專利名稱：固井環(huán)空水泥漿失重測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬不同井深、不同環(huán)空間隙及不同井斜角工況條件下環(huán)空水泥漿凝結(jié)過(guò)程中的失重測(cè)量裝置及測(cè)量方法，適用于石油及天然氣固井注水泥后作業(yè)中環(huán)空水泥漿失重與氣竄規(guī)律研究。
背景技術(shù)：
在石油、天然氣勘探開(kāi)發(fā)鉆井過(guò)程中，當(dāng)鉆頭鉆到某一深度時(shí)，需要從井內(nèi)起出鉆頭，向井內(nèi)下入稱之為套管的中空鋼質(zhì)管柱，然后向井眼和套管之間的環(huán)形空間內(nèi)注入水泥漿，靜止凝固后固結(jié)井壁，簡(jiǎn)稱注水泥。注水泥剛結(jié)束時(shí)，水泥漿還是液態(tài)，這時(shí)環(huán)空內(nèi)液體對(duì)地層作用的壓力為作用點(diǎn)以上各漿柱的靜液壓力之和；因?yàn)樗酀{密度一般大于鉆井液的密度，因此能夠起到壓住地層的作用。然而，由于一定的原因，水泥漿柱在凝結(jié)過(guò)程中對(duì)其下部或地層所作用的壓力將逐漸降低，就好像失掉了一部分質(zhì)量一樣。這種現(xiàn)象稱為水泥漿在凝結(jié)過(guò)程中的失重(簡(jiǎn)稱失重)。在油井水泥漿凝結(jié)過(guò)程中，由于水泥漿由液態(tài)向塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，其物化性能均發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致水泥漿作用于井底的有效液柱壓力降低。 當(dāng)壓力降低到地層壓力以下時(shí)，油、氣、水就會(huì)侵入環(huán)形空間并竄至井口，出現(xiàn)井口冒油冒氣，甚至發(fā)生不可控井噴，不僅造成油氣資源浪費(fèi)，更嚴(yán)重的是對(duì)環(huán)境帶來(lái)的嚴(yán)重破壞。在美國(guó)墨西哥灣每年因維修氣竄帶壓井所花費(fèi)的費(fèi)用就高達(dá)每口井100萬(wàn)美元。在我國(guó)四川龍崗、新疆塔里木盆地、大慶慶深氣田每年都有多口井出現(xiàn)氣竄帶壓現(xiàn)象，至今無(wú)法很好解決。其本質(zhì)原因在于對(duì)失重規(guī)律的認(rèn)識(shí)不清，根本在于現(xiàn)有裝置未能較好的模擬井下工況進(jìn)行失重規(guī)律測(cè)試，失重測(cè)試及影響因素尚未完全搞清楚，導(dǎo)致措施缺乏針對(duì)性，防竄效果不明顯。國(guó)內(nèi)相關(guān)專利有實(shí)用新型專利，如油井水泥失重和氣液竄模擬測(cè)試裝置 (zl200720149001)和固井水泥漿失重測(cè)量裝置(ZL01251865. 4)。現(xiàn)在的油井水泥漿失重測(cè)試裝置對(duì)環(huán)形空間下寬窄間隙及溫差、井斜等實(shí)際工況接近下的失重狀態(tài)測(cè)試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供固井環(huán)空水泥漿失重測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置能較真實(shí)地模擬井下?tīng)顟B(tài)下的失重規(guī)律，為防竄措施研究奠定基礎(chǔ)。本發(fā)明的另一目的還在于提供利用上述裝置對(duì)水泥漿環(huán)空失重進(jìn)行測(cè)量的方法， 該方法可適用于在石油及天然氣固井注水泥過(guò)程中，模擬不同井深條件下環(huán)空水泥漿在高溫高壓環(huán)境中的井下情況及失重狀態(tài)。在固井中，水泥漿在井下處于不同的溫度、壓力和環(huán)空條件，不同的井身結(jié)構(gòu)和井下條件，導(dǎo)致水泥漿的失重規(guī)律不同。為了得到油井水泥漿在井下環(huán)境中，不同固結(jié)過(guò)程的失重規(guī)律，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案1.井深模擬。本發(fā)明測(cè)量?jī)x釜體高度為1米，壓力最大lOMPa，可模擬1000米水
