CN110424947B - 一种测量固井第一界面微环隙大小的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量固井第一界面微环隙大小的方法，属于石油工程技术领域，解决了现有技术中方法复杂、准确性差问题。一种测量固井第一界面微环隙大小的方法，包括以下步骤：向固井第一界面微环隙导入气体，采集固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及气体流量；逐次增加向固井第一界面微环隙导入气体的压力，对应逐次采集固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及气体流量；根据所有采集的固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及气体流量，从而得到渗透率与微环隙横截面积的乘积；由所述渗透率与微环隙横截面积的乘积得到固井第一界面缝隙的宽度大小。实现了快捷、准确的测量固井第一界面微环隙大小。

Description

一种测量固井第一界面微环隙大小的方法

技术领域

本发明涉及石油工程技术领域，尤其是涉及一种测量固井第一界面微环隙大小的方法。

背景技术

石油目前是国家的经济命脉，如何才能高效的开采石油就成了要重要的问题。钻井是前期开采石油的基础，钻完井以后需要固井，固井后形成的套管-水泥环，水泥环-地层两界面的胶结质量好坏是影响石油开采的关键因素之一，两界面的胶结质量高会给后续的射孔、侧钻开窗等再开发工序创造了有利条件，反之胶结质量差会给后续的射孔、侧钻开窗等再开发工序带来一系列难题，更严重的会导致本口井的报废，固井第一界面胶结质量差会引起环空窜流。

环空窜流的危害很大，1.导致不同压力之间的储层串层，使得不同储层之间有了连通，导致储层压力不稳定，影响合理的开发，2.窜流出来的油气会侵蚀套管，影响开采安全，降低油井开采寿命，3.窜流出来的有可能是带有毒性的气体，这个时候会对人的生命安全造成威胁，4.窜流会造成井的环空带压，当压力达到一定程度的时候会造成井的不安全。

经以上分析可知固井第一界面胶结程度的质量差会导致环空带压，严重影响井的寿命及后期分段压裂等工序和工作人员的人身安全。因此我们要尽可能减小环空压力的产生，那么弄清楚环空压力的大小，最重要的是要知道套管-水泥环胶结面的质量情况，知道微环隙的大小，而现有测量第一界面微环隙大小的方法复杂、准确性差。

发明内容

本发明的目的在于至少克服上述一种技术不足，提出一种测量固井第一界面微环隙大小的方法。

一方面，本发明提供了提出一种测量固井第一界面微环隙大小的方法，具体包括：

步骤S1、向固井第一界面微环隙导入气体，采集固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量；

步骤S2、逐次增加向固井第一界面微环隙导入气体的压力，对应逐次采集固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量；

步骤S3、根据所有采集的固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量，从而得到渗透率与微环隙横截面积的乘积；

步骤S4、由所述渗透率与微环隙横截面积的乘积得到固井第一界面缝隙的宽度大小。

进一步地，所述向固井第一界面微环隙的导入气体，具体包括：

向地层与小套管之间的环形空间内注入水泥浆，形成水泥环，所述水泥环与小套管之间形成了固井第一界面，向固井第一界面微环隙的导入气体。

进一步地，所述向地层与小套管之间的环形空间内注入水泥浆，形成水泥环，具体包括：

向地层与小套管之间的环形空间内注入水泥浆，然后注入水给环形空间加压，在小套管内注入的导热油，对所述导热油进行加热，使得环形空间的压力和小套管内压力处于平衡，维持该条件下环形空间与小套管内的整体温度，养护若干天，形成水泥环。

进一步地，所述测量固井第一界面微环隙大小的方法还包括制作所述地层，具体包括：

将模具放置在底座上，将大套管放置在底座正中间，所述模具与大管套形成一个环

状空间，将搅拌好的水泥倒入所述环状空间，取掉模具与大套管，将地层表面进行清理、打磨，所述大套管直径大于小套管直径。

进一步地，所述步骤S3具体包括：

依次将所有次数采集的固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量对应代入

（1）

总共得到n个参透率与微环隙横截面积关系表达式，所述n为采集固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量的次数；

在所述n个参透率与微环隙横截面积关系表达式中任选两个，得到渗透率与微环隙横截面积的乘积，从而得到个渗透率与微环隙横截面积的乘积，将所述个渗透率与微环隙横截面积的乘积取平均值，得到最终的微环隙横截面积乘积；其中，M为气体的分子量， Q为气体流量， ρ为气体的密度， β为气体的惯性系数， μ代表气体的粘度系数，Z为气体压缩系数，L为地层的长度，T为温度，R为普遍气体常数，为固井第一界面微环隙的上端压力，为固井第一界面微环隙的下端压力，K为渗透率，A为微环隙横截面积。

