一种水窜影响固井质量的测试装置及方法与流程

本发明属于油气田固井技术领域，特别涉及一种水窜影响固井质量的测试装置及方法。

背景技术：

油田注水开发区块的储层由于长期注水开发，在同一裸眼井段中存在着常压层、低压层以及高压水层，在固井候凝期间，高压水层的地层水易窜入环空，即发生水窜，地层水对水泥浆进行冲蚀或绕流，使水泥与井壁的胶结界面产生微环隙，影响固井质量。测试并评价水泥浆在环空中候凝期间水窜程度对固井质量的影响，是保证固井施工安全及提高注水开发区块固井质量的关键。

现有技术中对于注水开发区块的水窜影响固井质量方面还没有相关的测试装置及方法。

在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：

由于现有技术中没有对注水开发区块的水窜影响固井质量的测试装置及方法，不会在实际操作之前对水窜影响固井质量的情况进行定量的评估，在实际井况中，如果在同一井段内存在着高压水层、常压层及低压层，较高的井底固井环空浆柱压力在压稳高压水层的同时，易压漏低压层，导致固井过程中井漏的发生，造成水泥返高不够，严重的会使油井报废。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供一种水窜影响固井质量的测试装置及方法，可用于定量分析水窜影响下的固井质量，以便指导现场的固井施工。

具体而言，包括以下的技术方案：

一方面，一种水窜影响固井质量的测试装置，所述测试装置包括：套筒、恒温池、环套、第一管线和第二管线，其中，

所述套筒包括筒体、上筒盖和下筒盖，所述上筒盖盖设在所述筒体的上端，所述下筒盖盖设在所述筒体的下端；

所述环套套设在所述筒体上，所述环套的内壁上设置有环形槽而在所述筒体的外壁与所述环套的内壁之间形成环形空间；

套设有所述环套的套筒直立置于所述恒温池中；

所述筒体开设有使所述筒体内腔与所述环形空间连通的至少一个第一通孔；

所述环套上开设有第二通孔，所述第一管线连接到所述第二通孔而与所述环形空间连通；所述上筒盖开设有第三通孔，所述第二管线连接到所述第三通孔而与所述筒体内部连通。

进一步地，所述第一通孔中填充能过水的致密材料。

进一步地，所述测试装置还包括恒压泵，所述恒压泵与所述第一管线相连。

进一步地，所述测试装置还包括第一阀门和第二阀门，所述第一阀门设置在所述第一管线上，所述第二阀门设置在所述第二管线上。

进一步地，所述筒体的外壁设有外螺纹，所述环套的内壁设有内螺纹，所述内螺纹与所述外螺纹配合。

进一步地，所述筒体的外壁在预设位置设有凸块，所述凸块用于阻挡所述环套下移。

进一步地，所述恒温池填充有恒定温度的液体，所述恒定温度的取值范围为50～95℃。

进一步地，所述上筒盖的外盖面的延伸线低于所述恒温池的池沿所在的水平线。

另一方面，一种水窜影响固井质量的测试方法，应用所述的水窜影响固井质量的测试装置，所述测试方法包括：

将盛有水泥浆的所述套筒置于盛满恒定温度的液体的所述恒温池中，并放置预设时间；

在所述预设时间后，从所述恒温池中取出所述套筒，其中所述水泥浆在所述筒体中凝固为水泥；

利用压力机得到所述筒体内壁与所述水泥之间的剪切力；

根据所述筒体内壁与所述水泥之间的剪切力，得到界面胶结强度。

进一步地，所述将盛有水泥浆的所述套筒置于盛满恒定温度的液体的所述恒温池中之前，所述方法还包括：在预设泵压下，从所述第一管线通过所述环形空间向预先盛有水泥浆的所述筒体内注入地层水。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果：

利用套筒、恒温池、环套、第一管线和第二管线构成的水窜影响固井质量的测试装置，实现了模拟固井候凝期间的水窜过程，通过将盛有水泥浆的套筒置于盛满恒定温度的液体的恒温池中，并放置预设时间，在预设时间后，从恒温池中取出套筒，其中水泥浆在筒体内凝固为水泥，利用压力机得到筒体内壁与水泥之间的剪切力，进而得到界面胶结强度，利用界面胶结强度实现了定量分析和评价水窜影响下的固井质量，根据评价结果可以实现对固井环空浆柱结构的优化，以便指导现场的固井施工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种水窜影响固井质量的测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种水窜影响固井质量的测试方法的方法流程图。

