专利名称：变速增压式油井水泥浆稠度仪及其稠化时间的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种能较好地摸拟和测量油井水泥浆在不同井深和不同注替速度及剪切速率情况下，测量其稠度和稠化时间的方法。它适用于石油、天然气钻井、固井、挤水泥、注水泥塞等作业。
背景技术：
在石油、天然气勘探钻井中，钻完数千米井深后，固结、封隔井壁，防止井内岩石坍塌，是增加油、气井寿命，提高油、气井生产能力的关键技术问题。固结、封隔井壁的专业术语统称为固井工程。固井工程是将套管下入井内，再将油井水泥浆注入套管内孔，顶替至井壁与套管外的环形空间，凝固后固结井壁(简称注水泥)。注水泥过程，水泥浆自身要变稠，如其稠度变化和相应的稠化时间设计不当，致使水泥浆不能达到预定位置，造成固井工程的失败。
目前，油井水泥浆的稠度及稠化时间，是按API统一标准，使用增压式稠度仪进行测定和设计的。该仪器摸拟油井水泥浆在井下的温度、压力及轴向流动情况，以旋转的方式进行测量，其旋转速度为150RPM。水泥浆的稠化时间是在其测量过程中，扭矩达到2080g-cm时的时间，此时水泥浆已经稠化，丧失了流动性，其稠度值为100Bc。实际上，油井水泥浆在井下的注替速度及剪切速率是根据施工要求，并不一定都按API标准所规定的相当转速150RPM。因此，所测定的油井水泥浆稠度及稠化时间并不能完全反映井下实际情况，有可能影响水泥环质量，甚至造成注水泥作业失败的危险。

发明内容
为了克服现有注水泥作业技术中的不足，解决测定的油井水泥浆稠度及稠化时间与井下实际情况不相符合的问题，特提出一种变速增压式油井水泥浆稠度仪及其稠化时间的测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是根据油井水泥浆在井下不同的环空注替速度及剪切速率情况下，对其稠度和稠化时间进行测量，稠度仪浆杯摸拟转速为无级调速，转速变化范围为10～600RPM。
具体技术方案为1.根据油井水泥浆在环空的注替速度及流变特性，确定其液体的环空剪切速率。环空剪切速率的有关计算式为γan=12VCPDh-dc(2n+13n)]]>2.根据实验方法及理论分析，确定出稠度仪特殊浆叶旋转时的平均剪切应力和平均剪切速率。平均剪切应力与浆叶某时刻测量扭矩的关系为τ=1265.47M×105]]>浆叶的平均剪切速率为γCts=1.20.20944n[1-(rR)2n]N]]>γCts相当于Fann-50型旋转粘度计，外内筒半径比R/r＝1.0678时，内筒壁剪切速率的1.2倍。对于稠度仪，γCts反映了浆叶直径dle＝70.675mm处的剪切速率，其浆杯与浆叶外的直径比Dcudle=74.670.675=1.0555.]]>
3.根据液体轴向剪切速率γan与其摸拟的旋转剪切速率γCts相等的原则，确定不同井况下，测定水泥浆稠度和稠化时间的浆杯模拟转速，并将有关具体数值列于表1中；N=5.73n[1-(rR)2n]γan]]>4.按照API标准的配浆方法及其它操作程序，测量油井水泥浆的稠度及稠化时间。
注符号说明，γan——水泥浆在环空的剪切速率，S-1；VCP——水泥浆在环空的平均流速，cm/S；Dh——井眼直径，cm；dc——套管外径，cm；n——水泥浆流性指数；τ——水泥浆在浆叶处的平均剪切应力，dyn/cm2；M——测量水泥浆的扭矩，N-cm；γCts——稠度仪浆杯旋转时，浆叶的平均剪切速率，S-1；N——稠度仪浆杯转速，RPM。
本发明所涉及的变速增压式油井水泥浆稠度仪，主要由高温高压釜、浆叶和浆杯、电机及扭矩测定装置、计算机数据处理系统所组成，其结构特征是釜体下端带有无动密封的磁力驱动转轴，并在该轴上装有固定浆杯的圆盘；被测水泥浆及浆叶入浆杯，并放在高压釜转盘轴上，而浆叶轴与固定在釜体的测量弹簧相连，嵌合在一起，浆叶由三组平行的框式叶片(aa、bb、cc)及与其垂直的两组平行叶片(dd、EE)组成；电机调速通过磁力驱动，带动浆杯及逐层液体旋转，并使浆叶和弹簧扭转，产生扭矩，浆杯转速根据井下水泥浆返速及剪切速率，可在10～600RPM内变化；被测水泥浆通过设定的温度、压力、转速及测量扭矩的传输，在计算机数据处理系统显示屏上，反映出不同时刻水泥浆的稠度值及对应的变化曲线(如图2～5)。
本发明与现有技术API标准所使用的增压油井水泥浆稠度仪比较具有以下优点(1)稠度仪浆杯转速不是恒定的150RPM，而是根据油井水泥浆在环空的流动速率及剪切速率、确定出与之相当的旋转速度，测得其稠化时间，以作为注水泥施工总时间设计的依据，从而保证固井工程安全施工和固结井壁的胶结与封隔质量；(2)可研究不同浆杯摸拟转速与不同类型油井水泥浆稠度及稠化时间的关系，确定出不同水泥浆体系的安全施工标准及提高水泥浆胶结性能的具体方法。
表1 测量水泥浆稠度和稠化时间的相当转速



