油井水泥浆性能实验
一、实验目的
1.掌握油井水泥浆的制备方法 ;
2.掌握测定水泥浆密度、流变性能和稠化时间的原理、实验流程及步骤。
二、实验原理
1、水泥浆密度
水泥浆密度是由配制水泥浆的水泥、配浆水、外加剂和外掺料等材料的密度和掺量决定的。
实验中使用YM型钻井液密度计测量水泥浆的密度，该仪器是不等臂杠杠测试仪器，杠杠左端为盛液杯，右端连接平衡筒。当盛液杯盛满被测试液体时，移动砝码使杠杠主尺保持水平的平衡位置，此时砝码左侧边所对应的刻度线就是所测试液体的密度。
2、水泥浆流变性能.
大多数水泥浆表现出复杂的非牛顿流体特征。一般来说，水泥浆属于剪切稀释型流体，描述水泥浆流变性质最常用的流变模式为宾汉塑性模式和幂律模式。
（1）宾汉塑性模式
（2）幂律模式
实验中使用六转速粘度计测量水泥浆的流变性能，该仪器是以电动机为动力的旋转型仪器。被测试液体处于两个同心圆筒间的环形空间内。通过变速传动外转筒以恒速旋转，外转筒通过被测试液体作用于内筒产生一个转矩，使同扭簧连接的内筒旋转了一个相应角度。依据牛顿定律，该转角的大小与液体的粘度成正比，于是液体粘度的测量转变为内筒转角的测量。记录表盘参数，通过以下方法计算水泥浆的流变参数。
3、水泥浆稠化时间
稠化时间是指从水泥浆配浆开始到水泥浆注入稠化仪中，在实际井温和压力条件下，水泥浆稠度达到100 Bc所经历的时间。
实验中使用常压稠化仪测量水泥浆的稠化时间。配制好水泥浆后，随着水泥水化，水泥浆不断变稠，稠化仪浆叶旋转剪切水泥浆的阻力增大，使安装在电位计上的弹簧扭矩及其指针旋转角度也相应增大，电位计的阻值及电压也随之增大。因此，电位计所反映出来的电压值，不仅表示了弹簧扭矩的大小，也反映了测量水泥浆稠度值的大小。
三.数据处理
（1）水泥浆配方
水泥浆的流变性能: 水泥600g+水300g
水泥浆的稠化时间：水泥600g+水300g+氯化钙18g
（2）水泥浆密度
水泥浆密度：1.83g/cm3
（3）水泥浆的流变性能
水泥浆的流变参数：
表2 粘度计读数
水泥浆的流变模式：
=(65-48)/(85-48)=0.46
所以，该水泥浆为幂律模式
n=2.092lg(ø300/ø100)=0.52 k=0.511* ø300/511n=1.70
γ=ρ*g =1.83*9.8=17.93 τ=k* γn=1.70*17.930.52 =7.63 Pa
（4）测定水泥浆的稠化时间
表3不同时间的水泥浆稠度
做时间-稠度图：
由上图知前25分钟泥浆稠度基本未变，25分钟后，泥浆的稠度开始线性变化, 并且稠度呈现出指数型增长的趋势.
