CN115931673A - 一种模拟高含二氧化碳井下工况的水泥石养护装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟高含二氧化碳井下工况的水泥石养护装置及测试方法。所述养护装置包括耐高温高压釜体、压力控制系统和温度控制系统；釜体内设有模拟套管，模拟套管的两端分别固定于釜盖和釜底；釜体与模拟套管之间的环腔用于注入水泥浆；釜盖上设有CO₂进气口，釜底上设有CO₂出气口，CO₂进气口与CO₂气瓶连接；压力控制系统用于对水泥石进行端压和环压的监控；温度控制系统用于对水泥石的温度进行监控。本发明可用于模拟油气井固井过程中水泥浆体在地层下的高温高压以及CO₂腐蚀耦合条件下水泥石的水化反应及水化硬化情况，能测试耦合条件下水泥石孔隙度‑渗透率的变化情况，能有效避免因水泥石因孔隙度‑渗透率被破坏，力学性能下降而影响开采作业。

Description

一种模拟高含二氧化碳井下工况的水泥石养护装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种模拟高含二氧化碳井下工况的水泥石养护装置及测试方法，属于油气井固井技术领域。

背景技术

油气井固井工程是使用油气井水泥将套管与地层之间的环形空间进行有效胶凝连接以及封闭，主要作用就是封隔油气水层、巩固井壁、防止地下流体层间窜流。

水泥发生有效水化反应的需水率约为0.23(水/水泥的质量比)，为了保持浆体的可泵性，固井工程中使用的水泥浆体水灰比一般维持在0.4～0.5(水/水泥的质量比)。多余不参与水化反应的水会使得水泥石产生孔隙，并且一部分水会长时间在孔隙中存在。CO₂作为石油和天然气的伴生气常存在于油气层或地层水中，在高含CO₂的井下工况，CO₂会溶于水，产生酸性的H⁺，酸性溶液会在毛细多孔介质中进行扩散。常用的水泥石属于碱性材料，如硅酸盐水泥完全水化后会生成约25％的Ca(OH)₂，溶于孔隙水中的H⁺会与其发生反应，最后导致水泥石中的片状Ca(OH)₂大量生成CaCO₃与Ca(HCO₃)₂；当Ca(OH)₂被消耗完后，CO₂还会与C-S-H凝胶发生反应生成非胶结性的无定性SiO₂，使得水泥石的整体胶结性能被破坏。最终水泥石的承压能力降低甚至失效，水泥环对于层间流体的封隔作用失效，从而引发漏失严重的问题，甚至发生气窜、油窜等工程事故。

目前对于高含CO₂气体井况下水泥石被腐蚀的研究，主要集中于抗CO₂腐蚀油井水泥体系的研究上(席方柱,谭文礼,孙富全,等.耐CO₂腐蚀固井水泥浆的研究及应用[J].钻井液与完井液,2011(11),28:13-17.)，表征方法主要是通过抗压强度、渗透率以及微观形貌表征，但是其养护环境最高只达到了5MPa，相较于现场井况高达40MPa的压力，其实验仪器设备带来的弊端使得论文不能更加合理地贴合实际工况；也有研究(冯福平,丛子渊,严茂森,等.CO₂腐蚀后沿腐蚀方向水泥石等效渗透率评价方法[P].黑龙江省：CN110954462B,2021-12-14.)涉及到CO₂腐蚀后沿着腐蚀方向水泥石渗透率变化的评价方法，但是该理论方法缺少实验验证；而对于传统室内实验研究CO₂腐蚀水泥石的方法，主要是对腐蚀后的水泥石样品进行取芯处理，然后进行渗透率、孔隙度的测试，然而对水泥石取芯过程中，会对水泥石产生剪切力，其会对水泥石本身的结构造成损伤，对水泥石的渗透率、孔隙度的测试造成误差。

因此，研发一套模拟水泥石在高温高压条件、地层围压应力以及酸性气体CO₂耦合作用条件下，自身孔隙度、渗透率发生变化的测试方法以及装置，更加科学地测试水泥石在CO₂腐蚀后自身性能变化的规律，成为当务之急。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟高含CO₂井下工况的水泥石养护装置及测试方法，原理可靠，结构合理，测试过程十分灵活，容错率高，能够同时耦合井下高温高压环境、地层围压应力以及酸性气体CO₂腐蚀等多重条件，有效科学地模拟测试CO₂腐蚀后水泥石的孔隙度、渗透率性能。

