GB T 20971-2007 石油天然气工业 固井设备 注水泥浮动装置性能测试.pdf

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1、Ics 7518010E 92 a雪中华人民共和国国家标准GBT 2097 1-2007IS0 1 0427-3：2003石油天然气工业固井设备 注水泥浮动装置性能测试Petroleum and natural gas industries-Equipment for well cementing-Performance testing of cementing float equipment200706-25发布(ISO 10427-3：2003，IDT)2007-11-01实施宰瞀鹊鬻瓣警糌瞥鐾发布中国国家标准化管理委员会“”。前 言GBT 20971-2007ISO 10427-3：20

2、03本标准等同采用SO 104273：2003(石油天然气工业 固井设备 注水泥浮动装置性能测试(英文版)。本标准沿用了1SO 104273：2003的编写格式和编排顺序，采用国际标准的方法陈述。本标准对ISO 104273：2003作了下列编辑性修改：a)“ISO 10427本部分”一词改为“本标准”；b)用小数点“”代替作为小数点的逗号“，”，c) 删除了ISO 104273：2003的前言和引言，增加了本前言。本标准的附录A为资料性附录。本标准由全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会(SACTC 96)提出并归口。本标准负责起草单位：石油工业井下工具质量监督检验中心。本标准参加起草单位：

3、德州石油钻井研究所。本标准主要起草人：王晗阳、张虎林、田晓艳、吴姬吴。本标准为首次发布。1范围GBT 209712007IS0 10427-3：2003石油天然气工业固井设备注水泥浮动装置性能测试本标准规定了石油天然气工业注水泥浮动装置的性能测试方法。本标准适用于水基钻井液工况的注水泥浮动装置，不适用于非水基钻井液工况。2注水泥浮动装置的功能注水泥浮动装置是指安装在套管柱上的一个或多个止回阀，用于保持流体在套管中只能向下而不能向上流动。注水泥浮动装置的基本用途是防止顶替到套管与井眼环空的水泥浆回返到套管内(U形管效应)。在某些情况下，如尾管注水泥，注水泥浮动装置的唯一作用是防止u形管效应。在另

4、外一些情况下，套管内憋压候凝，会使环空水泥环产生裂纹(微间隙)注水泥浮动装置的作用是水泥浆在环空凝固期间，防止u形管效应，避免在套管内憋高压。注水泥浮动装置有时也用来减轻钻机负荷。由于注水泥浮动装置具有阻塞流体回返套管的功能，装有注水泥浮动装置的套管人井浮力大于未装注水泥浮动装置的套管的入井浮力。套管人井后，如果装有注水泥浮动装置的套管内流体的高度或密度小于套管外流体的高度或密度，则套管柱悬重小于未装注水泥浮动装置的套管柱悬重。注水泥浮动装置防止流体回返套管内的功能对井控也很重要。如果套管内的流体液柱压力小于套管底部地层流体压力时，井内流体可能回返套管内，这时注水泥浮动装置就成为主要的井控工具

5、。注水泥浮动装置有时也用作套管试压的辅助工具。通常下一个或多个注水泥胶塞坐在注水泥浮动装置上，由胶塞密封套管进行套管柱整体试压。注水泥浮动装置也被某些施工人员用作降低水泥浆在套管内自由下落速度的装置。水泥浆的自由下落是由水泥浆与钻井液的密度差造成的，注水泥浮动装置有一个缩径的流道，在一定范围内可降低水泥浆自由下落速度。自动灌浆式注水泥浮动装置是一种特殊形式的注水泥浮动装置，在下套管过程中允许流体从套管底部进入。有时自动灌浆式注水泥浮动装置能减轻套管下入时的压力波动，也能确保压力波动不超过套管挤毁压力。下套管时，自动灌浆式注水泥浮动装置的止回阀处于开启状态，采用地面投球或以一定速度正循环的方法使

6、止回阀恢复到正常状态。3注水泥浮动装置的性能指标31概述下面列出的性能指标，可用来评估注水泥浮动装置在给定井眼中的使用性能。3，2井下环境的寿命含有磨蚀材料的流体通过注水泥浮动装置循环一定时间后，在不同方位和高温、高压环境下，注水泥浮动装置应能有效工作。33承受反向压整能力由于套管人井过程中或注水泥后，环空液柱压力通常大于套管内的液柱压力，注水泥浮动装置应能承受从下方施加在止回阀上的压差。34承受注水泥胶塞碰压的压力注水泥浮动装置应能承受上方注水泥胶塞碰压所施加的压力。在隔离水泥浆和顶替液的注水泥胶】GBT 20971-20071SO 10427-3：2003塞(上胶塞)碰压后，施工人员有时会

