一种确定高密度水泥浆沉降稳定性指标的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种确定高密度水泥浆沉降稳定性指标的装置及方法，该装置由左侧板、右侧板、前侧板和后侧板、底板和盖板组成，形成底部和四周密封、内空横截面为正四边形的立柱体。该方法包括：将待测沉降稳定性的水泥浆注满立柱体中，盖上盖板置于模拟高温高压水浴中养护至不同凝期，取出凝结形成的横截面为正方形的水泥石柱，横向等分切割得到5～7个正方体水泥石试件，用于测试水泥石的抗压强度和水泥石的密度，将其顶部一段水泥石的抗压强度刚好满足工程对水泥石抗压强度要求的最低值所对应水泥石柱顶部与底部的密度差值，作为该水泥浆沉降稳定性密度差值的指标。本发明原理可靠，具有操作简单、对比性强、适用范围广的特点，具有广阔的应用前景。
【专利说明】一种确定高密度水泥浆沉降稳定性指标的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油勘探开发领域钻井工程中固井用超高密度水泥浆凝结稳定性指 标确定与评价的装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 油气井固井水泥浆的稳定性是否良好，会直接影响固井质量。为此，国内外有 关公司、研究机构和学者提出了一些测试评价水泥浆沉降稳定性的方法：国外英国BP公 司1990年研究出一种单筒式水泥沉降管和试验方法，测试评价水泥浆的稳定性；美国 Halliburton公司用BP沉降法测定水泥浆稳定性，并采用稠化仪的停泵试验定性测定水泥 浆稳定性对施工安全的影响。国内测试评价水泥浆沉降稳定性的装置有：多筒组合式水泥 浆稳定性测试模（CN2116902U)，快拆装式水泥浆沉降稳定性检测装置（CN202854006U)等。 评价水泥浆沉降稳定性的方法有：国家标准GB/T19139 - 2012《油井水泥试验方法》，其 "15. 6沉降试验"中规定了水泥浆静态沉降稳定性的测试评价方法；国内有多位学者也探 讨了水泥浆稳定性的测试评价方法，如胡泽华，吴忠孚，黄柏宗.油井水泥浆高温高压稳定 性的测试[J]. 1992(5);陶世平.固井水泥浆的稳定性探讨[J].西部探矿工程，1998(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(2);于永金，靳建洲，齐奉忠，等.高温深井固井水泥浆稳定性探讨[J].西 部探矿工程，2012(5)等。除美国Halliburton公司结合了稠化仪停泵试验定性测定稳定 性对施工安全的影响外，国内外其他装置和方法均为测试圆筒式沉降管中水泥浆静置2小 时的游离液百分比，或其凝结形成水泥石柱的纵向密度变化百分比。相关标准中，只对水泥 浆的自由液规定了具体指标，如行业标准SY/T6544 - 2010《油井水泥浆性能要求》中规定 了常规密度水泥浆和密度I. 60g/cm3低密度水泥浆游离液百分比的指标；《钻井手册》第二 版（上册）中，在描述"水泥浆稳定性"要求时，引述国家标准GB/19139,给出了"要求水泥 石柱顶部和底部的密度差不大于0. 05g/cm3"的指标，但在该国标中实际并无此值的具体要 求。因此，迄今仍没有具体规定水泥浆凝结形成水泥石柱纵向密度变化的沉降稳定性指标 及其确定方法，尤其是高密度和超高密度水泥浆。
