（石油与天然气工程专业论文）固井水泥膨胀评价方法研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 固井水泥膨胀评价方法研究 石油与天然气工程 袁孟雷( 签名) 陈军斌( 签名) 王益山( 签名) 摘要 在油气井建井过程中，由于水泥收缩或膨胀引起的固井质量问题，达不到在套管和 地层之间形成均匀完整、封隔良好的水泥环，封固各油气层及夹层，防止油气水窜，支 撑套管，建立油气通道的目的，不仅影响后续钻井施工，而且将影响到以后能否顺利投 产、油气井的寿命以及油气藏的采收率。 本文通过大量的调研、分析和论证，分析了水泥膨胀与地层和套管之间的耦合关系， 总结固井水泥膨胀评价的技术现状及其存在的问题，指明了固井水泥膨胀评价的必要性 和技术发展方向，建立了固井水泥膨胀评价模型，根据国内外水泥膨胀评价技术的发展 趋势，开展了水泥膨胀评价方法的研究，研制了可以在模拟现场温度和压力的条件下， 自动检测水泥浆凝固过程中膨胀或收缩变化量及变化规律的试验评价装置，并进行了应 用试验研究。 该评价方法的成功应用，解决了整个试验周期内，模拟现场环境的试验条件下水泥 流体、塑性体和硬化体的体积随时间变化量及变化规律的连续测定问题，满足了解决了 固井水泥膨胀评价的需求。对于提高固井质量、开展固井水泥浆深入研究，具有重大意 义。 关键词：水泥膨胀固井评价方法 论文类型：应用研究 i l s u b j e c t ：s t u d yo nt h ee v a l u a t i o nm e t h 。d 。fc e m e n t e x p a n s i 。ni nc e m e n t i n g s p e c j a l i 缈：p e t r o l e u m & n a t u r a lg a s e n g i n e e r i n g n a m e ： y u a nm e n g l e i ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：c h e nj u n b i n ( s i g n a t u r e w a n gy i s h a n ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t i no i la n dg a sw e l lc e m e n t i n g ，g o o dc e m e n t i n g q u a l i t yi se s s e n t i a lf o rp r o p c ri s o l a t i o n 的骶吼d i f l 。e r e n tz o n e sa n df o r m a t i o n s ，s 0a st o k e e pt h ec 1 1 暑啪e l i l l g 疗0 mh a p 砌g 觚d p r o v l d es o u n d s u p p o r tt ot h ec a s i n g h o w e v e r , c e m e n ts h r i n k a g ea n de x p a i l s i o na l w a y sc a u s e c 锄e n t i n gp r o b l e m sw h i c hi m p a c tt h e f o l l o w i n gd r i l l i n go p e r a t i o n s 鹊w e l l 勰0 i l g 鹤 p r o d u c t i o n , w e l ll i f ea n dt h e r e c o v e r yr a t e jm sa r t l c l e d i s e u s s e dt h e c o u p l i n gr e l a t i o nb e t w e e nc 锄e n t e x p a i l s i o n 觚d 托m l a 虹0 1 1 c a s i n gb a s e do nv a s ta m o u n to f i n v e s t i g a t i o n ，a n a l y s i sa n dr e s e a r c l l ，、) l ，i t hb r i e 60 n t h et e c h n i c a ls t a t u so f c e m e n te x p a n s i o ne v a l u a t i o na n di t sd e v e l o p i n gd i r e c t i o n n es 删v 0 n m ee u a l i o nm e t h o do f c e m e me x p a n s i o nw a s p r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h ee 8 伽l i s e n to f 锄 e v a l u a t i n gm o d e l ，t h ed e v e l o p m e n to fat e s t i n gd e v i c cw h i c hm o m t o r st h e a n ds h r i n k a g eb y s i m u l a t i n gt h et e m p e r a t u r ea n d 缸l e n d c e m e n te x p a n s i o n p r e s s u r ec o n d i t i o n sa n dg i v e so u tac h a n g i n g t h em e t i l o dr e s 0 1 v e st h ed i f f i c u l t y 。