一种水泥浆测窜方法与流程

本申请涉及固井水泥浆在井下工况凝固过程中，油、气、水窜的模拟测试方法。

背景技术：

石油及天然气井的固井水泥浆主要用于：(1)封隔不同压力源的井下流体，防止油、气、水窜槽；(2)固结套管和地层，以支撑套管和井口装置。

解决油气田固井水泥浆防窜问题是提高固井质量、保护油气层的关键。

井下固井水泥浆在候凝过程中，由于水泥的水化胶凝作用，一方面，水泥浆液体连续相的密度不断下降，水泥浆柱的有效液柱压力不断降低，即不断失重；另一方面，水泥孔隙通道越来越小，通道内的流动阻力不断增大，水泥浆的结构力不断增强，防止地层流体(油、气、水)窜入的能力不断增强。当水泥浆失重后的有效液柱压力小于地层流体压力时，地层流体就窜入井内水泥浆中。地层流体的窜入量取决于窜入速度和窜入时间。水泥孔隙通道越大、通道内流体粘度越小，地层流体窜入的流动摩阻就越小，窜入速度就越快；反之则越慢。维持水泥联通孔道的时间越长，地层流体窜入时间就越长，反之则越短。联通孔道关闭(渗透率足够低)后，不管失重多大，地层流体停止窜入。

水泥水化过程中，液柱压力是变化的，水泥孔隙通道大小和流动阻力也是变化的，且难以测量。而如何评价水泥浆的防窜能力则是需要解决的问题。

水泥浆室内防窜能力评价方法主要有“过渡时间法”、“类失水法”、“等静胶凝强度验窜法”、“收缩降压验窜法”四类。它们从不同维度评价水泥浆的防窜能力，但都存在与井下实际工况对应性差、评价维度单一、实验结果重复性差的问题。

技术实现要素：

本申请的实施例提供一种水泥浆测窜方法，包括：

向失重筒和测窜筒分别注入同一水泥浆，并使水泥浆在失重筒和测窜筒内同步模拟井下同一工况的固化过程；

监测失重筒的水泥浆柱在固化过程中的顶底压差p3(t)；

当失重筒的水泥浆柱的顶底压差p3(t)降至平衡压力值p3(t)＝p0＝k^-1p2时，向测窜筒的水泥浆柱底部施加测窜流体，并保证测窜筒的水泥浆柱的底部压力与顶部压力的压差为δp(t)＝k(p0-p3(t))；

其中，p2为井下水泥浆开始发生气窜的临界液柱压力值；k为井下水泥浆实际封固段长与失重筒水泥浆高度的比值；

监测测窜筒的水泥浆柱窜入的测窜流体的流量。

有益效果：

本申请在相同测窜条件的失重筒和测窜筒内同步模拟同一水泥浆在井下同一工况下的固化过程，基于实时测量的失重筒水泥浆柱的有效液柱压力，在与井下水泥浆相同的临界窜入点(即临界当量密度点，可换算成临界压力点)，开始向测窜筒水泥浆柱施加与失重筒水泥浆柱实测失重变化相匹配的渐变失重压差，测量测窜筒水泥浆柱从临界窜入点到难窜入点(窜通情况下为窜通点)之间的窜入流量和窜流时间，进而可用于评价水泥浆的防窜性能。

本申请的测窜方法可用于固井水泥浆凝固失重、地层流体窜流的模拟和防窜阻力的测量方法，操作简单，重复性高，与井下工况匹配性好，适用于石油及天然气井固井的防油、气、水窜添加剂研发和防窜固井水泥浆设计。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请一实施例的测窜方法所采用的测窜装置的结构示意图；

图2为本申请一实施例的测窜方法的原理图；

附图标记为：1、调压阀，2、计算机，3、流量计，4、阀门，5、测窜筒，6、控温筒，7、失重筒，8、压差计。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本申请的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。

结合图1和图2，本申请的实施例提供一种水泥浆测窜方法，包括：

向失重筒7和测窜筒5分别注入同一水泥浆，并使水泥浆在失重筒7和测窜筒5内同步模拟井下同一工况的固化过程；

监测失重筒7的水泥浆柱在固化过程中的顶底压差p3(t)；压差计8所测得的压差值即为p3(t)值；

当失重筒7的水泥浆柱的顶底压差p3(t)降至平衡压力值p3(t)＝p0＝k^-1p2时，向测窜筒5的水泥浆柱底部施加测窜流体b，并保证测窜筒5的水泥浆柱的底部压力与顶部压力的压差为δp(t)＝k(p0-p3(t))；