图中的附图标记分别表示为：

1、套筒；

1-1、筒体；

1-2、下筒盖；

1-3、上筒盖；

1-4、第三通孔；

1-5、第一通孔；

2、环套；

2-1、环形槽；

2-2、第二通孔；

3、恒温池；

4、第一管线；

5、第二管线；

6、第一阀门；

7、第二阀门；

8、恒压泵。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种水窜影响固井质量的测试装置，其结构示意图如图1所示，包括套筒1、恒温池3、环套2、第一管线4和第二管线5。

套筒包括筒体1-1、上筒盖1-3和下筒盖1-2，上筒盖1-3盖设在筒体1-1的上端，下筒盖1-2盖设在筒体1-1的下端。

环套2套设在筒体1-1上，环套2的内壁上设置有环形槽2-1而在筒体1-1的外壁与环套2的内壁之间形成环形空间。

套设有环套2的套筒1直立置于恒温池3中。

筒体1-1开设有使筒体1-1内腔与环形空间连通的至少一个第一通孔1-5。

环套2上开设有第二通孔2-2，第一管线4连接到第二通孔2-2而与环形空间连通；上筒盖1-3开设有第三通孔1-4，第二管线5连接到第三通孔1-4而与筒体1-1内部连通。

因此，本发明实施例的水窜影响固井质量的测试装置通过套筒1、恒温池3、环套2、第一管线4和第二管线5，从而可以从第一管线4向置于盛满恒温液体的恒温池3的盛有水泥浆的套筒1内通入地层水，利用环套2中的环形槽2-1在筒体1-1的外壁与环套2的内壁之间形成环形空间，实现地层水进入套筒1前的缓冲区域，用以模拟固井候凝期间的水窜过程，这样，该测试装置可以用于定量分析水窜影响下的固井质量，以便指导现场的固井施工。

在本发明实施例的水窜影响固井质量的测试装置中，第一通孔1-5中填充能过水的致密材料，材料可以为人造岩心或带有渗透率的树脂类材料，使得第一通孔1-5处有一定的渗透率，且该渗透率的取值与地层渗透率的取值相同或相近，用以模拟现实情况下水窜影响固井质量的情况。

在本发明实施例的水窜影响固井质量的测试装置中，测试装置不仅包括上述的套筒1、恒温池3、环套2、第一管线4和第二管线5，测试装置还包括恒压泵8，恒压泵8与第一管线4相连，恒压泵8可以设置泵压，在预设泵压的情况下，通过第一管线4向套筒1内注入预设泵压的地层水，预设泵压的取值为实际地层中高压水层处的地层压力值与井筒内水泥浆“失重”时井底压力值的差值，其中，实际地层中高压水层处的地层压力值的取值为现场测试得到，井筒内水泥浆“失重”时井底压力值为计算得到。

同时，测试装置还包括第一阀门6和第二阀门7，第一阀门6设置在第一管线4上，用于控制第一管线4的连通；第二阀门7设置在第二管线5上，用于控制第二管线5的连通，使得在测试开始时，通过打开第一阀门6和第二阀门7可以实现恒压泵8向盛有水泥浆的套筒1中注入地层水，由于水泥浆为碱性，即ph值大于7，当从第二管线5中流出的混合物的ph值等于7时，关闭第一阀门6和第二阀门7可以实现对盛有水泥浆的套筒1的候凝。

在本发明实施例的水窜影响固井质量的测试装置中，筒体1-1的外壁设有外螺纹，环套2的内壁设有内螺纹，内螺纹与外螺纹配合，使得环套2可以从筒体1-1的上端旋转至预设位置，该预设位置可以位于筒体1-1的中下部。

需要说明的是，筒体1-1的外壁在预设位置设有凸块，凸块用于阻挡环套2下移，可以保证筒体1-1与环套2的位置相对固定。

在本发明实施例的水窜影响固井质量的测试装置中，上筒盖1-3与筒体1-1、下筒盖1-2与筒体1-1可以通过丝扣相连。

在本发明实施例的水窜影响固井质量的测试装置中，恒温池8填充有恒定温度的液体，恒定温度的取值范围为50～95℃，用于保证盛有水泥浆的套筒1的候凝是在地层温度下进行的，可以实现真实模拟实际地层水窜影响下的固井情况。

