超高温高压窄密度窗口地层的控压固井工艺模拟评价装置及方法

摘要

本发明公开了一种超高温高压窄密度窗口地层的控压固井工艺模拟评价装置及方法。所述装置的结构为：高温高压釜体的釜盖上设有管线Ⅰ连接增压泵和釜体的腔体，管线Ⅰ上设有釜体增压压力表；釜体连接温度控制装置；釜体的上中下均设有至少一个水泥浆柱压力测试单元，用于监测高温高压釜体内水泥浆的静液柱压力；釜体的釜底上设有管线Ⅱ连接空气压缩泵和釜体的腔体。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养护条件以及窄密度窗口等实际工况，也可以测试研究固井水泥浆在高温高压、窄密度窗口条件下固井水泥浆从液态—塑性态—固态整个过程中的静液柱压力，能够有效避免油气窜入凝结过程中的水泥浆而引发井口带压，溢流、井喷等工程事故的发生。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高温高压窄密度窗口地层的控压固井工艺模拟评价装置及方法，属于油气井固井领域。

背景技术

在固井材料中最主要的材料即是固井水泥浆。油气井固井工程所使用水泥浆是一种时变性浆体，在其硬化阶段将会经历液态、过渡态到固态的结构演变，当固井水泥浆开始进入液-固转变(过渡态)时，水泥浆的静液压力将会快速降低，业内称该过程为“压降”。在侯凝阶段(过渡态)，固井作业常因“压降”而发生意想不到的工程事故，轻则降低固井质量，重则引发“井喷”等严重事故。

当固井水泥浆开始进入过渡侯凝状态时，因其内部水化反应导致浆体内部的液柱压力(P)逐渐降低，而此时侯凝状态的水泥水化程度又较低，水泥石本身水化产物较少，不具备较好的力学性能，而地层压力(P

目前国内外对于固井水泥浆“压降”有着大量的研究，研究指出造成固井水泥浆出现“压降”现象的原因有很多：比如胶凝强度的发展、水泥浆桥堵、水泥浆体积收缩等。国外学者Fred(Fred L.Sabins,John M.Tinsley,David L.Sutton.Transition time ofcement slurries between the fluids and set states[J].Society of PetroleumEngineers Journal,1982,22(6):875-882.)提出水泥浆“压降”与胶凝强度之间为一线性关系，并且推导出了水泥浆压降与胶凝强之间的计算模型；而国内学者张兴国(张兴国,冯明,贺秋云,等.对水泥浆失重与胶凝强度之间关系的新认识[J].钻采工艺,2002,25(6):77-80.)对水泥浆“压降”与胶凝强度的关系进行了进一步的研究，其研究结果表明水泥浆“压降”与水泥浆静胶凝强度间的关系并不是简单的线性关系，而是比较复杂的分段函数的关系。国内外的研究工作者为了找出水泥浆的失重规律，根据各自所需要的研究内容以及目的，设计出相关的实验设备。但是现有的研究无法深度模拟出固井水泥浆体在井下的传压的情况，并且更多的是测试早期水化的精液柱压力，难以表征固井水泥浆从液态→塑性态→固态凝结全过程的静液柱压力变化规律。例如刘崇建(刘崇建,谢应权,郭小阳,等.水泥浆凝结过程的气窜问题[J].西南石油学院学报,1998,20(4):47-52.)等制作的水泥浆失重装置，研究了水泥浆在有无泥饼情况下大的桥堵失重以及气侵规律，该装置主要针对的是直井套管居中的水泥浆失重模拟，因此其设备就没有考虑出现偏心以及倾斜等情况的模拟。

因此，研发一套油气井固井领域模拟井下固井水泥浆过渡态演变过程中水泥浆的液柱压力将发生变化的测试装置和测试方法，更加科学地测试与对比在各种情况下固井水泥浆过渡态演变过程中水泥浆的液柱压力，成为当务之急。

发明内容

本发明的目的是提供一种超高温高压窄密度窗口地层的控压固井工艺模拟评价装置，该装置能够在各种情况下测试和对比固井水泥浆过渡态演变过程中水泥浆的液柱压力，测试原理可靠，结构合理，测试过程十分灵活而且能够模拟多种情况下油井水泥浆过渡态演变过程中水泥浆的液柱压力。

