CN113567654B - 一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法，包括以下步骤：将高强度碳纤维造孔线穿过管线接头，两端拉直固定在自愈合水泥石模具顶部和底部；将配制好的自愈合水泥浆倒入上述模具内，制作带微孔的水泥石模块；待水泥浆完全凝固成水泥石后，取出碳纤维造孔线，在水泥石外围涂抹树脂胶；使用CT扫描仪测量水泥石模块孔隙大小；将水泥石模块放置于恒温箱内并与气体驱替装置连接，通过注入压力计算水泥石模块渗透率；使用CT扫描仪测量实验后水泥石模块孔隙大小；根据渗透率和孔隙大小变化评价自愈合水泥石受气侵蚀后的自愈合性能。本方法中模型不用施加围压，可有效避免围压对人工孔隙尺寸的影响，实验过程中获取的渗透率下降值更精确。

Description

一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法
技术领域
本发明涉及一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法，属于油气田开发技术领域。
技术背景
井下高温高压、地层蠕动等产生的应力变化会对油气井水泥环产生应力冲击，使固井水泥环完整性受到破坏并引起油气窜流、环空带压等问题，是油气井安全生产一直面临的挑战。常用于解决该类问题的固井方法包括弹性膨胀水泥浆和自愈合水泥浆体系，弹性膨胀水泥浆体系主要用于应对完井作业时射孔和压裂，可有效应对拉伸和压缩造成的水泥石破坏，但水泥石一旦受到破坏后，无法达到自我修复的效果；而自愈合水泥浆体系可通过自我诊断修复的技术，解决水泥环受到破坏引起的油气窜流问题。经过多年发展，国内外在自愈合水泥浆配方方面取得了巨大进步，但是对应的水泥石自愈合能力评价仍然存在很多缺陷。
通过文献调研发现，目前对水泥石自愈合能力评价指标包括人工制造一定裂缝后测试渗透率下降率或通孔中电解质溶液电导率变化率等。其中渗透率下降率测试是基于人工裂缝在油或气浸润后水泥石中自愈合材料产生化学反应并愈合裂缝，导致渗透率下降，该方法中人工裂缝通常采用垫片或微支撑剂进行支撑，但是在岩心夹持器中裂缝宽度受围压影响较大，这样无法精确评价裂缝愈合是受围压影响还是自愈合材料作用效果；通孔电解质溶液电导率变化率测试虽然是基于有无自愈合材料添加时测量水泥石凝固过程中电导率变化，更类似于无破坏水泥石膨胀率测试，但实际井筒中水泥环凝固后受应力或温度等因素影响产生破坏后，在经过油或气浸润后产生化学反应并愈合微裂缝，因此电导率测试方法与实际生产过程存在偏差。
发明内容
本发明提供一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法，其目的在于，解决现有技术中存在的上述问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将高强度碳纤维造孔线穿过管线接头，两端拉直固定在自愈合水泥石模具顶部和底部；
S2、将配制好的自愈合水泥浆倒入自愈合水泥石模具内；
S3、待水泥浆达到初凝，上下抽动碳纤维造孔线确保其不凝固在水泥浆中；
S4、待水泥浆完全凝固成水泥石后，取出碳纤维造孔线，在水泥石外围涂抹树脂胶增强水泥石强度；
S5、使用CT扫描仪测量水泥石模块孔隙大小；
S6、将水泥石模块放置于恒温箱内并与气体驱替装置连接，打开恒温箱升温至实验温度；
S7、将气体驱替装置中的回压阀设定一定回压，打开气瓶并设置恒定气体流量，测定气体通过水泥石模块前后的压力值；
S8、通过步骤S7中测得的压力值计算水泥石模块渗透率；
S9、使用CT扫描仪测量实验后水泥石模块孔隙大小；
S10、根据渗透率和孔隙大小变化评价自愈合水泥石受甲烷气侵蚀后的自愈合性能。
