大庆石油学院石油工程专业实验指导06完井工程实验.docx

第六部分完井工程实验一油井水泥浆常规性能测试一、实验目的(1)了解油井水泥浆的配制方法。(2)了解测定水泥浆性能所用仪器的结构和原理。(3)掌握水泥浆性能测定的操作技术.二、实验器材和药剂(1)常压稠化仪。常压稠化仪主要由水箱、左右电位计、温控器、指示灯、记录仪、左右计时器、浆杯和搅拌桨等组成，实物如图6-1-1所示。其中，电位计、浆杯分另收口图6-1-2、图6-1-3所示。图6-1-1常压稠化仪1一左电位计；2温控器；3记录仪；4一左计时器；5右计时器；6指示灯；7一右电位计；8水箱图6-1-2常压稠化仪电位计1一扣环；2一轴槽；3一中心反向固定蟠帽；4一固定螺帽;5指针；6一刻度盘；7一刻度盘及其底座部件；8弹赁;9-做；10-½11;12轴图6-1-3常压稠化仪浆杯总成1一雌桨；2一浆杯；3盖；4一灌浆高度指示槽(2)增压稠化仪o增压稠化仪的结构如图6-1-4所示，实物如图6-1-5所示。图6-1-4增压稠化仪结构示意图1一浆杯热电偶；2密封环；3一扭矩弹赁;4一接触销；5防护盖；6启动挡；7一浆杯隔板；8加热管：9一浆杯；IO-可拆卸盘根；11一止推轴承；12电位计总成；13一空气接头；14金体热电偶；15冷却管；16一浆杯驱动盘；17；由压接头;18一伞齿轮；19一齿轮减速器(3)常压密度计°常压密度计如图6-1-6所示,其结构与钻井液常规性能测定实验中使用的密度计相同。图6-1-5增压稠化仪图6-1-6密度计(4)增压密度计°增压密度计实物如图6-1-7所示。(5)六速旋转粘度计o(6)失水仪。失水仪主要由底座、支柱、加热套、浆杯、浆杯通气阀杆、冷凝积液筒、减压阀、压力表及管汇、温控器、盘式温度计、指示灯等组成，实物如图6-1-8所Ho5一浆杯：6支架；7压盖;8压环5一浆杯通气阀杆；6加热套；7一冷凝积液筒；8一支柱；9一底座(7)恒速搅拌器。恒速搅拌器是油井水泥浆的制备装置，是一台容量约为11.、底部驱动的叶片式搅拌器。其转速分为“低速"挡和“高速"挡。低速为4000rmin,高速为12000rmin其实物如图6-1-9所示。叶片和搅拌浆杯应由耐腐蚀材料制成。当叶片质量损失在10%以上时，应换上新的叶片。图6-1-9恒速搅拌器(8)秒表。(9)天平。天平。天平的精度应在称量示值的0l%以内。硅码。硅码的允许偏差列于表61-1中。对硅码在梁上的梁式天平，硅码示值应符合表6-1-1中的要求。表6-1-1硅码允许偏差硅码/g允许偏差/g100O0.505000.353000.302000.20100.15500.10(10)20目筛子。(11)油井水泥。(12)玻璃量筒O玻璃量筒的体积应能满足一次单项实验所需的水量。其偏差不能超过0.2%,其刻度至少要细分成5m1.(13)孔径为0.9mm方孔筛，2个。141三、实验步骤1.水泥浆的制备(1)过筛。制备水泥浆之前，应使用孔径为09mm的方孔筛将水泥过筛。(2)拌和水。拌和水既可用玻璃量筒量取，也可放入一个干燥、洁净的搅拌浆杯内用天平直接称量。存在争议时，以天平直接称量为准。不应补加水来弥补蒸发、润湿等所损失的水量(3)水和水泥的温度o搅拌前60s内拌和水温度应为22.8节士1.l节，水泥温度应为22.8节±1.1节。(4)水灰比。