CN103513019A - 固井水泥浆气窜模拟评价仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了固井水泥浆气窜模拟评价仪，主要由釜体、滤液存储罐、注入压力传感器、流量计、注入氮气源、背压传感器、自动泄压装置、背压氮气源、围压水罐、围压氮气源、计算机组成，水泥浆置于釜体内，水泥浆顶部的活塞和釜体底盖均装有滤网，釜体下部有孔隙压力传感器，釜体中部有内电偶和外电偶，釜体底盖连接滤液存储罐和安全阀；釜体顶部连接围压水罐和围压氮气源，釜体底部连接流量计、注入氮气源和注入压力传感器；活塞顶部连接背压传感器、自动泄压装置和背压氮气源；孔隙压力传感器、内电偶、外电偶、流量计、注入压力传感器、背压传感器、自动泄压装置均和计算机相连。本发明将失水与气窜融为一个整体，比较准确地评价水泥浆的防气窜能力。

Description

固井水泥浆气窜模拟评价仪

技术领域

本发明涉及油气井固井过程中的水泥浆气窜模拟评价仪，可用于评价固井水泥浆的防气窜能力。

背景技术

固井环空气窜问题是影响气井固井质量的首要因素之一，几乎所有天然气井固井都存在潜在气窜危险，其中以墨西哥湾、塔里木等地气窜现象最为严重。气窜问题对气井危害严重，气体在井下高低压层间窜流会造成油气资源损失，而窜至井口轻则使井口带一定压力，严重时井口冒油冒气甚至发生不可控井喷，甚至导致一口井的报废。研究发现，气窜的主要通道有水泥浆本体、套管/水泥环胶结一界面和水泥环/地层胶结二界面三种途径，而固井早期气窜机理主要是通过水泥浆本体的窜流，因此水泥浆体系的本体抗窜能力是气井早期防气窜的首要基本问题。目前针对水泥浆防窜能力评价的方法众多，但是缺乏实际验窜评价手段与仪器。

目前，国内外水泥浆气窜仪主要有Chandler7150FMA型气窜仪和OWC-0809型气窜分析仪。该两型仪器均将气窜过程人为拆分为失水阶段和气窜阶段，而井下实际情况为：水泥浆在井底压差下边失水，边凝固，从前期失水到后期气窜为一个整体的过程，因此将气窜实验人为拆分为失水、气窜两阶段是不科学的。另一方面，目前两型仪器对上部浆柱压力下降的模拟采用手动泄压的方式，而手动泄压难以将时间与压差一一对应的关系卡准，由人为主观因素引起的实验系统误差太大，实验评价结果不准，实验不具重复性。再者，目前已有气窜仪对于水泥浆两端的模拟压力的选取是任意的，仅模拟了井下实际压差，未考虑水泥浆两端绝对压力大小对气窜流量的影响，缺乏理论依据。考虑到气体渗流流量与水泥浆两端压力的平方差以及入口端压力的绝对大小有关，因此仅在模拟压差的前提下任意选取模拟气层压力、上部浆柱压力所得到的气窜流量仅为水泥浆入口端的流量，由于气体的可压缩性和滑脱效应的存在，因此该流量并非井下实际气窜流量。就OWC-0809型气窜分析仪而言，孔隙压力测量采用毕托管原理，为防止水泥浆堵塞管线，需在接头处塞一小团棉花，起滤网作用，但该方法对于API滤失小于50ml的浆体则失效，无法采集孔隙压力的数据。因此，现有技术无法满足水泥浆防气窜能力评价、提高固井质量的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供固井水泥浆气窜模拟评价仪，该评价仪将失水与气窜阶段融为一个整体，在实际工况下模拟气窜，比较准确地评价水泥浆的防气窜能力，克服了现有技术的缺陷。

