一种封窜物理模拟实验装置及效果评价方法与流程

本发明涉及一种封窜物理模拟实验装置及效果评价方法，属于油气田开发工程技术领域。

背景技术：

当前，随着石油勘探开发的持续进行，在油气井的生产的过程中，受固井措施、射孔、应力、注水及腐蚀等因素的影响，部分油水井套管变形、穿孔、破损现象十分严重，使得套管外壁与固井水泥环之间或固井水泥环与地层钻井孔壁之间形成间隙，成为流体流动的通道，这种情况称为管外窜槽，简称窜槽。窜槽发生在两个层位之间时，会使高压层流体向低压层流动，严重影响油水井这两个层位的正常生产。随着油田油井、注水井生产持续进行，窜槽井越来越多，窜槽通道变得越来越大，甚至导致套管损坏，使得油井带病生产，最终可能报废，严重影响油田的正常生产。

因此，对油水井的窜槽进行有效的封堵，是对油水井井筒结构完整性的维修和维护，简称封窜。封窜是避免油层资源流失，实现油田稳产的一项重要措施，更是提高油田开采速度、提高最终采收率和开发效益的重要手段。

当前进行该项研究的实验装置十分缺乏，发明专利cn105738277b公开了一种用于检测封窜剂胶结强度的实验装置及方法，其中，用于检测封窜剂胶结强度的实验装置包括套管和流体泵送机构，套管为底端封闭、顶端敞开的中空壳体，套管的底端设排液口，套管的顶端连接有法兰盖，法兰盖上开设有进液口，套管内部中央设有人造岩心，人造岩心具有多条由上至下设置的用于容纳封窜剂的裂缝，人造岩心与套管之间设有水泥环，流体通过流体泵送机构泵送至各裂缝中。可模拟评价调剖堵水剂或调驱剂体系的封堵性能。发明专利cn105572030a公开了一种检测封窜剂封堵强度的实验装置及方法，所述实验装置包括：纵长延伸的第一模拟体；所述第一模拟体至少一端为第一封堵端；所述第一模拟体内形成有内腔；设置于所述内腔中的第二模拟体；所述第二模拟体外侧的所述内腔内设置有固井体；设置于所述固井体上的至少一条裂缝贯穿设置于所述第二模拟体上的通道；所述第二模拟体通过所述通道与所述输入端相连接；所述动力机构用于向封窜剂施加逐渐变大的作用力直至所述作用力维持不变，从而所述封窜剂能以预定的流速通过所述通道注入所述第二模拟体内。

现有技术用于检测封窜剂效果的实验装置及方法一般是通过检测胶结强度，也就是通过检测封窜剂封堵窜槽部位所形成的封堵强度，未见有通过对比封窜前后套管与水泥胶结界面的渗透流量来进行封窜效果评价的方法。

技术实现要素：

随着油田开发的不断深入，现场对油水井的质量提出了更高的要求，尤其是在推广和实施了细分层注采工艺技术和三次采油用化学试剂技术以后，对油水层之间窜槽的治理已经引起了足够的重视。通过封堵窜槽可以减少无效循环，提高注水效率，实现控水稳油。本发明的目的是创新性的提供一种套管外窜槽封堵物理模拟研究实验装置和效果评价方法，该装置可以探究在地层温度下，不同挤注压力下不同封窜剂的封窜效果，通过建立新的评价方法，从而评价不同封窜剂的封窜效果，进而实现封窜剂的优选。为提高封窜质量，提高产量和最终采收率提供实验、评价手段，意义重大。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

封窜物理模拟实验装置，包括釜体和套管，所述釜体和套管之间设有环压胶套，所述环压胶套和套管之间组成环形空腔，所述空腔内为水泥环，所述釜体上端和下端分别设有上法兰和下法兰，所述上法兰和下法兰上分别设有注液孔和出液孔，所述注液孔和出液孔均与环形空腔相连通；所述上法兰为环形法兰，其中部设有用于密封套管上端的小法兰，所述小法兰中心设有加压孔；所述釜体侧面设有环压孔，所述环压孔通过管线与所述手摇泵连接，所述手摇泵通过环压孔对环压胶套施加压力；所述加压孔和注液孔分别与平流泵通过管线连接，进行封窜模拟实验时平流泵与加压孔连通，进行封窜效果评价时平流泵与注液孔连通。

