CN104181287A - 一种固井水泥石自修复能力的测试设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种固井水泥石自修复能力的测试设备，其包括测试气源和水泥石容器，所述水泥石容器的进气管道与测试气源连接，所述进气管道上设置有第一压力表，所述出气管道上设置有第一流量计，所述水泥容器设置有容纳水泥石的第一腔体，所述第一腔体的壁体为弹性材料，所述第一腔体与分别所述进气管道和出气管道连通，所述第一腔体设置在第二腔体内，所述第一腔体与第二腔体之间形成所述密封腔室，所述密封腔室连接有对其内部加压的高压气源；或所述第一腔体处于密封箱体内，所述密封箱体连接有对其内部加压的高压气源。本发明的固井水泥石自修复能力的测试设备，可实现对固井水泥石自修复效果的评价，装置操作简便、安全可靠，实验周期短。
Description
技术领域
本发明涉及一种固井水泥石的测试设备，尤其涉及一种固井水泥石自修复能力的测试设备。
背景技术
在油田固井过程中，通过高压固井泵将混配后的油井水泥浆泵入套管与地层的环空间隙，水泥浆候凝形成水泥环，保证套管与地层胶结界面良好，但在油气井测试投产后，必然要经历各种试井、测试和投产作业，使套管和水泥环受到温度、压力等因素大幅度变化的影响，不可避免地对固井水泥环的封隔性能产生破坏，即在胶结界面产生微间隙和微裂缝，从而形成井下地层流体(特别是天然气)的窜流通道，造成层间封隔失效。目前解决油气井地层流体窜流问题的基本方法是采用成本昂贵的挤水泥修井的修复方法，但成功率较低，有些油井在施工过程中会发生事故。
为解决油气井的窜流问题，国内外研究和运用了大量防窜水泥浆体系和专用技术，但由于产生微间隙和微裂缝的原因比较复杂，无论采取各种措施都很难避免，预防和处理的难度较大。各个研究机构通过研究油气井固井水泥环的自修复机理和技术，建立了一种能够对固井水泥环微裂缝和微间隙进行即时修复的机制，即无论何时、何种原因产生的气窜通道都能够得到及时有效、动态自动修复的机制，始终保证天然气井水泥环的封固有效性，从一个新的技术角度解决油气井层间封隔质量和耐久性的技术难题。但是，目前国内固井水泥环自修复技术尚处于起步阶段，而该类型水泥石自修复能力的室内实验评价装置亦处于研究探索阶段，并无完善成熟的室内实验评价装置对自修复水泥浆体系进行筛选与评价。
发明内容
本申请针对现有技术中的水泥石自修复能力的室内实验评价装置亦处于研究探索阶段，并无完善成熟的室内实验评价装置对自修复水泥浆体系进行筛选与评价的问题，从而提出提供一种适用于固井水泥浆自修复能力评价的装置。
本发明提供一种固井水泥石自修复能力的测试设备，其包括测试气源和水泥石容器，所述水泥石容器的进气管道与测试气源连接，所述进气管道上设置有第一压力表，所述出气管道上设置有第一流量计，所述水泥容器设置有容纳水泥石的第一腔体，所述第一腔体的壁体为弹性材料，所述第一腔体与分别所述进气管道和出气管道连通，
所述第一腔体设置在第二腔体内，所述第一腔体与第二腔体之间形成所述密封腔室，所述密封腔室连接有对其内部加压的高压气源；
或所述第一腔体处于密封箱体内，所述密封箱体连接有对其内部加压的高压气源。
优选地，所述第一腔体为筒体状腔体，所述筒体状腔体的一端与所述进气管道连通，另一端与所述出气管道相通。
优选地，所述第一腔体和第二腔体均为筒体状腔体，所述密封腔室为环形空间，
优选地，所述密封腔室通过管道与加压泵连接。。
优选地，所述水泥石容器包括进口端盖、出口端盖、进口密封堵头和出口密封堵头，所述进口端盖、进口密封堵头、第一腔体和出口端盖依次顺序设置，所述第二腔体的两端分别与进口端盖和出口端盖连接，所述两个密封堵头设置有与第一腔体连通的通孔，所述两个密封堵头的外表面紧贴第二腔体的内壁，所述两个密封堵头分别挤压进口端盖和出口端盖的内侧。
