固井水泥环微裂缝封堵剂封堵能力评价装置论文和设计-步玉环

全文摘要

本实用新型公开了一种固井水泥环微裂缝封堵剂封堵能力评价装置，包括釜体、注入泵、环压泵、加压泵和加热控制装置，釜体内部设有圆环形胶套和人工造缝的水泥柱塞以及柱状砂岩岩心，上下封头中心设有浅凹槽，内有密封圈来密封釜体两端，封堵剂由上端注入，模拟井下封堵水泥环微裂缝作业。该装置可模拟井下高温环境，在微裂缝内封堵剂发挥作用实现封堵，通过加压泵施压将封堵剂挤入已经人工造缝的水泥柱塞，研究封堵剂进入及滞留水泥环微裂缝的能力，研究挤注压力对封堵剂封堵固井水泥环微裂缝的封堵质量和影响，还可以研究封堵剂在不同人工造缝长度的水泥柱塞中的封堵效果。

主设计要求

1.一种固井水泥环微裂缝封堵剂封堵能力评价装置，其特征在于，包括：釜体，所述釜体上设有环压孔；环形胶套，所述环形胶套容设在所述釜体内，环形胶套内具有用于装入带有裂缝的水泥柱塞的圆形腔，环形胶套和釜体之间具有环压腔；上封头和下封头，所述上封头和下封头分别设置在所述釜体的上部和下部，所述上封头上设有连通所述圆形腔的打压孔，所述下封头上设有连通所述圆形腔的第一出水口；所述第一出水口处设有出水口阀门，下封头上还设有用于检测下封头腔内压力的下封头腔内压力表；注入泵，所述注入泵通过管线与所述打压孔相连；环压泵，所述环压泵通过管线与所述环压孔相连；加热装置和加热控制装置，所述加热控制装置与加热装置相连，加热装置与釜体相连。

设计方案

1.一种固井水泥环微裂缝封堵剂封堵能力评价装置，其特征在于，包括：

釜体，所述釜体上设有环压孔；

环形胶套，所述环形胶套容设在所述釜体内，环形胶套内具有用于装入带有裂缝的水泥柱塞的圆形腔，环形胶套和釜体之间具有环压腔；

上封头和下封头，所述上封头和下封头分别设置在所述釜体的上部和下部，所述上封头上设有连通所述圆形腔的打压孔，所述下封头上设有连通所述圆形腔的第一出水口；所述第一出水口处设有出水口阀门，下封头上还设有用于检测下封头腔内压力的下封头腔内压力表；

注入泵，所述注入泵通过管线与所述打压孔相连；

环压泵，所述环压泵通过管线与所述环压孔相连；

加热装置和加热控制装置，所述加热控制装置与加热装置相连，加热装置与釜体相连。

2.根据权利要求1所述的固井水泥环微裂缝封堵剂封堵能力评价装置，其特征在于，所述上封头包括：

第二上封头，所述第二上封头与所述釜体相连，第二上封头中部形成连通圆形腔的内筒；

第一上封头，所述第一上封头与所述第二上封头相连，所述打压孔设在第一上封头上。

3.根据权利要求1或2所述的固井水泥环微裂缝封堵剂封堵能力评价装置，其特征在于，所述上封头、下封头分别与环形胶套的上下两端紧紧接触。

4.根据权利要求1所述的固井水泥环微裂缝封堵剂封堵能力评价装置，其特征在于，所述上封头、下封头与釜体之间均通过密封圈密封。

5.根据权利要求1所述的固井水泥环微裂缝封堵剂封堵能力评价装置，其特征在于，所述环压孔设在所述釜体侧面下部，所述釜体侧面上部设有连通所述环压腔的第二出水口。

6.根据权利要求1所述的固井水泥环微裂缝封堵剂封堵能力评价装置，其特征在于，所述加热装置包括套设在所述釜体外壁的夹套，夹套设有电热丝，所述加热控制装置与所述电热丝相连。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及固井水泥环微裂缝封堵能力评价装置，模拟冲击封堵好的裂缝的冲破压力下固井水泥环微裂缝封堵能力评价装置及方法。本实用新型属于油气井工程固井领域。