各级水泥按质量百分比计算加入的水量，应符合表6T-2给出的数值。表6-1-2各级油井水泥水灰比要求油井水泥级别用水量(占水泥质量的百分比)/%A和B46C56D,E,F和H38G44(5)水泥浆的拌和量0按表61-3所示的水泥浆组分含量进行实验。表6-1-3水泥浆要求油井水泥级别A和BCD1E,F和HG拌和水/g355383327349水泥/g772684860792(6)水泥与水的搅拌在规定的温度下，水泥与水的搅拌应按照下述步骤进行：将装有所需数量水(符合表6T-3要求)的搅拌浆杯放在搅拌器底座上，打开“低速"挡(4000rmin±200rmin),同时在15s内将水泥样品均匀地倒入浆杯中，并盖上浆杯盖，再打开"高速”挡(12000rmin±500rmin)继续搅拌35s±ls的时间。2.密度测定1)用水泥浆增压密度计测定在样品杯中加入水泥浆至样品杯上缘约6mm处。将盖子放在样品杯上，打开盖子上的单向阀。使盖子外缘和样品杯上缘表面接触，过量的水泥浆通过单向阀排出。将单向阀向上拉到封闭位置，用水洗净并擦干样品杯和螺纹，然后将螺纹盖帽拧在样品杯上。用专用加压活塞筒吸取适量水泥浆，通过单向阀注入样品杯中，直至单向阀自动封闭。将样品杯外壳洗净、擦干，然后将密度计放在支架上，移动游码，使游142梁处于平衡状态。读出游码箭头一侧的密度值。测定完后，重新连接专用加压活塞筒，释放样品杯中的压力。拧开螺纹盖帽，取下盖子，将样品杯中的水泥浆倒掉。用水彻底清洗各部件，然后擦干，并在单向阀上涂抹润滑油脂O2)用常压密度计测定实验测定前用清水对密度计进行校定：将浆杯中盛满蒸储水(或自来水)，盖好杯盖，擦净溢出的水，然后放置在支架刀口上，移动游码至1.O处，秤臂应成水平，气泡应居中央o如不平衡，应进行调整o将水泥浆倒入样品杯中，边倒边用玻璃棒搅拌，倒满后再搅拌25次除去气泡，然后注入密度计浆杯内，盖上浆杯盖，慢慢向下旋转让多余的水泥浆从杯盖的溢流孔中流出，确保杯盖外缘与浆杯上缘紧密接触后，再用拇指堵住溢流孔，用水清洗掉浆杯外的水泥浆并擦干，将密度计放在支架上，移动游码，使游梁处于平衡状态，读出游码左侧所示的密度值，即为该水泥浆的密度，单位为gcm测定完后，将样品杯中的水泥浆倒入专用的废液容器内，用水彻底清洗各部件并将其擦拭干净。3.水泥浆失水量的测定1)水泥浆制备水泥浆制备按上述方法进行。2)温度低于90节时的失水量测定(1)将常压稠化仪和失水仪预热到实验温度，误差范围在±1节。(2)将配制好的水泥浆倒入常压稠化仪浆杯中至刻度线，插入桨叶并安装好电位计，然后放入常压稠化仪中，搅拌20mj11从配完水泥浆到启动常压稠化仪必须在Imin内完成。(3)从加热筒中取出失水仪浆筒并关闭它的顶阀。(4)从常压稠化仪中取出浆杯，用搅拌棒将水泥浆样品搅拌均匀，然后倒入失水仪浆筒中并在浆面上部至少留有19mm高的空间，放置滤网、密封环和端盖，拧紧固定螺丝，关闭失水仪浆筒上的顶阀和底阀.(5)倒置失水仪浆筒并放入加热筒内，把压力管线接到浆筒的上端，并施加6.9Mpa±0.07MPa的压力，打开顶阀.从常压稠化仪停止搅拌到施加压力的时间不得超过2min.(6)打开底阀，用量筒收集滤液，收集时间为30mio(7)实验结束后，先关闭顶阀和压力瓶总阀，释放调压器的压力，然后取下压力管线，缓慢打开顶阀，释放浆筒中的压力，最后将失水仪清洗干净。