专利名称：高温高压式油井水泥浆凝结仪及其凝结时间的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种能较好地模拟不同井深及静态条件下，测量环空水泥浆在高温高压环境中，其凝结状态及相应时间的方法，它适用于石油及天然气固井、挤水泥、注水泥塞及堵漏等作用。
背景技术：
在石油、天然气勘探钻井中，钻完数千米井深后，固结、封隔井壁，防止井内岩石坍塌，是增加油、气井寿命，提高油气井生产能力的关键技术问题。固结、封隔井壁的专业术语统称为固井工程。固井工程是将套管下入井内，再将油井水泥浆用泵注入套管内孔，顶替至井壁与套管外的环形间，静止凝固后固结井壁，简称注水泥。在油井水泥浆凝结过程中，不同时刻的凝结状态及其相应的时间变化范围，对防止环空水泥浆“失重”造成的油、气、水窜问题和提高水泥环的胶结质量，具有重要的实际意义。
目前，油井水泥浆的不同凝结状态及初、终凝时间只能在常压及一般温度养护下测量，所使用的测量仪器为维卡仪，也曾使用类似维卡测量方法测量高温高压情况下水泥浆的初、终凝时间，但因其恶劣的环境，使机械测量不甚理想，已不使用。为了解决油井水泥浆在高温高压环境中，测量其不同凝结过程的初、终凝时间，指导现场实践，特应用水泥浆在凝结过程中，水化放热温度变化的特殊现象，确定其水泥浆开始塑化的初凝时间和具有固化强度的终凝时间，前者反映在水化放热温度开始升高点，而后者反映温度开始下降点。由于水化放热开始的升高点和下降点这一规律对所有水泥浆都是一样的。因此，只要测出水泥浆在相应高温高压环境中的温度变化曲线，即可确定出不同浆体的初、终凝时间。根据井下条件，调节和控制水泥浆的初、终凝时间，即可提高水泥环的胶结质量和防油、气、水窜的能力。
发明内容
为了解决油井水泥浆在高温高压环境中，测量其不同凝结过程的初、终凝时间，特提出一种高温高压式油井水泥浆凝结仪及其凝结时间的测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是根据油井水泥水化放热温度变化的特殊现象，确定其水泥浆开始塑化的初凝时间和具有固化强度的终凝时间。其具体内容为1.水泥水化放热规律及其对测量温度的影响在油井水泥中CS3的含量高达70％左右，研究表明，CS3的水化作用即可代表水泥的水化特性，它对水泥凝结起主导的作用。如图1所示，CS3的水化进程分为五个阶段预诱导、诱导、加速、减缓和扩散。其中预诱导、诱导、加速和减缓阶段是本发明所涉及的。在预诱导期内放热速度急剧，但一般只有几十秒到几分钟，是发生在水泥浆制配阶段，对测量温度无影响；在诱导期内，由于放热速度平缓，对测量温度并无明显影响，其时间长短与水泥浆的配方和水灰比有关；加速阶段和减缓阶段称为凝固阶段，在加速阶段内，放热速度明显加快，对测量温度有明显影响，相反在减缓阶段内，放热速度有明显减缓有现象。因此，可根据水泥水化放热的规律及特点并依据实验的探索结果，制定出相应的判别标准来确定水泥浆的初、终凝时间。
2.实验方法和实验结果对比水泥浆初、终凝时间定义，初凝为自水泥调水时开始至部分失去塑性的时间间隔，终凝为自水泥调水时开始至能承受一定压力的硬化所经历的时间。一般采用维卡仪测定。维卡仪测头总重量为300g，前端带一长的测针，测量时由水泥浆面自由下落，当测针不能再穿透试体而距底板5mm以内时所需的时间称为水泥浆初凝时间，当测针只能进入试体内0.5～1mm时称为水泥浆终凝时间。根据这一标准方法和本发明的测量方法，对三种不同水泥浆配方、两种水灰比和两个实验温度在常压下进行了对比实验，其实验条件及结果见表1。由表1说明，温度测量方法与标准测量方法的相对误差较小，其最大误差只有6.3％，平均相对误差为3.42％。因此，本发明采用的测量方法是可信的。
