CN103512839A - 一种胶凝态水泥浆渗透率的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种胶凝态水泥浆渗透率的测试方法，依次包括以下步骤：（1）配制水泥浆，测试水泥浆的静胶凝强度曲线SGS(t)；（2）计算水泥浆静止10min后的渗透率；（3）向水泥浆柱两端施加压力，水泥浆开始滤失；（4）确定水泥浆平均滤失速率和水泥浆渗透率；（5）测试对应的水泥石渗透率；（6）得胶凝态水泥浆渗透率初始曲线；（7）采用静胶凝强度曲线SGS(t)对上述结果进行修正，得修正后的胶凝态水泥浆渗透率。本发明综合了液态水泥浆、胶凝态水泥浆以及凝固后水泥石的性能，原理可靠，操作方便，能确定水泥浆在凝固过程中胶凝过渡态渗透率随时间变化的关系，为水泥浆防气窜能力评价提供了科学依据，具有广阔的应用前景。

Description

一种胶凝态水泥浆渗透率的测试方法

技术领域

本发明涉及油气田开发领域固井防气窜过程中胶凝态水泥浆渗透率的测试方法。

背景技术

早在1983年，C.E.Bannister便设计了一种简易的气窜模拟装置，评价水泥浆防气窜能力，首次针对气窜危险时间内水泥浆体系渗透率进行了研究。1985年，Cheung等学者在回顾了早期气窜机理的基础上，提出为减小气窜必须控制早期气体通过水泥浆基体内孔隙流动，即降低塑性状态水泥浆渗透率，并将水泥浆过渡态渗透率作为防气窜的一个关键性能指标。1990年RobertM.belrute等学者在论文SPE1922里面提出，过渡态水泥浆渗透率应和失水速率、SGS发展密切相关。1985～1995年间，国外学者A.Ambari,C.Amiel和S.APPLEBY、A.WILSON（斯伦贝谢）等人先后设计了简易装置对水泥浆渗透率进行了测试。1999年，K.R.Backe将气窜视为气体通过水泥石这种多孔介质中的渗流；当孔隙较小，渗透率较低时，入口压力较高；在克服入口压力后，气体和水泥浆柱之间的压差控制气体侵入量；这是一个非常复杂的过程，气窜期间水泥浆渗透率和有效液柱压力连续变化，并决定了气窜难易程度。直到2007年，Y.Bahramian等人基于前人大量简易实验数据、达西渗流定律的基础上，建立了水泥浆过渡态渗透率与过渡态孔隙尺寸分布、SGS发展和失水速率之间的数学模型，依据水泥浆过渡态的性质对达西渗流公式进行了修正。

国内对水泥浆胶凝态渗透率研究起步较晚。80年代和90年代，天津工程研究院对高分子化合物G60复合改性，控制失水，降低水泥浆渗透性，在现场得到了成功应用。1992年，王立平、罗长吉等学者在固井后水气窜问题的研究中提出了抗窜时间、抗窜压差、水气导率等水泥浆抗窜性能指标，其中水气导率与国外的渗透率概念类似，均描述了气窜危险时间内，水泥浆抵抗气体侵入的能力。2011年，滕学清在解决塔里木山前构造三超气井固井后初次气窜问题时，提出了短静胶凝强度过渡时间、低渗透率防气窜水泥浆体系设计思想，认为降低气窜危险时间内水泥浆渗透率可以缩短气窜距离，减小气窜危险性，并在现场固井中取得了成功应用。2012年刘洋采用气窜仪测窜，通过将气窜流量、气窜压差带入达西渗流公式计算过渡态渗透率。

综合国内外研究可知：目前对于固态岩心或水泥石渗透率已有一套成熟的测试方法，而胶凝态水泥浆渗透率作为评价水泥浆防气窜能力的一个关键性能指标，目前仅国外学者在这方面作了很多研究，提出了水泥浆渗透率测量的一些简易方法；从国内来看，现阶段仅意识到了胶凝态水泥浆渗透率的重要性，尚没有具体的测试手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种胶凝态水泥浆渗透率的测试方法，该方法原理可靠，操作方便，能确定水泥浆在凝固过程中胶凝过渡态渗透率随时间变化的关系，为水泥浆防气窜能力评价提供了科学依据，具有广阔的应用前景。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

本发明通过测量水泥浆静胶凝强度曲线，测量水泥浆胶凝态某一时刻对应的渗透率，结合对应的水泥石渗透率，综合确定胶凝态水泥浆的渗透率。该方法综合了液态水泥浆、胶凝态水泥浆以及凝固后水泥石的性能，原理可靠，为胶凝态水泥浆渗透率的测试提供了可靠的方法。