f s u c c e s s i v em o n i t o r i n gt ot h ec h a l l g i n ga l l d 舵n d 。f c e m e n tf l u i d , p l a s t i ca n ds t i f f b 。d yi nc e m e n t i n go p e r a t i o n ，a n di ti ss i g n i f i c 锄t 0 i i l l p r o v em e c e m e n t i l l gq u a l i t ya n di sag r e a th e f o rt h ee n h a n c e d s t u d y0 nc e m 锄妇吕 k e yw 。r d s ：c e m e n t i n gc e m e n te x p a n s i 。n e v a l u a t i o nm e t h 。d t e s t i n gd e v i c e t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：袁墓孕 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：鲨靼 日期：幽：! ! ：生 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 油气井固井注水泥作业主要目的就是对套管外环形空间进行有效封隔，防止油气井 钻井、增产作业和生产过程中的地层流体窜流，为套管提供有效支撑和保护，减小和缓 和地层困岩对套管的作用，改善套管的受力状况、延长油气井寿命、保证油气生产的正 常进行。 在井筒固井施工过程中，由于油井水泥固有的高体积收缩和高失水特性引起的水泥 浆体积固化收缩和同化后水泥石自身收缩，是造成油气井气窜和同井质量差的主要原因。 水泥浆固化过程中及固化后水泥石的膨胀和收缩引发的固井质量问题，目前在国内外固 井界尚未得到很好解决。水泥浆体的体积收缩使水泥环的胶结质量不能保证，严重时还 会形成间隙，形成油、气、水通道，造成层间窜动。解决水泥浆体的收缩问题，是提高 固井质量、避免油气窜的根本所在。应用膨胀水泥浆体系解决上述问题被认为是最具前 景的，是在水泥浆中加入一种添加剂，使其在被泵送或替到位置之后凝固前产生一定量 的膨胀量，此膨胀量均匀的分布在水泥浆体中。其体积膨胀作用，也可以抑制水泥石的 收缩，从而消除水泥内及水泥石与地层间形成的微裂缝，防止地层流体窜流通道的出现。 由于水泥收缩引起了固井质量诸多问题，目前针对这一现状，国内外化学领域学者 展开了大量研究工作，针对膨胀水泥体系取得了丰硕成果，然而对油气井固井条件下水 泥膨胀测试评价方面较少涉及，而水泥石的膨胀和收缩在水泥浆固化过程中及固化后， 对固井质量影响极大，必须科学准确进行试验评价。 1 1 研究的目的和意义 油井水泥固有的高体积收缩和高失水特性是造成油气井气窜和固井质量差的主要原 因，在井筒固井施工过程中以及水泥浆固化过程中及固化后水泥石的膨胀和收缩对固井 质量影响极大，是国内外固井界尚未很好解决的重要问题之一。水泥浆体及水泥石的膨 胀严重时将挤压套管，造成固井失败；水泥浆体的体积收缩使水泥环的胶结质量不能保 证，严重时还会形成间隙，形成油、气、水通道，造成层间窜动。如不设法解决浆体的 收缩问题，采取再多的工艺措施也是徒劳的【1 1 ，所以水泥浆固化过程中及固化后水泥石 的膨胀和收缩控制对固井质量保障至关重要。 由于目前国内外尚没有检测水泥浆体在整个凝固过程中体积膨胀变化量和变化规律 的仪器，结合水泥浆固化特点，研制一种方便、适用的试验装置，能够模拟井下的温度 及压力条件，能够在试验周期内连续检测出温度压力条件下水泥浆体的体积变化量和变 化规律，通过计算机进行实时监控和数据采集、处理、显示并打印出试验参数、检测数 据及变化规律曲线。在此基础上，建立相应的试验评价方法。力争使此评价方法达到较 高的技术水准，填补高温高压条件下水泥膨胀连续测量的空白。本课题的研究，对于科 研和生产的指导具有重要意义。 两安石油大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 固井失效的根本原因是水泥浆体的体积收缩使水泥环的胶结质量不能保证。