固井水泥浆硬化中静液柱压力和传压能力评价装置及方法

1.本发明属于油气井固井工程领域，具体地说是涉及一种固井水泥浆硬化中静液柱压力和传压能力评价装置及方法，该装置和方法对研究油气井固井环空窜流机理、实施井口憋压候凝技术和研发防窜材料等具有重要意义。


背景技术：

2.硅酸盐水泥作为一种水硬性胶凝材料，其与水混合形成的液态水泥浆具有良好的流动性和可泵性；而当水泥浆完全硬化后，其具有较高的抗压强度。基于上述特性，水泥已普遍用于油气井固井工程中。在固井工程中，液态水泥浆被注入地层与套管间的环空间隙中，利用其静液压力平衡地层压力；当水泥浆硬化形成水泥环，则要求其能有效层间封隔。但现场作业发现，天然气极易窜入塑性态水泥浆中，造成早期气窜问题，破坏油气井固井安全与质量。研究发现，在水泥浆塑性态阶段其静液柱压力将明显降低(也称为“失重”)，在水泥浆柱与地层间产生负压差，为早期气窜提供驱动力。为了解决早期气窜问题，学者提出了加压候凝技术，即在水泥浆柱顶部注入压力，以补充水泥浆静液压力损失量，减少水泥浆柱与地层间的负压差。然而，目前由于缺乏对水泥浆静液柱压力时变规律和其传压规律的定量认识，工程应用常由经验确定注入压力值。一旦注入压力过高，会造成井漏降低固井质量；但注入压力过低，又难以实现防止早期气窜的目的。因此，亟需开发一种能快速评价固井水泥浆静液柱压力和传压能力时变规律的评价装置和方法，为防止固井早期气窜提供有效措施和奠定技术基础。
3.经大量研究发现，学者通过建立水泥浆静液柱压力评价装置，研究了井眼尺寸、养护条件及性能等对水泥浆静液压力的影响。基于实验结果，学者提出了多种机理和模型去解释并预测水泥浆静液柱压力降低的机理，包括颗粒沉降机理、桥堵机理、体积收缩机理和胶凝悬挂机理。然而，大量室内实验和现场实践表明，这些机理和模型并不能准确反映固井水泥浆静液压力的时变规律。目前超深层油气资源成为世界勘探开发热点，超深井的高温高压环境和压力敏感地层给固井工程带来了巨大挑战，且固井水泥浆静液压力是决定固井工艺、安全和质量的关键性能。然而，现有评价方法测试水泥浆静液压力的实验流程复杂、测试时间长且极易破坏实验装置(郭小阳，李早元，林友建，等.固井环空水泥浆失重测量装置及测量方法[p].201110302119.0)，且一些装置(陶谦，周仕明，汪晓静，等.一种水泥浆失重压力和防窜能力的评价装置[p].201610832434.7；徐岩,杨焕强,贺为利,等.一种测量环空水泥浆失重的装置及测量方法[p].201911218397.0)不能呈现固井水泥浆在环形空间中的整个凝固阶段的失重行为；同时针对固井水泥浆在凝固过程的传压能力的评价装置和方法目前还未见相关报道。因此，亟需发明一种能在高温高压条件下准确、高效测试固井水泥浆凝固阶段的静液柱压力和传压能力的评价装置和方法，为研究固井水泥浆静液柱压力降低机理、开发静液柱压力预测模型、优化固井工艺、保证固井安全与质量提供支撑。


技术实现要素：

[0004]
本发明针对现有技术缺陷和不足，提供了一种固井水泥浆硬化中静液柱压力和传压能力评价装置及方法，该装置和方法能模拟注水泥作业在水泥浆流动状态下高温高压地层对其加热增压过程，并准确、快速测试在不同高温下固井水泥浆从液态到固态整个硬化过程的静液柱压力和传压能力；可原位测试不同温度下水泥浆水化导致的水化温度变化。
[0005]
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
[0006]
一种固井水泥浆硬化中静液柱压力和传压能力评价装置，包括水泥浆养护与测试系统，该系统由分段式釜体组成；
[0007]
