CN107843721A - 一种水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置，包括模拟井筒，所述模拟井筒包括：筒体，为中空筒状；胶皮筒，位于所述筒体的内部；至少一个测点机构，设置在所述筒体上并与所述胶皮筒相连通；密封组件，设置在所述筒体的端部；加热套，设置在筒体的外壁上。本发明能精确测量水泥浆动态失重压力，并开展水泥浆防气窜能力评价，能够对某一水泥浆体系的防气窜能力开展定量分析和评价，用以完善防窜理论，用于指导高温高压气井固井的实施。
Description
技术领域
本发明涉及一种在室内开展水泥浆胶凝强度发展过程失重压力分析和水泥浆气窜评价的装置，尤其涉及一种水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置。
背景技术
高温高压气井固井防气窜固井技术一直是固井行业重点攻关方向，尽管随着技术的进步和产品的革新，防止施工过程气窜和长龄期环空带压现象的技术日趋完善，但是固井过程气窜和环空带压现象较为普遍，尤其是深部地层高温高压气井，如四川普光、龙岗，新疆克拉、迪拉、顺南等高压气田，施工过程发生气窜及后期生产过程中环空带压较为普遍。
长期以来，国内外学者针对气窜理论的分析和研究由来已久，主要针对水泥浆从流体状态逐渐过渡到塑性状态、CSH(硅酸盐)凝胶过程水泥浆浆柱静液柱压力的变化、胶凝强度的变化、渗透率变化、抗压强度变化、膨胀收缩特性开展研究。水泥浆防气窜能力的提高依赖于全面科学的水泥浆防气窜能力评价方法和手段，但是目前国内外评价方法和手段主要依靠经验公式或简单的气窜分析仪器，对水泥浆防气窜能力进行片面的定性评价，未能真实评价水泥浆和水泥石防气窜能力。由于水泥是一种水硬性材料，伴随着水泥水化，水泥浆渗透率、孔隙压力表现出动态变化特性，在气窜危险时间内，气体在这种塑性态或多孔介质中运移、上窜，最终导致环空带压和层间流窜。影响目前水泥浆气窜分析的试验仪器是影响水泥浆气窜分析和评价的瓶颈，由于当前试验设备无法真实模拟井下温度、压力环境，导致无法正确反映水泥浆的真实防气窜性能。影响水泥浆体防气窜能力影响因素较多，当前设备无法对某一单项因素开展分析和评价，仅探索了水泥浆在特定试验条件下的综合防气窜能力。
发明内容
本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。
针对当前开展水泥浆气窜分析缺乏有效的评价装置和设备的瓶颈，当前防气窜仪的缺点主要表现在以下几个方面：未能真实有效模拟井下温度、压力环境，不能有效针对水泥浆气窜单因素和综合因素开展分析，以及未能针对水泥浆从流体状态、塑性状态、固态(CSH凝胶)全过程防气窜能力及参数开展测量和评价的缺点。由于仪器自身功能的缺点，导致气窜分析存在较大的局限性，不能开展定量分析，工程应用缺乏合理的指导。因此为了有效开展水泥浆防气窜理论研究以及对现场水泥浆防气窜能力开展评价，需要研制和开发一套更为科学的水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置，借以完善理论研究，并指导现场施工。
本发明提供一种测量水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置，其特征在于，包括模拟井筒，所述模拟井筒包括：筒体，为中空筒状；胶皮筒，位于所述筒体的内部；至少一个测点机构，设置在所述筒体上并与所述胶皮筒相连通；密封组件，设置在所述筒体的端部；加热套，设置在筒体的外壁上。
可选地，还包括玻璃纤维滤纸，设置在所述胶皮筒内，其与所述胶皮筒的一端形成水腔；
可选地，还包括连接杆，位于所述筒体内，且与所述胶皮筒相连。
可选地，所述密封组件为两组，分别位于所述筒体的两个端部，所述密封组件包括：封头，第一端与所述筒体的端部的内壁相接触，且第二端的横截面积小于第一端的横截面积；岩心塞，穿过所述封头并伸入到所述胶皮筒内；调节压套，位于所述岩心塞与所述封头之间；密封压套，一端与所述筒体的端部的外壁相接触，另一端与所述封头的第一端相连；调节压帽，一端套设在所述封头的第二端，另一端设有底部，且所述底部被所述岩心塞穿过。
可选地，还包括轴套及密封圈，均位于所述封头与所述岩心塞之间。
可选地，还包括压力测量表，与所述测点机构相连。
可选地，还包括温度控制模块，与所述模拟井筒中的加热套相连。
