1、油井水泥浆的流变性研究摘要：目前国内外普遍选用的水泥浆宾汉模式及其特点分析。从分析水泥浆流变参数的影响因素着手来描述水泥浆的模式随时间的变化情况。 关键词：流变性；流变模式； 中图分类号：TQ 文献标识码： A 文章编号： 1.1 研究目的和意义 流变学是专门研究各种流体的流动和变形，描述引起液体运动的流量（剪切速率）和压力（剪切应力）之间的关系。油井水泥浆的流变性和水力学研究是水泥浆配方设计的核心及安全施工的前提，是对水泥浆的可混配性和可泵性进行评估的基础，对于确定在施工中和施工后压力和深度之间的关系，预测固井时的温度分布，设计达到最佳顶替效果时所需的排量等都是非常重要的。它还与固井中压力损
2、耗，提高水泥浆的驱替效率等密切相关。固井过程中油井水泥的作用是把油气水层封隔开来，因此水泥浆和水泥环性能的优劣决定着固井工程质量的好坏，国内外的有关理论研究和实践经验认为，油井水泥浆的流变性能决定着水泥浆在环形空间的流态，研究它具有极其重要的意义。水泥浆的流变学研究能用于确定最佳水泥浆的流动状态和计算管内及环空的摩擦阻力，从而提高水泥浆的顶替效率。流变参数是计算注水泥临界排量的重要参数，一般顶替效率随排量增大而提高，但在高排量下顶替有可能压漏地层，所以设计时确定合适的流变参数是非常重要的,研究水泥浆流变学和水力学对于固井设计，施工和评价也是十分必要的。 1.2 宾汉模式发展现状和主攻方向 宾汉
3、模式包括了屈服值和任何剪切速率下的极限粘度，但无论在高剪切速率还是在低剪切速率下测得的屈服值都偏高，且缺乏控制流变曲线形状的流变参数。假塑性模式没有屈服值，无论是在高剪切速率还是低剪切速率下假塑性模式求得的剪切应力都偏低。但是现场上使用较多的是宾汉模式，在一定的剪切速率范围内，能较好地描述某一种水泥浆的剪切应力/剪切速率之间的关系，但是要想在比较宽的剪切速率范围内描述水泥浆的特性尚有一定的困难，且不能描述既有屈服值又有假塑性的水泥浆体系，特别是高温高压下的水泥浆体系。 1.3 本文研究内容及解决思路 本文主要研究内容： 目前国内外普遍选用的水泥浆宾汉模式及其特点分析； 研究的难点： 怎样描述水
4、泥浆的模式随时间的变化情况。 解决思路： 可从分析水泥浆流变参数的影响因素着手来描述水泥浆的模式随时间的变化情况。 2 水泥浆的流变模型研究 2.1 水泥浆的宾汉模型 目前，国内外钻井界常用的流变模式，主要有两参数、三参数、四参数三种类型。常用于泥浆及水泥浆的宾汉模式是两参数流变模式。而三参数、四参数流变模式本文中不作详细说明。参数的多少并不能决定流变模型的好坏，判定流变模型最重要的标准是看理论流变曲线与实际流变曲线的吻合程度。 一个好的流变模式应具有下面三个基本条件：一是理论上比较完善，它能较好地反映水泥浆或钻井液的流变特性；二是适用范围较宽广，对各种类型的水泥浆都有较好的适应性；三是便于计
5、算流变参数和流动压降。下面根据这几个方面对宾汉模式作简要的介绍。 符合宾汉模型的流体称为宾汉流体或塑性流体。该流体的特点是当剪切应力 小于屈服应力 时，流体表现为弹性固体；当剪切应力大于屈服应力时，流体以塑性液体流动。 (1) 式中：剪切应力，Pa 剪切速率，S-1 屈服应力，又叫动切力，Pa 塑性粘度，PaS-1 宾汉流体的视粘度或表观粘度为： (2) 在宾汉塑性流体中，剪切应力与剪切速率呈线性关系变化，但与牛顿流体不同，它需要施加一个最小的力才能流动，这个力就是通常所说的动切力或屈服值。动切力是指宾汉流体在流动时，需要经常克服的而与塑性粘度和速度梯度无关的那部分定值切应力。动切力是在流动条
6、件下固体颗粒间吸力的度量，而静切力是在静止条件下固体颗粒间吸力的度量，二者不可混淆。塑性粘度是指液体在连续网状结构的拆散速度等于恢复速度，结构拆散程度不再随切应力变化时的粘度。 对于给定的符合宾汉模式的钻井液或水泥浆来说，在一定的温度和压力下，动切力 和塑性粘度 分别为固定的数值。所以，可以用这两个参数描述宾汉流体的流变性。 2.2 水泥浆流变模型随时间变化的研究 要研究水泥浆流变模式随时间的变化，首先就要了解影响水泥浆流变性的因素。影响因素有很多，如：油井水泥浆组分（石膏加量、比表面积、分散剂） 、工作环境（温度、压力） 、施工参数（搅拌速度、搅拌时间）和水泥浆的水灰比等。这里主要从工作环境
