一种固井第二界面胶结质量的评价装置及实验方法与流程

本发明属于油气井固井第二胶结界面即地层与水泥环界面的评价技术领域，具体涉及一种固井第二界面胶结质量的评价装置及实验方法。

背景技术：

固井质量的好坏影响着后期安全稳定生产的进行和各个增产措施的可行性。固井第二界面，即地层与水泥环的胶结界面，由于存在较为松散的泥饼以及地层流体，使水泥环凝固后易被剥落，胶结强度下降，相比第一界面更容易发生窜层。因而，第二界面的抗气窜能力是更需要重视的一个问题。

对于第二界面胶结状况的评价是固井质量评价中一直存在的亟待解决的问题，常用的测井技术也难以给出具体的评价结果。而目前室内实验评价主要由两方面来确定，一是采用剪切胶结强度，二是水力胶结强度。前者目前有较多的研究，如杨振杰(杨振杰，梁红军，李锋，等.固井界面胶结强度试验仪:CN202381076U[P].2012.)、程荣超(程荣超，步玉环，王瑞和.高炉矿渣改善固井水泥界面胶结性能研究[J].天然气工业,2007,27(2):63-66.)等都采用该原理进行了第二界面胶结评价的研究，但采用该原理进行测试所得到的结果无法直接给出胶结面可以承受的地层窜流压力，同时胶结强度的大小与防窜能力无法建立关系，如胶结面存在裂缝，实际地层已经发生窜流，但是测试显示的剪切胶结强度仍可能很大。可见，该种评价方法存在问题。后者采用水力胶结强度评价，实质是评价界面的抗窜能力，以窜流压力作为评价固井二界面防窜能力指标。与井下情况符合，评价方法和得出的参数具有直接的指导意义。顾军(顾军，杨卫华，秦文政，等.固井二界面封隔能力评价方法研究[J].石油学报,2008,29(3):451-454.)提出了一种评价第二界面封固能力的方法，但该方法采用的是人造岩心，而且未能充分模拟泥饼形成与冲洗，模型过于理想化。郭小阳提出了一种高温高压下一、二两个胶结界面的胶结能力评价装置(郭小阳，张凯，李早元，等.高温高压固井一、二界面封固能力测试装置及方法[P].四川：CN104406910A,2015-03-11.)，该装置虽可对固井第二胶结界面进行，但其采用的是人造岩心模拟地层，其胶结状况与井下第二界面的真实情况存在较大差异；同时该装置可测量一、二两个胶结界面，可能会导致流体在两个界面的互窜，如本是测量第一界面的气体由于第一界面的胶结强度远大于第二界面，使得气体窜至第二界面等现象，影响实验结果，尤其是第二胶结界面的窜流通道有多个，如岩心本身、岩心与水泥环的胶结面等，该装置无法区分气窜的气体来源于哪条通道，故该仪器存在较多不合理之处。

目前的研究中，模拟地层有些采用没有渗透性的金属薄片，使固井第二界面的胶结质量评价不具有参考价值。也有采用人造岩心模拟地层，但是未说明人造岩心对实际地层的模拟方法和是否达到现场地层物性参数，不符合现场情况，同时人造岩心根据井下要求实际尺寸很大，压制困难，成本高，实验周期长，采用的人造岩心制造不符合现场情况，模拟结果参考价值低，基本不具有实际参考价值。

技术实现要素：

为了克服背景技术所述的不足,本发明提供了一种固井第二界面胶结质量的评价装置及实验方法，该装置使用的岩心尺寸小，克服了对岩心需求过大的问题，且能形成泥饼，可以直接用现场岩心，也可以用人造岩心，根据地层岩石全岩、粘土成分、粒度分布、渗透率、孔隙度、油气水饱和度等资料，人工压制模拟地层的人造岩心。此外，该装置对岩心采用了岩心帽处理，将第一界面、第二界面以及岩心本身渗透三条可能发生气窜的通道分离开，能准确地获得第二界面气窜的压力及流量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种固井第二界面胶结质量的评价装置，包括釜体，釜体内部设置有岩心，岩心与釜体之间设置有水泥环；岩心顶部套有岩心帽，岩心帽下缘与水泥环之间设置有间隙；岩心底部设置有羊毛垫，羊毛垫居中可固定岩心，并防止水泥浆流入下堵头上的高压气体管道；水泥环外侧面与釜体内侧面紧密组成第一界面气窜通道，岩心外侧面与水泥环内侧面紧密组成第二界面气窜通道。

所述岩心为真实岩心，岩心直径在25mm到50mm之间，高度50mm，如没有地下实际地层钻取的岩心，可以采用钻屑压制，或根据地层岩石全岩、粘土成分、粒度分布、渗透率、孔隙度、油气水饱和度等资料，人工压制模拟地层的人造岩心。