进一步的，上述步骤S1中，所述高强度碳纤维造孔线必须完全贯穿自愈合水泥石模具，确保注入甲烷气体能流经人造孔。
进一步的，所述碳纤维造孔线数量为10根左右，碳纤维造孔线尺寸为10-1000μm。
进一步的，上述步骤S2中，待水泥浆倒入模具后，将管线接头钢筒两端用保鲜膜保护，管线接头钢筒垂直插入自愈合水泥石模具中约5cm深，确保管线接头钢筒完全与凝固水泥石结合牢固；所述管线接头钢筒与管线接头连接。
进一步的，上述步骤S3中，所述水泥浆初凝时间需使用稠化仪测定，上下抽动造孔线要确保凝固后造孔线可以拉出且不被拉断。
进一步的，上述步骤S5和S9中CT扫描仪扫描实验前后水泥石模块孔隙大小需扫描对比同一位置，用于定性观察水泥石愈合能力。
进一步的，上述步骤S6中，水泥石上端管线接头依次与所述气体驱替装置的第一压力计、气体流量控制仪、高纯度高压甲烷气瓶连接；水泥石下端管线接头依次与所述气体驱替装置的第二压力计、回压系统、废液桶连接。
进一步的，上述步骤S7中，回压设置需不超过水泥石和树脂胶耐压强度，设置最高回压为2MPa。
进一步的，上述步骤S8中，通过恒定气体流量，注入压力计算水泥石气测渗透率，其计算公式为：
式中，K-气测渗透率，10-3μm2；A-气体穿过截面积，cm2；L-气体穿过长度，cm；Q0-大气压力下的气体流量，mL/s；μ-气体流量，mPa.S；P1，P2-模型入口压力及出口压力，MPa，P0-大气压力，0.1MPa。
进一步的，上述步骤S10中，通过渗透率评价水泥石自愈合能力η计算公式为：
式中，η-水泥石愈合能力，％；K1-愈合前水泥石模具气测渗透率，10-3μm2；K2-愈合后水泥石模具气测渗透率，10-3μm2。
本发明的有益效果为：
1)使用高强度碳纤维造孔线造孔，能模拟符合地层实际情况的微裂缝，使实验结果更具有实际指导意义；
2)超细高强度碳纤维丝可防止水泥浆凝固过程中，抽出纤维丝被拔断和造孔失败，同时在自愈合水泥石内部造孔和外部覆膜形成实验模型，模型不用施加围压，可有效避免围压对人工孔隙尺寸的影响，实验过程中获取的渗透率下降值更精确；
3)结合CT扫描可更直观观察水泥石愈合过程中孔隙尺寸的变化及分析材料愈合能力。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法流程示意图。
图2为本发明提供的带微孔隙水泥石模块示意图。
图3为本发明提供的带连接驱替装置的自愈合水泥石模具实验流程示意图。
图4为本发明提供的带标定位置水泥石模块CT扫描示意图。
图5为本发明提供的自愈合水泥石甲烷气体入口压力和气测渗透率曲线。
其中：1-自愈合水泥石模具；2-管线接头钢筒；3-碳纤维线人造微孔隙；4-管线接头；5-树脂胶；6-恒温箱；7-开关阀门；8-气体流量控制仪；9-甲烷气瓶；10-压力监测与采集系统；11-废液桶；12-回压系统；13.1-第一压力计；13.2-第二压力计；14-水泥石模块；15-CT扫描仪。
具体实施方法
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐释。
如图1所示，一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法，包括以下步骤：
S1、将直径10μm高强度碳纤维造孔线穿过管线接头4，两端拉直固定在自愈合水泥石模具1顶部和底部；
S2、将配制好的自愈合水泥浆倒入自愈合水泥石模具1内；
S3、待水泥浆达到初凝，上下抽动碳纤维造孔线确保其不凝固在水泥浆中；
S4、待水泥浆完全凝固成水泥石后，取出碳纤维造孔线，在水泥石外围涂抹约2cm厚树脂胶5增强水泥块强度；
S5、使用CT扫描仪测量水泥石模块孔隙大小；
S6、将水泥石模块放置于恒温箱6内并与气体驱替装置连接，打开恒温箱6升温至实验温度；
