一种耐高温高压泡沫水泥浆强度养护系统及其方法

摘要

本发明属于油田低密度固井领域，尤其涉及一种模拟井下条件的泡沫水泥浆强度养护系统，所述系统包括泡沫水泥浆耐高温高压强度养护浆杯，泡沫水泥浆混配浆杯以及带压管路；所述混配浆杯在所述带压管路下进行泡沫水泥浆发泡和混浆；之后将预混后泡沫水泥浆带压输入所述养护浆杯中，对泡沫水泥浆进行强度养护；所述养护浆杯设置为带压结构，用于模拟井下高温高压环境；所述带压结构采用浆杯内设置活塞结构。解决实验室评价模拟井下复杂条件下泡沫水泥石强度发展趋势的规律的问题，对于优选物理发泡剂和现在进行泡沫水泥浆固井作用具有指导作用。

说明书

技术领域

本发明属于油田低密度固井领域，尤其涉及一种模拟井下条件的泡沫水泥 浆强度养护设备。

背景技术

泡沫水泥是指在常规水泥浆中混入一定量的泡沫,形成固、液、气三相 且具有高度分散性的多相体系。泡沫水泥固井主要是降低水泥浆密度，从而降 低环空水泥浆段的液柱压力，以解决低压易漏油层的固井漏失问题，并起到保 护油层的作用。泡沫水泥浆虽然在50多年前就己被用于建筑行业，但是油井泡 沫水泥浆还是在1975年由美国的Aldrich和Mitchell首次提出，1984年，Smith 等人在加拿大东海岸的深水地区，使用泡沫水泥进行固井，成功实现了长封固、 漏失地层的一次性固井作业。在国内，对使用泡沫水泥进行固井施工的研究始 于1985年，随后相继在各个油田得以研究和发展，此外随着发泡和稳泡技术的 发展，以及固井设备性能的提高，使得泡沫低密度水泥固井技术得到迅速发展。 现在泡沫水泥浆主要包括：物理发泡机械混合和化学反应发泡。物理机械发泡 又分成将泡沫预先发好然后与水泥浆泵前混合和在水泥车泵后充氮发泡两者方 式，化学发泡是将发泡剂和泡沫稳定剂分别混入灰样和配浆水中，在固井施工 的过程中两者因化学反应产生气泡。与化学反应生成氮气相比，机械充氮泡沫 水泥的强度明显要高。因为化学发泡的水泥浆中含有强氧化剂，对水泥石的整 体性能会产生破坏。且由于化学发泡的化学剂中亚硝酸盐和氨具有腐蚀性和毒 性，亚硝酸盐和氧化剂与水泥浆外加剂相互之间的作用关系复杂，所以没有推 广开。

随着泡沫固井技术的发展，国内尽管泡沫固井技术已在现场展开，但室内 对泡沫水泥浆的研究还仅限于从理论上对泡沫水泥浆的性能影响规律进行研 究，对泡沫水泥浆的物理发泡的实验室研究最关键的是模拟井下的高温高压的 条件，在泡沫固井注水泥施工过程中，泡沫水泥浆的流动都存在一定压力，而 且泡沫水泥浆的体积和密度变化都受压力的影响，因此要真实的测定现场泡沫 水泥浆的性能，需在密闭带压条件下进行。目前室内采用的机械注氮方式产生 泡沫的方式多为机械搅拌发泡，它是将发泡液倒入搅拌浆杯中，然后用搅拌机 的叶片剪切发泡液，通过在气体（一般指氮气）中搅动液体，把气体搅入液体 中而产生泡沫，通过水泥浆和泡沫混合的相关装置，采用泡沫在带压的情况下 产生，在密闭的容器中和水泥浆混合均匀，并在压力的作用下注入本专利提及 的高温高压养护浆杯，放入油井水泥石强度评价的高温高压养护釜中进行养护 的方式，泡沫水泥浆在一定龄期内养护成型，然后脱模，测定泡沫水泥石的强 度及渗透率变化规律，为现场推广泡沫水泥浆的应用具有指导性的作用。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的技术问题，提出了一种耐高温高压泡沫 水泥浆强度养护系统及其方法，该装置能解决实验室评价模拟井下复杂条件下 泡沫水泥石强度发展趋势的规律的问题，对于优选物理发泡剂和现在进行泡沫 水泥浆固井作用具有指导作用。