可选地，还包括环压跟踪泵，与所述模拟井筒中的筒体的内腔相连，用于控制位于所述筒内的胶皮筒的围压。
可选地，还包括与所述环压跟踪泵相连的声波岩芯夹持器以及与所述声波岩芯夹持器相连的声波测量系统。
可选地，还包括：注气系统，与所述模拟井筒的第一端相连；气窜测量系统，与所述模拟井筒的第二端相连；所述气窜测量系统包括气液分离器，与所述模拟井筒的第二端相连；干燥器，与所述气液分离器相连；微量流量计，与所述干燥器相连。
本发明提供了一种水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置，能精确测量水泥浆动态失重压力，并开展水泥浆防气窜能力评价，能够对某一水泥浆体系的防气窜能力开展定量分析和评价，用以完善防窜理论，用于指导高温高压气井固井的实施。
通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：
图1为本发明实施例的水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的模拟井筒的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种水泥浆失重压力测量和防气窜能力的评价装置，包括模拟井筒10以及与模拟井筒10相连的环压跟踪泵80、温度控制模块70、注气系统60、气窜测量系统50。
其中，如图2所示，模拟井筒10包括中空筒状的筒体8、位于筒体8的内部的胶皮筒11、设置在筒体的8外壁上的加热套7、位于筒体8的端部的密封组件20、设置在筒体8上并与胶皮筒11相连通的至少一个测点机构9。上述胶皮筒11用于灌注水泥浆，从而使水泥浆形成水泥柱12。
上述测点机构9可以为2至6个，例如是4个，沿胶皮筒11的轴向设置。为防止胶皮筒11变形，还包括连接杆13，位于筒体8内，且与胶皮筒11相连。此外，还包括玻璃纤维滤纸14，设置在胶皮筒11内，其与胶皮筒11的一端形成水腔15。
密封组件20一般为两组，分别位于筒体8的两个端部，密封组件20包括：封头21，其第一端与筒体的8端部的内壁相接触，且第二端的横截面积小于第一端的横截面积；岩心塞22，穿过封头22并伸入到胶皮筒11内；调节压套23，位于岩心塞22与封头21之间；密封压套24，一端与筒体的8端部的外壁相接触，另一端与封头21的第一端相连；调节压帽25，一端套设在封头21的第二端，另一端设有底部，且底部被岩心塞22穿过。可选地，还可以包括轴套26及密封圈27，轴套26及密封圈27均位于封头21与岩心塞22之间。
还包括压力测量表，与所述测点机构9相连；在本实施例中，测点机构9供有四个，压力测量表同样有四个，分别是△P1、△P2、P3、P5。具体地，可以通过连接在测点机构9上的压力测量表P3、P5测得该测点机构的绝对压力值，通过连接在测点机构9上的压力测量表△P1、△P2测得该测点机构与模拟井筒10的第二端之间的压差值；
本实施例中，还包括环压跟踪泵80，与模拟井筒10中的筒体8的内腔相连，通过环压跟踪泵20可以控制位于筒体8内的胶皮筒11的围压，并利用温度控制模块70对加热套7进行加热，以实现对井下温度、压力的模拟。具体地，温度控制模块70与模拟井筒中的加热套7相连，用于通过加热套7对位于胶皮筒11内的水泥柱12进行加热；环压跟踪泵80与所述模拟井筒10的侧壁相连，用于控制模拟井筒10的围压。此外，还可以包括电压测量表P7，与环压跟踪泵80至模拟井筒10之间的线路相连，用于获取围压的压力值。
上述注气系统60，与模拟井筒10的第一端相连，该第一端靠近由玻璃纤维滤纸14于胶皮筒11围成的水腔15；而气窜测量系统50，则与模拟井筒10的第二端相连。在本发明的另一实施例中，注气系统60上连有压力测量表P1，注气系统60至模拟井筒10之间的线路上设有压力测量表P2，分别用于获取相应的压力值。气窜测量系统50至模拟井筒10之间的线路上也可以设置压力测量表P9。
本实施例中，气窜测量系统50包括：
气液分离器51，与模拟井筒10的第二端相连，用于对从模拟井筒10的第二端流出的气体进行气液分离；一般地，该气液分离器51的底端还可以设有电子天平；
干燥器52，与气液分离器51相连，用于对经气液分离器51分离出来的气体进行干燥；
微量流量计53，与所述干燥器52相连，用于测量干燥后的气体的流量。
