一種確定高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性指標的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種確定高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性指標的裝置及方法，該裝置由左側(cè)板、右側(cè)板、前側(cè)板和后側(cè)板、底板和蓋板組成，形成底部和四周密封、內(nèi)空橫截面為正四邊形的立柱體。該方法包括：將待測沉降穩(wěn)定性的水泥漿注滿立柱體中，蓋上蓋板置于模擬高溫高壓水浴中養(yǎng)護至不同凝期，取出凝結(jié)形成的橫截面為正方形的水泥石柱，橫向等分切割得到5～7個正方體水泥石試件，用于測試水泥石的抗壓強度和水泥石的密度，將其頂部一段水泥石的抗壓強度剛好滿足工程對水泥石抗壓強度要求的最低值所對應水泥石柱頂部與底部的密度差值，作為該水泥漿沉降穩(wěn)定性密度差值的指標。本發(fā)明原理可靠，具有操作簡單、對比性強、適用范圍廣的特點，具有廣闊的應用前景。
【專利說明】一種確定高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性指標的裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油勘探開發(fā)領(lǐng)域鉆井工程中固井用超高密度水泥漿凝結(jié)穩(wěn)定性指 標確定與評價的裝置及其方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 油氣井固井水泥漿的穩(wěn)定性是否良好，會直接影響固井質(zhì)量。為此，國內(nèi)外有 關(guān)公司、研究機構(gòu)和學者提出了一些測試評價水泥漿沉降穩(wěn)定性的方法：國外英國BP公 司1990年研究出一種單筒式水泥沉降管和試驗方法，測試評價水泥漿的穩(wěn)定性；美國 Halliburton公司用BP沉降法測定水泥漿穩(wěn)定性，并采用稠化儀的停泵試驗定性測定水泥 漿穩(wěn)定性對施工安全的影響。國內(nèi)測試評價水泥漿沉降穩(wěn)定性的裝置有：多筒組合式水泥 漿穩(wěn)定性測試模（CN2116902U)，快拆裝式水泥漿沉降穩(wěn)定性檢測裝置（CN202854006U)等。 評價水泥漿沉降穩(wěn)定性的方法有：國家標準GB/T19139 - 2012《油井水泥試驗方法》，其 "15. 6沉降試驗"中規(guī)定了水泥漿靜態(tài)沉降穩(wěn)定性的測試評價方法；國內(nèi)有多位學者也探 討了水泥漿穩(wěn)定性的測試評價方法，如胡澤華，吳忠孚，黃柏宗.油井水泥漿高溫高壓穩(wěn)定 性的測試[J]. 1992(5);陶世平.固井水泥漿的穩(wěn)定性探討[J].西部探礦工程，1998(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(wěn)定性研究[J].鉆井液 與完井液，2000(2);于永金，靳建洲，齊奉忠，等.高溫深井固井水泥漿穩(wěn)定性探討[J].西 部探礦工程，2012(5)等。除美國Halliburton公司結(jié)合了稠化儀停泵試驗定性測定穩(wěn)定 性對施工安全的影響外，國內(nèi)外其他裝置和方法均為測試圓筒式沉降管中水泥漿靜置2小 時的游離液百分比，或其凝結(jié)形成水泥石柱的縱向密度變化百分比。相關(guān)標準中，只對水泥 漿的自由液規(guī)定了具體指標，如行業(yè)標準SY/T6544 - 2010《油井水泥漿性能要求》中規(guī)定 了常規(guī)密度水泥漿和密度I. 60g/cm3低密度水泥漿游離液百分比的指標；《鉆井手冊》第二 版（上冊）中，在描述"水泥漿穩(wěn)定性"要求時，引述國家標準GB/19139,給出了"要求水泥 石柱頂部和底部的密度差不大于0. 05g/cm3"的指標，但在該國標中實際并無此值的具體要 求。因此，迄今仍沒有具體規(guī)定水泥漿凝結(jié)形成水泥石柱縱向密度變化的沉降穩(wěn)定性指標 及其確定方法，尤其是高密度和超高密度水泥漿。
