CN109030140B - 一种热采井水泥石高温水湿养护模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热采井水泥石高温水湿养护模拟试验装置及方法。该装置主要由氮气源1、中间水容器5、CO₂气源10、流量计12、密闭釜体A13、压力表17、冷凝器19、加热炉22组成，密闭釜体A13内放置水泥石24，位于加热炉22中，釜体A侧端下部有进水口，该进水口分别连接流量计12和加热压力管汇11，所述加热压力管汇11既连接中间水容器5、氮气源1，还连接CO₂气源10；釜体A侧端上部有出水口，该出水口连接压力表17和冷凝器19，可用于模拟热采井水泥石在不同温度下受酸性介质腐蚀的养护方法。将密闭釜体A13更换为密闭釜体B25，可用于测试高温水湿环境下水泥石的剪切胶结强度及窜通压力。本发明原理可靠，操作简便，具有广阔的市场前景。

Description

一种热采井水泥石高温水湿养护模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及稠油热采过程中水泥石在高温水湿环境下养护模拟试验装置及方法，可用于测试和评价热采井水泥石受高温水湿环境的影响等方面的试验和研究。

背景技术

超高温水湿环境下的热采井水泥石强度、界面胶结情况、腐蚀情况一直是油气井工程领域面临的重大挑战和难题，准确地模拟水泥石在井下的恶劣服役环境和分析水泥石强度变化、分隔能力性能、腐蚀规律是评价稠油热采井安全情况、指导热采井水泥抗高温和防腐性能的重要前提。稠油热采时期一般分为注水、蒸汽吞吐、蒸汽驱、火烧油层等，温度超过300℃，有时会达到800℃，并且带有大量水蒸气及酸性腐蚀气体。目前，对于热采井水泥石抗高温性能已经展开了大量的研究，但是对于高温水湿环境或高温水湿腐蚀环境研究还比较少。热采井水泥石不仅在稠油热采时有支撑和保护套管的作用，还是防止稠油开采时地层水蒸气及腐蚀气体窜流的重要井筒封隔屏障单元。随着人们对稠油热采水泥石完整性在井筒完整中作用认识的提高以及我国稠油开发深入和抗高温水泥浆体系、各种抗高温外加剂等产品的研发，模拟热采井水泥石受超高温水湿环境及高温水湿腐蚀环境的影响已成为研究的热点。

热采井水泥石抗高温的实验装置一般分为两种，一种是模拟蒸汽吞吐及蒸汽驱时期（315℃左右），水泥石一般养护在高温高压养护釜（杨远光，陈大钧.高温水热条件下水泥石强度衰退的研究[J]，石油钻采工艺，1992，14（5）：33-39；李早元，张松，张弛，关素敏，程小伟，郭小阳.热力采油条件下粉煤灰改善铝酸盐水泥石耐高温性能及作用机理研究，硅酸盐通报，2012年第5期），但是整个水浴养护期间是不流动的水，难以模拟实际中地层流动水和地层中湿润流动气体相结合的情况。另一种是模拟火烧油层时期（500℃左右），水泥石一般养护在箱式马弗电阻炉（尹虎，钟守明，刘辉，吴继伟，李源.稠油井火驱开发固井水泥浆性能评价与应用，油气地质与采收率，2013，20（4）：99-101），由于超高的温度近500℃，水泥石养护在马弗炉里，水泥石是直接暴露在灼热空气当中干燥灼烧，与高温水湿的实际情况有区别。近几年也有人研究出高低温碳化腐蚀实验的装置（程小伟，张明亮，李早元，张兴国，郭小阳.火烧油层工况下加砂油井水泥石失效演化研究，硅酸盐通报，2016年第4期），但是这种装置不能保持持续高温水湿的环境，并且腐蚀试验只是针对水泥石碳化，没有涉及到高温水湿下的水泥石腐蚀。中国专利“一种超高温油井水泥石养护釜及其使用方法”（CN104070596A）、“一种高温高压固井水泥环力学完整性测试装置及方法”（CN104405366A）、“高温高压固井一、二界面封固能力测试装置及方法”（CN104406910B）等，这些装置一方面不能提供过高的温度（500℃），另一方面不能持续提供热蒸汽或水蒸气和酸性气体的混合湿润气体，故不能完全模拟和反映热采井不同时期采收稠油时井下高温水湿和腐蚀时的实际工况，与此同时，水泥石与套管是连结在一起固在井下，故研究水泥石和套管连结在一起时的抗高温和腐蚀性能极为困难，故而这些装置无法应用于热采井水泥石抗高温及抗腐蚀性能研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热采井水泥石高温水湿养护模拟试验装置，该装置可以模拟稠油热采时期水泥石在井下的实际温度压力环境，更加真实地模拟蒸汽吞吐、蒸汽驱、火烧油层等作业时温度压力变化对水泥环的影响，也可以测得模拟水泥石与套管接触面的剪切胶结强度、窜通压力，为优化热采井的固井水泥浆配方、提高水泥石的抗高温和抗腐蚀能力提供参考，克服了现有技术的缺陷和不足。

