MACⅡ水泥静凝胶强度检测技术

石凯，许云博，程婧格，李慧想，刘俊良

(北京探矿工程研究所， 北京　100083)

MACⅡ水泥静凝胶强度检测技术

石凯，许云博，程婧格，李慧想，刘俊良

(北京探矿工程研究所， 北京100083)

摘要：：本文推荐了一种评价水泥样品防气窜性能和静凝胶强度的新方法，此方法基于美国Fann MACⅡ多功能测试系统，通过模拟井底高温高压环境，真实反映样品性能的变化趋势，与现有的测试方法截然不同，其拥有高稳定性，智能性和可靠性的特点。

关键词：水泥；凝胶强度；测试；仪器

中图分类号：P631.31

文献标识码：A

文章编号：1009-282X(2015)06-0030-03

收稿日期：2015-09-13

作者简介：石凯(1981-)，男(汉)，吉林省舒兰县人，北京探矿工程研究所工程师，硕士，主要从事检测技术及自动控制工作，北京市海淀区学院路29号探工楼，Tel：010-82321973，E-mail：82109273@qq.com。

1背景介绍

油气资源开发是目前世界瞩目的焦点，主导着社会生活的各个方面，包括人们的吃、穿、住、行。据最新数据统计,我国石油和天然气资源量达到了940亿吨，而我们只发现了22%，天然气总量为38亿万立方米，现在仅仅探明了7%，这说明我国油气资源开发行业还存在着巨大的潜力，但巨大的潜力受限于总体科技水平不高的勘探开发技术及中国复杂的地理环境。近来，随着世界经济放缓，石油行业价格大幅波动，国内石油企业压力骤增，为应对行业危机纷纷提出降本增效的战略方针，为了实现这一目标，大家把关注点又一次聚焦于油田技术开发水平之上。可见，油气资源开发水平的提高已是当务之急。

2固井气窜问题及危害

油气资源开发过程中，固井是钻完井作业过程中不可缺少的一个重要环节，目的是保护和支撑油气井内的套管，封隔油、气和水等地层。在固井过程中，注水泥后的候凝阶段，高压气体的上窜是气井固井中的主要问题。

2.1　气窜的主要原因

(1)固井时水泥环顶替效率低，形成泥浆夹带的窜槽，如气层压力大于静水液柱压力，气体沿窜槽带逸出。

(2)由于水泥质量问题，使在环空中水泥与套管或地层胶结面的胶结质量差，气体沿环隙缝窜漏。

(3)施工过程中水泥浆柱和泥浆柱总压力小于气层压力。即“水泥浆失重”形成气窜。水泥浆失重的原因是：水泥浆失水大，水泥浆的水化收缩，水泥浆胶凝自身悬挂。

2.2　气窜的主要危害

气窜的主要危害包括：

(1)固井声幅值高，固井质量不合格；

(2)产层的产能失去保护，造成产能下降；

(3)发生井喷事故；

(4)多次挤水泥，使固井施工重复作业。

3MACⅡ多功能评价仪的引进

除了以上几点基本原因外，实际施工过程中还存在高温和高压甚至低温高压的问题。然而，以国内现有评价手段无法真实的反映出水泥配方存在的问题。所以，为了能够尽快提升我所的固井技术，在现有技术与基础理论能力的基础上，我所从美国Fann仪器公司引进了国内首台MACⅡ高温高压水泥静凝胶强度多功能测定仪。

4MACⅡ多功能评价仪介绍

4.1　仪器厂家介绍

Fann公司前身是Baroid公司，自1939开始从事油田检测仪器研发。MACⅡ多功能测定仪参照美国石油协会标准设计研究，能够模仿井下高温高压及低温高压条件，测试水泥的静凝胶强度、水泥黏度、水泥稠度和水泥强度可从6.895kPa到34.48kPa之间，是名副其实的多功能检测系统。

4.2　仪器介绍

图1为仪器外观，MACⅡ整体框架式结构，表面为不锈钢面板，正面有双拉式柜门，柜底安装有自由变向滚轮，能够自由滑动；柜体上部装有压力表(其最大量程为241MPa)；电机及传动装置(降速传动为皮带式传动，外部动力依靠磁驱动搅拌叶片)；温度传感器及；凝胶强度测试单元。仪器整体结构简洁、紧凑。

图1　仪器外观

图2为MACⅡ内部结构，MACⅡ的压力控制单元、控温装置、釜体及拆装电控执行机构集成在一个可电控滑动的托盘上，托盘绝缘且有足够的强度支撑全部重量。压力通过比例增压泵实现高压，最高压力可达207MPa，另配有背压恒压装置、泄压和限压装置，控压精度为±0.345MPa。温度控制装置配有专门的PID温控表，精度达到0.01℃。釜体采用特殊材料制成，可承受高温高压，表面还有滑亮的光泽。釜体转动和上下位移执行机构，每一个控制单元完成一个动作指令，每一种方式的位移都有限位传感器严格控制。