背景技术

固井是向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业，达到保护和支撑油气井内的套管，封隔油、气、水层的目的，是保证后续安全钻进、长期开采的关键技术之一。水泥的主要功能是密封套管与主体岩层之间的环形空间，防止沿井筒流动的流体。水泥也保护套管免受腐蚀，使井筒结构更加健全。

水泥环是指水泥浆在环形空间中形成的水泥石，固井作业后套管和地层通过水泥环胶结在一起。水泥环的主要作用是实现油、水层间封隔，防止层间窜流，保证油气安全生产。为了实现这一功能，水泥环必须连续且非渗透。由于水泥材料的自身缺陷—体积收缩和脆性，目前很多油气井都存在水泥环封隔失效的问题。水泥环微裂缝是导致层间封隔失效的主要原因之一。向微裂缝中注封堵剂是一种解决固井水泥环出现微裂缝的有效措施。

当前能进行该项研究的装置十分缺乏，杨振杰等人提出了一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪(杨振杰,Astou Gawane,杨强,等.固井水泥环微间隙与微裂缝的模拟试验方法[J].天然气工业,2015,35(9).)，该装置可以模拟井下压力变化使油井水泥环损伤的并形成微裂缝的过程，从而测定不同条件下固井水泥环抗窜强度的变化情况，但是该装置不能研究微裂缝形成后的封堵剂注入微裂缝后的封堵能力研究。

步玉环(步玉环,于利国,王春雨,等.水泥石自愈合性能评价方法[J].实验室研究与探索,2015,34(7):17-21.)提出了一种水泥石自愈合性能评价装置，该装置以封堵压力为指标，通过实验分析了遇油自愈合材料加量和裂缝尺寸对水泥石自愈合性能的影响，证明了该评价装置和评价方法进行水泥石自愈合性能评价的可行性，但是该装置不能做到对水泥柱塞上人造微裂缝的养护。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种模拟冲击封堵好的裂缝的冲破压力下固井水泥环微裂缝养护及封堵能力评价装置，该装置可研究封堵剂滞留水泥环微裂缝的能力和\/或防冲破能力，研究冲破压力对封堵剂封堵固井水泥环微裂缝的封堵质量和影响，还可以研究封堵剂在不同造缝长度的水泥柱塞中的封堵效果。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提供一种固井水泥环微裂缝封堵剂封堵能力评价装置，包括：釜体，所述釜体上设有环压孔；环形胶套，所述环形胶套容设在所述釜体内，环形胶套内具有用于装入带有裂缝的水泥柱塞的圆形腔，环形胶套和釜体之间具有环压腔；上封头和下封头，所述上封头和下封头分别设置在所述釜体的上部和下部，所述上封头上设有连通所述圆形腔的打压孔，所述下封头上设有连通所述圆形腔的第一出水口；所述第一出水口处设有出水口阀门，下封头上还设有用于检测下封头腔内压力的下封头腔内压力表；注入泵，所述注入泵通过管线与所述打压孔相连；环压泵，所述环压泵通过管线与所述环压孔相连；加热装置和加热控制装置，所述加热控制装置与加热装置相连，加热装置与釜体相连。

