CN107035359A - 一种泥饼固化强度评价方法及泥饼固化强度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泥饼固化强度评价方法及泥饼固化强度测量装置，步骤是：利用失水筒制备钻井液泥饼，通过激活作用使泥饼具有一定的强度；将制备并激活后的泥饼放置于的泥饼固化强度检测装置的压力传感器上，手动操作金属杆向下作用于泥饼，测试钢针刺破泥饼时的力；利用ABAQUS软件建立泥饼的模型，其中泥饼的弹性模量和泊松比利用超声测量装置获得，对泥饼进行受力分析，获得泥饼强度。该发明的泥饼固化强度测试方法能够定量表示泥饼的固化程度，为泥饼固化技术的研究奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及固井质量研究领域，特别涉及一种泥饼固化强度评价方法和泥饼固化强度检测装置。
背景技术
固井是油气井建井过程中重要的环节之一，是一个涉及面广、风险大、作业要求高、技术性很强的井下作业工程。固井质量的好坏，直接影响到该井能否继续钻进、能否顺利生产、油气井寿命以及油气藏的采收率。在固井工程中，套管和水泥之间的界面称为固井第一界面，水泥和地层之间的界面称为固井第二界面。界面胶结历来被认为是整体结构的薄弱环节，也是导致固井质量问题的重要因素。
随着研究的不断深入，科研人员和生产人员逐渐意识到固井二界面胶结质量问题是影响整体固井质量的重要因素。目前固井质量的问题主要包括：固井后环空带压甚至管外冒油气水的问题，投产之后的层间窜问题，环空的“声变”问题等。以上固井质量问题产生的根源都是固井二界面封固系统失效。考虑到射孔、压裂等后期施工作业的影响，井身质量问题会更加严重。因此，只有当固井二界面实现了整体固化胶结，才能实现层间封隔，减少环空气窜的可能性，从而提高油气井的寿命。
钻井液泥饼是钻井液体系中的固相颗粒以及聚合物等物质在地层壁面的累积分布。从结构上来说，泥饼可以根据其强度及密实程度的不同，自内而外分为虚泥饼、可压缩层泥饼、密实层泥饼及致密层泥饼。泥饼的存在对钻井过程是不可或缺的，但是这也为后续的固井作业带来了难题。因为泥饼本身不具备任何活性，加上目前泥饼的清除效果很差，导致泥饼残存与地层井壁上，固井时，不论多薄的泥饼，都会在固井二界面处形成一层不可固化的隔层。水泥水化固化过程中，泥饼发生脱水粉化，导致环空产生微间隙。
针对上述问题，近年来泥饼固化技术逐渐兴起，从MTC固井技术到MTA固井技术，以及外加潜活性材料实现泥饼固化的技术研究取得了初步成果。然而，在泥饼固化技术的研究中，固化泥饼的强度评价是目前广大研究人员都没有解决的问题，主要是由于泥饼在物性参数和形貌特征都与普通金属和水泥基材料相差很大，常规的材料强度测试难以满足技术研究要求。因此，泥饼强度评价方法是泥饼固化技术研究迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种泥饼固化强度评价方法和泥饼固化强度检测装置，可以准确评价泥饼固化的强度，且检测方法简单，操作方便。
为了实现上述目的，根据本发明提出一种泥饼固化强度评价方法，包括以下步骤：
(1)利用潜活性材料将钻井液改性；
(2)利用失水筒制备改性后的钻井液泥饼，并用激活剂进行激活，使泥饼具有一定的强度：
(3)利用超声测量装置测量声波在泥饼中的纵横波速，并通过计算获得泥饼的弹性模量和泊松比；
(4)将固化泥饼放置于泥饼固化强度检测装置的压力传感器上，手动操作金属杆向下作用于泥饼，记录钢针刺破泥饼时的力；
(5)用ABAQUS软件建立泥饼的模型，并对泥饼模型进行受力分析；
(6)获得泥饼受力分析的应力曲线，得到泥饼强度。