下面结合附图、实施步骤及实例对本发明进一步说明。
图1为本发明的变速增压式油井水泥浆稠度仪示意图，图中1.高温高压釜，2.浆杯，3.浆叶，4.加热器，5.增压器，6.磁力驱动转轴，7.电机，8.弹簧，9.扭矩传输，10.压力传输，11.温度传输，12.转速传输，13.数据处理。
图2为不同转速下的稠化时间曲线，水泥浆配方G级水泥+35％硅砂+1.5％HS-2A+0.5％SXY+0.5％HS-R(密度ρc＝1.90)。
图3为不同转速下的稠化时间曲线，水泥浆配方G级水泥+35％硅砂+1.5％HS-2A+1％SXY+0.5％HS-R(密度ρc＝1.89)。
图4为不同转速下的稠化时间曲线，水泥浆配方G级水泥+35％硅砂+1.5％HS-2A+1％SXY+0.2％HS-R(密度ρc＝1.905)。
图5为不同转速下的稠化时间曲线，水泥浆配方G级水泥+WZ30％+3％LT-2+0.5％SXY+0.2％HS-R(密度ρc＝1.4)。
具体实施例方式将配制好的水泥浆盛入浆杯2，并把浆叶3放入浆杯2中，然后再将盛有水泥浆的浆杯2及浆叶3一起放入高温高压釜1内，并盖好釜盖；按照井深条件设置浆体的实验压力、温度及升温速率，通过加热器4及增压器5自动调节和控制；按照井下环空液体剪切速率大小，采用转速公式，参考表1的数据，确定浆杯2的实验转速，开动电机7的调速装置及扭矩开关8进行测量试验；启动数据处理系统13，通过温度传输系统11、压力传输系统10、扭矩传输系统9及转速传输12，自动记录水泥浆不同时刻的稠度值；当水泥稠度值达到100Bc时，关闭电机的转速调节开关7、扭矩测量开关8及加热器开关4，并通过增压器5卸掉釜体1内的压力；当釜体1内温度降至45℃以下时，卸去釜盖，取出浆杯2进行清洗，完成整个试验工作；从数据处理13中取出记录实验数据，分析水泥浆稠度和稠化时间的实验结果。
按照上述操作方法进行以下具体实例1.按照API标准配制四种不同性能的油井水泥浆，其密度为1.40和1.90左右(见表2)；2.根据井深2000～4000m，设定油井水泥浆的实验温度和压力(表2)；3.按照API标准规定的150RPM和另外选定的70、100、300RPM，使用本发明的变速增压式稠度仪，测得油井水泥浆的稠化曲线和稠化时间(见附图2～5、表2)。
表2 不同水泥浆在不同转速的稠化时间

由表2及图2～5可知(1)不同水泥浆性能、稠化时间随转速的增加而缩短，按照300RPM测得的稠化时间要比API标准规定150RPM所测时间，最短可减少1h左右；(2)如以稠度仪测得的水泥浆稠化时间作为设计注水泥施工时间的依据，而当水泥浆在环空的流动速度及剪切速率又高于稠度仪浆杯150RPM的有关参数时，水泥浆在环空的实际稠化时间将比API规定测得的稠化时间要短，而提前稠化，将造成注水泥作业失败的危险；(3)如水泥浆在环空的流动速度及剪切速率低于稠度仪浆杯150RPM的有关参数，水泥浆在环空的实际稠化时间将比API标准规定测得的稠化时间要长，而不能很好的稠化和凝固，引起水泥浆凝固过程的油、气水窜问题；(4)不同水泥浆体系的稠化时间是否一定随剪切速率及相当转速的增加而缩短，尚需进一步研究。
权利要求
1.一种变速增压式油井水泥浆稠度仪及其稠化时间的测量方法，其特征是油井水泥浆在不同环空注替速度及剪切速率情况下，其稠度和稠化时间的测量，稠度仪浆杯摸拟转速为元级调速，转速变化范围为10～600RPM。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其水泥浆稠度仪主要是由高温高压釜、浆叶和浆杯、电机及扭矩测定装置、计算机数据处理系统组成，其特征是釜体下端带有无动密封的磁力驱动转轴，并在该轴上装有固定浆杯的圆盘；浆杯放在高压釜转盘轴上，浆叶轴与固定在釜体的测量弹簧相连，浆叶由三组平行的叶片及与其垂直的两组平行叶片组成；电机调速通过磁力驱动，浆杯转速根据井下水泥浆返速及剪切速率，可在10～600RPM内变化。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征是根据油井水泥浆在环空的注替速度及流变特性，确定其液体的环空剪切速率；根据实验方法及理论分析，确定出稠度仪特殊浆叶旋转时的平均剪切应力和平均剪切速率；再根据以上数据，确定出测定油井水泥浆稠化时间的浆杯摸拟转速；最后按照API标准的配浆方法及其它操作程序，测量油井水泥浆的稠度及稠化时间。
全文摘要
本发明涉及一种能较好地摸拟和测量油井水泥浆在不同井深及不同注替流动情况下，测量其稠度和稠化时间的方法。它解决了测定油井水泥浆稠度及稠化时间与井下实际情况不相符合的问题。采用的测量仪器为一种可变速的增压式稠度仪装置，浆杯转速不是API标准规定的恒定值150RPM，而为无级稠速、转速变化范围为10～600RPM。其方法是根据油井水泥浆在环空的注替速度及流变特性，确定其环空剪切速率；再根据实验方法及理论分析，确定出稠度仪特殊桨叶旋转时的平均剪切应力和平均剪切速率；最后确定出测量水泥浆稠化时间的浆杯摸拟转速。将本发明确定的旋转速度，测得的稠化时间，作为注水泥施工总时间设计的依据，可保证固井工程安全施工和固结井壁的胶结与封隔质量。
文档编号G01N11/10GK1570599SQ20041002242
公开日2005年1月26日 申请日期2004年4月27日 优先权日2004年4月27日
发明者刘崇建, 陈英, 刘孝良, 谢应权 申请人:西南石油学院