优选的，所述上封头包括：

第二上封头，所述第二上封头与所述釜体相连，第二上封头中部形成连通圆形腔的内筒；

第一上封头，所述第一上封头与所述第二上封头相连，所述打压孔设在第一上封头上。

优选的，所述上封头、下封头分别与环形胶套的上下两端紧紧接触。

优选的，所述上封头、下封头与釜体之间均通过密封圈密封。

优选的，所述环压孔设在所述釜体侧面下部，所述釜体侧面上部设有连通所述环压腔的第二出水口。

优选的，所述加热装置包括套设在所述釜体外壁的夹套，夹套设有电热丝，所述加热控制装置与所述电热丝相连。

本实用新型还提供一种固井水泥环微裂缝封堵剂防冲破能力评价方法，使用上述固井水泥环微裂缝封堵剂封堵能力评价装置，包括以下步骤：

(1)使封堵好的水泥柱塞置于圆形腔；

(2)调整加热装置使釜体内温度满足实验要求；

(3)通过环压泵给环形胶套加环压，使水泥柱塞与环形胶套紧紧接触；

(4)由注入泵对釜体内封堵好的水泥柱塞施加水压，模拟冲击封堵好的裂缝的冲破压力；

(5)反应结束；

(6)封堵能力评价；

所述步骤(1)、(2)无时间顺序。

优选的，所述封堵能力为滞留能力和\/或防冲破能力；所述滞留能力指在一定压力下，裂缝中的封堵剂滞留在裂缝中的能力；所述防冲破能力指一定的冲破压力是否可以突破封堵好的水泥柱塞。

优选的，所述滞留能力评价步骤是：在步骤(4)施加一定压力情况下，观察下封头的出水口是否有流体在一段时间内持续流出，来评价封堵剂封堵微裂缝的能力好坏。

优选的，所述封堵能力评价步骤是：将出水口阀门关闭，观察下封头腔内压力表，若在一段时间内压力表示数逐渐增大最后与注入泵的注入压力相同，则表示水压已经突破封堵好的造缝水泥柱塞；若没有出现上述情况，压力表之间的压差维持恒定，表明封堵剂已经很好的实现封堵。

优选的，所述步骤(1)中的封堵好的水泥柱塞为对人工造缝的水泥柱塞进行封堵后形成的。

本评价方法的具体步骤为：

(1)准备封堵好的水泥柱塞：

在“固井水泥环微裂缝封堵剂进入能力评价”装置中制成封堵好的水泥柱塞；

(2)调整加热装置使釜体内温度满足实验要求；

(3)打开第二出水口，打开环压泵向环压空腔注水，当水从釜体上部侧面的第二出水口溢出时，关闭第二出水口，继续向环压空腔注水通过环压泵给环形胶套施压，使水泥柱塞与环形胶套紧紧接触；

(4)装好第一上封头，第一上封头中心的浅凹槽放入环形密封圈，上紧第三螺栓；

(5)打开与注入泵相连的第二开关，由注入泵通过打压孔对釜体内封堵好的造缝水泥柱塞施加水压，模拟冲击封堵好的裂缝的冲破压力；

(6)按实验要求反应时间结束后，关闭注入泵、环压泵，关闭加热控制装置；

(7)封堵能力评价。

在具体步骤中，步骤(7)封堵能力评价：釜体内放置的是封堵好的水泥柱塞，重新组装仪器，加热，加环压后，使用注入泵通过注水口对人工造缝的水泥柱塞施加水压进行驱替，观察下封头出水口是否有液体在一段时间内持续流出，来评价封堵剂封堵微裂缝的能力好坏。

本实用新型的有益效果：

(1)利用本实用新型的评价装置可以进行不同温度、不同裂缝长度、不同种类封堵剂的封堵实验；

(2)利用本实用新型的评价装置可以研究封堵剂进入微裂缝后封堵裂缝的能力。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和\/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型一种模拟固井水泥环微裂缝封堵剂进入能力和封堵能力评价装置的结构示意图；

图2是本实用新型固井水泥环微裂缝封堵剂进入能力评价方法的流程示意图；

图3是本实用新型固井水泥环微裂缝封堵剂封堵能力评价方法的流程示意图。

附图标记说明：

1-第二上封头；2-釜体；3-加热控制装置；4-环压腔；5-环形胶套；6-下封头；7-砂岩岩心；8-水泥柱塞；9-第二出水口；10-密封圈；11-加压泵；12-注入泵；13-电热丝；14-环压泵；15-支架；16-量筒；17-第一螺栓；18-第二螺栓；19-第三螺栓；20-打压孔(注水口)；21-第一上封头；22-第一出水口；23-第一开关；24-第二开关；25-环压孔；26-压力可调节安全阀；27-出水口阀门；28-下封头腔内压力表。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

