水泥浆沉降稳定性评价装置的研制及应用

宗 勇，齐 奔，刘文明，吉 建，杜 滨，于倩倩，姚 蓝，刘 易

（渤海钻探第二固井公司，天津 300280）

在进行固井配方设计中，水泥浆在实际井下条件的不稳定性产生的沉降稳定性作用对固井质量常常产生不良影响，尤其在定向井和水平井中，由于高温高压及高倾角的影响加剧了油井水泥浆在养护候凝期间形成更多的“自由水”，并在水泥柱顶部积聚，在环形空间形成通道，导致气窜发生[1]。同时，由于重力沉降现象所引起的密度分布不均，除了自由水的存在，还常常表现出由于上部水泥浆密度降低，而引起水泥石与地层及套管之间胶结强度的下降[2]，导致水泥对环空有效封固降低或失效，使得固井失败。

针对此现象，目前的测量方法是把常压稠化仪养护好的水泥浆，置入一500 mL带刻度的垂直量筒内，在常温常压下静止一段时间后测定其顶部“自由水”的高度以及上下密度差，以衡量其稳定性好坏。该测量方法的缺点是没有考虑到温度、压力、倾角的影响，其测试条件与井下实际条件相差甚远，往往在常温常压下测量出“自由水”很小的水泥浆体系，在高温高压条件下却产生大量的自由水，对固井质量产生不良影响。鉴于此，研究一种新型的多筒式水泥浆液体沉降稳定性评价装置，克服了上述现有技术之不足，有效解决现有缺乏测量水泥浆在高温高压及倾斜条件下稳定性问题成了当务之急。

1 水泥浆液体沉降稳定性评价装置

1.1 研究思路

为模拟水泥浆在实际井下条件的不稳定性产生的沉降稳定性，制备一套能够评价水泥浆在高温高压及倾斜条件下稳定性的装置。该装置还应满足能同时评价一种水泥浆体系在同种压力、温度，不同种倾斜角下的稳定性。该装置最好还能满足同时评价不同水泥浆体系在同种压力、温度、倾斜角下的稳定性。

图1 水泥浆沉降稳定评价装置

1.2 评价装置

此评价装置，主要由试模圆筒、手提器、角度调节稳定架、钢丝编织硅胶容量测定保护管、活动胶塞、阀门等部件组成（见图1）。

测量试模圆筒与钢丝编织硅胶容量测定保护管配套使用不能小于两组，角度调节稳定架上标有角度刻标。可以根据现场井斜角调节试模圆筒角度，增加评价准确性。并且装置整体上方正中央有一圆孔，与螺旋手提器配套使用，方便操作者提起。而试模圆筒下部有螺旋状凹槽，通过螺旋凹槽处与试模密封座垫配套使用，防止实验过程中出现漏浆现象。还有试模圆筒与钢丝编织硅胶容量测定保护管延直径处光滑平割，钢丝编织硅胶容量测定保护管上有容量刻度，方便操作者读取数据。

2 应用方法与实例

2.1 应用方法

水泥浆沉降稳定性评价测试示意图（见图2，图3），具体应用方法如下：

（1）把四块测量试模半圆筒分别与试模密封座垫、钢丝编织硅胶容量测定保护管组装成测试筒。

（2）按照要求配制两种体系的水泥浆。

（3）把两种水泥浆分别倒入组装好的测试筒中，拧紧上方小盖。

（4）把两测量筒利用圆筒固定夹固定在稳定架上。

（5）观察角度调节架上的刻标，把两测试筒分别调节成设定角度。

（6）放入增压养护釜中按实验程序升至目标温度及压力后继续养护2 h。

（7）拧开小盖，将上层析出的清液（水泥浆顶部有色或无色液体）用移液管或注射器移出，测量和记录析出清液的体积。

（8）打开试管下方阀门，利用活动胶塞把水泥浆体压出，并用密度计对上下水泥浆密度进行测定。得出评价数据并对两种水泥浆进行选择。

2.2 应用实例

运用此方法分别对公司在用的BZJS-2水泥浆体系、卫辉水泥浆体系、永旭水泥浆体系、欧美克水泥浆体系进行了评价，实验温度为80℃[3]，实验压力为常压，倾斜角为45°。实验结果（见表1），四种水泥浆体系的上下密度差均在0.01 g/cm3以下，能够满足现场施工需求[4]。

图2 水泥浆沉降稳定性模拟评价装置整体成品图

图3 试模筒组件成品图

表1 不同水泥浆体系在80℃，常压下沉降稳定性评价结果

运用此装置及方法分别对BH-F101L水泥浆体系、BH-F101L水泥浆体系（加稳定剂）、卫辉水泥浆体系、卫辉水泥浆体系（加稳定剂）在150℃，24 MPa，倾斜角45°情况下沉降稳定性进行了评价，实验结果（见表2）。实验结果显示，在未加高温稳定剂条件下，两种水泥浆体系在150℃条件下的稳定性差，水泥浆上下密度差达到了0.2 g/cm3以上，在水泥浆体系中加入高温稳定剂后，水泥浆稳定性明显改善，上下密度差均在0.03 g/cm3以下，能够满足现场施工的需求，确保固井质量。

考察了倾斜角对BH-F101L水泥浆体系稳定性的影响，实验温度为80℃或150℃[5]，压力为常压或24 MPa，倾斜角为45°或30°，实验结果（见表3）。水泥浆在80℃条件下具有良好的稳定性，因此在此温度条件下水泥浆在倾斜角为45°或30°时的稳定性无明显差别。150℃条件下，倾斜角越大，水泥浆密度差越小，这是因为倾斜角越大水泥浆沉淀物会产生挂壁积淀，造成上下密度差偏小。

还用此方法与传统水泥浆稳定性的评价方法进行对比。传统方法为水泥浆在高温高压稠化仪，150℃/24 MPa/70 min条件下养护20 min后，置于500 mL量筒中，常温静置2 h，测水泥浆上下密度差，结果（见表4）。根据对比结果显示，传统的评价方法由于不能进行高温、高压、高井斜角情况下的模拟评价，造成稳定性评价并不是很准确，误差较大，而此评价方法明显优于传统评价方法。

表2 不同水泥浆体系在高温高压下沉降稳定性评价结果

表3 相同水泥浆体系在相同温度、压力，不同井斜角下沉降稳定性评价结果

表4 与传统水泥浆稳定性评价方法对比

3 结论

（1）使用此装置，为室内选择符合现场要求的水泥浆体系提供了科学可靠的手段。

（2）通过此水泥浆沉降稳定的评价方法，能够为固井质量影响因素分析及工艺对策制定提供技术依据。

参考文献：

[1]刘重庆.我国固井设备开发的现状及发展[J].中国石油和化工标准与质量，2012，（13）：217.

[2]宋元洪，杨远光，张玉平，等.高密度水泥浆沉降稳定性评价方法探讨[J].钻井液与完井液，2015，32（6）：55-56.

[3]黄柏宗，李宝贵，李希珍，等.模拟井下温度压力条件的水泥浆沉降稳定性研究[J]. 钻井液与完井液，2000，17（2）：1-7.

[4]国家能源局.SY/T 6544-2010.油井水泥浆性能要求[S].北京：石油工业出版社，2010.

[5]杨勇，戴建文，林荣壮，等.高温水泥浆沉降稳定性[J].钻井液与完井液，2010，27（6）：55-57.