剪切速率對水泥漿稠化時間的影響規(guī)律

馮望生， 宋偉賓， 鄭會鍇， 李宗要， 謝承斌

(天津中油渤星工程科技有限公司，天津 300451)

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?鉆井完井?

剪切速率對水泥漿稠化時間的影響規(guī)律

馮望生， 宋偉賓， 鄭會鍇， 李宗要， 謝承斌

(天津中油渤星工程科技有限公司，天津 300451)

剪切速率對水泥漿稠化時間的影響比較大，確定水泥漿真實的稠化時間能夠保障固井安全。引用水泥漿在井眼內和室內稠化試驗2種狀態(tài)下的剪切速率數(shù)學模型，根據(jù)水泥漿在不同剪切速率下的稠化試驗結果(30和80 ℃)，分析剪切速率對水泥漿稠化時間的影響規(guī)律。30 ℃時，在22～652/s的剪切速率范圍內，稠化時間偏差超過2 h，剪切速率低時稠化時間短；80 ℃時，在177～885/s的剪切速率范圍內，稠化時間偏差在1 h內，剪切速率高時稠化時間短。研究結果表明，選用150 r/min的轉速進行稠化試驗，能較好地模擬大多數(shù)固井情況下的稠化時間，但對于大直徑表層套管固井和小間隙固井，應根據(jù)實際情況選用合適的剪切速率進行水泥漿稠化試驗，才能模擬固井施工時的稠化時間，確保固井施工的安全。

固井；剪切速率；水泥漿；稠化時間

固井質量對油氣井壽命、油氣井產(chǎn)能、勘探開發(fā)的總體效益影響很大，而水泥漿性能是影響固井質量的主要因素[1-2]。稠化性能是水泥漿的一個重要指標，反映了井下環(huán)境水泥漿的可泵時間和稠化時間，直接關系著固井施工的安全。在確定的井眼條件下，影響水泥漿稠化時間的外部因素主要包括溫度、壓力、混合能及剪切速率。稠化時間與溫度、壓力存在線性關系[2]，混合能對水泥漿稠化時間的影響顯著，混合能越高，水泥漿稠化時間越短，國內外文獻已經(jīng)有過詳細的報道[3-5]。剪切速率對水泥漿稠化時間的影響，國外文獻也有過相關報道，S.O.Kwelle等人[6]研究了不同溫度下水泥漿剪切速率和稠化時間的關系，但是沒有與實踐相結合；D.L.Purvis 等人[7]進行了剪切速率影響水泥漿稠化時間的理論研究，并開展了相關的稠化試驗，但與實踐的相關性不強。國內在剪切速率對水泥漿稠化時間影響方面的研究非常少。

剪切速率不同，水泥漿的稠化時間也不同，但目前在測定水泥漿稠化時間時，稠化儀的轉速都選用150 r/min，這必然會影響水泥漿稠化時間的準確性。為此，筆者在計算固井時井眼內水泥漿剪切速率分布和稠化試驗剪切速率的基礎上，通過水泥漿在不同剪切速率下的稠化試驗，分析了剪切速率對水泥漿稠化時間的影響規(guī)律，進而為不同井況下稠化試驗剪切速率的設定提供理論指導，以確保固井施工的安全。

1 井眼中水泥漿剪切速率的分布

在固井過程中，水泥漿的剪切速率與水泥漿在套管或環(huán)空中的流速和流變性能等因素有關。水泥漿的流速與套管、環(huán)空的幾何尺寸以及注替流量有關。井眼尺寸受地質條件、鉆井技術等因素的影響。從水泥漿注入套管到環(huán)空頂替到位，注替流量會發(fā)生變化[8]，而水泥漿的流變性能也會隨溫度、壓力等外部因素的變化而發(fā)生變化。因此，要精確模擬水泥漿注替期間的剪切速率變化相當困難。

筆者利用分段研究方法，引入等效直徑Deff，將水泥漿的流性指數(shù)n、套管直徑Dc和井眼直徑Dh以及注替流量Q等內外部因素聯(lián)系起來，定量計算水泥漿某一狀態(tài)下的剪切速率Vsr[7，9]。等效直徑Deff也會受到水泥漿流變性能、套管和井眼直徑等參數(shù)的影響。水泥漿在井眼內的剪切速率計算公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Y=0.37n-0.14

(7)

式中：n為水泥漿流性指數(shù)；Dh為井眼直徑，m；Dc為套管直徑，m；Deff為井眼或環(huán)空的等效直徑(非牛頓流體)，m；Q為注替流量，m3/min；v為平均流速，m/s；Vsr為剪切速率，s-1。

從式(1)可以看出，水泥漿在套管內和環(huán)空中的剪切速率與水泥漿的平均流速v呈正比關系，與等效直徑Deff呈反比關系。也就是說，在確定的井筒內，注替流量越大，水泥漿的剪切速率越大。

