中国石油大学 钻井工程 实验报告
实验日期： 2015.5.27 成绩：
班级： 石工（实验）1202 学号： 姓名： 教师：
同组者： 油井水泥浆性能实验
一、实验目的
1.通过实验掌握油井水泥浆的基本配置方法，掌握水泥浆密度，流变性能的测定方法，掌握有关仪器的使用方法，对油井水泥浆基本性能的指标范围有一定的认识 ;
2.通过实验掌握油井水泥浆稠化时间的测量方法及常压稠化仪的操作方法，了解常用油井水泥的稠化性能与有关标准，充分认识水泥浆稠化时间对固井作业的重要性。
二、实验原理
1、水泥浆密度
水泥浆密度是由配制水泥浆的水泥、配浆水、外加剂和外掺料等材料的密度和掺量决定的。
实验中使用YM 型钻井液密度计测量水泥浆的密度，该仪器是不等臂杠杠测试仪器，杠杠左端为盛液杯，右端连接平衡筒。
当盛液杯盛满被测试液体时，移动砝码使杠杠主尺保持水平的平衡位置，此时砝码左侧边所对应的刻度线就是所测试液体的密度。
2、水泥浆流变性能.
大多数水泥浆表现出复杂的非牛顿流体特征。
一般来说，水泥浆属于剪切稀释型流体，描述水泥浆流变性质最常用的流变模式为宾汉塑性模式和幂律模式。
（1）宾汉塑性模式
（2）幂律模式
实验中使用六转速粘度计测量水泥浆的流变性能，该仪器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。
通过变速传动外转筒以恒速旋转，外转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，该转角的大小与液体的粘度成正比，于是液体粘度的测量转变为内筒转角的测量。
记录表盘参数，通过以下方法计算水泥浆的流变参数。
n -幂律系数, 无量纲量； k-稠度系数，n Pa S ⋅。
n k τγ=⋅ y p ττμγ=+⋅
3、水泥浆稠化时间
稠化时间是指从水泥浆配浆开始到水泥浆注入稠化仪中，在实际井温和压力条件下，水泥浆稠度达到100 Bc 所经历的时间。
实验中使用常压稠化仪测量水泥浆的稠化时间。
配制好水泥浆后，随着水泥水化，水泥浆不断变稠，稠化仪浆叶旋转剪切水泥浆的阻力增大，使安装在电位计上的弹簧扭矩及其指针旋转角度也相应增大，电位计的阻值及电压也随之增大。
因此，电位计所反映出来的电压值，不仅表示了弹簧扭矩的大小，也反映了测量水泥浆稠度值的大小。
三.数据处理
（1）水泥浆配方
水泥浆的流变性能和密度: 水泥400g+水灰比0.56
水泥浆的稠化时间：水泥500g +氯化钙3%+水灰比0.56
（2）水泥浆密度
水泥浆密度：1.75g/cm3
（3）水泥浆的流变性能
水泥浆的流变参数：
实验的温度及压力条件：24℃ 0.101MPa
200100300100()/()F θθθθ=--幂律模式流变参数 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧
=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=n K n 511511.0lg 092.2300100300θθθ宾汉塑性模式流变参数 ⎪⎩⎪⎨⎧-=-=p o p ηθτθθη511
511.0)(0015.03001003000.50.03
=±式中：F —流变模式判别系数，无量纲；300θ—转速300r/min 读数；
200θ—转速200r/min 读数；100θ—转速100r/min 读数。
首先，判别流变模式 ：
0.50.03≠±
宾汉塑性模式 幂律模式
然后，计算流变参数：
表2 粘度计读数
=(63-48)/(82-48)=0.44
所以，该水泥浆为幂律模式
n=2.092lg(ø300/ø100)=0.487 k=0.511* ø300/511n =2.01
γ=ρ
*g =1.75*9.8=17.15 τ=k* γn =2.01*17.150.487=8.02
（4）测定水泥浆的稠化时间
