CN110552684B - 一种仿真环境水泥防窜能力评价装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油固井工程技术领域，具体涉及一种仿真环境水泥防窜能力评价装置及方法。通过恒温油槽、水泥釜体、气水釜体、渗透块、加热装置、第一活塞、第二活塞、加热介质、气水源、两个电磁阀、两个液压缸和控制系统的有机组合而成的装置，经仿真环境水泥防窜能力评价装置连接、加热、往气水釜体和水泥釜体内加入介质、加压、观察气或水侵窜情况并计算侵入水或气的量五个步骤，接近实际工况的对水泥防窜能力进行精确评价。本发明采用恒温油槽加热方式，受热均匀、温度恒定且便于控制。本发明采用密封釜体+活塞控制方式达到地层压力，使得实验结果更加精确，且较方便的观测到水泥失重过程中的侵窜情况，通过计算精确的得到气或水侵窜量。
Description
技术领域
本发明属于石油固井工程技术领域，具体涉及一种仿真环境水泥防窜能力评价装置及方法。
背景技术
固井的主要目的是实现良好的层间封闭，保证安全钻进与油气开采；固井后的早期气窜是指水泥浆失重后，环空液柱压力欠平衡，气体穿过水泥浆滤饼，侵入环空，向井口运移的现象，与水泥浆失重、气体在水泥浆柱内运移的压力、温度等因素密切相关。而固井后的环空气窜将导致层间封隔失效，严重时可能出现井口冒油冒气，甚至发生不可控井喷，造成巨大损失。
为了避免出现固井后早期气窜现象的发生，常常在固井前进行仿真环境的水泥防窜能力评价。但现有技术中采用的仿真环境水泥防窜能力评价装置及方法有多种，有的装置虽然可模拟地层温度，但采用釜体内、外加热丝方式加热，加热的均匀性难以保证；有的装置虽然能够仿照地层压力进行实验，但由于两个釜体压力不均产生窜流，影响了实验的结果，不能真正的反应实际工况环境下的水泥防窜能力。
发明内容
本发明提供了一种仿真环境水泥防窜能力评价装置及方法，目的之一在于提供一种受热均匀，温度恒定且便于控制的仿真环境水泥防窜能力评价装置及方法；目的之二在于提供一种使两个釜体压力均匀，不产生窜流，从而获取精确实验结果的仿真环境水泥防窜能力评价装置及方法；目的之三在于提供一种更接近实际工况的仿真环境水泥防窜能力评价装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种仿真环境水泥防窜能力评价装置，包括
恒温油槽，
水泥釜体，水泥釜体连接在恒温油槽内；
气水釜体，气水釜体连接在恒温油槽内，并与水泥釜体通过管路连通，气水釜体上表面开有通气孔；
渗透块，渗透块连接在气水釜体与水泥釜体连通的管路内，且渗透块与连通的管路间密封；
加热装置，加热装置与恒温油槽内侧壁连接；
第一活塞，第一活塞连接在水泥釜体上，第一活塞上设置有第一活塞连杆；
第二活塞，第二活塞连接在气水釜体上，第二活塞上设置有第二活塞连杆；
加热介质，加热介质填充在恒温油槽内；
气水源，气水源通过通气孔与气水釜体连通；
第一电磁阀，第一电磁阀连接在气水釜体与水泥釜体连通的管路上；
第二电磁阀，第二电磁阀连接在气水源输出端端口；
第一液压缸，第一液压缸底面连接在恒温油槽内侧壁上，第一液压缸的输出端与第一活塞连杆连接；
第二液压缸，第二液压缸底面连接在恒温油槽内侧壁上，第二液压缸的输出端与第二活塞连杆连接；
控制系统，控制系统分别与第一电磁阀、第二电磁阀、第一液压缸、第二液压缸和加热装置电信号连接。
还包括第一压力表和第二压力表；所述第一压力表连接在水泥釜体上，所述第二压力表连接在气水釜体上；所述第一压力表和第二压力表分别与控制系统电信号连接。
所述的加热装置采用的是电加热丝，所述电加热丝设置多组。
所述的渗透块采用是岩芯或无釉陶瓷。
还包括温度控制表；所述的温度控制表连接在加热装置上，且温度控制表与控制系统电信号连接。
所述的加热介质采用的矿物油。
一种仿真环境水泥防窜能力评价方法，包括如下步骤
步骤一：仿真环境水泥防窜能力评价装置连接
将水泥釜体、气水釜体装入恒温油槽内，并与控制系统连接；在气水釜体与水泥釜体连通的管路内装入渗透块，渗透块与管路间密封；
