CN107167499A - 固井水泥浆在候凝过程中抗水侵能力的评价装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了固井水泥浆在候凝过程中抗水侵能力的评价装置及方法。该装置主要由磁力搅拌器1、电导率测试仪2、釜体3组成，所述釜体置于磁力搅拌器上，釜体内部由外向内为水泥浆7、铁滤网4和模拟地层水8，铁滤网通过卡扣10与釜体实现连接和固定，其外壁缠绕3～8层尼龙滤网5，其底部与釜体底部无缝隙贴合，铁滤网内装有模拟地层水8，底部安置与磁力搅拌器配套的磁子9，电导率测试仪2的探头11置于模拟地层水8中。该方法通过测量模拟固井二界面上水泥浆被地层水干扰、破坏的临界水流速度，来表征油井水泥浆在候凝过程中的抗水侵能力。本发明原理可靠，操作简便，可为优化调整井固井水泥浆配方、改善水泥浆的抗水侵能力提供参考和依据。

Description

固井水泥浆在候凝过程中抗水侵能力的评价装置及方法

技术领域

本发明涉及油气井固井过程中水泥浆抗水侵能力的评价装置及方法，特别是涉及固井水泥浆在凝结过程中抗水侵能力的评价装置及方法。

背景技术

近年来随着国内勘探开发的进行，多数油田都进入开发中后期，为了提高开发效果和最终采收率，都要在老区钻调整井（如注水井、加密井、更新井和驱油剖面调整井）。一些老油田经过长期的分层布井、三次加密钻井、高压注水和大排量强抽，形成了地下高压层、常压层、低压层共存的多压力体系，压力系统复杂，同时，为改善调整井固井质量的停采停注措施难以全面落实，固井过程中地层流体仍然处于渗流状态，从而对固井二界面上的水泥浆形成干扰，进一步增加了调整井固井的难度。

固井水泥浆可通过与套管、井壁之间的良好胶结，形成优质、完整的水泥环，进而对拟封固环空实现层间封隔，是固井注水泥的重要物质基础，尤其是其抗地层水侵蚀、干扰的能力，可直接、显著影响调整井的固井质量。为提高固井水泥浆的抗水侵能力，国内外固井界开展了大量的理论及实验研究，从不同角度改善水泥浆的抗水侵能力。陈晓楼等提出地层水渗流的速度可影响固井质量（陈晓楼，李扬，莫继春，赵永会，肖志兴等. 注水开发中水渗流对固井质量的影响[J].钻井液与完井液,1999(5):21-24），沈志宏等提出触变性强、静胶凝强度发展快的水泥浆有利于提高调整井的固井质量（沈志宏，杜辉强，伍尚继，吴金城等. 薄油层薄隔层活跃水层调整井固井技术[J].石油钻采工艺,2001,23(2):25-26），朱礼平等提出了水平井水泥浆防气窜性能多因素评价方法（朱礼平，廖忠会，刁素等. 川西水平井水泥浆防气窜评价方法[J].石油钻采工艺,2012,34(1):60-62），邱燮和等研究出防水型水泥浆体系（邱燮和. 超浅调整井固井防水窜技术[J].钻井液与完井液，2013,30(4):84-87），谢承斌等提出了水泥浆触变性评价应涵盖流动性、胶凝强度发展情况以及施工安全性三个方面，针对常用触变性评价方法存在的问题，探索了一种评价水泥浆触变性的新方法（谢承斌，卢海川，李洋等. 水泥浆触变性评价方法的探索[J].钻井液与完井液,2015,32(6):57-60）。

上述方法可以从不同角度改善水泥浆的抗水侵能力，比如通过缩短水泥浆的稠化时间和/或过渡时间减少水泥浆被地层水渗流的机会，通过改善水泥浆体系的稳定性、延缓水泥浆在候凝过程中的失重、增加井底有效压力而降低地层水干扰水泥浆的动力，通过双凝水泥、环空憋压等方式弥补水泥浆在候凝过程中的失重、增加井底有效压力而降低地层水干扰水泥浆的动力，通过增强油井水泥浆的触变性而提高水泥浆抗地层水干扰的能力等。但是，上述方法都没能从水泥浆在凝结过程中的结构强度抗地层水干扰的能力入手，结合水泥浆被地层水渗流的物理过程，形成水泥浆在候凝过程中抗地层水渗流干扰能力的评价方法及评价指标。为此，基于水泥浆在候凝过程中被地层水干扰的物理过程，形成评价水泥浆在候凝过程中抗地层水干扰能力的评价装置和方法，从而更好地指导抗水侵水泥浆体系的配方优化设计，进而提高调整井的固井质量，已成为当务之急。

发明内容

本发明的目的在于提供固井水泥浆在候凝过程中抗水侵能力的评价装置，该装置通过模拟地层水渗流干扰水泥浆的物理过程，测量模拟固井二界面上水泥浆被地层水干扰、破坏的临界水流速度，来表征和反映油井水泥浆在候凝过程中的抗水侵能力，具有广阔的市场前景。