实验的温度及压力条件：60℃ 0.101MPa
做时间-稠度图：
由上图知前40泥浆稠度变化较小，40后，泥浆的稠度开始线性变化, 并且稠度呈现出指数型增长的趋势。
可能是温度达不到要求，时间变长，仪器由于老化有误差。
六 思考题
1、结合实验中的油井水泥浆性能参数的测量结果，查阅相关文献资料，了解现场固井所用的水泥浆的密度，流变性能和稠化时间等参数的变化范围。
答：固井水泥浆密度一般应比同井使用的钻井液密度高0.24g/cm3以上。
漏失井和异常高压井应根据地层破裂压力和平衡压力原则设计水泥浆密度。
200100300100()/()
F θθθθ=--
固井水泥浆的稠化时间一般应为施工总时间附加1～2h。
尾管固井的水泥浆稠化时间至少应为配浆开始至提出（或倒开）中心管并将多余水泥浆冲洗至地面的总时间附加1～2h；分级固井的一级水泥浆稠化时间至少应为从配浆开始至打开循环孔并将多余水泥浆冲洗至地面的总时间附加1～2h。
水泥浆流变性能应满足固井施工需要。
2、除实验中所选用的两种流变模式外，调研现场所用的其他流变模式并对比分析各流变模式的优缺点，试结合资料推导流变参数的计算公式。
答：卡森、赫-巴及四参数模式。
四参数流变模式在各水泥浆体系不同剪切速率下的计算值与实测值的残差平方和的均值都小于1.1,一般在0.2左右,最小达到了0.04,其残差平方和均值之和2.81,远小于宾汉、幂律、卡森和赫-巴模式。
验证结果表明,四参数流变模式在各水泥浆体系不同剪切速率下的计算值与实测值的残差平方和的均值都最小,拟合最为精确,能在全剪切速率范围内精确描述水泥浆的流变性,适用于各种水泥浆体系,其顶替模型适用于各类井型。
四参数模式实际上是宾汉模式与幂律模式的叠加，其表达式为：
τ＝τ０＋ａγ＋ｂγｎ（γ＞０）（１）
τ＝－τ０＋ａγ－ｂ（－γ）ｎ（γ＜０）（２）
为屈服应力，Ｐａ；ａ为黏度，Ｐａ·ｓ；ｂ为式中：τ为切应力，Ｐａ；τ
０
稠度系数，Ｐａ·ｓｎ；ｎ为流性指数；γ为剪切速率，ｓ－１。
3、查阅1-2篇油井水泥浆研制及应用方面的文献，理解水泥浆体系的研制方法和过程，比较不同类型水泥浆所评价的性能参数的差异。
答：根据大庆油田钻井研究所提出的防气窜机理与控制方法,研制开发了FSAM 非渗透防窜体系。
FSAM防窜体系由非渗透降失水剂FSAM、助剂FSAM-L、分散缓凝剂FSAM-R和早强剂组成。
室内试验表明,该体系具有低失水量(小于50 mL)、高早期强度(6 h强度超过3.5 MPa.8 h强度达到10 MPa)、良好的流变性与短稠化过渡时间(48 Pa到240 Pa的过渡时间在20 min以内)等特点,不仅适用于常规密度水泥浆体系,也适用于低密度水泥浆体系。
选用"WWJF 8020"型聚乙烯醋酸乙烯酯(EVA乳胶粉)以及"05-88"型聚乙烯醇(PVA)对水泥净浆进行改性,并与普通水泥净浆(OPC)进行对比。
结果显示,两种水性聚合物的添加对水泥试样抗折强度均有改善,而PVA则更加显著;在聚合物浆体中的晶体更好地填充了水泥石中的孔洞及裂纹,以改善其微结构;同时,EVA与水化产物发生反应,且反应生成的乙酸盐又促进了水泥水化;PVA的加入则增加了C-S-H的聚合度;对于不同龄期聚合物水泥试样的水化进程,EVA及PVA有不同程度的影响。
4、以下不同的水泥浆稠化曲线，哪种所代表的水泥浆防气窜性能较好，为什么？
①②
③
时间
答：水泥浆的调成之后，随着水化反应的进行，水泥浆变稠，流动性变差。
在注水泥时用泵注入及顶底过程中，可能会出现水泥浆流动越来越困难，直到不能被泵入，此时，虽然还没有达到水泥的凝固，但已无法用泵注入基顶替了。
所以，对于施工周期长的深井注水泥，就应当有较长的水泥稠化时间为保证。
因此，③的泥浆性能好一些。
七、总结
通过本次试验，我握了油井水泥浆的制备方法 ;掌握了测定水泥浆密度、流变性能和稠化时间的原理、实验操作流程及步骤。
对水泥浆的性能有了更加深刻的认识。