固井水泥浆气窜模拟评价仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了固井水泥浆气窜模拟评价仪，主要由釜体、滤液存储罐、注入压力传感器、流量计、注入氮气源、背压传感器、自动泄压装置、背压氮气源、围压水罐、围压氮气源、计算机组成，水泥浆置于釜体内，水泥浆顶部的活塞和釜体底盖均装有滤网，釜体下部有孔隙压力传感器，釜体中部有内电偶和外电偶，釜体底盖连接滤液存储罐和安全阀；釜体顶部连接围压水罐和围压氮气源，釜体底部连接流量计、注入氮气源和注入压力传感器；活塞顶部连接背压传感器、自动泄压装置和背压氮气源；孔隙压力传感器、内电偶、外电偶、流量计、注入压力传感器、背压传感器、自动泄压装置均和计算机相连。本发明将失水与气窜融为一个整体，比较准确地评价水泥浆的防气窜能力。
【专利说明】固井水泥浆气窜模拟评价仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及油气井固井过程中的水泥浆气窜模拟评价仪，可用于评价固井水泥浆的防气窜能力。
【背景技术】
[0002]固井环空气窜问题是影响气井固井质量的首要因素之一，几乎所有天然气井固井都存在潜在气窜危险，其中以墨西哥湾、塔里木等地气窜现象最为严重。气窜问题对气井危害严重，气体在井下高低压层间窜流会造成油气资源损失，而窜至井口轻则使井口带一定压力，严重时井口冒油冒气甚至发生不可控井喷，甚至导致一 口井的报废。研究发现，气窜的主要通道有水泥浆本体、套管/水泥环胶结一界面和水泥环/地层胶结二界面三种途径，而固井早期气窜机理主要是通过水泥浆本体的窜流，因此水泥浆体系的本体抗窜能力是气井早期防气窜的首要基本问题。目前针对水泥浆防窜能力评价的方法众多，但是缺乏实际验窜评价手段与仪器。
[0003]目前，国内外水泥浆气窜仪主要有Chandler7150FMA型气窜仪和0WC-0809型气窜分析仪。该两型仪器均将气窜过程人为拆分为失水阶段和气窜阶段，而井下实际情况为:水泥浆在井底压差下边失水，边凝固，从前期失水到后期气窜为一个整体的过程，因此将气窜实验人为拆分为失水、气窜两阶段是不科学的。另一方面，目前两型仪器对上部浆柱压力下降的模拟采用手动泄压的方式，而手动泄压难以将时间与压差一一对应的关系卡准，由人为主观因素引起的实验系统误差太大，实验评价结果不准，实验不具重复性。再者，目前已有气窜仪对于水泥浆两端的模拟压力的选取是任意的，仅模拟了井下实际压差，未考虑水泥浆两端绝对压力大小对气窜流量的影响，缺乏理论依据。考虑到气体渗流流量与水泥浆两端压力的平方差以及入口端压力的绝对大小有关，因此仅在模拟压差的前提下任意选取模拟气层压力、上部浆柱压力所得到的气窜流量仅为水泥浆入口端的流量，由于气体的可压缩性和滑脱效应的存在，因此该流量并非井下实际气窜流量。就0WC-0809型气窜分析仪而言，孔隙压力测量采用毕托管原理，为防止水泥浆堵塞管线，需在接头处塞一小团棉花，起滤网作用，但该方法对于API滤失小于50ml的浆体则失效，无法采集孔隙压力的数据。因此，现有技术无法满足水泥浆防气窜能力评价、提高固井质量的要求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供固井水泥浆气窜模拟评价仪，该评价仪将失水与气窜阶段融为一个整体，在实际工况下模拟气窜，比较准确地评价水泥浆的防气窜能力，克服了现有技术的缺陷。
[0005]为达到上述技术目的，本发明提供以下技术方案。
[0006]固井水泥浆气窜模拟评价仪，主要由釜体、滤液存储罐、注入压力传感器、流量计、注入氮气源、背压传感器、自动泄压装置、背压氮气源、采样锥形瓶、围压水罐、围压氮气源、计算机组成。[0007]水泥浆置于釜体内，水泥浆顶部的活塞和釜体底盖均装有滤网，釜体下部有孔隙压力传感器，釜体中部有内电偶和外电偶，釜体底盖连接滤液存储罐和安全阀。
[0008]釜体顶部连接围压水罐，带有观察窗的围压水罐连接水源和围压氮气源；釜体底部连接流量计、注入氮气源和注入压力传感器。
[0009]所述活塞顶部连接背压传感器、自动泄压装置和背压氮气源。
[0010]所述釜体内的孔隙压力传感器、内电偶、外电偶、流量计、注入压力传感器、背压传感器、自动泄压装置均和计算机相连。
[0011]本发明具体实施步骤如下:通过模拟井下实际温度、压差工况等条件，由计算机采集温度、压力和窜流流量等参数并作图；计算机所采集到的窜流流量按照流量修正模型修正后得井下实际压力、温度下的气窜流量；最终通过观察测窜流量曲线判断是否发生气窜，评价水泥浆的防气窜能力。
[0012]本发明采用流量修正模型修正气窜流量，依据达西渗流定律(何更生，油层物理[M]，北京:石油工程出版社，2011)，来推导实际井下压力、温度下的气窜流量修正公式，具体推导过程如下:
[0013](I)气体渗流达西公式[0014]
【权利要求】
1.固井水泥浆气窜模拟评价仪，主要由釜体(I)、滤液存储罐(9)、注入压力传感器(11)、流量计(19)、注入氮气源(20)、背压传感器(12)、自动泄压装置(15)、背压氮气源(16),采样锥形瓶(17)、围压水罐(23)、围压氮气源(24)、计算机(13)组成，其特征在于，水泥浆(2)置于釜体(I)内，水泥浆顶部的活塞(5)和釜体底盖(3)均装有滤网(4)，釜体下部有孔隙压力传感器(6)，釜体中部有内电偶(7)和外电偶(8)，釜体底盖连接滤液存储罐(9)和安全阀(10);釜体顶部连接围压水罐(23)，围压水罐(23)通过单向阀(21)连接水源(22)，通过选择阀(25)连接围压氮气源(24)和观察窗(26)，釜体底部连接流量计(19)、注入氮气源(20)和注入压力传感器(11 )，釜体顶部和釜体底部均通过压力排放阀(18)连接气液排放口(27);活塞顶部顺序连接背压传感器(12)、气控背压阀(14)、自动泄压装置(15)和背压氮气源(16)，气控背压阀(14)连有采样锥形瓶(17);所述孔隙压力传感器(6)、内电偶(7)、外电偶(8)、流量计(19)、注入压力传感器(11)、背压传感器(12)、自动泄压装置(15)均和计算机(13)相连。
2.如权利要求1所述的气窜模拟评价仪，其特征在于，所述孔隙压力传感器(6)采用膜片式压力传感器。
【文档编号】G01N33/38GK103513019SQ201310432978
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月22日 优先权日:2013年9月22日
【发明者】李早元, 李进, 郭小阳, 程小伟, 李明, 刘健, 辜涛, 冯仁鹏, 胡光辉, 邓智中 申请人:西南石油大学