优选地，所述进口密封堵头和出口密封堵头靠近第一腔体的一端设置有环状凸起，所述环状凸起延伸至第一腔体内。
优选地，所述水泥石容器包括位置调节机构，所述位置调节机构用于调整水泥石在第一腔体所处位置。
优选地，所述位置调节机构包括固定堵杆和调节堵杆，
所述固定堵杆的一端固定于进口端盖，另一端穿过进口密封堵头进入第一腔体内，
所述调节堵杆穿过出口端盖和出口密封堵头进入第一腔体内，所述调节堵杆设置与出口端盖相互配合的螺纹结构，所述调节堵杆调整所述螺纹结构调整伸入第一腔体内的长度。
优选地，所述调节堵杆伸长第一腔体内的一端设置有挡块。
优选地，所述测试设备还包括温度调节装置，所述水泥石容器设置在温度调节装置内。
优选地，所述温度调节装置为加热箱、烘箱、恒温箱或加热炉。
优选地，所述测试设备还包括温度调节装置，所述水泥石容器设置在温度调节装置内，
所述温度调节装置设置有所述密封箱体，所述水泥石容器设置在所述密封箱体内。
优选地，所述测试气源包括气瓶，所述气瓶通过所述进气管道与所述水泥石容器连接，在所述进气管道上还设置有阀门。
优选地，所述测试设备还包括数据采集系统，所述第一压力表的输出端与所述数据采集系统的输入端连接，所述第一流量计的输出端与所述数据采集系统的输入端连接。
优选地，所述进气管道上安装有第二流量计，所述出气管道上安装有第二压力表，所述第二压力表的输出端与所述数据采集系统的输入端连接，所述第二流量计的输出端与所述数据采集系统的输入端连接。
优选地，所述测试设备还包括尾气燃烧装置，所述尾气燃烧装置与所述出气管道连接。
与有关技术相比，本发明实施例的有益效果如下：
本发明的固井水泥石自修复能力的测试设备，可实现对固井水泥石自修 复效果的评价；可实现固井自修复材料的筛选；所用模拟气体可根据实际油气藏组分进行调整；装置操作简便、安全可靠；实验周期短；适用于各种固井水泥浆体系。
附图说明
图1为本发明实施例的固井水泥石自修复能力的测试设备的示意图；
图2为本发明实施例的水泥石容器的示意图；
图3为本发明测试例1的出口压力曲线及流量曲线的示意图；
图4为本发明测试例2的出口压力曲线及流量曲线的示意图；
附图标记：1-气瓶，2-水泥石容器，21-第一腔体，22-第二腔体，221-管道接头，23-环形空间，24-进口端盖，25-出口端盖，26-进口密封堵头，27-出口密封堵头，28-固定堵杆，29-调节堵杆，291-调节转盘，292-挡块，3-进气管道，31-第一压力表，32-第二流量计，33-第一阀门，34-第三阀门，4-出气管道，41-第一流量计，42-第二压力表，43-第四阀门，5-温度调节装置，6-加压泵，61-第二阀门，7-数据采集系统，8-尾气燃烧装置，9-水泥石
具体实施方式
下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
如图1所示，本发明实施例的固井水泥石自修复能力的测试设备，其包括测试气源和水泥石容器2，水泥石容器2的进气管道3与测试气源连接，进气管道3上设置有第一压力表31，出气管道4上设置有第一流量计41，水泥容器设置有容纳水泥石9的第一腔体21，第一腔体21的壁体为弹性材料，第一腔体21与分别进气管道3和出气管道4连通。这样可以将固井用的水泥石9放入第一腔体21内，然后用力塞紧，防止模拟气体从水泥石9与第一腔体21的壁体之间的缝隙间通过，而且第一腔体21的壁体采用弹性材料，水泥石9塞紧后，弹性材料紧紧地包裹着水泥石9，则很好防止此问题的发生。进行评价时，测试气源内的模拟气体经进气管道3进入第一腔体21，并从水 泥石9自有的裂缝或间隙通过，然后经出气管道4排出。第一压力表31可以测量模拟气体进入水泥石容器2前的压力，并可调节进入水泥石容器2的压力大小，使进入水泥石容器2的气体压力处于一个适宜的范围。第一流量计41可以检测经过第一腔体21的气体流量，当水泥石9发生自修复时，第一流量计41检测到的模拟气体流量逐渐变小，直至堵死，第一流量计41检测不到模拟气体的流量。
