CN107725030A - 地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价装置及方法 - Google Patents
地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价装置及方法，包括釜体、注入泵、环压泵、加压泵和加热控制装置，釜体内部设有胶套和圆环形岩心，上下封头密封釜体两端，上封头内筒内固定有皮囊，用于模拟水泥浆上部压力，下封头中心设有浅凹槽，内有垫片，所述釜体的侧面设有进水口和出水口，地层水由注入泵加压通过进水口进入岩心，并经出水口流出，实现地层水在圆环形岩心中的流动。该装置可模拟井下高温环境，在圆环形岩心内壁形成环形泥饼，研究油田注水开发后期高含水阶段地层水的扰动对固井二界面胶结的干扰和破坏，还可研究环空压差对固井二界面胶结质量的影响，准确测定固井二界面的剪切和水力胶结强度。
Description
技术领域
本发明涉及固井二界面养护及胶结质量评价装置及方法，尤其涉及在高含水区块调整井固井时，模拟地层水扰动条件下固井二界面养护及胶结质量评价装置及方法。属于油气井工程固井领域。
背景技术
在钻完井工程中，通常把水泥环与地层之间的胶结面称为固井二界面，其胶结质量是影响固井好坏的重要因素，也将直接影响油气井能否顺利交井及后期产量和寿命。当前涉及地层流体影响固井二界面胶结质量的研究较少，且大多不考虑界面胶结的动态环境，这样的研究意义不大，特别是在注水开发后期的高含水区块，地层水的扰动对固井二界面胶结质量的影响更是一个不容忽视的问题。
在油田注水开发后期，油公司为提高开发效果和最终采收率会采取加密调整措施，使得区块内井距减小，井间干扰增大。同时由于长期高压注水开采，储层进入高含水阶段，地层压力变得非常复杂，地层水处于一个动态平衡中。在调整井固井过程中，地层水的流动会对侯凝水泥浆与地层之间胶结产生干扰及破坏，我们把该因素对固井二界面胶结的影响称为地层水的扰动。这种扰动存在于层内及层间，会严重恶化固井二界面的胶结质量，进而影响调整井的固井质量。
当前能进行该项研究的装置十分缺乏，陈晓楼提出了一种可研究地层中流体渗流对固井质量影响的水渗流装置(陈晓楼,刘爱岭.水渗流模拟装置的研制[J].河南石油,1999,(03):28-29+37-60.)，但是该装置不能研究地层中的流体扰动对固井二界面胶结质量的影响，且实验中使用钢壁内衬加筛网代替模拟岩心，不能真实地反映实际情况。
当前大多评价固井二界面胶结质量的实验装置是通过压出法测试剪切胶结强度，如程荣超(程荣超,步玉环,王瑞和.高炉矿渣改善固井水泥界面胶结性能研究[J].天然气工业,2007,(02):63-66+153-154.)，张玉广(张玉广,李新宏,高玉堂,刘霞,李天府,顾军.养护时间和泥饼改性剂对固井二界面胶结强度的影响[J].油田化学,2010,27(02):124-127.),杨振杰(杨振杰,梁红军,李锋,等.固井界面胶结强度试验仪：CN202381076U[P].2012.)等都采用该方法来评价固井二界面胶结质量。但对于有效地封隔地层来说，水力胶结强度的重要性比剪切胶结强度更大。剪切胶结强度表征的是固井二界面处的支撑力，不能表征固井二界面的抗水压渗透能力及密封性能。通常大部分油气井水泥都能满足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。顾军(顾军,杨卫华,秦文政,张玉广,高玉堂.固井二界面封隔能力评价方法研究[J].石油学报,2008,(03):451-454.)，郭小阳(郭小阳,张凯，李早元等.高温高压固井一、二界面封固能力测试装置及方法：CNIO440691OA[P]，2015.)等分别设计了相关方法测定了固井二界面的水力胶结强度，但是只能进行常规静态养护，不能进行地层水扰动条件下固井二界面的养护及评价。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种模拟地层水扰动条件下固井二界面养护及胶结质量评价装置及方法，该装置可研究油田注水开发后期高含水阶段地层中流体的流动对固井二界面胶结的干扰和破坏，这对制定固井时周围注水井的停注泄压措施来说具有重要的参考意义。同时利用该装置可以研究环空压差对固井二界面胶结质量的影响，并能较准确的测定固井二界面的剪切胶结强度和水力胶结强度。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价装置，由釜体、注入泵、环压泵、加压泵和加热控制装置组成；