所述的间隙使第二界面气窜气体逸出，岩心帽中心有孔和管线与岩心体渗透气体通道相连，即可分离开第二界面气窜的气体和从岩心本身渗透过的气体。

所述的釜体外侧面紧密设置有加热套，加热套内部设置有热电偶，用于加热使用，加热套外侧面紧密设置有保温层，用于保温。

所述的釜体上部分连接上端盖，上端盖下部设置有上陶瓷垫圈和上堵头，上陶瓷垫圈用于用以隔热，上堵头上设置有密封圈、第一界面气窜气体收集口、岩心体渗透气体收集口和第二界面气窜气体收集口，密封圈用以分隔开第一、第二界面发生气窜时的气体，第一界面气窜气体收集口用于收集水泥环与釜体内表面形成的第一胶结界面发生气窜时逸出的气体，岩心体渗透气体收集口用于收集岩心本身渗透过的气体，第二界面气窜气体收集口用于收集岩心与水泥环形成的第二界胶结面发生气窜时逸出的气体，该装置中，第一界面、第二界面和岩心本身渗透过的气窜气体均被单独分离开，可准确获知第二界面发生气窜时的压力和流量。

所述的釜体下部分连接下端盖，下端盖上表面依次紧密设置有下陶瓷垫圈、下封头和下堵头，下堵头与釜体的间隙处设置有石墨填料，石墨填料保证密封性能，下陶瓷垫圈用以隔热，下堵头中轴线方向设置有高压气体管道，通过高压气体管道向该装置输入高压空气或高压流体；下堵头与水泥环之间设置有过气槽，通过高压气体管道输入的高压气体经过羊毛垫和过气槽流至岩心、水泥环下部，模拟井下气窜。

所述的高压气体管道连接两条管线：一是通过特殊单向阀连接气体压力表、气体稳压阀和氮气源，二是通过第一控制阀连接第一液压压力表和第一液压泵；第一条管路用于对该装置充入带有一定压力的氮气，模拟气窜以测试各个界面的胶结质量；第二条管路用于对该装置充入具有一定压力的流体，以清洗装置内部或在水泥环形成过程中形成养护压力。所述的特殊单向阀，只有在氮气源所释放出的压力大于釜体内液压的压力时才能被打开，并且流体只能进入釜体，不能返回氮气源，若氮气源释放气压小于釜体内液压时，氮气源释放的气体不能通过该阀门。

所述的第一界面气窜气体收集口、岩心体渗透气体收集口和第二界面气窜气体收集口分别通过管道连接第一界面气窜气体集气瓶、岩心体渗透气体集气瓶和第二界面气窜气体集气瓶；沿气体流动方向，每个管道上依次设置有回压阀、压力表和流量计；当气体发生气窜时，气体上逸并从最近的气体收集口逸出，通过相应的回压阀，经流量计记录流量大小并由各个集气瓶收集气体。由于各个界面通过的气体量较小，通过产生气泡即可观察是否有气体进入到集气瓶中，即可知各个界面的是否被击穿，界面发生气窜时气压大小可表征该界面的胶结质量。

所述的第一界面气窜气体收集口还通过管道连接第二控制阀、第三控制阀、第二液压压力表和第二液压泵，第二界面气窜气体收集口还通过管道连接至第二控制阀和第三控制阀之间的管道上，方便通过第一界面气窜气体收集口和第二界面气窜气体收集口向该装置中输入一定压力的液体，同时高压气体管道连通液压泵，可在水泥环下部注入一定压力的液体，上下挤压水泥环(上下的压力是相等的，否则水泥环可能发生位移)，来模拟井下水泥环是受到的地层压力，以及本身自重或者上覆地层压力。

优选的，所述的热电偶、压力表、第二液压压力表、气体压力表、第一液压压力表和流量计分别电连接计算机，由计算机记录和分析数据。

一种固井第二界面胶结质量的评价装置的实验方法，包括如下步骤：

1)制备泥饼：将岩心烘干，放入岩心真空饱和装置中，抽真空处理，在抽真空环境下饱和地层钻井液，在岩心外表面形成泥饼，模拟地层泥饼的形成；

2)冲洗：泥饼形成后，将岩心放入该装置中并固定住，由高压气体管道泵入固井常用的冲洗液，由第一界面气窜气体收集口、第二界面气窜气体收集口以及岩心体渗透气体收集口流出，并持续一段时间，之后放掉冲洗液，换成隔离液根据实验需要循环一定时间后将装置内的液体全释放掉，模拟后续施工中冲洗液和隔离液对地层界面的作用；此处的冲洗液和隔离液根据具体的实验要求或者井下情况来确定选择何种冲洗液或隔离液；

