專利名稱：變速增壓式油井水泥漿稠度儀及其稠化時間的測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能較好地摸擬和測量油井水泥漿在不同井深和不同注替速度及剪切速率情況下，測量其稠度和稠化時間的方法。它適用于石油、天然氣鉆井、固井、擠水泥、注水泥塞等作業(yè)。
背景技術：
在石油、天然氣勘探鉆井中，鉆完數(shù)千米井深后，固結、封隔井壁，防止井內巖石坍塌，是增加油、氣井壽命，提高油、氣井生產能力的關鍵技術問題。固結、封隔井壁的專業(yè)術語統(tǒng)稱為固井工程。固井工程是將套管下入井內，再將油井水泥漿注入套管內孔，頂替至井壁與套管外的環(huán)形空間，凝固后固結井壁(簡稱注水泥)。注水泥過程，水泥漿自身要變稠，如其稠度變化和相應的稠化時間設計不當，致使水泥漿不能達到預定位置，造成固井工程的失敗。
目前，油井水泥漿的稠度及稠化時間，是按API統(tǒng)一標準，使用增壓式稠度儀進行測定和設計的。該儀器摸擬油井水泥漿在井下的溫度、壓力及軸向流動情況，以旋轉的方式進行測量，其旋轉速度為150RPM。水泥漿的稠化時間是在其測量過程中，扭矩達到2080g-cm時的時間，此時水泥漿已經稠化，喪失了流動性，其稠度值為100Bc。實際上，油井水泥漿在井下的注替速度及剪切速率是根據(jù)施工要求，并不一定都按API標準所規(guī)定的相當轉速150RPM。因此，所測定的油井水泥漿稠度及稠化時間并不能完全反映井下實際情況，有可能影響水泥環(huán)質量，甚至造成注水泥作業(yè)失敗的危險。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有注水泥作業(yè)技術中的不足，解決測定的油井水泥漿稠度及稠化時間與井下實際情況不相符合的問題，特提出一種變速增壓式油井水泥漿稠度儀及其稠化時間的測量方法。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是根據(jù)油井水泥漿在井下不同的環(huán)空注替速度及剪切速率情況下，對其稠度和稠化時間進行測量，稠度儀漿杯摸擬轉速為無級調速，轉速變化范圍為10～600RPM。
具體技術方案為1.根據(jù)油井水泥漿在環(huán)空的注替速度及流變特性，確定其液體的環(huán)空剪切速率。環(huán)空剪切速率的有關計算式為γan=12VCPDh-dc(2n+13n)]]>2.根據(jù)實驗方法及理論分析，確定出稠度儀特殊漿葉旋轉時的平均剪切應力和平均剪切速率。平均剪切應力與漿葉某時刻測量扭矩的關系為τ=1265.47M×105]]>漿葉的平均剪切速率為γCts=1.20.20944n[1-(rR)2n]N]]>γCts相當于Fann-50型旋轉粘度計，外內筒半徑比R/r＝1.0678時，內筒壁剪切速率的1.2倍。對于稠度儀，γCts反映了漿葉直徑dle＝70.675mm處的剪切速率，其漿杯與漿葉外的直徑比Dcudle=74.670.675=1.0555.]]>
3.根據(jù)液體軸向剪切速率γan與其摸擬的旋轉剪切速率γCts相等的原則，確定不同井況下，測定水泥漿稠度和稠化時間的漿杯模擬轉速，并將有關具體數(shù)值列于表1中；N=5.73n[1-(rR)2n]γan]]>4.按照API標準的配漿方法及其它操作程序，測量油井水泥漿的稠度及稠化時間。
注符號說明，γan——水泥漿在環(huán)空的剪切速率，S-1；VCP——水泥漿在環(huán)空的平均流速，cm/S；Dh——井眼直徑，cm；dc——套管外徑，cm；n——水泥漿流性指數(shù)；τ——水泥漿在漿葉處的平均剪切應力，dyn/cm2；M——測量水泥漿的扭矩，N-cm；γCts——稠度儀漿杯旋轉時，漿葉的平均剪切速率，S-1；N——稠度儀漿杯轉速，RPM。
