石凱，許云博，程婧格，李慧想，劉俊良

(北京探礦工程研究所， 北京　100083)

MACⅡ水泥靜凝膠強(qiáng)度檢測技術(shù)

石凱，許云博，程婧格，李慧想，劉俊良

(北京探礦工程研究所， 北京100083)

摘要：：本文推薦了一種評價水泥樣品防氣竄性能和靜凝膠強(qiáng)度的新方法，此方法基于美國Fann MACⅡ多功能測試系統(tǒng)，通過模擬井底高溫高壓環(huán)境，真實反映樣品性能的變化趨勢，與現(xiàn)有的測試方法截然不同，其擁有高穩(wěn)定性，智能性和可靠性的特點。

關(guān)鍵詞：水泥；凝膠強(qiáng)度；測試；儀器

中圖分類號：P631.31

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-282X(2015)06-0030-03

收稿日期：2015-09-13

作者簡介：石凱(1981-)，男(漢)，吉林省舒蘭縣人，北京探礦工程研究所工程師，碩士，主要從事檢測技術(shù)及自動控制工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號探工樓，Tel：010-82321973，E-mail：82109273@qq.com。

1背景介紹

油氣資源開發(fā)是目前世界矚目的焦點，主導(dǎo)著社會生活的各個方面，包括人們的吃、穿、住、行。據(jù)最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計,我國石油和天然氣資源量達(dá)到了940億噸，而我們只發(fā)現(xiàn)了22%，天然氣總量為38億萬立方米，現(xiàn)在僅僅探明了7%，這說明我國油氣資源開發(fā)行業(yè)還存在著巨大的潛力，但巨大的潛力受限于總體科技水平不高的勘探開發(fā)技術(shù)及中國復(fù)雜的地理環(huán)境。近來，隨著世界經(jīng)濟(jì)放緩，石油行業(yè)價格大幅波動，國內(nèi)石油企業(yè)壓力驟增，為應(yīng)對行業(yè)危機(jī)紛紛提出降本增效的戰(zhàn)略方針，為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，大家把關(guān)注點又一次聚焦于油田技術(shù)開發(fā)水平之上?？梢姡蜌赓Y源開發(fā)水平的提高已是當(dāng)務(wù)之急。

2固井氣竄問題及危害

油氣資源開發(fā)過程中，固井是鉆完井作業(yè)過程中不可缺少的一個重要環(huán)節(jié)，目的是保護(hù)和支撐油氣井內(nèi)的套管，封隔油、氣和水等地層。在固井過程中，注水泥后的候凝階段，高壓氣體的上竄是氣井固井中的主要問題。

2.1　氣竄的主要原因

(1)固井時水泥環(huán)頂替效率低，形成泥漿夾帶的竄槽，如氣層壓力大于靜水液柱壓力，氣體沿竄槽帶逸出。

(2)由于水泥質(zhì)量問題，使在環(huán)空中水泥與套管或地層膠結(jié)面的膠結(jié)質(zhì)量差，氣體沿環(huán)隙縫竄漏。

(3)施工過程中水泥漿柱和泥漿柱總壓力小于氣層壓力。即“水泥漿失重”形成氣竄。水泥漿失重的原因是：水泥漿失水大，水泥漿的水化收縮，水泥漿膠凝自身懸掛。

2.2　氣竄的主要危害

氣竄的主要危害包括：

(1)固井聲幅值高，固井質(zhì)量不合格；

(2)產(chǎn)層的產(chǎn)能失去保護(hù)，造成產(chǎn)能下降；

(3)發(fā)生井噴事故；

(4)多次擠水泥，使固井施工重復(fù)作業(yè)。

3MACⅡ多功能評價儀的引進(jìn)

除了以上幾點基本原因外，實際施工過程中還存在高溫和高壓甚至低溫高壓的問題。然而，以國內(nèi)現(xiàn)有評價手段無法真實的反映出水泥配方存在的問題。所以，為了能夠盡快提升我所的固井技術(shù)，在現(xiàn)有技術(shù)與基礎(chǔ)理論能力的基礎(chǔ)上，我所從美國Fann儀器公司引進(jìn)了國內(nèi)首臺MACⅡ高溫高壓水泥靜凝膠強(qiáng)度多功能測定儀。