优选的，上述封窜物理模拟实验装置还包括恒温控制装置。

优选的，所述釜体外壁设有夹层，所述夹层内有加热丝，所述恒温控制装置与所述加热丝连接，控制、调节釜体内温度。

优选的，所述平流泵输出管线上分别设有调压阀、开关和第一精密压力表。

优选的，所述手摇泵的输出管线上分别设有放空阀和第二精密压力表。

优选的，所述套管下部设有周向均布的4个射孔孔眼，射孔孔眼上设有螺纹。

优选的，所述上法兰与小法兰通过第二螺栓连接。

优选的，所述上法兰、下法兰和釜体通过第一螺栓连接。

优选的，所述下法兰中间设有与套管外径相等的凹槽，凹槽内镶嵌内密封圈，目的是实现套管外壁与凹槽内壁之间的密封。

优选的，出液孔上端凹槽内设有钢制垫片，目的是在水泥浆凝固之前防止水泥浆流入出液孔，进行封窜效果评价时，将其取出，使得由窜槽通道流出的水能从釜体内流出，便于收集测量。

优选的，小法兰和套管之间设有密封圈，目的是实现小法兰与套管内壁之间的密封，进而形成密闭空间，方便加压。

小法兰中心的加压孔，目的是泵入顶替液，进而对封窜剂加压，模拟封窜剂挤注压力。

手摇泵通过环压孔对胶套施加环压，目的是在进行封窜效果评价时密封胶套与水泥环之间的空隙，由于水泥石渗透率极低且套管不渗透，使得水只能从窜槽通道中通过。

优选的，所述上法兰与下法兰与釜体内壁通过密封圈密封，所述上法兰、下法兰与胶套通过设在法兰上的密封圈密封，所述上、下法兰与水泥环上下端之间通过圆环形密封板密封。

优选的，所述釜体通过支架支撑固定。

本发明还提供了一种利用上述装置进行封窜剂封堵效果评价方法，主要是通过对比相同条件下封窜剂挤入前后，套管与水泥胶结界面的渗透流量进行评价，包括以下步骤：(1)测量封窜实验前水泥环与套管胶结封固系统的渗透流量q1，具体步骤为：①将水泥环与套管胶结界面存在窜槽通道的封固系统放入釜体内，装好上法兰、小法兰，平流泵输出管线与注液孔连通；②使用手摇泵对环压胶套施加水压，进而对水泥环和套管封固系统加环压；③打开平流泵，在一定压力p和流量qp下测量出液口流量，即为封窜前水泥环与套管胶结封固系统的渗透流量，记为q1；

(2)测量封窜实验后水泥环与套管胶结封固系统的渗透流量q2，具体步骤为：①取出上圆环形密封板、下圆环形密封板和钢制垫片；③按照封窜实验前的测试步骤在同样的平流泵压力p和流量qp下测出封窜后水泥环与套管胶结封固系统的渗透流量，记为q2，此时分为以下两种情况：

①若q2>0，则通过对比q1、q2来评价封窜剂封窜效果，封堵效率的计算公式为：

其中，w值越高代表封窜剂封窜效果越好；

②若q2＝0，则增大平流泵压力p，记录出液口有水流出时的压力p1，然后再按照封窜实验前的测试步骤在平流泵压力p1和流量qp下测出封窜后水泥环与套管胶结封固系统的渗透流量，记为q3，进行封窜剂优选时，先比较平流泵测试压力p，p越大，封窜剂封堵效果越好，当p相同时，再比较出液口流量q，q越小封窜效果越好。

优选的，步骤(1)所述水泥环与套管胶结界面存在窜槽通道的封固系统的制备方法为：①将尺寸、形状固定的沥青条黏附在套管外壁指定位置，沥青条之间相互连通且与套管下部孔眼连通；②在环压胶套内壁均匀涂抹耐高温脱模剂后将下法兰装好，在下圆环形橡胶密封板与水泥接触的面均匀涂抹耐高温脱模剂后将其放入，然后在①中套管下部射孔孔眼内拧入堵头后将其放入釜体，然后将制备好的水泥浆倒入套管与环压胶套之间的空腔内，调整恒温控制装置，在一定温度下养护相应时间，养护完成后，关闭加热装置，冷却至室温；③将套管下部射孔孔眼内的任意一个堵头拧出，将平流泵输出管线与该射孔孔眼连接，调整平流泵流量为20ml/min，控制调压阀至一定压力，使用平流泵提供的高压汽油射流将原先黏附于套管外壁的沥青条完全溶解并冲出，为了将窜槽通道内壁改为亲水性表面，将平流泵冲洗介质改为表面活性剂溶液后再对窜槽通道进行冲洗并循环5min后即形成所需模拟窜槽通道。

本发明的有益效果：

(1)利用本发明装置可以进行不同挤注压力下、不同封窜剂以及不同温度下的模拟封窜实验；

(2)本发明创造性地提出了一种可控的在套管-水泥环胶结界面形成模拟窜槽通道的方法，在优选封窜剂时，使用该方法能在套管-水泥环胶结界面形成规格、分布等完全相同的窜槽通道，避免引入无关变量，影响实验结果；