本发明所提出的泥饼强度评价方法，先对钻井液添加潜活性材料及激活剂等进行处理，再利用失水筒制备成泥饼，先利用超声测量装置测量声波在泥饼中的纵横波速，再将泥饼将泥饼放到泥饼强度检测装置上进行破坏力的测量，将以上测量数据用ABAQUS软件建立泥饼的模型，通过模型对泥饼进行受力分析，获得泥饼受力分析的应力曲线，从而得到泥饼的强度值。泥饼的受力为在泥饼中心1mm圆形范围施加一个作用压强。泥饼的受力分析采用Mises应力准则，根据受力分析的结果导出泥饼所受应力曲线，其最大Mises应力即为泥饼强度。
作为本发明改进，泥饼固化方法为通过向钻井液中外加潜活性材料改性泥饼，潜活性材料优选为偏高岭土和超细矿渣的混合材料，将改性后的钻井液放入失水筒中进行滤失并形成泥饼，再加入激活剂激活泥饼以使泥饼具有一定的强度，激活剂优选为硅酸钠和氢氧化钠的水溶液。固化后的泥饼其弹性模量远低于普通硬脆性水泥基材料，高于普通弹性材料，这样处理后，有利于对泥饼受力的检测。
本发明中，利用超声波检测装置测量的声波在泥饼中的纵横波速并计算出的所述弹性模量和泊松比为动态弹性模量和泊松比。
本发明中，用ABAQUS软件建立的泥饼的模型，泥饼模型各项参数与实际泥饼相同，所述受力分析采用Mises应力准则，这样可以更准确地得到泥饼的强度。
为实现上述目的，本发明还提供一种泥饼固化强度检测装置，包括底座、设置于所述底座上的压力传感器、安装于所述底座侧壁的支架和设置于所述支架上的撞杆，所述支架顶部开设有通孔，所述撞杆放置于所述通孔中，可沿所述通孔向所述压力传感器方向滑动。
本发明所提供的泥饼固化强度检测装置，通过将制备的泥饼放置到一个压力传感器上，然后通过撞杆对泥饼进行撞击，撞杆对泥饼的撞击力会被压力传感器测量出。调整撞杆的高度，使撞杆正好将泥饼撞破，记录撞杆撞破泥饼的力的大小，然后利用这些数据和超声波检测装置测量的弹性模量和泊松比，利用ABAQUS软件建立泥饼模型，进行泥饼的受力分析，获得泥饼受力分析的应力曲线，从而可以得到泥饼的强度值，也就可以对泥饼进行一个准确的评价，以利于固井作业的进行。
作为本发明的改进，所述支架为C形结构，底部固定安装于所述底座的侧壁，顶部位于所述压力传感器的中部上方，所述通孔的轴向方向垂直于所述压力传感器，此种结构可以使压力传感器与撞杆之间的操作空间比较宽裕，方便泥饼的取放。
作为本发明支架上的通孔的进一步改进，在所述通孔的边缘沿轴向向上设置一立柱，在所述立柱的顶端侧壁固定一环孔，所述环孔的内径与所述通孔内径相同且同轴，这样的结构，相当于通孔的长度加长，且结构简单，质量轻，撞杆放置在通孔中，向压力传感器方向滑动时，导向性好，滑动平滑，撞杆不会倾斜方向，卡在通孔中不能撞击泥饼或者撞偏，影响检测结果。
作为本发明的改进，所述撞杆包括后端较粗的金属棒和前端的金属针，所述金属棒的直径略小于所述通孔的内径，撞杆这样设计，后端较粗，既保证撞杆质量比较大，有比较大的冲击力，前端金属针较细，又保证撞击效果，提高检测的准确性。
综上所述，本发明所提供的泥饼固化强度评价方法和泥饼固化强度检测装置，通过对钻进液进行处理，制备成泥饼并检测其强度，对泥饼的强度作出准确的评价，可以使固井作业得到有效的以参考，提高固井作业的质量。本发明所提供的评价方法和检测装置，设计科学，操作简单，得到的检测结果准确度高，具有非常高的价值。
附图说明
图1是泥饼固化强度检测装置的结构示意图；
图中，金属棒1，支架2，金属针3，压力传感器4，底座5。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的泥饼固化强度评价方法和泥饼固化强度检测装置进行详细描述。下面通过附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