为了对胶皮筒中的水泥柱11同时进行物性分析，还可以包括与环压跟踪泵80相连的声波岩芯夹持器30以及与声波岩芯夹持器30相连的声波测量系统40，在使用时，声波岩芯夹持器30中灌入与胶皮筒11中相同标准的水泥浆，在开展气窜分析同时，实时监测水泥浆静胶凝强度的发展，为水泥浆浆体状态提供分析，实现对气窜能力的定量分析。
本发明提供的水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置在测试得到浆体内压力变化规律时，能同步温度、压力环境下监测水泥浆静胶凝强度发展，建立起水泥浆浆体在水化过程中静液柱压力变化规律以及水泥浆、水泥石防气窜能力，能够真实评价水泥石基体的防气窜性能，能够有效消除界面胶结、膨胀收缩等因素的影响。具体地，在应用本发明提供的水泥浆失重压力测量和防气窜能力的评价装置时，可以包括以下步骤：
本发明还通过一种水泥浆的失重压力和气窜测量的方法，包括步骤：
S1、将水泥浆灌入到本发明提供的水泥浆失重压力测量和防气窜能力的评价装置的胶皮筒11中；具体地，按照试验标准配置水泥浆，向图2所示的模拟井筒的胶皮筒11内浇注水泥浆；
S2、利用环压跟踪泵20控制模拟井筒10中胶皮筒11的围压，并利用温度控制模块70对加热套7进行加热，以实现对井下温度、压力的模拟；此时，模拟井筒10内上下环腔注满液体，同时对环空加压，实现高温高压养护。在本步骤中，还可以通过电压测量表P7读取围压的压力值；
S3、通过注气系统60在模拟井筒10的第一端进行注气；在具体实施时，可以通过注气系统20向设有水腔15的一端注入高压气体；在注入系统20上设有电压测量表P1，在注入系统至胶皮筒11的的一端的管道中设有压测量表P2，可以测量注入压力值；
S4、通过水泥浆失重压力测量和防气窜能力的评价装置10的测点机构9测量压力值，该压力值包括测点机构的绝对压力值和测点机构与水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置的第二端的压差值；
S5、通过气窜测量系统50测量所述胶皮筒的第二端的气体流量。
在本实施例中，水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置10上有四个测点机构，靠近胶皮筒11第一端的2个测点机构测量的是其与模拟井筒10的第二端之间的压差值，而靠近胶皮筒第二端的2个测点机构测量的则是其自身的绝对压力值，本实施例中，在步骤S4中可以通过连接在测点机构9上的压力测量表P3、P5测得该测点机构的绝对压力值，通过连接在测点机构9上的差压测量表△P1、△P2测得该测点机构与模拟井筒10的第二端之间的压差值；在步骤S2中，也可以检测压力测量表P3、P5及压力测量表P1、P2的读数，得出水泥浆在失重过程中的静液柱压力变化。
步骤S4中，在测量压力值时，在预设时间段内根据预设次数多次测量。从而测试得到浆体内压力变化规律。
此外，还包括步骤：通过声波岩芯夹持器对水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置中位于胶皮筒中的水泥浆进行物性分析。更具体地，在步骤S1中，在胶皮筒11中浇注水泥浆时，可以同时在岩心夹持器30内浇注水泥浆，通过与岩心夹持器30顶端相连的压力测量表P8观察相应的压力值，岩心夹持器30还与声波检测系统40相连，通过声波检测系统40能对位于岩心夹持器30内的水泥浆进行物性分析，进而得出按照同一试验标准配置位于胶皮筒中的水泥浆的物性分析。
在步骤S5中，在测量胶皮筒的第二端的气体流量时，先通过气液分离器51对从胶皮筒的第二端流出的气体进行气液分离，然后通过干燥器52进行干燥处理，最后经微量流量计53对干燥后的气体进行测量。
下面辅以具体的实例进一步阐述本发明，
实例1
按照水泥浆配方：JHG+4％DZJ-Y+0.5％DZS+44％水(JHG为嘉华G级水泥，四川嘉华水泥厂生产，DZJ-Y为油井水泥降失水剂，德州大陆架公司生产，DZS为油井水泥分散剂，德州大陆架公司生产)，按照国标GB/T19139-2012配置水泥浆1200ml，水泥浆密度1.90g/cm3,养护温度90℃，环空围压0.0MPa,为防止水泥水化过程放热膨胀等因素，敞口测量，水泥浆养护时间10分钟，P9压力110.16KPa,P6压力117.45KPa,P4压力117.45KPa,△P1压差11.18KPa,△P2压差14.91KPa,水泥浆声波胶凝强度23Pa；水泥浆养护时间245分钟，P9压力113.50KPa,P6压力117.12KPa,P4压力117.45KPa,△P1压差6.2KPa,△P2压差8.12KPa,水泥浆声波胶凝强度240Pa；水泥浆养护时间600分钟，P9压力90.85KPa,P6压力91.45KPa,P4压力92.64KPa,△P1压差5.0KPa,△P2压差6.51KPa,水泥浆声波胶凝强度12.6MPa，能够准确测量水泥浆在失重过程中的压力变化规律。
