一種耐高溫高壓泡沫水泥漿強度養護系統及其方法

2023-08-02 05:57:21 2

一種耐高溫高壓泡沫水泥漿強度養護系統及其方法
【專利摘要】本發明屬於油田低密度固井領域，尤其涉及一種模擬井下條件的泡沫水泥漿強度養護系統，所述系統包括泡沫水泥漿耐高溫高壓強度養護漿杯，泡沫水泥漿混配漿杯以及帶壓管路；所述混配漿杯在所述帶壓管路下進行泡沫水泥漿發泡和混漿；之後將預混後泡沫水泥漿帶壓輸入所述養護漿杯中，對泡沫水泥漿進行強度養護；所述養護漿杯設置為帶壓結構，用於模擬井下高溫高壓環境；所述帶壓結構採用漿杯內設置活塞結構。解決實驗室評價模擬井下複雜條件下泡沫水泥石強度發展趨勢的規律的問題，對於優選物理髮泡劑和現在進行泡沫水泥漿固井作用具有指導作用。
【專利說明】一種耐高溫高壓泡沬水泥漿強度養護系統及其方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於油田低密度固井領域，尤其涉及一種模擬井下條件的泡沫水泥漿強度養護設備。
【背景技術】
[0002]泡沫水泥是指在常規水泥漿中混入一定量的泡沫，形成固、液、氣三相且具有高度分散性的多相體系。泡沫水泥固井主要是降低水泥漿密度，從而降低環空水泥漿段的液柱壓力，以解決低壓易漏油層的固井漏失問題，並起到保護油層的作用。泡沫水泥漿雖然在50多年前就己被用於建築行業，但是油井泡沫水泥漿還是在1975年由美國的Aldrich和Mitchell首次提出，1984年，Smith等人在加拿大東海岸的深水地區，使用泡沫水泥進行固井，成功實現了長封固、漏失地層的一次性固井作業。在國內，對使用泡沫水泥進行固井施工的研究始於1985年，隨後相繼在各個油田得以研究和發展，此外隨著發泡和穩泡技術的發展，以及固井設備性能的提高，使得泡沫低密度水泥固井技術得到迅速發展。現在泡沫水泥漿主要包括:物理髮泡機械混合和化學反應發泡。物理機械發泡又分成將泡沫預先發好然後與水泥漿泵前混合和在水泥車泵後充氮發泡兩者方式，化學發泡是將發泡劑和泡沫穩定劑分別混入灰樣和配漿水中，在固井施工的過程中兩者因化學反應產生氣泡。與化學反應生成氮氣相比，機械充氮泡沫水泥的強度明顯要高。因為化學發泡的水泥漿中含有強氧化劑，對水泥石的整體性能會產生破壞。且由於化學發泡的化學劑中亞硝酸鹽和氨具有腐蝕性和毒性，亞硝酸鹽和氧化劑與水泥漿外加劑相互之間的作用關係複雜，所以沒有推廣開。
[0003]隨著泡沫固井技術的發展，國內儘管泡沫固井技術已在現場展開，但室內對泡沫水泥漿的研究還僅限於從理論上對泡沫水泥漿的性能影響規律進行研究，對泡沫水泥漿的物理髮泡的實驗室研究最關鍵的是模擬井下的高溫高壓的條件，在泡沫固井注水泥施工過程中，泡沫水泥漿的流動都存在一定壓力，而且泡沫水泥漿的體積和密度變化都受壓力的影響，因此要真實的測定現場泡沫水泥漿的性能，需在密閉帶壓條件下進行。目前室內採用的機械注氮方式產生泡沫的方式多為機械攪拌發泡，它是將發泡液倒入攪拌漿杯中，然後用攪拌機的葉片剪切發泡液,通過在氣體(一般指氮氣)中攪動液體,把氣體攪入液體中而產生泡沫，通過水泥漿和泡沫混合的相關裝置，採用泡沫在帶壓的情況下產生，在密閉的容器中和水泥漿混合均勻，並在壓力的作用下注入本專利提及的高溫高壓養護漿杯，放入油井水泥石強度評價的高溫高壓養護釜中進行養護的方式，泡沫水泥漿在一定齡期內養護成型，然後脫模，測定泡沫水泥石的強度及滲透率變化規律，為現場推廣泡沫水泥漿的應用具有指導性的作用。