其中，p2为井下水泥浆开始发生气窜的临界液柱压力值；k为井下水泥浆实际封固段长l与失重筒水泥浆高度h的比值；若定义p1＝p0-p3(t)，则p1可看做是失重筒7的水泥浆不同时刻的欠平衡压力值；

监测测窜筒5的水泥浆柱窜入的测窜流体b的流量。

本实施例中，如图1所示，水泥浆在失重筒7和测窜筒5内同步模拟井下同一工况的固化过程，即水泥浆在“相同的温度和压力、相同几何形貌的筒形结构”下养护凝固，保证失重筒7和测窜筒5两筒内水泥浆同步水化凝固。水泥浆在失重筒7和测窜筒5两筒的环空结构内固化，两筒环空结构的厚度可以与井下固井水泥环的厚度相等。

本实施例的测窜方法所采用的测窜装置包括失重筒7、测窜筒5和控温筒6，还包括气源系统和控制系统，控制系统包括计算机2，用于控制测窜过程中的温度和压力等。其中，控温筒6内有加热介质用于加热失重筒7和测窜筒5，保证失重筒7和测窜筒5两筒内的水泥浆在设定温度下固化。通过气源系统的气源a可以向失重筒7和测窜筒5两筒内的水泥浆柱的顶部施加所需的压力，通过气源系统的测窜流体b向测窜筒5的水泥浆柱底部施加测窜流体。测窜流体b的管线上设置有调压阀1、流量计3和阀门4，其中，调压阀1用于调节测窜流体b的压力，流量计3用于测量测窜流体b的流量，阀门4用于在需要时打开以向测窜筒5的水泥浆柱底部施加测窜流体b，压差计8用于测量失重筒7的水泥浆柱在固化过程中的顶底压差。

本实施例中，所述的水泥浆测窜方法，还包括：测量测窜流体b从开始施加到难窜入这一时间段内窜入的总流量；或者，测量测窜流体b从开始施加到窜通时刻这一时间段内窜入的总流量。

本实施例中，所述的水泥浆测窜方法，还包括：测量测窜流体b从开始施加到难窜入这一时间段的时间；或者，测量测窜流体b从开始施加到窜通时刻这一时间段的时间。

通过测量测窜流体b从开始施加到难窜入或者到窜通时刻这一时间段内的窜入总流量和窜流时间，可多角度评价水泥浆的防窜能力。

本实施例中，为保证测窜筒5的水泥浆柱的底部压力与顶部压力的压差为δp(t)＝k(p0-p3(t))，可以有多种施加压力的方法。

一种方法为：所述水泥浆在失重筒7和测窜筒5内同步模拟井下同一工况的固化过程，包括：在失重筒7和测窜筒5内的水泥浆柱的顶部施加相同大小的恒定压力，此种情况下，向测窜筒5的水泥浆柱底部施加压力逐渐增大的测窜流体。

该方法中，在失重筒7和测窜筒5内的水泥浆柱的顶部施加相同大小的恒定压力，该压力的大小可以根据测窜过程中，失重筒7和测窜筒5内的水泥浆柱的温度来设定，该压力的大小不作限制，主要用于防止失重筒7和测窜筒5内的水泥浆柱的水分在较高温度下发生气化。

另一种方法为：所述水泥浆在失重筒7和测窜筒5内同步模拟井下同一工况的固化过程，包括：在失重筒7和测窜筒5内的水泥浆柱的顶部施加相同大小的逐渐减小的压力，此种情况下，向测窜筒5的水泥浆柱底部施加压力恒定的测窜流体b。

该方法中，在失重筒7和测窜筒5内的水泥浆柱的顶部施加相同大小的逐渐减小的压力p′(t)，例如：某时刻施加的该压力值p′(t)＝p3(t)/h×(l-h)，向测窜筒5的水泥浆柱底部施加的测窜流体b的恒定压力值p＂＝p2；其中，p2为井下水泥浆开始发生气窜的临界液柱压力值，也即井下水泥浆所承受的地层流体压力值；p3(t)为该时刻测量的失重筒5水泥浆柱的顶底压差值；l为井下水泥浆实际封固段的长度，h为失重筒5水泥浆的高度(失重筒7和测窜筒5两筒内水泥浆的高度相同)。