7、，即温度、压力入手。温度主要通过加速或延缓水泥的水化速度而影响水泥浆的流变性。提高温度能够加快各种浆体的水化速率，因此在较高温度条件下浆体产生结构的能力相对较强，导致与水泥浆内部结构有密切关系的流变参数的变化。一般而言，水泥浆的塑性粘度和屈服值随温度的升高而减小，但减小的程度并非无限。当超过某一称为水泥浆平衡温度的温度点后，塑性粘度达到或接近一恒定值。需要注意的是不同配方的水泥浆(水泥牌号和外加剂)其平衡温度不同。屈服值随温度升高而减小，但在超过某一温度后也接近某一常数，即存在热稀释作用。 压力增加会加速水泥的水化，故对其流变性有影响。但从水的可压缩程度低以及水的粘度与压力关系不大的观点出发，
8、过去通常认为压力对水泥浆流变性的影响可以忽略不计。随着高温高压流变仪的出现，近期对 G 级水泥浆流变性的研究表明：当温度恒定时，压力增大，水泥浆的塑性粘度、屈服值和表观粘度都增大。其原因是随压力增加，液相被压缩，使得水泥浆中固相分数增加，内摩阻增大。在低压下(1MPa)，随温度增加，表观粘度降低；在高压下(2MPa)，随温度增加，表观粘度升高。 通过前人研究可知，温度、压力对不同水泥浆的流变模式是有影响的，再建立时间与温度、压力的关系，则时间与水泥浆流变模型的关系也可以得到。但由于油井水泥浆流变性的测量和研究很复杂，且井下的复杂情况很多，所以现在还不能定量的给出温度和压力与水泥浆流变模式间的关
9、系，但相信随着石油科技的高速发展这个问题终会解决的。 2.3 实例计算 已知井径 Dh=0.2159m，套管外径 D=0.1778m，套管内径D1=0.15707m，水泥浆密度=1.85g/cm3，水泥浆性能用范氏粘度计测得，如表 4： 求：根据以上方法求出水泥浆的宾汉模式流变参数，并计算出临界流速和临界排量。 表 4 水泥浆性能参数表 1 计算宾汉模式下的流变参数 由公式（88）和公式（89）可得： =63-53=10mPas=0.01 Pas =0.511(53-10)=21.973 Pa 则宾汉模式的流变方程为: 2 环空紊流的临界流速及临界排量 因在顶替过程中应尽量使水泥浆的流速在环空
10、中达到紊流，以提高顶替效率，所以，根据卡森流体的雷诺数，由公式（59）可知： 环空流： 取层流过渡至紊流的临界雷诺数 Rec=2100，则环空达到紊流的最低临界流速为： 上式中 D2=0.2159m, D1=0.1778m, =1850kg/m3，c=4.0972, =0.002432 Pas 环空临界流速： 解得：=1.6734 m/s 则临界排量 Qc: =0.019704 m3/s=19.704 L/s 3 结 论（结束语） 1）本文对油井水泥浆常用的流变模式-宾汉模式进行了详细的介绍。（2）通常在不同的流变环境中，选用的水泥浆的流变模式对固井设计是相当重要的。本文通过实例来分析，发现手
11、工计算是相当复杂，可以利用高级语言程序编制相应的程序进行计算。 （3）水泥浆流变模式随时间变化的研究是十分复杂的，目前还没有成熟的理论，本文对此也发表了一些自己的看法，可以从时间与温度，温度与流变模式间的关系着手研究。 参考文献： 1姚晓，邓敏，康明述油井水泥浆流变模型研究进展J南京化工大学学报，1999，21（4）：7377 2姚晓影响油井水泥浆流变性的因素J钻采工艺，1999,22（4）：5254 3法石油与天然气勘探开发工会钻井泥浆与水泥浆流变学手册M曾祥熹 译.石油工业出版社，1984：512,2328. 4张克勤，陈乐亮钻井技术手册（二）钻井液M石油工业出版社，1988：339395. 5黄河福，田洪亮，王瑞和，步玉环影响油井水泥浆流变性的因素J石油钻采工艺，2005,27（5）：4345.