步骤二：加热
步骤一完成后开启加热装置，使恒温油槽温度达到预设温度；
步骤三：往气水釜体和水泥釜体内加入介质
步骤二完成后，关闭连接在水泥釜体与气水釜体连通管路上的第一电磁阀，在水泥釜体中加入待测水泥，盖上活塞，同时控制系统开启第二电磁阀给气水釜体中充气或水；
步骤四：加压
步骤三完成后，利用第一活塞推动水泥加压，同时给气水釜体加压，利用控制系统控制气水釜体和水泥釜体中压力达到预设值，并记录此时两釜体活塞位置和温度；
步骤五：观察气或水侵窜情况并计算侵入水或气的量
步骤四完成后，打开气水釜体和水泥釜体连接处电磁阀，通过控制系统控制水泥釜体中第一活塞，逐渐降低水泥釜体中水泥压力，观察气、水侵窜情况，并计算在该温度、压力下侵入水泥的气体或水的量。
所述的步骤四中利用控制系统控制气水釜体和水泥釜体的压力相等。
所述的步骤四中的气水釜体的压力预设值是相应井段的地层压力值。
所述的步骤五计算在该温度、压力下侵入水泥的气体或水的量是利用活塞运动距离δL与釜体横截面的乘积得到的。
有益效果：
1、本发明采用恒温油槽加热方式，受热均匀、温度恒定且便于控制。
2、本发明采用密封釜体+活塞控制方式，能够达到地层压力，并设计电磁阀，水泥釜体与水、气釜体同时达到设定压力时，再打开电磁阀，排除了由于两个釜体压力不均产生的窜流，使得实验结果更加精确。
3、本发明通过在水泥釜体与气水釜体连接处设置渗透块，当电磁阀打开水泥釜体与气水釜体连通时，侵窜需通过渗透块方可进入水泥，较好的模拟了地层的渗透性，使得实验更接近实际工况。
4、本发明利用控制系统拟合水泥浆失重，控制水泥釜体中的水泥压力变化，从而较方便的观测到水泥失重过程中的侵窜情况。
5、本发明利用活塞推动气水釜体中气体或水，压力始终保持最初压力，当发生侵窜时，活塞会移动位置δL，气、水侵窜量可由δL结合釜体横截面计算侵入量，测试结果更接近实际工况。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明流程图。
图中：1-水泥釜体；2-第一活塞；3-第一活塞连杆；4-第一压力表；5-第一电磁阀；6-渗透块；7-第二压力表；8-第二活塞；9-气水釜体；10-第二活塞连杆；11-加热装置；12-恒温油槽；13-控制系统；14-气水源；15-加热介质；16-数据传输线；17-通气孔；18-第一液压缸；19-第二液压缸；20-温度控制表；21-第二电磁阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
根据图1所示的一种仿真环境水泥防窜能力评价装置，包括
恒温油槽12，
水泥釜体1，水泥釜体1连接在恒温油槽12内；
气水釜体9，气水釜体9连接在恒温油槽12内，并与水泥釜体1通过管路连通，气水釜体9上表面开有通气孔17；
渗透块6，渗透块6连接在气水釜体9与水泥釜体1连通的管路内，且渗透块6与连通的管路间密封；
加热装置11，加热装置11与恒温油槽12内侧壁连接；
第一活塞2，第一活塞2连接在水泥釜体1上，第一活塞2上设置有第一活塞连杆3；
第二活塞8，第二活塞8连接在气水釜体9上，第二活塞8上设置有第二活塞连杆10；
加热介质15，加热介质15填充在恒温油槽12内；
气水源14，气水源14通过通气孔17与气水釜体9连通；
第一电磁阀5，第一电磁阀5连接在气水釜体9与水泥釜体1连通的管路上；
第二电磁阀21，第二电磁阀21连接在气水源14输出端端口；
第一液压缸18，第一液压缸18底面连接在恒温油槽12内侧壁上，第一液压缸18的输出端与第一活塞连杆3连接；
第二液压缸19，第二液压缸19底面连接在恒温油槽12内侧壁上，第二液压缸19的输出端与第二活塞连杆10连接；
控制系统13，控制系统13分别与第一电磁阀5、第二电磁阀21、第一液压缸18、第二液压缸19和加热装置11电信号连接。