进一步地，所述步骤S4具体包括：将所述渗透率与微环隙横截面积的乘积代入得到固井第一界面缝隙的宽度大小，其中， h为固井第一界面缝隙的宽度大小，K为渗透率，A为微环隙横截面积，W为缝隙的高度。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过向固井第一界面微环隙的导入气体，采集固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量，根据固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量，得到渗透率与微环隙横截面积的乘积，根据渗透率与微环隙横截面积的乘积得到固井第一界面缝隙的宽度大小，实现了快捷、准确的测量固井第一界面微环隙大小。

附图说明

图1是本发明实施例所述的测量固井第一界面微环隙大小的方法流程示意图；

图2是本发明实施例所述的测量固井第一界面微环隙大小的测量装置。

附图标记：

1-第一泵；2-压力表；3-地层；4-橡胶套；5-水泥环；6-第二泵；7-出液口；8-第三泵；9-加热棒；10-温度传感器；11-小套管；12-上盖；13-环形空间。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的实施例提供了一种测量固井第一界面微环隙大小的方法，所述方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S1、向固井第一界面微环隙导入气体，采集固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量；

步骤S2、逐次增加向固井第一界面微环隙导入气体的压力，对应逐次采集固井第一界面微环隙的上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量；

步骤S3、根据所有采集的固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量，从而得到渗透率与微环隙横截面积的乘积；

步骤S4、由所述渗透率与微环隙横截面积的乘积得到固井第一界面缝隙的宽度大小。

优选的，所述向固井第一界面微环隙的导入气体，具体包括：

向地层3与小套管11之间的环形空间13内注入水泥浆，形成水泥环5，所述水泥环5与小套管之间形成了固井第一界面，向固井第一界面微环隙的导入气体。

优选的，所述向地层3与小套管之间的环形空间13内注入水泥浆，形成水泥环5，具体包括：

向地层3与小套管11之间的环形空间13内注入水泥浆，然后注入水给环形空间13加压，在小套管11内注入的导热油，对所述导热油进行加热，使得环形空间13的压力和小套管11内压力处于平衡，维持该条件下环形空间13与小套管11内的整体温度，养护若干天，形成水泥环5。

图2为测量固井第一界面微环隙大小的测量装置，具体实施例时，按照一定比例配制要注入的水泥浆，把水泥浆倒入地层3与小套管11的环形空间13，在环形空间13上部位置加入部分水，直到与橡胶圈4的上部持平，小套管11内倒入2/3的导热油，把温度加热系统打开，用加热棒9进行加热，加热范围可在0℃-200℃内。用第一泵1继续打入清水给环形空间13加压，这样能提高水泥浆的沸点，水泥浆不至于在加温的时候沸腾。刚开始的时候时刻关注操作台和环形空间13的压力，关注压力表2的读数；

由于，温度上升会引起环形空间13压力上升，压力变2的读数会上升，这时要进行卸一部分环形空间13的压力，直到整体的温度达到一个平衡，这时候环形空间13压力和小套管11内压力都会处于一个平衡。把围压，套压，温度都按照要求设置，在上述所述的这个平衡的基础上养护，养护3天-21天（根据实际情况确定）养护好以后，把围压，套压及温度按照测试的要求加到合适的一个值。把围压，套压及温度按照实际测试的要求加到合适的一个值。第三泵8设置于环形空间13下方，启动第三泵8打入氮气进行水泥环5窜流，记录第三泵8打入的压力P_u和压力表2的数值P_d。温度，小套管11压力，围压等数据均可被记录。

优选的，所述测量固井第一界面微环隙大小的方法还包括制作所述地层3，具体包括：

将模具放置在底座上，将大套管放置在底座正中间，所述模具与大管套形成一个环

状空间，将搅拌好的水泥倒入所述环状空间，取掉模具与大套管，将地层3表面进行清理、打磨，所述大套管直径大于小套管11直径。

具体实施例时，制作地层3并不在图2所述的装置中进行；在底座14上涂上黄油，把不透水的牛皮纸直接粘在上边，方便后续再用时的拆卸，将模具进行横截面分割成3块，然后用螺钉进行组装便于测量完后的拆卸与重新利用，将模具用贴上牛皮纸，贴好后放在底座上，把大套管（φ=230mm，高度L=1.1m）外表面用黄油贴上牛皮纸，放在底座正中间上，模具与小套管11形成一个环状的空间；