相邻的分段式釜体上下端连接成釜体整体，釜体整体的上下端分别设有顶盖、底盖；顶盖与釜体通过螺杆连接，并在顶盖与釜体间安装耐高温橡胶密封圈，以实现在高温高压条件下开展实验。
[0008]
顶盖分别设有加压管线接头、上部压力传感器；加压管线接头通过分压阀和压力表连接高压氮气瓶；在实验中，根据实验需求将水泥浆注入分段式釜体并密封釜体并将其加热至目标温度后，再打开高压氮气瓶并通过分压阀、压力表将压力控制到目标温度后，再打开加压管线接头，将压力注入至水泥浆顶部，以测试高温高压下水泥浆硬化过程的静液柱压力和传压能力。
[0009]
釜体整体底部安装有下部第一压力传感器、下部第二压力传感器；
[0010]
分段式釜体外设有釜体加热套、热电偶；所述釜体加热套与釜体紧密贴合，包裹分段式养护釜；
[0011]
所述热电偶安装于釜体加热套内，用于测试和控制釜体加热套温度，以实现在恒定温度下加热水泥浆，更接近现场实际条件。
[0012]
分段式釜体上安装有水泥浆温度监测系统；所述水泥浆温度监测系统，需在分段式釜体上开孔并将热电偶安装至水泥浆的内部，以原位监测水泥浆的水化温度；
[0013]
分段式釜体内设有分段式模拟套管；
[0014]
上部压力传感器、下部第一压力传感器、下部第二压力传感器、水泥浆温度监测系统均与信号采集-中心控制系统连接。
[0015]
分段式釜体为圆筒结构，且在分段式釜体的上下端面均有釜体连接法兰，分段式釜体之间的接触面上均设计有耐高温橡胶密封圈。釜体设计为分段式结构，根据实验需求可删减釜体数量，以测试不同高度固井水泥浆柱的静液柱压力。所述釜体连接法兰设计在釜体的上下端，并在法兰上开孔利用螺杆连接分段式釜体，以测试不同高度水泥浆柱的静液柱压力和传压能力；
[0016]
分段式模拟套管为圆柱体结构，上断面连接凸台，在下端面开与该凸台尺寸相互匹配的凹槽，用于相邻的分段式模拟套管拼接。
[0017]
信号采集-中心控制系统包括计算机、温控表。
[0018]
水泥浆养护与测试系统固定于支撑架上，固井水泥浆静液柱压力和传压能力测试实验中，当水泥浆注入分段式釜体与分段式模拟套管间的环空间隙后，该系统可在支撑架上从垂直到水平方向往复旋转，以使水泥浆在流动状态下加热至实验所需温度，模拟固井注水泥作业地层对水泥浆的加热过程。
[0019]
水泥浆温度监测系统与釜体控温系统(釜体加热套、热电偶、温控表)相互独立，水
泥浆温度监测系统原位监测水泥浆水化导致的温度变化。
[0020]
一种固井水泥浆硬化中静液柱压力和传压能力评价方法，包括如下步骤：
[0021]
组装固井水泥浆硬化中静液柱压力和传压能力评价装置，并检验该装置分段式釜体的密封性；
[0022]
通过信号采集-中心控制系统设置、并控制实验釜体温度至实验所需的目标温度；
[0023]
根据gb/t 19139-2012标准配制固井水泥浆，并将混配好的水泥浆注入密封性良好的釜体内，用顶盖密封釜体；
[0024]
利用信号采集-中心控制系统设置实验目标温度，并通过釜体加热套和热电偶将釜体温度控制至实验所需的目标温度；通过上部压力传感器、下部第一压力传感器、下部第二压力传感器连续采集水泥浆顶部和水泥浆的静液柱压力，直到下部第一压力传感器、下部第二压力传感器采集的静液柱压力降低为零。
[0025]
实验结束后，关闭高压氮气瓶的总阀门，打开加压管线接头的泄压阀后，关闭仪器电源，拆卸釜体，清理分段式釜体中的实验后的水泥浆。
[0026]
装置密封性的检验过程如下：首先向釜体内注满清水并安装顶盖，利用高压氮气瓶由加压管线接头向釜体内注入约3mpa的压力，若未出现清水漏失且釜体内压力未下降，则证明装置的密封性良好并拆下顶盖、倒出清水以备用，否则证明该装置的密封性不合格，需要重新检查并组装装置。