本发明所提供的超高温高压窄密度窗口地层的控压固井工艺模拟评价装置，包括高温高压釜体；

所述高温高压釜体的釜盖上设有一管线Ⅰ连接增压泵和所述高温高压釜体的腔体，所述管线Ⅰ上设有釜体增压压力表，所述高温高压釜体的覆盖上连接一泄压管线，所述泄压管线上设有高压泄压阀门；

所述高温高压釜体连接一温度控制装置，用于加热所述高温高压釜体；

所述高温高压釜体的上部、中部和下部均设有至少一个水泥浆柱压力测试单元，用于监测所述高温高压釜体内水泥浆的静液柱压力；

所述高温高压釜体的釜底上设有一管线Ⅱ连接空气压缩泵和所述高温高压釜体的腔体，所述管线Ⅱ上设有气窜增压安全阀门和气窜测试压力表，所述空气压缩泵对所述高温高压釜体内部进行模拟气窜，所述气窜测试压力表最大示数即为最大胶结强度；

所述高温高压釜体的釜盖和釜底上均连接有搅拌器。

上述的控压固井工艺模拟评价装置中，所述管线Ⅰ上还设有釜体增压安全阀门；

所述增压泵为液压式增压泵；

所述增压泵还连接一回压补偿平流泵，用于补压。

上述的控压固井工艺模拟评价装置中，所述温度控制装置包括设于所述高温高压釜体的夹套内的加热套，所述加热套内设有温度传感器，以有效、准确的控制水泥浆的温度。

上述的控压固井工艺模拟评价装置中，所述水泥浆柱压力测试单元为压力传感器，以对水泥浆体内部的压力进行实时监测，用以精准分析水泥浆体的传压变化；

沿所述高温高压釜体的同一高度处优选布置两个对称的所述水泥浆柱压力测试单元，保证固井水泥浆静液柱压力测试结果准确性的关键，实现实时监测水泥浆侯凝过程中的传压变化。

上述的控压固井工艺模拟评价装置中，所述高温高压釜体连接一釜体可倾斜支架，所述釜体可倾斜支架设于一釜体可倾斜支架底座上，可适当根据油气井实际角度调节仪器角度使用。

上述的控压固井工艺模拟评价装置中，所述搅拌器与搅拌电机和所述高温高压釜体的釜盖或釜底连接形成一整体，可通过螺栓连接；

所述搅拌器进行搅拌，能够模拟实际固井作业后环空水泥浆中水泥浆的流动情况，使其一致处于动态情况下侯凝。

上述的控压固井工艺模拟评价装置中，

上述的控压固井工艺模拟评价装置中，所述增压泵、所述温度控制装置、所述水泥浆柱压力测试单元和所述搅拌器均与控制控制面板连接，所述控制面板与计算机连接，所述计算机能够对所测试的数据进行采集处理绘图操作，以便于能够直观观察到静液柱压力变化。

本发明还提供了利用上述装置模拟井下固井水泥浆过渡态演变过程中水泥浆的液柱压力的测试方法，包括如下步骤：

S1、将水泥浆注入至所述控压固井工艺模拟评价装置中的所述高温高压釜体中，关闭所述高压泄压阀门和所述气窜增压安全阀门；

S2、启动所述温度控制装置和所述增压泵，对所述高温高压釜体内的水泥柱进行增压加热处理，并开启所述搅拌器；

S3、利用所述水泥浆柱压力测试单元测试所述水泥浆的静液柱压力；当压力降至设置的最低补偿压力时，利用回压补偿平流泵自动进行补压操作；采集得到的压力下降曲线以及补压时间；

S4、打开所述气窜增压安全阀门和所述空气压缩泵，向所述高温高压釜体内注入高压气体以对所述水泥柱进行气侵气窜模拟测试；待所述水泥柱发生气窜后，关闭所述空气压缩泵和所述气窜增压安全阀门，所述气窜测试压力表上的最大读数即为水泥柱防气窜最大胶结强度。

现有技术相比，本发明具有以下增益效果：

1、测试方式简单，固井水泥浆静液柱压力测试过程中水泥浆将直接与高精压力传感器接触；在井筒模拟装置顶部及底部内测等设计了多个温度压力传感器，能够模拟水泥浆顶替到位后，记录沿井筒剖面随时间、压力温度的变化情况。