本发明的另一目的还在于提供利用上述试验装置模拟热采井水泥石受不同温度下不同介质腐蚀的养护方法，该方法原理可靠，操作简便，弥补了当前研究模拟的不足，为测试热采井水泥石抗高温抗腐蚀能力的研究提供了更多的数据支撑和理论依据，具有广阔的市场前景。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

热采井水泥石高温水湿养护模拟试验装置，主要有密闭釜体A、氮气源、CO₂气源、中间水容器、加热炉、控制箱、流量计、压力表、减压阀等。

所述密闭釜体A侧端有进水口、出水口，进口连接高温管线、流量计、中间水容器、氮气源（CO₂气源），出口连接压力表及冷凝器。

所述釜体A顶盖内部有卡槽及锥形密封设置，并配有紫铜垫圈，达到双重抗高温密封效果，防止受高温水湿影响而产生粘连，所述顶盖顶端焊接一个六方，实验结束从高温箱体里拿出来后方便拆卸。

所述加热炉及加热炉控制箱，内含特质电阻丝，可调温度0-1300℃，通过空气传递温度，炉内表面为耐高温材料。

所述减压阀，安装在氮气（CO₂）源上，量程为0-1MPa，最小刻度为0.1MPa，可手动控制压力输出。

所述流量计为螺纹连接型蒸汽流量计，可接高压抗高温管线，测量范围为1.2-10m³/h，可手动调节输出蒸汽流量。

所述压力表测量范围为0-20MPa，最小刻度为0.1MPa，若达到目标值，可手动放压。

本发明不仅可以模拟热采井蒸汽吞吐期间井下高温水湿带压环境，还可以通过改变实验温度，关闭出气口憋压，形成热采井火烧油层期间超高温水湿带压环境，为模拟在此恶劣工况下水泥石的形态表征、基本力学性能提供了基础条件。

本发明还可以通过连接一个氮气源、中间水容器和连接一个CO₂气源，气液混合通入高温釜体，形成高温水湿腐蚀环境，为水泥石在此环境下的腐蚀状况提供了实验基础，弥补了以往测试结构的缺陷。

本发明也可通过更换养护釜体，釜体内装入配好的水泥浆，在高温下养护后，连接氮气源、中间水容器等，测试其水泥石气窜和水窜压力，分析水泥石封隔能力。

利用上述试验装置模拟热采井水泥石在不同温度下受酸性介质腐蚀的养护方法，依次包括以下步骤：

（1）按照API规定配制所需水泥浆，倒入模具中，在常温常压水浴锅中养护7天，将养护好的水泥石放入密闭釜体A，再将其放入加热炉中；

（2）打开加热炉控制箱的开关，调节加热炉的温度至井下实际温度；

（3）打开氮气源和CO₂气源，以恒定压力使中间水容器的水进入加热压力管汇，水流在加热压力管汇内充分受热形成蒸汽，通过流量计控制蒸汽以恒定流量从进水口进入釜体A，待出水口有蒸汽流出，关闭出水口连接的单流阀，通过压力表监测釜体A内压力，若超出设计值，则打开单流阀泄压；