图2　MACⅡ内部结构

2.3　仪器的主要特点

该仪器的主要特点包括：

(1)最高温度可达316℃；

(2)最高压力207MPa;

(3)以水为媒介进行加压；

(4)无级调速；

(5)无测试时间限制；

(6)能实现低温测试；

(7)转速为非接触式控制；

(8)压力釜为全液压控制，；

(9)全自动电脑控制。

MACⅡ的亮点之一就是高智能的操控模式，自动化程度颠覆了我们对石油仪器过往的认识，实验者只需一个按键就可以完成釜体装卸工作。它所带给我们的是精确、高效、安全与智能，其样品杯统一于传统的水泥稠度测试杯，使所测数据具有同行业对比性。

4.4　MACⅡ的测试原理

MACⅡ测试原理是模拟高温高压条件，能以0～150r/min间任一转速制备水泥样品，使其达到实际井下状态，再以极低的剪切速率，模拟井底水泥的静止凝胶状态，测得水泥浆样品稠度和静凝胶强度及过度时间，根据所得数据分析结果对水泥样品的防气窜特性进行评价。

MACⅡ能够保持以0.216°/min的转速持续工作，此转速相当于转一圈要用超过一天的时间。而转速范围可以从1r/min到150r/min，也可以选择为0.216°min到360°/min。其电机转速方向可顺/逆时针双方向旋转。

4.5　控温方式

MACⅡ 以电加热器方式加热，配有高精度的智能控温仪，确保温度的准确性，控温精度能达到0.1℃，在降温时以三种介质两个温度节点进行安全降温，分别为气、水、冷凝油，确保高温不会对仪器造成伤害。

4.6　软件

MACⅡ软件平台基于LabVIEW平台开发，拥有强大的控制、编辑实时绘图等功能，实现基本控制的同时，又增加了虚拟可视化控制，如图3所示，小到电磁阀，大到电机、增压泵等所有控制执行机构及其管路连接组成都汇总在一个控制界面中，操作人员可任意点击各个执行机构，便于使用者了解仪器的基本构造和工作方式。

图3　MACⅡ虚拟可视化控制界面

MACⅡ软件中包括了压力、温度、转速、扭矩四个重要的校准模块，确保了仪器工作时实验员所设参数真实、准确、无误。可靠性测试是MACⅡ又一特点，虽然校准模块能够保证仪器硬件的准确，但是软件检测及计算结果才是决定性的环节，可靠性测试检测模块的存在，解决了这一问题，使MACⅡ能够通过一个固定的测试模式对自身检测的可靠性进行评价，相对于人工的检测要客观、准确。

5仪器测试历史数据

在学习仪器使用过程中本人作了几个水泥样品试验，不同配方下的样品有的着明显差异。

(1)图4试验结果表明，在稳定的压力和温度条件下，水泥样品凝胶时间大概为27min，时间较短且没有波动，较稳定。

图4　合格产品数据绘图

(2)图5结果：在稳定的温度和压力下，在凝胶过程中有波动，样品中可能存在相对较大颗粒物影响测试结果。

图5　问题产品数据绘图

(3)图6结果：成胶时间太长，需要修改配方，降低凝胶时间。

图6　问题产品数据绘图

6总结

对MACⅡ仪器有了一定地认识，我将MACⅡ与其他仪器做了一些基本的比较，MACⅡ与现有的水泥气窜评价装置相对比，原有装置是完全的静止测试，无法真正的和实际情况进行比对，而且实验人员需要额外的设备搅拌和老化水泥浆，同时水泥气窜评价装置也要预热加压，达到条件后还要降温降压把样品加入到评价装置中，这个过程有可能有压力油污染样品，关键点在其测试结果是在逻辑推

理的基础上得出的结论，影响了数据的真实性。MACⅡ静凝胶测定仪则截然相反，整个测试过程完模拟实际应用情况，测试前可以对样品进行搅拌，测试过程中可自动升温升压，并可设定微小的转动速度以模仿井下的流动特性，能够真实的测定水泥浆成胶过程，样品的性能完全由测试数据真实体现。也正因为MACⅡ突出特点，API协会认定其为水泥浆凝胶强度最可靠，最真实的测定仪。

参考文献：

[1]美国Fann公司.MACⅡ水泥多功能测定仪操作手册[M].

[2]李泽林,常伟,王秀玲,逯振东,陈利. 高温防窜水泥浆体系的研究及应用[J]. 断块油气田, 2004(4).

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[4]孙展利. 水泥浆的水化体积收缩胶凝失重研究[J]. 江汉石油学院学报, 1997(4).

[5]王斌斌, 王瑞和. 固井水泥浆的水化规律[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2010(3).