2、测试结果全面，能够测试固井水泥浆从液态—塑性态—固态整个过程中的静液柱压力变化。测试范围较广，能够模拟不同温度(0～200℃)、压差(0～20MPa)下的地层情况。

3、对比性较好，能够直接对比固井水泥浆凝结全过程的静液柱压力。

4、能够精准模拟固井时地下工况的组成，能够模拟高温、高压、窄密度窗口等实际工况，能够生动模拟水泥浆体的稠化以及养护条件。

5、具有回压补偿操作，并且能够模拟水泥浆体动态流动。

6、可模拟气侵工况，具备通气验窜功能，评价固井质量优劣。

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养护条件以及窄密度窗口等实际工况，也可以测试研究固井水泥浆在高温高压、窄密度窗口条件下固井水泥浆从液态—塑性态—固态整个过程中的静液柱压力，尤其适用一些高温高压地层下的固井水泥浆凝结全过程的静液柱压力研究，能够有效避免油气窜入凝结过程中的水泥浆而引发井口带压，溢流、井喷等工程事故的发生。

附图说明

图1为本发明模拟油气井固井领域超高温高压窄密度窗口地层的控压固井工艺模拟评价装置的结构示意图。

图中各标记如下：

1—釜体釜盖；2—釜盖高强度螺栓；3—高压泄压阀门；4—釜体泄压口；5—高温高压釜体；6—加热套；7—水泥浆柱上端压力测试单元；8—釜体可倾斜支架；9—水泥浆柱下端搅拌器；10—釜体釜底；11—釜底高强度螺栓；12—釜底搅拌器电机；13—釜体可倾斜支架底座；14—水泥浆柱下端压力测试单元；15—水泥浆柱中端压力测试单元；16—水泥浆柱上端搅拌器；17—釜体增压安全阀门；18—釜体增压压力表；19—釜盖搅拌器电机；20—液压式增压泵；21—回压补偿平流泵；22—控制面板；23—数据采集及处理系统；24—温度传感器；25—气窜测试口；26—气窜测试压力表；27—气窜增压安全阀门；28—空气压缩泵。

图2为纯水泥浆体的侯凝失重曲线。

图3为不同温度条件下复配水泥浆体的侯凝失重曲线。

图4为90℃条件下水泥浆体失重曲线的复核试验结果，符合图3所得数据进行拟合后的关系式。

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。

如图1所示，为本发明提供的超高温高压窄密度窗口地层的控压固井工艺模拟评价装置的结构示意图，包括固井水泥浆侯凝传压系统、温度控制系统、压力控制系统、压力补偿系统、搅拌系统、数据采集及处理系统等。

如图1所示，固井水泥浆侯凝传压系统主要包括高温高压釜体5、加热套6、釜体釜盖1、釜盖高强度螺栓2、水泥浆柱上端搅拌器16、釜盖搅拌器电机19、釜体釜底10、釜底高强度螺栓11、水泥浆柱下端搅拌器9、釜底搅拌器电机12、水泥浆柱上端压力测试单元7、水泥浆柱下端压力测试单元14、水泥浆柱中端压力测试单元15、釜体可倾斜支架8以及支架底座13。其中，加热套6位于高温高压釜体5内部，釜体釜盖1与釜盖搅拌器电机19、水泥浆柱上端搅拌器16连接为一整体，釜体釜底10与水泥浆柱下端搅拌器9、釜底搅拌器电机12连接为一整体。水泥浆柱上端压力测试单元7、水泥浆柱中端压力测试单元15和水泥浆柱下端压力测试单元14分别设置在高温高压釜体5的上部、中部和下部，不同位置处可设置多个水泥浆柱压力测试单元，多个水泥浆柱压力测试单元之间可沿高温高压釜体5的周向均匀布置，水泥浆柱压力测试单元优选为压力传感器。釜体可倾斜支架8与支架底座13连接，釜体可倾斜支架8连接高温高压釜体1中部，可适当根据油气井实际角度调节仪器角度使用。

