本發(fā)明涉及一種評價固井水泥漿體系活性自修復(fù)能力的實驗裝置與方法。

背景技術(shù)：

頁巖油氣等非常規(guī)油氣的開發(fā)是近年來全球最引人注目的能源革命，水平井壓裂改造儲層是頁巖氣高效勘探開發(fā)的關(guān)鍵手段和核心技術(shù)。在井下作業(yè)過程中刮管、鉆塞、射孔和壓裂改造均易使水泥環(huán)產(chǎn)生微裂縫或微環(huán)隙，導(dǎo)致水泥環(huán)力學(xué)完整性和水力密封性失效，油氣沿著這種套管環(huán)空的裂縫上竄至地面，造成環(huán)空帶壓問題頻繁出現(xiàn)，甚至導(dǎo)致花巨資建立的油氣井報廢。

用于解決固井后的氣竄和環(huán)空帶壓問題措施較少且成本高，針對這一問題，從水泥石本身角度出發(fā)，研究能使水泥環(huán)自我密封微裂縫或微環(huán)隙的水泥漿體系是目前國內(nèi)外的研究熱點?；钚宰孕迯?fù)水泥漿可在水泥環(huán)出現(xiàn)微裂縫和微環(huán)隙時無需地面人工干預(yù)，當(dāng)?shù)貙佑蜌庠趯娱g竄流時，碳氫化合物將觸發(fā)活性材料發(fā)生反應(yīng)，自動封堵竄流通道，恢復(fù)水泥環(huán)的完整性和界面膠結(jié)能力，達到防止氣竄和環(huán)空帶壓的目的。

目前國內(nèi)外缺乏行之有效的自修復(fù)水泥漿的評價方法和檢測手段，現(xiàn)場只能通過傳統(tǒng)的觀察井口帶壓現(xiàn)象來間接驗證自修復(fù)水泥漿的自修復(fù)效果；而室內(nèi)實驗方法眾多，國內(nèi)外各研究單位各有自己的評價方法，例如通過強度恢復(fù)能力、膠結(jié)恢復(fù)能力、滲透恢復(fù)能力和氣流量等評價水泥環(huán)的自修復(fù)能力，取得了一定的研究成果，但無法形成令行業(yè)認(rèn)同的統(tǒng)一評價標(biāo)準(zhǔn)。因此急需研發(fā)一種簡單、經(jīng)濟、科學(xué)有效的評價裝置和方法來評價水泥漿自修復(fù)能力的實驗手段，以便量化的評價水泥漿體系的自修復(fù)效果，更好的為自修復(fù)水泥漿的研究服務(wù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種操作方便、結(jié)構(gòu)簡單，重復(fù)性好的評價固井水泥漿體系活性自修復(fù)能力的實驗裝置與方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種評價固井水泥漿體系活性自修復(fù)能力的實驗裝置，包括界面膠結(jié)強度試模、框架、上壓盤、壓頭和下壓盤，所述下壓盤設(shè)置在框架的底部，所述界面膠結(jié)強度試模下端置于下壓盤上，所述界面膠結(jié)強度試模的上端設(shè)有壓頭，所述上壓盤固定在框架的頂部，上壓盤位于壓頭的上方，所述上壓盤與壓力測試機連接，所述界面膠結(jié)強度試模包括仿真套管和膠結(jié)在所述仿真套管內(nèi)部的水泥石柱。

上述方案中，還包括密封膠和密封片，所述仿真套管、密封膠和密封片組成界面膠結(jié)強度試模制備裝置，制備界面膠結(jié)強度試模時，通過密封片和密封膠堵住仿真套管的一端。