下面结合实际井下水泥浆的情况给出一个水泥浆测窜方法的实施例。

本实施例的数据如下表所示：

本实施例中，井下固井过程中，水泥浆顶部注入有其他流体，随着水泥浆的固化，水泥浆柱的有效液柱压力不断降低(即失重)，当水泥浆顶部流体的液柱压力与水泥浆自身的液柱压力两者之和降至与地层流体的压力相等时，地层流体有可能窜入水泥浆内，此时，水泥浆的液柱压力值为临界液柱压力值p2，水泥浆的密度为临界当量密度ρ0，由于4000×1.5＝3000×1.6+1000×ρ0，因此，ρ0＝1.2g/cm³；p2＝10×4000×1.5-10×3000×1.6＝10×1000×ρ0＝10×1000×1.2kpa。本实施例中，k＝l/h＝1000/1，重力加速度g取10n/kg。

图2示出了失重筒7的水泥浆的液柱当量密度ρ(t)、测窜筒5施加的欠平衡气压δp(t)、测窜流体b的窜入流量q随水泥浆的候凝时间t的变化趋势，其中，t1代表测窜流体b开始施加的时刻(即水泥浆的液柱当量密度ρ(t)降至临界当量密度ρ0)，t2代表测窜流体b难窜入的时刻。

测窜过程如下：

s1、调试失重筒7和测窜筒5，保证两筒的测窜条件相同。

s2、向失重筒7和测窜筒5分别注入同一水泥浆，并使水泥浆在失重筒7和测窜筒5内同步模拟井下同一工况的固化过程。

固化过程中，失重筒7和测窜筒5两筒的水泥浆柱顶部可以施加相同大小的压力p4，该压力p4用于防止两筒内的水泥浆的水分在固化过程中发生气化。p4可以是恒定的也可以是变化的，只要任意时刻失重筒7和测窜筒5两筒的水泥浆柱顶部的压力p4保证相同大小即可。

s3、利用压差计8监测失重筒7的水泥浆柱在固化过程中的顶底压差p3(t)。

测得的顶底压差p3(t)实际为失重筒7的水泥浆柱的液柱压力；由于水泥浆在固化过程中会逐渐失重，因此测得的顶底压差p3(t)会逐渐变小。

s4、当失重筒7的水泥浆柱的顶底压差p3(t)降至平衡压力值p3(t)＝p0＝k^-1p2时，向测窜筒5的水泥浆柱底部施加测窜流体b，并保证测窜筒5的水泥浆柱的底部压力与顶部压力的压差为δp(t)＝k(p0-p3(t))；

根据上表数据计算可知，p0＝k^-1p2＝10×1000×1.2/1000＝12kpa；

比如：当压差计8测得的失重筒7内水泥浆柱的顶底压差p3(t)值为10kpa时，换算成失重筒7水泥浆柱的密度为ρ(t)＝p3(t)/gh＝10/10×1＝1.0g/cm³；此时，测窜筒的水泥浆柱的底部压力与顶部压力的压差需保证为δp(t)＝k(p0-p3(t))＝1000×(12-10)kpa＝2mpa；则，该时刻向测窜筒5的水泥浆柱底部施加的测窜流体b的压力p5(t)为：p5(t)＝δp(t)+p3(t)+p4。

测窜过程中，压差δp(t)逐渐变大，因此，所施加的测窜流体b的压力p5(t)也是逐渐增大的。所施加的测窜流体b可以模拟地层流体。

s5、监测测窜筒5的水泥浆柱窜入的测窜流体的流量。

结合图2，测窜过程中，测窜流体b开始施加的时刻记录为t1，测窜流体b自施加后，其窜入测窜筒5的水泥浆柱内的流量会缓慢增加，而随着水泥浆的固化，水泥浆内部的结构力会不断增强，防止测窜流体b窜入的能力不断增强，直到测窜流体b难以继续窜入(此时水泥浆的密度为难窜当量密度ρ1，难窜当量密度ρ1不能在测窜试验前得知，需通过测窜结果而知)，则测窜流体b窜入测窜筒5水泥浆柱内的流量不再增加，记录此时时刻为t2；那么，通过测量测窜流体b从开始施加到难窜入这一时间段(即窜流时间t2-t1)内窜入的总流量，以及窜流时间(也即水泥浆的过渡时间)t2-t1，可以评估水泥浆的防窜能力。