表1 两种测量方法测量水泥浆初、终凝时间的实验对比结果
3.采用温度测量方法确定水泥浆初、终凝时间的标准根据所测得的时间——温度变化曲线(参见图3～图8)，其确定油井水泥浆的初凝时间和终凝时间的标准是当温差为0.5℃点所对应的时间定义为水泥浆的初凝时间；当温差从最大开始下降时所对应的时间定义为水泥浆的终凝时间。
本发明所述的测量方法，其技术特征是采用本发明的高温高压式油井水泥浆凝结仪，先打开电热管将釜体预热至实验温度，把配制好的水泥浆倒入浆杯，浆杯放入釜体内，加釜盖密封，待釜体内外温度恒定后，由计量泵将压力加至实验压力；同时启动数据处理系统，由计算机自动记录显示水泥浆浆体的温度变化情况，作出时间——温度变化曲线，由曲线确定其水泥浆的初凝时间和终凝时间。
本发明涉及的高温高压式油井水泥浆凝结仪，主要由釜体、加温加压系统、浆杯、温度传感器及计算机数据处理系统所组成，其结构特征是釜体内放置可容纳400ml水泥浆的浆杯，釜盖中心穿孔，并在下端加工成尺寸适宜的空心圆柱体，将温度传感器从釜盖上端放入在空心圆柱体内；釜体外安装有加热器和加热介质及控温装置，釜体一侧连接安有压力表的计量泵，加热的温度范围为27℃～200℃，计量泵提供的最高压力为100MPa；温度传感器与计算机处理系统相连接，可连续测量和记录釜体内水泥浆的温度变化情况。
本发明与现有技术相比较具有以下有益效果(1)能模拟不同井深及静态条件下，油井水泥浆在高温高压环境中，测量其不同凝结过程的初、终凝时间；(2)该装置的最大养护温度可达200℃，最大压力为100MPa，满足了井深所需条件；(3)它采用间接接触式连续测量温度变化的方法，操作方便、简单，解决了在高温高压条件下测量难的问题。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为CS3的水化反应放热速度与水化作用时间曲线图。图中v.放热速度，t.水化作用时间；CS3的水化进程的五个阶段a.预诱导，b.诱导，c.加速，d.减缓，e.扩散，f为饱和线。
图2为本发明的高温高压式油井水泥浆凝结仪结构示意图。图中1.计量泵，2.釜体，3.压力表，4.浆杯，5.水泥浆，6.釜盖，7.温度传感器，8.温度传输，9.数据处理系统，10.电热管，11.恒温控制仪，12.电源。
图3为G级水泥原浆在相同温度、不同水灰比条件下浆体温度的变化情况，压力为常压。图中13.水灰比0.44，14.水灰比0.50，15.初凝点，，16.终凝点图4为G级水泥+0.2％SXY+1％LT-2水泥浆在相同温度、不同水灰比条件下浆体温度的变化情况，压力为常压。
图5为G级水泥+0.2％SXY+0.2％HS-2A水泥浆在相同温度、不同水灰比条件下浆体温度的变化情况，压力为常压。
图6为G级水泥原浆在相同水灰比、不同温度及压力条件下浆体温度的变化情况，水灰比为0.44。图中17.压力为59.5MPa，18.压力为37MPa。
图7为G级水泥+0.2％SXY+1％LT-2水泥浆在相同水灰比、不同温度及压力条件下浆体温度的变化情况，水灰比为0.44。
图8为G级水泥+0.2％SXY+0.2％HS-2A水泥浆在相同水灰比、不同温度及压力条件下浆体温度的变化情况，水灰比为0.44。
具体实施例方式