3)制备水泥环：取出岩心在岩心上套上岩心帽，在釜体中放入羊毛垫，之后将岩心放入釜体中的羊毛垫上并固定住，向岩心和釜体之间的环空处注入水泥浆，待注入水泥浆完毕后，盖上堵头、上陶瓷垫圈和上端盖，在第一液压泵和第二液压泵的作用下，通过高压气体管道、第一界面气窜气体收集口和第二界面气窜气体收集口注入水泥养护时所需压力的压力流体，模拟井下水泥环所受压力情况，压力流体可直接使用水或者中性的液压油；压力流体经过第一液压泵泵出，流经第一液压压力表,第一控制阀门进入水泥环下方；压力流体还经过第二液压泵泵出，流经第二液压压力表、第三控制阀门和第二界面气窜气体收集口以及流经第二液压压力表、第三控制阀门、第二控制阀门和第一界面气窜气体收集口两条途径进入水泥环上方；注入压力流体的目的：因为井下水泥环是受到地层压力的，同时本身自重或者上覆地层压力，因而为模拟这种压力，在这个装置中通过第一和第二液压泵向水泥环的上下面注入具有一定压力(该压力根据地层压力调整)的流体，上下挤压水泥环(上下的压力是相等的，否则水泥环可能发生位移)，来模拟井下水泥环受到的压力情况；同时打开加热带加热至设定温度，根据实验以及实际需要，在一定的温度条件下养护，该温度由实验所模拟的地层温度决定，养护时间根据水泥浆的特性以及模拟的地层环境等因素决定，或者根据具体模拟的实验要求设定；

4)高压气体管道换接特殊单向阀，第一界面气窜气体收集口和第二界面气窜气体收集口换接回压阀，调整回压阀直到的釜体内部压力为水泥养护所需压力，因为釜体内部是存在压力流体的(之前注入用以模拟水泥环养护压力)，所以回压阀即背压阀所承受的压力就设置为养护压力，而发生气窜时，下部高压气体窜至上部，使上部的压力升高，此时上部的压力便大于回压阀的压力，气体就会从回压阀流出，釜体内部压力降低，直到等于设定的水泥环养护压力值；

5)通入高压气体，逐渐增大气压，观察第二界面气窜气体集气瓶是否有气泡产生和气体气压表的压力变化，若出现气泡或气体气压表出现显著变化，则表明第二胶结界面处已窜通，此时气体气压表所得气压为第二胶结界面的抗窜压力大小，可表征第二胶结界面的胶结质量。

优选的，在步骤1)中，岩心烘干的时间为45-50h，抽真空的时间为6-10h，岩心真空饱和装置中真空度不小于0.1MPa，饱和地层钻井液的时间为6-10h。

本发明的优点是：

1)本发明采用的岩心为真实岩心，且体积较小，克服了对岩心需求过大的问题，且能形成泥饼；

2)本发明分离开了岩心在压力作用下可能出现的三条气体窜通通道(第一界面、第二界面、岩心本身)，能准确地获得第二界面气窜的压力及流量，达到对第二界面胶接质量的准确表征；

3)本发明还可可将养护水泥所用的压力流体改为腐蚀性流体，利用该装置可研究流体腐蚀性对水泥环防窜能力的影响；

4)本发明可以模拟高温高压下水泥环的抗气窜实验。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明岩心帽处的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明：

实施例1：

一种固井第二界面胶结质量的评价装置，包括釜体10，釜体10内部设置有岩心11，岩心11与釜体10之间设置有水泥环12；岩心11顶部套有岩心帽13，岩心帽13下缘与水泥环12之间设置有间隙14；岩心11底部设置有羊毛垫15；水泥环12与釜体10形成第一胶结界面16，岩心11与水泥环12形成第二胶结界面17。间隙14使第二界面气窜气体逸出，岩心帽13中心有孔和管线与岩心体渗透气体通道相连，即可分离开第二界面气窜的气体和从岩心11本身渗透过的气体。

为了模拟地层温度对水泥环12胶结强度的影响，所述的釜体10外侧面紧密设置有加热套18，加热套18内部设置有热电偶，加热套18外侧面紧密设置有保温层19。

所述的釜体10上部分连接上端盖20，上端盖20下部设置有上陶瓷垫圈50和上堵头22，上堵头22上设置有密封圈23、第一界面气窜气体收集口24、岩心体渗透气体收集口25和第二界面气窜气体收集口26；密封圈23用以分隔开第一、第二界面发生气窜时的气体，第一界面气窜气体收集口24用于收集水泥环12与釜体10形成的第一胶结界面16发生气窜时逸出的气体，岩心体渗透气体收集口25用于收集岩心本身渗透过的气体，第二界面气窜气体收集口26用于收集岩心11与水泥环12形成的第二胶结界面17发生气窜时逸出的气体，该装置中，第一界面16、第二界面17和岩心11本身渗透过的气体均被单独分离开，可准确获知第二界面发生气窜时的压力和流量。