本发明的技术方案为

一种耐高温高压泡沫水泥浆强度养护系统，所述系统包括泡沫水泥浆耐高 温高压强度养护浆杯，泡沫水泥浆混配浆杯以及带压管路；所述混配浆杯在所 述带压管路下进行泡沫水泥浆发泡和混浆；之后将预混后泡沫水泥浆带压输入 养护浆杯中，对水泥石进行强度养护；

所述养护浆杯设置为带压结构，用于模拟井下高温高压环境；所述带压结 构采用浆杯内设置活塞结构。

所述带压管路包括高压氮气罐，高压管线和控制阀；所述混配浆杯在所述 带压管路的加压环境下进行发泡和混浆。

在具体的发明里，所述的养护浆杯包括浆杯1，底座2，三通阀杆8，活塞 3，活塞座10和备压螺杆12；所述三通阀杆8设置底座2内，且在所述阀杆8 上设置有水平进液口和底座密封螺钉13；所述活塞3设置在所述浆杯1内腔中； 所述备压螺杆12一端通过工字型活塞座10与活塞3接触式连接，另一端通过 螺扣穿过连杆4，把手设置在所述浆杯1外，用于控制压力。

为了配合带压结构，所述养护浆杯还包括一组固定件和一组密封件；所述 固定件包括底座2，底座密封螺钉13，活塞螺钉9，活塞挡环11，连杆4和连 杆螺钉5；所述密封件包括底座密封螺钉13，O型密封圈15，底座2的O型密 封圈6以及活塞3的O型密封圈7；

所述浆杯1与底座2丝扣密封连接，并通过底座2的O型密封圈6密封； 所述三通阀杆8设置在所述底座2内，所述三通阀杆8设置在所述底座2内， 且通过所述底座密封螺钉13控制所述三通阀杆8的开闭，所述O型密封圈15 密封所述三通阀杆8；所述活塞螺钉9与所述活塞3螺扣密封连接，且所述活塞 通过活塞3的O型密封圈7与所述浆杯1内壁密封；所述活塞挡环11设置在浆 杯1的顶端，并通过丝扣固接在浆杯1内，所述连杆4通过连杆螺钉5与所述 浆杯1壁固接。

所述系统还包括一个高温高压釜，所述养护浆杯放入所述的高温高压釜进 行强度养护。

具体的应用中，所述压力范围控制在0.3-0.5MPa。

所述的活塞3直径30-60mm；浆杯1的高度150-250mm；厚度12-20mm， 且所述浆杯耐受压力为25-35MPa。

本发明的另一发明点是利用泡沫水泥浆强度养护系统进行养护的方法，所 述方法包括：

混浆步骤，所述混浆步骤包括将水泥基浆和泡沫混配；所述水泥基浆的密 度围为1.88-1.91g/cm³；泡沫是根据发泡剂发泡倍数的要求，由发泡剂的发泡 液高速剪切产生；所述混配比例为0.3-0.5%；

混浆输入养护浆杯步骤，所述步骤包括预混好的浆液通过带压管线将泡沫 水泥浆通过所述三通阀杆8的水平入口进入养护浆杯内，输入时，泡沫水泥浆 会通过三通阀杆8进入密封的浆杯内并且推动活塞3向上移动，为了控制活塞3 移动速率手动控制备压螺杆12的后退速率，所述后退速率根据泡沫和水泥浆混 配压力的不同，控制在1-3mm/s，保证泡沫水泥浆均匀的注入浆杯内，当活塞3 顶到所述活塞挡板11的位置时，断开所述三通阀杆8三通水平入口外的快速接 头并将三通阀杆8底端密封螺母拧紧关闭三通阀门；拧开螺母5并将备压螺杆 12和连杆4取下。