实施例1一种模拟固井水泥环微裂缝中封堵剂进入能力和封堵能力评价装置

参照图1，本实施例给出的评价装置具有进入能力评价和封堵能力评价功能。

其由釜体2、注入泵12、环压泵14、加压泵11和加热控制装置3组成。

具体的，所述釜体2固定在支架15上，釜体2的上部和下部分别设有第二上封头1和下封头6，第二上封头1上部是第一上封头21。第二上封头1和下封头6分别通过第二螺栓18、第一螺栓17与釜体2连接，第一上封头21通过第三螺栓19与第二上封头1连接。第二上封头1、下封头6中心均设有浅凹槽，通过密封圈10来密封釜体2两端，即，所述第二上封头1和下封头6与釜体2内壁通过密封圈10密封，所述第一上封头21与第二上封头1内筒内壁通过密封圈10密封。

所述第一上封头21中心设有打压孔20(注水口)，所述加压泵11通过管线与打压孔20相连，所述管线设有第一开关23，所述加压泵11连通打压孔20时(即第一开关23打开时)，用于模拟挤注封堵剂时的上部压力(挤注压力)。所述注入泵12通过管线与打压孔20(注水口)相连，所述管线设有第二开关24，所述注入泵12连通注水口时(即第一开关23关闭，第二开关24打开时)，用于模拟封堵剂封堵后的冲破压力。

所述下封头6中心设有第一出水口22，便于穿过柱状的砂岩岩心7的多余物质顺利流出釜体2。第二出水口22下端连接出水口阀门27，第二出水口22上设置有下封头腔内压力表28。

所述釜体2下部侧面设有通向釜体2内部的环压孔25，所述环压孔25通过管线与所述环压泵14连接。

所述环形胶套5容设在所述釜体2内，环形胶套5内具有用于装入带有裂缝的水泥柱塞8的圆形腔，环形胶套5和釜体2之间具有环压腔4。环形胶套5的上下两端分别与第二上封头1和下封头6紧紧接触，以保持圆形腔和环压腔4之间相互隔离。

所述环压泵14通过环压孔25对环形胶套5施加环压，使水注入釜体2内壁与环形胶套5组成的圆形腔内，环压挤压环形胶套5的目的是为了密封环形胶套5与水泥柱塞8、砂岩岩心7之间的空隙，使封堵剂只能从水泥柱塞8中通过。

所述釜体2上部侧面设有第二出水口9，所述环形胶套5上与第二出水口9相对应的位置设有与第二出水口9相配合的通孔，第二出水口9与通孔之间设有密封圈10，第二出水口9上设有压力可调节安全阀26。第二出水口9为环压泵14泵水时的水满溢流口。

所述釜体2的外壁设有夹套，所述夹套内设有电热丝13，所述加热控制装置3与所述电热丝13连接，控制、调节实验温度。

使用本装置时，封堵剂由上端注入，模拟井下封堵水泥环微裂缝作业。该装置可模拟井下高温环境，在微裂缝内封堵剂发挥作用实现封堵，通过加压泵施压将封堵剂挤入已经人工造缝的水泥柱塞，研究封堵剂进入及滞留水泥环微裂缝的能力，研究挤注压力对封堵剂封堵固井水泥环微裂缝的封堵质量和影响，还可以研究封堵剂在不同人工造缝长度的水泥柱塞中的封堵效果。