本发明的另一目的在于提供利用上述装置对固井水泥浆在候凝过程中抗水侵能力进行评价的方法，该方法原理可靠，操作简便，可为优选调整井固井水泥浆的组分、优化调整井固井水泥浆配方、改善调整井固井水泥浆的抗水侵能力提供参考和依据。

为达到上述技术目的，本发明提供以下技术方案。

固井水泥浆在候凝过程中抗水侵能力的评价装置，主要由磁力搅拌器、电导率测试仪、釜体组成，所述釜体置于磁力搅拌器上。

所述釜体内部，由外向内依次为水泥浆、铁滤网和模拟地层水，所述铁滤网为柱状，通过卡扣与釜体实现连接和固定，防止滤网在内外压差的作用下上浮，铁滤网外壁缠绕多层（3～8层）尼龙滤网，其底部无孔并与釜体底部紧密接触或无缝隙贴合，多层尼龙滤网通过橡胶圈等类似紧固手段将其封固在铁滤网表面，用以隔离油井水泥浆和模拟地层水并模拟固井二界面；所述铁滤网内装有模拟地层水，底部安置与磁力搅拌器配套的磁子，磁力搅拌器通过磁力传动，带动铁滤网底部的磁子旋转，从而带动铁滤网中的模拟地层水转动，不同的磁子转速，形成不同的水流速度和干扰动力，模拟地层水按不同流速干扰固井二界面的水泥浆，水泥浆被模拟地层水干扰破坏，部分水泥浆组分进入模拟地层水。

所述电导率测试仪的探头置于铁滤网内部的模拟地层水中，用于测量部分水泥浆组分进入模拟地层水后地层水电导率的变化。

该装置的测量原理如下：当磁子静止时，模拟固井二界面上水泥浆中的离子等组分，只能通过扩散作用和化学势差渗透到模拟地层水中，模拟地层水的电导率很低且基本不随时间变化；随着磁子转速的增加，模拟地层水的流速加快，透过滤网干扰水泥浆的动力增强，当其不足以破坏水泥浆的微观结构时，水泥浆组分进入模拟地层水的速度很慢，模拟地层水的电导率变化很慢，电导率测试仪可以在很短的时间内得到稳定的测量数据；当磁子的转速达到某值时，模拟地层水的流速足够快，足以透过滤网破坏模拟固井二界面上水泥浆的结构，此时水泥浆组分进入模拟地层水的速度大幅增加，模拟地层水的电导率急剧增加，那么，导致模拟地层水电导率急剧增加的磁子转速，即反映了水泥浆的抗水侵能力，从而用于表征水泥浆的抗水侵能力。

利用上述装置对固井水泥浆在候凝过程中抗水侵能力进行评价的方法，依次包括以下步骤：

（1）将3～8层尼龙滤网通过橡胶圈等类似紧固手段将其封固在铁滤网表面；

（2）将配置好的水泥浆注入釜体；

（3）将带尼龙滤网的铁滤网缓慢压入釜体内的水泥浆中，使其底部与釜体底部无缝隙贴合，然后在铁滤网内安置磁子并注入模拟地层水；

（4）将釜体置于磁力搅拌器上，将电导率测试仪的探头置入铁滤网内部的模拟地层水中；

（5）打开磁力搅拌器和电导率测试仪，此时转速为n₀，对应的模拟地层水电导率为σ₀；然后以一定增幅加大磁子转速，带动模拟地层水干扰水泥浆，一定时间后测量模拟地层水的电导率；继续加大磁子转速，并记录下对应的转速n_n和电导率σ_n，直至在某一磁子转速下电导率急剧增加，该点的磁子转速即是用于表征水泥浆抗水侵能力的磁子转速；

（6）导致模拟地层水电导率急剧增加的磁子转速越小，表明水泥浆能承受的水流干扰速度越小，其抗水侵的能力越小。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：形成了一套水泥浆抗水侵能力的评价装置及方法，为优化调整井固井水泥浆配方、提高水泥浆的抗水侵能力提供依据和参考。

附图说明

图1是固井水泥浆在候凝过程中抗水侵能力的评价装置结构示意图。

图2是不同水灰比条件下转速与电导率关系图。

图中：1-磁力搅拌器，2-电导率测试仪，3-釜体，4-铁滤网，5-尼龙滤网，6-橡胶圈，7-水泥浆，8-模拟地层水，9-磁子，10-卡扣，11-探头。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参看图1。

固井水泥浆在候凝过程中抗水侵能力的评价装置，主要由磁力搅拌器1、电导率测试仪2、釜体3组成，所述釜体3置于磁力搅拌器1上。

所述釜体内部，由外向内依次为水泥浆7、铁滤网4和模拟地层水8，所述铁滤网4为柱状，通过卡扣10与釜体实现连接和固定，铁滤网外壁缠绕3～8层尼龙滤网5，其底部无孔并与釜体底部紧密接触或无缝隙贴合，多层尼龙滤网通过橡胶圈6封固在铁滤网表面，用以隔离油井水泥浆和模拟地层水并模拟固井二界面；所述铁滤网内装有模拟地层水8，底部安置与磁力搅拌器配套的磁子9，磁力搅拌器1通过磁力传动，带动铁滤网底部的磁子旋转，从而带动铁滤网中的模拟地层水转动，模拟地层水按不同流速干扰固井二界面的水泥浆，水泥浆被模拟地层水干扰破坏，部分水泥浆组分进入模拟地层水。