柱產(chǎn)生的壓力。
2.水泥漿柱溫度變化控制。在油氣井注水泥的過(guò)程中，水泥漿被頂替到位后，由于深度不同，地層的溫度和水泥漿柱的溫度也不同，而且隨著深度增加水泥漿柱的溫差會(huì)很大。水泥漿固結(jié)過(guò)程中，溫度對(duì)水泥石強(qiáng)度有很大的影響，不同的溫度下，水泥漿的抗壓強(qiáng)度存在很大的差別，因此需要模擬水泥漿柱溫差變化情況。本發(fā)明采用多個(gè)加熱冷卻套實(shí)現(xiàn)水泥漿柱溫度從下到上連續(xù)性的梯度變化，按照地溫梯度2V /100m，1000m左右井段產(chǎn)生20°C的溫差。3.套管偏心控制。在油氣井注水泥之前下入套管過(guò)程中，由于井況、地質(zhì)等原因套管下入地層后，套管不居中發(fā)生偏移并且無(wú)法補(bǔ)救，只有按照套管偏心的時(shí)候固井。本發(fā)明采用上下偏心蓋控制套管偏心度，通過(guò)制作不同偏心程度的蓋子來(lái)模擬處于井筒不同的位置(偏心度為0、0.2、0.6三種情況)。偏心度=(內(nèi)外筒圓心距離)/(內(nèi)外筒半徑之差)。4.套管傾斜控制。在斜井、大位移井、水平井固井中，井筒和套管有一定程度的相對(duì)傾斜。本發(fā)明通過(guò)外筒外部支架調(diào)節(jié)整個(gè)井筒的傾斜程度，實(shí)現(xiàn)0度 90度的角度變換。5.壓力采集。本發(fā)明測(cè)量?jī)x底部有三個(gè)壓力傳感器測(cè)量不同的壓力變化。6.環(huán)空模擬。環(huán)空間隙和實(shí)際環(huán)空間隙相等。環(huán)空根據(jù)幾何相似制作不同尺寸的內(nèi)筒，并且可以改變環(huán)空間隙。固井環(huán)空水泥漿失重測(cè)量裝置，主要由底座、控制面板、立式支柱、漿筒、計(jì)算機(jī)組成，其特征在于，該測(cè)量裝置位于底座上，所述立式支柱通過(guò)支撐軸與漿筒連接，又通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸與控制面板連接，可實(shí)現(xiàn)從0度到90度的旋轉(zhuǎn)；所述漿筒有加壓孔、內(nèi)筒、外筒及內(nèi)筒外筒之間的環(huán)空，所述漿筒為分段組合，每一段均有溫度傳感器、壓力傳感器和加熱冷卻套，所述漿筒通過(guò)偏心蓋控制內(nèi)筒的偏心，上部偏心蓋為上部頂蓋，下部偏心蓋為下部底蓋，所述漿筒下部還有三個(gè)壓力傳感器，所述控制面板控制漿筒每段的溫度并監(jiān)控漿筒每段的壓力，所述溫度傳感器、壓力傳感器分別通過(guò)溫度傳感器數(shù)據(jù)接口、壓力傳感器數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄顯示水泥漿的溫度壓力變化情況，并繪制溫度和壓力變化曲線。本發(fā)明控制面板通過(guò)漿筒每一段的加熱冷卻套和溫度傳感器來(lái)控制水泥漿柱的溫度從下到上實(shí)現(xiàn)一個(gè)連續(xù)性的梯度變化，從而模擬井下溫度隨井深的不同變化情況。偏心蓋控制著內(nèi)筒的偏心，由多個(gè)不同偏心度的偏心蓋可以模擬多種井下套管偏心情況。底部三個(gè)壓力傳感器測(cè)量偏心時(shí)候各個(gè)方位的壓力。立式支柱通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸與控制面板連接， 可實(shí)現(xiàn)整個(gè)漿筒從0度到90度的旋轉(zhuǎn)。利用上述裝置對(duì)水泥漿環(huán)空失重進(jìn)行測(cè)量的方法，依次包括以下步驟(1)配制油井水泥漿，打開(kāi)漿筒的上部頂蓋，將水泥漿倒入內(nèi)筒和外筒之間的環(huán)空中，并加蓋密封；(2)通過(guò)加壓孔連接壓力源，將壓力加至實(shí)驗(yàn)所需壓力；(3)控制面板通過(guò)加熱冷卻套控制水泥漿柱的溫度從下到上實(shí)現(xiàn)連續(xù)性的梯度變化，達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需溫度；(4)溫度傳感器、壓力傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)顯示水泥漿的溫度壓力變化情況；(5)根據(jù)計(jì)算機(jī)繪制的溫度和壓力變化曲線，確定水泥漿在井下凝結(jié)過(guò)程中的失