本發(fā)明還提供了一種評價固井水泥漿體系活性自修復(fù)能力的方法，采用所述評價固井水泥漿體系活性自修復(fù)能力的實驗裝置，其特征在于，包括以下步驟：

s1、制備界面膠結(jié)強度試模；

s2、界面膠結(jié)強度試模倒置于下壓盤上，壓頭置于試模上端，居中平整放置；

s3、設(shè)定壓力測試機測試檔位和速度，上壓盤接觸壓頭后減速均勻加載負荷；

s4、直至水泥石柱與仿真套管膠結(jié)界面脫離，得出試模最大抗剪切力，計算得到初次界面膠結(jié)強度pf；

s5、養(yǎng)護步驟s4中膠結(jié)界面脫離的試模一定時間后，重復(fù)所述步驟s2-s4，得出二次界面膠結(jié)強度ps；

s6、通過以下公式計算固井水泥漿的界面膠結(jié)強度恢復(fù)率α：

上述方法中，所述步驟s1進一步包括：

s11：仿真套管、密封膠和密封片形成半密封的整體模具，制作界面膠結(jié)試模模具；

s12：一定量水泥漿樣品倒入模具內(nèi)在特定溫度和介質(zhì)條件下養(yǎng)護膠凝固化，形成界面膠結(jié)試模；

s13：去除密封膠和密封片，形成界面膠結(jié)強度試模測試樣品。

實施本發(fā)明的評價固井水泥漿體系活性自修復(fù)能力的實驗裝置與方法，具有以下有益效果：

本發(fā)明裝置能仿真模擬井筒內(nèi)水泥環(huán)與套管或地層的界面膠結(jié)，通過壓力機測試養(yǎng)護后壓脫水泥石的最大抗剪切力，與此同時在膠結(jié)界面形成人工膠結(jié)微裂縫；通過膠結(jié)界面受力分析得出界面膠結(jié)強度計算公式，得出水泥石柱與仿真套管的界面膠結(jié)強度；可模擬不同介質(zhì)(油、氣或水)養(yǎng)護后再次測試最大抗剪切力，分別計算得出固井水泥漿的初次界面膠結(jié)強度和二次界面膠結(jié)強度，并可依此得出該水泥漿體系在特定介質(zhì)養(yǎng)護條件下的界面膠結(jié)強度恢復(fù)率；該界面膠結(jié)強度恢復(fù)率力學(xué)評價方法具有方便快捷、可重復(fù)性強的特點，能科學(xué)客觀的評價固井水泥環(huán)在油氣介質(zhì)環(huán)境下自行修復(fù)微裂縫和微環(huán)隙的能力。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1是界面膠結(jié)試模制備示意圖；

圖2是界面膠結(jié)強度測試裝置示意圖。

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施方式。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明評價固井水泥漿體系活性自修復(fù)能力的實驗裝置，包括界面膠結(jié)強度試模、框架5、上壓盤6、壓頭7、下壓盤8、密封膠4和密封片3。

下壓盤8設(shè)置在框架5的底部，界面膠結(jié)強度試模下端置于下壓盤8上，界面膠結(jié)強度試模的上端設(shè)有壓頭7，上壓盤6固定在框架5的頂部，上壓盤6位于壓頭7的上方，上壓盤6與壓力測試機連接，界面膠結(jié)強度試模包括仿真套管1和膠結(jié)在仿真套管1內(nèi)部的水泥石柱2。

仿真套管1、密封膠4和密封片3組成界面膠結(jié)強度試模制備裝置，制備界面膠結(jié)強度試模時，通過密封片3和密封膠4堵住仿真套管1的一端。以仿真套管1和密封片3為基礎(chǔ)的簡單模具系統(tǒng)，構(gòu)造一種評價自修復(fù)水泥石界面膠結(jié)強度恢復(fù)能力的實驗養(yǎng)護試模。

本發(fā)明還提供了一種評價固井水泥漿體系活性自修復(fù)能力的方法，其通過膠結(jié)界面受力分析得出界面膠結(jié)強度理論模型和計算公式，得出固井水泥漿體系的界面膠結(jié)強度恢復(fù)率評價方法，以便能方便、宏觀、真實的評價固井水泥環(huán)在油氣介質(zhì)環(huán)境下自行修復(fù)微裂縫和微環(huán)隙的能力。具體步驟如下：

