水泥漿沉降穩定性評價裝置的研制及應用

宗 勇，齊 奔，劉文明，吉 建，杜 濱，于倩倩，姚 藍，劉 易

（渤海鉆探第二固井公司，天津 300280）

在進行固井配方設計中，水泥漿在實際井下條件的不穩定性產生的沉降穩定性作用對固井質量常常產生不良影響，尤其在定向井和水平井中，由于高溫高壓及高傾角的影響加劇了油井水泥漿在養護候凝期間形成更多的“自由水”，并在水泥柱頂部積聚，在環形空間形成通道，導致氣竄發生[1]。同時，由于重力沉降現象所引起的密度分布不均，除了自由水的存在，還常常表現出由于上部水泥漿密度降低，而引起水泥石與地層及套管之間膠結強度的下降[2]，導致水泥對環空有效封固降低或失效，使得固井失敗。

針對此現象，目前的測量方法是把常壓稠化儀養護好的水泥漿，置入一500 mL帶刻度的垂直量筒內，在常溫常壓下靜止一段時間后測定其頂部“自由水”的高度以及上下密度差，以衡量其穩定性好壞。該測量方法的缺點是沒有考慮到溫度、壓力、傾角的影響，其測試條件與井下實際條件相差甚遠，往往在常溫常壓下測量出“自由水”很小的水泥漿體系，在高溫高壓條件下卻產生大量的自由水，對固井質量產生不良影響。鑒于此，研究一種新型的多筒式水泥漿液體沉降穩定性評價裝置，克服了上述現有技術之不足，有效解決現有缺乏測量水泥漿在高溫高壓及傾斜條件下穩定性問題成了當務之急。

1 水泥漿液體沉降穩定性評價裝置

1.1 研究思路

為模擬水泥漿在實際井下條件的不穩定性產生的沉降穩定性，制備一套能夠評價水泥漿在高溫高壓及傾斜條件下穩定性的裝置。該裝置還應滿足能同時評價一種水泥漿體系在同種壓力、溫度，不同種傾斜角下的穩定性。該裝置最好還能滿足同時評價不同水泥漿體系在同種壓力、溫度、傾斜角下的穩定性。

圖1 水泥漿沉降穩定評價裝置

1.2 評價裝置

此評價裝置，主要由試模圓筒、手提器、角度調節穩定架、鋼絲編織硅膠容量測定保護管、活動膠塞、閥門等部件組成（見圖1）。

測量試模圓筒與鋼絲編織硅膠容量測定保護管配套使用不能小于兩組，角度調節穩定架上標有角度刻標。可以根據現場井斜角調節試模圓筒角度，增加評價準確性。并且裝置整體上方正中央有一圓孔，與螺旋手提器配套使用，方便操作者提起。而試模圓筒下部有螺旋狀凹槽，通過螺旋凹槽處與試模密封座墊配套使用，防止實驗過程中出現漏漿現象。還有試模圓筒與鋼絲編織硅膠容量測定保護管延直徑處光滑平割，鋼絲編織硅膠容量測定保護管上有容量刻度，方便操作者讀取數據。