[0027]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0028]
本发明提供的固井水泥浆硬化中静液柱压力和传压能力评价装置和方法，该装置结构设计合理，实验过程简单，能在高温高压条件下准确、高效测试固井水泥浆凝固阶段的静液柱压力和传压能力，为研究固井水泥浆静液柱压力降低机理、开发固井水泥浆静液柱压力预测模型、优化环空憋压候凝等固井工艺、保证固井安全与质量提供支撑。
附图说明
[0029]
图1为本发明的装置的结构图；
[0030]
图2为本发明的分段式釜体的结构图；
[0031]
图3为本发明的分段式模拟套管的结构图；
[0032]
图4为实施例中硬化过程的静液柱压力；
[0033]
图5为实施例中硬化过程的水化温度。
[0034]
1—水泥浆养护与测试系统；2—釜体加热套；3—热电偶；4—分段式釜体；5—釜体连接法兰；6—分段式模拟套管；7—水泥浆温度监测系统；8—下部压力传感器；9—下部压力传感器；10—釜体底盖；11—釜体顶盖；12—上部压力传感器；13—加压管线接头；14—高压氮气瓶；15—分压阀；16—压力表；17—信号采集-中心控制系统。
具体实施方式
[0035]
为使本发明的目的、技术方案及优势更加清晰，下面根据附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
[0036]
如图1到图3所示，一种固井水泥浆硬化中静液柱压力和传压能力评价装置，包括水泥浆养护与测试系统1，该系统由分段式釜体4组成，相邻的分段式釜体4上下端通过釜体
连接法兰5连接成釜体整体，釜体整体的上下端分别设有顶盖11、底盖10；
[0037]
顶盖11分别设有加压管线接头13、上部压力传感器12；加压管线接头13通过分压阀15和压力表16连接高压氮气瓶14；
[0038]
釜体整体底部安装有下部第一压力传感器8、下部第二压力传感器9；
[0039]
分段式釜体4外设有釜体加热套2、热电偶3；
[0040]
分段式釜体4上安装有水泥浆温度监测系统7；
[0041]
分段式釜体4内设有分段式模拟套管6；
[0042]
上部压力传感器12、下部第一压力传感器8、下部第二压力传感器9、水泥浆温度监测系统7均与信号采集-中心控制系统17连接；
[0043]
水泥浆养护与测试系统1安装于支撑架上，当水泥浆注入分段式釜体4与分段式模拟套管6间的环空间隙后，该系统可在支撑架上从垂直到水平方向往复旋转，使水泥浆在流动状态下加热至实验所需温度，以模拟注水泥作业地层对水泥浆的加热过程；
[0044]
分段式釜体4为圆筒结构，且在分段式釜体4的上下端面均设计有釜体连接法兰5，为了利用釜体连接法兰5连接不同数量的分段式釜体4来模拟不同高度，进而测试不同高度水泥浆的静液柱压力和传压能力，实验中可根据需求增加或减少分段式釜体4的数量。同时，在分段式釜体4之间的接触面上均设计有耐高温橡胶密封圈(图中未示)，且釜体间通过螺杆连接；
[0045]
分段式釜体的顶盖11和底盖10为圆盘结构，与分段式釜体4的连接方式也是通过耐高温橡胶密封圈和螺杆连接；
[0046]
在顶盖11上设计有加压管线接头13、上部压力传感器12，并在顶盖11上设计与分段式模拟套管顶端凸台相匹配的凹槽。为了便于安装加压管线接头13和上部压力传感器12，首先在顶盖11上开贯穿孔，并匹配加压管线接头13和上部压力传感器12的螺纹类型，使其以螺纹连接方式安装于顶盖上；
[0047]
加压管线接头13贯穿安装在顶盖11上，并外接高压氮气瓶14。通过高压氮气瓶14经加压管线接头13向分段式釜体4中的水泥浆顶部加实验所需压力。另外，实验结束后也可通过加压管线接头13卸掉分段式釜体4中的压力；