所述的釜体10下部分连接下端盖27，下端盖27上表面依次紧密设置有下陶瓷垫圈28、下封头29和下堵头30，下堵头30与釜体10的间隙处设置有石墨填料31，石墨填料31保证密封性能，下陶瓷垫圈28用以隔热，下堵头30中轴线方向设置有高压气体管道32，通过高压气体管道32向该装置输入高压空气或高压流体；下堵头30与水泥环12之间设置有过气槽33，通过高压气体管道32输入的高压气体经过羊毛垫15和过气槽33均分到岩心11、水泥环12的下部，模拟井下气窜条件。

所述的高压气体管道32连接两条管线：一是通过特殊单向阀34连接气体压力表35、气体稳压阀36和氮气源37，二是通过第一控制阀38连接第一液压压力表39和第一液压泵40；第一条管路用于对该装置充入带有一定压力的氮气，用于测试各个界面的胶结质量；第二条管路用于对该装置充入具有一定压力的流体，作为清洗装置内部和水泥环12形成过程中养护使用。

所述的第一界面气窜气体收集口24、岩心体渗透气体收集口25和第二界面气窜气体收集口26分别通过管道连接第一界面气窜气体集气瓶41、岩心体渗透气体集气瓶42和第二界面气窜气体集气瓶43；沿气体流动方向，每个管道上依次设置有回压阀44、压力表45和流量计46；当气体发生气窜时，气体上逸并从最近的气体收集口逸出，通过相应的回压阀44，经流量计46记录流量大小并由各个集气瓶收集气体。

为了方便通过第一界面气窜气体收集口24和第二界面气窜气体收集口26向该装置中输入一定压力的液体，所述的第一界面气窜气体收集口24还通过管道连接第二控制阀47、第三控制阀48、第二液压压力表49和第二液压泵51，第二界面气窜气体收集口26还通过管道连接至第二控制阀47和第三控制阀48之间的管道上。

为了提高表征精度，本发明采用计算机记录和分析数据，热电偶、压力表45、第二液压压力表49、气体压力表35、第一液压压力表39和流量计46分别电连接计算机。

实施例2：

采用实施例1所述的一种固井第二界面胶结质量的评价装置的实验方法，包括如下步骤：

1)制备泥饼：将岩心11烘干，放入岩心真空饱和装置中，抽真空处理，在抽真空环境下饱和地层钻井液，在岩心外表面模拟地层泥饼的形成；

2)冲洗：泥饼形成后，将岩心11放入该装置中并固定住，由高压气体管道32泵入固井常用的冲洗液，由第一界面气窜气体收集口24、第二界面气窜气体收集口26以及岩心体渗透气体收集口25流出，并持续一段时间，之后放掉冲洗液，换成隔离液根据实验需要循环一定时间后将装置内的液体全释放掉，模拟后续施工中冲洗液和隔离液对地层界面的作用；

3)制备水泥环12：取出岩心11在岩心11上套上岩心帽13，在釜体10中放入羊毛垫15，之后将岩心11放入釜体10中的羊毛垫15上并固定住，向岩心11和釜体10之间的环空处注入水泥浆(水泥浆高度恰好淹没密封圈2～4cm)，待注入水泥浆完毕后，盖上堵头20、上陶瓷垫圈50和上端盖22，在第一液压泵40和第二液压泵51的作用下，通过高压气体管道32、第一界面气窜气体收集口24和第二界面气窜气体收集口26注入水泥养护时所需压力的压力流体，同时打开加热带18加热至设定温度，根据实验以及实际需要，在一定的温度条件下养护；

4)高压气体管道32换接特殊单向阀34，第一界面气窜气体收集口24和第二界面气窜气体收集口26换接回压阀44，调整回压阀44直到的釜体10内部压力为水泥养护所需压力；

5)通入高压气体，逐渐增大气压，观察第二界面气窜气体集气瓶43是否有气泡产生和气体气压表的压力变化，若出现气泡或气体气压表35出现显著变化，则表明第二胶结界面处已窜通，此时气体气压表35所得气压为第二胶结界面的抗窜压力大小，可表征第二胶结界面的胶结质量。

其中，在步骤1)中，岩心烘干的时间为48h，抽真空的时间为24h，岩心真空饱和装置中真空度不小于0.1MPa，饱和地层钻井液的时间为24h。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。