(3)本发明建立了新的评价方法，通过对比封窜前后套管与水泥胶结界面的渗透流量来进行评价封窜效果，从而评价不同封窜剂的封窜效果，进而实现封窜剂的优选，方法简单，使用隔离液传压，减小混浆的干扰，使模拟效果更加准确；

(4)利用本发明装置可以对不同封窜剂在不同温度、挤注压力下的封窜效果进行评价，便于根据现场情况优选封窜剂；

(5)利用本发明装置可以完成模拟，实验结果可以为现场封窜施工作业提供一定的理论指导。

附图说明

图1是本发明一种封窜物理模拟实验装置的结构示意图；

图2是剖视图a-a；

图3是剖视图b-b；

附图标记：1-加压孔；2-小法兰；3-上法兰；4-釜体；5-套管；6-水泥环；7-注液孔；8-环压孔；9-手摇泵；10-第一精密压力表；11-调压阀；12-平流泵；13-环压胶套；14-量筒；15-出液孔；16-上圆环形橡胶密封板；17-下圆环形橡胶密封板；18-下法兰内嵌密封圈；19-下法兰密封圈；20-下法兰；21-射孔孔眼；22-小法兰密封圈；23-第一螺栓；24-第二螺栓；25-第一开关；26-钢制垫片；27-下法兰凹槽；28-隔离液；29-封窜剂；30-顶替液；31-第二开关；32-第三开关；33-第四开关；34-第五开关；35-第六开关。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1：

如图1～3所示，为本发明实施例的封窜物理模拟实验装置的结构示意图，本装置包括釜体4和套管5，所述釜体4和套管5之间设有环压胶套13，所述环压胶套13和套管5之间组成环形空腔，所述空腔内为水泥环6；所述釜体4上端和下端分别设有上法兰3和下法兰20，所述上法兰3和下法兰20上分别设有注液孔7和出液孔15，出液孔15上设有用于控制出液孔15开合的第五开关34，所述注液孔7和出液孔15均与釜体4内部连通；所述上法兰3为环形法兰，其中部设有用于密封套管5上端的小法兰2，所述小法兰2中心设有加压孔1；所述釜体4侧面设有环压孔8，所述环压孔8通过管线与所述手摇泵9连接，所述手摇泵9通过环压孔8对环压胶套13施加压力；所述加压孔1和注液孔7分别与平流泵12通过管线连接，进行封窜模拟实验时打开平流泵12与加压孔1连接的第二开关31，同时打开第六开关35并关闭第三开关32，进行封窜效果评价时打开平流泵12与注液孔7连接的第三开关32，并关闭第二开关31和第六开关35。

具体的，上述封窜物理模拟实验装置还包括恒温控制装置。

具体的，所述釜体4外壁设有夹层，所述夹层内有加热丝，所述恒温控制装置与所述加热丝连接，控制、调节釜体4内温度。

具体的，所述平流泵12输出管线上分别设有调压阀11、第一开关25、第二开关31、第三开关32、第六开关35和第一精密压力表10，第一开关25用于泄压；所述手摇泵9的输出管线上分别设有放空阀、第四开关33和第二精密压力表，其中第四开关33的作用为泄压。

具体的，所述套管5下部设有周向均布的4个射孔孔眼21，射孔孔眼21上设有螺纹。

具体的，所述上法兰3与小法兰2通过第二螺栓24连接；小法兰2与套管5之间通过小法兰2密封圈22实现密封；所述上法兰3、下法兰20和釜体4通过第一螺栓23连接。

具体的，出液孔15上端凹槽内设有钢制垫片26，目的是在水泥浆凝固之前防止水泥浆流入出液孔15，进行封窜效果评价时，将其取出，使得由窜槽通道流出的水能从釜体4内流出，便于收集测量。

具体的，小法兰2和套管5之间设有密封圈，目的是实现小法兰2与套管5内壁之间的密封，进而向成密闭空间，方便加压。小法兰2中心的加压孔1，目的是泵入顶替液，通过隔离液28给封窜剂29加压，模拟封窜剂挤注压力。

手摇泵9通过环压孔8对胶套施加环压，目的是在进行封窜效果评价时密封胶套与水泥环6之间的空隙，由于水泥石渗透率极低且套管5不渗透，使得水只能从窜槽通道中通过。

具体的，所述上法兰3与釜体4内壁通过密封圈密封，所述上法兰3、下法兰20与环压胶套13通过设在法兰上的密封圈密封，下法兰20与釜体4内壁通过下法兰密封圈19密封，下法兰20中间设有与套管5外径相等的下法兰凹槽27，下法兰20与套管5通过下法兰凹槽的内嵌密封圈18密封。上法兰3和下法兰20与水泥环6上下端之间分别通过上圆环形橡胶密封板16和下圆环形橡胶密封板17密封。