为达到上述技术目的，本发明提供以下技术方案。

固井水泥浆气窜模拟评价仪，主要由釜体、滤液存储罐、注入压力传感器、流量计、注入氮气源、背压传感器、自动泄压装置、背压氮气源、采样锥形瓶、围压水罐、围压氮气源、计算机组成。

水泥浆置于釜体内，水泥浆顶部的活塞和釜体底盖均装有滤网，釜体下部有孔隙压力传感器，釜体中部有内电偶和外电偶，釜体底盖连接滤液存储罐和安全阀。

釜体顶部连接围压水罐，带有观察窗的围压水罐连接水源和围压氮气源；釜体底部连接流量计、注入氮气源和注入压力传感器。

所述活塞顶部连接背压传感器、自动泄压装置和背压氮气源。

所述釜体内的孔隙压力传感器、内电偶、外电偶、流量计、注入压力传感器、背压传感器、自动泄压装置均和计算机相连。

本发明具体实施步骤如下：通过模拟井下实际温度、压差工况等条件，由计算机采集温度、压力和窜流流量等参数并作图；计算机所采集到的窜流流量按照流量修正模型修正后得井下实际压力、温度下的气窜流量；最终通过观察测窜流量曲线判断是否发生气窜，评价水泥浆的防气窜能力。

本发明采用流量修正模型修正气窜流量，依据达西渗流定律（何更生，油层物理[M]，北京：石油工程出版社，2011），来推导实际井下压力、温度下的气窜流量修正公式，具体推导过程如下：

（1）气体渗流达西公式

$K=\frac{{2Q}_0{P}_0\mathrm{\μL}}{A({P_0}^2-{P_1}^2)}$

所以： $Q_0=\frac{\mathrm{KA}({P_0}^2-{P_1}^2)}{{2P}_0\mathrm{\μL}}=\frac{\mathrm{KA}}{\mathrm{\μL}}\·\mathrm{\ΔP}\·\frac{P_0+P_1}{2}\frac{1}{P_0}$

由上式可以看出，气窜流量不仅与水泥浆两端压差有关，并且与气窜时刻水泥浆两端实际压力大小有关。

（2）气窜流量修正公式

井下实际压力、温度条件下的气窜流量为：

$Q=\frac{Q_0}{\frac{P_0+P_1}{2}\frac{1}{P_0}}\·\frac{P_0^{\′}+P_1^{\′}\left(t\right)}{2}\frac{1}{P_0^{\′}}$

其中： $P_1^{\′}\left(t\right)=P_0^{\′}-\frac{4\mathrm{SGS}\·L}{D_h-D_p}$

式中：

K—水泥浆气窜时刻的渗透率，mD；

μ——气体粘度，mPa·s；

P₀、P₁——分别表示实验时水泥浆两端的压力，MPa；

A——实验水泥浆横截面积，m²；

L——实验水泥浆柱长度，m；

Q₀、Q——分别表示流量计所测流量、井下实际工况下的窜流流量，ml/min；

P′₀、P′₁(t)——分别表示实际井底气层压力、气窜时刻井底浆柱有效液柱压力，MPa；

SGS——气窜时刻的水泥浆静胶凝强度，Pa；

Dh、Dp——分别表示井眼直径、套管外径，mm。

固井水泥浆气窜模拟评价仪的气窜模拟实验依次包括以下步骤：

（1）通过釜体外加热套加热釜体和水泥浆，并由内电偶、外电偶进行反馈控温，将釜体、水泥浆的温度控制为设定井底温度，模拟井下实际温度T，并实时将数据传输至计算机的采集分析系统；

（2）打开选择阀，使围压水罐和观察窗连通，打开水源向围压水罐冲水，当观察窗充满水时说明围压水罐已充满水，然后调节选择阀使围压氮气源和围压水罐连通，通过氮气压缩围压水罐内的水向活塞面施加恒定液压，模拟上覆浆柱压力P₁；