重規(guī)律。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果(1)能模擬井下溫度隨著井深變化存在的不同溫度差，采用多個(gè)加熱冷卻套和溫度傳感器實(shí)時(shí)控制漿柱的溫度差，達(dá)到設(shè)計(jì)需要的溫差，采集調(diào)控用計(jì)算機(jī)控制，操作簡(jiǎn)單、方便，解決了井下溫度變化問(wèn)題。(2)本發(fā)明用偏心蓋控制套管的偏心，安全、穩(wěn)定、可靠。(3)環(huán)空按照環(huán)空間隙與實(shí)際環(huán)空間隙相等，可以實(shí)現(xiàn)多種環(huán)空間隙。(4)底部安裝三個(gè)壓力傳感器測(cè)量不同方位的壓力變化。


圖1是本發(fā)明固井環(huán)空水泥漿失重測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是G級(jí)水泥+2%微硅+1 %分散劑+1 %促凝劑在溫度為30°C時(shí)，水泥漿柱壓力變化情況，壓力為常壓。圖3是G級(jí)水泥+2%微硅+1 %分散劑+1 %促凝劑在溫度為50°C時(shí)，水泥漿柱壓力變化情況，壓力為常壓。圖4是G級(jí)水泥+2%微硅+1 %分散劑+1 %促凝劑在其底部溫度為30°C，逐漸升溫，頂部溫度為50°C時(shí)，水泥漿柱壓力變化情況，壓力為常壓。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。參看圖1，固井環(huán)空水泥漿失重測(cè)量裝置，主要由底座16、控制面板14、立式支柱 12、漿筒、計(jì)算機(jī)9組成，其特征在于，該測(cè)量裝置位于底座上，所述立式支柱通過(guò)支撐軸15 與漿筒連接，又通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸13與控制面板連接，可實(shí)現(xiàn)從0度到90度的旋轉(zhuǎn)；所述漿筒有加壓孔1、內(nèi)筒3、外筒4及內(nèi)筒外筒之間的環(huán)空，所述漿筒為分段組合，每一段均有溫度傳感器5、壓力傳感器6和加熱冷卻套7，所述漿筒有上部頂蓋2和下部底蓋8，所述漿筒下部還有三個(gè)壓力傳感器17，所述溫度傳感器5、壓力傳感器6和17分別通過(guò)溫度傳感器數(shù)據(jù)接口 10、壓力傳感器數(shù)據(jù)接口 11將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)9。利用固井環(huán)空水泥漿失重測(cè)量裝置測(cè)量水泥漿環(huán)空失重的方法，按照API標(biāo)準(zhǔn)配制同一油井水泥漿(見(jiàn)表1)，按照直井，套管居中，小環(huán)空間隙，并根據(jù)不同測(cè)試條件進(jìn)行試驗(yàn)。表1中實(shí)例1、實(shí)例2、實(shí)例3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別對(duì)應(yīng)圖2、圖3、圖4。由圖中曲線可以看出，水泥漿水化反應(yīng)形成一定結(jié)構(gòu)并不是從一開(kāi)始就失重，水泥漿剛開(kāi)始為液體將以液柱形式對(duì)底部產(chǎn)生壓強(qiáng)，隨著水泥漿水化反應(yīng)形成一定結(jié)構(gòu)，水泥漿液柱壓力將會(huì)逐漸分布到這些結(jié)構(gòu)中，對(duì)底部壓力將會(huì)逐漸減小，隨著水泥漿的固化， 這部分壓力將最終減小至0。由于溫度的不同水化放熱反應(yīng)液不相同，溫度高的，水化反應(yīng)快，水泥漿形成結(jié)構(gòu)的時(shí)間短，對(duì)于的失重時(shí)間也會(huì)縮短。表1固井環(huán)空水泥漿失重測(cè)量裝置測(cè)試結(jié)果
