[发明专利]固井环空水泥浆失重测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及模拟不同井深、不同环空间隙及不同井斜角工况条件下环空水泥浆凝结过程中的失重测量装置及测量方法，适用于石油及天然气固井注水泥后作业中环空水泥浆失重与气窜规律研究。

背景技术

在石油、天然气勘探开发钻井过程中，当钻头钻到某一深度时，需要从井内起出钻头，向井内下入称之为套管的中空钢质管柱，然后向井眼和套管之间的环形空间内注入水泥浆，静止凝固后固结井壁，简称注水泥。注水泥刚结束时，水泥浆还是液态，这时环空内液体对地层作用的压力为作用点以上各浆柱的静液压力之和；因为水泥浆密度一般大于钻井液的密度，因此能够起到压住地层的作用。然而，由于一定的原因，水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力将逐渐降低，就好像失掉了一部分质量一样。这种现象称为水泥浆在凝结过程中的失重(简称失重)。在油井水泥浆凝结过程中，由于水泥浆由液态向塑性状态转变，其物化性能均发生显著变化，导致水泥浆作用于井底的有效液柱压力降低。当压力降低到地层压力以下时，油、气、水就会侵入环形空间并窜至井口，出现井口冒油冒气，甚至发生不可控井喷，不仅造成油气资源浪费，更严重的是对环境带来的严重破坏。在美国墨西哥湾每年因维修气窜带压井所花费的费用就高达每口井100万美元。在我国四川龙岗、新疆塔里木盆地、大庆庆深气田每年都有多口井出现气窜带压现象，至今无法很好解决。其本质原因在于对失重规律的认识不清，根本在于现有装置未能较好的模拟井下工况进行失重规律测试，失重测试及影响因素尚未完全搞清楚，导致措施缺乏针对性，防窜效果不明显。

国内相关专利有实用新型专利，如油井水泥失重和气液窜模拟测试装置(zl200720149001)和固井水泥浆失重测量装置(ZL01251865.4)。现在的油井水泥浆失重测试装置对环形空间下宽窄间隙及温差、井斜等实际工况接近下的失重状态测试。

发明内容

本发明的目的在于提供固井环空水泥浆失重测量装置，该测量装置能较真实地模拟井下状态下的失重规律，为防窜措施研究奠定基础。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对水泥浆环空失重进行测量的方法，该方法可适用于在石油及天然气固井注水泥过程中，模拟不同井深条件下环空水泥浆在高温高压环境中的井下情况及失重状态。

在固井中，水泥浆在井下处于不同的温度、压力和环空条件，不同的井身结构和井下条件，导致水泥浆的失重规律不同。为了得到油井水泥浆在井下环境中，不同固结过程的失重规律，本发明采用如下技术方案：

1.井深模拟。本发明测量仪釜体高度为1米，压力最大10MPa，可模拟1000米水柱产生的压力。

2.水泥浆柱温度变化控制。在油气井注水泥的过程中，水泥浆被顶替到位后，由于深度不同，地层的温度和水泥浆柱的温度也不同，而且随着深度增加水泥浆柱的温差会很大。水泥浆固结过程中，温度对水泥石强度有很大的影响，不同的温度下，水泥浆的抗压强度存在很大的差别，因此需要模拟水泥浆柱温差变化情况。本发明采用多个加热冷却套实现水泥浆柱温度从下到上连续性的梯度变化，按照地温梯度2℃/100m，1000m左右井段产生20℃的温差。

3.套管偏心控制。在油气井注水泥之前下入套管过程中，由于井况、地质等原因套管下入地层后，套管不居中发生偏移并且无法补救，只有按照套管偏心的时候固井。本发明采用上下偏心盖控制套管偏心度，通过制作不同偏心程度的盖子来模拟处于井筒不同的位置(偏心度为0、0.2、0.6三种情况)。偏心度＝(内外筒圆心距离)/(内外筒半径之差)。

4.套管倾斜控制。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对倾斜。本发明通过外筒外部支架调节整个井筒的倾斜程度，实现0度～90度的角度变换。

5.压力采集。本发明测量仪底部有三个压力传感器测量不同的压力变化。

6.环空模拟。环空间隙和实际环空间隙相等。环空根据几何相似制作不同尺寸的内筒，并且可以改变环空间隙。