所述釜体内部设有胶套和圆环形岩心；
所述釜体的上部和下部分别设有上封头和下封头，所述上封头设有内筒，所述内筒内设有与圆环形岩心内径相同的皮囊，所述皮囊通过皮囊压块固定在上封头内筒中，皮囊压块中心设有上打压孔；所述下封头中心设有下打压孔，下封头设有浅凹槽，内有垫片，其中一个目的是预防灌注水泥浆时堵塞下打压孔，另一目的是养护完成后拿掉垫片，测试固井二界面水力胶结强度；所述加压泵通过上、下两条管线分别与上打压孔、下打压孔相连；
所述釜体侧面设有通向釜体内部的环压孔，所述环压孔通过管线与所述环压泵连接，所述胶套位于釜体内壁与圆环形岩心之间，所述环压泵通过环压孔对胶套施加环压，环压挤压胶套的目的是为了密封胶套与圆环形岩心之间的空隙，使水只能从圆环形岩心通过；
所述釜体侧面的下部设有进水口，上部设有出水口，所述胶套上与进水口和出水口相对应的位置设有与进水口和出水口相配合的通孔，所述进水口与出水口经通孔穿过胶套，与圆环形岩心外壁接触，所述进水口通过管线与注入泵相连，所述注入泵由进水口对圆环形圆环岩心施加水压，水从圆环形岩心一侧通过进水口流入并从另一侧通过出水口流出，实现地层水在圆环形岩心中的流动；
所述釜体的外壁设有夹套，所述夹套内设有电热丝，所述加热控制装置与所述电热丝连接，控制、调节养护温度。
优选的，所述上、下封头与圆环形岩心上下端之间通过圆环形密封板密封，所述上封头与下封头与釜体内壁通过密封圈密封。
优选的，所述由加压泵接出的上、下两条管线上分别设有第一开关和第二开关，所述加压泵连通上打压孔打压时，用于模拟水泥浆上部压力，所述加压泵连通下打压孔打压时，用于测试固井二界面水力胶结强度。
优选的，所述进水口和出水口与通孔之间分别设有密封圈。
优选的，所述出水口上设有压力可调节安全阀，出水口处设有流量计量装置。
优选的，所述皮囊压块通过螺栓与上封头连接。
优选的，所述釜体固定在支架上。
所述装置还包括用于测试剪切胶结强度的上压柱和下圆环形垫块，所述上压柱为直径与圆环形岩心内径相等圆柱体，所述下圆环形垫块的内外径与圆环形岩心相等。
本发明还提供了一种地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价方法，包括以下步骤：
(1)将注入泵、环压泵、加压泵分别与对应孔口连接好，装好下封头，并在下封头中心的浅凹槽内放入垫片，所述垫片与水泥浆接触的一面涂抹有耐高温脱模剂，同时放入下圆环形密封板，所述下圆环形密封板内侧面涂有耐高温脱模剂，然后放入带泥饼的圆环形岩心，调整加热控制装置使釜体内温度满足实验要求，将配置好的水泥浆倒入带泥饼的圆环形岩心内筒，放入上圆环形密封板，装好上封头，在皮囊与水泥浆接触的一面涂好耐高温脱模剂，放入皮囊，装好皮囊压块；
(2)通过环压泵给胶套加环压，然后使用注入泵通过进水口对岩心施加水压，同时打开第一开关，由加压泵通过上打压孔对皮囊加水压，实现对釜体内的水泥浆加压来模拟上部浆柱压力，按实验要求养护结束后，关闭注入泵、环压泵、加压泵，关闭加热控制装置，装置冷却至室温；
(3)剪切胶结强度评价：卸掉上下封头，将养护后的封固系统(互相胶结的圆环形岩心与水泥柱称为封固系统)取出，将其下端与下圆环形垫块下端对齐在压力机上放好，然后将上压柱与水泥柱对齐放好，使用压力机测试固井二界面胶结破坏时的压力F记为固井二界面的失效压力，再通过计算得到固井二界面的剪切胶结强度G，计算公式为：G＝F/πDH，
式中：G为剪切胶结强度，MPa；F为固井二界面的失效压力，N；D为圆环形岩心内径，mm；H为圆环形岩心高度，mm；
(4)水力胶结强评价度：卸掉上下封头，将下封头中心浅凹槽内的垫片取出后，放入下圆环形密封板并重新装好下封头，然后重新打开环压泵，打开第二开关，由加压泵通过下打压孔施加水压，至圆环形岩心上端有水流出时，记录此时加压泵上压力表的示数，即为水力胶结强度。