表1為根據(jù)式(1)計算的不同流性指數(shù)水泥漿在幾種典型井身結構中的剪切速率。由表1可知：小直徑井眼中水泥漿的剪切速率要明顯高于大直徑井眼中水泥漿的剪切速率；在相同井眼條件下，水泥漿的剪切速率與流性指數(shù)n呈反比關系，水泥漿在套管內的剪切速率要遠小于在環(huán)空中的剪切速率。

表1 水泥漿在不同井眼內剪切速率的計算結果

Table 1 Calculated shear rates of cement slurry in different boreholes

流性指數(shù)剪切速率/s-112345套管環(huán)空套管環(huán)空套管環(huán)空套管環(huán)空套管環(huán)空0.19.5074.3233.77234.1797.53824.41140.421772.14315.272811.030.25.8443.5820.78137.3360.02483.0486.411036.96194.011644.350.34.6333.2616.45104.8447.51368.6268.41790.92153.591254.030.44.0228.0914.2988.5441.26311.2759.41667.68133.381058.570.53.6524.9912.9978.7537.51276.8154.01593.67121.26941.200.63.4122.9112.1272.2235.01253.8250.41544.30113.17862.900.73.2321.4311.5067.5433.22237.3847.83509.02107.40806.960.83.1020.3211.0464.0431.88225.0545.91482.55103.07764.990.93.0019.4510.6861.3130.84215.4644.41461.9599.70732.331.02.9218.7610.3959.1330.01207.7843.21445.4897.01706.21

注：套管壁厚取10.0 mm；1為φ660.4 mm井眼下入φ508.0 mm套管，2.0 m3/min注替流量；2為φ444.5 mm井眼下入φ339.7 mm套管，2.0 m3/min注替流量；3為φ311.1 mm井眼下入φ244.5 mm套管，2.0 m3/min注替流量；4為φ215.9 mm井眼下入φ177.8 mm套管，1.0 m3/min注替流量；5為φ165.1 mm井眼下入φ127.0 mm套管，0.5 m3/min注替流量。

2 稠化試驗中水泥漿的剪切速率

水泥漿的稠化時間通過增壓稠化儀進行測定。API規(guī)范10A[10]中稠化儀的漿葉由2個垂直的葉片組成，漿葉寬9.52 mm，距漿杯邊緣1.78 mm，漿杯內徑為74.17 mm，深度為116.33 mm，漿葉與漿杯成30°的角。漿葉中心軸直徑6.35 mm，在中心軸上還連接了4個附加的水平葉片，與兩個垂直葉片形成的平面相互垂直。為易于攪拌，所有的水平葉片都傾斜20°。用2條附加的拉筋支撐垂直葉片，拉筋也傾斜20°，將其對攪拌的影響減至最小。API稠化儀漿葉具有矩形框物理特征，不可能建立轉速與剪切速率的函數(shù)關系。由于螺旋漿葉能充分攪動水泥漿，并保持均質性，可兼容API稠化儀，不用加裝其他設備，且在不同轉速下，測得的多種水泥漿的稠度和稠化時間與API漿葉十分接近[11-12]。因此，用螺旋槳葉代替API稠化儀漿葉，建立轉速與剪切速率之間的數(shù)學關系：

(8)

(9)

(10)

Cr=Cr1Cr2

(11)

(12)

(13)

(14)

式中：Deq為漿葉等效直徑，mm；Dci為漿杯內徑，mm；Ds為漿葉外邊緣尺寸，mm；Dr為漿葉中心桿直徑，mm；T為漿杯內徑與漿葉等效直徑之比；Cr為校正因子；R為稠化儀轉速，r/min。

從式(8)可以看出，剪切速率與稠化儀轉速呈正比關系，稠化儀轉速越大，剪切速率越大。

圖1為稠化儀轉速為150 r/min時，不同流性指數(shù)水泥漿的剪切速率。從圖1可以看出，在相同外部條件下，剪切速率與水泥漿的流性指數(shù)成反比關系，n值越大，剪切速率越小。

圖1 不同流性指數(shù)水泥漿的剪切速率Fig.1 Shear rates of cement slurries with different liquidity indices

3 水泥漿稠化試驗

根據(jù)油井水泥試驗方法[13]配制2種水泥漿，水泥漿1的配方為G級水泥+44.00%水(n=0.38)；水泥漿2的配方為G級水泥+4.00%降濾失劑BXF-200L+0.25%緩凝劑BXR-200L+40.00%水(n=0.68)。分別將水泥漿1及水泥漿2倒入稠化漿杯，放入增壓稠化儀，分別在30和80 ℃溫度下進行稠化試驗，結果分別見表2和表3。

表2 水泥漿1的稠化試驗結果

Table 2 Thickening test results for cement slurry 1

稠化儀轉速/(r·min-1)剪切速率/s-1稠化時間/min可泵時間/min過渡時間/min522224188361043222187351565314218962087335195140301303592551045021735725110615065236827494