權(quán)利要求
1.固井環(huán)空水泥漿失重測(cè)量裝置，主要由底座(16)、控制面板(14)、立式支柱(12)、 漿筒、計(jì)算機(jī)(9)組成，其特征在于，該裝置位于底座上，所述立式支柱通過(guò)支撐軸(15)與漿筒連接，又通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸(1 與控制面板連接，可實(shí)現(xiàn)從0度到90度的旋轉(zhuǎn)；所述漿筒有加壓孔(1)、內(nèi)筒(3)、外筒(4)及內(nèi)筒外筒之間的環(huán)空，所述漿筒為分段組合，每一段均有溫度傳感器(5)、壓力傳感器(6)和加熱冷卻套(7)，所述漿筒有上部頂蓋( 和下部底蓋 (8)，所述漿筒下部還有三個(gè)壓力傳感器(17)，所述溫度傳感器( 、壓力傳感器(6)和(17) 分別通過(guò)溫度傳感器數(shù)據(jù)接口(10)、壓力傳感器數(shù)據(jù)接口(11)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(9)。
2.利用如權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置對(duì)固井環(huán)空水泥漿失重進(jìn)行測(cè)量的方法，依次包括以下步驟(1)配制油井水泥漿，打開(kāi)漿筒的上部頂蓋，將水泥漿倒入內(nèi)筒和外筒之間的環(huán)空中， 并加蓋密封；(2)通過(guò)加壓孔連接壓力源，將壓力加至實(shí)驗(yàn)所需壓力；(3)控制面板通過(guò)加熱冷卻套控制水泥漿柱的溫度從下到上實(shí)現(xiàn)連續(xù)性的梯度變化， 達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需溫度；(4)溫度傳感器、壓力傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)顯示水泥漿的溫度壓力變化情況；(5)根據(jù)計(jì)算機(jī)繪制的溫度和壓力變化曲線，確定水泥漿在井下凝結(jié)過(guò)程中的失重規(guī)律。
全文摘要
本發(fā)明涉及固井環(huán)空水泥漿失重測(cè)量裝置及測(cè)量方法，該裝置主要由底座、控制面板、立式支柱、漿筒、計(jì)算機(jī)組成，所述立式支柱通過(guò)支撐軸與漿筒連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸與控制面板連接；所述漿筒有加壓孔、內(nèi)筒、外筒及內(nèi)筒外筒之間的環(huán)空，所述漿筒為分段組合，每一段均有溫度傳感器、壓力傳感器和加熱冷卻套，所述漿筒通過(guò)偏心蓋控制內(nèi)筒的偏心，其下部還有三個(gè)壓力傳感器，所述溫度傳感器、壓力傳感器分別將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。本發(fā)明能模擬井下溫度隨著井深變化存在的不同溫度差，采集調(diào)控用計(jì)算機(jī)控制，操作簡(jiǎn)單、方便，用偏心蓋控制套管的偏心，安全、穩(wěn)定、可靠，適用于石油及天然氣固井、擠水泥、注水泥等作業(yè)。
文檔編號(hào)E21B47/06GK102392634SQ201110302119
公開(kāi)日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者劉洋, 吳奇兵, 張弛, 李早元, 林友建, 程小偉, 謝鵬, 郭小陽(yáng), 黃盛 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)