CN105738277A - 用于检测封窜剂胶结强度的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于检测封窜剂胶结强度的实验装置及方法，其中，用于检测封窜剂胶结强度的实验装置包括套管和流体泵送机构，套管为底端封闭、顶端敞开的中空壳体，套管的底端设排液口，套管的顶端连接有法兰盖，法兰盖上开设有进液口，套管内部中央设有人造岩心，人造岩心具有多条由上至下设置的用于容纳封窜剂的裂缝，人造岩心与套管之间设有水泥环，流体通过流体泵送机构泵送至各裂缝中。本发明提供的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，具有结构简单，操作方便，模拟真实，检测快速，数据精确、安全可靠等优点，并可模拟评价调剖堵水剂或调驱剂体系的封堵性能。本发明提供的用于检测封窜剂胶结强度的方法具有检测快速，数据精确等优点。

Description

用于检测封窜剂胶结强度的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及油水井调堵封窜技术领域，特别涉及一种用于检测封窜剂胶结强度的实验装置以及一种用于检测封窜剂胶结强度的方法。

背景技术

油井在经过多轮次注汽生产时，由于固井水泥环受到高温湿热蒸汽的反复侵蚀，以及水泥与岩石和套管的膨胀系数的差异，导致套管外水泥环局部易发生损坏或脱落，在水泥环自身以及水泥环与管壁之间产生缝隙，不同层位之间形成窜流通道，水体侵入油层，生产井效率低下，目前挤灰封窜是现场较为行之通行的做法：在压力允许的范围，通过泵车或注入泵，将封窜剂注入窜槽部位，封窜剂成胶凝结后起到封窜的目的。

封窜剂水力胶结强度实际上是指胶结界面的抗气窜、水窜的能力，该参数表征了胶凝材料的密封性能和胶结强度，又可称为抗窜压力或穿透压力，通常是对套管与水泥环的胶结界面通过施加水力压力并测量开始渗漏的压力。从封堵效果的角度来看，水力胶结强度的重要性比剪切固结强度更大，因为大部分油气井水泥都能提供足够的支持套管重量所需的固结强度，而水力胶结强度却常常满足不了工程的需要，而且影响因素十分复杂。水力胶结强度直接影响固井的封固质量和油水井的堵漏效果，是防止因油气水窜造成封固失效的关键。

授权公告号为CN2127786Y的中国实用新型专利公开了一种组合式水泥环胶结强度测试装置，适于测试油井水泥浆在模拟地层高温高压条件下养护后的水泥环与金属管之间的胶结强度，主要用于测试套管与井壁之间水泥环的水泥胶结强度。授权公告号为CN100545417C的中国发明专利公开了一种实验室用高温高压泥饼胶结质量评价装置，模拟评价井下钻井液、泥饼存在时对固井液界面胶结质量的影响，不同冲洗液对环空冲洗效果的评价，通过压力剪切测定两者界面的胶结强度，通过水压窜通原理测定两者界面的水力胶结强度，但是，上述装置均结构复杂，操作不方便，且存在高温高压危险。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种结构简单，操作方便，安全可靠的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置。

本发明的另一个目的是提供一种用于检测封窜剂胶结强度的方法，该方法采用上述用于检测封窜剂胶结强度的实验装置。

为达到上述目的，本发明提供了一种用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，其包括：套管，所述套管为底端封闭、顶端敞开的中空壳体，所述套管的底端设排液口，所述套管的顶端连接有法兰盖，所述法兰盖上开设有进液口，所述套管内部中央设有人造岩心，所述人造岩心具有多条由上至下设置的用于容纳封窜剂的裂缝，所述人造岩心与所述套管之间设有水泥环，所述水泥环的外表面与所述套管的内表面紧密贴合，所述水泥环的内表面与所述人造岩心的外表面紧密贴合；流体泵送机构，其通过导流管与所述人造岩心的上端相连接，流体通过所述流体泵送机构泵送至各所述裂缝中。

如上所述的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，其中，所述套管的底面连接有端盖，所述端盖的中央设有具有内螺纹的排液通孔，所述排液通孔内旋接有丝堵。

如上所述的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，其中，所述排液口的横截面呈圆形，所述排液通孔的孔径与所述排液口的直径相等。

如上所述的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，其中，所述套管的底面设有向下凸出的连接柱，所述排液通孔贯通所述连接柱，所述连接柱的外表面设有外螺纹，所述端盖具有顶面和侧面，所述排液通孔设置在所述顶面上，所述侧面设有内螺纹，通过所述外螺纹与所述内螺纹的旋接配合，所述端盖与所述套管的底面相连接。