解决环 空窜流问题国内外固井界一直在进行，通过国内外大量文献及现场调研，多数专家从水 泥浆体系方面提出了诸多方案，其中应用膨胀水泥浆体系被认为是最具前景的，是在水 泥浆中加入一种添加剂，使其在被泵送或替到位置之后凝固前产生一定量的气体，此气 体均匀的分布在水泥浆体中在液柱压力作用下气泡被压缩，积累了一定的能量，在水泥 浆液柱压力减小的过程中，其能量逐渐释放，以平衡地层压力。同样其体积膨胀作用， 也可以抑制水泥石的收缩，从而消除水泥内及水泥石与地层间形成的微裂缝，防止地层 流体窜流通道的出现。 国外在5 0 年代已开始进行膨胀剂的研制与开发【1 6 l 。国内对固井水泥膨胀的机理、 体系及现场工艺措施进行了大量的研究，提出了一些解决窜流的工艺方法和开发了一些 相关产品，在“七五”期间，研制开发出了以a1 2 03 、c a o 或以铝粉为主要成分的数种膨 胀剂产品，并在全国各油田进行了推广应用。目前，在用膨胀剂可分为“刚性”及“发气”两 种类型，“刚性”膨胀剂是通过加入c a o m g o 、c a o c a s 0 4 等碱金属氧化物参与水泥水 化反应，生成膨胀性晶体钙钒石、氢氧化钙、氢氧化镁等，补偿了水泥水化后的体积收缩， 且使水泥石产生微膨胀；“发气”膨胀剂是以铝粉为主，与稳泡剂等材料复合而成，在井下 与水泥水化产物c a ( o h ) 2 反应，生成氢气，产生微膨胀，补偿水泥水化后的体积收缩。 在水泥浆固化过程中及固化后，水泥石的膨胀和收缩对固井质量影响极大，必须科 学准确进行试验评价。在上述水泥膨胀机理及外加剂研究基础上，国内外水泥浆学者对 油气井固井条件下水泥膨胀测试评价方面展开了深入研究。 杨振杰n 2 1 从固井胶结界面的角度对固井质量展开研究，建立了6 个主要的胶结界 面微观结构模型，推出了胶结界面微观结构增强模型、界面胶结强度增强机理，研究了 动态养护条件下影响界面胶结强度的关键因素，提出了解决同并双界面胶结质量问题的 系列配套技术。李承木引研究发现，在生产大坝混凝土时加入适量的、特制的m g o ， 利用其特有的延迟微膨胀性能补偿混凝土坝的收缩和温度变形，以防止产生裂缝。利用 m g o 水化所释放的化学能转变为机械能，使混凝土产生自生体积膨胀，抵消其温降过程 的体积收缩，以解决大坝混凝土的抗裂问题。最理想的膨胀发生时间应在水化热最高温 升之后，在混凝土显著的降温之前产生膨胀。 夏树屏等人采用t m s 一2 型热执变形仪对镁水泥变形性展开了研究。美国p e 公司 的t m s 一2 型热执变形仪是借用d s c - - 2 型微量量热计程序温控系统和f d c l 电信号 记录系统。t m s 一2 主机仅提供样品台，炉体恒温系统，测高千分尺及电讯号转换系统， 高度变化以电位变化表示。 姚晓6 1 1 对水泥条测长法、水泥块测长法、水泥柱测长法、量筒法等水泥膨胀 测试方法展开了研究。 2 第一章绪论 上述测试效果不是很理想，无法模拟水泥浆在井下的温度渐变和压力渐变的环境， 无法在整个试验周期内连续测定试验条件下水泥塑性体和硬化体体积随时间变化的变化 量，满足不了深入研究的需求。因此，开展同井水泥膨胀评价方法研究，研制科学、适 用的试验装置，对于科研和生产的指导具有重要意义。 1 3 课题来源及技术背景 本课题是在华北石油管理局重点科研攻关项目“水泥膨胀模拟试验装置”( 项目编 号：0 5 l1 0 4 k ) 研究内容基础上开展的固井水泥膨胀评价技术攻关。 随着油气勘探开发实践的深入，固井过程中的油、气、水窜问题逐渐增多，成为制 约高效勘探开发的瓶颈技术。凝固前后这段时间能够产生微膨胀的水泥浆体系，可作为 解决油气水窜和提高同井质量的有效措施，以达到提高勘探开发效益的目的。在膨胀水 泥浆体系研制及应用过程中，用科学、高效的试验评价手段来检验水泥浆在浆体、塑性 体、硬化体变化过程中的膨胀效果就成为必须。 作者从事泥浆、水泥浆试验评价技术研究多年，进行了页岩膨胀模拟试验研究多年， 形成了模拟地层条件下连续测量试验样品变化状态的技术；开展了水泥胶结界面测试技 术研究，积累了水泥浆评价试验的相关理论基础。上述积累形成了深入开展固井水泥膨 胀评价技术研究的条件。 1 4 研究的目标与研究思路 水泥浆固化过程中及固化后水泥石的膨胀和收缩对同井质量影响极大。水泥浆体的 体积收缩使水泥环的胶结质量不能保证，严重时还会形成微间隙，形成油气水通道。为 解决水泥浆收缩问题，固井界展开了膨胀水泥浆体系研究与实践，取得了丰硕成果，但 由于缺乏科学、适当的评价手段，致使对水泥膨胀研究无法开展较为深入地研究。 本课题的目标是结合水泥浆同化特点，研制一种方便、适用的试验装置，能够模拟 井下的温度及压力条件，在整个试验周期内连续测定试验条件下水泥塑性体和硬化体体 积随时间变化的变化量，通过计算机进行实时监控和数据采集。并建立相应的试验评价 方法。满足深入研究的需求。 本课题研究思路是在分析水泥膨胀过程的基础上，建立水泥膨胀试验评价环境，通 过试验装置连续采集水泥浆体、塑性体、硬化体的变化量，并实时记录，分析评价水泥 膨胀效果。 