一种胶凝态水泥浆渗透率的测试方法，依次包括以下步骤：

（1）配制水泥浆，根据井下实际工况条件确定实验温度、压力，测试水泥浆的静胶凝强度曲线SGS(t)；

（2）设水泥浆静止10分钟后，即t₀=10min，由Carman-Kozeny方程计算出渗透率K(t₀)=576mD；

（3）在截面直径D、长L的水泥浆柱两端施加压力P₁、P₀(大气压)，水泥浆开始滤失，结合静胶凝强度曲线SGS(t)，确定水泥浆在压差ΔP=P₁-P₀、实验温度下满足下式的时刻t₁：

$\mathrm{\ΔP}=\mathrm{SGS}\left(t_1\right)\·M\·\frac{L}{D};$

（4）测量水泥浆在t₀、t₁时刻的滤液重量fl(t₀)、fl(t₁)，按照下式确定t₁时刻对应的水泥浆平均滤失速率Fl(t₁)：

$\mathrm{Fl}\left(t_1\right)=\frac{\mathrm{fl}\left(t_1\right)-\mathrm{fl}\left(t_0\right)}{t_1-t_0},$

结合气体粘度μ和t₁时刻的静胶凝强度SGS(t₁),按下式确定t₁时刻对应的水泥浆渗透率K(t₁)：

$K\left(t_1\right)=\frac{\mathrm{Fl}\left(t_1\right)\·\mathrm{\μD}\·(P_1+P_0)}{6C\·\mathrm{SGS}\left(t_1\right)\·A\·P_0};$

（5）将水泥浆在实验温度下养护，待水泥浆凝固成水泥石后（即t=t₂），按照岩心渗透率测试方法测试水泥石的渗透率K(t₂)；

（6）将t₀、t₁和t₂及分别对应的渗透率K(t₀)、K(t₁)和K(t₂)代入下式：

$\left\{\begin{array}{c}K\left(t_0\right)=a\ln \left(\frac{t_0^n+b}{t_0^n}\right)\\ K\left(t_1\right)=a\ln \left(\frac{t_1^n+b}{t_1^n}\right)\\ K\left(t_2\right)=a\ln \left(\frac{t_2^n+b}{t_2^n}\right)\end{array}\right.$

根据上述方程组反解出参数a、b、n，得到胶凝态水泥浆渗透率曲线

（7）将静胶凝强度曲线SGS(t)、胶凝态水泥浆渗透率曲线K(t)按时间m等分，任意等分用i表示，得到t_i-2、t_i-1时刻对应的静胶凝强度SGS(t_i-2)、SGS(t_i-1)和K(t_i-2)、K(t_i-1)，按下式修正t_i时刻对应的渗透率K′(t_i)：

$K^{\′}\left(t_i\right)=\frac{3K\left(t_{i-1}\right)\·\mathrm{SGS}\left(t_{i-1}\right)}{\mathrm{SGS}\left(t_i\right)}-\frac{K\left(t_{i-2}\right)\·\mathrm{SGS}\left(t_{i-1}\right)+K\left(t_{i-1}\right)\·\mathrm{SGS}\left(t_{i-2}\right)}{\mathrm{SGS}\left(t_i\right)},$

依次对i=2、3、4…m的点进行修正，确定修正后的参数a′、b′、n′，得修正后的胶凝态水泥浆渗透率曲线：

$K^{\′}\left(t\right)=a^{\′}\ln \left(\frac{t^{n^{\′}}+b^{\′}}{t^{n^{\′}}}\right).$