7、短暂升高压力对套管试压，这样施加在注水泥浮动装置上的力，可能导致注水泥浮动装置损坏。35可钻性在多数情况下，注水泥后需要钻穿注水泥浮动装置，所以注水泥浮动装置应易于钻除。36通过堵漏材料的能力注水泥浮动装置应易于通过堵漏材料(I。CM)。有时，通过注水泥浮动装置的流体中含有LCM，用于封堵高渗透性、多L的、有裂缝的地层，以减少漏失量。由于注水泥浮动装置的止回阀有一个缩小的流道，易被LCM堵塞，部分和全部阻断循环流体。因此，对某些井来说，LCM通过的难易程度也是注水泥浮动装置的一项性能指标。37止回阀的流动阻力由于注水泥浮动装置的止回阔具有一个缩小的流道，循环流体通过时会产生压降。如果压降太高，

8、会限制循环流速。有时叉需要高压降来降低水泥浆自由下落速度。在流体密度和速度一定时，止回阀的流动阻力可用来估计压力损失。38 自动灌浆式止回阀的反向流动阻力自动灌浆式注水泥浮动装置具有在下套管时减小压力波动，允许流体从套管下部进入套管内的功能。因此，止回阀的反向流动阻力是止回阀减小压力波动性能的指标。4试验设备和材料41循环试验设备411总述循环试验设备用于寿命试验，图l为循环试验设备的一种配置，也可以使用其他的配置。主要包括泥浆罐、循环管线、泵和检测仪器。412泥浆罐泥浆罐宜配有两个舱室，每个舱室约可容纳1 59 m3(100桶)流体，每个舱室应安装适当的搅拌器以保证流体被充分混合。两个舱室间

9、装有阀门。以调节舱室内流体体积。泥浆罐应具有调节温度的功能，加料斗应能混合泥浆化学材料。413循环管线循环管线应由直径1016 mm1524 ram(4 in6 in)的管线和阀门组成。图1所示循环管线的低压管线部分应能承受最低3 400 kPa(500 psi)压力，高压管线部分应能承受最低34 500 kPa(5 000psi)压力。测试自动灌浆式浮动装置时，宜采用同样管线，以方便地转换通过浮动装置的流体方向。循环管线的高、低压部分应安装压力释放型安全阀。循环管线的低压部分可用软管或伸缩接头以适应不同长度的注水泥浮动装置。414泵宜采用三缸泥浆泵作为循环试验设备用泵。泥浆泵排量应不小于16

10、 m3rain(10桶min)，试验压力应不低于34 500 kPa(5 000 psi)。也可以用离心泵作为代替，但需要配置一台高压泵进行反向承压试验。在试验期间宜配置一台备用泵。415仪器仪器应包括流量计、温度传感器和压力传感器，安装位置见图1。宜安装一套数据采集系统，记录试验期间的数据。416安全预防措施设计和操作循环试验设备时，应采取以下安全预防措施；a)循环试验设备应安装在一个可控制并隔离的区域；b)c)d)e)注：GBT 20971-2007IS0 104273：2003应定期检测管线壁厚的减少，特别是冲蚀最严重的区域，例如弯管、三通等处l操作及混合实验用泥浆化学材料的人员应经过资

11、格认证操作时采取适当的安全措施；在进行压力试验期间，所有操作人员与观察人员都应与循环试验设备的高压部分保持一定的安全距离；泵的控制部分和高压传感器的显示器的安装都应与循环试验设备的高压部分保持一定安全距离。安全措施并不限于上述所列。1加料斗；2一一舱室1；3搅拌器4舱室25一一泥浆罐；6温度传感器7一三缸泥浆泵8流量计；9一低压安全阀10一压力传感器；11一一低压官线(软管)12注水泥浮动装置(浮箍)l13一高压安全阀；14高压管线。图1 注水泥浮动装置循环试验设备配置图42试验用循环流体试验用循环流体应为水基钻井液，并在50(120下)时保持流动性：密度：1 440 kgm31 500 kg

12、m3(120 lbgal125 lbgal)；塑性粘度：10 mPas50 mPas(10 cP50 cP)；动切力：24 Pa120 Pa(5 lbflOO ft225 lbflOO ft2)；GBT 20971-2007150 104273：200310 s静切力：19 Pa(4 lbf100 ft2)；含砂量：24的体积比。注：非水基钻井液可能会受溶剂部件不相容的影响。试验用加重材料宜为符合ISO 13500规定的重晶石，流体特性宜按照ISO 104141进行测试。试验流体用砂宜为(75212)pm(20070)目，这些材料可从固井服务公司和砂子供应商处得到。43高温高压试验设备431设

