5.6.2.1　深水固井水泥浆评价设备

为模拟深水低温环境，针对深水固井水泥浆进行物理性能检测实验，需要一系列相关评价设备。

1）低温稠化仪

低温高压稠化仪设备分为三大系统：增压型双缸稠化仪系统、增压冷却循环系统和高效制冷系统。即在现有的增压型双缸稠化仪的基础上，增加冷却循环系统与高效制冷设备。仪器按以下原则进行设计：

①原来高温高压试验系统基本不变，保持原技术指标，只是在增压釜进出油口处加装两只三通和两只高压阀，引入低温制冷系统。

②当低温试验时开启两只高压阀，高温试验时关闭这两只高压阀。

③低温制冷系统分为制冷机组和自液循环系统两部分。

④自液循环系统的核心部件为自行设计的高压循环泵。

⑤制冷机组的主要部件为压缩机冷凝器节流阀和蒸发器，其中蒸发器为自行设计，其独到之处在于制冷量直接传递到自液循环系统的稠化油，与釜内热量交换。

2）低温养护釜

根据养护釜研制原理，用于深水固井评价的低温养护釜大体分为三大系统：增压型单缸养护釜系统、增压冷却循环系统和制冷系统。

①增压型单缸养护釜系统应严格按照API规范10的要求进行设计。它能模拟井下高温高压条件下，水泥浆养护一定时间，形成标准的水泥石模块，提供给压力试验机进行抗压强度试验。该系统由压力釜、气驱增压泵、气动液压管路系统、自动起吊装置、温度控制系统、压力报警系统及冷却系统组成。

②增压冷却循环系统和制冷系统组成低温制冷单缸养护釜的冷却装置。该装置的设计构思依据中国海油在海洋固井作业中所遇到的困难和作业所处的实际环境条件，同时该装置的生产吸收了高温高压稠化仪设备中磁力驱动装置的生产经验。该装置由高压冷却釜、高压磁力循环泵、高压冷却釜外套及制冷源组成。该冷却设备是在增压型单缸养护釜自带的冷却系统进行初冷却后，再次对增压型单缸养护釜进行深度冷却，使其达到海洋作业所需温度。经过高温养护和低温冷却的反复试验来测试水泥石在高、低温交替变化条件下的抗压强度。低温高压养护釜正常工作时主要性能参数包括：最低温度：0℃；最大降温速率：0.5℃／min；最高压力：100MPa。

3）机械式凝胶强度测定仪

传统的静胶凝强度分析仪是利用穿透水泥浆的超声波强度，来计算水泥浆的静胶凝强度，但这种测量理论和测量方法只适用于少数特定的水泥浆体系，对大多数水泥浆体系并不适用，因此对固井作业的环境参数有限制。机械式凝胶强度测定仪是依靠标准稠化杯桨叶在水泥浆杯中进行微弱的相对旋转（API规范10中规定为0.02 r／min），来切割水泥浆中的胶体结构。这样，在对水泥浆体系有轻微损坏的情况下，直接测得水泥浆体系的静胶凝强度。这种测试理论和测试方法是遵循API规范10B的。同时对实际固井作业的环境参数没有任何限制，适用于所有的水泥浆体系。

机械式凝胶强度测定仪器的工作原理如下：

①固定式桨叶的形状是根据API规范10制定的。

②根据API规范10，浆杯在水泥浆体系中以恒定的速度旋转（速度是150 r／min）。浆杯旋转时，水泥浆的稠度会对桨叶产生一个反作用力（F1）。该力通过桨叶轴作用在磁力驱动器的内磁驱部件上（F1）。

③内磁驱部件与外磁驱部件之间通过磁场连接，这样，内磁驱部件上的作用力（F1）通过磁场传递给外磁驱部件（F2）。

④外磁驱部件与伺服电机之间是机械连接，外磁驱部件的作用力（F2）通过机械连接传递给伺服电机（F3）。

⑤伺服电机要以恒定的速度转动，必须克服作用力（F3）。因此作用力（F3）的变化必然会导致电机功率的变化。可以通过测量电机电流的变化，计算出桨叶所受的反作用力（F1），从而测得水泥浆体系的参数。

4）模拟地层环境水泥水化放热测定仪

如图5-17所示的模拟地层环境水泥水化放热测定仪，主要按照GB／T 12959—2008水泥水化热试验方法进行研制，可以同时记录多组水泥浆浆体温度的变化。系统采用高精度温度传感器采集热量计中水泥的温度变化，多组热量计被安装在一个带数控装置的恒温循环水槽中以保证外界温度的恒定，热量值的变化被多通道数据采集装置实时采集并传输到电脑上，软件自动分析数据。

图5-17　模拟地层环境水泥水化放热测定仪原理图

如图5-18所示的模拟地层环境水泥水化放热测定仪的技术参数如下：热量计位数：16个；控温范围：0～100℃，控温精度；±0.1℃（温度任意可调）；制冷方式：原装进口压缩机制冷（独立制冷）；加热方式：加热管加热（工艺流程自动控制）；控制方式：数显工艺流程温控（微电脑）；工作电源：AC220 V±10%V，50 Hz。

图5-18　模拟地层环境水泥水化放热测定仪

温度采集系统采用高精度芯片。传感器采集热量计中水泥的温度变化，温度分辨率为0.001℃。高精度温传感器具有自动修正功能，简单方便，人性化，可远程监测热量计中水泥的温度变化情况。该系统分析软件可以配任意一台电脑，以防实验时电脑出现故障而停止实验。热量值的变化被多通道数据采集装置实时采集并传输到电脑上，综合热量输出曲线的比率可给出整个热量输出曲线，并自动计算出1～7 d热量数据。