[0048]
上部压力传感器12贯穿安装在顶盖11上，用于准确测试在水泥浆上部施加的压力；
[0049]
底盖10的中心安装凸台，该凸台尺寸与分段式模拟套管6底端的凹槽相匹配；
[0050]
分段式模拟套管6为圆柱体结构，并在其上断面焊接凸台，在下端面开与该凸台尺寸相互匹配的凹槽，进而使分段式模拟套管6以拼接方式连接；
[0051]
下部第一压力传感器8、下部第二压力传感器9，安装于釜体整体底部侧面。在位于水泥浆养护与测试系统1最下面的分段式釜体4侧面开贯穿孔，并匹配与下部第一压力传感器8、下部第二压力传感器9相同的螺纹，通过螺纹方式将下部第一压力传感器8、下部第二压力传感器9安装至分段式釜体4上；
[0052]
水泥浆温度监测系统7贯穿安装在分段式釜体4的侧面，在分段式釜体4上开孔并配套与水泥浆温度监测的热电偶(图中未示)相匹配的密封螺纹，通过螺纹是水泥浆温度监测系统7与分段式釜体4连接，且水泥浆温度监测系统7与信号采集-中心控制系统17的计算机连接。
[0053]
信号采集-中心控制系统17由计算机、温控表组成，主要用于控制分段式釜体4的温度，采集上部压力传感器12、下部第一压力传感器8、下部第二压力传感器9的压力，和水泥浆温度监测系统7的温度。
[0054]
釜体加热套2环抱在分段式釜体4的外壁上，热电偶3则安装在釜体加热套2的内部，釜体加热套2和热电偶3和信号采集-中心控制系统17的温控表和计算机连接。
[0055]
上部压力传感器12和下部第一压力传感器8、下部第二压力传感器9与信号采集-中心控制系统17的计算机连接。
[0056]
一种固井水泥浆硬化中静液柱压力和传压能力评价装置的评价方法，包括如下步骤：
[0057]
组装固井水泥浆硬化中静液柱压力和传压能力评价装置，并检验该装置分段式釜体4的密封性；
[0058]
通过信号采集-中心控制系统17(计算机)设置、并通过温控表、釜体加热套2、热电偶3控制实验釜体温度至实验所需的目标温度；
[0059]
根据gb/t 19139-2012标准配制固井水泥浆，并将混配好的水泥浆注入密封性良好的釜体内，用顶盖11密封釜体；
[0060]
利用信号采集-中心控制系统17的计算机设置实验目标温度，并通过釜体加热套2和热电偶3将釜体温度控制至实验所需的目标温度；通过上部压力传感器12、下部传感器8、9连续采集水泥浆顶部和水泥浆的静液柱压力，直到下部第一压力传感器8、下部第二压力传感器9采集的静液柱压力降低为零。
[0061]
实验结束后，关闭高压氮气瓶14的总阀门，打开加压管线接头13的泄压阀后，关闭仪器电源，拆卸釜体加热套2、热电偶3、压力传感器12、下部传感器8、9、加压管线接头13和水泥浆温度监测系统7，再拆卸连接分段式釜体4与顶盖11、底盖10，和分段式釜体4间的连接螺杆，分段取下，再清理分段式釜体4中的实验后的水泥浆，最后清洗分段式釜体4，即完成实验。
[0062]
本实施例中实验水泥浆配方：
[0063][0064]
注：硅粉、微硅和各处理剂的质量均以g级水泥为基准计算
[0065]
利用本发明评价装置和评价方法，对上述水泥浆配方在30℃和60℃下，测试了该水泥浆配方从液态到固态整个硬化过程的静液柱压力和水化温度，如图4和图5所示。从实验结果可以看出，当釜体温度固定在30℃和60℃时，水泥浆注入釜体后被加热至釜体温度的时间约为60min；同时，从测试结果也可以看出，当水泥浆静液柱压力进入快速降低阶段，该水泥浆的水化温度明显快速增加。
[0066]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。