评价固井水泥浆体系活性自修复能力的实验装置与方法与流程

本发明涉及一种评价固井水泥浆体系活性自修复能力的实验装置与方法。

背景技术：

页岩油气等非常规油气的开发是近年来全球最引人注目的能源革命，水平井压裂改造储层是页岩气高效勘探开发的关键手段和核心技术。在井下作业过程中刮管、钻塞、射孔和压裂改造均易使水泥环产生微裂缝或微环隙，导致水泥环力学完整性和水力密封性失效，油气沿着这种套管环空的裂缝上窜至地面，造成环空带压问题频繁出现，甚至导致花巨资建立的油气井报废。

用于解决固井后的气窜和环空带压问题措施较少且成本高，针对这一问题，从水泥石本身角度出发，研究能使水泥环自我密封微裂缝或微环隙的水泥浆体系是目前国内外的研究热点。活性自修复水泥浆可在水泥环出现微裂缝和微环隙时无需地面人工干预，当地层油气在层间窜流时，碳氢化合物将触发活性材料发生反应，自动封堵窜流通道，恢复水泥环的完整性和界面胶结能力，达到防止气窜和环空带压的目的。

目前国内外缺乏行之有效的自修复水泥浆的评价方法和检测手段，现场只能通过传统的观察井口带压现象来间接验证自修复水泥浆的自修复效果；而室内实验方法众多，国内外各研究单位各有自己的评价方法，例如通过强度恢复能力、胶结恢复能力、渗透恢复能力和气流量等评价水泥环的自修复能力，取得了一定的研究成果，但无法形成令行业认同的统一评价标准。因此急需研发一种简单、经济、科学有效的评价装置和方法来评价水泥浆自修复能力的实验手段，以便量化的评价水泥浆体系的自修复效果，更好的为自修复水泥浆的研究服务。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种操作方便、结构简单，重复性好的评价固井水泥浆体系活性自修复能力的实验装置与方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种评价固井水泥浆体系活性自修复能力的实验装置，包括界面胶结强度试模、框架、上压盘、压头和下压盘，所述下压盘设置在框架的底部，所述界面胶结强度试模下端置于下压盘上，所述界面胶结强度试模的上端设有压头，所述上压盘固定在框架的顶部，上压盘位于压头的上方，所述上压盘与压力测试机连接，所述界面胶结强度试模包括仿真套管和胶结在所述仿真套管内部的水泥石柱。

上述方案中，还包括密封胶和密封片，所述仿真套管、密封胶和密封片组成界面胶结强度试模制备装置，制备界面胶结强度试模时，通过密封片和密封胶堵住仿真套管的一端。

本发明还提供了一种评价固井水泥浆体系活性自修复能力的方法，采用所述评价固井水泥浆体系活性自修复能力的实验装置，其特征在于，包括以下步骤：

s1、制备界面胶结强度试模；

s2、界面胶结强度试模倒置于下压盘上，压头置于试模上端，居中平整放置；

s3、设定压力测试机测试档位和速度，上压盘接触压头后减速均匀加载负荷；

s4、直至水泥石柱与仿真套管胶结界面脱离，得出试模最大抗剪切力，计算得到初次界面胶结强度pf；

s5、养护步骤s4中胶结界面脱离的试模一定时间后，重复所述步骤s2-s4，得出二次界面胶结强度ps；

s6、通过以下公式计算固井水泥浆的界面胶结强度恢复率α：

上述方法中，所述步骤s1进一步包括：

s11：仿真套管、密封胶和密封片形成半密封的整体模具，制作界面胶结试模模具；

s12：一定量水泥浆样品倒入模具内在特定温度和介质条件下养护胶凝固化，形成界面胶结试模；

s13：去除密封胶和密封片，形成界面胶结强度试模测试样品。

实施本发明的评价固井水泥浆体系活性自修复能力的实验装置与方法，具有以下有益效果：

本发明装置能仿真模拟井筒内水泥环与套管或地层的界面胶结，通过压力机测试养护后压脱水泥石的最大抗剪切力，与此同时在胶结界面形成人工胶结微裂缝；通过胶结界面受力分析得出界面胶结强度计算公式，得出水泥石柱与仿真套管的界面胶结强度；可模拟不同介质(油、气或水)养护后再次测试最大抗剪切力，分别计算得出固井水泥浆的初次界面胶结强度和二次界面胶结强度，并可依此得出该水泥浆体系在特定介质养护条件下的界面胶结强度恢复率；该界面胶结强度恢复率力学评价方法具有方便快捷、可重复性强的特点，能科学客观的评价固井水泥环在油气介质环境下自行修复微裂缝和微环隙的能力。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是界面胶结试模制备示意图；