[0003] 在實際工程中，往往用游離液指標作為水泥漿沉降穩(wěn)定性設(shè)計指標，或參照行業(yè) 標準SY/T5374. 1 - 2008《固井作業(yè)規(guī)范》中施工作業(yè)對密度波動的要求，作為水泥漿沉降 穩(wěn)定性的指標。用停泵試驗定性考察短期靜置的沉降對施工安全的影響，對于工程實際，不 同密度水泥漿在達到相同游離液指標的前提下，要實現(xiàn)綜合性能的良好協(xié)調(diào)，其設(shè)計難度 是不同的，尤其是高密度和超高密度水泥漿，過分追求沉降穩(wěn)定性會犧牲水泥漿的配漿性 能、流動性和水泥石的封固強度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種確定高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性指標的裝置，該裝置基 于模擬井下溫度條件下，高密度水泥漿凝結(jié)形成水泥石柱的頂部段抗壓強度剛好滿足工程 要求所對應的水泥石柱縱向密度分布的底部與頂部差值，作為該水泥漿的沉降穩(wěn)定性密度 差的限制指標，更接近工程實際。
[0005] 本發(fā)明的另一目的還在于提供利用上述裝置確定高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性指標 的方法，該方法原理可靠，具有操作簡單、對比性強、適用范圍廣的特點，克服了高密度和超 高密度水泥漿設(shè)計時沒有科學具體沉降穩(wěn)定性指標要求的問題，具有廣闊的應用前景。
[0006] 為達到以上技術(shù)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。
[0007] -種確定高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性指標的裝置，主要由左側(cè)板、右側(cè)板、前側(cè)板和 后側(cè)板、底板和蓋板組成，所述左側(cè)板和右側(cè)板為帶有兩條堅槽，槽的兩側(cè)分布有連接孔的 平直板，其有效高度的延長部分帶有起吊孔，用于起吊裝置。
[0008] 所述前側(cè)板和后側(cè)板為平直板，高度等于左側(cè)板和右側(cè)板的有效高度，就是盛裝 水泥漿的有效高度，前側(cè)板和后側(cè)板分別嵌入左側(cè)板與右側(cè)板的堅槽中，用連接螺釘通過 連接孔將右側(cè)板與左側(cè)板連接，使左側(cè)板、右側(cè)板、前側(cè)板和后側(cè)板形成內(nèi)空為正方形橫截 面的立柱體。
[0009] 所述底板用底板連接螺釘，通過底板螺栓孔與左側(cè)板底部螺孔和右側(cè)板底部螺 孔，將底板與立柱體連接，所述蓋板蓋于立柱體頂部，形成底部和四周密封、內(nèi)空橫截面為 正四邊形的盛裝水泥漿的立柱體。
[0010] 該立柱體的有效高度為內(nèi)空正方形邊長的整倍數(shù)，如5?7倍，再加上橫向等分切 割該立柱體盛滿水泥漿凝結(jié)形成水泥石柱的損耗量。
[0011] 由于該裝置密封部位均為平直面，涂抹一薄層密封脂就能有效密封，易拆裝、操作 簡單方便。
[0012] 利用上述裝置確定高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性指標的方法，包括以下步驟：將待測 沉降穩(wěn)定性的水泥漿注滿立柱體中，蓋上蓋板置于模擬高溫高壓水浴中養(yǎng)護至不同凝期， 取出凝結(jié)形成的橫截面為正方形的水泥石柱，橫向等分切割得到5?7個正方體水泥石試 件，用于測試水泥石的抗壓強度和水泥石的密度，將其頂部一段水泥石的抗壓強度剛好滿 足工程對水泥石抗壓強度要求的最低值所對應水泥石柱頂部與底部的密度差值，作為該水 泥漿沉降穩(wěn)定性密度差值的指標。