研究内容如下： 1 ) 研究符合要求的试验容器； 2 ) 研究适用的试验装置结构； 3 ) 解决试验装置的加温、加压及密封问题； 4 ) 解决体积测量问题； 西安石油大学硕士学位论文 5 ) 数据采集及处理系统； 6 ) 建立试验评价方法。 1 5 本章小结 本章论述了开展固井水泥膨胀评价技术研究的目的和意义，综述了该技术国内外的 研究现状及其技术背景，论述了现有评价技术的现状及其不足之处，讨论了该评价技术 在固井领域的必须性及发展方向，阐述了课题研究目标、研究思路与研究内容。通过本 章论述，可以得出结论：开展固井水泥膨胀评价技术研究是解决固井过程中的油、气、 水窜问题，深入开展固膨胀井水泥浆研究的必须。 4 第二章同井水泥膨胀评价试验装置研制 第二章固井水泥膨胀评价试验装置研制 水泥浆固化过程中及固化后水泥石的膨胀和收缩对固井质量影响极大。水泥浆体及 水泥石的膨胀严重时将挤压损坏套管，收缩时使水泥环的胶结质量不能保证，严重时还 会形成间隙，这都可能造成同井失败。国内外学者多从固井水泥的作用机理、膨胀外加 剂及固井工艺方面展开研究，较少涉及水泥膨胀评价方法研究。现在还没有研究评价水 泥浆膨胀性能的专用仪器，目前都是采用比较简单的方法进行测试，效果不够理想，不 能在整个试验周期内连续测定试验条件下水泥塑性体和硬化体的体积随时间的变化量及 变化规律，因此不能满足解决固井现场问题及深入研究的需求。为此，我们根据需要研 制了s p m 0 1 型水泥膨胀模拟试验装置。 2 1 固井水泥膨胀评价方法研究现状综述 目前测定水泥浆体线膨胀、体膨胀的方法有：水泥条测长法、水泥块测长法、水泥 柱测长法、量筒法等。上述测试效果不是很理想，无法模拟水泥浆在井下的温度渐变和 压力渐变的环境，无法在整个试验周期内连续测定试验条件下水泥塑性体和硬化体体积 随时间变化的变化量，满足不了深入研究的需求。因此，开展固井水泥膨胀评价方法研 究，研制科学、适用的试验装置，对于科研和生产的指导具有重要意义。 高建明等人41 用水泥自生收缩测试仪对水泥收缩性能展开研究。采用 4 0 m m x 4 0 m m x l 6 0 m m 试件，自生收缩值的测试基准点时以浆体到达初凝时的试件长度 作为基准。该试验方法较科学反映出了水泥固化过程的变化量，但缺乏固井工程所需的 温度压力等现场条件，试验结果距现场应用有一定距离。仪器原理示意图所下示。 图2 1 水泥自生收缩测试示意图 夏树屏等人采用t m s 一2 型热执变形仪对镁水泥变形性展开了研究。美国p e 公司 的t m s 一2 型热执变形仪是借用d s c - - 2 型微量量热计程序温控系统和f d c 一1 电信号 记录系统。t m s 一2 主机仅提供样品台，炉体恒温系统，测高千分尺及电讯号转换系统， 高度变化以电位变化表示。该试验方法实现了测试自动化，避免了人为操作产生的误差， 但满足不了现场的压力模拟需求及水泥浆由液态到固态变化过程测量需求。仪器原理示 意图所下示。 西安石油大学硕士学位论文 图2 2 热变形仪工作原理 1 、标准炉体2 、石英压杆3 、样品4 、热电偶5 、浮子6 、砝码 7 、换电信号8 、程序控温系统9 、记录仪 姚晓囱吲1 1 1 采用膨胀量自动测定仪( 见图2 3 ) 对水泥膨胀研究。将水泥浆成型养 护2 4 h 后脱模，置于膨胀量自动测定仪中，在规定温度下连续测定水泥试体的线膨胀量。 该评价方法对水泥膨胀量进行了连续测定，直接得到膨胀数据，但无法在压力环境下自 动测定水泥膨胀。 图2 - 3 指针式塑性膨胀测定仪 另外，诸如水泥条( 长方体) 测长法、水泥块( 正方体) 测长法、水泥柱测长法、高温高 压水泥柱( 径向) 测长法等线膨胀的测定方法，均在一定程度上实现了对水泥膨胀变化量 的测量评价，但这些方法无法测定塑性体膨胀和硬化体早期膨胀。量筒法可测定水泥浆 的塑性体膨胀，但操作误差大，不能测定硬化体的膨胀。 高温高压注液平衡法、橡皮胶套毛细管法实现了体膨胀的测定，但与实际情况不符。 塑料袋法可测定水泥浆的塑性体膨胀但其硬化体膨胀测定误差大。常压膨胀仪法不能模 拟高温高压下的膨胀情况。孔隙压力法可反映水泥浆塑性体及硬化体的膨胀，只能测定 相对膨胀值。 综上所述，现有方法测试效果不是很理想，无法在整个试验周期内连续测定试验条 件下( 模拟井下温度、压力) 水泥塑性体和硬化体体积随时间产生的变化量，满足不了 6 第二章固井水泥膨胀评价试验装置研制 深入研究的需求。因此，评价方法应建立在模拟地层环境下，依据同井工况，在设定可 变温度压力条件下，连续自动测量固井水泥从液态到塑性体、再到硬化体整个过程中的 体积随时间的变化量，以满足深入研究的需求。模型如图2 3 所示。 图2 - 3 水泥膨胀评价模型 1 、温度环境2 、样品3 、压力环境4 、变化量测试5 、实时数据采集 2 2 评价装置参数模型研究 本节在前人对水泥膨胀机理研究基础上，分析了影响水泥膨胀温度、压力因素。讨 论了套管、水泥、井壁三方应力耦合对水泥膨胀评价影响程度。总结建立水泥膨胀评价 方法应考虑的因素。 l 、测试样品测量范围和测量精度 固井水泥水化反应将引起水泥浆塑性体收缩和硬化体收缩 3 1 。