作为优选的实施方式，如图2所示，第一腔体21为筒体状腔体，如橡胶筒，筒体状腔体的一端与进气管道3连通，另一端与出气管道4相通。第一腔体21也可以选用其它形状的腔体。
由于模拟气体从水泥石9与第一腔体21之间的缝隙间通过，影响水泥石9的测试效果，为此还可以在第二腔体22的外围设置有第二腔体22，第一腔体21与第二腔体22之间形成密封腔室，密封腔室与高压气源连通。这样高压气源的气体进入密封腔室，可以使第一腔体21的弹性材料紧紧地压向水泥石9，水泥石9与第一腔体21之间的缝隙间就不会存在缝隙，可防止模拟气体从水泥石9与第一腔体21之间的缝隙间通过。再者，第二腔体22还起到另一作用，第二腔体22加压后，可以使第一腔体21内的水泥石9处于高压环境，因此可以模拟固井内高压环境，实现水泥石9在高压环境下的自修能力的测试。为了方便第二腔体22与高压气源连接，第二腔体22还设置有管道接头221。
作为一种实施方式，第一腔体21和第二腔体22可以采用为筒体状腔体，而第一腔体21与第二腔体22之间形成环形空间23(即密封腔室为环形空间23)，环形空间23通过管道与加压泵6连接，这样通过加压泵6对环形空间23进行加压。在为了方便对加压进行控制，环形空间23与加压泵6连接的管道上可以安装第二阀门61。第一腔体21和第二腔体22相互配合时，也可以采用形状，满足通入第二腔体22内的气体对第一腔体21进行加压条件即可。
如图2所示，水泥石容器2包括进口端盖24、出口端盖25、进口密封堵头26和出口密封堵头27，进口端盖24、进口密封堵头26、第一腔体21和出口端盖25依次顺序设置，第二腔体22的两端分别与进口端盖24和出口端 盖25连接，两个密封堵头设置有与第一腔体21连通的通孔，两个密封堵头的外表面紧贴第二腔体22的内壁，两个密封堵头分别挤压进口端盖24和出口端盖25的内侧。这样，第二腔体22、进口密封堵头26、第二腔体22出口密封堵头27围成一个环形空间23，而进口密封堵头26和出口密封堵头27对环形空间23的两端进行密封。
为了防止环形空间23的气体进入第一腔体21内，进口密封堵头26和出口密封堵头27靠近第一腔体21的一端设置有环状凸起，环状凸起延伸至第一腔体21内。
水泥石容器2包括位置调节机构，位置调节机构用于调整水泥石9在第一腔体21所处位置。位置调节机构包括固定堵杆28和调节堵杆29，固定堵杆28的一端固定于进口端盖24，另一端穿过进口密封堵头26进入第一腔体21内，调节堵杆29穿过出口端盖25和出口密封堵头27进入第一腔体21内，调节堵杆29设置与出口端盖25相互配合的螺纹结构，调节堵杆29调整螺纹结构调整伸入第一腔体21内的长度。为方便调整调节堵杆29的伸入第一腔体21内的长度，在调节堵杆29在出口端盖25的外侧设置有调节转盘291，这样可以通过旋转调节转盘291调整伸入第一腔体21内的长度，伸入端顶到水泥石9，固定堵杆28和调节堵杆29将水泥石9夹在第一腔体21内，从而将水泥石9固定第一腔体21内。调节堵杆29伸长第一腔体21内的一端设置有挡块292，可以阻挡水泥石9在第一腔体21内倾斜或翻转，将其更好地固定在第一腔体21内。
测试设备还包括温度调节装置5，水泥石容器2设置在温度调节装置5内。温度调节装置5可以具有温度调节功能的加热箱、烘箱、恒温箱或加热炉。这样水泥石容器2设置在上述仪器的温度调节箱内，调节水泥石容器2所处环境的温度，从而可以模拟水泥石9所处地层温度的情况，实现水泥石9在不同温度下的自修能力的测试。
为了同时模拟固井所处温度和压力的环境，可以采用两种实施方式，第一种：水泥石容器2包括上述的第一腔体21，在第一腔体21的外围设置有上述的第二腔体22，在第二腔体22的外围设置有密封的第二腔体22，第二 腔体22与高压气源连接。将水泥容器放置在温度调节装置5的箱体内，从而实现同时调节第一腔体21所处的压力和温度条件，达到水泥石9在不同压力和温度下测试自修能力的要求。
