专利名称：固井环空水泥浆失重测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及模拟不同井深、不同环空间隙及不同井斜角工况条件下环空水泥浆凝结过程中的失重测量装置及测量方法，适用于石油及天然气固井注水泥后作业中环空水泥浆失重与气窜规律研究。
背景技术：
在石油、天然气勘探开发钻井过程中，当钻头钻到某一深度时，需要从井内起出钻头，向井内下入称之为套管的中空钢质管柱，然后向井眼和套管之间的环形空间内注入水泥浆，静止凝固后固结井壁，简称注水泥。注水泥刚结束时，水泥浆还是液态，这时环空内液体对地层作用的压力为作用点以上各浆柱的静液压力之和；因为水泥浆密度一般大于钻井液的密度，因此能够起到压住地层的作用。然而，由于一定的原因，水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力将逐渐降低，就好像失掉了一部分质量一样。这种现象称为水泥浆在凝结过程中的失重(简称失重)。在油井水泥浆凝结过程中，由于水泥浆由液态向塑性状态转变，其物化性能均发生显著变化，导致水泥浆作用于井底的有效液柱压力降低。 当压力降低到地层压力以下时，油、气、水就会侵入环形空间并窜至井口，出现井口冒油冒气，甚至发生不可控井喷，不仅造成油气资源浪费，更严重的是对环境带来的严重破坏。在美国墨西哥湾每年因维修气窜带压井所花费的费用就高达每口井100万美元。在我国四川龙岗、新疆塔里木盆地、大庆庆深气田每年都有多口井出现气窜带压现象，至今无法很好解决。其本质原因在于对失重规律的认识不清，根本在于现有装置未能较好的模拟井下工况进行失重规律测试，失重测试及影响因素尚未完全搞清楚，导致措施缺乏针对性，防窜效果不明显。国内相关专利有实用新型专利，如油井水泥失重和气液窜模拟测试装置 (zl200720149001)和固井水泥浆失重测量装置(ZL01251865. 4)。现在的油井水泥浆失重测试装置对环形空间下宽窄间隙及温差、井斜等实际工况接近下的失重状态测试。
发明内容
本发明的目的在于提供固井环空水泥浆失重测量装置，该测量装置能较真实地模拟井下状态下的失重规律，为防窜措施研究奠定基础。本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对水泥浆环空失重进行测量的方法， 该方法可适用于在石油及天然气固井注水泥过程中，模拟不同井深条件下环空水泥浆在高温高压环境中的井下情况及失重状态。在固井中，水泥浆在井下处于不同的温度、压力和环空条件，不同的井身结构和井下条件，导致水泥浆的失重规律不同。为了得到油井水泥浆在井下环境中，不同固结过程的失重规律，本发明采用如下技术方案1.井深模拟。本发明测量仪釜体高度为1米，压力最大lOMPa，可模拟1000米水
柱产生的压力。
2.水泥浆柱温度变化控制。在油气井注水泥的过程中，水泥浆被顶替到位后，由于深度不同，地层的温度和水泥浆柱的温度也不同，而且随着深度增加水泥浆柱的温差会很大。水泥浆固结过程中，温度对水泥石强度有很大的影响，不同的温度下，水泥浆的抗压强度存在很大的差别，因此需要模拟水泥浆柱温差变化情况。本发明采用多个加热冷却套实现水泥浆柱温度从下到上连续性的梯度变化，按照地温梯度2V /100m，1000m左右井段产生20°C的温差。3.套管偏心控制。在油气井注水泥之前下入套管过程中，由于井况、地质等原因套管下入地层后，套管不居中发生偏移并且无法补救，只有按照套管偏心的时候固井。