本发明提供的模拟高含CO₂井下工况的水泥石养护装置，包括耐高温高压釜体、压力控制系统和温度控制系统；

所述耐高温高压釜体内设有一模拟套管，所述模拟套管的两端分别固定于所述耐高温高压釜体的釜盖和釜底；

所述耐高温高压釜体与所述模拟套管之间的环腔用于注入水泥浆形成水泥石，精准模拟固井工况下的地层组成，使得后续测试结果更加贴合实际工况；

所述耐高温高压釜体的釜盖上设有CO₂进气口，釜底上设有CO₂出气口，所述CO₂进气口与CO₂气瓶连接，用于向所述耐高温高压釜体内注入CO₂；

所述压力控制系统用于对所述水泥石进行端压和环压的控制和监测；

所述温度控制系统用于对所述水泥石的温度进行控制和监测。

上述的水泥石养护装置中，所述模拟套管与所述釜底的配合端面上设有垫片，以防止所述耐高温高压釜体与所述模拟套管之间产生相互损伤；

所述耐高温高压釜体的内壁上设有环压保护垫圈，其作用是隔离环压与内压，防止环压与内压串通导致的测量失败。

上述的水泥石养护装置中，所述水泥石与所述釜盖与所述釜底之间设有蜂窝陶瓷板，其作用是使得CO₂可从端面进入水泥石。

上述的水泥石养护装置中，所述釜盖上设有压力传感器，所述压力传感器与控制面板连接；

所述CO₂进气口与井压端压增压泵连接，用于模拟井压的端压；

所述耐高温高压釜体的侧壁上设有环压进气口，所述环压进气口与井压环压增压泵连接，用于模拟井压的环压。

上述的水泥石养护装置中，所述井压端压增压泵和井压环压增压泵均与所述控制面板连接，并通过控制面板控制端压合环压大小。

上述的水泥石养护装置中，所述耐高温高压釜体的侧壁上设有若干个均匀布置的所述环压进气口。

上述的水泥石养护装置中，所述模拟套管内设有温度控制器，所述釜盖上设有温度传感器，所述温度控制器和所述温度传感器均与控制面板连接，实现对所述水泥石的温度的控制和监测。

利用本发明装置模拟高温高压高含CO₂酸性气体井下工况水泥石的养护时，可按照下述步骤进行：

将水泥浆注入至所述水泥石养护装置中所述耐高温高压釜体与所述模拟套管之间的环腔中形成水泥石；

通过所述CO₂进气口注入CO₂；

利用所述压力控制系统和所述温度控制系统对所述水泥石进行加热和增压，进行所述水泥石的养护；

所述养护的条件如下：

温度不高于150℃；

压力不高于50MPa；

二氧化碳压力最大30MPa。

养护后，按照下述步骤进行水泥石的孔隙度和渗透率的测试：

打开所述CO₂出气口，测量CO₂的出口处流量作为渗透流量，根据CO₂的进气流量与所述渗透流量，得到ss水泥石的孔隙度和渗透率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)能够精准模拟水泥石在高含CO₂井下工况服役情况，并且装置耐高温高压(温度能达到220℃，压力能达到70MPa)，耐腐蚀性能优异，能够生动模拟水泥浆体在高含CO₂酸性气体下的稠化硬化以及水化反应情况；

(2)对比性良好，能够测试对比在不同气体氛围下，水泥石服役的孔隙度-渗透率差异，为水泥石在恶劣井况下防油窜、气窜做理论基础；

(3)装置结构设计安全可靠。

本发明可用于模拟油气井固井过程中水泥浆体在地层下的高温高压以及酸性气体CO₂腐蚀耦合条件下水泥石的水化反应及水化硬化情况，能够测试耦合条件下水泥石孔隙度-渗透率的变化情况，尤其适用于一些高温高压高含CO₂的固井工况，能够有效避免因水泥石因孔隙度-渗透率被破坏，力学性能下降，影响开采作业。

附图说明

图1为本发明模拟高含CO₂井下工况的水泥石养护装置的结构示意图。

图2为常规水泥浆在不同CO₂分压条件下腐蚀30d的热分析曲线。

图3为常规水泥浆在不同CO₂分压条件下腐蚀60d的热分析曲线。

图1中各标记如下：

1—高温高压耐腐蚀釜体；2—耐腐蚀釜体釜盖；3—耐腐蚀釜体釜底；4—下层蜂窝陶瓷板；5—水泥环；6—模拟套管；7—加热控制器；8—上层蜂窝陶瓷板；9—压力采集单元；10—CO₂进气口(高强度螺栓)；11—温度采集单元；12—套管堵头(釜盖高强度螺栓)；13—环压进气口(高强度螺栓)；14—CO₂出气口(渗透气体)；15—套管堵头(釜底高强度螺栓)；16—套管垫片；17—温度/压力数据处理器；18—CO₂气源；19—CO₂气源阀门；20—CO₂气压表；21—气体(流入)流量计；22—井压端压增压泵；23—端压增压气压表；24—端压增压安全阀门；25—井压环压增压泵；26—环压增压安全阀门；27—环压增压气压表；28—气体(流出)流量计；29—气体流出阀门；30—控制面板；31—数据显示系统；32—阀门，33—压保护垫圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