高温高压养护步骤，将取下备压螺杆12和连杆4的养护浆杯放入高温高压 釜，进行高温高压养护；养护的温度50-90℃，压力范围为：10-20MPa。

所述方法还包括检测步骤，泡沫水泥浆在带压的情况下注入养护浆杯通过 高温高压养护成型后形成水泥石，因此需要测定的强度和渗透率的水泥石是一 直放置在该浆杯中，将待测水泥石从养护浆杯中取出，测定其强度及渗透率

具体的水泥为G级油井水泥，水为一般的自来水，配制后水泥浆的 n=0.3-0.5,K=0.9-1.5之间。n值是流动指数，K是稠度系数，二者都是反映水 泥流变状态的参数，n值越小，K值越大水泥浆体流动性较弱，降低泡沫表面的 张力有利于泡沫在水泥浆内均匀混合，从而达到稳泡的作用。发泡剂为蛋白质 类液体发泡剂，发常压下泡倍数为18-25，泡沫形成后的高度变化半衰期为1800s 左右；备压螺杆为轴承钢，螺距为4.8-6.0mm；

本发明的耐高温高压泡沫水泥浆养护装置由柱体、底盖、带有密封圈的活塞 加有备压的上盖及快速转化接头组成。

本发明的特点如下：

（1）杯筒全部采用耐腐蚀、耐磨损的不锈钢材料，以能耐高温高压；

（2）上下杯盖特点：多丝扣，能耐25-35MPa的压力，上杯盖为空心顶住活塞 的挡环，下杯盖有一个带三抓底座的不锈钢盖；

（3）活塞材料选用加有上下密封圈的不锈钢材料,活塞直径30-60mm，浆杯的 底盖和运动活塞均采用O型圈密封，而活塞更是采用了双重密封方式以保证活 塞在运动的过程中的密封行，能有效保证浆杯能耐高压，而密封圈同样采用的 是抗高温的改性橡胶。

（4）备压系统由活塞座，备压螺杆，连杆组成，能给浆杯内的水泥浆施加稳定 的备压，通过摇动连杆，退出丝杆，慢慢释放备压，丝杆移动速率1-3mm/s，使 泡沫水泥浆可以缓慢均匀注入取样器中；

（5）直杯筒高度150-250mm；厚度12-20mm，活塞到顶部的设计高度正好是 热电偶能接触的高度，在进行高温高压养护时，能保证热电偶测得的温度与浆 杯内泡沫水泥浆养护的温度一致；

（6）配合使用的加压系统由高压氮气瓶、高压管线、放气阀和截止阀组成为泡 沫水泥浆提供带压的环境。

通过泡沫水泥浆高温高压养护浆杯养护后的泡沫水泥石体积完整，没有出 现体积收缩的现象，对于密度为1.5g/cm3的水泥石，测定其48h抗压强度为 12.4MPa，相应的渗透率为0.058md，相对于常压养护的泡沫水泥石，高温高压 养护后的水泥石的抗压强度较大，渗透率较低，能真实反映水泥石在井下的性 能。

附图说明

图1为泡沫水泥浆耐高温高压强度养护浆杯的外部结构示意图；

图2为泡沫水泥浆耐高温高压强度养护浆杯的外部正视结构示意图；

图3为泡沫水泥浆耐高温高压强度养护浆杯的内部结构示意图。

将结合发明内容和具体实施方式加以说明

图中，1-浆杯；2-底座；3-活塞；4-连杆；5-螺钉；6-O型圈；7-O型圈；8-三 通阀杆；9-螺钉；10-活塞座；11-活塞挡环；12-备压螺杆；13-底座密封螺钉； 14-底座支撑螺母；15-O型圈。

