的测量。反应在刻度盘的表针读数，通过计算即为液体粘度、切应力。

3.水泥浆常压稠化仪中有一带固定浆叶的可旋转的水泥容器。浆杯由电机带动以150转/分得转速逆时针转动，浆杯中的水泥给予桨叶一定的阻力。这个阻力与水泥浆的稠化变化成比例关系。该阻力矩与指示计的弹簧的扭矩相平衡，通过指针在刻度盘上指示出稠度值。

二、实验仪器、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.油井水泥常压稠化仪

三、实验步骤

1.标定常压稠化仪指示计

实验前，应当在标定装置上对指示计进行标定，指示计机构示意图见图1。

如图1所示，将铜套圈装在指示计上方；缺口对准指示计销轴，尼龙线一端系在指示的销轴上，另一端沿筒套圈绕一周，然后再沿滑轮的沟槽引下与吊钩连接。标定时，在吊钩上装上砝码，读出指示计数值。然后将吊钩、砝码用手托起，是指示计指针回到零。接着松手让吊钩、砝码慢慢落下，读数。如此反复几次，取平均值。

表1  标定数据表

配置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。当水灰比过大时，水泥浆难以搅拌和泵送，在环空流动将产生很高的摩擦阻力。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2  API的水灰比（W/C）标准

表2  API的水灰比（W/C）标准

2）在天平上称取1400克水泥，用量筒取相应的水量700克。

3）若使用外加剂，则将称好的外加剂放入水中搅拌（如加入2%的促凝剂氯化钙）。

4）将量出的水倒入搅拌器的杯内，启动搅拌机，调节转速为4000转/分。

将称出的干水泥在15秒内加入水中。然后调节搅拌器转数为12000转/分，继续搅拌35秒。

3.测定水泥浆的密度

1）将水泥浆倒入样品杯，边倒边搅拌；倒满后再搅拌25次除去气泡。

2）盖好盖子并洗净从盖中间小孔溢出的水泥浆。

3）用滤纸或面巾纸将密度计上的水擦干净。

4）然后将密度计放在支架上，移动砝码，使游梁处于平衡状态。

5）读出游码左侧所示的水泥浆密度值。

6）测定完毕，将样品杯中的水泥浆倒掉，用水彻底清洗各部件并将其擦干净。

4.测定水泥浆的流变参数

液体的流变性是指液体在外力作用下所产生的流动和变形特性。也即作用于流体的层间剪切应力与液体变形（流动）特性。

1）检查仪器各转动部件、电器及电源插头是否安全可靠。

2）向左旋转外传筒，取下外传同。将内转同逆时针方向旋转并向上推与内转筒轴锥端配合。向右旋转外传筒，转上外传筒。

3）接通电源220V/50Hz。

4）拉动三位开关，调节高速或低速档。

5）仪器转动时，轻轻拉动变速杠杆的红色手柄，根据标示变换所需要的转速。

6）将仪器以300r/min和600r/min转动，观察外筒不得有摆动。如有摆动应停机重新安装外传筒。

7）以300r/min，检查刻度盘指针零位是否摆动。如指针不在零位，应参照仪器校验的“空载零位校验”。

8）将刚搅拌过的钻井液倒入样品杯内至刻度线处（350ml），立即置于托盘上，上升托盘使杯内液面达到外筒刻度线处。

9）迅速从高速跳到低速进行测量，待刻度盘的读数稳定后，分别记录各速度梯度下的读数。对其他触变性流体应在固定速度梯度下，剪切一定时间，取最小的读数为准；也可以采用在快速搅拌后，迅速转为低速进行读数的方法。

10）样品的粘度、切应力等测试和计算参照“数据测试及计算”进行。

11）测试完毕后，关闭电源，松开板板手轮，移开样品杯。

12）轻轻卸下外传筒，并将内筒逆时针方向旋转垂直向下用力，取下内筒。

13）清洗外传筒，并擦干，将外传筒安装在仪器上，清洗内筒时应用手指 堵住锥孔，以免赃物和液体进入腔内，内筒单独放置在固定位置。

表3 粘度计读数

油井水泥在规定压力和温度条件下，从搅拌开始至水泥稠化达到100个稠化度单位（Bc-伯登）时所需要的时间，称为水泥的稠化时间。它是模拟现场注水泥过程所得到的室内试验值。即从搅拌水泥浆开始计起，直到水泥沿套管到达井底、而后由环空返至预定的高度为止的全部时间。

1）将奖杯轻轻放入杯套内，使浆杯、杯套的缺口对齐。

2）打开总电源开关。按照实验中升温方案的初始值，设置温度拔码式调节器的下一排数字。然后接通加热器电源。在温度完全稳定后，再进行下列步骤。

3）将调整好的指示计倒置，装上桨叶。

4）将配好的水泥浆小心的倒入浆杯，直到水泥浆与杯内壁上的刻度线相平。

5）接通电机电源，电机带动浆杯转动。同时记住开机时间。

6）每隔一定时间记录时间和稠度值。当指示计指针指到预定数值的时候，关闭电机电源。

7）关闭加热器电源。取出指示计和浆杯，注意浆杯温度较高，切勿烫伤。

8）将水泥浆倒入桶内。用水冲洗浆杯和浆叶。擦干并涂上油脂，旋转仪器右侧。

表4 稠度值记录

1.流变模式判别

F=（θ200-θ100）/(θ300-θ100)

式中，F-流变模式判别参数，无量纲；θ100-转速为300r/min的仪器读数；θ200-转速为200r/min时的仪器读数；θ300-转速为300r/min时的仪器读数。

当F=0.5±0.03时选用宾汉模式，否则选用幂律模式。

2.宾汉模式

ηr=0.0015(θ300-θ100 )   τ=0.511θ300-511ηr

式中，ηr-塑性粘度，Pa.s；τ-动切应力，Pa；

 3.幂律模式

η=2.0921g（θ300/θ100）   k=0.511θ300/511n

式中，η-流性指数，无量纲；k-稠度系数，Pa.s。

五、实验数据处理

（1）水泥浆配方

流变特性和密度试验：水泥600g+水300g

稠化实验：水泥600g+水300g+CaCl2 18g

（2）水泥浆的密度

实验温度及压力条件：20°C/atm    

水泥浆密度：1.83g/cm3

(3)水泥浆的流变性能

实验的温度及压力条件：20°C/atm

表1  粘度计读数

实验的温度及压力条件：75°C/atm

表2 不同时刻的水泥浆稠度

F=（θ200-θ100）/(θ300-θ100)=（37-28）/（45-28）=0.53

选用宾汉模式

ηr=0.0015(θ300-θ100 ) =0.0015*(45-28)=0.0255(mPa.s)

  τ=0.511θ300-511ηr=0.511*45-511*0.0255=9.9(Pa)

由图可见，38分钟开始线性变化，取38分钟后数据做曲线

当稠度为100Bc时，稠化时间为54.78min

六、思考

1.为什么要经常标定指示针？

答：经常标定是为了校准,进而减小实验误差，保证实验安全准确进行。

2.常温稠化仪与高温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。

附  稠化实验温度条件（API标准）