（3）通过注入氮气源向水泥浆底端滤液存储罐加压，由安全阀释放实验过程中所增加的压力，维持水泥浆底端恒压，模拟地层压力P₀，该压力和上覆浆柱压力一起模拟井下实际压差（P₁-P₀）工况；

（4）由背压氮气源向气控背压阀进口端加初始背压，实验过程中由计算机发出信号，控制自动泄压装置释放背压氮气源的压力，由气控背压阀按1:1关系通过逐渐排放介质水实现水泥浆顶部背压的降低，模拟上覆压力的降低规律P₁(t)；

（5）实验过程中采用流量计测窜流流量Q₀，由流量修正模型修正后得实际气窜流量Q，并由孔隙压力传感器测量水泥浆孔隙压力；

（6）将水泥浆温度T、上覆浆柱压力P₁(t)、地层压力P₀、测窜流量Q等数据实时传输至计算机并绘图，通过观察是否出现测窜流量曲线判断是否发生气窜，由测窜流量大小评价水泥浆防气窜能力。

与现有技术相比，本发明将失水与气窜阶段融为一个整体，实验一开始便在浆柱两端加上井底压差，并通过滤液存储罐和安全阀的配合保持模拟地层压力恒定不变，随着浆体的凝固，自动泄压装置模拟上覆浆柱压力下降规律，实验过程简单方便，实验重复性更高，气窜模拟评价更精准。本发明为水泥浆两端模拟压力绝对大小的取值提供了理论依据，并结合井下实际工况对流量计所测的气窜流量进行了修正，能准确测量获得与井下实际气窜一致的气窜流量。

附图说明

图1是本发明气窜模拟评价仪的结构示意图

图2是测试G级纯水泥在模拟井温120℃，压差3MPa下进行的气窜模拟结果

图中：1釜体，2水泥浆，3釜体底盖，4滤网，5活塞，6孔隙压力传感器，7内电偶，8外电偶，9滤液存储罐，10安全阀，11注入压力传感器，12背压传感器，13计算机，14气控背压阀，15自动泄压装置，16背压氮气源，17采样锥形瓶，18压力排放阀，19流量计，20注入氮气源，21单向阀，22水源，23围压水罐，24围压氮气源，25选择阀，26观察窗，27气液排放口

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

参看图1。固井水泥浆气窜模拟评价仪，主要由釜体1、滤液存储罐9、注入压力传感器11、流量计19、注入氮气源20、背压传感器12、自动泄压装置15、背压氮气源16、采样锥形瓶17、围压水罐23、围压氮气源24、计算机13组成。

水泥浆2置于釜体1内，水泥浆顶部的活塞5和釜体底盖3均装有滤网4，釜体下部有孔隙压力传感器6，釜体中部分别有内电偶7和外电偶8，釜体底盖连接滤液存储罐9和安全阀10。

釜体顶部连接围压水罐23，围压水罐23通过单向阀21连接水源22，通过选择阀25连接围压氮气源24和观察窗26；釜体底部连接流量计19、注入氮气源20和注入压力传感器11；釜体顶部和釜体底部均通过压力排放阀18连接气液排放口27。

活塞顶部顺序连接背压传感器12、气控背压阀14、自动泄压装置15和背压氮气源16，气控背压阀14连有采样锥形瓶17。

所述孔隙压力传感器6、内电偶7、外电偶8、流量计19、注入压力传感器11、背压传感器12、自动泄压装置15均和计算机13相连。

孔隙压力传感器6采用膜片式压力传感器，无论浆体失水量大小，均能准确地测出孔隙压力的变化。

固井水泥浆气窜模拟评价仪用于气窜模拟实验，步骤如下：

（1）设定温度为实际井下温度，打开加热器开关预热釜体1，并将静胶凝强度试验数据导入计算机13的采集分析系统；

（2）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）配制成水泥浆，如果需要还加入降失水剂等外加剂，将配制好的水泥浆置入常压稠化仪中在实验温度下养护20分钟；

