آزمایش‌های سیمان چاه نفت
سیمانکاری لوله های درون چاهی یکی از اصلی ترین عملیات های انجام شده در طول حفاری یک چاه می باشد. سیمان عملکرد اساسی در نگهداری لوله های جداری و مغزی و تجهیزات سر چاهی دارد.
همچنین سیمان یک سد غیر قابل نفوذ در برابر عبور گازها و سیالات سازند ایجاد می نماید و بدین ترتیب سازندها ایزوله می شوند. به منظور اطمینان از موفقیت در کلیه عملیات های سیمانکاری چاههای نفت و گاز، دوغاب های سیمان بر اساس شرایط چاه طراحی و آزمایش می گردند.آزمایشات زیر بصورت یک روال عادی در آزمایشگاه سیمان صورت می پذیرد.
آزمایش زمان بندش:
در این آزمایش افزایش گرانروی دوغاب سیمان با گذشت زمان در شرایط دمای گردشی و فشار ته چاه نمایش داده می شود. هنگامی که گرانروی به ۱۰۰۰۰ سانتی پواز رسید، مدت زمان سپری شده همان زمان بندش دوغاب در نظر گرفته می شود. از یک دستگاه کانسیستومتر دما بالا– فشار بالا جهت انجام آزمایشات به روش API استفاده میگردد. هنگامی که سیمانکاری در چاهی با دمای پایین انجام می شود، ممکن است بکارگیری یک افزایه تند کننده به منظور کاهش زمان بندش لازم باشد تا انتظار جهت بندش سیمان‌به حداقل برسد؛ از طرف دیگر هنگام سیمانکاری چاههای دما بالا احتمال استفاده از افزایه کند کننده زیاد است.
آزمایش استحکام تراکمی:
آزمایش استحکام تراکمی، اندازه گیری فشار مورد نیاز جهت خرد کردن یک قالب سیمان با هندسه مشخص تحت تراکم نامحدود و یک محور میباشد. دوغاب های سیمان‌در قالب های برنجی به اندازه دو اینچ مکعب بر اساس روش API و در شرایط دمای ساکن و فشار ته چاه در دستگاهcuring chamber سخت می گردند. مکعب های سخت شده سیمانی پس از گذراندن زمان معین، جهت تعیین استحکام با پرس خرد می گردند.پس از اینکه پمپاژ دوغاب متوقف گردید، لازم است مشخص گردد استحکام تراکمی سیمان‌به چه میزان و با چه سرعتی شکل می گیرد. سیمان‌سخت شده بایستی به اندازه ای استحکام داشته باشد تا لوله های جداری و مغزی را نگه دارد. معمولا استحکام تراکمی به میزان۱۰۰ پام برای نگهداشتن لوله ای جداری کافی بوده و جهت ادامه حفاری معیار استحکام تراکمی۵۰۰ پام در نظر گرفته می شود.
دستگاه (Ultrasonic Cement Analyzer (U.C.Aدستگاهی است که از چهار جزء ساخته شده است. این دستگاه می تواند استحکام تراکمی سیمان را بر اساس زمان و بصورت پیوسته اندازهگیری نماید و همچنین مدت زمان انتظار جهت بندش سیمان(WOC) دوغاب های مختلف را بر اساس زمان عبور امواج اولتراسونیک از ستون سیمان می سنجد. UCA میتواند در حداکثر فشار کاری ۲۰۰۰۰پام و حداکثر دمای کاری۴۰۰ درجه فارنهایت عمل کند.
آزمایش اندازه گیری میزان هرزروی عصاره دوغاب سیمان:
در آزمایش هرزروی سیال، هرزروی آب یک دوغاب سیمان از خلال یک صافی نفوذپذیر (مش ۳۲۵) در دمای گردشی ته چاه (۴۵۰ درجه فارنهایت) و با حداکثر فشار نسبی۲۰۰۰ پام اندازه گیری می گردد. این آزمایش با استفاده از یک فیلتر پرس فشار بالا– دما بالا بر اساس روشAPI میزان هرزروی عصاره دوغاب سیمان اندازه گیری و شبیه سازی می گردد و مایع فیلتر شده در مدت زمان۳۰ دقیقه جمع آوری می شود.سیال میتواند از دوغاب سیمان بدرون سازند هرز رود. هرزروی آب بطور قابل ملاحظه ای نسبت سیمان‌به آب دوغاب و در نتیجه گرانروی را تغییر می دهد. در شرایط حاد این مساله میتواند باعث بندش سریع سیمان‌و غیر قابل پمپاژ کردن آن گردد. در دوغابهای سیمان، هرزروی کم سیال سیمان،به منظور اطمینان از بندش سیمان و ممانعت از ایجاد آسیب به سازند و نفوذ گاز لازم و ضروری بنظر میرسد. معمولا هرزروی سیال دوغاب سیمان‌بایستی در محدوده ۵۰ تا ۱۰۰ میلی لیتر در ۳۰ دقیقه باشد.