本发明采用上下偏心盖控制套管偏心度，通过制作不同偏心程度的盖子来模拟处于井筒不同的位置(偏心度为0、0.2、0.6三种情况)。偏心度=(内外筒圆心距离)/(内外筒半径之差)。4.套管倾斜控制。在斜井、大位移井、水平井固井中，井筒和套管有一定程度的相对倾斜。本发明通过外筒外部支架调节整个井筒的倾斜程度，实现0度 90度的角度变换。5.压力采集。本发明测量仪底部有三个压力传感器测量不同的压力变化。6.环空模拟。环空间隙和实际环空间隙相等。环空根据几何相似制作不同尺寸的内筒，并且可以改变环空间隙。固井环空水泥浆失重测量装置，主要由底座、控制面板、立式支柱、浆筒、计算机组成，其特征在于，该测量装置位于底座上，所述立式支柱通过支撑轴与浆筒连接，又通过旋转轴与控制面板连接，可实现从0度到90度的旋转；所述浆筒有加压孔、内筒、外筒及内筒外筒之间的环空，所述浆筒为分段组合，每一段均有温度传感器、压力传感器和加热冷却套，所述浆筒通过偏心盖控制内筒的偏心，上部偏心盖为上部顶盖，下部偏心盖为下部底盖，所述浆筒下部还有三个压力传感器，所述控制面板控制浆筒每段的温度并监控浆筒每段的压力，所述温度传感器、压力传感器分别通过温度传感器数据接口、压力传感器数据接口将数据传输到计算机，所述计算机自动记录显示水泥浆的温度压力变化情况，并绘制温度和压力变化曲线。本发明控制面板通过浆筒每一段的加热冷却套和温度传感器来控制水泥浆柱的温度从下到上实现一个连续性的梯度变化，从而模拟井下温度随井深的不同变化情况。偏心盖控制着内筒的偏心，由多个不同偏心度的偏心盖可以模拟多种井下套管偏心情况。底部三个压力传感器测量偏心时候各个方位的压力。立式支柱通过旋转轴与控制面板连接， 可实现整个浆筒从0度到90度的旋转。利用上述装置对水泥浆环空失重进行测量的方法，依次包括以下步骤(1)配制油井水泥浆，打开浆筒的上部顶盖，将水泥浆倒入内筒和外筒之间的环空中，并加盖密封；(2)通过加压孔连接压力源，将压力加至实验所需压力；(3)控制面板通过加热冷却套控制水泥浆柱的温度从下到上实现连续性的梯度变化，达到实验所需温度；(4)温度传感器、压力传感器将数据传输到计算机，计算机显示水泥浆的温度压力变化情况；(5)根据计算机绘制的温度和压力变化曲线，确定水泥浆在井下凝结过程中的失
重规律。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果(1)能模拟井下温度随着井深变化存在的不同温度差，采用多个加热冷却套和温度传感器实时控制浆柱的温度差，达到设计需要的温差，采集调控用计算机控制，操作简单、方便，解决了井下温度变化问题。(2)本发明用偏心盖控制套管的偏心，安全、稳定、可靠。(3)环空按照环空间隙与实际环空间隙相等，可以实现多种环空间隙。(4)底部安装三个压力传感器测量不同方位的压力变化。
图1是本发明固井环空水泥浆失重测量装置的结构示意图。图2是G级水泥+2%微硅+1 %分散剂+1 %促凝剂在温度为30°C时，水泥浆柱压力变化情况，压力为常压。图3是G级水泥+2%微硅+1 %分散剂+1 %促凝剂在温度为50°C时，水泥浆柱压力变化情况，压力为常压。图4是G级水泥+2%微硅+1 %分散剂+1 %促凝剂在其底部温度为30°C，逐渐升温，顶部温度为50°C时，水泥浆柱压力变化情况，压力为常压。