如上所述的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，其中，所述人造岩心的上端面与所述水泥环的上端面平齐，所述人造岩心的上端面低于所述套管的上端面，所述法兰盖、所述套管、所述人造岩心的上端面和所述水泥环的上端面围合成流体容置空间。

如上所述的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，其中，所述流体泵送机构为平流泵，所述导流管为不锈钢编织软管。

本发明还提供了一种用于检测封窜剂胶结强度的方法，采用上述用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，所述用于检测封窜剂胶结强度的方法包括以下步骤：

开启流体泵送机构，向人造岩心的各裂缝中泵送封窜剂，待所述封窜剂填充各所述裂缝后，关闭所述流体泵送机构；

待所述封窜剂固化后，再次开启流体泵送机构，向所述人造岩心的上端泵送压力流体；

待所述压力流体突破所述封窜剂从套管底面的排液口流出时，记录所述压力流体的实时压力值；

根据记录的实时压力值计算突破压力梯度值。

如上所述的用于检测封窜剂胶结强度的方法，其中，在开启所述流体泵送机构前，还包括以下步骤：

在所述套管的底面连接端盖，在所述端盖上连接丝堵；

将连接有所述端盖的所述套管放置在膨润土溶液中浸泡。

如上所述的用于检测封窜剂胶结强度的方法，其中，在开启所述流体泵送机构前，还包括以下步骤：

采用G级水泥和200目石英砂，按照水泥与石英砂配比2：1，水灰比0.44配制水泥砂浆；

将配置好的所述水泥泥浆倒入模具中，待所述水泥泥浆固化成水泥柱后移走所述模具；

在所述水泥柱上由上至下蚀刻多条裂痕，待进一步固化后，在每一所述裂痕内填充凡士林；

将所述水泥柱放置在内置有水泥环的所述套管内，对所述套管加热使所述凡士林融化；

待所述凡士林融化后，开启流体泵送机构，向所述人造岩心的上端泵送热水冲刷所述裂痕形成所述裂缝。

如上所述的用于检测封窜剂胶结强度的方法，其中，所述压力流体为水或者水蒸气。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明提供的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，具有结构简单，操作方便，模拟真实，检测快速，数据精确、安全可靠等优点，同时该装置还可以用来模拟评价调剖堵水剂或调驱剂体系的封堵性能；

本发明提供的用于检测封窜剂胶结强度的方法具有检测快速，数据精确等优点。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是根据本发明一实施例提供的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置的结构示意图；

图2是图1所示的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置中人造岩心的剖视结构示意图。

附图标号说明：

1-套管；2-法兰盖；3-人造岩心；31-裂缝；4-水泥环；5-流体泵送机构；6-导流管；7-端盖；8-流体容置空间。

具体实施方式

为了对本发明的技术方案、目的和效果有更清楚的理解，现结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，其包括：套管1和流体泵送机构5，其中，套管1为底端封闭、顶端敞开的中空壳体，套管1的底端设排液口，套管1的顶端连接有法兰盖2，法兰盖2上开设有进液口，套管1内部中央设有人造岩心3，如图2所示，人造岩心3具有多条由上至下设置的且能容纳封窜剂的裂缝31，用以模拟环空水泥的裂缝，如图1所示，人造岩心3与套管1之间设有水泥环4，水泥环4的外表面与套管1的内表面紧密贴合，水泥环4的内表面与人造岩心3的外表面紧密贴合，以避免流体自套管1与水泥环4之间的缝隙流出影响实验结果；流体泵送机构5通过导流管6与进液口相连通，流体通过流体泵送机构5泵送至各裂缝31中；通过流体泵送机构5调节泵送压力，从而能够针对不同成分的封窜剂进行实验。

进行实验时，先将封窜剂通过流体泵送机构5泵送注入至人造岩心3各裂缝31中，待封窜剂固化后，即封窜剂将裂缝31密封，通过流体泵送机构5向人造岩心3的上端注入压力流体，由于水泥环4的内外表面分别与人造岩心3的外表面和套管1的内表面紧密贴合，因此，压力流体在一定压力下只能优先突破封窜剂自套管1底端的排液口流出，此时，记录流体泵送机构5的输出压力，然后利用记录的压力值除以人造岩心3的长度值，即可得出该封窜剂的突破压力梯度值，从而得知该封窜剂的胶结强度；与现有技术使用的测量封窜剂胶结强度的装置相比，本发明提供的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，具有结构简单，操作方便，模拟真实，检测快速，数据精确、安全可靠等优点，同时该装置还可以用来模拟评价调剖堵水剂或调驱剂体系的封堵性能。