实施例2利用上述实施例1的装置模拟挤注封堵剂条件下固井水泥环微裂缝进入能力和封堵能力评价的方法：

进入实验：先将各加压装置通过管线与釜体2上的对应接口连接好，并在出水口22处放置量筒16，然后将下封头6的密封圈10装好，将下封头6装上，上紧第一螺栓17，将环形胶套5放入釜体2内部，环形胶套5下部与下封头6套好，调整加热控制装置3使釜体2内温度满足实验要求，将砂岩岩心7和造缝水泥柱塞8依次放入环形胶套5内部，将第二上封头1的密封圈10装好，装上第二上封头1，上紧第二螺栓18，通过环压泵14给环形胶套5加环压，使砂岩岩心7和造缝水泥柱塞8与环形胶套5紧紧接触，将质量为M的封堵剂由第二上封头1内筒注入，将第一上封头21的密封圈10装好，将第一上封头21装好，上紧第三螺栓19，打开第一开关23，由加压泵11对釜体2内的封堵剂加压，模拟上部挤注压力，使用量筒16接住从出水口22流出的流体，按实验要求反应时间结束后，关闭环压泵14、加压泵11，关闭加热控制装置3，封堵实验结束，装置冷却至室温，评价封堵剂进入微裂缝能力。

冲破实验：先将各加压装置通过管线与釜体2上的对应接口连接好，并在出水口22处放置量筒16，然后将下封头6密封圈10装好，将下封头6装上，上紧第一螺栓17，将环形胶套5放入釜体2内部，环形胶套5下部与下封头6套好，调整加热控制装置3使釜体2内温度满足实验要求，将砂岩岩心7和造缝水泥柱塞8依次放入环形胶套5内部，将第二上封头1的密封圈10装好，装上第二上封头1，上紧第二螺栓18，通过环压泵14给环形胶套5加环压，使封堵实验中的砂岩岩心7和造缝水泥柱塞8与环形胶套5紧紧接触，将第一上封头21的密封圈10装好，将第一上封头21装好，上紧第三螺栓19，关闭第一开关23，打开第二开关24，由注入泵12对釜体2内封堵好的造缝水泥柱塞8施加水压，模拟冲击封堵好的裂缝的冲破压力，按实验要求反应时间结束后，关闭环压泵14、注入泵12，关闭加热控制装置3，卸掉第一上封头21、第二上封头1、下封头6。

本实用新型中：

进入能力考察的是封堵剂成胶固结前的性能，封堵能力包括滞留能力，考虑的是成胶固结以后的性能。

所述进入能力指特定压力条件下封堵剂可以进入裂缝中能力。

所述滞留能力指在一定压力下，裂缝中的封堵剂滞留在裂缝中的能力。即，滞留能力指进入裂缝中的封堵剂在一定压力下，封堵剂中或有封堵剂流出，剩余封堵剂储存在裂缝中的能力。

所述防冲破能力指一定的冲破压力是否可以突破封堵好的水泥柱塞。

结果评价：

(1)封堵剂进入微裂缝能力(进入能力)：

①卸掉第一上封头21、第二上封头1、下封头6，将封堵后的造缝水泥柱塞8和砂岩岩心7取出。在特定压力下，质量为M的封堵剂，实验前称量水泥柱塞的质量为M_{1<\/sub>，从加压时开始计时，当封堵剂没有从第一出水口流出，试验后再次称量水泥柱塞的质量为M_{2<\/sub>，即(M_{2<\/sub>-M_{1<\/sub>)为进入裂缝中封堵剂的质量，因此封堵剂进入能力：L1＝(M_{2<\/sub>-M_{1<\/sub>)\/M；}}}}}}

和\/或

②在特定压力下，质量为M的封堵剂，实验前称量水泥柱塞的质量为M_{1<\/sub>，从对封堵剂加压时开始计时，当有封堵剂从第一出水口流出，计时结束，时间为t，t的大小可以说明封堵剂在裂缝中进入能力。}