式中：

SGS(t₁)——t₁时刻对应的静胶凝强度值，Pa；

M、C——实验常数，取M=1000、C=100；

L、D——分别表示水泥浆柱长度、浆柱截面直径，m；

A——浆柱截面面积，m²；

μ——气体粘度，mPa·s；

P₁、P₀——分别表示浆柱两端压力，MPa；

ΔP——水泥浆柱两端压差，MPa；

fl(t₀)、fl(t₁)——分别表示t₀、t₁时刻对应的滤液重量，kg；

Fl(t₁)——t₁时刻对应的平均滤失速率，kg/min；

K(t₀)、K(t₁)、K(t₂)——分别表示t₀、t₁、t₂时刻对应的渗透率，D；

SGS(t_i-2)、SGS(t_i-1)、SGS(t_i)——分别表示t_i-2、t_i-1、t_i时刻对应的静胶凝强度值，Pa；

K(t_i-2)、K(t_i-1)、K(t_i)——分别表示t_i-2、t_i-1、t_i时刻对应的渗透率，D；

K′(t_i)——t_i时刻对应的修正后的渗透率；

a、b、n——胶凝态水泥浆渗透率参数，无量纲；

a′、b′、n′——修正后的胶凝态水泥浆渗透率参数，无量纲；

m——取m≥2的任意正整数；

i——任意等分，i=2、3、4…m。

所述公式、模型参看文献Y.Bahramian and A.Movahedinia.Prediction of SlurryPermeability,K,Using Static Gel Strength(SGS),Fluid Loss Value,and Particle SizeDistribution.SPE,NO106983,2007.

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：能实测胶凝态水泥浆渗透率在凝固过程中的时变关系，满足水泥浆防气窜性能评价的需求；采用该时变曲线还可为进一步探索胶凝态渗透率、气侵阻力与静胶凝强度发展的内部关系提供实验依据；解决了无法测量水泥浆过渡态渗透率的难题，为水泥浆防气窜性能量化评价方法的建立提供基础数据，可有效指导水泥浆防气窜性能评价。

附图说明

图1是采用本发明所述方法测得的G级纯水泥凝固过程中胶凝态水泥浆渗透率曲线。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

一种胶凝态水泥浆渗透率的测试方法，依次包括以下步骤：

（1）取一定量的G级纯水泥，按照规范《油井水泥试验方法》（GB/T19139-2003）配制水泥浆，测试水泥浆的静胶凝强度曲线SGS(t)；

（2）根据Carman-Kozeny方程计算水泥浆静止10min后的渗透率为576mD，即t₀=10min，K(t₀)=576mD；

（3）向水泥浆柱两端施加压力，水泥浆开始滤失，确定t₁时刻为235min，即t₁=235min；

（4）确定t₁时刻对应的水泥浆平均滤失速率Fl(t₁)=4.9×10^-4kg/min，并确定t₁时刻对应的水泥浆渗透率K(t₁)=2.8mD，即t₁=235min，K(t₁)=2.8mD；

（5）将水泥浆养护600min，测试对应的水泥石渗透率为0.004mD，即t₂=600min，K(t₂)=0.004mD；

（6）将t₀=10min、K(t₀)=576mD，t₁=235min、K(t₁)=2.8mD，t₂=600min、K(t₂)=0.004mD代入胶凝态水泥浆渗透率预测模型，反解出参数a=0.105、b=1.3702、n=2.8857，得胶凝态水泥浆渗透率初始曲线，并作图，参看图1：

$K\left(t\right)=0.105\ln \left(\frac{t^{2.8857}+1.3702}{t^{2.8857}}\right);$

（7）采用静胶凝强度曲线SGS(t)，对上述结果进行修正，得修正后的参数为a′=0.057、b′=8.4269、n′=4.32，即修正后的胶凝态水泥浆渗透率如下式，并作图，参看图1：

$K^{\′}\left(t\right)=0.057\ln \left(\frac{t^{4.32}+8.4269}{t^{4.32}}\right).$

参看图1。

随着时间的延长，胶凝态水泥浆渗透率逐渐降低，其原因在于：随着水泥浆内部水化反应的进行，水泥浆逐渐凝固，内部骨架结构逐渐发展并越来越致密，孔隙空间越来越少，因此渗透率逐渐降低，直至凝固成致密的水泥石。随着水化反应的进行，气窜危险时间内水泥浆渗透率越来越低，说明水泥浆防气窜性能越来越好。

采用静胶凝强度曲线修正后的胶凝态水泥浆渗透率总体小于修正前的渗透率，修正前的胶凝态水泥浆渗透率曲线是结合水泥浆凝固过程中的三个特殊时刻点的渗透率，依据胶凝态水泥浆渗透率预测模型而得到，修正后的胶凝态水泥浆渗透率曲线与表征水泥浆凝固特征的静胶凝强度曲线联系更为紧密，因此采用静胶凝强度曲线修正后的胶凝态水泥浆渗透率曲线更精确。

Claims (1)

1.一种胶凝态水泥浆渗透率的测试方法，依次包括以下步骤：

（1）配制水泥浆，根据井下实际工况条件确定实验温度、压力，测试水泥浆的静胶凝强度曲线SGS(t)；

（2）水泥浆静止10分钟后，计算t₀=10min时的渗透率K(t₀)；

（3）在截面直径D、长L的水泥浆柱两端施加压力P₁、P₀，水泥浆开始滤失，结合静胶凝强度曲线SGS(t)，确定水泥浆在压差ΔP=P₁-P₀、实验温度下满足下式的时刻t₁：