六 思考题
1、除了以上测定的水泥浆密度、流变参数和稠化时间外，还有其它哪些参数来表征水泥浆的性能？
答：水泥浆的失水、水泥浆的凝结时间、水泥石的强度和水泥石的炕蚀性也能表征水泥浆的性能。
2、为什么要经常标定指示计？
答：经常标定指示计是为了减小实验误差，使实验安全准确的进行。
3、以下不同的水泥浆稠化曲线，哪种所代表的水泥浆性能好，为什么？
答：水泥浆的调成之后，随着水化反应的进行，水泥浆变稠，流动性变差。在注水泥时用泵注入及顶底过程中，可能会出现水泥浆流动越来越困难，直到不能被 泵入，，此时，虽然还没有达到水泥的凝固，但已无法用泵注入基顶替了。所以，对于施工周期长的深井注水泥，就应当有较长的水泥稠化时间为保证。因此，③的泥浆性能好一些。
稠度
第二篇：实验3-泥浆性能的测试方法
实验3 泥浆性能的测试方法
一、实验目的
1. 了解测定泥浆基本性能所用仪器结构及原理。
2. 掌握泥浆性能常用测定仪的使用与操作方法。
二、实验内容
1. 了解泥浆比重、流变特性（粘度和切力）、滤失性能（失水量和泥饼厚度）、固相含量、含砂量、胶体率、pH值、润滑性等主要性能测定所用仪器的结构。
2. 测定上述性能的方法。
三、方法及步骤、
（一）1002型比重称
1. 仪器
1002型比重称由泥浆杯1、横梁8、游动砝码6和支架5组成，在横梁上有调重管9和水平泡3，其结构如图1。
图1 泥浆比重称
1. 泥浆杯；2.杯盖；3. 水平泡；4.刀架；5.支座；6. 游动砝码；7.挡臂；8. 横梁；9. 调重管
2. 测定步骤
① 校正比重称
先在泥浆杯中装满清水，盖好杯盖，使多余清水从盖上小孔溢出，擦干泥浆杯周围的水珠，把游码移到刻度1，如水平泡位于中间，则仪器是准确的；如水平泡不在中间，则可在调重管内取出或加入重物来调整。
②倒出清水，擦干，将待测泥浆注入杯中，盖好杯盖，让多余泥浆溢出，擦净泥浆杯周围的泥浆，移动游码使横梁成水平状态（水平泡位于中间）。游码左侧所示刻度即为泥浆比重。
（二）漏斗粘度计
1. ZMN型马式漏斗粘度计
① 仪器结构
ZMN型马式漏斗粘度计由锥体马式漏斗、六孔/cm（16目）滤网和1000ml量杯组成，如图2。锥体上口直径152mm，锥体下口直径与导流管直径4.76mm，锥体长度305mm，漏斗总长356mm，筛底以下的漏斗容积1500ml。
②用手握住漏斗呈直立位置，食指堵住导流管出口。取被测泥浆试样，经滤网注于漏斗锥体内直到泥浆的水平面至达筛网底面止（此刻刚好是1500ml）。放开食指，同时启动秒表记时，直到观察标准946ml量杯刻线时止，记录流出泥浆的秒数，以秒数记录漏斗粘度结果。
③校验
马式漏斗使用一段时间后，必须进行必要的校验，其校验方法按使用方法步骤进行。在21±3℃条件下将清水1500ml注于漏斗内，若流出946ml（1夸脱）的清水为26±0.5秒，或流出1000ml的清水为28±0.5秒，即为合格。
2. 苏式野外漏斗粘度计
① 仪器结构
该粘度计由漏斗和量筒组成。构造如图3。量筒由隔板分成两部分，大头为500ml，小头为200ml，漏斗下端是直径为5mm，长为100mm的管子。
图2 马式漏斗粘度计
图3 苏式野外漏斗粘度计
1. 漏斗；2. 管子；3. 量杯；4.筛网；5.泥浆杯
② 测定步骤