所述电导率测试仪2的探头11置于铁滤网内部的模拟地层水8中，用于测量部分水泥浆组分进入模拟地层水后地层水电导率的变化。

利用上述评价装置评价水泥浆抗水侵能力的方法，依次包括以下步骤：

（1）将优选好的800目尼龙滤网，以3层固定在铁滤网上，并用橡胶圈等类似紧固手段将其封严、备用。

（2）将按规范《油井水泥试验方法》（GB/T19139-2003）配置好的，水灰比0.44的水泥浆，按釜体刻度（高于刻度水泥浆过多容易溢出、低于刻度水泥浆过少不利于提高测量数据的精度）要求注入釜体。

（3）将带尼龙滤网的铁滤网缓慢压入釜体内的水泥浆中，然后在铁滤网内安置磁子并注入模拟地层水（高度与水泥浆液柱高度相同）。

（4）将釜体置于磁力搅拌器上，将电导率仪的探头置入铁滤网内部的模拟地层水中（没过电极即可）。

（5）将磁力搅拌器和电导率仪开关打开，测得数据如表1所示。n₇=400r时，电导率急剧增加σ₇=1996 us/cm，即400r时的磁子转速是可用于表征水泥浆抗水侵能力的磁子转速。

表1 水灰比0.44的水泥浆抗水侵能力测试数据

（6）又分别测试了水灰比0.40、0.48、0.50的水泥浆体系的数据，如表2、表3、表4所示。水灰比0.40，n₈=450r时，电导率急剧增加σ₈=958 us/cm，即450r时的磁子转速是可用于表征水泥浆抗水侵能力的磁子转速；水灰比0.48，n₆=350r时，电导率急剧增加σ₆=2010 us/cm，即350r时的磁子转速是可用于表征水泥浆抗水侵能力的磁子转速；水灰比0.50，n₄=250r时，电导率急剧增加σ₄=946 us/cm，即250r时的磁子转速是可用于表征水泥浆抗水侵能力的磁子转速。

表2 水灰比0.40的水泥浆抗水侵能力测试数据

表3 水灰比0.48的水泥浆抗水侵能力测试数据

表4 水灰比0.50的水泥浆抗水侵能力测试数据

（7）通过实验可知，增大水灰比会使水泥浆浆体变得更稀，性能更差，减小水灰比会使浆体变得更稠。为了更清晰描述实验结果，由图2可知：水灰比越大，导致模拟地层水电导率急剧增加的磁子转速越小，表明水泥浆能承受的水流干扰速度越小、其抗水侵的能力越小。

Claims (2)

1.固井水泥浆在候凝过程中抗水侵能力的评价装置，主要由磁力搅拌器（1）、电导率测试仪（2）、釜体（3）组成，所述釜体（3）置于磁力搅拌器（1）上，其特征在于，所述釜体内部，由外向内依次为水泥浆（7）、铁滤网（4）和模拟地层水（8），所述铁滤网（4）为柱状，通过卡扣（10）与釜体实现连接和固定，铁滤网外壁缠绕3～8层尼龙滤网（5），其底部无孔并与釜体底部无缝隙贴合；所述铁滤网内装有模拟地层水（8），底部安置与磁力搅拌器配套的磁子（9），磁力搅拌器（1）通过磁力传动，带动铁滤网底部的磁子旋转，从而带动铁滤网中的模拟地层水转动；所述电导率测试仪（2）的探头（11）置于铁滤网内部的模拟地层水（8）中，用于测量部分水泥浆组分进入模拟地层水后地层水电导率的变化。

2.利用权利要求1所述的装置对固井水泥浆在候凝过程中抗水侵能力进行评价的方法，依次包括以下步骤：

（1）将3～8层尼龙滤网封固在铁滤网表面；

（2）将配置好的水泥浆注入釜体；

（3）将带尼龙滤网的铁滤网缓慢压入釜体内的水泥浆中，使其底部与釜体底部无缝隙贴合，然后在铁滤网内安置磁子并注入模拟地层水；

（4）将釜体置于磁力搅拌器上，将电导率测试仪的探头置入铁滤网内部的模拟地层水中；

（5）打开磁力搅拌器和电导率测试仪，此时转速为n₀，对应的模拟地层水电导率为σ₀；然后以一定增幅加大磁子转速，带动模拟地层水干扰水泥浆，一定时间后测量模拟地层水的电导率；继续加大磁子转速，并记录下对应的转速n_n和电导率σ_n，直至在某一磁子转速下电导率急剧增加，该点的磁子转速即是用于表征水泥浆抗水侵能力的磁子转速；

（6）导致模拟地层水电导率急剧增加的磁子转速越小，表明水泥浆能承受的水流干扰速度越小，其抗水侵的能力越小。