在实际使用时，将水泥釜体1、气水釜体9装入恒温油槽12内，并与控制系统13连接；在气水釜体9与水泥釜体1连通的管路内装入渗透块6，渗透块6与管路间密封，然后开启加热装置11，使恒温油槽12温度达到预设温度；然后关闭连接在水泥釜体1与气水釜体9连通管路上的电磁阀5，在水泥釜体1中加入待测水泥，盖上活塞，同时在气水釜体9中充气或水，充气还是充水，根据实验的需要进行确定；随后通过控制系统13发给第一液压缸18的控制信号来控制第一活塞2推动水泥釜体1内的水泥，从而达到给水泥釜体1加压的目的，同时通过控制系统13发给第二液压缸19的控制信号来控制第二活塞8给气水釜体9加压。控制系统13控制气水釜体9和水泥釜体1中压力达到预设值即相应井段地层压力值，并记录此时两釜体活塞位置和温度；记录完成后，打开气水釜体9和水泥釜体1连接处电磁阀5，通过控制系统13发给第一液压缸18的控制信号，来控制水泥釜体1中第一活塞2，逐渐降低水泥釜体1中水泥压力，观察气、水侵窜情况，并计算在该温度、压力下侵入水泥的气体或水的量。
本发明采用恒温油槽12加热方式，使得受热均匀、温度恒定且便于控制；恒温油槽12内填充加热介质15，有效保障加热的均匀性。本发明采用密封釜体+活塞控制方式，能够达到地层压力；电磁阀5的设置，使得水泥釜体1与水气釜体9同时达到设定压力时，再打开电磁阀5，排除了由于水泥釜体1与水气釜体9压力不均产生的窜流，使得实验结果更加精确。本发明通过在水泥釜体1与气水釜体9连接处设置渗透块6，当电磁阀5打开水泥釜体1与气水釜体9连通时，侵窜需通过渗透块6方可进入水泥，较好的模拟了地层的渗透性，使得实验更接近实际工况。本发明利用控制系统拟合水泥浆失重，控制水泥釜体1中的水泥压力变化，从而较方便的观测到水泥失重过程中的侵窜情况。本发明利用活塞推动气水釜体中气体或水，压力始终保持最初压力，当发生侵窜时，活塞会移动位置δL，气水侵窜量可由δL结合釜体横截面计算侵入量，与现有技术采用流量计计算侵窜量相比，更接近实际工况。
增加电磁阀设计后，两个釜体在增压过程中，压力互不干扰，当打开电磁阀，可以准确的得到两个釜体间的压差，使得实验结果更加精确。
在具体应用时，加热介质15无需填满整个油槽，只需将恒温油槽12内所有部件浸没，且所有部件在油面下5cm即可。本实施例中的控制系统采用的是现有技术的计算机。
实施例二：
根据图1所示的一种仿真环境水泥防窜能力评价装置，与实施例一不同之处在于：还包括第一压力表4和第二压力表7；所述第一压力表4连接在水泥釜体1上，所述第二压力表7连接在气水釜体9上；所述第一压力表4和第二压力表7分别与控制系统13电信号连接。
在实际使用时，第一压力表4和第二压力表7与控制系统13电信号连接，使得控制系统13能够及时获取水泥釜体1与气水釜体9内的实时压力值，方便及时调整施加的压力，以达到需要的设定压力值，使实验更接近实际工况。
实施例三：
根据图1所示的一种仿真环境水泥防窜能力评价装置，与实施例一不同之处在于：所述的加热装置11采用的是电加热丝，所述电加热丝设置多组。
在实际使用时，加热装置11采用电加热丝的技术方案，使得加热速度快且成本较低。电加热丝设置多组，使得加热更加均匀。
实施例四：
根据图1所示的一种仿真环境水泥防窜能力评价装置，与实施例一不同之处在于：所述的渗透块6采用是岩芯或无釉陶瓷。
在实际使用时，渗透块6的设置，使得实验更加接近实际工况。渗透块6的选用最好采用实际岩心，但常常由于实际岩心的取样困难，可以选用渗透性与实际岩心相似的无釉陶瓷进行实验，较好的模拟了地层渗透性，取得较精确的、与实际工况接近的实验数据。
在具体应用时，可以根据具体油层渗透性来选择不同渗透率的无釉陶瓷来使用。
实施例五：
根据图1所示的一种仿真环境水泥防窜能力评价装置，与实施例一不同之处在于：还包括温度控制表20；所述的温度控制表20连接在加热装置11上，且温度控制表20与控制系统13电信号连接。
在实际使用时，首先根据实验的要求对温度控制表20进行设定，然后开展实验。本技术方案的采用使得控制系统13方便的对加热装置进行相应的温度控制，使实验能够在实际工况接近的环境下进行。
本实施例中的温度控制表20采用的是欧陆表。