具体的，流体泵送机构5为平流泵，平流泵最大流量可达200ml/min，最高压力可达40MPa，广泛用于高效液相色谱仪，微型、小型反应装置以及其它需要连续恒速、常压或高压输送小量定量液体的领域，且具有流量可调、压力显示、低压保护、高压保护、串口通讯等功能，从而使得用于检测封窜剂胶结强度的实验装置能够用于检测不同的成分的封窜剂，并保证了用于检测封窜剂胶结强度的实验装置在使用时的安全性；

导流管6为不锈钢编织软管，不锈钢编织软管不易被腐蚀，使用寿命长，不锈钢编织软管通过快速接头与平流泵相接，从而使得用于检测封窜剂胶结强度的实验装置的装配简单方便；

当然，流体泵送机构5也可以采用其他能够泵送流体的机构，例如：齿轮泵、叶片泵等，在此不再赘述。

进一步，套管1的上端设有向外凸出的环状凸缘，法兰盖2与环状凸缘通过螺栓相连接，这样使得法兰盖2的连接简单方便，从而提高了用于检测封窜剂胶结强度的实验装置的装配效率。

再进一步，进液口、人造岩心3和排液口依次对位设置，这样，流体经进液口进入后直接冲击人造岩心3，避免了因流体先冲击水泥环4导致的实验数据不精确的风险，从而使得实验数据更加准确。

作为一种优选的实施方式，套管1的底面连接有端盖7，端盖7的中央设有排液通孔，该排液通孔具有内螺纹，排液通孔内旋接有丝堵，将连接有端盖7的套管1放置在膨润土溶液中浸泡24小时模拟钻井液泥饼，以使得用于检测封窜剂胶结强度的实验装置能够模拟不同的地层环境，从而使得测试封窜剂的胶结强度实验数据更加全面。

进一步，排液口的横截面呈圆形，排液通孔的孔径与排液口的直径相等，这样，使得丝堵的端部能够穿过套管1的底面顶抵于人造岩心3的底端，以充分模拟钻井液泥饼。

再进一步，套管1的底面设有向下凸出的连接柱，连接柱的外表面设有外螺纹，端盖7具有顶面和侧面，排液通孔设置在顶面上，侧面设有内螺纹，通过外螺纹与内螺纹的旋接配合，端盖7与套管1的底面相连接，即端盖7与套管1旋接，这样，使得端盖7的安装、拆卸及更换简单方便，从而使得用于检测封窜剂胶结强度的实验装置模拟钻井液泥饼操作简单方便。

当然，也可以分别在端盖7和连接柱上设置卡扣和卡槽，端盖7通过卡扣和卡槽的配合与套管1相连接，或者，在端盖7和连接柱上设置环状插槽和环状卡筋，端盖7通过环状卡筋和环状插槽的配合与套管1相连接。

作为一种可选的实施方式，为了避免流体损失，以及溢出套管1外部造成需要工人清洁实验区域及实验装置导致的费时费力的问题，人造岩心3的上端面与水泥环4的上端面平齐，人造岩心3的上端面低于套管1的上端面，法兰盖2、套管1、人造岩心3的上端面和水泥环4的上端面围合成流体容置空间8，使得流体在未突破封窜剂前，能够储存流体容置空间8内，而不是溢出套管1，既避免了流体浪费，节约了实验成本，又避免了工人不断清洁实验区域及实验装置，使得实验过程省时省力。

下面结合附图具体说明本发明提供的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置的装配过程：

如图1所示，套管1为油田常用油层套管1，直径为139.7mm，内径为124.26mm，套管1上端通过丝扣连接有法兰盘，人造岩心3呈圆柱状，人造岩心3的直径为80mm，长度为500mm，装配时，先将人造岩心3放置在套管1的中央，再将水泥环4设置在套管1和人造岩心3中间，并使水泥环4的内外表面分别与人造岩心3的外表面和套管1的内表面紧密贴合，然后将法兰盖2通过螺栓与上法兰盘相连接，从而形成模拟地层，最后通过不锈钢编织软管将平流泵与法兰盖2上的进液口相连通，至此基本完成用于检测封窜剂胶结强度的实验装置的装配；

