水泥的水化熱對最大環(huán)空溫度的影響

水泥的水化熱對最大環(huán)空溫度的影響

      在富有挑戰(zhàn)性的井眼條件下注環(huán)空密封水泥時，需檢測水泥的短期及長期機械性質(zhì)，以及這些機械性質(zhì)對長期環(huán)空封隔作用的影響。為了測試井眼條件下的水泥機械性質(zhì)，在盡可能接近井眼溫度和壓力條件下，水泥必須固化或水化適當時間。隨著完井技術(shù)的進步，出現(xiàn)了一些密封在水泥環(huán)空中的工具，如套管外射孔槍。置于環(huán)形空間的工具經(jīng)受的井下條件與工具周圍發(fā)生水化作用的水泥所經(jīng)受的條件相同。因在一定的溫度/壓力條件下，大多數(shù)工具的設計壽命都是一定的，因此了解實際井下情況具有重要意義。

      多數(shù)水泥性能測試都是在接近或等于注水泥深度位置的井底靜態(tài)溫度(BHST)條件下進行的。測試前，水泥在井下條件的水泥固化室中發(fā)生水化作用并保持一段時間。水泥固化室的溫度將緩慢上升，從接近預期的井底循環(huán)溫度(BHCT)上升到BHST。固化室的溫度將保持在BHST，直到固化過程結(jié)束為止，在此期間，對水泥的機械性質(zhì)進行測試。

1.數(shù)據(jù)采集

      用電子共振膜片(ERD)實時測量井下環(huán)空溫度。井下測量設備能在環(huán)境溫度高達480℉的條件下連續(xù)工作。8年來，500多套ERD井下測量系統(tǒng)的現(xiàn)場應用證明了該技術(shù)的可靠性。ERD測量系統(tǒng)中沒有井下電子器件，唯一的井下傳感器組件是無源共振器，共振器由地面系統(tǒng)激勵，其共振頻率是溫度的函數(shù)。井下測量的振蕩頻率通過永久性安裝的環(huán)空電纜傳輸?shù)降孛?。ERD通過電纜向井下傳輸電脈沖，測量無源傳感器對電脈沖的響應。

      選擇幾口具有不同環(huán)空配置的井，使用不同的水泥漿系統(tǒng)和不同的水泥漿密度。水泥密度系數(shù)(CDF)定義為水泥漿密度乘以長1ft的環(huán)空體積。井1是加拿大的一口淺的垂直井，3-1/2in的套管下在7-7/8in的裸眼井段，井深2543ft，由于該井有多個產(chǎn)層，因此環(huán)空溫度探測器坐放深度在1500ft位置。使用的混合水泥漿比重為15lb/gal，CDF為30.46lb/ft。井2和井3在阿拉斯加，這兩口井的總測量深度為7700ft，真垂直深度為7400ft。由于這兩口井有多個產(chǎn)層，因此環(huán)空溫度探測器的坐放位置在5500ft。在這兩口井使用的水泥漿等級為G，比重為15.7 lb/gal；8-1/2in的裸眼段下有3-1/2in 的套管，CDF為34.43lb/ft。

2.水化熱(HOH)測試

      用等溫水泥熱量計測試水泥的水化熱(HOH)。通過設計，使產(chǎn)生的所有熱量都通過熱量計?？刂茰囟鹊乃鬟^熱量計的外殼，使溫度保持恒定。當熱流流過熱量計時，形成一個溫度差，該溫差值與熱流成比例。在熱特性已知的開普敦熱載體的兩側(cè)粘接40個接點的薄片狀熱電偶。由于熱流與流過熱載體的溫度差成比例，因此測量溫差就能計算出準確的熱流量。

      每磅水泥漿釋放的總熱量取決于水泥水化作用時的溫度。對于井1 中使用的水泥漿系統(tǒng)，在80℉條件下，持續(xù)70hr的測試過程產(chǎn)生的總熱量比在66℉時測試所產(chǎn)生的總熱量高42%。對于阿拉斯加的井2和井3，在BHST溫度條件下持續(xù)70hr的HOH測試產(chǎn)生的累計總熱量低于80℉時產(chǎn)生的總熱量。雖然這些水泥漿在井眼溫度條件下的最大熱通量比在溫度80℉時的高約40%，但早在70hr的測試過程結(jié)束之前，少量的水泥漿樣品已經(jīng)耗盡了驅(qū)動放熱水化作用的化學組分。

3.結(jié)論

      (1)水泥的水化作用使溫度上升0～52℉；(2)在環(huán)境溫度下獲得的水泥水化熱(HOH)值遠低于井眼溫度條件下水泥漿發(fā)生水化作用時釋放的熱量；(3)在水泥初始固化后，環(huán)空溫度發(fā)生改變，水化熱峰值會在水泥環(huán)中產(chǎn)生較大的應力；(4)在確定水泥水化作用過程最大環(huán)空溫度時，井下水化熱(HOH)及水泥密度系數(shù)(CDF)起重要作用；(5)對于HOH低的水泥漿系統(tǒng)及BHCT與BHST之間溫差大的情況，最大環(huán)空水泥溫度不會超過BHST。