气窜模拟测试装置以及测试方法与流程

本申请涉及但不限于油井配套设备技术领域，尤其是一种气窜模拟测试装置以及测试方法。

背景技术：

注水泥后的侯凝阶段，高压气体的上窜是气井固井中的主要问题。

气窜的主要原因有以下几点：1、固井时水泥环顶替效率低，形成泥浆夹带的窜槽，如气层压力大于静水液柱压力，气体沿窜槽带逸出；2、由于水泥质量问题，使在环空中水泥与套管或地层胶结面的胶结质量差，气体沿环隙缝窜漏；3、施工过程中水泥浆柱和泥浆柱总压力小于气层压力。即“水泥浆失重”形成气窜；其中，水泥浆失重的原因是：水泥浆失水大，水泥浆的水化收缩，水泥浆胶凝自身悬挂。

气窜的主要危害有以下几点：1、固井声幅值高，固井质量不合格；2、产层的产能失去保护，造成产能下降；3、发生井喷事故；4、多次挤水泥，使固井施工重复作业。

现有技术中，针对这一现象提供有相应的模拟测试装置，以模拟评价油井水泥配方的防窜能力和水化过程，以全面了解水泥的综合性能，并获取相关数据以服务于后期实际应用。然而，目前的测试装置存在有如下缺点：装置结构复杂，测试操作繁琐，不能有效模拟实际情况，测试结果偏差较大等。

技术实现要素：

本申请解决的技术问题是提供一种气窜模拟测试装置以及测试方法，能够有效克服现有技术中存在的缺陷，能够优化测试装置的结构组成，降低操作的复杂程度；进一步的，还能够有效模拟实际情况，能够有效提高测试结果的准确性。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种气窜模拟测试装置，包括加热筒、用于测量水泥气窜过程的气窜管和用于测量水泥静液柱压力的失重管；

所述气窜管、失重管均设置在所述加热筒内，所述气窜管、失重管均设置有用于容纳水泥的环状腔体，所述气窜管、失重管的底端均设置有压力检测机构；

所述气窜管的环状腔体的底端设置有第一水泥浆输入口和第一气体输入口，顶端设置有加压检测口；所述失重管的环状腔体的底端设置有第二水泥浆输入口。

上述气窜模拟测试装置，还可具有如下特点，

所述气窜管、失重管均包括连接杆和内套管，所述连接杆设于所述内套管中，所述内套管设于所述加热筒中，所述内套管的内壁与所述连接杆之间构成所述环状腔体。

上述气窜模拟测试装置，还可具有如下特点，

所述气窜管的内套管底端连接有第一法兰端盖，顶端连接有第二法兰端盖，所述连接杆的两端分别贯穿第一法兰端盖和第二法兰端盖；

所述第一水泥浆输入口和所述第一气体输入口设置在所述第一法兰端盖上，所述加压检测口设置在所述第二法兰端盖上。

上述气窜模拟测试装置，还可具有如下特点，

所述失重管的内套管底端设置有第三法兰端盖，顶端连接有第四法兰端盖，所述连接杆的两端分别贯穿第三法兰端盖和第四法兰端盖；

所述第二水泥浆输入口设置在所述第三法兰端盖上。

上述气窜模拟测试装置，还可具有如下特点，

所述第一法兰端盖和所述第三法兰端盖上均设置有压力检测机构。

上述气窜模拟测试装置，还可具有如下特点，

所述加热筒设有用于容纳气窜管和失重管的空腔，以及围绕所述空腔设置的加热腔，所述加热腔设置有用于连通油箱管路的接口。

上述气窜模拟测试装置，还可具有如下特点，

所述第一法兰端盖内还设置有环形滤网，所述第一气体输入口设置在所述环形滤网背离所述环状腔体的一侧，所述第一水泥浆输入口设置在所述环形滤网面向所述环状腔体的一侧；

所述第二法兰端盖内还设置有环形挡板，所述环形挡板设置在所述套管的端部，所述环形挡板上开设有通气孔。

上述气窜模拟测试装置，还可具有如下特点，

所述连接杆的两端分别延伸至所述第一法兰端盖、所述第二法兰端盖的外侧，所述连接杆的两端均连接有压紧螺母，所述压紧螺母用于将所述第一法兰端盖、所述第二法兰端盖固定在所述连接杆上。