优选的，步骤(1)所述带泥饼的圆环形岩心的制备方法为：将上述评价装置的下封头密封圈装好，将下封头装上，并在下封头中心的浅凹槽内放入垫片，同时放入下圆环形密封板，然后放入圆环形岩心，将现场钻井液倒入圆环形模拟圆环形岩心内筒，轻轻搅拌，放入上圆环形密封板，装好上封头，放入皮囊，装好皮囊压块，通过加热控制装置对釜体加热至实验所需温度，打开第一开关，由加压泵通过上打压孔对皮囊加水压，对釜体内的钻井液施加适当的压力，加压2小时后，关掉加压泵，拆下上、下封头，除去多余钻井液，再用清水冲去虚泥饼，即得带泥饼的圆环形岩心。
本发明的有益效果：
(1)利用本发明的评价装置可以进行不同地层水、不同地层物性、不同温度、不同流量下的扰动实验；
(2)利用本发明的评价装置可以在圆环形岩心内壁制作环形泥饼，更加真实的模拟实际的井下工况，使实验结果更加有价值；
(3)利用本发明的评价装置可以研究不同环空压差对固井二界面胶结质量的影响；
(4)利用本发明的评价装置可以测定固井二界面的水力胶结强度。
附图说明
图1是本发明一种模拟地层水扰动条件下固井二界面养护及胶结质量评价装置的结构示意图；
附图标记：1-皮囊压块；2-皮囊；3-上封头；4-上圆环形密封板；5-釜体；6-出水口；7-水泥柱；8-圆环形岩心；9-胶套；10-垫片；11-下环压孔；12-密封圈；13-下封头；14-下圆环形密封板；15-进水口；16-上环压孔；17-下打压孔；18-第一螺栓；19-第二螺栓；20-第三螺栓；21-上打压孔；22-注入泵；23-环压泵；24-加压泵；25-量筒；26-安全阀；27-加热控制装置；28-上压柱；29-下圆环形垫块；30-支架；31-泥饼。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例1：
如图1所示，一种模拟地层水扰动条件下固井二界面养护及胶结质量评价装置，由釜体5、注入泵22、环压泵23、加压泵24和加热控制装置27组成；
所述釜体5内部由外向内依次设置有胶1套9、圆环形岩心8、泥饼31、水泥柱7，釜体5固定在支架30上；
所述釜体5的上部和下部分别设有上封头3和下封头13，上封头3和下封头13分别通过第二螺栓19、第一螺栓18与釜体5连接，所述上封头3与圆环形岩心8上端之间通过上圆环形密封板4密封，下封头13与圆环形岩心8下端之间通过下圆环形密封板14密封，所述上封头3与下封头13与釜体5内壁通过密封圈12密封，所述上封头3设有内筒，所述内筒内设有与圆环形岩心8内径相同的皮囊2，所述皮囊2通过皮囊压块1固定在上封头3内筒中，皮囊压块1通过第三螺栓与上封头3连接，皮囊压块1中心设有上打压孔21；所述下封头13中心设有下打压孔17，下封头13设有浅凹槽，内有垫片，其中一个目的是预防灌注水泥浆时堵塞下打压孔17，另一目的是养护完成后拿掉垫片，测试固井二界面水力胶结强度；所述加压泵24通过上、下两条管线分别与上打压孔21、下打压孔17相连，所述上、下两条管线上分别设有第一开关a和第二开关b，所述加压泵24连通上打压孔21打压时(即开关a打开时)，用于模拟水泥浆上部压力，所述加压泵24连通下打压孔17打压时(即开关b打开时)，用于测试固井二界面水力胶结强度。
所述釜体5侧面设有通向釜体内部的上环压孔16和下环压孔11，所述上环压孔16通过管线与所述环压泵23连接，所述胶套9位于釜体内壁与圆环形岩心8之间，所述环压泵23通过上环压孔16和下环压孔11对胶套9施加环压，使水注入釜壁与胶套9组成的环形腔内，环压挤压胶套9的目的是为了密封胶套9与岩心8之间的空隙，使水只能从岩心8通过；
所述釜体5侧面的下部设有进水口15，上部设有出水口6，所述胶套9上与进水口15和出水口6相对应的位置设有与进水口15和出水口6相配合的通孔，进水口15和出水口6与通孔之间分别设有密封圈，所述进水口15与出水口6经通孔穿过胶套9，与岩心8外壁接触，所述进水口15通过管线与注入泵22相连，所述注入泵22由进水口15对岩心8施加水压，水从岩心8一侧通过进水口15流入并从另一侧通过出水口6流出，实现地层水在岩心8中的流动，出水口6上设有压力可调节安全阀26，出水口6处设有量筒25，用量筒25定时测量出水口6的出水量来计算流量；