（3）待气窜模拟评价仪温度预热到目标温度时，将养护后的水泥浆2装入釜体1内；

（4）打开选择阀25，使围压水罐23和观察窗26连通，打开水源向围压水罐23冲水；围压水罐23充满水后调节选择阀25使围压氮气源24和围压水罐23连通，通过氮气压缩围压水罐23内的水向活塞5面施加恒定液压；

（5）通过注入氮气源20向水泥浆2底端滤液存储罐9加压，由安全阀10保持水泥浆2底端压力恒定；

（6）由背压氮气源16向气控背压阀14进口端加初始背压，实验过程中由计算机13发出信号，控制自动泄压装置15逐渐卸载背压；

（7）将水泥浆温度T、上覆浆柱压力P₁(t)、地层压力P₀、测窜流量Q等数据实时传输至计算机13，并绘图。

实验结束后，将压力排放阀18打开，排放注入压力和顶部围压。

参看图2。G级纯水泥在模拟井温120℃，压差3MPa下进行的气窜模拟结果图显示：随着上覆浆柱压力降低，水泥浆孔隙压力逐渐降低，当上覆浆柱压力低于地层压力时，井底出现负压差，水泥浆进入气窜危险期；而当孔隙压力低于地层压力时，开始出现水泥浆气侵阻力曲线，说明水泥浆内部结构逐渐发展，并具有一定的结构力作用。当井底负压差为2MPa时，开始出现测窜流量曲线，说明此时水泥浆发生了气窜；随着实验的进一步进行，测窜流量逐渐增大并最终趋于稳定，说明气窜水泥浆程度越来越严重；与此同时，由于气窜的发生，孔隙压力传感器所测压力实际为水泥浆底端注入压力，因此孔隙压力会逐渐增大直至等于地层压力；随着气窜后孔隙压力的增大，气侵阻力逐渐降低直至为零，实际上气侵阻力曲线仅能反应气窜时刻点及气窜前水泥浆气侵阻力大小的发展规律，气窜后的曲线由于受气窜后地层压力的影响，无法反映实际气侵阻力；总之，G级纯水泥在实验进行至一个半小时发生了气窜，说明G级纯水泥在井底温度120℃、压差3MPa工况下的防气窜能力差，不满足气窜防止、提高固井质量的要求。

Claims (2)

1.固井水泥浆气窜模拟评价仪，主要由釜体（1）、滤液存储罐（9）、注入压力传感器（11）、流量计（19）、注入氮气源（20）、背压传感器（12）、自动泄压装置（15）、背压氮气源（16）、采样锥形瓶（17）、围压水罐（23）、围压氮气源（24）、计算机（13）组成，其特征在于，水泥浆（2）置于釜体（1）内，水泥浆顶部的活塞（5）和釜体底盖（3）均装有滤网（4），釜体下部有孔隙压力传感器（6），釜体中部有内电偶（7）和外电偶（8），釜体底盖连接滤液存储罐（9）和安全阀（10）；釜体顶部连接围压水罐（23），围压水罐（23）通过单向阀（21）连接水源（22），通过选择阀（25）连接围压氮气源（24）和观察窗（26），釜体底部连接流量计（19）、注入氮气源（20）和注入压力传感器（11），釜体顶部和釜体底部均通过压力排放阀（18）连接气液排放口（27）；活塞顶部顺序连接背压传感器（12）、气控背压阀（14）、自动泄压装置（15）和背压氮气源（16），气控背压阀（14）连有采样锥形瓶（17）；所述孔隙压力传感器（6）、内电偶（7）、外电偶（8）、流量计（19）、注入压力传感器（11）、背压传感器（12）、自动泄压装置（15）均和计算机（13）相连。

2.如权利要求1所述的气窜模拟评价仪，其特征在于，所述孔隙压力传感器（6）采用膜片式压力传感器。

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