上述气窜模拟测试装置，还可具有如下特点，

所述压力检测机构为U型压力计。

为解决上述技术问题，本申请还提供了一种气窜模拟测试方法，包括：

步骤a：通过压力检测机构检测失重管中的单位高度的水泥静液柱压力值，根据检测数值计算出需要施加的静液柱压力值；

步骤b：通过气窜管的加压检测口进行加压操作，施以计算出的压力值，测量气窜管底部压力并记录测量值；

步骤c：当压力检测机构检测气窜管的测量值达到预定值后，从第一气体输入口通入恒定压力的气体；

步骤d：通过气窜管的加压检测口检测环状腔体的水泥气窜量。

本申请上述技术方案具有如下有益效果：

相比于现有技术，上述气窜模拟测试装置以及测试方法，能够逼真的模拟水泥浆在环空中自然失重的整个过程，并可连续测量记录水泥产生静胶凝和水化过程的失重曲线及数据；同时，上述装置还可以测试注入水泥之后水泥浆配方控制地层气体侵入的能力，这种装置可实际的模拟各种参数，例如：温度、地层压力、液柱高度等；上述装置可优选通过计算机控制，以实现数据实时采集、显示、存储。

进一步的，本发明可通过上述环状腔体的设置，能够有效模拟水泥浆在地层和套管之间的环状腔体；可通过上述设置在第一法兰端盖处的第一气体输入口，能够实现地层压力从装置底部注入环状腔体内，能够有效模拟地层压力的实际流向；上述设置在第二法兰端盖处的加压检测口，能够监测出是否有气体从装置底部经水泥柱后运移至装置顶部，进而能够有效监测出环空内气窜过程。

进一步的，本发明还可通过上述环形滤网的设置，能够有效保证阻挡水泥进入测窜装置的第一气体输入口中，能够有效保证系统管路内部的正常运行，以保证最终测试结果的准确性；需要说明的是，上述环形滤网的设置，不会对气体窜入水泥环空过程造成影响。

进一步的，本发明还可通过上述环形挡板的设置，能够有效传递来自加压检测口的压力，也能够有效防止在测气窜时水泥浆柱整体上移，能够使得水泥浆柱保持当前的位置，能够有效避免测试过程中水泥浆柱上移所引起的气窜测试误差，能够有效保证最终测试结果的准确性；上述通气孔的设置，能够有效保证气窜气体从水泥浆柱中顺利进入第二法兰端盖上的加压检测口处。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为图1中A1处的局部放大图；

图3为图1中A2处的局部放大图；

图示标号：

1-气窜管，11-第一法兰端盖，12-连接杆，13-内套管，14-第二法兰端盖，15-环形挡板，16-环形滤网；

2-失重管，21-第三法兰端盖，22-第四法兰端盖，3-加热筒；

a-第一水泥浆输入口，b-第一气体输入口，c-加压检测口，d-油箱进油口，e-油箱出油口。

具体实施方式

下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

实施例一：

结合图1、图2、图3所示，本发明实施例一提供了一种气窜模拟测试装置，可以包括加热筒3、用于测量水泥气窜过程的气窜管1和用于测量水泥静液柱压力的失重管2；其中，气窜管1、失重管2均设置在加热筒3内，气窜管1、失重管2均设置有用于容纳水泥的环状腔体；气窜管1的环状腔体的底端设置有第一水泥浆输入口a和第一气体输入口b，顶端设置有加压检测口c；失重管2的环状腔体的底端设置有第二水泥浆输入口和压力检测口；气窜管1、失重管2的底端均设置有压力检测机构。

具体操作中，可通过上述失重管2的设置，能够实现单位高度的水泥静液柱压力值的检测操作，可通过上述气窜管1的设置，能够实现水泥浆防窜能力的检测，可通过上述加热筒3的设置，能够有效模拟地层的温度，使得测试结果更加准确。

相比于现有技术，上述气窜模拟测试装置能够逼真的模拟水泥浆在环空中自然失重的整个过程，并可连续测量水泥产生静胶凝和水化过程的失重曲线及数据；同时，上述装置还可以测试注入水泥之后水泥配方控制地层气体侵入的能力，这种装置可实际的模拟各种参数，例如：温度、地层压力、液柱高度等；上述装置可优选通过计算机控制，以实现数据实时采集、显示、存储。

本实施例中，上述气窜管1、失重管2均包括连接杆和内套管，连接杆设于内套管中，内套管设于加热筒3中，内套管的内壁与连接杆之间构成环状腔体。上述气窜管1与失重管2的结构主体相同，现以气窜管1为主进行详细说明：

具体操作中，上述气窜管1包括连接杆12和内套管13；连接杆12设于内套管13中，内套管13的内壁与连接杆12之间构成环状腔体；内套管13的一端连接有第一法兰端盖11，另一端连接有第二法兰端盖14，连接杆12的两端分别贯穿第一法兰端盖11和第二法兰端盖14；第一法兰端盖11设有第一水泥浆输入口a和第一气体输入口b，第二法兰端盖14设有加压检测口c，第一水泥浆输入口a、第一气体输入口b和加压检测口c均与环状腔体连通。