把底座的窜流口（第三泵8打入的孔隙）用密钢丝网堵住，在钢丝网上部放一个吸铁石，然后把搅拌好的水泥倒入环状空间，用振动棒把拌均匀，用密钢丝网堵住，在钢丝网上部放一个吸铁石，然后把搅拌好的水泥倒入环状空间，用振动棒把拌均匀；

养护6h后取出大套管，加水养护，12~14h后取掉模具，并检查地层3的外表面是否有孔或者洞，有的话再配置少一些的水泥把空洞涂平，最后用湿润的沾布加水养护，中间每隔4h不断加水养护；需要说明的是，所述水泥和水泥浆成分不同。

养护3d-21d后（具体时间根据实际情况确定）后取下沾布，将地层3表面清理干净，打磨平整，把底座上外边缘的东西清理干净，做好的地层3高度L=1.1m，φ=400mm。

如图2所示，在制作好的地层3外套上橡胶套4，将高压釜体套在外面，然后把加围压的第二泵6和管线连接到釜体，把加热棒9，温度传感器10放在底部，加热棒9和传感器10深入到内部，把小套管11放入地层3之间；盖上上盖12后，用螺丝上紧。先加围压，如果围压不能顺利加上，那么检查之前的操作是否有问题，找出问题所在，直到能够顺利加上围压再进行下一步。

需要说明的是，通过温度传感器采集固井第一界面微环隙的温度，地层3与水泥环5之间为固井第二界面，水泥环5与小套管11之间为固井第一界面，通过设置于小套管11上端的压力表2获取固井第一界面微环隙的上端压力以及通过固井第一界面气体流量，通过第三泵8获取第一界面的下端压力；所述第一泵1设置于小套管11上端，在皂膜流量计第一泵1处，用于流过小套管11-水泥环5微环隙的气体流量。

优选的，所述步骤S3具体包括：

依次将所有次数采集的固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量对应代入

（1）

总共得到n个参透率与微环隙横截面积关系表达式，所述n为采集固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量的次数，例如n=10；

在所述n个参透率与微环隙横截面积关系表达式中任选两个，得到渗透率与微环隙横截面积的乘积，从而得到个渗透率与微环隙横截面积的乘积，将所述个渗透率与微环隙横截面积的乘积取平均值，得到最终的微环隙横截面积乘积；其中，M为气体的分子量， Q为气体流量， ρ为气体的密度， β为气体的惯性系数， μ代表气体的粘度系数，Z为气体压缩系数，L为地层3的长度，T为温度，R为普遍气体常数，为固井第一界面微环隙的上端压力，为固井第一界面微环隙的下端压力，K为渗透率，A为微环隙横截面积。

固井第一界面微环隙的上端压力可以由压力表2获取，P_d为第三泵8打入的压力大小，可以直接获得，用皂膜流量计获取固井第一界面（小套管11-水泥环5）微环隙的气体流量；

窜流的流体即导入微环隙的气体，为惰性气体，具体实施例时可为氮气或甲烷等，每次测量时的压力、温度是一定的，那么一旦确定用某一种惰性气体作为窜流的流体，例如确定氮气作为窜流的流体，那么除了渗透率K，A微环隙的横截面积是未知数以外，其它参数都是常数。

微环隙中气体的流动状态包括达西流和非线性流，可以用Forchheimer公式表示为

对于稳态等温气体流动，公式（2）可变换为

在另一具体实施例中，可将（1）看做，y是x的一次函数，通过多次x与y的值，将得到所有（x,y）拟合成一条直线，那么直线的截距则为，可得到KA。具体实施时，所用的带有微环隙的试样比完整的不带微环隙的试样的流速大至少3个数量级以上，因此我们可以忽略氮气在水泥环5本体和水泥环5-地层3第二界面微环隙中的流动，而设定氮气只在小套管11-水泥环5第一界面所产生的微环隙中流动，并且微环隙的宽度足够大，氮气在缝隙中的流动并没有产生气体滑脱效应。