第二种：温度调节装置5可以采用特殊的装置，即设置有密封箱体，密封箱体连接有对密封箱体进行加压的加压泵6，密封箱体可以进行箱体内加压，水泥石容器2设置在密封箱体内，第一腔体21处于加压的箱内，从而成功模拟地层的压力和温度条件，达到水泥石9在不同压力和温度下测试自修能力的要求。该方法不采用第二腔体22。
测试气源可以采用气瓶1，气瓶1通过进气管道3与水泥石容器2连接，也可以采用管网气，与进气管道3连接并提供模拟气体即可。在进气管道3上还可以设置有第一阀门33，以控制模拟气体的通断。
测试设备还包括数据采集系统7，第一压力表31的输出端与数据采集系统7的输入端连接，第一流量计41的输出端与数据采集系统7的输入端连接。数据采集系统7可以记录第一压力表31和第一流量计41的数据信息，还可以显示第一压力表31检测到的瞬时压力和第一流量计41检测到的瞬时流量。
进气管道3上安装有第二流量计32，出气管道4上安装有第二压力表42，第二压力表42的输出端与数据采集系统7的输入端连接，第二流量计32的输出端与数据采集系统7的输入端连接。第二流量计32可以监测气体通入水泥石容器2的流量情况，第二压力表42可以监测通过水泥石容器2后的气体压强的情况。数据采集系统7可以记录第二压力表42和第二流量计32的数据信息，还可以显示第二压力表42检测到的瞬时压力和第二流量计32检测到的瞬时流量。
测试设备还包括尾气燃烧装置8，尾气燃烧装置8与出气管道4连接。这样模拟气体通过水泥石容器2后，可以被燃烧后，避免排放到空气，引起火灾的危险。
为方便控制气体通过水泥石容器2，还可以在第一压力表31与水泥石容器2之间的进气管道3上安装有第三阀门34，在水泥石容器2与第一流量计41之间的出气管道4上安装有第四阀门43。
测试例1
配制具有自修复功能的水泥浆，于一定温度下养护成型，制成具有自修复功能的水泥石，然后采用本发明的固井水泥石自修复能力的测试设备对水泥石进行测试，测试方法如下：
先制造水泥石9的微裂缝，再装入水泥石容器2，打开第二阀门61通过加压泵6加载环形空间23的压强；开启温度调节装置5，温度调节装置5温度至实验温度；开启数据采集系统7，准备采集第一压力表31的压力数据与第一流量计41的流量数据；打开第一阀门33、第三阀门34、第四阀门43，气瓶1内的模拟气体进入水泥石容器2，通过水泥石9的微裂缝，然后经出气管道4排出，再依次经过第二压力表42和第一流量计41，到达尾气燃烧装置8，当第一流量计41显示数据时，尾气燃烧装置8点火；通入模拟气体一定时间后，第一阀门33，关闭温度调节装置5，当第一流量计41数据显示为零时，关闭尾气燃烧装置8，关闭数据采集系统7，实验完毕。
模拟气体组分含量如表1：
表1
| 组分 | C1 | H2 | C2 | C3 | iC4 | nC4 | C5及C5以上 |
| 含量(％mol) | 10 | 5 | 8 | 21 | 38 | 6 | 12 |
如图3所示，当水泥石容器2内装有自修复功能的水泥石9时，通入模拟气体(即图3中有机气体)40min后，入口压力仍保持在492kPa，而出口流量已经从4.0ml/min下降至0.2ml/min，降幅达到95％，说明具有自修复功能的水泥石体系在该实验条件下已实现自修复，达到防止油气串流的效果。
测试例2
测试方法与测试例1基本相同，不同点在于配制不具有自修复功能的常规水泥浆，然后一定温度下养护成型，制成常规水泥石。
如图4所示，当水泥石容器2内装有常规水泥石时，通入模拟气体(即图4中有机气体)40min后，入口压力仍保持在670kPa，而出口流量亦保持为2.0ml/min，说明普通水泥石体系在该实验条件下无法实现自修复，无法达 到防止油气串流的效果。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (16)