将漏斗呈垂直，用手握紧并用食指堵住管口。然后用量筒两端，分别装200ml和500mlN泥浆倒入漏斗。将量筒500ml一端朝上放在漏斗下面，放开食指，同时启动秒表记时，记录流满500ml泥浆所需的时间，即为所测泥浆的粘度。
仪器使用前，应用清水进行校正。该仪器测量清水的粘度为15±0.5秒。若误差在±1秒以内，可用下式计算泥浆的实际粘度。
（三）ZNN型旋转粘度计
ZNN型旋转粘度计有手摇两速、电动两速和电动六速三种。主要用于测量泥浆的流变参数。电动六速旋转粘度计仪器结构如图4所示。
1. 仪器结构
① 动力部分
双速同步电机转速 750转/分 1500转/分
电机功率 7.5 瓦、15瓦
电源 220伏±10% 50Hz
② 变速部分
可变六速，转速分别为3 6 100 200 300 600转/分
③ 测量部分
扭力弹簧、刻度盘与内外筒组成测量系统。内筒与轴锥度配合，外筒卡口联接。
④ 支架部分
采用托盘升降被测容器。
2. 工作原理
液体放置在两个同心圆筒的环隙空间内，电机经过传动装置带动外筒恒速旋转，借助于被测液体的粘滞性作用于内筒一定的转矩，带动与扭力弹簧相连的内筒一个角度。该转角的大小与液体的粘性成正比，于是液体的粘度测量转换为内筒转角的测量。
3. 操作程序
A.准备
① 将仪器与电源相接，启动马达，变更调速杆位置。检查传动部分运转是否良好，有无晃动与杂音，以及调速机构是否灵活可靠。
② 卸下外筒，检查内筒是否上紧，内外筒表面有无杂务，是否清洁。检查无误后，再将外筒装好。
③ 按下键钮，以300转/分和600转/分观察外筒的偏摆量，如偏摆量大于0.5mm，则取下外筒，三卡口调换重装。
④ 检查刻度盘0位，如刻度盘0位不对指针，松开固定螺钉，调0后将螺丝固紧。
B.操作
① 将刚搅拌好的泥浆倒入样品杯刻度线处（350毫升），立即放置于托盘上，上升托盘使液面至外筒刻度线处。拧紧手轮，固定托盘。如用其它样品杯，筒底部与杯底之间不应低于1.3mm。
② 迅速从高速到低速进行测量，待刻度盘读数稳定后，分别记录各转速下的读数。
③ 测静切力时，应先用600转/分搅拌10秒，静置10秒钟后将变速手把置于3转/分，读出刻度盘上最大读数，即为初切力。再用600转/分搅拌10秒，静置10分钟后将变速手把置于3转/分，读出刻度盘上最大读数，即为终切力。
④ 试验结束后，关闭电源，松开托盘，移开量杯。
⑤ 轻轻卸下内外筒，清洗内外筒并且擦干，再将内外筒装好。
4. 数据处理
① 符号
Φ：在给定转速下所测得仪器内筒转角，即仪器刻度盘上读到的格数。
Φ600、Φ300、Φ3代表外筒转600转/分、300转/分、3转/分从仪器刻度盘上读到的格数。其余依此类推。
② 牛顿流体
绝对粘度 
（mpa.s）
③ 塑性流体
视粘度 
（mpa.s）
塑性粘度 
（mpa.s）
动切力 
（pa）
静切力 
（pa）
（pa）
④ 假塑性流体
流性指数 
（无因次）
稠度指数 
（Pa秒n）
⑤ 粘塑性流体
极限高剪粘度 
卡森动切力 
5. 注意事项
① 外筒装卸 一手握住外转筒，另一手握住外筒顺时针转动，使外筒的卡口对准外转筒内的销子后取下外筒。装上外筒时，应使外筒的槽口对准外转筒内的销子后，在逆时针旋转外筒即可，切忌碰撞内筒。