（4）一段时间后，关闭加热炉，冷却后将釜体A取出，打开并取出水泥石，测试水泥石的抗压、抗拉强度。

利用上述试验装置测试高温水湿环境下水泥石的剪切胶结强度及窜通压力，依次包括以下步骤：

（1）将密闭釜体A更换为密闭釜体B，所述釜体B中放置养护好的水泥石，釜体B底部釜盖的进水口分别连接流量计和加热压力管汇，釜体B顶部釜盖的出水口连接压力表；

（2）打开加热炉控制箱的开关，根据井下实际温度调节加热炉的温度；

（3）打开氮气源，使中间水容器的水进入加热压力管汇，水流在加热压力管汇内充分受热形成蒸汽，通过流量计控制蒸汽以恒定流量从进水口进入釜体B，模拟气窜过程；

（4）若出水口有蒸汽流出，记录此时通入的压力即为窜通压力，实验结束后，从加热炉内取出釜体B并打开，测试并计算出釜体B与水泥石接触面的剪切胶结强度，即第一界面的胶结强度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明超高温度带压水湿养护，既满足了超高温，又满足了水湿环境，大大提升了实验精度；

（2）本发明既可以测水泥石与套管界面胶结强度及水泥石在高温水湿下的气窜压力，也可以模拟水泥石受超高温水湿酸性气体环境的腐蚀情况，达到一体化实验的目的，减少误差，真实还原了井下情况；

（3）通过实验研究水泥石抗高温及抗腐蚀作用机理，温度压力水湿环境等对水泥石多重因素的基础上，形成一套水泥石抗高温抗腐蚀能力的评价方法，为调整热采井固井水泥浆配方，提高水泥石的抗高温抗腐蚀能力提供参考。

附图说明

图1为一种热采井水泥石高温水湿养护模拟试验装置的结构示意图。

图2为密闭釜体B的结构示意图。

图中：1—氮气源；2、8—减压阀；3—压力管汇；4、7、9、18—单流阀； 5—中间水容器；6—安全阀；10—CO₂气源；11—加热压力管汇；12—流量计；13—密闭釜体A；14—密封垫圈；15—锥形密封结构；16—密闭釜盖A；17—压力表；19—冷凝器；20—出水喷头；21—加热炉控制箱；22—加热炉；23—水；24—水泥石；25—密闭釜体B。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。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、图2。

一种热采井水泥石高温水湿养护模拟试验装置，主要由氮气源1、中间水容器5、CO₂气源10、流量计12、密闭釜体A13、压力表17、冷凝器19、加热炉22组成，密闭釜体A13位于加热炉22中，其顶部有密闭釜盖A16，加热炉22通过加热炉控制箱21调节温度。

所述密闭釜体A13中放置养护好的水泥石24，釜体A侧端下部有进水口，该进水口分别连接流量计12和加热压力管汇11，所述加热压力管汇11既通过单流阀9连接中间水容器5，还通过单流阀7、减压阀8连接CO₂气源10，所述中间水容器内装有水23，其顶部设有安全阀6，其底部通过单流阀4、压力管汇3、减压阀2连接氮气源1；釜体A侧端上部有出水口，该出水口连接压力表17，该压力表通过单流阀18连接冷凝器19，从出水口流出的水通过出水喷头20进入冷凝器。

所述密闭釜盖A16内部有锥形密封结构15，该锥形密封结构的卡槽内有密封垫圈14。

上述装置用于模拟热采井水泥石在不同温度下受酸性介质腐蚀的养护方法。

将所述密闭釜体A13更换为密闭釜体B25，所述釜体B25中放置养护好的水泥石，所述釜体B25底部釜盖有进水口，该进水口分别连接流量计12和加热压力管汇11，所述釜体B25顶部釜盖有出水口，该出水口连接压力表17。该装置可用于测试高温水湿环境下水泥石的剪切胶结强度及窜通压力。

利用上述热采井水泥石高温水湿养护模拟试验装置的实验方法有很多种，下面逐一展开叙述：

(1)高温水湿环境下水泥石强度评价测试

按API规定配制所需抗高温加砂水泥浆，倒入规定的模具中，在常温常压水浴锅中养护7天，将养护好的水泥石放入密闭釜体A13，然后将密闭釜体A放入加热炉内。

打开加热炉控制箱，设定升温速率，一个小时升到100℃，保温30分钟，再通过一个小时升到200℃，保温30分钟，最后通过一个小时升到315℃，设定持续保温时间7天。打开氮气源，通过减压阀调节压力在0.2-0.3MPa，打开并关闭相应的单流阀，水流在加热压力管汇内充分受热，形成高温水蒸气，从进水口进入釜体A内，并通过流量计调节蒸汽流量，保持蒸汽流量为2-5m³/h。发现有水蒸气从漏斗形出水喷头喷出，在冷凝器中凝结成水水珠时，通过监测压力表来保持釜体内的内压为3-5MPa，如果内压高出5MPa，则打开单流阀释放釜体A内部分压力。