3)温度为90节以上的失水量测定(1)将失水仪预热到90节士1节。(2)把配制好的水泥浆倒入增压稠化仪浆杯中，然后再放入增压稠化仪，在搅拌的同时，使水泥浆升温、升压。143(3)搅拌20min后，停止加热，缓慢释放压力，打开增压稠化仪°(4)从加热筒中取出失水仪浆筒，启动恒温器，把加热筒加热到实验温度±1节0在水泥浆倒入倒置的失水仪浆筒之前，必须关闭浆筒的顶阀o(5)把水泥浆从增压稠化仪浆杯中倒出来加以搅拌，然后倒入失水仪浆筒，并在其上部至少留有19mm高的空间供水泥浆膨胀。放置滤网、密封环和端盖，拧紧固定螺丝，关闭失水仪浆筒上的顶阀和底阀。(6)倒置浆筒并放入加热筒内，把压力管线接到浆筒的上端，打开顶阀，给浆筒施加0.7MPa的压力。(7)连接并锁紧底端回压接收器，给底端回压接收器施加0.7MPa的压力，但不打开底阀.(8)当浆筒的压力达到0.7MPa,时间为15min之后，顶阀上的压力加到7.6Mpa,打开底阀，开始计时，同时收集滤液。滤液量的读值应在1/4,1/2,1,2.5min时各记录一次，以后每隔5min记录一次，直到记满30min为止。(9)如果实验期间的回压上升到07Mpa以上，要缓慢排放滤液收集滤液期间保持69Mpa士0.07MPa的压差。(10)实验结束时，先关闭压力瓶总阀，再关闭顶阀和底阀，释放这两个调压器中的压力。(11)将失水仪冷却到90节以下，然后缓慢释放其中的压力，最后将失水仪清洗干净。4)实验记录与结果处理(1)实验记录。实验周期从打开底阀开始，记录1/4,1/2,1,2,5min时的滤液量，以后每隔5min记录一次，直到第30min为止。如果在30min内发生脱水，记录造成水泥浆样品发生脱水时的时间和滤液量。(2)结果处理。当实验周期为30min时，把6.9MPa实验压力下测得的滤液量乘以2作为滤失量。当实验周期小于30min时，用下列方法折算出滤失量，并在记录时加以说明。按下列公式计算：Qo=2。以(6_1_1)式中Q303Omin的失水量；Q一时间t对应的滤液量；脱水时的时间。4.水泥浆流变性能的测定(1)校准六速旋转粘度计。将常压稠化仪预热到实验温度，误差范围为士1节。(2)配制水泥浆。(3)把配制好的水泥浆注入常压稠化仪浆杯中，在实验温度下搅拌水泥浆20min后，移去搅拌叶片，在常压稠化仪中用搅拌捧搅拌水泥浆6s,然后倒入粘度计的样品杯中至刻度线处。样品杯和内筒、外筒的温度维持在实验温度±1节。(4)将样品杯放在粘度计升降台上，粘度计以300rmin的速度旋转，升高升降台使浆液到达外筒表面刻度线处固定O(5)从浆液到达外筒刻度线开始，60s后读出刻度盘上的读数；然后立即将仪器转换到200rmin的转速挡，20s后读出刻度盘上的读数；再将仪器立即转换到100r/min的转速挡,20s后读出刻度盘上的读数0在记读数之前瞬间以及实验结束时，记录粘度计样品杯中的水泥浆温度。(6)用新制备好的水泥浆样品重复整个实验步骤(3)至U(5),共做3次，确保3次的测量值在平均值±1个标准偏差以内。取这3次测量值的平均值作为实验的测量结果O(7)根据上述步骤中记录的平均温度，报告水泥浆的流变性测量温度O(8)计算流变参数：流变模式判别按下式确定：式中F流变模式识别系数，无量纲；63。