在地层含有钻井液泥饼时，将连接有端盖7的套管1放置在膨润土溶液中浸泡24小时模拟钻井液泥饼，装配完成的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置的总高度为600m。

本发明还提供了一种用于检测封窜剂胶结强度的方法，采用上述用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，用于检测封窜剂胶结强度的方法包括以下步骤：

S30：开启流体泵送机构，向人造岩心的各裂缝中泵送封窜剂，待封窜剂填充各裂缝后，关闭流体泵送机构；

S40：待封窜剂固化后，再次开启流体泵送机构，向人造岩心的上端泵送压力流体；

S50：待压力流体突破封窜剂从套管底面的排液口流出时，记录压力流体的实时压力值；

S60：根据记录的实时压力值计算突破压力梯度值。

封窜剂通过流体泵送机构泵送注入至人造岩心各裂缝中，待封窜剂固化后，即封窜剂将裂缝密封，通过流体泵送机构向人造岩心的上端注入压力流体，由于水泥环的内外表面分别与人造岩心的外表面和套管的内表面紧密贴合，因此，压力流体在一定压力下只能优先突破封窜剂自套管底面的排液口流出，此时，记录流体泵送机构的输出压力，即压力流体的突破压力值，然后利用记录的突破压力值除以人造岩心的长度值，即可得出该封窜剂的突破压力梯度值，即可得知该封窜剂的胶结强度，从而使得本发明提供的用于检测封窜剂胶结强度的方法具有检测快速，数据精确等优点。

具体的，由于测量封窜剂的胶结强度，通常采用施加水力压力并测量开始渗漏的压力，因此，采用水或者水蒸气作为压力流体进行实验，以保证实验结果的准确性。

在本发明的一个实施例中，在开启流体泵送机构前，还包括以下步骤：

S20：在套管的底面上连接端盖，在端盖上连接丝堵；

S21：将连接有端盖的套管放置在膨润土溶液中浸泡。

采用膨润土溶液浸泡能够更好的模拟钻井液泥饼，从而使得实验的数据更加全面准确。

在本发明的一个实施例中，在开启流体泵送机构前，还包括以下步骤：

S10：采用G级水泥和200目石英砂，按照水泥与石英砂配比2：1，水灰比0.44配制水泥砂浆；

S11：将配置好的水泥泥浆倒入模具中，待水泥泥浆固化成水泥柱后移走模具；

S12：在水泥柱上蚀刻多条裂痕，待进一步固化后，在每一裂痕内填充凡士林；

S13：将水泥柱放置在内置水泥环的套管内，对套管加热使凡士林融化；

S14：待凡士林融化后，开启流体泵送机构，向人造岩心的上端泵送热水冲刷裂痕形成裂缝。

下面以制造直径为80mm，长度为500mm的人造岩心为例，具体说明本发明提供的用于检测封窜剂胶结强度的方法的具体操作过程：

步骤一：采用G级水泥和200目石英砂，按照水泥与石英砂配比2：1，水灰比0.44配制水泥砂浆；

步骤二：将配置好的水泥泥浆倒入模具中，待水泥泥浆在70℃下养护24小时固化成水泥柱后移走模具；

步骤三：根据试验要求在水泥柱上蚀刻多条裂痕，待进一步固化24小时后，在每一裂痕内填充凡士林；

步骤四：配置G级水泥浆，水灰比0.44，将水泥浆倒入人造岩心和套管环空之间，在40℃下养护24小时形成水泥环，待水泥环固化后，将套管置入90℃恒温箱中加热4小时，使凡士林融化；

步骤五：待凡士林融化后，开启流体泵送机构，向人造岩心的上端泵送热水冲刷裂痕形成裂缝；

步骤六：开启流体泵送机构，向人造岩心的各裂缝中泵送封窜剂，待封窜剂填充各裂缝后，关闭流体泵送机构；

步骤七：待封窜剂固化后，再次开启流体泵送机构，向人造岩心的上端泵送压力流体；

步骤八：待压力流体突破封窜剂从套管底面的排液口流出时，记录压力流体的实时压力值；

步骤九：根据记录的实时压力值计算突破压力梯度值。

在对含有钻井液泥饼的地层中的封窜剂的胶结强度进行检测试验时，只需在步骤六前，进行以下操作：在套管的底面连接端盖，在端盖上连接丝堵，将连接有端盖的套管放置在膨润土溶液中浸泡24小时，具体的实验数据见表一。

