水泥的水化热对最大环空温度的影响

水泥的水化热对最大环空温度的影响

      在富有挑战性的井眼条件下注环空密封水泥时，需检测水泥的短期及长期机械性质，以及这些机械性质对长期环空封隔作用的影响。为了测试井眼条件下的水泥机械性质，在尽可能接近井眼温度和压力条件下，水泥必须固化或水化适当时间。随着完井技术的进步，出现了一些密封在水泥环空中的工具，如套管外射孔枪。置于环形空间的工具经受的井下条件与工具周围发生水化作用的水泥所经受的条件相同。因在一定的温度/压力条件下，大多数工具的设计寿命都是一定的，因此了解实际井下情况具有重要意义。

      多数水泥性能测试都是在接近或等于注水泥深度位置的井底静态温度(BHST)条件下进行的。测试前，水泥在井下条件的水泥固化室中发生水化作用并保持一段时间。水泥固化室的温度将缓慢上升，从接近预期的井底循环温度(BHCT)上升到BHST。固化室的温度将保持在BHST，直到固化过程结束为止，在此期间，对水泥的机械性质进行测试。

1.数据采集

      用电子共振膜片(ERD)实时测量井下环空温度。井下测量设备能在环境温度高达480℉的条件下连续工作。8年来，500多套ERD井下测量系统的现场应用证明了该技术的可靠性。ERD测量系统中没有井下电子器件，唯一的井下传感器组件是无源共振器，共振器由地面系统激励，其共振频率是温度的函数。井下测量的振荡频率通过永久性安装的环空电缆传输到地面。ERD通过电缆向井下传输电脉冲，测量无源传感器对电脉冲的响应。

      选择几口具有不同环空配置的井，使用不同的水泥浆系统和不同的水泥浆密度。水泥密度系数(CDF)定义为水泥浆密度乘以长1ft的环空体积。井1是加拿大的一口浅的垂直井，3-1/2in的套管下在7-7/8in的裸眼井段，井深2543ft，由于该井有多个产层，因此环空温度探测器坐放深度在1500ft位置。使用的混合水泥浆比重为15lb/gal，CDF为30.46lb/ft。井2和井3在阿拉斯加，这两口井的总测量深度为7700ft，真垂直深度为7400ft。由于这两口井有多个产层，因此环空温度探测器的坐放位置在5500ft。在这两口井使用的水泥浆等级为G，比重为15.7 lb/gal；8-1/2in的裸眼段下有3-1/2in 的套管，CDF为34.43lb/ft。

2.水化热(HOH)测试

      用等温水泥热量计测试水泥的水化热(HOH)。通过设计，使产生的所有热量都通过热量计。控制温度的水流过热量计的外壳，使温度保持恒定。当热流流过热量计时，形成一个温度差，该温差值与热流成比例。在热特性已知的开普敦热载体的两侧粘接40个接点的薄片状热电偶。由于热流与流过热载体的温度差成比例，因此测量温差就能计算出准确的热流量。

      每磅水泥浆释放的总热量取决于水泥水化作用时的温度。对于井1 中使用的水泥浆系统，在80℉条件下，持续70hr的测试过程产生的总热量比在66℉时测试所产生的总热量高42%。对于阿拉斯加的井2和井3，在BHST温度条件下持续70hr的HOH测试产生的累计总热量低于80℉时产生的总热量。虽然这些水泥浆在井眼温度条件下的最大热通量比在温度80℉时的高约40%，但早在70hr的测试过程结束之前，少量的水泥浆样品已经耗尽了驱动放热水化作用的化学组分。

3.结论

      (1)水泥的水化作用使温度上升0～52℉；(2)在环境温度下获得的水泥水化热(HOH)值远低于井眼温度条件下水泥浆发生水化作用时释放的热量；(3)在水泥初始固化后，环空温度发生改变，水化热峰值会在水泥环中产生较大的应力；(4)在确定水泥水化作用过程最大环空温度时，井下水化热(HOH)及水泥密度系数(CDF)起重要作用；(5)对于HOH低的水泥浆系统及BHCT与BHST之间温差大的情况，最大环空水泥温度不会超过BHST。