4MACⅡ多功能評價儀介紹

4.1　儀器廠家介紹

Fann公司前身是Baroid公司，自1939開始從事油田檢測儀器研發(fā)。MACⅡ多功能測定儀參照美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究，能夠模仿井下高溫高壓及低溫高壓條件，測試水泥的靜凝膠強(qiáng)度、水泥黏度、水泥稠度和水泥強(qiáng)度可從6.895kPa到34.48kPa之間，是名副其實的多功能檢測系統(tǒng)。

4.2　儀器介紹

圖1為儀器外觀，MACⅡ整體框架式結(jié)構(gòu)，表面為不銹鋼面板，正面有雙拉式柜門，柜底安裝有自由變向滾輪，能夠自由滑動；柜體上部裝有壓力表(其最大量程為241MPa)；電機(jī)及傳動裝置(降速傳動為皮帶式傳動，外部動力依靠磁驅(qū)動攪拌葉片)；溫度傳感器及；凝膠強(qiáng)度測試單元。儀器整體結(jié)構(gòu)簡潔、緊湊。

圖1　儀器外觀

圖2為MACⅡ內(nèi)部結(jié)構(gòu)，MACⅡ的壓力控制單元、控溫裝置、釜體及拆裝電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成在一個可電控滑動的托盤上，托盤絕緣且有足夠的強(qiáng)度支撐全部重量。壓力通過比例增壓泵實現(xiàn)高壓，最高壓力可達(dá)207MPa，另配有背壓恒壓裝置、泄壓和限壓裝置，控壓精度為±0.345MPa。溫度控制裝置配有專門的PID溫控表，精度達(dá)到0.01℃。釜體采用特殊材料制成，可承受高溫高壓，表面還有滑亮的光澤。釜體轉(zhuǎn)動和上下位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)，每一個控制單元完成一個動作指令，每一種方式的位移都有限位傳感器嚴(yán)格控制。

圖2　MACⅡ內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3　儀器的主要特點

該儀器的主要特點包括：

(1)最高溫度可達(dá)316℃；

(2)最高壓力207MPa;

(3)以水為媒介進(jìn)行加壓；

(4)無級調(diào)速；

(5)無測試時間限制；

(6)能實現(xiàn)低溫測試；

(7)轉(zhuǎn)速為非接觸式控制；

(8)壓力釜為全液壓控制，；

(9)全自動電腦控制。

MACⅡ的亮點之一就是高智能的操控模式，自動化程度顛覆了我們對石油儀器過往的認(rèn)識，實驗者只需一個按鍵就可以完成釜體裝卸工作。它所帶給我們的是精確、高效、安全與智能，其樣品杯統(tǒng)一于傳統(tǒng)的水泥稠度測試杯，使所測數(shù)據(jù)具有同行業(yè)對比性。

4.4　MACⅡ的測試原理

MACⅡ測試原理是模擬高溫高壓條件，能以0～150r/min間任一轉(zhuǎn)速制備水泥樣品，使其達(dá)到實際井下狀態(tài)，再以極低的剪切速率，模擬井底水泥的靜止凝膠狀態(tài)，測得水泥漿樣品稠度和靜凝膠強(qiáng)度及過度時間，根據(jù)所得數(shù)據(jù)分析結(jié)果對水泥樣品的防氣竄特性進(jìn)行評價。

MACⅡ能夠保持以0.216°/min的轉(zhuǎn)速持續(xù)工作，此轉(zhuǎn)速相當(dāng)于轉(zhuǎn)一圈要用超過一天的時間。而轉(zhuǎn)速范圍可以從1r/min到150r/min，也可以選擇為0.216°min到360°/min。其電機(jī)轉(zhuǎn)速方向可順/逆時針雙方向旋轉(zhuǎn)。

4.5　控溫方式

MACⅡ 以電加熱器方式加熱，配有高精度的智能控溫儀，確保溫度的準(zhǔn)確性，控溫精度能達(dá)到0.1℃，在降溫時以三種介質(zhì)兩個溫度節(jié)點進(jìn)行安全降溫，分別為氣、水、冷凝油，確保高溫不會對儀器造成傷害。