② 内筒装卸 一手紧握内筒轴，一手内旋内筒装卸，切勿弄弯内筒轴。
③ 长途搬运时 一定要卸下内筒，装好外筒，以防止内筒轴被撞弯。
④ 扭力弹簧刚度的调整不准随意进行。
（四）ZNS型泥浆失水量仪
该仪器是将泥浆用惰性气体（二氧化碳、氮气或压缩空气）加压的情况下，测量泥浆的失水量。当泥浆在0.69Mpa压力的作用下，30分钟内通过截面为45.6±0.5㎝2过滤面渗透出的水量，以毫升表示。同时，可以测得泥浆失水后泥饼的厚度，以毫米表示。
1.仪器结构
ZNS失水量测定仪主要由气源10、减压阀8、放空阀6、泥浆杯4、量筒1、支架等组成，其结构如图5所示。
图5 气压式失水仪原理图
1. 量杯；2.放水阀；3.过滤板；4.泥浆杯；5.放空阀旋钮；6.放空阀；7.压力表；8.减压阀；9.气瓶；10.气源总体端盖
2.测定步骤
① 先将支架放在平稳的台面上。
② 将减压手柄退出，使减压阀处于关死状态，此时无输出，然后关死放空阀。
③ 装好气瓶并拧紧盖，顺时针旋转减压阀手柄，使压力表指示0.5~0.6Mpa。
④ 以左手拿住泥浆杯，用食指堵住泥浆杯气接头小孔，倒入被测泥浆，高度以低于密封圈2~3毫米最好，放好密封圈，铺平一张滤纸，拧紧泥浆杯盖，然后将泥浆杯连接在三通接头上，将20毫升量筒放在泥浆杯下面，对准出液孔。
⑤ 按逆时针方向缓缓旋转放空阀手柄，同时观察压力表指示。当压力表稍有下降或听见泥浆杯有进气声响时，即停止旋转放空阀手柄，微调减压阀手柄，使压力表指示为0.69Mpa，泥浆杯内保持0.69Mpa的恒定状态，当见到第一滴滤液开始记时，30分钟时取下量筒，退出减压阀手柄，关死减压阀，顺时针旋转放空阀，泥浆杯内余气放出。取下泥浆杯，打开泥浆杯盖取出滤纸，洗净泥饼上的浮浆，测量泥饼厚度。
⑥ 冲洗擦干泥浆杯、杯盖、密封圈（凉干或烘干杯盖滤网）。
⑦ 记录下量筒内失水量。为缩短时间一般可测7.5分钟失水量成乘以2，必要时即需测30分钟失水量。
（五）ZNG型泥浆固相含量测定仪
1. 结构和工作原理
该仪器根据蒸馏原理，取一定量（20毫升）泥浆，用高温（电加热）将其蒸干，然后固相称重，算出固相成分之重量或体积的百分含量。
仪器主要由蒸馏器1、加热棒2、电线接头3、冷凝器4、量筒5等部分组成（见图6）。
2. 操作步骤
① 拆开蒸馏器，放开泥浆杯，将充分搅拌过的泥浆倒入泥浆杯，盖上杯盖，让多余泥浆溢出，擦干溢出的泥浆，再轻轻取下杯盖，然后将粘附在杯盖底面的泥浆刮回泥浆杯中（此时泥浆杯中的泥浆为20±1%毫升），为防止蒸馏过程中泥浆沸溢，向泥浆杯中加入3~5滴消泡剂，然后扭上套筒。
② 将加热棒旋紧在套筒上部（应直立放置），将蒸馏器插入泥浆箱后面的小孔内，并将20毫升百分刻度量筒夹在冷凝器导流管口处，以收集冷凝液。
③ 连接电路进行蒸馏，同时记时，通电3~5分钟，第一滴冷凝液流出，直到泥浆被蒸干不在有冷凝液流出（大约需20~40分钟）。
④ 拔除电线插头，切断电源，用环架取下蒸馏器淋水冷却，拆开蒸馏器，用刮刀刮下泥浆杯及加热棒、套筒上的固相成分，然后称重，计算出固相百分含量。
⑤ 记下量筒冷凝液的体积，用于计算和参考。若冷凝液水与油分层不清，可加入2~3滴破乳剂。
3. 注意事项
① 用完后清洗蒸馏器和冷凝器孔，擦干加热棒，将其风干。
② 电源电压为220伏交流，波动范围在180~230伏，注意不能超压。