2 應用方法與實例

2.1 應用方法

水泥漿沉降穩定性評價測試示意圖（見圖2，圖3），具體應用方法如下：

（1）把四塊測量試模半圓筒分別與試模密封座墊、鋼絲編織硅膠容量測定保護管組裝成測試筒。

（2）按照要求配制兩種體系的水泥漿。

（3）把兩種水泥漿分別倒入組裝好的測試筒中，擰緊上方小蓋。

（4）把兩測量筒利用圓筒固定夾固定在穩定架上。

（5）觀察角度調節架上的刻標，把兩測試筒分別調節成設定角度。

（6）放入增壓養護釜中按實驗程序升至目標溫度及壓力后繼續養護2 h。

（7）擰開小蓋，將上層析出的清液（水泥漿頂部有色或無色液體）用移液管或注射器移出，測量和記錄析出清液的體積。

（8）打開試管下方閥門，利用活動膠塞把水泥漿體壓出，并用密度計對上下水泥漿密度進行測定。得出評價數據并對兩種水泥漿進行選擇。

2.2 應用實例

運用此方法分別對公司在用的BZJS-2水泥漿體系、衛輝水泥漿體系、永旭水泥漿體系、歐美克水泥漿體系進行了評價，實驗溫度為80℃[3]，實驗壓力為常壓，傾斜角為45°。實驗結果（見表1），四種水泥漿體系的上下密度差均在0.01 g/cm3以下，能夠滿足現場施工需求[4]。

圖2 水泥漿沉降穩定性模擬評價裝置整體成品圖

圖3 試模筒組件成品圖

表1 不同水泥漿體系在80℃，常壓下沉降穩定性評價結果

運用此裝置及方法分別對BH-F101L水泥漿體系、BH-F101L水泥漿體系（加穩定劑）、衛輝水泥漿體系、衛輝水泥漿體系（加穩定劑）在150℃，24 MPa，傾斜角45°情況下沉降穩定性進行了評價，實驗結果（見表2）。實驗結果顯示，在未加高溫穩定劑條件下，兩種水泥漿體系在150℃條件下的穩定性差，水泥漿上下密度差達到了0.2 g/cm3以上，在水泥漿體系中加入高溫穩定劑后，水泥漿穩定性明顯改善，上下密度差均在0.03 g/cm3以下，能夠滿足現場施工的需求，確保固井質量。

考察了傾斜角對BH-F101L水泥漿體系穩定性的影響，實驗溫度為80℃或150℃[5]，壓力為常壓或24 MPa，傾斜角為45°或30°，實驗結果（見表3）。水泥漿在80℃條件下具有良好的穩定性，因此在此溫度條件下水泥漿在傾斜角為45°或30°時的穩定性無明顯差別。150℃條件下，傾斜角越大，水泥漿密度差越小，這是因為傾斜角越大水泥漿沉淀物會產生掛壁積淀，造成上下密度差偏小。

還用此方法與傳統水泥漿穩定性的評價方法進行對比。傳統方法為水泥漿在高溫高壓稠化儀，150℃/24 MPa/70 min條件下養護20 min后，置于500 mL量筒中，常溫靜置2 h，測水泥漿上下密度差，結果（見表4）。根據對比結果顯示，傳統的評價方法由于不能進行高溫、高壓、高井斜角情況下的模擬評價，造成穩定性評價并不是很準確，誤差較大，而此評價方法明顯優于傳統評價方法。

表2 不同水泥漿體系在高溫高壓下沉降穩定性評價結果

表3 相同水泥漿體系在相同溫度、壓力，不同井斜角下沉降穩定性評價結果

表4 與傳統水泥漿穩定性評價方法對比

3 結論

（1）使用此裝置，為室內選擇符合現場要求的水泥漿體系提供了科學可靠的手段。

（2）通過此水泥漿沉降穩定的評價方法，能夠為固井質量影響因素分析及工藝對策制定提供技術依據。

參考文獻：

[1]劉重慶.我國固井設備開發的現狀及發展[J].中國石油和化工標準與質量，2012，（13）：217.

[2]宋元洪，楊遠光，張玉平，等.高密度水泥漿沉降穩定性評價方法探討[J].鉆井液與完井液，2015，32（6）：55-56.

[3]黃柏宗，李寶貴，李希珍，等.模擬井下溫度壓力條件的水泥漿沉降穩定性研究[J]. 鉆井液與完井液，2000，17（2）：1-7.

[4]國家能源局.SY/T 6544-2010.油井水泥漿性能要求[S].北京：石油工業出版社，2010.

[5]楊勇，戴建文，林榮壯，等.高溫水泥漿沉降穩定性[J].鉆井液與完井液，2010，27（6）：55-57.