[0013] 水泥漿沉降穩(wěn)定性標準的密度差值[λ P ]的具體值的確定如下：
[0014] 將有一定沉降穩(wěn)定性差異的同一體系和密度的水泥漿，分別多次測試有沉降穩(wěn)定 性差異的漿體在模擬高溫高壓條件下其水泥石抗壓強度和密度分布，作出該水泥漿凝結(jié)形 成水泥石柱頂部段的抗壓強度P-底部與頂部水泥石密度差△ ρ的關(guān)系曲線或數(shù)據(jù)表，用 線性插值法或線性外推法得到剛好滿足工程要求抗壓強度[Ρ]對應的水泥石密度△ ρ，則 將Λ P作為待測水泥漿沉降穩(wěn)定性密度差值△ P的指標[△ P ]。一般要求頂部段抗壓強 度P和對應底部與頂部水泥石密度差Λ ρ的數(shù)據(jù)，不少于5組。
[0015] 該裝置也可單用于測試水泥石柱的縱向密度分布，評價水泥漿的沉降穩(wěn)定性。
[0016] 本發(fā)明基于高密度水泥漿凝結(jié)形成的水泥石柱頂部段的抗壓強度滿足工程要求 所對應的縱向密度最大差值，作為該水泥漿沉降穩(wěn)定性允許的密度偏差值，這既符合固井 水泥環(huán)的封固質(zhì)量的本質(zhì)決定因素強度，又符合現(xiàn)有對水泥漿沉降穩(wěn)定性的測試評價方 法，用正方體測試的強度作依據(jù)與國內(nèi)外強度測試試件一致。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用凝結(jié)水泥石抗壓強度滿足封固環(huán)空的本質(zhì)要求所對 應最大密度差值，作為水泥漿的沉降穩(wěn)定性要求的指標的方法，較參照固井施工作業(yè)規(guī)程 中對常規(guī)密度水泥漿的密度波動要求作為判據(jù)，更符合高密度和超高密度水泥漿的特點， 且依據(jù)更科學、與實際工程更接近，具有操作簡單，適用性強的特點，可提供更合理設(shè)計高 密度和超高密度水泥漿綜合性能的手段和方法，以滿足高密度條件固井的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是一種確定高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性指標的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖中：1一左側(cè)板，2-左側(cè)板連接孔，3-左側(cè)板堅槽，4一左側(cè)板底部螺孔，5-底 板，6-底板連接螺釘，7-蓋板，8-右側(cè)板底部螺孔，9一右側(cè)板，10-右側(cè)板連接孔，11一 連接螺釘，12-起吊孔，13-右側(cè)板堅槽，14 一前側(cè)板和后側(cè)板。

【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明不受下述實施例的限制，可根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案與實際情況確定具體的 實施方式。對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，所有根據(jù)本發(fā)明作出的改進和變換都屬于本發(fā)明 要求的保護范圍。
[0021] 下面根據(jù)附圖和實施例進一步說明本發(fā)明。
[0022] 見圖 1。