在养护1 2 0 h 后水泥 浆的体积收缩率( h v r ) 大于5 ，其中发生在初凝前的塑性体收缩小于h v r 的0 1 5 ， h v r 的9 0 以上是在水泥浆体强度达到a s t m 终凝值( o 1 o 1 4 m p a ) 之后发生的，即水 泥浆体积的减少主要发生在过渡时间结束以后。理论分析发现，在水灰比为0 4 0 时，相 对于水泥浆初始体积而言，h v r 为1 4 。m u l l e r 等【5 】采用油井水泥超声波动态弹模测定 仪，在7 7 c 下测得g 级油井水泥石1 d 的线膨胀率为- 4 0 2 。国内外有关油井水泥浆体 收缩率的研究结果见表2 1 i 3j 。 7 西安石油大学硕士学位论文 表2 1油井水泥浆体的线性膨胀率 g2 0o 1 0 s 一3 o 一5 2 7 2 g2 0 0 1 8 3 s 一4 9 g5 0o 1 2 9 g s 2o i 一1 4 一1 4 2 7 g6 00 10 0 2 g7 04 0 1 8 6 0 g7 5o 1 0 9 g7 7o 1 4 0 h7 70 13 1 g8 5 0 1 4 3 g9 00 1 一1 5 g 1 2 15 4 0 2 1 2 2 2 7 【 l i 1 0 0 40 0 8 f v 诅 v v i 注，* 测定的为体积膨胀率。l 为高温高压收缩仪ii 为 体积称重法；l 为期性收缩仪- t v 为测长法；v 为量俺法i 为动态弹摸法 结合上述研究，一般情况下，油井水泥浆体的体积膨胀率在一1 0 以下，特殊情况 可能超过一1 0 。但对于固井水泥浆的技术要求，最关键的在于加入外加剂，使水泥浆 在固井作业的凝固过程中，体积膨胀率趋近于零，甚至产生少量正向膨胀，这样对于提 高固井质量至关重要。因此，检测水泥浆体样品由塑性体到硬化体的变化过程中，以常 规样品用量为5 0 c m 3 为例，膨胀变化量的范围为5 0 x1 0 ，即士5a l l 3 ，现在取测量范围为 + 1 00 1 1 3 ，完全可以满足试验要求。而且在实际研究或评价时，要求样品的膨胀变化量越 小越好，通常理想样品的膨胀变化量范围是在零点附近，即样品产生膨胀或收缩的量很 小。样品的检测精度确定为土0 0 5c m a ，为+ 1 0g i l l a 的o 5 ，可以满足试验的需要。 2 、工作温度 研究认为胶凝过程中温度的变化是一个非常复杂的过程。水泥环温度变化过程可 分为三个阶段。第一阶段为注水泥结束以后，地层向井眼环空的放热( 吸热) 阶段。第二阶 段是水泥自发水化热升温；第三阶段为温度递减阶段，使温度逐渐接近地层温度，见图 2 4 。 8 第二章固井水泥膨胀评价试验装置研制 l l 圣啪 3 0 09 6 0 01 9 2 0 02 8 9 0 03 8 4 0 04 8 0 0 0 t = 图2 _ 4 初始温度下水泥浆内的温度变化曲线 因此在进行水泥膨胀评价试验时，必须考虑到水泥在井下的温度变化过程，即模拟 地层与井眼环空之间的热交换、水泥水化发热升温和温度逐渐接近地层原始温度三个阶 段。需要进行合理设计以满足井下水泥温度变化平衡过程，考虑固井施工现场的需要， 特别是为了满足试验室内对相关项目研究的要求，确定了仪器的工作温度为室温 1 8 0 ，这样大部分井深( 即5 0 0 0 m 以内) 深度的试验要求可以满足。为了适合试验室 工作，仪器有5 0 段可自由设定的程序控温功能，即在一个试验周期内，最多可选定5 0 段的升温、恒温和降温段，升、降温速率和恒温时间在仪器功能范围内可自由选择，这 样，可以满足对样品试验条件的不同要求，达到预定的试验结果。 3 、工作压力 研究认为c a ( o h ) 2 的结晶压为2 7 1 m p a ，生成m g ( o h ) 2 的结晶压为11 5 m p a ，生成 a f t 的结晶压为2 4 1 m p a ，但这些结晶压不足以引起水泥浆体体积膨胀。水泥浆体的膨胀 影响因素有外部的应力和材料的本身变形模量： 寻吖e( 2 一1 ) 式中： _ 应变 。一应力 洲料的变形模量 结晶压p m a x 并不等于材料的应力，因为晶体与水泥浆体间的相互作用只能发生在试 体中两者紧密接触的限制空间，即 o = 西。a p m 瓢 ( 2 - 2 ) 式中西。为膨胀剂晶体和浆体间紧密接触面积占试体总截面积的份数，它是试体孔隙 率、膨胀剂水化产物数量、大小、几何形状和所处位置的函数。因此，实验测定的水泥浆 体的膨胀应力。远小于膨胀剂的最大结晶压力p 。懈。 自然胶凝过程中水泥浆封固段各点的压力降变化规律可以用下式表示【9 】： a p = d p m x t ( a t + t ) ( 2 - 3 ) 式中，p 为某一时刻压力降低值，k p a ；d p m 为最终的压力降低值，k p a ；魄为水泥浆环 9 西安石油大学硕士学位论文 空压降值达到最终压降值一半时所对应的时间，称为水泥水化热半衰期，s ；t 为时间，s 。 结合上述学者研究成果，认为，对于固井膨胀水泥浆而言，压力达到i o m p a 左右， 其变化量已经非常小。如果设计工作压力达到几十m p a ，技术上可以做到，但仪器结构 将比较复杂，压力测试精度要相对降低，而反映出试验结果的趋势是相同的。