本发明提供的模拟井下高温高压与高含酸性CO₂气体腐蚀耦合条件作用井况下水泥石的养护装置的结构示意图如图1所示，主要包括高温高压耐腐蚀釜体系统、模拟固井工况组成系统、压力控制系统等。

如图1所示，高温高压耐腐蚀釜体系统包括高温高压耐腐蚀釜体1、耐腐蚀釜体釜盖2、耐腐蚀釜体釜底3、套管堵头(釜盖高强度螺栓)12、套管堵头(釜底高强度螺栓)13、套管垫片16以及环压保护垫圈33，耐腐蚀釜体釜盖2通过套管堵头12与高温高压耐腐蚀釜体1配合，耐腐蚀釜体釜底3通过套管堵头13与高温高压耐腐蚀釜体1配合。高温高压耐腐蚀釜体1的内壁上设有环压保护垫圈33，模拟套管6通过套管堵头15固定于耐腐蚀釜体釜盖2和耐腐蚀釜体釜底3上，且模拟套管6的底部与耐腐蚀釜体釜底3之间设有套管垫片16，防止高温高压耐腐蚀釜体1与模拟套管6之间产生相互损伤，两者形成的环腔区域内用于注入试验用水泥浆体，形成水泥环5。

如图1所示，模拟固井工况组成系统主要包括水泥环5、模拟套管6、下层蜂窝陶瓷板4、上层蜂窝陶瓷板8，模拟井下套管与水泥环胶结方式，水泥环配方使用试验用固井水泥浆体系。其中，水泥环5的顶部和底部分别设置上层蜂窝陶瓷板8和下层蜂窝陶瓷板4。

如图1所示，压力控制系统主要包括压力采集单元9、CO₂气源18、井压端压增压泵22、井压环压增压泵25等，对釜体内部水泥浆体稠化硬化的压力进行模拟监测。其中，CO₂输入管路上设有气体流量计21，CO₂气源18与CO₂进气口连接的管路上设置CO₂气源阀门19和CO₂气压表20。耐腐蚀釜体釜底3上设有CO₂出气口14，与之连接的管路上设有气体(流出)流量计28和气体流出阀门29。井压端压增压泵22与CO₂进气口连接的管路上设置端压增压气压表23和端压增压安全阀门24，井压环压增压泵25与高温高压耐腐蚀釜体1的侧壁上设置的环压进气口13连接的管路上设置环压增压安全阀门26和环压增压气压表27。气体流量计21、井压端压增压泵22、井压环压增压泵25均与控制面板30连接，控制面板30与数据显示系统31连接，实现压力的控制和监测。

如图1所示，温度控制系统主要包括加热控制器7、温度采集单元11等，对釜体内部水泥浆体稠化硬化的温度进行模拟监测。其中，加热控制器7设于模拟套管6内，温度采集单元11设于耐腐蚀釜体釜盖2上，加热控制器7和温度采集单元11均与控制面板30连接，实现温度的控制和监测。

利用上述装置模拟高含CO₂酸性气体井下工况水泥石的养护及孔隙度-渗透率测试，养护测试过程具体操作如下：

试验前将存在螺纹的零部件全部进行涂油处理，关闭所有阀门，打开高温高压耐腐蚀釜体1，安装好环压保护垫圈33，安装好耐腐蚀釜体釜底3、CO₂出气口14的螺栓。将模拟套管6安装至既定位置，将套管堵头(釜底高强度螺栓)15安装至既定位置，将下层蜂窝陶瓷板4安装至既定位置将预先配置好的水泥浆注入釜体内部，安装好上层蜂窝陶瓷板8，安装好加热控制器7。将耐腐蚀釜体釜盖2安装至既定位置，将压力采集单元9、CO₂进气口(高强度螺栓)10、温度采集单元11以及套管堵头(釜盖高强度螺栓)12安装至既定位置，拧紧上述步骤中所有螺栓，防止漏压，安装好环压进气口(高强度螺栓)13。

打开CO₂气源18的CO₂气源阀门19，对釜体内部进行输送CO₂处理，充入一定量的CO₂之后，打开阀门24以及26，利用控制面板30对釜体进行增压、加热操作，进行水泥石的养护。

打开气体流出阀门29，测试CO₂进气流量与出气流量(渗透流量)，测试计算水泥石的孔隙度-渗透率。

测试完毕后，关闭CO₂气源阀门19、端压增压安全阀门24和环压增压安全阀门26，打开阀门32，进行缓慢泄压处理。打开耐腐蚀釜体釜盖2，拧下套管堵头12，将模拟套管6以及水泥环5取出，由外到内依次拆除各零部件。关闭控制面板30，关闭数据显示系统31。清洗釜体及零部件。