表3 水泥漿2的稠化試驗結果

Table 3 Thickening test results for cement slurry 2

稠化儀轉速/(r·min-1)剪切速率/s-1稠化時間/min可泵時間/min過渡時間/min5017734834261003543653569150531353341122007083052941125088531330013

由表2可知：在30 ℃下，剪切速率超過43/s后，稠化時間迅速增長；剪切速率低于130/s時，剪切速率對稠化時間、可泵時間和過渡時間的影響較大；剪切速率高于130/s后，對稠化時間影響較小；剪切速率為22和43/s時的稠化時間與剪切速率652/s時的稠化時間相比，短120 min。對于φ660.4 mm井眼下入φ508.0 mm套管的情況，采用水泥漿1固井，注替流量2.0 m3/min時環(huán)空中的剪切速率為29/s，對應轉速不到7 r/min，根據(jù)表2推斷稠化時間約220 min(與轉速5 r/min和10 r/min的稠化時間接近)。顯然，φ660.4 mm井眼下入φ508.0 mm套管時,150 r/min轉速下的稠化時間明顯比實際剪切速率下的稠化時間長，因此應選用更低的轉速進行稠化試驗。

由表3可知：在80 ℃下，剪切速率低于531/s時，剪切速率對水泥漿的稠化時間和可泵時間的影響很??；剪切速率高于531/s后，隨著剪切速率增大，水泥漿的稠化時間略有縮短；剪切速率為708和885/s時的稠化時間與剪切速率為531/s時的稠化時間相比，縮短時間小于60 min。對于φ311.1 mm井眼下入φ244.5 mm套管的情況，注替流量為2.0 m3/min時，環(huán)空中水泥漿的剪切速率為240/s，要達到531/s的剪切速率，注替流量要高達4.4 m3/min。在φ215.9 mm井眼下入φ177.8 mm套管，環(huán)空注替流量1.0 m3/min時，環(huán)空中水泥漿的剪切速率為515/s，轉速150 r/min下的稠化試驗模擬的狀態(tài)更接近這種情況。小間隙固井，如φ165.1 mm井眼下入φ127.0 mm套管，0.5 m3/min注替流量時，環(huán)空中水泥漿的剪切速率高達816/s，對應稠化試驗轉速要達到230 r/min，根據(jù)稠化試驗結果可知，稠化時間應該在310 min左右(與轉速200 和250 r/min下的稠化時間接近)。如果選用150 r/min轉速進行稠化試驗，稠化時間會偏長。因此，應選擇合適的轉速進行稠化試驗，才能得到真正的稠化時間。

4 結 論

1) 水泥漿以150 r/min的轉速進行稠化試驗，與其他轉速下的稠化時間偏差不大，可以較好地模擬大多數(shù)固井情況下的水泥漿稠化時間。

2) 當剪切速率較低或者較高時，水泥漿稠化時間都會縮短。因此對于低剪切率的大直徑表層套管固井和高剪切速率的小間隙固井，以150 r/min的轉速進行稠化試驗，稠化時間會偏長。應根據(jù)實際

情況選用合適的剪切速率進行稠化試驗，才能得到水泥漿真實的稠化時間，確保固井施工的安全。

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[編輯 劉文臣]

The Influence Law of Shear Rate on the Thickening Time of Cement Slurry

FENG Wangsheng, SONG Weibin, ZHENG Huikai, LI Zongyao, XIE Chengbin

(CNPCTianjinBo-XingEngineeringScience&TechnologyCo.,Ltd.,Tianjin, 300451,China)

Shear rate is an important influence on the thickening time of cement slurry, and the determination of the real thickening time is significant for safety in cementing engineering. By establishing mathematical models for the shear rate of cement slurry under two thickening statuses in the borehole and in the lab, the thickening test was conducted under different shear rates (at 30 ℃ and 80 ℃) to identify the influence law of shearing rate on the thickening time of cement slurry. At 30 ℃, the deviation of thickening time is more than 2 h with shear rate of 22-652/s, and the thickening time is shorter at a low shear rate. At 80 ℃, the deviation of thickening time is less than 1 h with shear rates of 177-885/s, and the thickening time is shorter at a high shear rate. Research results showed that the thickening test at a rotation speed of 150 r/min could effectively simulate the thickening time in most cementing operations. As for cementing operations involving large-sized surface casing and small annulus, suitable shear rates should be used in accordance with specific conditions to perform thickening tests of cement slurry, so as to determine the thickening time in cementing operations accurately and ensure the safety of cementing operations.

cementing；shear rate；cement slurry；thickening time

2015-08-11；改回日期：2016-06-08。

馮望生(1982—)，男，天津寧河人，2005年畢業(yè)于云南大學應用化學專業(yè)，2008年獲中國科學院青海鹽湖所無機化學專業(yè)碩士學位，工程師，主要從事油井水泥外加劑研發(fā)及固井技術研究。E-mail:fengwsh08@cnpc.com.cn。

10.11911/syztjs.201606012

TE256+.7

A

1001-0890(2016)06-0074-04