在本发明实施例的水窜影响固井质量的测试装置中，上筒盖1-3的外盖面的延伸线低于恒温池3的池沿所在的水平线，使得套筒1的整体位于恒温池3中，保证套筒1内的水泥浆在地层温度下候凝。

在实际的使用过程中，分六步实现对测试装置的操作，具体如下：

第一，将下筒盖1-2与筒体1-1连接，确保下筒盖1-2与筒体1-1之间严密密封，将钻井液倒入到筒体1-1内并使得筒体1-1内充满钻井液，继而倒出钻井液，确保部分钻井液可以实现挂壁，接着自然风干5分钟，再向筒体1-1内倒入水泥浆。

第二，将环套2从筒体1-1的上端旋转至预定位置，将上筒盖1-3与筒体1-1连接，构成完整的套筒1。

第三，将第一管线4通过第二通孔2-2与环套2相连，将第一管线4与恒压泵8相连；将第二管线5通过第三通孔1-4与上筒盖1-3相连。

第四，把组装好的包含套筒1、环套2、第一管线4和第二管线5的装置放入到恒温池3中，确保套筒1直立置于恒温池3中。

第五，打开第一阀门6和第二阀门7，使得恒压泵中的地层水从第一管线4流入到环形空间中。

第六，当检测到从第二管线5流出的混合物的ph值等于7时，关闭第一阀门6和第二阀门7，放置预设时间。

实施例二

本实施例提供了一种水窜影响固井质量的测试方法，利用水窜影响固井质量的测试装置进行测试，测试方法流程如图2所示，具体如下：

步骤101：将盛有水泥浆的套筒置于盛满恒定温度的液体的恒温池中，并放置预设时间。

在本步骤之前，在预设泵压下，从第一管线通过环形空间向预先盛有水泥浆的筒体内注入地层水，地层水和水泥浆的混合物可以从第二管线中流出，在第二管线的出口处检测混合物的ph值，由于水泥浆为碱性，即ph值大于7，当从第二管线流出的混合物的ph值等于7时，确定水窜已经影响了固井，此时，关闭第一阀门6和第二阀门7，使得水泥浆和地层水的混合物在套筒1中候凝，该候凝状态即为水窜影响下的候凝。

需要说明的是，预设泵压的取值为实际地层中高压水层处的地层压力值与井筒内水泥浆“失重”时井底压力值的差值，其中，实际地层中高压水层处的地层压力值的取值为现场测试得到，井筒内水泥浆“失重”时井底压力值为计算得到。

具体地，将此候凝状态下盛有水泥浆的套筒置于盛满恒定温度液体的恒温池中，模拟地层状态下的固井，放置预设时间，预设时间的取值范围为24～72小时，确保水泥浆在筒体中的凝固。

步骤102：在预设时间后，从恒温池中取出套筒，其中水泥浆在筒体中凝固为水泥。

步骤103：利用压力机得到筒体内壁与水泥之间的剪切力。

具体地，取掉上筒盖、下筒盖和环套，只留下凝固有水泥的筒体，选取一个半径与筒体内径相同的实心圆柱放置在筒体的下面，并将实心圆柱与筒体一同放置在压力机上。

利用压力机自下向上对实心圆柱和筒体一同施加压力，当凝固的水泥与筒体分离时，压力机测得的压力峰值即为筒体内壁与水泥之间的剪切力。

步骤104：根据筒体内壁与水泥之间的剪切力，得到界面胶结强度。

具体地，根据筒体内壁与水泥之间的剪切力和筒体的内表面积，通过界面胶结强度的公式计算界面胶结强度，通过筒体内水泥与筒体内壁的界面胶结强度定量评价水窜对固井质量的影响程度。

界面胶结强度的计算公式如下：

式中：m为界面胶结强度，单位为pa；f为筒体内壁与水泥之间的剪切力，单位为n；s为筒体的内表面积，单位为m²。

需要说明的是，通过改变恒压泵的泵入压力，重复步骤101-104，可以实现模拟不同高压水层压力和不同浆柱结构下水窜对固井质量的影响。

本发明实施例通过将盛有水泥浆的套筒置于盛满恒定温度的液体的恒温池中，并放置预设时间，在预设时间后，从恒温池中取出套筒，其中水泥浆在筒体内凝固为水泥，利用压力机得到筒体内壁与水泥之间的剪切力，进而得到界面胶结强度，利用界面胶结强度实现了定量分析和评价水窜影响下的固井质量，根据评价结果，可以实现对固井环空浆柱结构的优化，以便指导现场的固井施工。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。