实例2
按照水泥浆配方：JHG+4％DZJ-Y+0.5％DZS+44％水(JHG为嘉华G级水泥，四川嘉华水泥厂生产，DZJ-Y为油井水泥降失水剂，德州大陆架公司生产，DZS为油井水泥分散剂，德州大陆架公司生产)，按照国标GB/T19139-2012配置水泥浆1200ml，水泥浆密度1.90g/cm3,养护温度110℃，环空围压5.0MPa,初始时刻P9压力4.2MPa，实现高温高压养护。待声波测试水泥浆胶凝强度达到240Pa时，水泥浆养护温度110℃，环空围压5.0MPa,P9压力5.1MPa,注入系统注入氮气，注入压力5.6MPa，上下端注入压力0.5MPa，稳压30分钟，测量P9压力5.1MPa,P6压力5.1MPa,P4压力5.1MPa,△P1压差0.5MPa，未检出到气窜。
实例3
按照水泥浆配方：JHG+4％DZJ-Y+0.5％DZS+44％水(JHG为嘉华G级水泥，四川嘉华水泥厂生产，DZJ-Y为油井水泥降失水剂，德州大陆架公司生产，DZS为油井水泥分散剂，德州大陆架公司生产)，按照国标GB/T19139-2012配置水泥浆1200ml，水泥浆密度1.90g/cm3,养护温度110℃，环空围压5.0MPa,初始时刻P9压力4.4MPa，实现高温高压养护。待声波测试水泥浆胶凝强度达到240Pa时，水泥浆养护温度110℃，环空围压5.0MPa,P9压力5.2MPa,注入系统注入氮气，注入压力6.6MPa，上下端注入压力差1.0MPa，稳压至9分钟时，测量P9压力6.5MPa,P6压力6.6MPa,P4压力6.6MPa,△P1压差0.1MPa，发生气窜，气体渗透率1.2D。
实例4
按照水泥浆配方：JHG+35％SiO2+4％DZJ-Y+0.5％DZS+44％水(JHG为嘉华G级水泥，四川嘉华水泥厂生产，DZJ-Y为油井水泥降失水剂，德州大陆架公司生产，DZS为油井水泥分散剂，德州大陆架公司生产,SiO2位120目硅粉，德州大陆架公司生产)，按照国标GB/T19139-2012配置水泥浆1200ml，水泥浆密度1.90g/cm3,养护温度130℃，环空围压5.0MPa,初始时刻P9压力4.5MPa，实现高温高压养护。待声波测试水泥浆胶凝强度达到14MPa时，水泥浆养护温度130℃，环空围压5.0MPa,P9压力0.1MPa,注入系统注入氮气，注入压力1.1MPa，上下端注入压力差1.0MPa，稳压30分钟，测量P9压力0.1MPa,P6压力0.1MPa,P4压力0.1MPa,△P1压差1.0MPa，未发生气窜，水泥石气体渗透率0.05mD。
对比例1
按照水泥浆配方：JHG+35％SiO2+4％DZJ-Y+0.5％DZS+44％水(JHG为嘉华G级水泥，四川嘉华水泥厂生产，DZJ-Y为油井水泥降失水剂，德州大陆架公司生产，DZS为油井水泥分散剂，德州大陆架公司生产,SiO2位120目硅粉，德州大陆架公司生产)，按照国标GB/T19139-2012配置水泥浆600ml，水泥浆密度1.90g/cm3,养护温度130℃，养护围压5.0MPa(加载方式为养护筒内上下端)，采用评价仪器为chandler7200(美国千德乐公司，气窜分析仪)。按照实施例4相同养护时间，养护后结束后卸载围压，并由底部注入高压氮气，注入压力1.0MPa，上下端注入压力差1.1MPa，注气1分钟即发生气窜。实施例与对比例分析，相同水泥浆体系在相同养护环境下应该具备相同的防气窜能力，由于chandler7200养护条件不能有效消除水泥浆收缩、界面胶结能力对水泥石基体防气窜性能的准确评价，因此无法有效开展单因素分析和进一步精确评价。本仪器在开展单因素分析、多因素分析等表现出先进性。
