固井水泥漿流變特性研究與應(yīng)用

固井水泥漿變特性研究應(yīng)用固井是油氣井工程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)它保證了油氣井的壽命,并提高油氣生產(chǎn)效率井水泥是用來(lái)封隔地層和支撐套管的主要材料與水混合后,發(fā)生多相化學(xué)反應(yīng),釋放熱量,不僅影響水泥漿的性能更對(duì)水泥漿固井過(guò)程以及固井后期的質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響。掌握和遵循水泥漿真實(shí)的水化規(guī)律和流變特性是保證固井質(zhì)量的前提此通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,揭示實(shí)際條件下水泥水化機(jī)理,研究掌握其水化規(guī)律,把握其流變特性規(guī)律,優(yōu)化固井注水泥設(shè)計(jì)已成為油氣井工程領(lǐng)域十分重要的研究課題。以化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)理論為基礎(chǔ),描述了固井水泥動(dòng)力學(xué)特征,闡明了其各個(gè)反應(yīng)階段的水化機(jī)理,提出了將水泥水化熱的研究簡(jiǎn)化為其水化過(guò)程中水化溫升的研究,通過(guò)對(duì)固井水泥水化過(guò)程中水化溫升進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)便可直觀和形象地描述水泥水化放熱規(guī)律,掌握其水化規(guī)律為固井水泥水化規(guī)律的研究提供了可行的研究方法。利用水泥漿自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究了固井水泥水化規(guī)律,分析了水化溫升與水化時(shí)間的關(guān)系,提出了多因素影響下的水化模型結(jié)構(gòu),考慮環(huán)境溫度灰比和水化時(shí)間因素,建立了符合實(shí)際條件的固井水泥水化模型,從而掌握了固井水泥真實(shí)的水化規(guī)律;同時(shí)研究了外加劑、外摻料、混配方式等因素影響下的水化規(guī)律,以修正水化模型、輔助優(yōu)化固井注水泥漿的設(shè)計(jì)。固井水泥水化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明環(huán)境溫度對(duì)水化溫升影響明顯隨著溫度的升高,水泥漿放熱加快,單位時(shí)間內(nèi)放熱量增大水化溫升峰值增高。低溫下的水化溫升變化比較明顯;隨著溫度繼續(xù)升高掩蓋了水泥水化后期的放熱過(guò)程,縮短了水化進(jìn)程,水泥漿體系的差異性變小。

水灰比的增大,使水泥水化放熱速率變緩,水化溫升峰值有明顯下降的趨勢(shì)。外加劑的摻入改變了水泥漿體的性能,影響固井水泥的水化,分散劑和降失水劑能夠促進(jìn)水泥的早期水化,延緩后期水化;緩凝劑的摻量能引起明顯的水化溫升變化,隨著緩凝劑摻量的增加,誘導(dǎo)期延長(zhǎng),溫升峰值降低。氯化鈣的摻入加快了水化進(jìn)程對(duì)水化溫升的影響隨摻量的增加而變大。礦渣和粉煤灰都能降低水化溫升,并推遲溫升峰值出現(xiàn)的時(shí)間,但礦渣對(duì)于溫升降低的程度不如粉煤灰明顯。實(shí)驗(yàn)研究了固井水泥漿流變特性規(guī)律,出了多因素影響下的流變模型結(jié),綜合考慮溫度、水灰比和水泥水化的影響,建立了真實(shí)條件下的固井水泥漿流變模型和流變參數(shù)模型;同時(shí)研究了外加劑、外摻料、混配方式等因素影響下的水泥漿流變特性規(guī)律,以輔助優(yōu)化固井注水泥漿設(shè)計(jì)為水泥漿流變性以及固井環(huán)空頂替過(guò)程的預(yù)測(cè)提供了更可靠的理論依據(jù)井水泥流變特性規(guī)律實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于不同的水泥漿體系,溫度對(duì)流變性的影響具有明顯的區(qū)間性變化規(guī)律,但不同體系的趨勢(shì)轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)不同;在低溫條件下流變參數(shù)隨溫度變化較小;高溫條件下,流變參數(shù)隨溫度變化較大,水泥漿的流變性急劇變差。水灰比對(duì)水泥漿流變性的影響顯著增大水灰比,水泥漿流變性能得到改善。隨著水泥水化的進(jìn)行,剪切力不斷增大,漿體的表觀粘度增大,流變性逐漸變差。分散劑、降失水劑和緩凝劑不同程度的改變著水泥漿流變性隨著分散劑摻量的增加,低溫下流變參數(shù)變化較小,高溫下可改善漿體的流變性;檸檬酸的緩凝作用基本不受溫度的影響,有利于改善水泥漿的流變性加入降失水劑和促凝劑后會(huì)使流變性變差。在較高的溫度下,加入礦渣和粉煤灰有利于改善水泥漿的流變性。

水泥顆粒度對(duì)水泥漿的流變性存在較明顯的影響用建立的流變模型對(duì)水泥漿頂替進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明,頂替流態(tài)和偏心度對(duì)頂替效率和界面穩(wěn)定性影響較大;塞流和紊流比層流更有利于提高頂替效率合理選擇流變參數(shù),可獲得較好的頂替效率,靜切力的影響較小;心度越大,頂替效率越低,界面越不穩(wěn)定。在保證較高的頂替效率和頂替質(zhì)量的情況下應(yīng)盡可能選擇低速紊流。基于相關(guān)研究,開(kāi)發(fā)了固井頂替模擬軟件,實(shí)現(xiàn)了