具体实施方式

所述的养护浆杯包括浆杯1，三通阀杆8，活塞3，活塞座10和备压螺杆 12；所述三通阀杆8设置在所述浆杯底座2内，且在所述三通阀杆8上设置有 水平进液口和底端密封口；所述活塞3设置在所述浆杯1内腔中；所述备压螺 杆12一端通过工字型活塞座10将活塞3和备压螺杆12接触式连接，另一端通 过螺扣穿过连杆4，把手设置在所述浆杯1外，用于控制压力。

为了配合带压结构，所述养护浆杯还包括一组固定件和一组密封件；所述 固定件包括底座2，底座密封螺钉13，活塞螺钉9，活塞挡环11，连杆4和连 杆螺钉5；所述密封件包括底座密封螺钉13的O型密封圈15，底座2的O型密 封圈6以及活塞3的O型密封圈7；

所述浆杯1与底座2丝扣密封连接，并通过底座2的O型密封圈6密封； 所述三通阀杆8设置在所述底座2内，而且通过三通阀杆8的O型密封圈15密 封；活塞螺钉9和活塞3通过螺扣密封连接，所述活塞座10通过工型将活塞3 和备压螺杆接触式连接，方便备压螺杆在活塞座10转动而不会拧松活塞螺钉9。 且所述活塞通过活塞3的O型密封圈7与所述浆杯1内壁密封；所述活塞挡环 11设置在浆杯1的顶端，并通过丝扣固接在浆杯1内，所述连杆4通过连杆螺 钉5与所述浆杯1壁螺扣固接。

所述的活塞3直径30-60mm；浆杯1的高度150-250mm；厚度12-20mm， 且所述浆杯耐受压力为25-35MPa。

泡沫水泥浆耐高温高压强度养护浆杯是配合着泡沫水泥浆混配浆杯使用 的，另外需要由高压氮气瓶、高压管线、放气阀和截止阀组成为泡沫水泥浆提 供带压的环境，泡沫水泥浆混配浆杯在加压系统提高的压力下进行发泡和混浆， 事先将2-底座和11-活塞挡板都拧紧密封好，4-连杆通过5-螺钉与1-浆杯固定 好，2-底座利用的丝扣与1-浆杯密封好，实验开始时活塞的位于浆杯的最底部。 预混好了之后通过带压管线将泡沫水泥浆通过三通8-阀杆的水平入口进入养护 浆杯内，因为浆杯内的压力小于加压系统，泡沫水泥浆会通过阀杆进入浆杯内 并且推动活塞向上移动，为了控制活塞移动速率要手动控制12-备压螺杆的后退 速率保证泡沫水泥浆能均匀的注入浆杯内，当3活塞顶到11-活塞挡板的位置时， 断开所述三通阀杆（8）水平入口外的快速接头并将底端密封螺母拧紧关闭三通 阀门；拧开螺母（5）并将备压螺杆(12)和连杆（4）取下。

实例1：

在泡沫水泥浆混浆杯中，水泥基浆密度1.88g/cm³，泡沫由含0.3%的发泡剂 的发泡液高速剪切产生。泡沫和水泥浆以质量比为5:100混配，通过加压系统 提高0.3-0.5MPa的压力将混浆杯内的泡沫水泥浆通过快速转化接头注入高温高 压养护浆杯中，在注入的过程中，同时调节备压螺杆，保证进入高温高压养护 浆杯内泡沫水泥浆均匀，没有游离气进入，保证养护后的水泥石的完整性。

实例2

在泡沫水泥浆混浆杯中，水泥基浆密度1.89g/cm³，泡沫由含0.3%的发泡剂 的发泡液高速剪切产生。泡沫和水泥浆以质量比为3:100混配，通过加压系统 提高0.3-0.5MPa的压力将混浆杯内的泡沫水泥浆通过快速转化接头注入高温高 压养护浆杯中，在注入的过程中，同时调节备压螺杆，保证进入高温高压养护 浆杯内泡沫水泥浆均匀，没有游离气进入，保证养护后的水泥石的完整性。

表1：实例1对比实验结果

表2：实例2对比实验结果