[0003] 在实际工程中，往往用游离液指标作为水泥浆沉降稳定性设计指标，或参照行业 标准SY/T5374. 1 - 2008《固井作业规范》中施工作业对密度波动的要求，作为水泥浆沉降 稳定性的指标。用停泵试验定性考察短期静置的沉降对施工安全的影响，对于工程实际，不 同密度水泥浆在达到相同游离液指标的前提下，要实现综合性能的良好协调，其设计难度 是不同的，尤其是高密度和超高密度水泥浆，过分追求沉降稳定性会牺牲水泥浆的配浆性 能、流动性和水泥石的封固强度。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种确定高密度水泥浆沉降稳定性指标的装置，该装置基 于模拟井下温度条件下，高密度水泥浆凝结形成水泥石柱的顶部段抗压强度刚好满足工程 要求所对应的水泥石柱纵向密度分布的底部与顶部差值，作为该水泥浆的沉降稳定性密度 差的限制指标，更接近工程实际。
[0005] 本发明的另一目的还在于提供利用上述装置确定高密度水泥浆沉降稳定性指标 的方法，该方法原理可靠，具有操作简单、对比性强、适用范围广的特点，克服了高密度和超 高密度水泥浆设计时没有科学具体沉降稳定性指标要求的问题，具有广阔的应用前景。
[0006] 为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
[0007] -种确定高密度水泥浆沉降稳定性指标的装置，主要由左侧板、右侧板、前侧板和 后侧板、底板和盖板组成，所述左侧板和右侧板为带有两条坚槽，槽的两侧分布有连接孔的 平直板，其有效高度的延长部分带有起吊孔，用于起吊装置。
[0008] 所述前侧板和后侧板为平直板，高度等于左侧板和右侧板的有效高度，就是盛装 水泥浆的有效高度，前侧板和后侧板分别嵌入左侧板与右侧板的坚槽中，用连接螺钉通过 连接孔将右侧板与左侧板连接，使左侧板、右侧板、前侧板和后侧板形成内空为正方形横截 面的立柱体。
[0009] 所述底板用底板连接螺钉，通过底板螺栓孔与左侧板底部螺孔和右侧板底部螺 孔，将底板与立柱体连接，所述盖板盖于立柱体顶部，形成底部和四周密封、内空横截面为 正四边形的盛装水泥浆的立柱体。
[0010] 该立柱体的有效高度为内空正方形边长的整倍数，如5?7倍，再加上横向等分切 割该立柱体盛满水泥浆凝结形成水泥石柱的损耗量。
[0011] 由于该装置密封部位均为平直面，涂抹一薄层密封脂就能有效密封，易拆装、操作 简单方便。
[0012] 利用上述装置确定高密度水泥浆沉降稳定性指标的方法，包括以下步骤：将待测 沉降稳定性的水泥浆注满立柱体中，盖上盖板置于模拟高温高压水浴中养护至不同凝期， 取出凝结形成的横截面为正方形的水泥石柱，横向等分切割得到5?7个正方体水泥石试 件，用于测试水泥石的抗压强度和水泥石的密度，将其顶部一段水泥石的抗压强度刚好满 足工程对水泥石抗压强度要求的最低值所对应水泥石柱顶部与底部的密度差值，作为该水 泥浆沉降稳定性密度差值的指标。
[0013] 水泥浆沉降稳定性标准的密度差值[λ P ]的具体值的确定如下：
[0014] 将有一定沉降稳定性差异的同一体系和密度的水泥浆，分别多次测试有沉降稳定 性差异的浆体在模拟高温高压条件下其水泥石抗压强度和密度分布，作出该水泥浆凝结形 成水泥石柱顶部段的抗压强度P-底部与顶部水泥石密度差△ ρ的关系曲线或数据表，用 线性插值法或线性外推法得到刚好满足工程要求抗压强度[Ρ]对应的水泥石密度△ ρ，则 将Λ P作为待测水泥浆沉降稳定性密度差值△ P的指标[△ P ]。一般要求顶部段抗压强 度P和对应底部与顶部水泥石密度差Λ ρ的数据，不少于5组。
[0015] 该装置也可单用于测试水泥石柱的纵向密度分布，评价水泥浆的沉降稳定性。
[0016] 本发明基于高密度水泥浆凝结形成的水泥石柱顶部段的抗压强度满足工程要求 所对应的纵向密度最大差值，作为该水泥浆沉降稳定性允许的密度偏差值，这既符合固井 水泥环的封固质量的本质决定因素强度，又符合现有对水泥浆沉降稳定性的测试评价方 法，用正方体测试的强度作依据与国内外强度测试试件一致。