实验周期为7天，实验结束后，关闭氮气源，打开安全阀排出压力管汇内气体，等气体排空，关闭安全阀和相应的单流阀，通过控制箱关闭加热炉，自然降温一天。将釜体A从加热炉内拿出并打开，通过压力试验机测出抗高温加砂水泥的抗压强度为30.56MPa。

(2)高温水湿环境下水泥石的剪切胶结强度及窜通压力评价测试

测试剪切胶结强度，将釜体A换成釜体B。其余按照（1）中所述的连接方法和实验步骤进行实验，与（1）有区别的是测试剪切胶结强度不需观察出水口连接的压力管汇里的蒸汽量，也不需要釜体B内憋压，实验7天以后，将釜体B打开，通过压力试验机测出水泥石与釜体B接触面的胶结力为8.2KN，计算出模拟岩心与水泥浆接触面的胶结强度为1.31MPa。

测试窜通压力，将釜体A换成釜体B，与（1）有区别的是测试窜通压力不需要连接中间水容器和蒸汽流量计，其余按照（1）中所述的连接方法和实验步骤进行实验，出水口连接的压力管汇中有气体排出时，实验结束，记录氮气源上减压阀的读数，则为水泥石在高温水湿环境下的窜通压力。

(3)水泥石在高温水湿酸性环境下腐蚀程度测试评价

按照（1）连接好仪器后，同时打开相应单流阀和减压阀，保持CO₂从CO₂气源中稳定输出，压力为0.05MPa，其余按照（1）中实验步骤进行实验。实验结束，通过釜体A内水泥石与实验前渗透率及孔隙度对比，发现渗透率略有上升但仍较小，孔隙度变化不大。

以上所述仅是本发明的几种实施方式，应当指出的是，相关技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种热采井水泥石高温水湿养护模拟试验装置，主要由氮气源（1）、中间水容器（5）、CO₂气源（10）、流量计（12）、密闭釜体A（13）、压力表（17）、冷凝器（19）、加热炉（22）组成，其特征在于，密闭釜体A（13）位于加热炉（22）中，其顶部有密闭釜盖A（16）；所述密闭釜体A（13）中放置养护好的水泥石（24），釜体A侧端下部有进水口，该进水口分别连接流量计（12）和加热压力管汇（11），所述加热压力管汇（11）既连接中间水容器（5），还连接CO₂气源（10），所述中间水容器内装有水（23），其顶部设有安全阀（6），其底部连接氮气源（1）；釜体A侧端上部有出水口，该出水口连接压力表（17），该压力表通过单流阀（18）连接冷凝器（19），从出水口流出的水通过出水喷头（20）进入冷凝器。

2.如权利要求1所述的一种热采井水泥石高温水湿养护模拟试验装置，其特征在于，所述密闭釜盖A（16）内部有锥形密封结构（15），该锥形密封结构的卡槽内有密封垫圈（14）。

3.如权利要求1所述的一种热采井水泥石高温水湿养护模拟试验装置，其特征在于，将所述密闭釜体A（13）更换为密闭釜体B（25），所述釜体B（25）中放置养护好的水泥石，所述釜体B（25）底部釜盖有进水口，该进水口分别连接流量计（12）和加热压力管汇（11），所述釜体B（25）顶部釜盖有出水口，该出水口连接压力表（17）。

4.利用权利要求1所述的试验装置模拟热采井水泥石在不同温度下受酸性介质腐蚀的养护方法，依次包括以下步骤：

（1）配制所需水泥浆，倒入模具中，在常温常压水浴锅中养护7天，将养护好的水泥石放入密闭釜体A，再将其放入加热炉中；

（2）打开加热炉控制箱的开关，调节加热炉的温度至井下实际温度；

（3）打开氮气源和CO₂气源，以恒定压力使中间水容器的水进入加热压力管汇，水流在加热压力管汇内充分受热形成蒸汽，通过流量计控制蒸汽以恒定流量从进水口进入釜体A，待出水口有蒸汽流出，关闭出水口连接的单流阀，通过压力表监测釜体A内压力，若超出设计值，则打开单流阀泄压；

（4）一段时间后，关闭加热炉，冷却后将釜体A取出，打开并取出水泥石，测试水泥石的抗压、抗拉强度。

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