$\mathrm{\ΔP}=\mathrm{SGS}\left(t_1\right)\·M\·\frac{L}{D};$

（4）测量水泥浆在t₀、t₁时刻的滤液重量fl(t₀)、fl(t₁)，按照下式确定t₁时刻对应的水泥浆平均滤失速率Fl(t₁)：

$\mathrm{Fl}\left(t_1\right)=\frac{\mathrm{fl}\left(t_1\right)-\mathrm{fl}\left(t_0\right)}{t_1-t_0},$

结合气体粘度μ和t₁时刻的静胶凝强度SGS(t₁),按下式确定t₁时刻对应的水泥浆渗透率K(t₁)：

$K\left(t_1\right)=\frac{\mathrm{Fl}\left(t_1\right)\·\mathrm{\μD}\·(P_1+P_0)}{6C\·\mathrm{SGS}\left(t_1\right)\·A\·P_0};$

（5）将水泥浆在实验温度下养护，待水泥浆凝固成水泥石后，即t=t₂，按照岩心渗透率测试方法测试水泥石的渗透率K(t₂)；

（6）将t₀、t₁和t₂及分别对应的渗透率K(t₀)、K(t₁)和K(t₂)代入下式：

$\left\{\begin{array}{c}K\left(t_0\right)=a\ln \left(\frac{t_0^n+b}{t_0^n}\right)\\ K\left(t_1\right)=a\ln \left(\frac{t_1^n+b}{t_1^n}\right)\\ K\left(t_2\right)=a\ln \left(\frac{t_2^n+b}{t_2^n}\right)\end{array}\right.$

根据上述方程组反解出参数a、b、n，得到胶凝态水泥浆渗透率曲线

（7）将静胶凝强度曲线SGS(t)、胶凝态水泥浆渗透率曲线K(t)按时间m等分，任意等分用i表示，得到t_i-2、t_i-1时刻对应的静胶凝强度SGS(t_i-2)、SGS(t_i-1)和K(t_i-2)、K(t_i-1)，按下式修正t_i时刻对应的渗透率K′(t_i)：

$K^{\′}\left(t_i\right)=\frac{3K\left(t_{i-1}\right)\·\mathrm{SGS}\left(t_{i-1}\right)}{\mathrm{SGS}\left(t_i\right)}-\frac{K\left(t_{i-2}\right)\·\mathrm{SGS}\left(t_{i-1}\right)+K\left(t_{i-1}\right)\·\mathrm{SGS}\left(t_{i-2}\right)}{\mathrm{SGS}\left(t_i\right)},$

依次对i=2、3、4…m的点进行修正，确定修正后的参数a′、b′、n′，得修正后的胶凝态水泥浆渗透率曲线：

$K^{\′}\left(t\right)=a^{\′}\ln \left(\frac{t^{n^{\′}}+b^{\′}}{t^{n^{\′}}}\right)$

式中：

SGS(t₁)——t₁时刻对应的静胶凝强度值，Pa，

M、C——实验常数，取M=1000、C=100，

L、D——分别表示水泥浆柱长度、浆柱截面直径，m，

A——浆柱截面面积，m²，

μ——气体粘度，mPa·s，

P₁、P₀——分别表示浆柱两端压力，MPa，

ΔP——水泥浆柱两端压差，MPa，

fl(t₀)、fl(t₁)——分别表示t₀、t₁时刻对应的滤液重量，kg，

Fl(t₁)——t₁时刻对应的平均滤失速率，kg/min，

K(t₀)、K(t₁)、K(t₂)——分别表示t₀、t₁、t₂时刻对应的渗透率，D，

SGS(t_i-2)、SGS(t_i-1)、SGS(t_i)——分别表示t_i-2、t_i-1、t_i时刻对应的静胶凝强度值，Pa，

K(t_i-2)、K(t_i-1)、K(t_i)——分别表示t_i-2、t_i-1、t_i时刻对应的渗透率，D，

K′(t_i)——t_i时刻对应的修正后的渗透率，

a、b、n——胶凝态水泥浆渗透率参数，无量纲，

a′、b′、n′——修正后的胶凝态水泥浆渗透率参数，无量纲，

m——取m≥2的任意正整数，

i——任意等分，i=2、3、4…m。

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