③ 通电时间不要太长，一般30分钟左右，蒸干即可。
④ 使用一段时间后，要检查一下电线接头和电源插头，防止短路和断路。
（六）LNH型泥浆含砂量测定器
1. 泥浆含砂量是指泥浆中不能通过200号筛网（相当于直径大于0.74mm）砂子体积的百分比。
2. 仪器由过滤筒，漏斗和玻璃量筒组成，如图7所示。
3. 测定方法
① 在玻璃量筒内加入泥浆（20毫升或40毫升），再加入适量水不超过160毫升，用手指盖住筒口，摇匀，倒入过滤筒内，边倒边用水冲洗，直到泥浆冲洗干净，网上仅有砂子为止。
② 将漏斗放在玻璃量筒上，过滤筒倒置在漏斗上，用水把砂子冲入玻璃量筒内，等砂子沉淀到底部细管后，读出含砂量体积，计算出砂子体积的百分含量。
（七）胶体率测定瓶
1. 胶体率表示泥浆中粘土颗粒分散和水化的程度。
2. 仪器：胶体率测定瓶（也可以用100毫升量筒代替）。
3. 测定步骤
① 将100毫升泥浆装入胶体率测定瓶中，将瓶塞塞紧，静止24小时后，观察量筒上部澄清液的体积（毫升数）。
② 胶体率以百分数表示
（八）PH值的测定方法
1.比色法
用广泛试纸。撕下一小条PH试纸，浸入泥浆滤液或泥浆中，观察其颜色变化，并与比色板颜色相比，相一致即为泥浆的PH值。
2.用PHS-2型酸度计
① 工作原理
PHS-2型酸度计是利用玻璃电极和甘汞电极对被测溶液中不同酸度产生的直流电势，输入到一台用参量振动深度负反馈的直流放大器，以达到PH值指示的目的。
② 主要技术性能
a. 测量范围
PH：0~14PH
Mv：0~1400毫伏，0~-1400毫伏
b. 最小分度
PH：0.02PH
Mv：2mv
c. 仪器使用环境条件
环境温度：0~40℃
电源电压：220±10%
d. 被测溶液温度范围：0~60℃
③ 仪器调节器示意图，见8。
④ 测定PH值的操作方法
a. 电极安装
先将电极夹子夹到电极杆上，在将玻璃电极夹在夹子上，电极插在插口内，并用小螺丝扭紧，甘汞电极夹在中央夹子上，其引线连接在接线柱上，玻璃电极下端玻璃球泡应比甘汞电极陶瓷芯端稍高一些。
b. 校正
测量PH值时，先按下按键7，读数开关5保持不按下状态，左上角指示灯应亮，预热数分钟。
调节温度调节器11在被测溶液温度值上。
将分档开关2放在“6”，调节零点调节器10，使其指示在PH“1”。
将分档开关2放在校正位置，调整校正调节器3，使其指针在满度。
将放在“6”，重复检查PH“1”位置。
c. 定位
将中性标准缓冲液置于试杯中，查出该温度下的PH值。
按下读数开关5。
调节定位调节器4，使其指示在该标准缓冲溶液的PH值（即分档开关2的指示数加表面上指示值），并摇动试杯使指示稳定为止，重复以上操作进行调节。
d. 测量
将读数开关5放开。
用蒸馏水清洗电极头部，并用滤纸吸干，移下电极至被测溶液中，并不断摇动溶液杯。
将读数开关5按下，调节分档开关2读出指示值。
⑤ 注意事项
a. 新的或长期不用的玻璃电极球泡在使用前，应放在蒸馏水中浸泡48小时，每次用完应浸泡在蒸馏水中，玻璃电极球泡壁薄易碎，操作时应小心。
b. 应保证甘汞电极下端毛细管畅通。使用时电极应充满KCL溶液，里面应无气泡，防止断路。为让极少量的KCL溶液从毛细管中流出，使测得结果可靠，应把电极上面的小橡皮塞及下端小橡皮套拔去。