操作结束。

利用上述装置，按照上述操作过程，开展模拟高温高压高含CO₂酸性气体井下工况下的水泥石养护及孔隙度-渗透率测试。

测试结果如表1所示，腐蚀条件为150℃×10MPa，其中常规水泥浆配方为：100％嘉华G级油井水泥+1％降失水剂G33S+0.5％分散剂XSY-2+0.5％消泡剂+44％水，防腐蚀SBR胶乳体系水泥浆配方为：100％嘉华G级油井水泥+5％SBR胶乳+1％G33S+0.5％SXY-2+44％水。

表1腐蚀前后水泥石性能对比

从表1的测试结果可以看出，腐蚀后水泥石的孔隙度-渗透率均增大，并且随着腐蚀时长的增加，腐蚀深度增加。表明本发明装置测试结果的可靠性。

并且为了进一步验证测试仪器的严谨性，对常规水泥浆在不同CO₂分压条件下腐蚀30d以及60d的试样进行了热分析测试，测试结果如图1所示。

从图1的测试结果可以看出，随着CO₂压力的增大，水化产物Ca(OH)₂含量明显减少，CaCO₃明显增多。存在反应式：

釜体中的CO₂与水化产物Ca(OH)₂反应，生成CaCO₃。同时，在相同CO₂压力的情况下，随着腐蚀市场的增加，CaCO₃继续增多，水化产物Ca(OH)₂含量继续减少，更多的Ca(OH)₂与CO₂，导致水泥石的孔隙度-渗透率降低。

综上所述，本发明模拟高含CO₂井下工况的水泥石养护装置测试结果科学且可靠。

Claims (10)

1.一种模拟高含CO₂井下工况的水泥石养护装置，包括耐高温高压釜体、压力控制系统和温度控制系统；

所述耐高温高压釜体内设有一模拟套管，所述模拟套管的两端分别固定于所述耐高温高压釜体的釜盖和釜底；

所述耐高温高压釜体与所述模拟套管之间的环腔用于注入水泥浆形成水泥石；

所述耐高温高压釜体的釜盖上设有CO₂进气口，釜底上设有CO₂出气口，所述CO₂进气口与CO₂气瓶连接，用于向所述耐高温高压釜体内注入CO₂；

所述压力控制系统用于对所述水泥石进行端压和环压的控制和监测；

所述温度控制系统用于对所述水泥石的温度进行控制和监测。

2.根据权利要求1所述的水泥石养护装置，其特征在于：所述模拟套管与所述釜底的配合端面上设有垫片；

所述耐高温高压釜体的内壁上设有环压保护垫圈。

3.根据权利要求1或2所述的水泥石养护装置，其特征在于：所述水泥石与所述釜盖与所述釜底之间设有蜂窝陶瓷板。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的水泥石养护装置，其特征在于：所述釜盖上设有压力传感器，所述压力传感器与控制面板连接；

所述CO₂进气口与井压端压增压泵连接，用于模拟井压的端压；

所述耐高温高压釜体的侧壁上设有环压进气口，所述环压进气口与井压环压增压泵连接，用于模拟井压的环压。

5.根据权利要求4所述的水泥石养护装置，其特征在于：所述井压端压增压泵和井压环压增压泵均与所述控制面板连接，通过所述控制面板控制端压与环压的大小。

6.根据权利要求4或5所述的水泥石养护装置，其特征在于：所述耐高温高压釜体的侧壁上设有若干个均匀布置的所述环压进气口。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的水泥石养护装置，其特征在于：所述模拟套管内设有温度控制器，所述釜盖上设有温度传感器，所述温度控制器和所述温度传感器均与控制面板连接，实现对所述水泥石的温度的控制和监测。

8.一种模拟高温高压高含CO₂酸性气体井下工况水泥石的养护方法，包括如下步骤：

将水泥浆注入至权利要求1-7中任一项所述水泥石养护装置中所述耐高温高压釜体与所述模拟套管之间的环腔中形成水泥石；

通过所述CO₂进气口注入CO₂；

利用所述压力控制系统和所述温度控制系统对所述水泥石进行加热和增压，进行所述水泥石的养护。

9.根据权利要求8所述的养护方法，其特征在于：所述养护的条件如下：

温度不高于150℃；

压力不高于50MPa；

二氧化碳压力最大30MPa。

10.一种模拟高温高压高含CO₂酸性气体井下工况水泥石的孔隙度和渗透率的测试方法，包括如下步骤：

按照权利要求8或9的方法进行水泥石的养护；

打开所述CO₂出气口，测量CO₂的出口处流量作为渗透流量，根据CO₂的进气流量与所述渗透流量，进而得到水泥石的孔隙度和渗透率。

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