0一转速为300rmin时的仪器读数；62。一转速为200rmin时的仪器读数；，OO-转速为100rmin时的仪器读数。当F-.5±0.03时，选用宾汉模式，否则选用幕律模式。宾汉模式：冲V0.0015(¾oooo)00.5113oo511?»PV式中pv塑性粘度，Pas；o一动切应力，pao(3)幕律模式：-2.092Ig1%。：I，100jKJ_5IMoo511(6-1-3)(6-1-4)(6-1-5)(6-1-6)式中流性指数，无量纲；稠度系数.pa.So(6-1-2)5 .水泥浆游离液量的测定先配制水泥浆，把配制好的水泥浆立即倒入增压稠化仪的浆杯中，然后按标准实验方案和操作方法，在升温加压下搅拌水泥浆当水泥浆达到目标温度和压力后，停止加热，缓慢释放压力，并从增压稠化仪中取出水泥浆杯，去掉底塞和浆杯顶盖。当实验温度高于90节时，在20min内将水泥浆冷却到90节，然后再缓慢释放压力，取出水泥浆杯。将浆杯中的水泥浆倒入量筒内至25Om1.刻度线处，在倒入过程中不断用搅拌棒搅拌水泥浆样品。用塑料薄膜和类似的材料将量筒密封起来，以防水分蒸发。将量筒放在厚约为6.4mm的钢板上，钢板下垫一块25.4mm厚的泡沫橡胶垫，钢板和垫的大小约为20Omm根300mm。静止2h,将浮在上面的液体用吸管吸出或轻轻倒出，置入合适刻度的量筒测量。游离液量以m1.为单位。6 .水泥浆稠化时间的测定1）制定模拟实验方案根据钻井现场获得的数据制定稠化时间实验方案。以井底温度、井深、井口表压、钻井液密度和水泥浆到达井底的时间等数据，按给定的套管程序，制定出升温、升压的实验方案。也可以按标准选定实验方案。2）模拟实验步骤配制水泥浆，灌注到增压稠化仪的浆杯中，按照制定或选定的模拟实验方案给稠化仪升温、加压。对全部方案，最终温度和压力在整个实验期间保持恒定，其变化量在±1节和士0.7MPa以内。从开始给稠化仪升温、加压，到水泥浆稠度达到100BC的时间，就是水泥浆的稠化时间.对温度高于93节的模拟实验方案来说，当稠度达到70BC左右时，允许停止实验，通过对所得结果绘出的曲线外推到100Bc。实验结束以后，先关闭加热器开关，再缓慢释放压力.对于在100节以上的温度下进行的稠化时间实验，先将温度降至100节以下，然后再缓慢释放压力。最后，将电位计用柴油清洗干净，将与水泥浆接触的部件及时清洗干净.四、实验数据记录及处理将实验记录数据及计算数据填于表6-1-4中。表6-1-4实验记录及计算数据参数测计值实验条件备注温度/节压力/Mpa时间密度/(g-Cm-3)失水量/m1.续表参数测计值实验条件备注温度/节压力/Mpa时间流变参数%0*300200ooAe力av(mpa.s)pv(mpa-S)oaflkN(pa.s)游胸液/%稠化时间min五、思考题(1)水泥浆密度与固井的关系是什么？(2)水泥浆失水实验中的压差为什么比泥浆失水实验中的压差要高？(3)流变参数在水泥浆设计中的用途是什么？(4)水平井固井中对游离液有何特殊要求？(5)水泥浆稠化时间与注水泥施工时间的关系是什么？实验二水泥浆失重模拟实验一、实验目的(1)观察水泥浆在初凝前的失重现象.图6-2-1失重模拟实验架结构示意图1一模拟井筒；2模拟套管;3压力表；4一辘；5-维；7-三E(2)分析水泥浆失重的原因o(3)绘制失重和失重百分数曲线.