在固井水 泥研究中，主要是解决水泥浆的降失水和体积收缩问题，降失水可用其它方法试验，不 是本仪器的检测目标。水泥浆的体积收缩或膨胀是本仪器的主要检测目标。固井水泥浆 通过加入外加剂，减少或解决其收缩问题，这对于防止气窜、水窜或油窜，提高胶结强 度，保证固井质量，至关重要。而检测水泥浆样品在凝固过程中的体积变化量和变化规 律，对于研究评价水泥浆和外加剂的相关性能，具有更直观的效果。因此选择i o m p a 的工作压力即可以满足试验的需要，也便于仪器的生产和进一步推广应用。国内外关于 水泥浆相关性能的研究试验大多都是在i o m p a 以下的压力条件下完成的。 在固井过程中，水泥浆体承受压力是一个增加、稳定、失重、平衡的渐变过程。普 通水泥浆测试仪器一般没有自动控压功能，不能满足水泥浆体系固化过程的模拟需求， 不能很好地反映井筒实际变化。因此，水泥膨胀模拟试验需要具有自动加压、降压、程 序智能编排控压、即时压力显示趋势功能的压力系统供给系统，达到模拟水泥浆动态承 压状态的目的。 4 、连续工作时间 据有关理论研究h 4 1 认为，混凝土或水泥浆体2 8 d 自生收缩值的3 0 5 0 时在成 型后l d 内产生的。在水泥同井作业中，体积收缩是一个较长期的缓慢变化的过程，主要 收缩发生在初凝之后，因此仪器检测水泥浆膨胀变化后的周期应达到较长时间。一般试 验，对于了解固井水泥浆的主要膨胀变化量和变化规律或评价相关外加剂抑制收缩的效 果，几十小时的时间即可以比较明显的观察到试验结果，以便于进一步改进加量配比， 尽快达到理想的效果。一般试验时间可选用2 4 h ，对于有些特殊试验，试验周期可以更 长一些，以便于了解相关样品在试验条件下较长时期的膨胀变化量及变化规律。综合考 虑仪器常用状态和最佳效果，试验周期也不易过长，现在仪器确定为3 6 0 h ，即在3 6 0h 之内可以根据需要，任意选定试验时间。如果需要更长时间，可在3 6 0 h 之后，不改变 试验状态，重新开始另一个周期，这样即可以得到连续的试验结果，试验周期可以任意 加长。我们运行仪器的试验周期已经做到3 6 0 h 。但随着试验周期的加长，取样点的间隔 时间相对也要加长。 2 3 装置总体研究方案 根据调研情况，结合水泥浆固化特点，确定了总体方案设计：研制一种方便、适用 的试验装置，在模拟井下的温度及压力条件下，利用精密传感器检测出温度、压力、体 积参数，通过计算机进行实时监控和数据采集、处理、显示并打印出试验参数、检测数 据及变化规律曲线，反映出温度压力条件下水泥浆体在固化过程中的体积变化量和变化 1 0 第二章固井水泥膨胀评价试验装置研制 规律。 按照仪器的功能需求，确定了装置的整体结构框架，如图2 5 所示： i 加温部件 测试部件 h 信号转换 h数据处理 加压部件 图2 5 装置结构示意图 结构方案中各部分功能如下： 测试部件：承载试验样品，并将样品体积变化量转换为相应的电信号。 加温部件：为试验提供可控的温度。 加压部件：为试验提供所需的可控压力。 信号转换部件：将测量的体积变化量信号、温度信号和压力信号转化后，输入到数 据采集系统。 数据处理系统：将各相关信号适当处理，经有关计算，显示测量的各参数，绘制变 化规律曲线。 2 5 样机设计 依据调研情况，以及我们的技术条件，确定了试验装置的实施技术方案，主要有如 下内容： ( 1 ) 、配置加热、控温部件，试验温度范围： 室温1 8 0 ； ( 2 ) 、配置压力控制部件，试验压力范围：0 1 0 m p a ； ( 3 ) 、样品检测量：4 0 1 0 0 m l 体积测量范围：4 - 1 0m m 检测精度：5 o ( 4 ) 、设计试验装置的整体结构，达到试验科学、准确，操作方便、安全。 西安石油人学硕士学位论文 高 e l 田t 二畛 a n9 m 刊 般 厂7 性幽斟， 、i i ) 圆增 7 t一 厩i i ! i tl 蓐 上j 一 i 一 i ii 廿 图2 - 6 装置整体结构示意图 针对水泥固化膨胀过程的特点，结合现有工业技术水平，开展了水泥膨胀模拟试验 装置样机设计，样机示意图如2 7 所示： 图2 - 7 样机流程示意图 1 、液压源2 、进油阀3 、液压缸4 、增压容器5 、进液阀6 、气源7 、进气阀 8 、测压组件9 、测压组件1 0 、加热器1 1 、测试组件1 2 、传感器1 3 、排空阀 l 、样机流程设计 仪器的流程采用单路串联工作方式，通过增压装置，使试验样品与加压介质分离， 避免两者混合影响试验结果。仪器的高压试验，利用气源作为压力源。经过增压装置， 可使试验压力达到1 0 m p a ，满足不同井深的试验需求。为试验方便，仪器同时配备分路 接口，可直接用气源加压，满足4 m p a 以下较低压力的试验需要，也可以利用高压试验 流程进行低压试验，但一般不要直接利用气源进行高压试验，以避免在高温高压状态下 发生危险。各流程段采用开关阀连接，可以很方便地进行流程组合控制。