(1)需要制備界面膠結(jié)試模時，仿真套管和密封片形成一個半密封的整體模具，一定量水泥漿樣品倒入模具內(nèi)養(yǎng)護膠凝固化形成界面膠結(jié)試模。所述仿真套管由無縫鋼管加工而成，鋼管尺寸根據(jù)實驗需要選擇(例如：外徑55mm，內(nèi)徑51mm，高度在80～90mm之間)，保證內(nèi)壁和端面光滑平整；為模擬固井施工井眼真實條件，需事先浸泡鉆井液24h以上，倒入水泥漿之前沖洗干凈；所述水泥石柱由測試水泥漿在特定溫度和介質(zhì)條件下養(yǎng)護膠凝固化而成；所述水泥漿由一定水灰比的水泥灰和藥品水高速攪拌而成，首先在恒速攪拌器4000r/min低速攪拌15s，再12000r/min高速攪拌35s，保證攪拌充分，水泥漿倒入后整體移入養(yǎng)護箱,保證整體浸沒養(yǎng)護介質(zhì)中，在模擬井溫條件下養(yǎng)護24h；所述密封膠選擇抗高溫粘結(jié)性能優(yōu)良且易于后期清除的高溫鋰基脂，主要作用是密封仿真套管與密封片，防止水泥漿膠凝硬化過程中漏失；所述密封片由普通平板玻璃切割而成，尺寸為80mm*80mm*5mm。

(2)需要測試界面膠結(jié)強度時，養(yǎng)護一定時間的試模樣品自然冷卻至室溫后，量出水泥石柱高度h，按圖2放置于壓力測試機上，上壓盤以低速對壓頭均勻加載負荷，當(dāng)加載負荷達到峰值后停止測試，水泥石柱與仿真套管發(fā)生相對滑動，膠結(jié)面被破壞形成微裂縫和微環(huán)隙，此峰值即為膠結(jié)界面承受的最大抗剪切力f。所述框架系統(tǒng)為全自動恒應(yīng)力水泥壓力試驗機一部分，為壓力試驗機提供整體機械支撐；所述上壓盤為水泥壓力試驗機液壓系統(tǒng)的一部分，能勻速加荷及負荷保持控制，試驗力測量范圍8kn-300kn；所述下壓盤為水泥壓力試驗機液壓系統(tǒng)的一部分，但不提供動力，有不同尺寸的下壓盤更換，根據(jù)測試試模的尺寸和活塞行程選擇下壓盤的直徑和高度；所述壓頭為根據(jù)試模尺寸由鋼材加工而成，上部直徑小于下部直徑，下部直徑以略小于試模內(nèi)徑為標(biāo)準(zhǔn)；所述界面膠結(jié)強度試模由水泥漿膠凝固化后去除模具的密封片和密封膠而成，測試膠結(jié)強度時倒立放置，以便有足夠的測試下壓空間。

(3)評價膠結(jié)強度恢復(fù)性能

界面膠結(jié)試模主要由仿真套管、水泥石柱和膠結(jié)界面組成，測試時對水泥柱石逐漸施加負荷，當(dāng)加載力達到一定階段后，會優(yōu)先破壞膠結(jié)薄弱面，水泥石柱與仿真套管之間的膠結(jié)界面發(fā)生相對滑動，此峰值即為最大抗剪切力f。

根據(jù)破壞界面受力分析推斷得出水泥石柱與仿真套管界面膠結(jié)強度計算公式為：

式中：f為最大抗剪切力，單位為n；d為仿真套管內(nèi)徑，單位為mm；h為水泥石柱高度，單位為mm；p我界面膠結(jié)強度，單位為pa；

壓脫水泥石的同時在膠結(jié)界面處形成人工膠結(jié)微裂縫和微環(huán)隙，再將試模以不同介質(zhì)(模擬井筒實際條件下的地層油、氣或水)養(yǎng)護一定時間后,再次測試最大抗剪切力fs。通過上述公式計算得出初次界面膠結(jié)強度和二次界面膠結(jié)強度，因此固井水泥漿的界面膠結(jié)強度恢復(fù)率為：

式中：α為界面膠結(jié)強度恢復(fù)率，單位為％；ps為二次界面膠結(jié)強度，pa；pf為初次界面膠結(jié)強度，單位為pa；

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。