[0023] -種確定高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性指標的裝置，主要由左側(cè)板1、右側(cè)板9、前側(cè) 板和后側(cè)板14、底板5和蓋板7組成，所述左側(cè)板1和右側(cè)板9為平直板，左側(cè)板1帶有兩 條左側(cè)板堅槽3,槽的兩側(cè)分布有左側(cè)板連接孔2,右側(cè)板9帶有兩條右側(cè)板堅槽13,槽的兩 側(cè)分布有右側(cè)板連接孔10,左側(cè)板1和右側(cè)板9有效高度的延長部分帶有起吊孔12,用于 起吊裝置。
[0024] 所述前側(cè)板和后側(cè)板14為平直板，高度等于左側(cè)板和右側(cè)板的有效高度，就是盛 裝水泥漿的有效高度，前側(cè)板和后側(cè)板分別嵌入左側(cè)板堅槽3與右側(cè)板堅槽13中，用連接 螺釘11通過右側(cè)板連接孔10和左側(cè)板連接孔2將右側(cè)板與左側(cè)板連接，使左側(cè)板、右側(cè) 板、前側(cè)板和后側(cè)板形成內(nèi)空為正方形橫截面的立柱體。
[0025] 所述底板5用底板連接螺釘6，通過底板螺栓孔與左側(cè)板底部螺孔4和右側(cè)板底部 螺孔8,將底板與立柱體連接，所述蓋板7蓋于立柱體頂部，形成底部和四周密封、內(nèi)空橫截 面為正四邊形的盛裝水泥漿的立柱體。
[0026] 該立柱體的有效高度為內(nèi)空正方形邊長的整倍數(shù)（5?7倍），再加上橫向等分切 割該立柱體盛滿水泥漿凝結(jié)形成水泥石柱的損耗量。
[0027] 本發(fā)明所述裝置盛裝水泥漿內(nèi)空正方形的邊長，以國家標準GB10238《油井水泥》 和美國API標準中規(guī)定測試水泥石抗壓強度時，試模應為50. 8mmX 50. 8mmX 50. 8mm立方 體，據(jù)此確定邊長為50. 8mm，高度為邊長50. 8mm的整倍數(shù)η再加上（n-1)個切割水泥石的 損耗量（一個切割損耗量一般為2mm)。這樣，本發(fā)明測定的抗壓強度的方法，與國家標準和 美國API標準一致，這更據(jù)說服力。
[0028] 本發(fā)明所述裝置中，根據(jù)水泥漿養(yǎng)護釜的釜體空間，一般取η = 5?7,常取η = 6,則裝置盛裝水泥漿的總有效高度為6X50. 8mm+(6 - I) X 2mm = 314. 8mm，試驗可得到6 塊50. 8mmX50. 8mmX50. 8mm正方體水泥石試件，用于測試抗壓強度和密度分布。
[0029] 本發(fā)明裝置在裝配前，參照GB/T10139 - 2012《油井水泥試驗方法》的"7· 5· 1試 模準備"的方法，將本發(fā)明裝置的密封面涂抹一薄層密封脂和裝置內(nèi)部盛裝水泥漿的表面 涂抹一薄層脫模劑后，按本發(fā)明實施方式描述的方法連接各組成部分。準備好后，待用。注 意各連接螺釘逐步緊固，使各密封面受力均勻確保密封。使用的密封脂和脫模劑，按參照 GB/T10139 - 2012《油井水泥試驗方法》的"7. 4. 7試模密封脂"和"7. 4. 8脫模劑"的要求 選用。
[0030] 實施例1密度2. 70g/cm3超高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性密度差值指標的確定
[0031] 參照GB/T10139 - 2012《油井水泥試驗方法》中"7. 5. 1試模準備"的方法，將本 發(fā)明裝置的密封面涂抹一薄層密封脂和裝置內(nèi)部盛裝水泥漿的表面涂抹一薄層脫模劑后， 按本發(fā)明描述的方法連接各組成部分。準備好后，待用。注意各連接螺釘逐步緊固，使各密 封面受力均勻確保密封。
[0032] 根據(jù)有沉降穩(wěn)定性差異的待測密度2. 70g/cm3超高密度水泥漿體系配方各材料的 配比，按GB/T10139 - 2012《油井水泥試驗方法》的"5水泥漿的制備"中規(guī)定的方法，配制 950ml該超高密度水泥漿。
[0033] 模擬試驗溫度為180°C，試驗壓力21MPa，齡期為48小時。