S7、将气体驱替装置中的回压阀设定一定回压，打开气瓶并设置恒定气体流量，测定气体通过水泥石模块前后的压力值；
S8、通过步骤S7中测得的压力值计算水泥石模块渗透率；
S9、使用CT扫描仪测量实验后水泥石模块孔隙大小；
S10、根据渗透率和孔隙大小变化评价自愈合水泥石受甲烷气侵蚀后的自愈合性能。
上述步骤S1中10μm高强度碳纤维造孔线必须完全贯穿自愈合水泥石模具1，确保注入甲烷气体流经人造孔，碳纤维造孔线还可以更换为10-1000μm等不同尺寸细线，同时碳纤维线必须具有较强的强度，确保水泥石初凝后抽动时不被拉断。
上述步骤S2中，待水泥浆倒入模具后，将管线接头钢筒2两端用保鲜膜保护，管线接头钢筒2垂直插入自愈合水泥石模具1中约5cm深，确保管线接头钢筒完全与凝固水泥石结合牢固；所述管线接头钢筒2与管线接头4连接。
上述步骤S3中水泥浆初凝时间需使用稠化仪测定，上下抽动造孔线要确保凝固后造孔线可以拉出且不被拉断。
上述步骤S1和S3中碳纤维线数量大约10根左右，确保人造孔隙数量足够甲烷气体穿透且可较好评价水泥石对孔隙愈合能力，水泥浆完全凝固后需将造孔线全部抽出。
参见图2，一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能模型制作，主要由自愈合水泥石模块长度x宽度x高度＝20.00cmx20.00cmx20.00cm1、管线接头钢筒2、10μm碳纤维线人工制造微孔隙3、和驱替装置连接管线接头4组成。
上述步骤S4中2cm厚树脂胶是为了增强水泥石模块的强度，确保在不加围压条件下进行带压气体驱替时水泥石模块不被压裂开，水泥石模块自身尺寸为长度x宽度x高度＝20.00cmx20.00cmx20.00cm。
上述步骤S5和S9中CT扫描仪扫描实验前后水泥石模块孔隙大小需扫描对比同一位置，用于定性观察水泥石愈合能力。参见图4，CT扫描装置主要由制作完毕的水泥石模块14、CT扫描仪15组成。
参见图3，上述步骤S6中，水泥石上端管线接头4依次与所述气体驱替装置的第一压力计13.1、气体流量控制仪8、高纯度高压甲烷气瓶9连接；水泥石下端管线接头4依次与所述气体驱替装置的第二压力计13.2、回压系统12、废液桶11连接。
上述步骤S7中带有树脂胶的水泥石模块本身具有一定承压能力，不需要放入岩心夹持器中施加围压，因此可避免添加围压对样品孔隙尺寸的影响。同时，回压设置需不超过水泥石和树脂胶耐压强度，一般设置最高回压为2MPa。
上述步骤S8中通过恒定气体流量，注入压力计算水泥石气测渗透率，其计算公式为：
式中，K-气测渗透率，10-3μm2；A-气体穿过截面积，cm2；L-气体穿过长度，cm；Q0-大气压力下的气体流量，mL/s；μ-气体流量，mPa.S；P1，P2-模型入口压力及出口压力，MPa，P0-大气压力，0.1MPa。
上述步骤S10中水泥石自愈合能力η计算公式为：
式中，η-水泥石愈合能力，％；K1-愈合前水泥石模具气测渗透率，10-3μm2；K2-愈合后水泥石模具气测渗透率，10-3μm2。
实施例1：自愈合水泥石模块A愈合效果评价
按照S1至S7制作水泥模块和连接气体驱替装置，在70℃下通入甲烷气体养护4.5天后，渗透率由初始时刻1.2646mD下降至0.1085mD，渗透率降低率达91.42％，愈合效果显著(如图5所示)，CT扫描结果显示孔隙体积均有减小趋势。
最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将高强度碳纤维造孔线穿过管线接头(4)，两端拉直固定在自愈合水泥石模具(1)顶部和底部；所述碳纤维造孔线数量为10根左右，碳纤维造孔线尺寸为10-1000μm；
S2、将配制好的自愈合水泥浆倒入自愈合水泥石模具(1)内；