13、备用一种专门设备为注水泥浮动装置提供试验所需温度和压力，推荐设备简图见图2，也可用其他设备和方法提供注水泥浮动装置试验的温度和压力及安全预防措施。图2所示设备要求如下：1压力进口2 安全网；3 排气口(大气压)4 硅基油；5 加热元件；6 注水泥浮动装置(浮箍或浮鞋)。温度范围：21(70下)204(400)压力范围：0 kPa 34 500 kla(5 000 psi)图2温度和压力试验设备一设备的设计安全工作温度应大于204(400 oF)，压力应大于34 500 kPa(5 000 psi)。图2所示设备包括一个腔体、焊接法兰以及用来注水泥连接浮动装置的配合法兰。腔体的内径应大于试验的注

14、水泥浮动装置最大外径，设计腔体尺寸时应考虑到经济性。对于多种型号注水泥浮动装置的试压，多个尺寸的试验腔体可能比一个大腔体更经济或更合适。腔体和焊GBT 20971-2007ISO 10427-3：2003接法兰应有足够强度以承受试验期间的最大压力(加上安全系数)。配合法兰用于支撑被试验的注水泥浮动装置，有进压口和泄压口，其额定压力值应与腔体相同。注水泥浮动装置在试验期间用短节和加长管悬挂在配合法兰下。支撑件应足够坚固以承受最大试验压差(加上安全系数)。排气口、泄压口应装有安全网，当注水泥浮动装置破裂时能挡住碎片。在压力温度试验期间，腔体内应注满闪点高于204(400下)的硅基油，腔体完全注满油

15、后，用外部的热源或直接用电阻加热棒加热。432设计和操作高温高压设备的安全措施a) 试验设备应置于由厚墙围成的密闭空间(例如用钢筋混凝土加固的试验间)中，防止试验设备或注水泥浮动装置完全损坏，伤及操作人员和观察者；b)所有的泵和温度控制器以及泄压阀都应在试验间外并加上防护罩，还应配备自动关闭控制系统。在试验期间操作人员应始终观察试验设备，可通过镜子来反射观察，观察iL应用高强度玻璃保护Ic)试验间应安装供操作人员始终能够观察的小观察口；d)试验间应有足够的通风设施或排气扇，以便排出烟或刺激性蒸气e)加热用油应定期检查其受污染程度，污染会降低硅基油的闪点，必要时应更换；f)试验间内外都应放置灭火

16、器，也可配备自动灭火器装置。注：安全措施并不限于上述所列。5寿命试验51试验准备511 试验用流体应按42的要求准备，宜准备不少于79 rrl3(50桶)的流体。试验流体先不通过注水泥浮动装置循环(旁通)，直至流体性能稳定。512注水泥浮动装置应安装在如图1所示的循环试验设备的测试段。浮动装置既可水平放置，也可垂直放置。如注水泥浮动装置用于井斜角大于45。的井中，推荐水平放置。在与附录A类似的试验报告中应注明试验期间注水泥浮动装置的安装方位。舌板型注水泥浮动装置水平放置试验时，舌板的铰接装置应置于底部(下端)，防止因重力关闭。垂直放置试验时，通过注水泥浮动装置的流体应向下流动。 52试验类型三

17、种工作类型的寿命试验，见表1和表2。表1 普通式注水泥浮动装置寿命试验持续时间1 最大压力“类 型kPa(psi)I 8 10 300(1 500) 12 ZO 700(3 000)山 24 34 500(5 000)8大干88 9 mm(3M in)的注水泥浮动装置，循环流量为1 6 m。rain(10桶rain)；等于或小于88 9 mm(3in)的注水泥浮动装置，循环流量为10 mmln(6桶rain)。b最大试验压力廊为表中值和注水泥浮动装置80额定破裂压力二者中的最小值。GBT 209712007ISO 10427-3：2003衰2 自动灌浆式注水泥浮动装置寿命试验持续时间最大压力类

18、型kPa(psi)反向 正向6l 2 8 10 300(1 500) 4 12 20 700(3 000) 6 24 34 500(5 000)8循环流量为05 m3rain(3橘rain)。b大干889 mm(3M in)的注水泥浮动装置。循环流量为16 m3rain(10桶min)l等于或小于88 9 mm(3Min)的注水泥浮动装置t循环流量为10 m3rain(6桶rain)。最大试验压力为表中值和注水泥浮动装置80额定破裂压力二者中的最小值。53试验程序531 普通式注水泥浮动装置5311将循环试验设备高压部分加压至700 kPa(100 pai)给注水泥浮动装置施加反向压力。再打开