[0017] 与现有技术相比，本发明利用凝结水泥石抗压强度满足封固环空的本质要求所对 应最大密度差值，作为水泥浆的沉降稳定性要求的指标的方法，较参照固井施工作业规程 中对常规密度水泥浆的密度波动要求作为判据，更符合高密度和超高密度水泥浆的特点， 且依据更科学、与实际工程更接近，具有操作简单，适用性强的特点，可提供更合理设计高 密度和超高密度水泥浆综合性能的手段和方法，以满足高密度条件固井的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是一种确定高密度水泥浆沉降稳定性指标的装置的结构示意图。
[0019] 图中：1一左侧板，2-左侧板连接孔，3-左侧板坚槽，4一左侧板底部螺孔，5-底 板，6-底板连接螺钉，7-盖板，8-右侧板底部螺孔，9一右侧板，10-右侧板连接孔，11一 连接螺钉，12-起吊孔，13-右侧板坚槽，14 一前侧板和后侧板。
【具体实施方式】
[0020] 本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况确定具体的 实施方式。对本领域普通技术人员来说，所有根据本发明作出的改进和变换都属于本发明 要求的保护范围。
[0021] 下面根据附图和实施例进一步说明本发明。
[0022] 见图 1。
[0023] -种确定高密度水泥浆沉降稳定性指标的装置，主要由左侧板1、右侧板9、前侧 板和后侧板14、底板5和盖板7组成，所述左侧板1和右侧板9为平直板，左侧板1带有两 条左侧板坚槽3,槽的两侧分布有左侧板连接孔2,右侧板9带有两条右侧板坚槽13,槽的两 侧分布有右侧板连接孔10,左侧板1和右侧板9有效高度的延长部分带有起吊孔12,用于 起吊装置。
[0024] 所述前侧板和后侧板14为平直板，高度等于左侧板和右侧板的有效高度，就是盛 装水泥浆的有效高度，前侧板和后侧板分别嵌入左侧板坚槽3与右侧板坚槽13中，用连接 螺钉11通过右侧板连接孔10和左侧板连接孔2将右侧板与左侧板连接，使左侧板、右侧 板、前侧板和后侧板形成内空为正方形横截面的立柱体。
[0025] 所述底板5用底板连接螺钉6，通过底板螺栓孔与左侧板底部螺孔4和右侧板底部 螺孔8,将底板与立柱体连接，所述盖板7盖于立柱体顶部，形成底部和四周密封、内空横截 面为正四边形的盛装水泥浆的立柱体。
[0026] 该立柱体的有效高度为内空正方形边长的整倍数（5?7倍），再加上横向等分切 割该立柱体盛满水泥浆凝结形成水泥石柱的损耗量。
[0027] 本发明所述装置盛装水泥浆内空正方形的边长，以国家标准GB10238《油井水泥》 和美国API标准中规定测试水泥石抗压强度时，试模应为50. 8mmX 50. 8mmX 50. 8mm立方 体，据此确定边长为50. 8mm，高度为边长50. 8mm的整倍数η再加上（n-1)个切割水泥石的 损耗量（一个切割损耗量一般为2mm)。这样，本发明测定的抗压强度的方法，与国家标准和 美国API标准一致，这更据说服力。
[0028] 本发明所述装置中，根据水泥浆养护釜的釜体空间，一般取η = 5?7,常取η = 6,则装置盛装水泥浆的总有效高度为6X50. 8mm+(6 - I) X 2mm = 314. 8mm，试验可得到6 块50. 8mmX50. 8mmX50. 8mm正方体水泥石试件，用于测试抗压强度和密度分布。
[0029] 本发明装置在装配前，参照GB/T10139 - 2012《油井水泥试验方法》的"7· 5· 1试 模准备"的方法，将本发明装置的密封面涂抹一薄层密封脂和装置内部盛装水泥浆的表面 涂抹一薄层脱模剂后，按本发明实施方式描述的方法连接各组成部分。准备好后，待用。注 意各连接螺钉逐步紧固，使各密封面受力均匀确保密封。使用的密封脂和脱模剂，按参照 GB/T10139 - 2012《油井水泥试验方法》的"7. 4. 7试模密封脂"和"7. 4. 8脱模剂"的要求 选用。
[0030] 实施例1密度2. 70g/cm3超高密度水泥浆沉降稳定性密度差值指标的确定