所述釜体4通过支架支撑固定。

使用本实施例的封窜物理模拟实验的具体方法：

(1)先将手摇泵9输出管线与环压孔8连接好，装好下法兰20，将钢制垫片26放入出液孔15上端凹槽内，并放入下圆环形橡胶密封板17，然后在套管内壁均匀涂抹耐高温脱模剂后将水泥环与套管胶结界面存在窜槽通道的封固系统放入釜体内，在水泥环6上端放入上圆环形橡胶密封板16；

(2)在下法兰20凹槽27内均匀涂抹耐高温脱模剂后将配制好的封窜剂灌注进套管5内，液面高度为小法兰2以下10cm，然后装好上法兰3、小法兰2，并打开第二开关31和第六开关35，关闭第三开关32，使平流泵12输出管线与加压孔1连通；

(3)按照实验要求温度调整恒温控制装置，然后打开平流泵12，根据实验需要控制调压阀11使平流泵按照所需压力输出液流，高压顶替液30进入套管5内，通过隔离液28将压力传递给封窜剂，实现对其加压，一段时间后卸掉平流泵12压力，按照实验要求在一定温度下养护一段时间后封窜模拟实验结束。

实施例2：

使用该装置评价封窜效果的方法：

主要是通过对比相同条件下封窜剂29挤入前后，套管5与水泥胶结界面的渗透流量进行评价，包括以下步骤：

(1)测量封窜实验前水泥环6与套管5胶结封固系统的渗透流量q1，具体步骤为：①先装好下法兰20，然后将水泥环6与套管5胶结界面存在窜槽通道的封固系统放入，装好上法兰3、小法兰2，打开第三开关32，使平流泵12输出管线与注液孔7连通，关闭第二开关31和第六开关35；②根据实验需要，使用手摇泵9加压环压胶套13对水泥和套管5封固系统加环压，在环压胶套13与水泥环6之间形成密封；③然后打开平流泵12，根据实验要求在一定压力p和流量qp下测量出液口流量，即为封窜前水泥环6与套管5胶结封固系统的渗透流量，记为q1；

(2)测量封窜实验后水泥环6与套管5胶结封固系统的渗透流量q2，具体步骤为：①卸掉上法兰3，取出上圆环形橡胶密封板16后再将上法兰3装好；②卸掉下法兰20，取出下圆环形橡胶密封板17和钢制垫片26后再将下法兰20装好；③在同样的平流泵压力p和流量qp下测出封窜后水泥环6与套管5胶结封固系统的渗透流量记为q2；此时分为以下两种情况：

①若q2>0，则按通过对比q1、q2来评价封窜剂封窜效果，封堵效率的计算公式为：

其中，w值越高代表封窜剂封窜效果越好。

②若q2＝0，则增大平流泵压力p，记录出液口有水流出时的压力p1，然后再按照封窜实验前的测试步骤在平流泵压力p1和流量qp下测出封窜后水泥环6与套管5胶结封固系统的渗透流量，记为q3，进行封窜剂优选时，先比较平流泵测试压力p，p越大，封窜剂封堵效果越好，当p相同时，再比较出液口15流量q，q越小封窜效果越好。

实施例3：

使用上述装置模拟形成水泥环与套管胶结界面存在窜槽通道的封固系统方法：

(1)将尺寸、形状固定的沥青条黏附在套管5外壁指定位置，沥青条之间相互连通且与套管下部孔眼连通；

(2)在环压胶套13内壁均匀涂抹耐高温脱模剂后将下法兰20装好，在下圆环形橡胶密封板17与水泥接触的面均匀涂抹耐高温脱模剂后将其放入，然后在套管5下部射孔孔眼21内拧入堵头后将其放入，将制备好的水泥浆倒入套管5与环压胶套13之间的空腔内，调整恒温控制装置，在一定温度下养护相应时间，养护完成后，关闭加热装置，冷却至室温；

(3)然后选择套管5下部射孔孔眼21内的任意一个堵头拧出，将平流泵12输出管线与该射孔孔眼21连接，调整平流泵12流量为20ml/min，控制调压阀11至一定压力，使用平流泵12提供的汽油射流将原先黏附于套管5外壁的沥青条完全溶解并冲出，为了将窜槽通道内壁改为亲水性表面，将平流泵12射流介质改为表面活性剂溶液后再对窜槽通道进行冲洗并循环5min后即形成所需模拟窜槽通道。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。