仪器的几种流 程示意图如下： 1 2 第二章同井水泥膨胀评价试验装置研制 图2 8 液压高压试验流程示意图 1 、泄压阀2 、液压源3 、进油阀4 、液压缸5 、增压容器6 、进液阀 7 、测压组件8 、测试阀9 、测试组件1 0 、排空阀 图2 - 9 气压高压试验流程示意图 1 、气压源2 、泄压阀3 、进气阀4 、液压缸5 、增压容器6 、进液阀 7 、测压组件8 、测试阀9 、测试组件1 0 、排空阀 图2 一1 0 气压低压试验流程示意图 1 、泄压阀2 、气压源3 、进气阀4 、测压组件5 、测试阀6 、测试组件7 、排空阀 仪器试验工作流程大致如下：在测试组件内放好待测测样品，由压力源供给所需压 力，程序控温达到要求温度后，启动测试阀，由传感器测量样品变化量，经数据采集系 统处理、显示、打印各试验参数，给出试验过程数据并给出试验过程的曲线图。 2 、测试部件的设计 测试系统是本装置的关键部分。为达到试验的方便、安全和样品的精确检测，特别 设计了测试部件。装置测试部件包括测试杯、传感器、测试控制阀等，示意图家按下图。 西安石油大学硕士学位论文 图2 - 1 1 测试部件示意图 1 、传感器2 、测试杯3 、测试阀4 、压力源5 、试验样品 为了能迅速准确地测量出样品的变化量，需要性能稳定的传感器并能耐受高温高压 及在溶液中浸泡的工作条件，一般普通传感器不能达到这种要求，为此，对传感器的安 装结构、选材等作了精心设计。设计加工了一种特殊结构的传感器。现在传感器可在压 力1 0 m p a ，温度1 8 0 的溶液中正常工作，输出信号准确稳定，能满足实验要求，达到 0 一士1 0 m m + 0 1 m m 的设计要求。传感器和变送器，采用了高精度组件，交流信号传输， 防止外界干扰，保证检测精度能够达到仪器的需求。 所设计的测试杯，既作为试验样品的养护釜，又作为样品变化量测量的场所。避免 因变换养护与测试环境引起的测量误差及测量环境的失真。测试部件要既能够方便地定 量加入试验样品，又能在水泥样品凝固之后便于取出，还要保证在试验过程中样品与加 压介质隔离而不互相影响，同时还要保证能检测到样品的微小变形，便于操作。测试部 件的工作状态，基本可以模拟地层的温度、压力条件，因此，测试过程和结果，可以反 映现场工作条件下的变化情况，有助于针对性地解决现场的实际问题。 3 、温度控制部件的设计 精确的温度控制是仪器完成试验的重要组成部分，本部分主要由控制器、传感器、 加热器组成。 由温控器给定试验温度，加热器使测试部件升温，传感器感应温度信号，闭环控制 实现试验需求。加热器采用内加热方式，专门设计了加热套和保温套。温度范围达到室 温1 8 0 士l 。为达到试验所需的各种升、降温及恒温要求，选用了程序设定的温度 控制器。这种温控器采用先进的专家p i d 智能调节算法，在一个试验周期内自由设定可 达5 0 段的温度控制段，控温精度高，工作稳定可靠，使相关试验所需的温度条件可以自 由组合，方便易行。温度传感器采用高精度铂电阻，感应灵敏，控温精确。 为保证加热功能安全可靠，采用了传感器故障报警并停止加热，超限报警，过温断 电等三重保护措施，确保仪器和操作人员安全，不至发生意外损伤事故。 1 4 第二章固井水泥膨胀评价试验装置研制 图2 1 2 温度控制部件框图 4 、压力控制部件的设计 由于受试验条件及过程的限制，试验过程中的压力稳定是比较难解决的问题，为此。 我们反复论证及试验，选用气体加压及增压的结构方案，工作压力可达1 0 m p a 。 压力供给系统主要由压力输入系统、压力控制系统组成、压力输出系统组成。系统 采用气体供压，由于试验压力高、容积小，试验压力自动调节可控性差。通过分析计算， 采用逐级缓冲、分段进气手段，解决了这一技术难题( 见图1 ) 。 图2 一1 3 微控压力控制流程图 根据理论理想气体方程p v = k r t ，p l c 实时采集、对比、计算压力输入系统、压 力输出系统、试验容器的压力值，在设定的时间、压力以及控制方式初始条件下，自动 选择压力控制的频度，对试验压力系统闭环控制，实现自动加压、降压、程序智能编排 控压、即时压力显示等功能( 控压精度：0 0 5m p a ) 本装置采用高精度压力传感器检测，监控试验所需压力，由变送器将压力信号转换 并传输到数据处理系统，进行显示、记录和存储。 压力提供采用气压和液压两套加压系统，可以单独应用，也可以根据需要组合应用， 提供试验所需的压力。压力流程采用单路串联方式，各部分由开关阀连通，进口端装有 卸压阀，出口端装有排空阀，可以非常方便地控制各部分的压力，达到试验的要求。 仪器工作压力达到1 0 m p a ，压力流程部分各零配件承受压力达到1 5 m p a 以上，为保 证各连接接头承受压力，连接管线均采用不锈钢管，利用金属密封环压紧，保证各件不 会因受压脱落，也不会泄露。各阀门采用不锈钢微调针阀，以保证工作要求。测试组件 采用特制密封环密封，既保证溶液不泄露，又保证能耐受高温，而且不会由试验溶液引 起物理、化学变化。下面是主要承压部件的强度校核计算。 测试杯设计参数： 工作压力：1 0 m p a 杯体外径：d o = 6 0 m m 西安石油大学硕士学位论文 杯体内径：d l = 3 5 6 m m 接头螺纹：m 4 0 x 2 端盖螺纹：m 5 2 x 2 端盖厚度：6 8 m m 抗拉强度：o b = 5 0 0 m p a o s = 2 0 0 m p a 壁厚较核： 杯体壁厚 6 ： ! 