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水泥靜凝膠強度檢測技術

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。

關鍵詞：水泥；凝膠強度；測試；儀器

中圖分類號：P631.31

文獻標識碼：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，主要從事檢測技術及自動控制工作，北京市海淀區(qū)學院路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，主導著社會生活的各個方面，包括人們的吃、穿、住、行。據最新數據統(tǒng)計,我國石油和天然氣資源量達到了940億噸，而我們只發(fā)現了22%，天然氣總量為38億萬立方米，現在僅僅探明了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)技術及中國復雜的地理環(huán)境。近來，隨著世界經濟放緩，石油行業(yè)價格大幅波動，國內石油企業(yè)壓力驟增，為應對行業(yè)危機紛紛提出降本增效的戰(zhàn)略方針，為了實現這一目標，大家把關注點又一次聚焦于油田技術開發(fā)水平之上。可見，油氣資源開發(fā)水平的提高已是當務之急。

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)，目的是保護和支撐油氣井內的套管，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)由于水泥質量問題，使在環(huán)空中水泥與套管或地層膠結面的膠結質量差，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，固井質量不合格；

(2)產層的產能失去保護，造成產能下降；

(3)發(fā)生井噴事故；

(4)多次擠水泥，使固井施工重復作業(yè)。

3MACⅡ多功能評價儀的引進

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，以國內現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，在現有技術與基礎理論能力的基礎上，我所從美國Fann儀器公司引進了國內首臺MACⅡ高溫高壓水泥靜凝膠強度多功能測定儀。

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)會標準設計研究，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度、水泥黏度、水泥稠度和水泥強度可從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整體框架式結構，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)；電機及傳動裝置(降速傳動為皮帶式傳動，外部動力依靠磁驅動攪拌葉片)；溫度傳感器及；凝膠強度測試單元。儀器整體結構簡潔、緊湊。

圖1　儀器外觀

圖2為MACⅡ內部結構，MACⅡ的壓力控制單元、控溫裝置、釜體及拆裝電控執(zhí)行機構集成在一個可電控滑動的托盤上，托盤絕緣且有足夠的強度支撐全部重量。壓力通過比例增壓泵實現高壓，最高壓力可達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。釜體轉動和上下位移執(zhí)行機構，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格控制。

圖2　MACⅡ內部結構

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316℃；

(2)最高壓力207MPa;

(3)以水為媒介進行加壓；

(4)無級調速；

(5)無測試時間限制；

(6)能實現低溫測試；

(7)轉速為非接觸式控制；

(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，使所測數據具有同行業(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間任一轉速制備水泥樣品，使其達到實際井下狀態(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度及過度時間，根據所得數據分析結果對水泥樣品的防氣竄特性進行評價。

MACⅡ能夠保持以0.216°/min的轉速持續(xù)工作，此轉速相當于轉一圈要用超過一天的時間。而轉速范圍可以從1r/min到150r/min，也可以選擇為0.216°min到360°/min。其電機轉速方向可順/逆時針雙方向旋轉。

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，確保溫度的準確性，控溫精度能達到0.1℃，在降溫時以三種介質兩個溫度節(jié)點進行安全降溫，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)，擁有強大的控制、編輯實時繪圖等功能，實現基本控制的同時，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、增壓泵等所有控制執(zhí)行機構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)行機構，便于使用者了解儀器的基本構造和工作方式。

圖3　MACⅡ虛擬可視化控制界面

MACⅡ軟件中包括了壓力、溫度、轉速、扭矩四個重要的校準模塊，確保了儀器工作時實驗員所設參數真實、準確、無誤。可靠性測試是MACⅡ又一特點，雖然校準模塊能夠保證儀器硬件的準確，但是軟件檢測及計算結果才是決定性的環(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行評價，相對于人工的檢測要客觀、準確。

5儀器測試歷史數據

在學習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　合格產品數據繪圖

(2)圖5結果：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果。

圖5　問題產品數據繪圖

(3)圖6結果：成膠時間太長，需要修改配方，降低凝膠時間。

圖6　問題產品數據繪圖

6總結

對MACⅡ儀器有了一定地認識，我將MACⅡ與其他儀器做了一些基本的比較，MACⅡ與現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行比對，而且實驗人員需要額外的設備攪拌和老化水泥漿，同時水泥氣竄評價裝置也要預熱加壓，達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，關鍵點在其測試結果是在邏輯推

理的基礎上得出的結論，影響了數據的真實性。MACⅡ靜凝膠測定儀則截然相反，整個測試過程完模擬實際應用情況，測試前可以對樣品進行攪拌，測試過程中可自動升溫升壓，并可設定微小的轉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據真實體現。也正因為MACⅡ突出特點，API協(xié)會認定其為水泥漿凝膠強度最可靠，最真實的測定儀。

參考文獻：

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