所述釜体5的外壁设有夹套，所述夹套内设有电热丝，所述加热控制装置27与所述电热丝连接，控制、调节养护温度。
上述装置还包括用于测试剪切胶结强度的上压柱28和下圆环形垫块29，所述上压柱28为直径与岩心8内径相等圆柱体，所述下圆环形垫块29的内外径与圆环形岩心8相等。
使用本实施例的评价装置制备带泥饼的圆环形岩心的具体方法：
先将下封头13密封圈12装好，将下封头13装上，上紧第一螺栓18，并在下封头13中心的浅凹槽内放入垫片10，同时放入下圆环形密封板14，然后放入圆环形岩心8，将现场钻井液倒入圆环形模拟岩心8内筒，进行搅拌，放入上圆环形密封板4，装好上封头3，上紧第二螺栓19，放入皮囊2，上紧第三螺栓20，装好皮囊压块1，通过加热控制装置27对釜体加热至实验所需温度，打开开关a，由加压泵24通过上打压孔21对皮囊2加水压实现对釜体5内的钻井液施加适当的压力，适当时间后，卸掉皮囊2水压，拆下上封头3、下封头13，倒掉剩余钻井液，用清水冲去虚泥饼，带泥饼31的圆环形岩心制作完成。
实施例2：
利用上述装置模拟地层水扰动条件下固井二界面养护及胶结质量评价的方法：
扰动实验：先将各加压装置通过管线与釜体5上的对应接口连接好，并在出水口6处放置量筒25，然后将下封头密封圈12装好，将下封头13装上，上紧第一螺栓18，并在下封头13中心的浅凹槽内放入垫片10，同时放入下圆环形密封板14，垫片10和下圆环形密封板14的内侧与水泥浆接触的一面均涂有耐高温脱模剂，目的是防止其与水泥浆胶结在一起，然后放入带泥饼的圆环形岩心8，调整加热控制装置27使釜体内温度满足实验要求，将配置好的水泥浆倒入圆环形岩心8内筒，放入上圆环形密封板4，装好上封头3，上紧第二螺栓19，在皮囊2与水泥接触的一面涂好耐高温脱模剂，放入皮囊2，上紧第三螺栓20，装好皮囊压块1，通过环压泵23给胶套9加环压，然后使用注入泵22通过进水口15对岩心施加水压，同时打开开关a，由加压泵24通过上打压孔21对皮囊2加水压实现对釜体内的水泥浆加压来模拟上部浆柱压力，使用量筒25定时测量出水口6的出水量来计算流量，按实验要求养护适当时间后，关闭注入泵、环压泵、加压泵，关闭加热控制装置27，扰动实验结束，装置冷却至室温后评价固井二界面胶结质量。
结果评价：
(1)剪切胶结强度：卸掉上封头3、下封头13，将养护后的封固系统取出，将其下端与下圆环形垫块29下端对齐在压力机上放好，然后将上压柱28与水泥柱7对齐放好，使用压力机测试固井二界面胶结破坏时的压力F记为固井二界面的失效压力，再通过计算得到固井二界面的剪切胶结强度G，计算公式为：G＝F/πD H
式中：G为剪切胶结强度，MPa；F为固井二界面的失效压力，N；D为岩心内径，mm；H为岩心高度，mm。
(2)水力胶结强度：卸掉上封头3、下封头13，将下封头13中心浅凹槽内的垫片10取出后，按标准操作步骤放入下圆环形密封板14并重新装好下封头13，然后重新加上环压，打开开关b，由加压泵24通过下打压孔17施加水压，至岩心上端有水流出时，记录此时加压泵24上压力表的示数为其水力胶结强度。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价装置，其特征在于，由釜体、注入泵、环压泵、加压泵和加热控制装置组成；
所述釜体内部设有胶套和圆环形岩心；
所述釜体的上部和下部分别设有上封头和下封头，所述上封头设有内筒，所述内筒内设有与圆环形岩心内径相同的皮囊，所述皮囊通过皮囊压块固定在上封头内筒中，皮囊压块中心设有上打压孔；所述下封头中心设有下打压孔，下封头设有浅凹槽，内有垫片；所述加压泵通过上、下两条管线分别与上打压孔和下打压孔相连；
所述釜体侧面设有环压孔，所述环压孔通过管线与所述环压泵连接，所述胶套位于釜体内壁与圆环形岩心之间，所述环压泵通过环压孔对胶套施加环压；
所述釜体侧面的下部设有进水口，上部设有出水口，所述胶套上与进水口和出水口相对应的位置设有与进水口和出水口相配合的通孔，所述进水口与出水口经通孔穿过胶套，与岩心外壁接触，所述进水口通过管线与注入泵相连；
所述釜体外壁设有夹套，所述夹套内设有电热丝，所述加热控制装置与所述电热丝连接。