特定压力指挤注压力。方法①侧重于考察封堵剂未完全通过水泥柱塞的情况，方法②侧重于考虑封堵剂已经完全通过水泥柱塞的情况。

(2)封堵剂封堵微裂缝能力(滞留能力)：

a.釜体内放置封堵好的水泥柱塞，重新组装仪器，加热，加环压后；或在“进入实验”后，

b.使用注入泵通过注水口对人工造缝的水泥柱塞施加水压进行驱替；

c.观察下封头6的出水口22是否有流体在一段时间内持续流出，来评价封堵剂封堵微裂缝的能力好坏。

(3)封堵剂封堵微裂缝能力(防冲破能力)：将出水口阀门27关闭，观察下封头6腔内压力表28，若在一段时间内压力表示数逐渐增大最后与注入泵12的注入压力相同，则表示水压已经突破封堵好的造缝水泥柱塞8。若没有出现上述情况则，压力表之间的压差维持恒定，表明封堵剂已经很好的实现封堵。

本技术方案中，本仪器的加压泵模拟的是向水泥环微裂缝挤注封堵剂时的挤注压力，注入泵12模拟的是冲破已经实现封堵的微裂缝的冲破压力，环压泵14模拟的是地层对水泥环的径向应力同时实现环形胶套5紧贴造缝水泥柱塞8和砂岩岩心7，加热及控制装置模拟的是固井水泥环出现微裂缝所处地层的温度。

本技术方案中，造缝的水泥柱塞8尽可能要长(100+30mm Max)，水泥柱塞8太短，则封堵剂可能很快穿透水泥柱塞8，起不到比较不同封堵剂的作用。砂岩岩心7可能考虑去掉，加该岩心是为了防止封堵剂渗透过裂缝，流速太大导致流体窜流，砂岩岩心7可以起到一定的阻碍作用，是将安全因素考虑在内，同时模拟地层对封堵剂的一定封堵。

本技术方案中，所述的人工造缝的水泥柱塞8和砂岩岩心7的制备方法为：制作水泥柱塞8的模具为直径30mm，高度100mm，厚度2mm的圆环形不锈钢钢管，制作砂岩岩心7的模具为直径30mm，高20mm的圆环形不锈钢钢管，养护时间结束后，将两岩心取出两端打磨平整，采取人工造缝的方法将水泥柱塞8压裂成实验所需要的裂缝。

在本仪器中所提到的所使用的造缝水泥柱塞8以及砂岩岩心7的具体使用如下：

1、水泥柱塞8的制备过程：分别将一定质量的蒸馏水与嘉华G级水泥按实验要求比例混合同时不添加添加剂来制备水泥浆，将浆料倒入直径30mm，高度105mm，厚度2.5mm的圆环形不锈钢钢管模具(注：模具上、下端面以及内壁面已经提前涂抹黄油并将下端面与方形玻璃板接触)，将另一块方形玻璃板改在模具上端，至此水泥浆已经做好了密封工作。将整体(上、下方形玻璃板夹着圆环形不锈钢钢管模具)放在实验设定好温度的水浴箱中养护至实验所需时间。

2、水泥柱塞8的造缝过程：将养护好的模具取出，将模具中的水泥柱塞8取出，用打磨器将水泥柱塞8的两端打磨平整，在本实验中，采用已经成熟的巴西劈裂法(具体工作原理在此不做详细解释)将水泥柱塞8沿断裂成两半。每次断裂后的裂缝宽度无法保持一定相同，因为受到断裂工艺的影响，但是可以该宽度保持在一定的范围内，通过向裂缝内加入微小钢珠或细钢条等方式支撑到所需要的裂缝宽度范围。

3、砂岩岩心7的制备过程：分别将实验所需目数的沙子与外掺剂混合搅拌，将混合后的物质倒入直径30mm，高25mm，厚度2.5mm的圆环形不锈钢钢管模具，做好密封工作，在实验所需压力条件下养护一段时间，养护时间结束后将岩心取出。

注：制作水泥柱塞8和砂岩岩心7的原材料并不是单一的、受局限的。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

设计图

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