具体操作中，可通过上述环状腔体的设置，能够有效模拟水泥浆在地层和套管之间的环状腔体；上述设置在第二法兰端盖14处的第一水泥浆输入口a，能够实现水泥从装置底部注入环状腔体内；当水泥浆完全注满从装置顶部溢出时，可以停止注浆，关闭阀门；上述第一水泥浆输入口a与环状腔体的配合，能够模拟实际固井，水泥浆从套管底部返入环空的过程。

进一步的，还可通过上述设置在第一法兰端盖11处的第一气体输入口b，能够实现地层压力从装置底部注入环状腔体内，能够有效模拟地层压力的实际流向；上述设置在第二法兰端盖14处的加压检测口c，能够监测出是否有气体从装置底部经水泥柱后运移至装置顶部，进而能够有效监测出环空内气窜过程；上述监测过程可通过测量加压检测口c的气体量以及气体流速实现。

优选地，本实施例中，上述第一法兰端盖11内还设置有环形滤网16，第一气体输入口b设置在环形滤网16背离环状腔体的一侧，第一水泥浆输入口a设置在环形滤网16面向环状腔体的一侧。

具体操作中，上述环形滤网16的设置，能够有效保证阻挡水泥进入测窜装置的第一气体输入口b中，能够有效保证系统管路内部的正常运行，以保证最终测试结果的准确性；需要说明的是，上述环形滤网16的设置，不会对气体窜入水泥环空过程造成影响。

进一步的，本实施例中，上述第一法兰端盖11还设有压力测量口，压力测量口与第一气体输入口b设置在环形滤网16的同一侧。具体操作中，通过上述压力测量口的设置，能够实现水泥环空底部的压力数值的实时监测，进而为后续的控制分析提供必要的基础数据。

具体操作中，上述连接杆12设置有第一环形台阶，环形滤网16卡紧在第一环形台阶与第一法兰端盖11的内端面之间；安装过程中，可将第一气体输入口b和压力测量口开设在第一法兰端盖11的底部，将上述第一水泥浆输入口a开设在第一法兰端盖11的侧壁上，再将环形滤网16设置在第一法兰端盖11的内端面上，并通过上述第一环形台阶卡紧。上述环形滤网16的设置，能够有效避免水泥浆进入第一气体输入口b或压力测量口，进而有效保证最终测试结果的准确性。

优选地，本实施例中，上述第二法兰端盖14内还设置有环形挡板15，环形挡板15设置在套管的端部，环形挡板15上开设有通气孔；另外，上述第二法兰端盖14可设置有多个加压检测口c，以实现模拟不同长度水泥浆的控制和气窜量的测试操作。

具体操作中，上述环形挡板15的设置，能够有效传递来自加压测试口的压力，能够有效防止在测气窜时水泥浆柱整体上移，能够使得水泥浆柱保持当前的位置，能够有效避免测试过程中水泥浆柱上移所引起的气窜测试误差，能够有效保证最终测试结果的准确性；上述通气孔的设置，能够有效保证气窜气体从水泥浆柱中顺利进入第二法兰端盖14上的加压检测口c处。

进一步的，本实施例中，上述连接杆12设置有第二环形台阶，环形挡板15卡紧在第二环形台阶与第二法兰端部的内端面之间；其中，上述第二环形台阶的设置，能够实现环形挡板15的有效卡紧操作。

具体操作中，可将上述环形挡板15套设在连接杆12上，上述第二环形台阶能够有效限制环形挡板15的下移操作；同时，上述环形挡板15的上表面外沿可顶紧在第二法兰端盖的内端面上，且上述环形挡板15的周壁可与内套管13的端部内沿相互接触；当连接杆12与第二法兰端盖14之间连接紧固、第二法兰端盖14与内套管13之间连接紧固时，环形挡板15可实现相应的位置固定。

优选地，本实施例中，连接杆12的两端分别延伸至第一法兰端盖11、第二法兰端盖14的外侧，连接杆12的两端均连接有压紧螺母，压紧螺母用于将第一法兰端盖11、第二法兰端盖14固定在连接杆12上；进一步的，上述内套管13与第一法兰端盖11、第二法兰端盖14之间均为插入连接。