优选的，所述步骤S4具体包括：将所述渗透率与微环隙横截面积的乘积代入得到固井第一界面缝隙的宽度大小，其中，K为渗透率，A为微环隙横截面积，W为缝隙的高度。W可通过测量得到，为小套管外径的周长，固井第一界面缝隙的宽度大小是指水泥环5微环隙的外径与小套管11外径之差。

由并结合式（1）可得到

可知在油田现场实际操作的时候可以利用微环隙的大小与微环隙上、下端压力的关系，来调节井口的压力，使井底和井口的压力差最小，使缝宽h无限的小，也就是保证井筒的密封完整性。

小套管11-水泥环5-地层3这三者会形成两个胶结面，但是套管-水泥环5第一胶结面比水泥环5-地层3第二胶结面脆弱的多，因此本发明认为流体只在套管-水泥环5第一胶结面流动，即固井第一界面缝隙内流动。

本发明公开了一种测量固井第一界面微环隙大小的方法，通过向固井第一界面微环隙的导入气体，采集固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量，根据固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量，得到渗透率与微环隙横截面积的乘积，根据渗透率与微环隙横截面积的乘积得到固井第一界面微环隙的宽度大小，实现了快捷、准确的测量固井第一界面微环隙大小。

微环隙上下两端的压力都可以通过压力表2读出，通过皂膜流量计测量流过套管-水泥环5微环隙的气体流量，用Forchheimer公式、立方定律来计算微环隙的大小；本发明通过测量其他流量的方式，来计算测量小套管11-水泥环5第一界面的微环隙大小；后期可以通过改变水泥环5配方的形式来增加小套管11-水泥环5的胶结质量，达到减小微环隙，降低环空压力的目的，这给现场工作具有一定的指导意义。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种测量固井第一界面微环隙大小的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、向固井第一界面微环隙导入气体，采集固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量；

步骤S2、逐次增加向固井第一界面微环隙导入气体的压力，对应逐次采集固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量；

步骤S3、根据所有采集的固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量，从而得到渗透率与微环隙横截面积的乘积；

步骤S4、由所述渗透率与微环隙横截面积的乘积得到固井第一界面缝隙的宽度大小；

所述步骤S3具体包括：

依次将所有次数采集的固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量对应代入

（1）

总共得到n个参透率与微环隙横截面积关系表达式，所述n为采集固井第一界面微环隙的温度、上端压力、下端压力以及通过所述固井第一界面微环隙的气体流量的次数；

在所述n个参透率与微环隙横截面积关系表达式中任选两个，得到渗透率与微环隙横截面积的乘积，从而得到个渗透率与微环隙横截面积的乘积，将所述个渗透率与微环隙横截面积的乘积取平均值，得到最终的微环隙横截面积乘积；其中，M为气体的分子量，Q为气体流量，ρ为气体的密度，β为气体的惯性系数，μ代表气体的粘度系数，Z为气体压缩系数，L为地层的长度，T为温度，R为普遍气体常数，为固井第一界面微环隙的上端压力，为固井第一界面微环隙的下端压力，K为渗透率，A为微环隙横截面积；

所述步骤S4具体包括：将所述渗透率与微环隙横截面积的乘积代入得到固井第一界面缝隙的宽度大小，其中，h为固井第一界面缝隙的宽度大小，K为渗透率，A为微环隙横截面积，W为缝隙的高度。

2.根据权利要求1所述的测量固井第一界面微环隙大小的方法，其特征在于，所述向固井第一界面微环隙的导入气体，具体包括：

向地层与小套管之间的环形空间内注入水泥浆，形成水泥环，所述水泥环与小套管之间形成了固井第一界面，向固井第一界面微环隙的导入气体。

3.根据权利要求2所述的测量固井第一界面微环隙大小的方法，其特征在于，所述向地层与小套管之间的环形空间内注入水泥浆，形成水泥环，具体包括：

向地层与小套管之间的环形空间内注入水泥浆，然后注入水给环形空间加压，在小套管内注入的导热油，对所述导热油进行加热，使得环形空间的压力和小套管内压力处于平衡，维持环形空间的压力和小套管内压力处于平衡条件下环形空间与小套管内的整体温度，养护若干天，形成水泥环。

4.根据权利要求3所述的测量固井第一界面微环隙大小的方法，其特征在于，还包括制作所述地层，具体包括：

将模具放置在底座上，将大套管放置在底座正中间，所述模具与大管套形成一个环

状空间，将搅拌好的水泥倒入所述环状空间，取掉模具与大套管，将地层表面进行清理、打磨，所述大套管直径大于小套管直径。

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