5.6.2.2　深水固井水泥浆评价方法

1）水泥浆防窜系数评价方法

近年来人们对油气井固井的窜流问题更加关注，尽管如此，并没有任何行业认可的标准方法（API或ISO）来评价窜流问题，从而造成对许多方法和定义的误解。国内外有许多评价和预测水泥浆防窜性能的模式与方法，普遍采用的有以下几种。

（1）气窜因子（FGFP）法

气窜因子法是由Sutton等于1984年提出的，并称之为“气体流动可能性”。定义为水泥浆柱失重的最大压降与井下过平衡静水压力的比值：

式中　FGFP——气窜因子（FGFP＜1理论上不会气窜，FGFP＞1有气窜危险）；

PRmax——水泥浆失重引起的最大压降（MPa）；(www.daowen.com)

POBR——初始过平衡压力（MPa）；

L——尾浆封长（m）；

Dh——井径（mm）；

Dc——套管外径（mm）；

Pst——注水泥浆后初始静液柱压力（MPa）；

Pg——气层压力（MPa）。

（2）水泥浆性能系数（SPN）法

SPN法计算公式如下：

式中　SPN——水泥浆性能系数；

FL——API失水（ml，6.9MPa、30min）；

t100——稠度达到100 Bc的时间（min）；

t30——稠度达到30 Bc的时间（min）。

应用SPN值评价水泥浆防气窜性能的标准是SPN值越小，防气窜能力越强，见表5-18。由以上公式也可看出，稠化过渡时间越短，失水量越小，SPN值越小，即防气窜能力越强。

表5-18　水泥浆防气窜性能评价标准

（3）水泥浆性能响应系数（SRN）法

SRN法计算公式如下：

式中　SRN——70≤SRN≤170时，防气窜好；170＜SRN≤230时，防气窜中等；SRN＞230时，防气窜差。

dSGS／dt——静胶凝强度最大增长速率。

SGSX——增长速率最大时的静胶凝强度。

dl／dt——SGSX时的滤失速率。

V——单位长度的环空体积。

A——单位长度的井壁面积。

2）水泥浆对浅水流的抑制性能评价

浅水流的产生与深水泥线下高压盐水和高压气体的存在密切相关。要抑制浅水流的危害，关键在于解决浅水流气上窜的可能性，除了要对井场情况有充分了解并采取针对性的预防措施外，现场水泥浆的密度及在整个候凝期间的压力传递性能是抑制浅水流的关键。无论是浅水流的高压还是浅层水可能产生的涌动，都与水泥浆的压力传递性能有关。与油气水的窜流一样，浅水流的窜流首先需要低密度的液柱将高压流体封闭在地层。其次，在水泥浆的候凝期间，要保证水泥浆的液柱压力传递一直持续进行，直到水泥浆完全凝固。水泥浆凝固为坚硬的水泥以前，有两个过程可能导致水泥浆丧失传递液柱压力的能力：一个是水泥浆向地层的滤失，另一个是水泥浆静凝胶强度的发展。凝胶强度的发展最终导致水泥浆的凝固，而这个过程也伴随着水泥浆的失重，只有在水泥浆的失重足够小而水泥浆的候凝强度达到足够抑制地层高压流体的进入时，浅水流的危害才能得到解除。因此，要求水泥浆体系具有更好的直角凝固特征，即一旦凝胶强度开始发展即可以迅速达到抑制浅水流的水平。

经过以上理论分析，可知抗浅水流水泥浆应具备以下性能：

①随温度升高水泥浆稠化时间应呈现严格缩短趋势，以利于水泥浆液注压力的传递。

②水泥浆稠化过渡时间控制在30min以内，有利于水泥浆由液态过渡到固态过程中能够在足够短的时间内形成较高的凝胶强度，以抑制浅水流的影响。

③水泥浆早期强度发展要迅速，能够在较短的时间形成足够的强度以降低浅水流作用的风险。

3）防浅水流水泥浆体系的稳定性

自由液是评价水泥浆体系的一个主要指标。通过研究，发现采用聚合物配制的低温低密度水泥浆体系没有自由液产生。沉降是在悬浮液体系（一般悬浮颗粒的粒径≥0.1μm）中，悬浮颗粒在重力作用下沿重力方向不断运动，直至达到新的平衡的一种物理化学现象。由于水泥颗粒的粒径一般为1～100μm，且难溶于水，因而水泥浆处于一种悬浮分散状态。在低密度的情况下，沉降稳定性将更多表现为减轻剂上浮的稳定性，大量的减轻剂上浮将降低上部井眼的固井水泥石强度，从而进一步降低固井质量。所以，应该保证油井水泥浆体系的选择及设计满足水泥浆悬浮稳定性的要求，确保水泥浆顶替后不在环空中形成连通窜槽。

对表层套管使用的硅酸盐水泥浆的沉降稳定性研究表明，该水泥浆体系具有较好的颗粒悬浮能力和颗粒携带能力。在7℃、10℃、20℃、30℃的不同温度情况下，静置5 h的沉降稳定性试验表明，其上下密度差均在0.01g／cm3以内，体系具有优良的沉降和悬浮稳定性能，见表5-19。

表5-19　水泥浆的沉降悬浮稳定性

由于水泥浆的增强剂和减轻剂的颗粒悬浮能力强，再加上CG88L聚合物较好的护胶悬浮能力，可以有效地保证水泥浆在整个稠化凝固期间浆体的均匀稳定，能够有效地防止由水泥浆沉降失稳造成的油气水窜，从而保证固井封固质量。