[發明專利]固井環空水泥漿失重測量裝置及測量方法

有效

• 申請號: 201110302119.0
• 申請日: 2011-09-29
• 公開（公告）號: CN102392634A
• 公開（公告）日: 2012-03-28
• 發明（設計）人: 郭小陽;李早元;林友建;程小偉;劉洋;謝鵬;吳奇兵;黃盛;張弛
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21B47/005
• 分類號: E21B47/005;E21B47/07;E21B47/06
• 代理公司: 成都市輔君專利代理有限公司 51120
• 代理人: 楊海燕;賴純清

技術領域

本發明涉及模擬不同井深、不同環空間隙及不同井斜角工況條件下環空水泥漿凝結過程中的失重測量裝置及測量方法，適用于石油及天然氣固井注水泥后作業中環空水泥漿失重與氣竄規律研究。

背景技術

在石油、天然氣勘探開發鉆井過程中，當鉆頭鉆到某一深度時，需要從井內起出鉆頭，向井內下入稱之為套管的中空鋼質管柱，然后向井眼和套管之間的環形空間內注入水泥漿，靜止凝固后固結井壁，簡稱注水泥。注水泥剛結束時，水泥漿還是液態，這時環空內液體對地層作用的壓力為作用點以上各漿柱的靜液壓力之和；因為水泥漿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，水泥漿柱在凝結過程中對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量一樣。這種現象稱為水泥漿在凝結過程中的失重(簡稱失重)。在油井水泥漿凝結過程中，由于水泥漿由液態向塑性狀態轉變，其物化性能均發生顯著變化，導致水泥漿作用于井底的有效液柱壓力降低。當壓力降低到地層壓力以下時，油、氣、水就會侵入環形空間并竄至井口，出現井口冒油冒氣，甚至發生不可控井噴，不僅造成油氣資源浪費，更嚴重的是對環境帶來的嚴重破壞。在美國墨西哥灣每年因維修氣竄帶壓井所花費的費用就高達每口井100萬美元。在我國四川龍崗、新疆塔里木盆地、大慶慶深氣田每年都有多口井出現氣竄帶壓現象，至今無法很好解決。其本質原因在于對失重規律的認識不清，根本在于現有裝置未能較好的模擬井下工況進行失重規律測試，失重測試及影響因素尚未完全搞清楚，導致措施缺乏針對性，防竄效果不明顯。

國內相關專利有實用新型專利，如油井水泥失重和氣液竄模擬測試裝置(zl200720149001)和固井水泥漿失重測量裝置(ZL01251865.4)。現在的油井水泥漿失重測試裝置對環形空間下寬窄間隙及溫差、井斜等實際工況接近下的失重狀態測試。

發明內容

本發明的目的在于提供固井環空水泥漿失重測量裝置，該測量裝置能較真實地模擬井下狀態下的失重規律，為防竄措施研究奠定基礎。

本發明的另一目的還在于提供利用上述裝置對水泥漿環空失重進行測量的方法，該方法可適用于在石油及天然氣固井注水泥過程中，模擬不同井深條件下環空水泥漿在高溫高壓環境中的井下情況及失重狀態。

在固井中，水泥漿在井下處于不同的溫度、壓力和環空條件，不同的井身結構和井下條件，導致水泥漿的失重規律不同。為了得到油井水泥漿在井下環境中，不同固結過程的失重規律，本發明采用如下技術方案：

1.井深模擬。本發明測量儀釜體高度為1米，壓力最大10MPa，可模擬1000米水柱產生的壓力。

2.水泥漿柱溫度變化控制。在油氣井注水泥的過程中，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很大。水泥漿固結過程中，溫度對水泥石強度有很大的影響，不同的溫度下，水泥漿的抗壓強度存在很大的差別，因此需要模擬水泥漿柱溫差變化情況。本發明采用多個加熱冷卻套實現水泥漿柱溫度從下到上連續性的梯度變化，按照地溫梯度2℃/100m，1000m左右井段產生20℃的溫差。

3.套管偏心控制。在油氣井注水泥之前下入套管過程中，由于井況、地質等原因套管下入地層后，套管不居中發生偏移并且無法補救，只有按照套管偏心的時候固井。本發明采用上下偏心蓋控制套管偏心度，通過制作不同偏心程度的蓋子來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＝(內外筒圓心距離)/(內外筒半徑之差)。

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傾斜。本發明通過外筒外部支架調節整個井筒的傾斜程度，實現0度～90度的角度變換。

5.壓力采集。本發明測量儀底部有三個壓力傳感器測量不同的壓力變化。

6.環空模擬。環空間隙和實際環空間隙相等。環空根據幾何相似制作不同尺寸的內筒，并且可以改變環空間隙。