本發(fā)明所涉及的變速增壓式油井水泥漿稠度儀，主要由高溫高壓釜、漿葉和漿杯、電機及扭矩測定裝置、計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所組成，其結構特征是釜體下端帶有無動密封的磁力驅動轉軸，并在該軸上裝有固定漿杯的圓盤；被測水泥漿及漿葉入漿杯，并放在高壓釜轉盤軸上，而漿葉軸與固定在釜體的測量彈簧相連，嵌合在一起，漿葉由三組平行的框式葉片(aa、bb、cc)及與其垂直的兩組平行葉片(dd、EE)組成；電機調速通過磁力驅動，帶動漿杯及逐層液體旋轉，并使?jié){葉和彈簧扭轉，產生扭矩，漿杯轉速根據(jù)井下水泥漿返速及剪切速率，可在10～600RPM內變化；被測水泥漿通過設定的溫度、壓力、轉速及測量扭矩的傳輸，在計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)顯示屏上，反映出不同時刻水泥漿的稠度值及對應的變化曲線(如圖2～5)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術API標準所使用的增壓油井水泥漿稠度儀比較具有以下優(yōu)點(1)稠度儀漿杯轉速不是恒定的150RPM，而是根據(jù)油井水泥漿在環(huán)空的流動速率及剪切速率、確定出與之相當?shù)男D速度，測得其稠化時間，以作為注水泥施工總時間設計的依據(jù)，從而保證固井工程安全施工和固結井壁的膠結與封隔質量；(2)可研究不同漿杯摸擬轉速與不同類型油井水泥漿稠度及稠化時間的關系，確定出不同水泥漿體系的安全施工標準及提高水泥漿膠結性能的具體方法。
表1 測量水泥漿稠度和稠化時間的相當轉速



下面結合附圖、實施步驟及實例對本發(fā)明進一步說明。
圖1為本發(fā)明的變速增壓式油井水泥漿稠度儀示意圖，圖中1.高溫高壓釜，2.漿杯，3.漿葉，4.加熱器，5.增壓器，6.磁力驅動轉軸，7.電機，8.彈簧，9.扭矩傳輸，10.壓力傳輸，11.溫度傳輸，12.轉速傳輸，13.數(shù)據(jù)處理。
圖2為不同轉速下的稠化時間曲線，水泥漿配方G級水泥+35％硅砂+1.5％HS-2A+0.5％SXY+0.5％HS-R(密度ρc＝1.90)。
圖3為不同轉速下的稠化時間曲線，水泥漿配方G級水泥+35％硅砂+1.5％HS-2A+1％SXY+0.5％HS-R(密度ρc＝1.89)。
圖4為不同轉速下的稠化時間曲線，水泥漿配方G級水泥+35％硅砂+1.5％HS-2A+1％SXY+0.2％HS-R(密度ρc＝1.905)。
圖5為不同轉速下的稠化時間曲線，水泥漿配方G級水泥+WZ30％+3％LT-2+0.5％SXY+0.2％HS-R(密度ρc＝1.4)。
具體實施例方式將配制好的水泥漿盛入漿杯2，并把漿葉3放入漿杯2中，然后再將盛有水泥漿的漿杯2及漿葉3一起放入高溫高壓釜1內，并蓋好釜蓋；按照井深條件設置漿體的實驗壓力、溫度及升溫速率，通過加熱器4及增壓器5自動調節(jié)和控制；按照井下環(huán)空液體剪切速率大小，采用轉速公式，參考表1的數(shù)據(jù)，確定漿杯2的實驗轉速，開動電機7的調速裝置及扭矩開關8進行測量試驗；啟動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)13，通過溫度傳輸系統(tǒng)11、壓力傳輸系統(tǒng)10、扭矩傳輸系統(tǒng)9及轉速傳輸12，自動記錄水泥漿不同時刻的稠度值；當水泥稠度值達到100Bc時，關閉電機的轉速調節(jié)開關7、扭矩測量開關8及加熱器開關4，并通過增壓器5卸掉釜體1內的壓力；當釜體1內溫度降至45℃以下時，卸去釜蓋，取出漿杯2進行清洗，完成整個試驗工作；從數(shù)據(jù)處理13中取出記錄實驗數(shù)據(jù)，分析水泥漿稠度和稠化時間的實驗結果。