19、连接注水泥浮动装置上游的排气阀。记录止回阀关闭时的流量，如果注水泥浮动装置止回阀未关闭，可增加反向流体的流量，记录关闭止回阀所需的流量。增加压力至1 700 kPa(250 psi)，保持5 rain，压力应不降，否则停止实验。5312依据试验类型对注水泥浮动装置循环的持续时间为8 h、12 h或24 h。尺寸大于889 mm(3Min)的注水泥浮动装置，循环流量为16 m3rain(10桶rain)I尺寸等于或小于889 ram(3坯in)的注水泥浮动装置，循环流量为101213min(6桶rain)。在至少75的试验期间，流体温度不低于43(110 oF)。每循环2 h停止一次，按5311

20、进行反向承压试验。每2 h检测一次流体性能，必要时进行调整。5313应按以下方式进行低温高压反向承压试验。从循环试验装置中取出洼水泥浮动装置，放入如43所述的容器中，以便安全地对止回阀进行高压试验，也可在循环回路中进行。按试验类型最高试验压力应为10 300 kPa、20 700 kPa或34 500 kPa(1 500 psi、3 000 psi、5 000 psi)和注水泥浮动装置80额定破裂压力二者中的最小值。如果需要，可通过反向流体冲击关闭注水泥浮动装置的止回阀。反向压力应在2 rain升至最高试验压力，保压30 rain。5314拆开注水泥浮动装置，检查止回阀部件冲蚀或磨损情况，对于

21、水泥填充型注水泥浮动装置，还应检查水泥有无裂纹或冲蚀现象，均不应有异常。532 自动灌浆式注水泥浮动装置5321对注水泥浮动装置进行反向循环的流量为05 m3rain(3桶rain)，持续时问为2 h、4 h或6 h，测量并记录反向流动压降。5322按制造商推荐方法使注水泥浮动装置的止回阀活动记录使止回阀活动所需压力和(或)流速。5323按531普通式注水泥浮动装置进行寿命试验。6静态高温高压试验61试验类型三种工作类型的静态高温高压试验见表3。6衰3静态高温高压试验GBT 20971-2007ISO 10427-3：2003温度 最大压力“类型(。F) kPa(psi)A 93(200) 1

22、0 300(1 500)B 149(300) 20 700(3 000)C 204(400) 34 500(5 000)a所有类型试验保持温度8 h。b最大试验压力为表中值和注水泥浮动装置80额定破裂压力二者中的最小值。62程序621按第5章完成寿命试验。622按432规定检查安全措施。623将注水泥浮动装置安装在高温高压试验设备中，高温高压试验设备应类似43所述。624启动加热设备使试件和试验腔达到恒定的试验温度，按试验类型确定试验温度，试验温度为93土5、1495或204士5C(200下土10下、300下士10下或400下土10下)，保温8 h。625向试验腔内泵人试验流体，对注水泥浮动装

23、置的止回阕施加压力试验，使阀关闭和密封。可用小排量、高压泵，加压至340 kPa(50 psi)，试验低压密封。此试验宜使用气泵。浮球型注水泥浮动装置可能需用大排量泵来关闭止回阀。或关闭排气阀，给试验腔加压作用在试件下方，迅速打开排气阀，提供一个冲击流关闭注水泥浮动装置的止回阀。626增压至3 400 kPa(500 psi)，保压15min，以每15min增加3 400 kPa(500 psi)增压至最大试验压力，试验类型为10 300 kPa、20 700 kPa或34 500 kPa(1 500 psi、3 ooo psi、5 000 psi)，注水泥浮动装置可能在达到最高压力前失效。如

24、果试验压力可能使注水泥浮动装置壳体破裂，最大试验压力应小于壳体额定内屈服压力或抗外挤压力的80。627释放压力，冷却后拆开注水泥浮动装置，检查有无异常现象。7试验结果宜按本标准附录A的格式形成试验结果报告。GBT 20971-2007IS0 10427-3：2003I信息总述制造商附录A(资料性附录)注水泥浮动装置性能试验结果注水泥浮动装置试验类型注水泥浮动装置规格注水泥浮动装置型号注水泥浮动装置制造厂地址如为自动灌浆式注水泥浮动装置，阀反向流动压降如为自动灌浆式注水泥浮动装置，使止回阀活动的压力和或流速试验后阀的描述高温高压试验8试验日期高温高压试验类型A试验结果：合格试验压力类型： 仅内压不合格内压和外压与阀接触的流体类型如合格，最大试验压力GBT 20971-2007ISO 10427-3：2003如不合格，所达到的最大试验压力试验后阀的描述签名姓名签字日期职务电话GBT 20971-20071S0 104273：200310参考文献11s()1 3500石油天然气工业钻井液材料规范和实验E2ISO 104141 石油天然气工业钻井液现场实验第1部分：水基钻井液3API RF IOF注水泥浮动设备性能实验推荐方法，1995年11月第二版