进一步的，为了能够提高上述测窜装置的整体密封性能；优选地，本实施例中，上述连接杆12与内套管13的接触面上、连接杆12与第一法兰端盖11的接触面上、内套管13与第一法兰端盖11的接触面上、连接杆12与第二法兰端盖14的接触面上均设置有密封圈；进一步的，上述环形挡板15与第二法兰端盖14的接触面上、环形挡板15与内套管13的接触面上均设置有密封圈。

具体操作中，可首先将环形滤网16从连接杆12下端装上，同时，密封圈也安装到连接杆12上和相应的第一法兰端盖11上；进而，将第一法兰端盖11与连接杆12连接，并将螺母拧紧；将第一法兰端盖11内侧安放密封胶圈，将内套管13的底端与第一法兰端盖11之间相互连接，此时可完成气窜管1底部的结构连接。然后，再将密封圈安装到连接杆12上端、环形挡板15上和15外侧，并将环形挡板15设置在内套管13上，再将第二法兰端盖14套在内套管13和连接杆12外侧，并将螺母拧紧在连接杆12上，此时可完成气窜管1顶部的结构连接。

本实施例中，上述失重管2的内套管底端设置有第三法兰端盖21，连接杆的底端贯穿第三法兰端盖21；第二水泥浆输入口设置在第三法兰端盖21上。

具体操作中，上述第二水泥浆输入口的操作类似于气窜管1的第一水泥浆输入口的操作，旨在实现水泥从装置底部注入环状腔体内，以模拟实际地层情况，进而能够有效保证测试结果的准确性。上述失重管2的设置，旨在能够实现单位高度的水泥静液柱压力值的检测操作，进而通过目标高度与单位高度之间的倍数关系，以获知目标高度的水泥静液柱压力值的计算操作。本实施例中，上述失重管2的顶端可设置为开口结构，能够模拟100℃以内的测试环境。

优选地，本实施例中，上述失重管2的内套管顶端连接有第四法兰端盖22，连接杆的顶端贯穿第四法兰端盖22；失重管2的顶端还设置有第二气体输入口，第二气体输入口设置在第四法兰端盖22上。具体操作中，上述顶端加压的设置，能够实现100℃以上，如120℃、140℃等测试环境的模拟，进而能够有效扩大失重管2的测试范围。

进一步的，本实施例中，上述压力检测机构为U型压力计，U型压力计分别设置在第一法兰端盖11和第三法兰端盖21上；具体操作中，通过上述U型压力计的设置，能够有效提高最终的测试精度。

如图1所示，上述加热筒3中的左侧设置有气窜管1，右侧设置有失重管2；上述气窜管1和失重管2在同一个循环加热的加热筒3内，能够有效保证两个实验装置内的样品温度完全一致；其中，d为油箱进油口，e为油箱出油口。

具体操作中，上述加热筒3可设置有用于容纳气窜管1和失重管2的空腔，以及围绕空腔设置的加热腔，加热腔设置有用于连通油箱管路的接口；可通过上述失重管2的设置，测得相应的失重试验曲线，以确定气窜试验的试验压力和时间点，按失重曲线判断水泥浆失重是否结束，在水泥浆失重结束之前根据实验结果判断不同防窜水泥浆体系的优劣，也可以根据不同的井况设计实验方案，以满足不同固井的需求。

实施例二：

本发明实施例二提供了一种应用于实施例一中记载的气窜模拟测试装置的测试方法，包括：

步骤a：通过压力检测机构检测失重管中的单位高度的水泥静液柱压力值，根据检测数值计算出需要施加的静液柱压力值；

步骤b：通过气窜管的加压检测口进行加压操作，施以上述计算出的压力值，测量气窜管底部压力并记录测量值；

步骤c：当压力检测机构检测气窜管的测量值达到预定值后，从第一气体输入口通入恒定压力的气体；

步骤d：通过气窜管的加压检测口检测环状腔体的水泥气窜量。

具体操作中，可通过上述失重管的设置，测得单位高度的水泥静液柱压力值，以1米高度水泥为例，测得的水泥静液柱压力值为a；若想模拟测得10米高度水泥的防窜能力，则在气窜管内在施加一定的压力，具体可施加9a的压力，使得气窜管底部压力值达到10a即可。

当气窜管的压力值达到地层压力时，从第一气体输入口通入恒定压力的气体，随着气窜管顶部输入压力的不断降低，在水泥环底端和顶端产生逐渐变大的压力差；进而，可通过气窜管顶端的加压检测口，检测相应的气体流量、流速等参数，以精确确定水泥的防窜能力。

在本申请的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本领域的技术人员应该明白，虽然本发明实施例所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明实施例而采用的实施方式，并非用以限定本发明实施例。任何本发明实施例所属领域内的技术人员，在不脱离本发明实施例所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明实施例的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。