1.一种固井水泥石自修复能力的测试设备，其特征在于，其包括测试气源和水泥石容器，所述水泥石容器的进气管道与测试气源连接，所述进气管道上设置有第一压力表，所述出气管道上设置有第一流量计，所述水泥容器设置有容纳水泥石的第一腔体，所述第一腔体的壁体为弹性材料，所述第一腔体与分别所述进气管道和出气管道连通，
所述第一腔体设置在第二腔体内，所述第一腔体与第二腔体之间形成所述密封腔室，所述密封腔室连接有对其内部加压的高压气源；
或所述第一腔体处于密封箱体内，所述密封箱体连接有对其内部加压的高压气源。
2.根据权利要求1所述的测试设备，其中，所述第一腔体为筒体状腔体，所述筒体状腔体的一端与所述进气管道连通，另一端与所述出气管道相通。
3.根据权利要求1所述的测试设备，其中，所述第一腔体和第二腔体均为筒体状腔体，所述密封腔室为环形空间。
4.根据权利要求1所述的测试设备，其中，所述密封腔室通过管道与加压泵连接。
5.根据权利要求1所述的测试设备，其中，所述水泥石容器包括进口端盖、出口端盖、进口密封堵头和出口密封堵头，所述进口端盖、进口密封堵头、第一腔体和出口端盖依次顺序设置，所述第二腔体的两端分别与进口端盖和出口端盖连接，所述两个密封堵头设置有与第一腔体连通的通孔，所述两个密封堵头的外表面紧贴第二腔体的内壁，所述两个密封堵头分别挤压进口端盖和出口端盖的内侧。
6.根据权利要求5所述的测试设备，其中，所述进口密封堵头和出口密封堵头靠近第一腔体的一端设置有环状凸起，所述环状凸起延伸至第一腔体内。
7.根据权利要求5所述的测试设备，其中，所述水泥石容器包括位置调节机构，所述位置调节机构用于调整水泥石在第一腔体所处位置。
8.根据权利要求7所述的测试设备，其中，所述位置调节机构包括固定堵杆和调节堵杆，
所述固定堵杆的一端固定于进口端盖，另一端穿过进口密封堵头进入第一腔体内，
所述调节堵杆穿过出口端盖和出口密封堵头进入第一腔体内，所述调节堵杆设置与出口端盖相互配合的螺纹结构，所述调节堵杆调整所述螺纹结构调整伸入第一腔体内的长度。
9.根据权利要求8所述的测试设备，其中，所述调节堵杆伸长第一腔体内的一端设置有挡块。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的测试设备，其中，所述测试设备还包括温度调节装置，所述水泥石容器设置在温度调节装置内。
11.根据权利要求10所述的测试设备，其中，所述温度调节装置为加热箱、烘箱、恒温箱或加热炉。
12.根据权利要求1所述的测试设备，其中，所述测试设备还包括温度调节装置，所述水泥石容器设置在温度调节装置内，
所述温度调节装置设置有所述密封箱体，所述水泥石容器设置在所述密封箱体内。
13.根据权利要求1-9和12中任意一项所述的测试设备，其中，所述测试气源包括气瓶，所述气瓶通过所述进气管道与所述水泥石容器连接，在所述进气管道上还设置有阀门。
14.根据权利要求1-9和12中任意一项所述的测试设备，其中，所述测试设备还包括数据采集系统，所述第一压力表的输出端与所述数据采集系统的输入端连接，所述第一流量计的输出端与所述数据采集系统的输入端连接。
15.根据权利要求14所述的测试设备，其中，所述进气管道上安装有第二流量计，所述出气管道上安装有第二压力表，所述第二压力表的输出端与所述数据采集系统的输入端连接，所述第二流量计的输出端与所述数据采集系统的输入端连接。
16.根据权利要求1-9和12中任意一项所述的测试设备，其中，所述测试设备还包括尾气燃烧装置，所述尾气燃烧装置与所述出气管道连接。
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