اندازه گیری خواص رئولوژیکی:
رابطه بین تنش برشی و شدت برش با استفاده از گرانروی سنج FANN ۳۵ که یک گرانروی سنج دورانی است، تعیین میگردد. با ترسیم رایانهای تنش های برشی در شدت های برشی متناظر، مدل رئولوژیکی (نیوتونی، بینگهام پلاستیک و یا پاورلا) که کاربرد بیشتری دارند، مشخص میگردد. هنگامی که مدل مشخص گردید پارامترهای مربوطه مثل PV و YP در مدل بینگهام پلاستیک و یا اندیس رفتار جریان و اندیس گرانروی در مدل پاورلا می توانند محاسبه گردند.به منظور محاسبه رژیم جریان و فشار اصطکاکی از خواص سیال و هندسه لوله استفاده میشود.
آزمایش آب آزاد:
زمانیکه دوغاب سیمان در شرایط ایستا باشد، ممکن است بر اثر رسوب ذرات سیمان، آب آزاد ایجاد شود. این مساله در چاه های کج و افقی بحرانی و مشکل آفرین خواهد بود. آزمایش آب آزاد در یک استوانه مدرج ۲۵۰ میلی لیتری انجام می شود. دوغاب سیمان تهیه شده بر اساس استاندارد API در یک گرانروی سنج تحت دمای استاتیک ته چاه به مدت ۲۰ دقیقه بهم زده و درون یک استوانه ریخته میشود.
اندازه گیری چگالی دوغاب:
چگالی دوغاب سیمان‌توسط یک ترازوی گل تحت فشار تعیین می گردد. نمونه دوغاب در یک فنجان با حجم ثابت تحت فشار ریخته شده و وزن آن اندازه گیری می شود. با فشرده کردن فنجان نمونه، هوای موجود به حجم ناچیزی فشرده شده و اندازه گیری چگالی دوغاب با دقت بیشتری صورت می گیرد. چگالی دوغاب سیمان‌باید به اندازه ای باشد که فشار یک سازند نفوذپذیر کنترل گردد ولی در عین حال فشار هیدرواستاتیکی ایجاد شده نباید سازندهای ضعیف را بشکافد.
سازگاری گل، جداکننده و دوغاب سیمان:
سازگاری جداکننده با سیال حفاری و دوغاب سیمان با مقایسه خواص رئولوژیکی گل، جداکننده و دوغاب سیمان با خواص رئولوژیکی مخلوط های جداکننده با گل و جداکننده با دوغاب سیمان‌در نسبتهای مختلف چک می شود. اثر جدا کننده بر زمان بندش دوغاب سیمان‌و تراکم استحکامی سیمان‌سخت شده در نسبتهای مختلف جداکننده/دوغاب مشخص می گردد.
کنترل کیفی سیمان و افزایه:
کلاس های API سیمان‌های چاههای نفتی به ۹ نوع تقسیم بندی می گردند. متداولترین کلاس سیمان‌مصرفی در ایران، سیمان کلاس G می باشد. آزمایشات کنترل کیفی بصورت متداول بر روی سیمان‌های مصرفی انجام می گردد تا از کسب نیازهای شیمیایی و فیزیکی داده شده در استاندارد API spec ۱۰ اطمینان حاصل گردد. به منظور تضمین کیفیت مناسب افزایه های مصرفی در عملیاتهای سیمانکاری، آزمایشات کنترل کیفی در یک روال جاری صورت میگیرد.
اندازه گیری قدرت ژله شدن دوغاب سیمان:
با استفاده از تجهیز آزمایشگاهی SGS میتوان قدرت ژله شدن دوغاب سیمان و همچنین مدت زمان بندش آن را تعیین کرد. نمونه دوغاب در یک فنجان استاندارد ریخته شده و پس از قرار گرفتن در دستگاه آزمایش میگردد. محدوده اندازه گیری تجهیز SGS با فرض جریان پلاگ نمونه دوغاب در شدت برش های بسیار پایین مشخص می گردد.
اندازه گیری خواص رئولوژیکی در دما و فشار بالا
اندازه گیری میزان مهاجرت گاز در دوغاب سیمان:
مهاجرت سیال و گاز از درون دوغاب سیمان یکی از دلایل عمده شکست عملیات سیمانکاری بوده و عملیات های درمان کننده بسیار پرخرج خواهد بود. آنالایزر مهاجرت گاز (FMA) دوغاب سیمان را از نظر هجوم سیالات سازند (گاز و آب نمک) پس از عملیات سیمانکاری شبیهسازی مینماید. این آنالایزر کلیه موارد مورد نیاز به منظور شبیه سازی واقعی پارامترهایی مثل دما، فشار هیدرولیکی، فشار سیال سازند و گرادیانهای فشار محرک جریان از خلال ستون سیمان را برآورده می نماید.