2.根据权利要求1所述的地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价装置，其特征在于，所述上、下封头与圆环形岩心上下端之间通过圆环形密封板密封，所述上封头与下封头与釜体内壁通过密封圈密封。
3.根据权利要求1所述的地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价装置，其特征在于，所述由加压泵接出的上、下两条管线上分别设有第一开关和第二开关。
4.根据权利要求1所述的地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价装置，其特征在于，所述进水口和出水口与通孔之间分别设有密封圈。
5.根据权利要求1所述的地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价装置，其特征在于，所述出水口上设有压力可调节安全阀，出水口处设有流量计量装置。
6.根据权利要求1所述的地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价装置，其特征在于，所述皮囊压块通过螺栓与上封头连接。
7.根据权利要求1所述的地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价装置，其特征在于，所述釜体固定在支架上。
8.根据权利要求1～7任一项所述的地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价装置，其特征在于，所述装置还包括用于测试剪切胶结强度的上压柱和下圆环形垫块，所述上压柱为直径与圆环形岩心内径相等的圆柱体，所述下圆环形垫块的内外径与圆环形岩心相等。
9.一种地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将注入泵、环压泵、加压泵分别与对应孔口连接好，装好下封头，并在下封头中心的浅凹槽内放入垫片，同时放入下圆环形密封板，然后放入带泥饼的圆环形岩心，调整加热控制装置使釜体内温度满足实验要求，将配置好的水泥浆倒入圆环形岩心内筒，放入上圆环形密封板，装好上封头，放入皮囊，装好皮囊压块；
(2)通过环压泵给胶套加环压，然后使用注入泵通过进水口对圆环形岩心施加水压，同时打开第一开关，由加压泵通过上打压孔对皮囊加水压，实现对釜体内的水泥浆加压来模拟上部浆柱压力，按实验要求养护结束后，关闭注入泵、环压泵、加压泵，关闭加热控制装置，装置冷却至室温；
(3)剪切胶结强度评价：卸掉上下封头，将养护后的封固系统取出，使用压力机测试固井二界面胶结破坏时的压力，F记为固井二界面的失效压力，再通过计算得到固井二界面的剪切胶结强度G，计算公式为：G＝F/πDH，
式中：G为剪切胶结强度，MPa；F为固井二界面的失效压力，N；D为圆环形岩心内径，mm；H为圆环形岩心高度，mm；
(4)水力胶结强评价度：卸掉上下封头，将下封头中心浅凹槽内的垫片取出后，放入下圆环形密封板并重新装好下封头，然后重新打开环压泵，打开第二开关，由加压泵通过下打压孔施加水压，至圆环形岩心上端有水流出时，记录此时加压泵上压力表的示数，即为水力胶结强度。
10.根据权利要求9所述的一种地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价方法，其特征在于，步骤(1)所述带泥饼的圆环形岩心的制备方法为：将权利要求1～7任一项所述评价装置的下封头密封圈装好，将下封头装上，并在下封头中心的浅凹槽内放入垫片，同时放入下圆环形密封板，然后放入圆环形岩心，将现场钻井液倒入圆环形模拟岩心内筒，进行搅拌，放入上圆环形密封板，装好上封头，放入皮囊，装好皮囊压块，通过加热控制装置对釜体加热至实验所需温度，打开第一开关，由加压泵通过上打压孔对皮囊加水压，对釜体内的钻井液施加适当压力，加压2小时后，关掉加压泵，拆下上、下封头，除去多余钻井液，用清水冲去虚泥饼，即得带泥饼的圆环形岩心。
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| GR01 | Patent grant | ||
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