[0034] 參考GB/T10139 - 2012《油井水泥試驗方法》中"7. 5. 2水泥漿的裝模"的方法， 將配制好的超高密度水泥漿裝滿本發(fā)明的裝置，將蓋板蓋在頂部，并按GB/T10139 - 2012 《油井水泥試驗方法》中"7. 5. 4加壓養(yǎng)護"規(guī)定的方法養(yǎng)護該超高密度水泥漿。
[0035] 將該水泥漿凝結(jié)形成的水泥石柱沿縱向6等分切割，得到6塊邊長為50. 8mm的水 泥石試件。用排水法測試這6塊水泥石試件的密度，按GB/T10139 - 2012《油井水泥試驗 方法》的"7. 5. 6試樣的強度測試"的方法測試這6塊水泥石的抗壓強度。
[0036] 有一定沉降穩(wěn)定性差異的待測密度2. 70g/cm3超高密度水泥漿體系進行5次試 驗，其頂部和底部段水泥石的抗壓強度和密度測試結(jié)果見表1。
[0037] 表1密度2. 70g/cm3高密度水泥漿體系水泥石的抗壓強度和密度分布
[0038]

【權(quán)利要求】
1. 一種確定高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性指標的裝置，主要由左側(cè)板（1)、右側(cè)板（9)、前 側(cè)板和后側(cè)板（14)、底板（5)和蓋板（7)組成，其特征在于，所述左側(cè)板（1)和右側(cè)板（9) 為平直板，左側(cè)板（1)帶有兩條左側(cè)板堅槽（3)，槽的兩側(cè)分布有左側(cè)板連接孔（2)，右側(cè)板 (9)帶有兩條右側(cè)板堅槽（13)，槽的兩側(cè)分布有右側(cè)板連接孔（10)，左側(cè)板（1)和右側(cè)板 (9)帶有起吊孔（12);所述前側(cè)板和后側(cè)板（14)為平直板，高度等于左側(cè)板和右側(cè)板的有 效高度，前側(cè)板和后側(cè)板分別嵌入左側(cè)板堅槽（3)與右側(cè)板堅槽（13)中，用連接螺釘（11) 通過右側(cè)板連接孔（10)和左側(cè)板連接孔（2)將右側(cè)板與左側(cè)板連接，使左側(cè)板、右側(cè)板、前 側(cè)板和后側(cè)板形成內(nèi)空為正方形橫截面的立柱體；所述底板（5)用底板連接螺釘（6)，通過 底板螺栓孔與左側(cè)板底部螺孔（4)和右側(cè)板底部螺孔（8)，將底板與立柱體連接，所述蓋板 (7)蓋于立柱體頂部，形成底部和四周密封、內(nèi)空橫截面為正四邊形的盛裝水泥漿的立柱 體。
2. 如權(quán)利要求1所述的確定高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性指標的裝置，其特征在于，所述 立柱體的有效高度為內(nèi)空正方形邊長的5?7倍，再加上橫向等分切割該立柱體盛滿水泥 漿凝結(jié)形成水泥石柱的損耗量。
3. 利用權(quán)利要求1所述的裝置確定高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性指標的方法，其特征在 于，該方法包括以下步驟：將待測沉降穩(wěn)定性的水泥漿注滿立柱體中，蓋上蓋板置于模擬高 溫高壓水浴中養(yǎng)護至不同凝期，取出凝結(jié)形成的橫截面為正方形的水泥石柱，橫向等分切 割得到5?7個正方體水泥石試件，用于測試水泥石的抗壓強度和水泥石的密度，將其頂部 一段水泥石的抗壓強度剛好滿足工程對水泥石抗壓強度要求的最低值所對應水泥石柱頂 部與底部的密度差值，作為該水泥漿沉降穩(wěn)定性密度差值的指標。
【文檔編號】G01N15/04GK104237070SQ201410539387
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】和建勇, 楊遠光, 宋元洪, 謝應權(quán), 張玉平, 宋劍鳴, 姚伯汗, 陳 光 申請人:中國石油集團渤海鉆探工程有限公司, 西南石油大學