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钻 井 工 程 天 然 气 工 业 2 0 0 1 年 3 月 触变性水泥的评价方法及其应用 X X X 刘孝良 刘崇建 ( 西南石油学院) 刘崇建等 1 触变性水泥的评价方法及其应用 1 天然气工业, 2 0 0 1 ; 2 1 ( 2 ) : 5 6 ~ 6 0 摘 要 触变性水泥是一种适用于破裂压力梯度较低的松散地层、漏失层及挤水泥等 注水泥作 业的水泥浆 体 系, 它对防止水泥浆凝固过程的气窜问题同样具有一定效 果。文章 重点对触变性水泥浆的 测量和评 价方法进行 了 全面分析和深 入的讨论, 提出的水泥浆触变性有关模 型同样 适用于 其它非胶 凝性宾 厄姆流 体、幂 律流体 的触变 性 评定。文章还对触变性水泥浆的特点、用途、常规配方及国内外应用情况进行了较深入的介绍。 主题词 固井 注水泥 触变性水泥 评价方法 水泥浆的触变性是指搅拌后水泥浆变稀, 静止 切应力和动切力比后者高。两条流变曲线所形成的 后水泥浆变稠的特性。即水泥浆在一定剪切速率作 滞后环面积( o c i a d o d ) 表示了流体的触变性大小。如 用下, 视粘度随作用时间的延长而逐渐减小, 并趋于 两条流变曲线重合, 滞后环面积为零, 该流体无触变 某一定值, 或当剪切作用停止后, 水泥浆的视粘度又 性。 重新升高, 但不一定按原来形状恢复的现象( 图 1 ) 。 图 2 触变性流体的流变曲线 图 1 触变性流体视粘度随时间的变化 ( 2 ) 图 3 中曲线( a ) 为触变性水泥浆在一定剪切 速率作用下, 剪切应力随作用时间增加而降低的现 流体显示触变性的原因, 一般认为是由于流体 在一定剪切速率作用下, 其内部结构发生了变化, 而 1 1 2 。 当流体静止后结构又恢复到原来的情况 象; 曲线( b ) 则为触变水泥浆静止不同时刻, 静切力 随静止时间增加而增大的情况。当静止时间达到某 触变性水泥浆的特点及用途 一定值后, 静切力趋于稳定。水泥浆静切力的增加 速度和最大值反映了浆体的触变性大小。 1 2 , 5 2 1 . 触变性水泥浆的特点 ( 3 ) 触变性水泥浆还有一个明显的特征, 即在每 水泥浆在流动过程和流变曲线上表现出以下特 一次静、动态流动之后, 其静切力和动切力趋于增 高。在注水泥施工中, 反复停泵之后, 其停止时间愈 征: ( 1 ) 图 2 为水泥浆的流变曲线, 曲线( o c i a ) 、 长, 开始流动所需要的泵压愈高( 图 4 ) 。因此, 注替 ( a d o d ) 分别为从低转速到高转速和从高转速到低转 这种水泥浆时, 应避免较长的停泵时间。 速测得的流变曲线, 即在某一转速下, 前者测得的剪 1 2 , 3 , 4 2 2 . 触变性水泥浆的用途 X 本文系原中国石油天然气总公司/ 八五0 重点科技攻关项目( 9 4 0 0 8 ) 。 X X 作者简介见本刊 1 9 9 5 年第 5 期。地址: ( 6 3 7 0 0 1 ) 四川省南充市。电话: ( 0 8 1 7 ) 2 6 4 2 9 1 3 。 # 5 6 # 第 2 1 卷第 2 期 天 然 气 工 业 钻 井 工 程 触变性水泥浆的评价方法1 5 , 1 2 2 1 . 滞后环法 滞后环的面积实际上反映了触变能的储存大 小, 即浆体结构拆散与形成所需能量之差。储存能 用剪切速率与剪切应力的乘积表示, 其表达式为: E = C S ( 1 ) 式中: E 为单位时间、单位体积水泥浆的储存能, 图 3 触变性流体流动和静止后剪切应力的变化情况 J / m 3 # s ; C 为剪切速率, s - 1 ; S 为剪切应力, P a 。 由图 2 可知, 当升速测定水泥浆的流变性能时, 其流变曲线之下的面积反映了水泥浆结构破坏所需 之能量( E 1 ) 为: E 1 = Q S S 6 0 0 0 C d S 如采用宾厄姆模型, 则 E 1 可表示为: E 1 = Q 6 0 0 G p C d C = 1 p 2 G 0 1 1 C C 2 6 0 0 ( 2 ) 当降速测定水泥浆流变性能时, 其流变曲线之 下的面积反映了水泥浆结构形成所需之能量 E 2 图 4 触变性水泥浆静止时间与启动泵压、流量的关系 为: ( 1 ) 适用于松散地层的注水泥作业。这种地层 E 2 = 1 2 G p 2 C 2 6 0 0 ( 3 ) 水泥浆的触变能 E 则为: 破裂压力较低, 即使采用低密度和静液柱压力较低 的水泥浆固井也易破碎, 常常出现水泥浆下落的现 象, 从而造成需要水泥浆封固的井段未能达到封隔 的要求。使用触变性水泥浆后, 由于胶凝强度增加, 水泥浆的重量被悬挂和支撑在井壁上,