如图1所示，温度控制系统主要包括加热套6、温度传感器24、控制面板22，温度传感器位于加热套6内，加热套6主要是对釜体内部进行高温加热处理，模拟井下高温环境。

如图1所示，压力控制系统主要包括液压式增压泵20、回压补偿平流泵21、釜体增压压力表18、釜体增压安全阀门17、高压泄压阀门3以及釜体泄压口4，主要是对釜体内部进行增压处理，模拟井下高压环境。其中，控制面板22、回压补偿平流泵21、液压式增压泵20依次连接，液压式增压泵20与高温高压釜体5连接的管线上设置、釜体增压压力表18和釜体增压安全阀门17。其中在水泥浆液柱传压能力下降，导致传压能力下降，水泥浆上端压力测试单元7测得压力与水泥浆下端压力测试单元14不一致，甚至下端压力测试单元14测得压力低于设定值时，回压补偿平流泵21进行自动补压，并且回压系统补偿精度为1kPa，将压力增压至下端压力测试单元14测得值高于设定值，具备压力数据的实时连续记录和传输功能。

如图1所示，搅拌系统主要包括水泥浆柱下端搅拌器9、釜底搅拌器电机12、水泥浆柱上端搅拌器16以及釜盖搅拌器电机19，主要是对水泥浆柱进行搅拌，模拟井下水泥浆体流动的情况，采用磁力传动机理，转速满足0～800r/min无极调速，以保证所测得值为动态流动下的静液柱压力。

如图1所示，气侵气窜模拟系统主要包括空气压缩泵28、气窜增压安全阀门27、气窜测试口25以及气窜测试压力表26。水泥浆体在养护完成后，利用空气压缩泵28对釜体内水泥进行气侵气窜模拟，其中压力表最大读数即为水泥石防气窜的最大胶结强度。

如图1所示，数据采集及处理系统23主要包括计算机，对所测试的数据进行采集处理绘图操作，以便于能够直观观察到静液柱压力变化。

利用上述装置模拟超高温高压条件下窄密度窗口地层的控压固井过程中水泥浆柱压力变化，测试过程如下：

将存在螺纹的零部件进行涂油处理，按照既定位置安装好釜体釜底10以釜底及高强度螺栓11，将配置好的水泥浆注入釜体中，安装好釜体釜盖1以及釜盖高强度螺栓2，关闭釜体高压泄压阀门3以及气窜增压安全阀门27，利用控制面板22打开液压式增压泵20以及釜体内加热套6的开关，进行增压加热处理，并打开上下两个搅拌器的开关。利用水泥浆柱上端压力测试单元7、水泥浆柱下端压力测试单元14以及水泥浆柱中端压力测试单元15测试静液柱压力。设置最低补偿压力，当压力降低到设置压力时，回压补偿平流泵21自动进行补压操作。所测试得到的压力下降曲线以及补压时间由数据采集及处理系统23由曲线呈现。关闭加热增压开关，打开高压泄压安全阀门3进行泄压处理。

在完成控压固井压力变化测试后，打开气窜增压安全阀门27，打开空气压缩泵28，利用高压气体对釜体内水泥柱进行气侵气窜模拟测试，待水泥柱发生气窜后，关闭空气压缩泵28，关闭安全气窜增压安全阀门27。其中，压力表26最大读数即为水泥柱防气窜最大胶结强度。

试验结束后，打开釜体釜盖1、釜体釜底10，取出水泥，然后拆卸并清洗实验仪器。

试验结束。

利用上述装置模拟超高温高压条件下窄密度窗口地层的控压固井过程中水泥浆柱压力变化，测试结果如图2(纯水泥浆体的侯凝失重曲线)、图3(不同温度条件下复配水泥浆体的侯凝失重曲线，通过对不同条件下的失重曲线进行整合对比，将失重曲线求导可得水泥浆静液柱压力开始大幅下降的失重时间点)以及图4(90℃条件下水泥浆体失重曲线的复核试验结果)所示，其中，纯水泥浆体组成为：100％G级油井水泥+45％纯水；复配水泥浆的组成为：100％G级油井水泥+5％微硅+1.5％G33S(降失水剂)+0.5％SXY-2(分散剂)+45％纯水。

由图2可以看出，在加压环境下的纯水泥浆体的压降曲线变化可以分为三个阶段：第一阶段为水泥浆柱压力快速下降阶段；第二阶段水泥浆柱压力基本保持平衡且有一定量的上升；第三阶段水泥浆柱压力有快速下降，开始初凝。

由图3和图4可以看出，实验仪器测试结果精准：由图3测试数据进行拟合得出一个环境温度与失重时间点的关系式：t＝4082T