具体实施例方式下面根据附图和实施例进一步说明本发明。参看图1，固井环空水泥浆失重测量装置，主要由底座16、控制面板14、立式支柱 12、浆筒、计算机9组成，其特征在于，该测量装置位于底座上，所述立式支柱通过支撑轴15 与浆筒连接，又通过旋转轴13与控制面板连接，可实现从0度到90度的旋转；所述浆筒有加压孔1、内筒3、外筒4及内筒外筒之间的环空，所述浆筒为分段组合，每一段均有温度传感器5、压力传感器6和加热冷却套7，所述浆筒有上部顶盖2和下部底盖8，所述浆筒下部还有三个压力传感器17，所述温度传感器5、压力传感器6和17分别通过温度传感器数据接口 10、压力传感器数据接口 11将数据传输到计算机9。利用固井环空水泥浆失重测量装置测量水泥浆环空失重的方法，按照API标准配制同一油井水泥浆(见表1)，按照直井，套管居中，小环空间隙，并根据不同测试条件进行试验。表1中实例1、实例2、实例3的实验结果分别对应图2、图3、图4。由图中曲线可以看出，水泥浆水化反应形成一定结构并不是从一开始就失重，水泥浆刚开始为液体将以液柱形式对底部产生压强，随着水泥浆水化反应形成一定结构，水泥浆液柱压力将会逐渐分布到这些结构中，对底部压力将会逐渐减小，随着水泥浆的固化， 这部分压力将最终减小至0。由于温度的不同水化放热反应液不相同，温度高的，水化反应快，水泥浆形成结构的时间短，对于的失重时间也会缩短。表1固井环空水泥浆失重测量装置测试结果
权利要求
1.固井环空水泥浆失重测量装置，主要由底座(16)、控制面板(14)、立式支柱(12)、 浆筒、计算机(9)组成，其特征在于，该装置位于底座上，所述立式支柱通过支撑轴(15)与浆筒连接，又通过旋转轴(1 与控制面板连接，可实现从0度到90度的旋转；所述浆筒有加压孔(1)、内筒(3)、外筒(4)及内筒外筒之间的环空，所述浆筒为分段组合，每一段均有温度传感器(5)、压力传感器(6)和加热冷却套(7)，所述浆筒有上部顶盖( 和下部底盖 (8)，所述浆筒下部还有三个压力传感器(17)，所述温度传感器( 、压力传感器(6)和(17) 分别通过温度传感器数据接口(10)、压力传感器数据接口(11)将数据传输到计算机(9)。
2.利用如权利要求1所述的测量装置对固井环空水泥浆失重进行测量的方法，依次包括以下步骤(1)配制油井水泥浆，打开浆筒的上部顶盖，将水泥浆倒入内筒和外筒之间的环空中， 并加盖密封；(2)通过加压孔连接压力源，将压力加至实验所需压力；(3)控制面板通过加热冷却套控制水泥浆柱的温度从下到上实现连续性的梯度变化， 达到实验所需温度；(4)温度传感器、压力传感器将数据传输到计算机，计算机显示水泥浆的温度压力变化情况；(5)根据计算机绘制的温度和压力变化曲线，确定水泥浆在井下凝结过程中的失重规律。
全文摘要
本发明涉及固井环空水泥浆失重测量装置及测量方法，该装置主要由底座、控制面板、立式支柱、浆筒、计算机组成，所述立式支柱通过支撑轴与浆筒连接，通过旋转轴与控制面板连接；所述浆筒有加压孔、内筒、外筒及内筒外筒之间的环空，所述浆筒为分段组合，每一段均有温度传感器、压力传感器和加热冷却套，所述浆筒通过偏心盖控制内筒的偏心，其下部还有三个压力传感器，所述温度传感器、压力传感器分别将数据传输到计算机。本发明能模拟井下温度随着井深变化存在的不同温度差，采集调控用计算机控制，操作简单、方便，用偏心盖控制套管的偏心，安全、稳定、可靠，适用于石油及天然气固井、挤水泥、注水泥等作业。
文档编号E21B47/06GK102392634SQ201110302119
公开日2012年3月28日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者刘洋, 吴奇兵, 张弛, 李早元, 林友建, 程小伟, 谢鹏, 郭小阳, 黄盛 申请人:西南石油大学