[0031] 参照GB/T10139 - 2012《油井水泥试验方法》中"7. 5. 1试模准备"的方法，将本 发明装置的密封面涂抹一薄层密封脂和装置内部盛装水泥浆的表面涂抹一薄层脱模剂后， 按本发明描述的方法连接各组成部分。准备好后，待用。注意各连接螺钉逐步紧固，使各密 封面受力均匀确保密封。
[0032] 根据有沉降稳定性差异的待测密度2. 70g/cm3超高密度水泥浆体系配方各材料的 配比，按GB/T10139 - 2012《油井水泥试验方法》的"5水泥浆的制备"中规定的方法，配制 950ml该超高密度水泥浆。
[0033] 模拟试验温度为180°C，试验压力21MPa，龄期为48小时。
[0034] 参考GB/T10139 - 2012《油井水泥试验方法》中"7. 5. 2水泥浆的装模"的方法， 将配制好的超高密度水泥浆装满本发明的装置，将盖板盖在顶部，并按GB/T10139 - 2012 《油井水泥试验方法》中"7. 5. 4加压养护"规定的方法养护该超高密度水泥浆。
[0035] 将该水泥浆凝结形成的水泥石柱沿纵向6等分切割，得到6块边长为50. 8mm的水 泥石试件。用排水法测试这6块水泥石试件的密度，按GB/T10139 - 2012《油井水泥试验 方法》的"7. 5. 6试样的强度测试"的方法测试这6块水泥石的抗压强度。
[0036] 有一定沉降稳定性差异的待测密度2. 70g/cm3超高密度水泥浆体系进行5次试 验，其顶部和底部段水泥石的抗压强度和密度测试结果见表1。
[0037] 表1密度2. 70g/cm3高密度水泥浆体系水泥石的抗压强度和密度分布
[0038]
【权利要求】
1. 一种确定高密度水泥浆沉降稳定性指标的装置，主要由左侧板（1)、右侧板（9)、前 侧板和后侧板（14)、底板（5)和盖板（7)组成，其特征在于，所述左侧板（1)和右侧板（9) 为平直板，左侧板（1)带有两条左侧板坚槽（3)，槽的两侧分布有左侧板连接孔（2)，右侧板 (9)带有两条右侧板坚槽（13)，槽的两侧分布有右侧板连接孔（10)，左侧板（1)和右侧板 (9)带有起吊孔（12);所述前侧板和后侧板（14)为平直板，高度等于左侧板和右侧板的有 效高度，前侧板和后侧板分别嵌入左侧板坚槽（3)与右侧板坚槽（13)中，用连接螺钉（11) 通过右侧板连接孔（10)和左侧板连接孔（2)将右侧板与左侧板连接，使左侧板、右侧板、前 侧板和后侧板形成内空为正方形横截面的立柱体；所述底板（5)用底板连接螺钉（6)，通过 底板螺栓孔与左侧板底部螺孔（4)和右侧板底部螺孔（8)，将底板与立柱体连接，所述盖板 (7)盖于立柱体顶部，形成底部和四周密封、内空横截面为正四边形的盛装水泥浆的立柱 体。
2. 如权利要求1所述的确定高密度水泥浆沉降稳定性指标的装置，其特征在于，所述 立柱体的有效高度为内空正方形边长的5?7倍，再加上横向等分切割该立柱体盛满水泥 浆凝结形成水泥石柱的损耗量。
3. 利用权利要求1所述的装置确定高密度水泥浆沉降稳定性指标的方法，其特征在 于，该方法包括以下步骤：将待测沉降稳定性的水泥浆注满立柱体中，盖上盖板置于模拟高 温高压水浴中养护至不同凝期，取出凝结形成的横截面为正方形的水泥石柱，横向等分切 割得到5?7个正方体水泥石试件，用于测试水泥石的抗压强度和水泥石的密度，将其顶部 一段水泥石的抗压强度刚好满足工程对水泥石抗压强度要求的最低值所对应水泥石柱顶 部与底部的密度差值，作为该水泥浆沉降稳定性密度差值的指标。
【文档编号】G01N15/04GK104237070SQ201410539387
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】和建勇, 杨远光, 宋元洪, 谢应权, 张玉平, 宋剑鸣, 姚伯汗, 陈 光 申请人:中国石油集团渤海钻探工程有限公司, 西南石油大学