4.6　軟件

MACⅡ軟件平臺基于LabVIEW平臺開發(fā)，擁有強(qiáng)大的控制、編輯實時繪圖等功能，實現(xiàn)基本控制的同時，又增加了虛擬可視化控制，如圖3所示，小到電磁閥，大到電機(jī)、增壓泵等所有控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其管路連接組成都匯總在一個控制界面中，操作人員可任意點擊各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)，便于使用者了解儀器的基本構(gòu)造和工作方式。

圖3　MACⅡ虛擬可視化控制界面

MACⅡ軟件中包括了壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩四個重要的校準(zhǔn)模塊，確保了儀器工作時實驗員所設(shè)參數(shù)真實、準(zhǔn)確、無誤?？煽啃詼y試是MACⅡ又一特點，雖然校準(zhǔn)模塊能夠保證儀器硬件的準(zhǔn)確，但是軟件檢測及計算結(jié)果才是決定性的環(huán)節(jié)，可靠性測試檢測模塊的存在，解決了這一問題，使MACⅡ能夠通過一個固定的測試模式對自身檢測的可靠性進(jìn)行評價，相對于人工的檢測要客觀、準(zhǔn)確。

5儀器測試歷史數(shù)據(jù)

在學(xué)習(xí)儀器使用過程中本人作了幾個水泥樣品試驗，不同配方下的樣品有的著明顯差異。

(1)圖4試驗結(jié)果表明，在穩(wěn)定的壓力和溫度條件下，水泥樣品凝膠時間大概為27min，時間較短且沒有波動，較穩(wěn)定。

圖4　合格產(chǎn)品數(shù)據(jù)繪圖

(2)圖5結(jié)果：在穩(wěn)定的溫度和壓力下，在凝膠過程中有波動，樣品中可能存在相對較大顆粒物影響測試結(jié)果。

圖5　問題產(chǎn)品數(shù)據(jù)繪圖

(3)圖6結(jié)果：成膠時間太長，需要修改配方，降低凝膠時間。

圖6　問題產(chǎn)品數(shù)據(jù)繪圖

6總結(jié)

對MACⅡ儀器有了一定地認(rèn)識，我將MACⅡ與其他儀器做了一些基本的比較，MACⅡ與現(xiàn)有的水泥氣竄評價裝置相對比，原有裝置是完全的靜止測試，無法真正的和實際情況進(jìn)行比對，而且實驗人員需要額外的設(shè)備攪拌和老化水泥漿，同時水泥氣竄評價裝置也要預(yù)熱加壓，達(dá)到條件后還要降溫降壓把樣品加入到評價裝置中，這個過程有可能有壓力油污染樣品，關(guān)鍵點在其測試結(jié)果是在邏輯推

理的基礎(chǔ)上得出的結(jié)論，影響了數(shù)據(jù)的真實性。MACⅡ靜凝膠測定儀則截然相反，整個測試過程完模擬實際應(yīng)用情況，測試前可以對樣品進(jìn)行攪拌，測試過程中可自動升溫升壓，并可設(shè)定微小的轉(zhuǎn)動速度以模仿井下的流動特性，能夠真實的測定水泥漿成膠過程，樣品的性能完全由測試數(shù)據(jù)真實體現(xiàn)。也正因為MACⅡ突出特點，API協(xié)會認(rèn)定其為水泥漿凝膠強(qiáng)度最可靠，最真實的測定儀。

參考文獻(xiàn)：

[1]美國Fann公司.MACⅡ水泥多功能測定儀操作手冊[M].

[2]李澤林,常偉,王秀玲,逯振東,陳利. 高溫防竄水泥漿體系的研究及應(yīng)用[J]. 斷塊油氣田, 2004(4).

[3]趙林,胡東. 膠態(tài)分散凝膠表征方法綜述[J]. 江漢石油學(xué)院學(xué)報, 2001(2).

[4]孫展利. 水泥漿的水化體積收縮膠凝失重研究[J]. 江漢石油學(xué)院學(xué)報, 1997(4).

[5]王斌斌, 王瑞和. 固井水泥漿的水化規(guī)律[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2010(3).