一种泥饼固化强度评价方法，包括以下步骤：
(1)利用潜活性材料将钻井液改性；
(2)利用失水筒制备改性后的钻井液泥饼，并用激活剂进行激活，使泥饼具有一定的强度：
(3)利用超声测量装置测量声波在泥饼中的纵横波速，并通过计算获得泥饼的弹性模量和泊松比；
(4)将固化泥饼放置于泥饼固化强度检测装置的压力传感器4上，手动操作金属杆1向下作用于泥饼，记录钢针3刺破泥饼时的力；
(5)用ABAQUS软件建立泥饼的模型，并对泥饼模型进行受力分析；
(6)获得泥饼受力分析的应力曲线，得到泥饼强度。
向钻井液中加入一定量的潜活性材料，潜活性材料选用偏高岭土和超细矿渣的混合材料，利用失水筒在0.7MPa压差下滤失形成泥饼。钻井液中加入潜活性材料后，强度会明显加强，有利于对泥饼的检测。对于钻井液是否加入潜活性材料，制备出的泥饼的强度测量数据如表1中所示。
表1钻井液加入潜活性材料对泥饼强度的对比
在完成上述步骤后，倒出剩余钻井液，将配置好的不同浓度的激活剂倒入失水筒，激活剂优选为硅酸钠和氢氧化钠的水溶液，浓度优选为0.2-0.4，激活时间控制在20－30分钟，在1MPa压差下继续滤失，对泥饼中的潜活性材料进行激活，制备成检测所需要的泥饼，将制备成的泥饼取得后，将泥饼放置在特制容器中，在泥饼上方浇筑水泥浆，进行一定时间的养护，正常养护1d时间即可。对于不同浓度的激活性对制备的泥饼的强度的变化，如表2中数据所示，对于不同激活时间对制备的泥饼的强度的变化，如表3中数据所示。
表2激活性浓度对泥饼强度的影响
表3激活时间对泥饼强度的影响
将养护好的泥饼先利用超声测量装置测试泥饼的声波波速，通过计算获得泥饼的弹性模量和泊松比，再利用泥饼固化强度检测装置测试泥饼在受到破坏时受力，根据以上数据，利用ABAQUS软件建立泥饼模型，输入泥饼参数进行受力分析，导出泥饼所受应力曲线，根据泥饼应力曲线获得泥饼强度。
本发明所提供的泥饼固化强度评价方法，利用潜活性材料和激活剂对钻井液进行改性和激活，使制备的泥饼具备一定的强度，有利于对其进一步的检测，且检测的数据准确性高，具有非常高的价值。
本发明所提出的泥饼固化强度评价方法中，在检测泥饼的破坏受力，自制了一个泥饼固化强度检测装置，包括底座5、设置于所述底座上的压力传感器4、安装于所述底座5侧壁的支架2和设置于所述支架上的撞杆，所述支架顶部开设有通孔，所述撞杆放置于所述通孔中，可沿所述通孔向所述压力传感器4方向滑动。
本发明所提供的泥饼固化强度检测装置，通过将制备的泥饼放置到一个压力传感器4上，然后通过撞杆对泥饼进行撞击，撞杆对泥饼的撞击力会被压力传感器4测量出。调整撞杆的高度，使撞杆正好将泥饼撞破，记录撞杆撞破泥饼的力的大小，然后利用这些数据和超声波检测装置测量的弹性模量和泊松比，利用ABAQUS软件建立泥饼模型，进行泥饼的受力分析，获得泥饼受力分析的应力曲线，从而可以得到泥饼的强度值，也就可以对泥饼进行一个准确的评价，以利于固井作业的进行。
进一步地，所述支架2为C形结构，底部固定安装于所述底座5的侧壁，顶部位于所述压力传感器4的中部上方，所述通孔的轴向方向垂直于所述压力传感器4，此种结构可以使压力传感器4与撞杆之间的操作空间比较宽裕，方便泥饼的取放。
更进一步地，在所述通孔的边缘沿轴向向上设置一立柱，在所述立柱的顶端侧壁固定一环孔，所述环孔的内径与所述通孔内径相同且同轴，这样的结构，相当于通孔的长度加长，且结构简单，质量轻，撞杆放置在通孔中，向压力传感器方向滑动时，导向性好，滑动平滑，撞杆不会倾斜方向，卡在通孔中不能撞击泥饼或者撞偏，影响检测结果。