图2是界面胶结强度测试装置示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2所示，本发明评价固井水泥浆体系活性自修复能力的实验装置，包括界面胶结强度试模、框架5、上压盘6、压头7、下压盘8、密封胶4和密封片3。

下压盘8设置在框架5的底部，界面胶结强度试模下端置于下压盘8上，界面胶结强度试模的上端设有压头7，上压盘6固定在框架5的顶部，上压盘6位于压头7的上方，上压盘6与压力测试机连接，界面胶结强度试模包括仿真套管1和胶结在仿真套管1内部的水泥石柱2。

仿真套管1、密封胶4和密封片3组成界面胶结强度试模制备装置，制备界面胶结强度试模时，通过密封片3和密封胶4堵住仿真套管1的一端。以仿真套管1和密封片3为基础的简单模具系统，构造一种评价自修复水泥石界面胶结强度恢复能力的实验养护试模。

本发明还提供了一种评价固井水泥浆体系活性自修复能力的方法，其通过胶结界面受力分析得出界面胶结强度理论模型和计算公式，得出固井水泥浆体系的界面胶结强度恢复率评价方法，以便能方便、宏观、真实的评价固井水泥环在油气介质环境下自行修复微裂缝和微环隙的能力。具体步骤如下：

(1)需要制备界面胶结试模时，仿真套管和密封片形成一个半密封的整体模具，一定量水泥浆样品倒入模具内养护胶凝固化形成界面胶结试模。所述仿真套管由无缝钢管加工而成，钢管尺寸根据实验需要选择(例如：外径55mm，内径51mm，高度在80～90mm之间)，保证内壁和端面光滑平整；为模拟固井施工井眼真实条件，需事先浸泡钻井液24h以上，倒入水泥浆之前冲洗干净；所述水泥石柱由测试水泥浆在特定温度和介质条件下养护胶凝固化而成；所述水泥浆由一定水灰比的水泥灰和药品水高速搅拌而成，首先在恒速搅拌器4000r/min低速搅拌15s，再12000r/min高速搅拌35s，保证搅拌充分，水泥浆倒入后整体移入养护箱,保证整体浸没养护介质中，在模拟井温条件下养护24h；所述密封胶选择抗高温粘结性能优良且易于后期清除的高温锂基脂，主要作用是密封仿真套管与密封片，防止水泥浆胶凝硬化过程中漏失；所述密封片由普通平板玻璃切割而成，尺寸为80mm*80mm*5mm。

(2)需要测试界面胶结强度时，养护一定时间的试模样品自然冷却至室温后，量出水泥石柱高度h，按图2放置于压力测试机上，上压盘以低速对压头均匀加载负荷，当加载负荷达到峰值后停止测试，水泥石柱与仿真套管发生相对滑动，胶结面被破坏形成微裂缝和微环隙，此峰值即为胶结界面承受的最大抗剪切力f。所述框架系统为全自动恒应力水泥压力试验机一部分，为压力试验机提供整体机械支撑；所述上压盘为水泥压力试验机液压系统的一部分，能匀速加荷及负荷保持控制，试验力测量范围8kn-300kn；所述下压盘为水泥压力试验机液压系统的一部分，但不提供动力，有不同尺寸的下压盘更换，根据测试试模的尺寸和活塞行程选择下压盘的直径和高度；所述压头为根据试模尺寸由钢材加工而成，上部直径小于下部直径，下部直径以略小于试模内径为标准；所述界面胶结强度试模由水泥浆胶凝固化后去除模具的密封片和密封胶而成，测试胶结强度时倒立放置，以便有足够的测试下压空间。

(3)评价胶结强度恢复性能

界面胶结试模主要由仿真套管、水泥石柱和胶结界面组成，测试时对水泥柱石逐渐施加负荷，当加载力达到一定阶段后，会优先破坏胶结薄弱面，水泥石柱与仿真套管之间的胶结界面发生相对滑动，此峰值即为最大抗剪切力f。

根据破坏界面受力分析推断得出水泥石柱与仿真套管界面胶结强度计算公式为：

式中：f为最大抗剪切力，单位为n；d为仿真套管内径，单位为mm；h为水泥石柱高度，单位为mm；p我界面胶结强度，单位为pa；

压脱水泥石的同时在胶结界面处形成人工胶结微裂缝和微环隙，再将试模以不同介质(模拟井筒实际条件下的地层油、气或水)养护一定时间后,再次测试最大抗剪切力fs。通过上述公式计算得出初次界面胶结强度和二次界面胶结强度，因此固井水泥浆的界面胶结强度恢复率为：

式中：α为界面胶结强度恢复率，单位为％；ps为二次界面胶结强度，pa；pf为初次界面胶结强度，单位为pa；

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。