实施例六：
根据图1所示的一种仿真环境水泥防窜能力评价装置，与实施例一不同之处在于：所述的加热介质15采用的矿物油。
在实际使用时，加热介质15采用的矿物油，充分利用了矿物油耐高温且不易挥发的特点，在满足加热均匀的条件下，避免了实验过程中对环境的污染。
实施例七：
根据图2所示的一种仿真环境水泥防窜能力评价方法，包括如下步骤
步骤一：仿真环境水泥防窜能力评价装置连接
将水泥釜体1、气水釜体9装入恒温油槽12内，并与控制系统13连接；在气水釜体9与水泥釜体1连通的管路内装入渗透块6，渗透块6与管路间密封；
步骤二：加热
步骤一完成后开启加热装置11，使恒温油槽12温度达到预设温度；
步骤三：往气水釜体9和水泥釜体1内加入介质
步骤二完成后，关闭连接在水泥釜体1与气水釜体1连通管路上的第一电磁阀5，在水泥釜体1中加入待测水泥，盖上活塞，同时控制系统开启第二电磁阀21给气水釜体9中充气或水；
步骤四：加压
步骤三完成后，利用第一活塞2推动水泥加压，同时给气水釜体9加压，利用控制系统13控制气水釜体9和水泥釜体1中压力达到预设值，并记录此时两釜体活塞位置和温度；
步骤五：观察气或水侵窜情况并计算侵入水或气的量
步骤四完成后，打开气水釜体9和水泥釜体1连接处电磁阀5，通过控制系统13控制水泥釜体1中第一活塞2，逐渐降低水泥釜体1中水泥压力，观察气、水侵窜情况，并计算在该温度、压力下侵入水泥的气体或水的量。
优选的是所述的步骤四中利用控制系统13控制气水釜体9和水泥釜体1中的压力相等。
优选的是所述的步骤四中的气水釜体9的压力预设值是相应井段的地层压力值。
在实际使用时，采用本发明的技术方案，更接近实际工况的获取各项实验数据，有效、精确的对水泥防窜能力进行评价。
实施例八：
根据图2所示的一种仿真环境水泥防窜能力评价方法，与实施例七不同之处在于：所述的步骤五计算在该温度、压力下侵入水泥的气体或水的量是利用活塞运动距离δL与釜体横截面的乘积得到的。
在实际使用时，采用本发明的技术方案进行侵入水泥的气体或水的量的计算，方便、简洁，且更接近实际工况。
综上所述，本发明通过恒温油槽、水泥釜体、气水釜体、渗透块、加热装置、第一活塞、第二活塞、加热介质、气水源和控制系统的有机组合而成的装置，经仿真环境水泥防窜能力评价装置连接、加热、往气水釜体和水泥釜体内加入介质、加压、观察气或水侵窜情况并计算侵入水或气的量五个步骤，接近实际工况的对水泥防窜能力进行精确评价。本发明采用恒温油槽加热方式，受热均匀、温度恒定且便于控制。本发明采用密封釜体+活塞控制方式达到地层压力，使得实验结果更加精确，且较方便的观测到水泥失重过程中的侵窜情况，通过计算精确的得到气或水侵窜量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种仿真环境水泥防窜能力评价装置，其特征在于：包括
恒温油槽（12），
水泥釜体（1），水泥釜体（1）连接在恒温油槽（12）内；
气水釜体（9），气水釜体（9）连接在恒温油槽（12）内，并与水泥釜体（1）通过管路连通，气水釜体（9）上表面开有通气孔（17）；
渗透块（6），渗透块（6）连接在气水釜体（9）与水泥釜体（1）连通的管路内，且渗透块（6）与连通的管路间密封；
加热装置（11），加热装置（11）与恒温油槽（12）内侧壁连接；
第一活塞（2），第一活塞（2）连接在水泥釜体（1）上，第一活塞（2）上设置有第一活塞连杆（3）；
第二活塞（8），第二活塞（8）连接在气水釜体（9）上，第二活塞（8）上设置有第二活塞连杆（10）；
加热介质（15），加热介质（15）填充在恒温油槽（12）内；
气水源（14），气水源（14）通过通气孔（17）与气水釜体（9）连通；
第一电磁阀（5），第一电磁阀（5）连接在气水釜体（9）与水泥釜体（1）连通的管路上；
第二电磁阀（21），第二电磁阀（21）连接在气水源（14）输出端端口；
第一液压缸（18），第一液压缸（18）底面连接在恒温油槽（12）内侧壁上，第一液压缸（18）的输出端与第一活塞连杆（3）连接；