进一步地，所述撞杆包括后端较粗的金属棒1和前端的金属针3，所述金属棒1的直径略小于所述通孔的内径，撞杆这样设计，后端较粗，既保证撞杆质量比较大，有比较大的冲击力，前端金属针3较细，又保证撞击效果，提高检测的准确性。
本发明所提供的泥饼固化强度检测装置，结构简单，操作方便，可以准确检测泥饼受力数据，为泥饼固化强度的评价提供有力的支持，具有非常好的使用价值。
综上所述，本发明所提供的泥饼固化强度评价方法和检测装置，是固井作业中对泥饼强度进行评价的一项填补空白的技术，大大提高了固井作业的质量，具有非常高的应用前景和市场价值。
最后应当说明的是，以上所描述的较佳实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不全部的实施例，这些描述只是示例性的，而并非是对本发明的限制。应当理解，所属技术领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下做出的其他实施例或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的范围当中。
Claims (9)
1.一种泥饼固化强度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用潜活性材料将钻井液改性；
(2)利用失水筒制备改性后的钻井液泥饼，并用激活剂进行激活，使泥饼具有一定的强度：
(3)利用超声测量装置测量声波在泥饼中的纵横波速，并通过计算获得泥饼的弹性模量和泊松比；
(4)将固化泥饼放置于泥饼固化程度测量装置的压力传感器上，手动操作金属杆向下作用于泥饼，记录钢针刺破泥饼时的力；
(5)用ABAQUS软件建立泥饼的模型，并对泥饼模型进行受力分析；
(6)获得泥饼受力分析的应力曲线，得到泥饼强度。
2.根据权利要求1所述的泥饼固化强度评价方法，其特征在于，步骤(1)中所述钻井液为钻井液基浆或者钻井液体系，所述潜活性材料为偏高岭土和超细矿渣的混合材料。
3.根据权利要求1所述的泥饼固化强度评价方法，其特征在于，步骤(2)中的所述激活剂为硅酸钠和氢氧化钠的水溶液。
4.根据权利要求1所述的泥饼固化强度评价方法，其特征在于，步骤(3)中泥饼的所述弹性模量和泊松比为动态弹性模量和泊松比。
5.根据权利要求1所述的泥饼固化强度评价方法，其特征在于，所述步骤(5)中泥饼模型各项参数与实际泥饼相同，所述受力分析采用Mises应力准则。
6.一种如权利要求1至5中任一项所述的泥饼固化强度检测方法用的泥饼固化强度检测装置，其特征在于，包括底座、设置于所述底座上的压力传感器、安装于所述底座侧壁的支架和设置于所述支架上的撞杆，所述支架顶部开设有通孔，所述撞杆放置于所述通孔中，可沿所述通孔向所述压力传感器方向滑动。
7.根据权利要求6所述的泥饼固化强度检测装置，其特征在于，所述支架为C形结构，底部固定安装于所述底座的侧壁，顶部位于所述压力传感器的中部上方，所述通孔的轴向方向垂直于所述压力传感器。
8.根据权利要求7所述的泥饼固化强度检测装置，其特征在于，在所述通孔的边缘沿轴向向上设置一立柱，在所述立柱的顶端侧壁固定一环孔，所述环孔的内径与所述通孔内径相同且同轴。
9.根据权利要求6所述的泥饼固化强度检测装置，其特征在于，所述撞杆包括后端较粗的金属棒和前端的金属针，所述金属棒的直径略小于所述通孔的内径。
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- 2017-06-20 CN CN201710470256.2A patent/CN107035359B/zh active Active
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