二、实验仪器和器材(1)失重模拟实验架。失重模拟实验架的结构如图6-2-1所示。(2)电子天平、秒表、扳手、管钳、水桶、水盆、蝌棒、漏斗、生料带、毛巾、刷子。三、实验原理图6-2-1中，用有机玻璃管模拟井筒，用水管模拟套管，当水泥浆注入环形空间后，水泥浆柱产生的压力可从压力表读出。随着时间的推移，水泥浆静态胶凝强度变大，水泥浆柱的一部分重量会悬挂在井筒和套管的表面，从而使其液柱压力变小，这种现象叫水泥浆的失重。本实验中水泥浆的失重现象可从压力表的压力变化观察到。四、实验步骤1.准备工作(1)在左右丝堵的丝扣上涂抹适量黄油并缠上3圈生料带，用扳手把丝堵旋入拧紧。(2)从实验架的顶部通过漏斗向环形空间内注水，注到井筒外壁的上刻线为止。注意：加水时水桶不要装得太满，注水动作要轻缓平稳，不可太猛，以免水从顶部大量溢出。(3)检直丝堵部位是否渗水，若有渗漏，须进一步拧紧丝堵；若仍不能排除渗漏，可排掉模拟井筒内的水，卸下丝堵重新缠上生料带，然后再次拧紧即可。确认没有渗漏之后再注水到井筒上刻线位置。1 )测量环空体积把水盆放在短接的下面，旋开丝堵排水到模拟井筒下刻线位置，再旋紧丝堵。测量水盆内水的体积V02)计算水泥和水的用量IHc1十.(6-2-1)用下式计算水泥和水的用量：hw=OHc(622-)式中|山一水泥质量，g;V上面测出的环空体积，cm3;出水泥浆密度，gcm3；水灰比，无量纲；IiIW一水的质量，gO在本次实验中使用G级油井水泥，在上述公式中，一0.44,s1.9。注意：本处数据要确保计算准确方能进行下一步操作。2 .配制水泥浆称量水泥和水泥浆，把水倒入水桶，边用搅拌棒搅拌水边加入水泥，待水泥加完后再快速搅拌3min,确认水泥浆搅拌均匀后，水泥浆配制完成。3 .灌注水泥浆通过漏斗向环形空间灌入配制好的水泥浆，水泥浆液位到达模拟井筒外上刻线为止。注意：在灌注水泥浆的过程中不要过快过猛，以免水泥浆外溢O4 .记录保持水泥浆模拟实验架静止，并且使环境的振动最小，在水泥浆灌入完成后，马上记录第一个压力值，以后每间隔5min记录一次压力值，记录1012次压力值后实验结束在记录压力的同时注意观察水泥浆在环形空间的变化并做好记录。5 .清洗在记录数据的空余时间里洗净配水泥浆用的水桶、水盆、搅拌棒、毛巾和量筒，彻底清除桌面、仪器表面、地面的油井水泥。当实验记录结束时，把水盆放入短接下面，拧开丝堵，活动模拟套管，排出水泥浆，把浓稠的水泥浆倒入指定地点，再用清水冲洗模拟套管、模拟井筒、短接，直到水变清为止。洗净丝堵，在丝扣上涂抹适量黄油，缠上生料带，把丝堵旋入短接。再次彻底清洗所有实验用具，彻底清除桌面、仪器表面、地面的油井水泥。把漏斗立于实验架底座上,摆放好水桶、水盆、毛刷、量筒、扳手、管钳、生料带,毛巾晾于实稣上。五、实验数据记录及处理1.数据记录及计算将记录数据及计算数据填于表6-2-2中续表测次项目12345678910压力/Mpa失重百分数/%2.数据处理(1)用下面的公式计算失重百分数r11:IW也尹X100%(623)式中IWP一失重百分数，;m一起始压力读数，Mpa；。一第公欠的压力读数，Mpae(2)以压力、失重百分数为纵轴，以时间为横轴，在同一坐标系上绘出两条曲线。六、思考题(1)什么是水泥浆失重？(2)水泥浆失重的原因是什么？(3)失重对固井有什么影响？