第二液压缸（19），第二液压缸（19）底面连接在恒温油槽（12）内侧壁上，第二液压缸（19）的输出端与第二活塞连杆（10）连接；
控制系统（13），控制系统（13）分别与第一电磁阀（5）、第二电磁阀（21）、第一液压缸（18）、第二液压缸（19）和加热装置（11）电信号连接；
水泥釜体、气水釜体装入恒温油槽内，并与控制系统连接；在气水釜体与水泥釜体连通的管路内装入渗透块，渗透块与管路间密封，然后开启加热装置，使恒温油槽温度达到预设温度；然后关闭连接在水泥釜体与气水釜体连通管路上的电磁阀，在水泥釜体中加入待测水泥，盖上活塞，同时在气水釜体中充气或水；随后通过控制系统发给第一液压缸的控制信号来控制第一活塞推动水泥釜体（1）内的水泥，从而达到给水泥釜体加压的目的，同时通过控制系统发给第二液压缸的控制信号来控制第二活塞给气水釜体加压；控制系统控制气水釜体和水泥釜体中压力达到预设值即相应井段地层压力值，并记录此时两釜体活塞位置和温度；记录完成后，打开气水釜体和水泥釜体连接处电磁阀，通过控制系统发给第一液压缸的控制信号，来控制水泥釜体中第一活塞，逐渐降低水泥釜体中水泥压力，观察气、水侵窜情况，并计算在该温度、压力下侵入水泥的气体或水的量；
还包括第一压力表（4）和第二压力表（7）；所述第一压力表（4）连接在水泥釜体（1）上，所述第二压力表（7）连接在气水釜体（9）上；所述第一压力表（4）和第二压力表（7）分别与控制系统（13）电信号连接；
还包括温度控制表（20）；所述的温度控制表（20）连接在加热装置（11）上，且温度控制表（20）与控制系统（13）电信号连接。
2.如权利要求1所述的一种仿真环境水泥防窜能力评价装置，其特征在于：所述的加热装置（11）采用的是电加热丝，所述电加热丝设置多组。
3.如权利要求1所述的一种仿真环境水泥防窜能力评价装置，其特征在于：所述的渗透块（6）采用是岩芯或无釉陶瓷。
4.如权利要求1所述的一种仿真环境水泥防窜能力评价装置，其特征在于：所述的加热介质（15）采用的矿物油。
5.如权利要求1所述的一种仿真环境水泥防窜能力评价装置的评价方法，其特征在于，包括如下步骤
步骤一：仿真环境水泥防窜能力评价装置连接
将水泥釜体（1）、气水釜体（9）装入恒温油槽（12）内，并与控制系统（13）连接；在气水釜体（9）与水泥釜体（1）连通的管路内装入渗透块（6），渗透块（6）与管路间密封；
步骤二：加热
步骤一完成后开启加热装置（11），使恒温油槽（12）温度达到预设温度；
步骤三：往气水釜体（9）和水泥釜体（1）内加入介质
步骤二完成后，关闭连接在水泥釜体（1）与气水釜体（1）连通管路上的第一电磁阀（5），在水泥釜体（1）中加入待测水泥，盖上活塞，同时控制系统开启第二电磁阀（21）给气水釜体（9）中充气或水；
步骤四：加压
步骤三完成后，利用第一活塞（2）推动水泥加压，同时给气水釜体（9）加压，利用控制系统（13）控制气水釜体（9）和水泥釜体（1）中压力达到预设值，并记录此时两釜体活塞位置和温度；
步骤五：观察气或水侵窜情况并计算侵入水或气的量
步骤四完成后，打开气水釜体（9）和水泥釜体（1）连接处电磁阀（5），通过控制系统（13）控制水泥釜体（1）中第一活塞（2），逐渐降低水泥釜体（1）中水泥压力，观察气、水侵窜情况，并计算在该温度、压力下侵入水泥的气体或水的量。
6.如权利要求5所述的一种仿真环境水泥防窜能力评价方法，其特征在于：所述的步骤四中利用控制系统（13）控制气水釜体（9）和水泥釜体（1）的压力相等。
7.如权利要求5所述的一种仿真环境水泥防窜能力评价方法，其特征在于：所述的步骤四中的气水釜体（9）的压力预设值是相应井段的地层压力值。
8.如权利要求5所述的一种仿真环境水泥防窜能力评价方法，其特征在于：所述的步骤五计算在该温度、压力下侵入水泥的气体或水的量是利用活塞运动距离δL与釜体横截面的乘积得到的。
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