兰里 + c ( 4 1 ) 2 3 p 卜p 、壬， 式中： 甲一强度系数取l c 一腐蚀余量取0 2 m m p 一杯体内工作压力取1 0 m p a d 一杯体内径取3 5 6 m m o 卜一杯体材料的许用应力 【o 】= 6 b n a b 一杯体材料的抗拉强度取5 0 0 m p a l l 安全系数取3 代入式( 1 ) 计算得：1 1 5 3 5 7 即：6 = 1 1 5 3 5 7 m m 实际厚度：6 = 1 0m m ，杯体符合安全要求。 2 6 数据采集系统的设计 数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计 算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。数据采集技 术是信息科学的一个重要分支，它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成 了现代检测技术基础。主要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等作业，具有很强 的实用性。随着大规模集成电路与计算机科学技术的发展，数据采集技术已在通信、遥 感、语音处理、智能仪器、以及工业自动化等众多领域得到广泛的应用n 7 1 。 s p m 0 1 数据采集软件系统是s p m 0 1 型水泥固化膨胀模拟试验装置的专用配套软 件。主要功能为传感器信号的d a 转换、传输、处理，以及数据和图形的显示、存储、 调用和对比。主机的各试验参数，经传感器转换为电信号，经过放大、滤波等处理后， 由计算机即时采集、计算处理、显示试验曲线并储存。为了使采集数据准确、迅速，选 用了1 2 位高精度高速的a d 数据采集板。 v b 是m i c r o s o f t 公司开发的主力编程语言之一。由于它避开了c + + 编程过分繁琐 1 6 第二章同井水泥膨胀评价试验装置研制 和抽象的缺点，同时又能实现大多数w i n d o w s 编程目的，被认为是w i n d o w s 下系统界面 设计的最好程序设计语言之一。基于上述特点，本文在w i n d o w s 环境下，利用 v i s u a l b a s i c 6 0 设计了数据采集系统。s p m o l 数据采集软件系统是在w i n d o w sx p p r o f e s s i o n a l 平台开发的标准w i n d o w s 应用程序，具有同其它标准w i n d o w s 应用程序几 乎一致的运行和操作方式，从而保证了软件操作方式的规范化、实用化、简单化。 该软件具有实时监控试验状态的功能；自动采集、处理、显示数据的功能；打印试 验参数、检测数据及变化规律曲线，反映出温度压力条件下水泥浆体在固化过程中的体 积变化量和变化规律的功能。 l 、数据采集软件的框架设计 主要包括数据的传输、处理。在驱动程序的控制下将采集到的外部信号先存放在采 集卡上的缓冲区中，驱动程序再将缓冲区中数据放到驱动程序的缓冲区中，最后，v b 通过调用动态连接库，可以实现在w i n d o w s 下高速、实时、连续采集信号，原理见图2 1 4 。 ，4 、 墅苎 图2 1 4 数据采集系统原理图 2 、登录窗口设计 由于数据采集系统属专用软件，所采集管理的数据资料属用户的企业机密，因此需 要施以必要的保护措施。本系统只有在拥有用户名和密码的合法用户才可操作使用。在 如图所示的界面中，如果输入的用户名和密码正确，点击“确定”按钮或按“回车”键就可 以进入系统的主操作界面。 1 7 西安石油大学硕士学位论文 圄2 一1 5 数据采羹系统登录界面囤 3 、数据处理 软件系统得到的数据为多通道数据包，包括温度、压力、位移等传感器电压信号。 首先，按预先要求的时阳j 问隔采集电压信号，然后把电压信号转化为实际的预4 量值，再 把测量值按一定格式存储在数据文件里，以便查询调用。 4 、图形绘制 v b 提供了多种绘图方法，主要有：p o i n t 、l i n e 、p a i n t p i c t u r e 、p s e t 、c i r c l e 等，本软 件主要采用了l i n e 方法。实现过程：首先在窗体中放置一个图片框p i c t u r e b o x ，然后按需 要设计坐标系，时间为横坐标，相关测量值为纵坐标，计时取变量值，用方法l i n e 绘制 出该坐标系下的曲线图形，从而达到动态观测试验效果的目的。见囤2 1 6 。 斡j 二l 一 r ! ，l j ；瓣| ；i j ii ： ： | l ；* k 一i r 一i ? li 目 j ；i ；。 囤2 - 1 6 图形绘制界面国 5 、数据存储 文件是存储在外部介质( 如硬盘) 上的用文件名标识的数据的集台。计算机的大量 数据都是以文件的形式存放的，v b 提供了三种访问文件