表1水、蒸汽突破压力梯度测试实验结果及数据

实验结果表明，钻井液泥饼的存在对水和水蒸气的突破压力有显著影响，这直接决定了封窜剂的封堵效果，实际封窜施工要充分考虑到泥饼的影响。裂缝尺寸大小对抗水窜、抗汽窜效果影响较小，说明封窜剂与水泥环有较好的结合性能，该封窜剂具有良好的封堵性。

综上所述，本发明提供的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，具有结构简单，操作方便，模拟真实，检测快速，数据精确、安全可靠等优点，同时该装置还可以用来模拟评价调剖堵水剂或调驱剂体系的封堵性能。本发明提供的用于检测封窜剂胶结强度的方法具有检测快速，数据精确等优点。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，其特征在于，所述用于检测封窜剂胶结强度的实验装置包括：

套管，所述套管为底端封闭、顶端敞开的中空壳体，所述套管的底端设排液口，所述套管的顶端连接有法兰盖，所述法兰盖上开设有进液口，所述套管内部中央设有人造岩心，所述人造岩心具有多条由上至下设置的用于容纳封窜剂的裂缝，所述人造岩心与所述套管之间设有水泥环，所述水泥环的外表面与所述套管的内表面紧密贴合，所述水泥环的内表面与所述人造岩心的外表面紧密贴合；

流体泵送机构，其通过导流管与所述人造岩心的上端相连接，流体通过所述流体泵送机构泵送至各所述裂缝中。

2.根据权利要求1所述的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，其特征在于，

所述套管的底面连接有端盖，所述端盖的中央设有具有内螺纹的排液通孔，所述排液通孔内旋接有丝堵。

3.根据权利要求2所述的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，其特征在于，

所述排液口的横截面呈圆形，所述排液通孔的孔径与所述排液口的直径相等。

4.根据权利要求2所述的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，其特征在于，

所述套管的底面设有向下凸出的连接柱，所述排液通孔贯通所述连接柱，所述连接柱的外表面设有外螺纹，所述端盖具有顶面和侧面，所述排液通孔设置在所述顶面上，所述侧面设有内螺纹，通过所述外螺纹与所述内螺纹的旋接配合，所述端盖与所述套管的底面相连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，其特征在于，

所述人造岩心的上端面与所述水泥环的上端面平齐，所述人造岩心的上端面低于所述套管的上端面，所述法兰盖、所述套管、所述人造岩心的上端面和所述水泥环的上端面围合成流体容置空间。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，其特征在于，

所述流体泵送机构为平流泵，所述导流管为不锈钢编织软管。

7.一种用于检测封窜剂胶结强度的方法，采用权利要求1至6中任一项所述的用于检测封窜剂胶结强度的实验装置，其特征在于，所述用于检测封窜剂胶结强度的方法包括以下步骤：

开启流体泵送机构，向人造岩心的各裂缝中泵送封窜剂，待所述封窜剂填充各所述裂缝后，关闭所述流体泵送机构；

待所述封窜剂固化后，再次开启流体泵送机构，向所述人造岩心的上端泵送压力流体；

待所述压力流体突破所述封窜剂从套管底面的排液口流出时，记录所述压力流体的实时压力值；

根据记录的实时压力值计算突破压力梯度值。

8.根据权利要求7所述的用于检测封窜剂胶结强度的方法，其特征在于，

在开启所述流体泵送机构前，还包括以下步骤：

在所述套管的底面连接端盖，在所述端盖上连接丝堵；

将连接有所述端盖的所述套管放置在膨润土溶液中浸泡。

9.根据权利要求7所述的用于检测封窜剂胶结强度的方法，其特征在于，

在开启所述流体泵送机构前，还包括以下步骤：

采用G级水泥和200目石英砂，按照水泥与石英砂配比2：1，水灰比0.44配制水泥砂浆；

将配置好的所述水泥泥浆倒入模具中，待所述水泥泥浆固化成水泥柱后移走所述模具；

在所述水泥柱上由上至下蚀刻多条裂痕，待进一步固化后，在每一所述裂痕内填充凡士林；

将所述水泥柱放置在内置有水泥环的所述套管内，对所述套管加热使所述凡士林融化；

待所述凡士林融化后，开启流体泵送机构，向所述人造岩心的上端泵送热水冲刷所述裂痕形成所述裂缝。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的用于检测封窜剂胶结强度的方法，其特征在于，

所述压力流体为水或者水蒸气。