此外，还有一些水泥浆在测窜过程中，在过渡时间t2-t1内水泥浆会被提前窜通，则在窜通时刻测窜流体b窜入测窜筒5水泥浆柱内的流量会急剧增加，可以按窜通前的窜入流量随时间的趋势线，外推出测窜流体b从开始施加到窜通时刻这一时间段内窜入的总流量。

s6、当测窜流体b难以窜入(即失重筒水泥浆到达难窜当量密度ρ1)或窜通时，停止测窜。

s7、卸压，拆卸并清洁失重筒7和测窜筒5内的水泥。

上述测窜过程中，也可以将各压力值换算成密度值进行监测。井下水泥浆的液柱压力降至与其承受的地层流体压力相等时，此时定义水泥浆的状态为压力平衡状态，此后，水泥浆将进入欠平衡状态。根据上述计算可知，压力平衡状态下的水泥浆的临界当量密度ρ0＝1.2g/cm³；将监测的p3(t)值实时换算成水泥浆的液柱当量密度ρ(t)＝p3(t)/gh，比如上述某时刻的p3(t)值为10kpa，换算成当量密度ρ(t)＝1.0g/cm³。因此，当监测到失重筒7内水泥浆的液柱当量密度ρ(t)降至临界当量密度ρ0＝1.2g/cm³时，即，当失重筒7水泥浆的液柱压力对应的当量密度ρ(t)降至模拟井的水泥浆临界当量密度ρ0时，则开始向测窜筒5的水泥浆柱底部施加测窜流体b，测量测窜筒5水泥浆的窜入量，保证了测窜时水泥浆的结构强度和井下地层流体开始窜入水泥浆时的结构强度相同。

此外，本申请实施例测窜过程中，保证了测窜筒5的水泥浆柱的底部压力与顶部压力的压差为δp(t)＝k(p0-p3(t))，即保证了测窜压差随水泥浆水化时间发展不断增大，与井下水泥浆因失重造成的欠平衡压力变化保持一致。

再者，本申请实施例测窜过程中，测量了水泥浆从临界当量密度ρ0到难窜当量密度ρ1的过渡时间内测窜流体b的窜入总流量，即测量测窜流体b的窜入总流量的时间窗口与井下地层流体可窜入的时间窗口保持一致。如果在过渡时间t2-t1内测窜流体b提前窜通测窜筒5的水泥浆，则按窜通前的窜入流量q随时间t的趋势线外延至t2的数据即为所测量的窜入流量。相同的过渡时间，测量和评估出不同水泥浆、不同工况下的窜入总流量，保证了水泥浆的防窜能力具有可量化、可比较的指标。

本申请实施例的测窜方法以等当量密度变化法模拟井下水泥浆柱的压力变化，直观、准确、易操作；以窜流时间和窜入流量评价水泥浆的防窜能力，比较科学地反映了防窜能力的本质特征。窜入流量是防窜能力的综合指标，取决于水泥外加剂的防窜能力和水泥浆的孔隙度；窜流时间是防窜能力的分指标，反映的是水泥浆从临界当量密度到难窜当量密度的过渡时间，主要受固井浆柱结构的过平衡压力和水泥外加剂体系的影响。

本申请实施例的测窜方法，具有与井下相同的固化工况条件、等临界当量密度的测窜点、等当量密度变化的测窜压差、等当量密度变化窗口的窜流量等特点。所测得的测窜流体b的窜入总流量，以及窜流时间更加接近井下实际情况数据，对水泥浆的防窜能力评价更为准确。

本申请实施例的测窜方法，失重筒7和测窜筒5为相同的测窜条件，在失重筒7内模拟井下水泥浆的自然失重过程，在测窜筒5进行水泥浆窜入流量的测量。基于水泥浆失重的实际模拟测量，在与井下相同的临界当量密度点，施加与实测水泥浆当量密度变化相匹配的渐变失重压差，测量地层流体从水泥浆的临界当量密度到难窜当量密度的窜流时间和窜流量。

本申请实施例的测窜方法，涉及固井水泥浆凝固失重、地层流体窜流的模拟和防窜阻力的测量评价方法，操作简单，重复性高，与井下工况匹配性好，适用于石油及天然气井固井的防油、气、水窜添加剂研发和防窜固井水泥浆设计。