根据实验要求配制好水泥浆、水灰比为0.44。先打开电热管10，将釜体2预热至实验温度(地面温度加地温梯度)。将配制好的水泥浆5倒入浆杯4，把浆杯4放入釜体2内，加釜盖6密封。待釜体2内外温度恒定后，开通计量泵1，由压力表3观察将压力加至实验压力。由计算机处理系统9自动记录显示水泥浆浆体的温度变化情况，通过温度的变化趋势按本发明制定的标准确定出水泥浆的初、终凝时间。
按照上述操作方法进行以下具体实例1.按照API标准配制三种不同性能的油井水泥浆，其密度为1.0/cm3(见表2)；2.按常年平均地面温度18℃，地温梯度为2.1℃/100m，并根据井深为2000m和3190m，确定油井水泥浆的实验温度和压力(见表2)。
表2 不同实验条件下不同水泥浆的初、终凝时间
由表1、表2及图3～图8可知1.水泥水化放热开始的升高点和下降点这一规律对所有水泥浆都是一样的；因此，可利用这一规律解决高温高压下不易测量油井水泥浆的初、终凝时间问题；2.温度测量方法与标准测量方法的相对误差较小，其最大误差只有6.3％，平均相对误差为3.4％。因此，本发明采用的测量方法是可采用的。
3.水灰比大小，即单位体积中水泥的含量对测量温差的大小是有影响的，因此，对于测量水泥含量少的低密度水泥浆体系的温差敏感性，尚需作进一步的研究。
权利要求
1.一种高温高压式油井水泥浆凝结仪及其凝结时间的测量方法，其特征是根据油井水泥水化放热温度变化的特殊现象，确定其水泥浆开始塑化的初凝时间和具有固化强度的终凝时间；采用本发明的高温高压式油井水泥浆凝结仪，先打开电热管将釜体预热至实验温度，把配制好的水泥浆倒入浆杯，浆杯放入釜体内，加釜盖密封，待釜体内外温度恒定后，由计量泵将压力加至实验压力；同时启动数据处理系统，由计算机自动记录显示水泥浆浆体的温度变化情况，作出时间——温度变化曲线，由曲线确定其水泥浆的初凝时间和终凝时间。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其油井水泥浆凝结仪主要由釜体、加温加压系统、浆杯、温度传感器及计算机数据处理系统所组成，其特征是釜体内放置可容纳400inl水泥浆的浆杯，釜盖中心穿孔，并在下端加工成尺寸适宜的空心圆柱体，将温度传感器从釜盖上端放入在空心圆柱体内；釜体外安装有加热器和加热介质及控温装置，釜体一侧连接安有压力表的计量泵，加热的温度范围为27℃～200℃，计量泵提供的最高压力为100MPa；温度传感器与计算机处理系统相连接。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征是根据所测得的时间——温度变化曲线，当温差为0.5℃点所对应的时间定义为水泥浆的初凝时间，当温差从最大开始下降时所对应的时间定义为水泥浆的终凝时间。
全文摘要
本发明是一种能模拟不同井深及静态条件下，测量环空水泥浆在高温高压环境中，其凝结状态及相应时间的方法，它适用于石油及天然气固井、挤水泥、注水泥塞及堵漏等作业。本发明可解决油井水泥浆在高温高压环境中，测量其不同凝结过程的初、终凝结时间。本测量方法是根据油井水泥水化放热温度变化，确定其水泥浆的初、终凝结时间；先将釜体预热至实验温度，配好的水泥浆倒入浆杯，浆杯放入釜体内，加盖密封，待釜体内外温度恒定后，将压力加至实验压力；启动数据处理系统，由计算机自动记录显示水泥浆浆体的温度变化情况；根据时间——温度变化曲线，确定水泥浆的初、终凝结时间。它采用间接接触式连续测量温度变化，解决了高温高压下测量难的问题。
文档编号E21B33/138GK1676873SQ200510020769
公开日2005年10月5日 申请日期2005年4月19日 优先权日2005年4月19日
发明者刘孝良, 陈英, 刘崇建, 代显志 申请人:西南石油学院