按照上述操作方法進行以下具體實例1.按照API標準配制四種不同性能的油井水泥漿，其密度為1.40和1.90左右(見表2)；2.根據(jù)井深2000～4000m，設定油井水泥漿的實驗溫度和壓力(表2)；3.按照API標準規(guī)定的150RPM和另外選定的70、100、300RPM，使用本發(fā)明的變速增壓式稠度儀，測得油井水泥漿的稠化曲線和稠化時間(見附圖2～5、表2)。
表2 不同水泥漿在不同轉速的稠化時間

由表2及圖2～5可知(1)不同水泥漿性能、稠化時間隨轉速的增加而縮短，按照300RPM測得的稠化時間要比API標準規(guī)定150RPM所測時間，最短可減少1h左右；(2)如以稠度儀測得的水泥漿稠化時間作為設計注水泥施工時間的依據(jù)，而當水泥漿在環(huán)空的流動速度及剪切速率又高于稠度儀漿杯150RPM的有關參數(shù)時，水泥漿在環(huán)空的實際稠化時間將比API規(guī)定測得的稠化時間要短，而提前稠化，將造成注水泥作業(yè)失敗的危險；(3)如水泥漿在環(huán)空的流動速度及剪切速率低于稠度儀漿杯150RPM的有關參數(shù)，水泥漿在環(huán)空的實際稠化時間將比API標準規(guī)定測得的稠化時間要長，而不能很好的稠化和凝固，引起水泥漿凝固過程的油、氣水竄問題；(4)不同水泥漿體系的稠化時間是否一定隨剪切速率及相當轉速的增加而縮短，尚需進一步研究。
權利要求
1.一種變速增壓式油井水泥漿稠度儀及其稠化時間的測量方法，其特征是油井水泥漿在不同環(huán)空注替速度及剪切速率情況下，其稠度和稠化時間的測量，稠度儀漿杯摸擬轉速為元級調速，轉速變化范圍為10～600RPM。
2.根據(jù)權利要求1所述的測量方法，其水泥漿稠度儀主要是由高溫高壓釜、漿葉和漿杯、電機及扭矩測定裝置、計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，其特征是釜體下端帶有無動密封的磁力驅動轉軸，并在該軸上裝有固定漿杯的圓盤；漿杯放在高壓釜轉盤軸上，漿葉軸與固定在釜體的測量彈簧相連，漿葉由三組平行的葉片及與其垂直的兩組平行葉片組成；電機調速通過磁力驅動，漿杯轉速根據(jù)井下水泥漿返速及剪切速率，可在10～600RPM內變化。
3.根據(jù)權利要求1所述的測量方法，其特征是根據(jù)油井水泥漿在環(huán)空的注替速度及流變特性，確定其液體的環(huán)空剪切速率；根據(jù)實驗方法及理論分析，確定出稠度儀特殊漿葉旋轉時的平均剪切應力和平均剪切速率；再根據(jù)以上數(shù)據(jù)，確定出測定油井水泥漿稠化時間的漿杯摸擬轉速；最后按照API標準的配漿方法及其它操作程序，測量油井水泥漿的稠度及稠化時間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能較好地摸擬和測量油井水泥漿在不同井深及不同注替流動情況下，測量其稠度和稠化時間的方法。它解決了測定油井水泥漿稠度及稠化時間與井下實際情況不相符合的問題。采用的測量儀器為一種可變速的增壓式稠度儀裝置，漿杯轉速不是API標準規(guī)定的恒定值150RPM，而為無級稠速、轉速變化范圍為10～600RPM。其方法是根據(jù)油井水泥漿在環(huán)空的注替速度及流變特性，確定其環(huán)空剪切速率；再根據(jù)實驗方法及理論分析，確定出稠度儀特殊槳葉旋轉時的平均剪切應力和平均剪切速率；最后確定出測量水泥漿稠化時間的漿杯摸擬轉速。將本發(fā)明確定的旋轉速度，測得的稠化時間，作為注水泥施工總時間設計的依據(jù)，可保證固井工程安全施工和固結井壁的膠結與封隔質量。
文檔編號G01N11/10GK1570599SQ20041002242
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月27日 優(yōu)先權日2004年4月27日
發(fā)明者劉崇建, 陳英, 劉孝良, 謝應權 申請人:西南石油學院