S3、待水泥浆达到初凝，上下抽动碳纤维造孔线确保其不凝固在水泥浆中；
S4、待水泥浆完全凝固成水泥石后，取出碳纤维造孔线，在水泥石外围涂抹树脂胶(5)增强水泥石强度；
S5、使用CT扫描仪测量水泥石模块孔隙大小；
S6、将水泥石模块放置于恒温箱(6)内并与气体驱替装置连接，打开恒温箱(6)升温至实验温度；
S7、将气体驱替装置中的回压阀设定一定回压，打开气瓶并设置恒定气体流量，测定气体通过水泥石模块前后的压力值；
S8、通过步骤S7中测得的压力值计算水泥石模块渗透率；
S9、使用CT扫描仪测量实验后水泥石模块孔隙大小；
S10、根据渗透率和孔隙大小变化评价自愈合水泥石受甲烷气侵蚀后的自愈合性能。
2.根据权利要求1所述的一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法，其特征在于，上述步骤S1中，所述高强度碳纤维造孔线必须完全贯穿自愈合水泥石模具(1)，确保注入甲烷气体能流经人造孔。
3.根据权利要求1所述的一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法，其特征在于，上述步骤S2中，待水泥浆倒入模具后，将管线接头钢筒(2)两端用保鲜膜保护，管线接头钢筒(2)垂直插入自愈合水泥石模具(1)中约5cm深，确保管线接头钢筒完全与凝固水泥石结合牢固；所述管线接头钢筒(2)与管线接头(4)连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法，其特征在于，上述步骤S3中，所述水泥浆初凝时间需使用稠化仪测定，上下抽动造孔线要确保凝固后造孔线可以拉出且不被拉断。
5.根据权利要求1所述的一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法，其特征在于，上述步骤S5和S9中CT扫描仪扫描实验前后水泥石模块孔隙大小需扫描对比同一位置，用于定性观察水泥石愈合能力。
6.根据权利要求1所述的一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法，其特征在于，上述步骤S6中，水泥石上端管线接头(4)依次与所述气体驱替装置的第一压力计(13.1)、气体流量控制仪(8)、高纯度高压甲烷气瓶(9)连接；水泥石下端管线接头(4)依次与所述气体驱替装置的第二压力计(13.2)、回压系统(12)、废液桶(11)连接。
7.根据权利要求1所述的一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法，其特征在于，上述步骤S7中，回压设置需不超过水泥石和树脂胶耐压强度，设置最高回压为2MPa。
8.根据权利要求1所述的一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法，其特征在于，上述步骤S8中，通过恒定气体流量，注入压力计算水泥石气测渗透率，其计算公式为：
式中，K-气测渗透率，10-3μm2；A-气体穿过截面积，cm2；L-气体穿过长度，cm；Q0-大气压力下的气体流量，mL/s；μ-气体流量，mPa.S；P1，P2-模型入口压力及出口压力，MPa，P0-大气压力，0.1MPa。
9.根据权利要求1所述的一种用于评价气藏固井水泥石自愈合性能的实验方法，其特征在于，上述步骤S10中，通过渗透率评价水泥石自愈合能力η计算公式为：
式中，η-水泥石愈合能力，％；K1-愈合前水泥石模具气测渗透率，10-3μm2；K2-愈合后水泥石模具气测渗透率，10-3μm2。
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