水泥漿、泥漿熱物性計算

水泥漿、泥漿熱物性計算

地下循環(huán)溫度是影響水泥是否成功的重要因素之一。水泥砂漿、泥漿和巖石的熱物理參數(shù)對井的正確計算有顯著影響。無論所建立的井下循環(huán)溫度模型與井下實際情況多么吻合,但如果泥漿、水泥漿及巖石的熱物性參數(shù)無法準確給出,也會給井下循環(huán)溫度的預測帶來較大誤差。因此,在進行井下循環(huán)溫度的計算時,還必須準確確定井內液體與巖石的熱物理性質。目前,人們在常溫常壓下已對各類巖石的熱物理性質進行了一定的測量,筆者曾對水泥漿、泥漿的比熱作了一定測量,但對于水泥漿、泥漿的熱導率測量幾乎未開展。因此,為了準確預測注水泥作業(yè)和鉆井過程中的循環(huán)溫度,對水泥漿、泥漿的熱導率進行了實驗研究。一、線熱源法測定水泥漿熱導率的方法測定液體熱導率的方法可分為兩類:穩(wěn)態(tài)熱流法和非穩(wěn)態(tài)熱流法。一般常采用非穩(wěn)態(tài)熱流法中的線熱源法來測量水泥漿、泥漿的熱導率。線熱源法的特點是:試驗裝置簡單;測量時間短;不需要量測試樣的尺寸,試樣放入容器內即可;操作簡單;具有較高的準確度。它既可用于測量液體材料的熱導率也可用于測量粒狀材料的熱導率。1.熱源法的原理在試樣中間,安置一根細長的金屬加熱絲,當加熱絲兩端接通電流后,就會發(fā)出熱量,使加熱絲溫度升高。加熱絲溫度升高的快慢,與試樣的熱導率有關。如果試樣的熱導率小,即試樣的絕熱性能好,熱量不容易跑掉,那么加熱絲的溫度升得又高又快;相反,試樣的熱導率大,熱量就很快跑掉,則加熱絲的溫度升得既小又慢(見圖1)。線熱源法就是根據(jù)這種原理研制成的。試樣的熱導率與加熱絲的溫升關系可通過求解無限長圓柱體的導熱微分方程式很嚴格地表示出來。圓柱體的導熱微分方程為:其解為:T(r,t)=q4πkter24αt(2)式中:α為試樣的熱擴散率,m2/s;q為線熱源強度,W/m;k為試樣的熱導率,W/(m·℃);t為時間,s。式(2)表示一根細長的加熱絲在試樣內,當時間t=0時,突然接通一下電流,加熱絲發(fā)出的這一瞬息熱源強度(q),在試樣內引起沿徑向的溫度分布情況。經(jīng)過推導整理,試樣的熱導率(k)可由下式計算:k=q4πΔTln(t2t1)(3)實驗中只要測出式(3)右邊的量就可由該式算出待測漿體的熱導率。其中:ΔT為加熱絲在加熱過程中任意兩個不同時間t2、t1的溫度T(r,t2)、T(r,t1)之差,即:ΔT=T(r,t2)-T(r,t1)(4)線熱源強度(q)按下式計算:q=I2Rl=V2lR(5)式中:l為加熱絲長度,m;R為加熱絲的電阻,Ω;I為通過加熱絲的電流,A;V為兩端的電壓,V。2.鎳鉻—試驗儀器圖2為線熱源法測定漿體熱導率的接線示意圖。(1)探針:其結構如圖3所示。電熱絲接通電源后則可發(fā)出由電效率轉換的熱量,其電阻值已知為R。探針中部敷設有測定探針表面溫度的鎳鉻—考銅熱電偶。電熱絲及熱電偶通過頂部的接線柱引出。探針長0.6m,直徑0.01m。(2)UJ-36型電位差計。(3)冰瓶:內裝冰水混合物。(4)WY10A-1直流穩(wěn)壓電源。(5)D26-A型0～5A電流表。(6)裝滿待測漿體的圓柱形容器:其內徑為0.4m,高度0.8m。另外還有計時的秒表,以及各種聯(lián)接導線及閘刀開關。二、密度對水泥漿熱導率的影響實驗用水泥漿配方如表1。除14號水泥漿由于從塔里木石油勘探指揮部(以下簡稱塔指)帶回來的材料用完而未做測量外,其余水泥漿都進行了測量。表2是在室溫下水泥漿熱導率測量數(shù)據(jù)的處理結果。圖4為水泥漿熱導率隨密度的變化圖。由圖4可見,水泥漿熱導率隨密度的增大而增大,幾乎成線性變化。水泥漿組分對水泥漿熱導率也有影響,表2中的1～5號和13號水泥漿都具有相同的密度(1.9g/cm3),它們的熱導率都有不同的差別。另外,溫度與壓力對水泥漿的熱導率也有影響,但由于實驗裝置限制未研究溫度、壓力對水泥漿熱導率的影響規(guī)律,這方面的工作有待于今后進行。三、微膠結構密度對灌漿熱導率的影響研究中的泥漿為我國油氣田常用的泥漿類型,取自于現(xiàn)場,它們是聚合物泥漿與聚磺泥漿,將取自于現(xiàn)場的泥漿加入相應的加重材料或減輕材料及其他泥漿處理劑調成5個密度的試樣分別測量其熱導率。聚合物泥漿的5個密度為:1.04、1.2、1.4、1.6、1.8g/cm3;聚磺泥漿的5個密度為:1.2、1.4、1.6、1.8、2.0g/cm3。表3是在室溫下泥漿熱導率的測量結果。圖5為泥漿熱導率隨密度的變化圖。由圖5可見,泥漿的熱導率也與水泥漿熱導率一樣隨密度的增大而增大,幾乎成線性變化。由表3可見,在相同的密度下,聚合物泥漿的熱導率大于聚磺泥漿的熱導率,這四、密度對水泥漿、微漿熱導率的影響(1)在相同密度和溫度條件下,水泥漿、泥漿組分不同時,其熱導率不同。(2)水泥漿、泥漿的熱