本发明提供的水泥浆失重压力测量和防气窜能力的评价装置能够科学评价水泥浆水化周期内精确测量失重压力和防气窜能力，通过模拟井下压力、温度环境，开展水泥浆在流动状态、塑性状态、固态时井筒静液柱压力测试、渗透率测量、水泥石气体突破压力测量等，评价水泥浆水化过程防气窜能力；同时通过改变试验方案，开展收缩、界面胶结、渗透率等单因素对水泥防气窜能力的评价，科学评价水泥浆防气窜能力；利用声波技术，实现在线监测和分析水泥浆胶凝强度、相态，实现对水泥浆防气窜能力定性评价，提高评价与测试的精确性和科学性。为水泥浆体系评价、固井工艺优选提供指导。
以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。
Claims (10)
1.一种水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置，其特征在于，包括模拟井筒(10)，所述模拟井筒(10)包括：
筒体(8)，为中空筒状；
胶皮筒(11)，位于所述筒体(8)的内部；
至少一个测点机构(9)，设置在所述筒体(8)上并与所述胶皮筒(11)相连通；
密封组件(20)，设置在所述筒体(8)的端部；
加热套(7)，设置在筒体的(8)外壁上。
2.根据权利要求1所述水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置，其特征在于，还包括玻璃纤维滤纸(14)，设置在所述胶皮筒(11)内，其与所述胶皮筒(11)的一端形成水腔(15)。
3.根据权利要求1所述水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置，其特征在于，还包括连接杆(13)，位于所述筒体(8)内，且与所述胶皮筒(11)相连。
4.根据权利要求1所述水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置，其特征在于，所述密封组件(20)为两组，分别位于所述筒体(8)的两个端部，所述密封组件(20)包括：
封头(21)，第一端与所述筒体的(8)端部的内壁相接触，且第二端的横截面积小于第一端的横截面积；
岩心塞(22)，穿过所述封头(22)并伸入到所述胶皮筒11内；
调节压套(23)，位于所述岩心塞(22)与所述封头(21)之间；
密封压套(24)，一端与所述筒体的(8)端部的外壁相接触，另一端与所述封头(21)的第一端相连；
调节压帽(25)，一端套设在所述封头(21)的第二端，另一端设有底部，且所述底部被所述岩心塞(22)穿过。
5.根据权利要求4所述水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置，其特征在于，还包括轴套(26)及密封圈(27)，均位于所述封头(21)与所述岩心塞(22)之间。
6.根据权利要求1所述水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置，其特征在于，还包括压力测量表，与所述测点机构(9)相连。
7.根据权利要求1所述水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置，其特征在于，还包括温度控制模块(70)，与所述模拟井筒(10)中的加热套(7)相连。
8.根据权利要求1所述水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置，其特征在于，还包括环压跟踪泵(80)，与所述模拟井筒(10)中的筒体(8)的内腔相连，用于控制位于所述筒体(8)内的胶皮筒(11)的围压。
9.根据权利要求7所述水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置，其特征在于，还包括与所述环压跟踪泵(80)相连的声波岩芯夹持器(30)以及与所述声波岩芯夹持器(30)相连的声波测量系统(40)。
10.根据权利要求1所述水泥浆失重压力和防气窜能力的评价装置，其特征在于，还包括：
注气系统(60)，与所述模拟井筒(10)的第一端相连；
气窜测量系统(50)，与所述模拟井筒(10)的第二端相连；
所述气窜测量系统(50)包括气液分离器(51)，与所述模拟井筒(10)的第二端相连；干燥器(52)，与所述气液分离器(51)相连；微量流量计(53)，与所述干燥器(52)相连。
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