（九）NR-1型钻井液润滑性测定仪
1.主要技术参数
① 润滑系数量程：0—0.5
② 磨合后用蒸馏水校正的润滑系数为：0.33—0.37
③ 扭力扳手读数范围±150英镑.英寸
④ 电源电压 交流220伏
⑤ 电机电压 直流110伏
⑥ 主轴转数 60转/分
2.仪器结构及工作原理
仪器由试环、试块、扭力扳手、电极、测试电路等组成。如图9所示。
图9 NR-1型钻井液润滑性测定仪
用试块和试环分别模拟钻杆和孔壁，使两者浸没在被测试的钻井液中，电极带动主轴上的试环回转，扭力扳手给试环和试块施加正压力。
根据扭矩公式
式中：MK—扭力扳手的扭矩的读数；
N—作用在试环上的正压力
L—杠杆的力臂
电极的扭矩为 
式中：R—试环的半径
F—试块与试块间摩擦阻力
根据摩擦定律
，则，
即电极扭矩与外加扭矩成正比。
因为L、R、MK都是已知的，而电极的扭矩又与电流存在函数关系，因此，只要知道电极的扭转特性曲线就可以求出润滑系数。表头的满量程为50毫安，表头的满量程的润滑系数α值为0.5。按α=0.1I（I为电流表指示读数），即可计算出润滑系数。
3.操作步骤
（1） 仪器的标定
仪器出厂时已经标定但在使用过程中应定期标定，其步骤如下：
① 使仪器侧倒放置，卸下扭力扳手，使试块脱离试环。
② 开动电机，运转5分钟以上，使电机及主轴承润滑油温度稳定，以确保电机空载电流稳定。
③ 在主轴上装好量称杆，用螺钉固定，使其处于平衡临界状态（即主轴的转矩与平衡杆自重所产生的转矩平衡）。调节零旋钮，使电表指针指零。
④ 在量称杆的一端加一定砝码，电表的读数应符合下列规律，如表：
如果电表读数不符合上述数值，可调节33K电位器，然后反复测定其中任意两点。在卸下砝码后，量称杆处于临界状态时，电表指针应仍指零。
(2)试环与试块的标定
① 清洗试环与试块，要求其接触表面不得有任何杂质油污。
② 将清洗后的试块安装在主轴上，用螺母固定，将试块安放在托架上。检查试环与试块的圆弧是否吻合，如不吻合，使之吻合。
③ 在试环内装约300ml的蒸馏水，试环与试块浸在液面以下，在无负载下，开动年、马达转至电流表指针稳定，用调零旋钮调指针指零。
④ 扭力扳手放在托架上，调扭力扳手读数刻度盘使指针指零，在运转情况下，扭力扳手缓慢加压至50磅-英寸，运转5分钟，此时的电表读数应在33—37之间，蒸馏水的润滑系数在0.33—0.37之间。
⑤ 若蒸馏水的润滑系数值小于0.33，则检查水中是否有油污，要反复检查试环、试块，换蒸馏水再测，若蒸馏水的润滑系数值大于0.37，则检查试环、试块表面，当确实清洁无它物时，用研磨膏或金相砂纸打磨，在50磅-英寸负载下运转，使其合乎要求。
（3）钻井液润滑系数的测定
① 对蒸馏水标定合格后，将被测试的钻井液装入试样杯中。
② 在无负载下开动马达，运转至电流表指针稳定。
③ 用扭力扳手缓慢加压至50磅，运转5分钟，至电流表指针稳定，记下电表读数乘以0.01，即为被测试的钻井液的润滑系数值。
④ 松开加压手柄，倒出被测钻井液，清洗试环和试块，涂上防锈油。
（4）注意事项
① 一定要在无负载的情况下开动电机，运转正常后才能逐渐加压，严峻在负载下启动。
试环与试块是仪器的关键部件，必须保持其表面光洁，每次用完后必须清洗干净，涂上防锈油。