【發明內容】

[0004]本發明為了解決現有技術中存在的技術問題，提出了一種耐高溫高壓泡沫水泥漿強度養護系統及其方法，該裝置能解決實驗室評價模擬井下複雜條件下泡沫水泥石強度發展趨勢的規律的問題，對於優選物理髮泡劑和現在進行泡沫水泥漿固井作用具有指導作用。
[0005]本發明的技術方案為
[0006]一種耐高溫高壓泡沫水泥漿強度養護系統，所述系統包括泡沫水泥漿耐高溫高壓強度養護漿杯，泡沫水泥漿混配漿杯以及帶壓管路；所述混配漿杯在所述帶壓管路下進行泡沫水泥漿發泡和混漿；之後將預混後泡沫水泥漿帶壓輸入養護漿杯中，對水泥石進行強度養護；
[0007]所述養護漿杯設置為帶壓結構，用於模擬井下高溫高壓環境；所述帶壓結構採用漿杯內設置活塞結構。
[0008]所述帶壓管路包括高壓氮氣罐，高壓管線和控制閥；所述混配漿杯在所述帶壓管路的加壓環境下進行發泡和混漿。
[0009]在具體的發明裡，所述的養護漿杯包括漿杯1，底座2，三通閥杆8，活塞3，活塞座10和備壓螺杆12 ;所述三通閥杆8設置底座2內，且在所述閥杆8上設置有水平進液口和底座密封螺釘13 ;所述活塞3設置在所述漿杯I內腔中；所述備壓螺杆12 —端通過工字型活塞座10與活塞3接觸式連接，另一端通過螺扣穿過連杆4，把手設置在所述漿杯I外，用於控制壓力。
[0010]為了配合帶壓結構，所述養護漿杯還包括一組固定件和一組密封件；所述固定件包括底座2，底座密封螺釘13，活塞螺釘9，活塞擋環11，連杆4和連杆螺釘5 ;所述密封件包括底座密封螺釘13，O型密封圈15，底座2的O型密封圈6以及活塞3的O型密封圈7 ；
[0011]所述漿杯I與底座2絲扣密封連接，並通過底座2的O型密封圈6密封；所述三通閥杆8設置在所述底座2內，所述三通閥杆8設置在所述底座2內，且通過所述底座密封螺釘13控制所述三通閥杆8的開閉，所述O型密封圈15密封所述三通閥杆8 ;所述活塞螺釘9與所述活塞3螺扣密封連接，且所述活塞通過活塞3的O型密封圈7與所述漿杯I內壁密封；所述活塞擋環11設置在漿杯I的頂端，並通過絲扣固接在漿杯I內，所述連杆4通過連杆螺釘5與所述漿杯I壁固接。
[0012]所述系統還包括一個高溫高壓釜，所述養護漿杯放入所述的高溫高壓釜進行強度養護。
[0013]具體的應用中，所述壓力範圍控制在0.3-0.5MPa。
[0014]所述的活塞3直徑30-60mm ;漿杯I的高度150_250mm ;厚度12_20mm，且所述漿杯耐受壓力為25-35MPa。
[0015]本發明的另一發明點是利用泡沫水泥漿強度養護系統進行養護的方法，所述方法包括:
[0016]混漿步驟，所述混漿步驟包括將水泥基漿和泡沫混配；所述水泥基漿的密度圍為
1.88-1.91g/cm3 ;泡沫是根據發泡劑發泡倍數的要求，由發泡劑的發泡液高速剪切產生；所述混配比例為0.3-0.5% ；
[0017]混漿輸入養護漿杯步驟，所述步驟包括預混好的漿液通過帶壓管線將泡沫水泥漿通過所述三通閥杆8的水平入口進入養護漿杯內，輸入時，泡沫水泥漿會通過三通閥杆8進入密封的漿杯內並且推動活塞3向上移動，為了控制活塞3移動速率手動控制備壓螺杆12的後退速率，所述後退速率根據泡沫和水泥漿混配壓力的不同，控制在l-3mm/s，保證泡沫水泥漿均勻的注入漿杯內，當活塞3頂到所述活塞擋板11的位置時，斷開所述三通閥杆8三通水平入口外的快速接頭並將三通閥杆8底端密封螺母擰緊關閉三通閥門；擰開螺母5並將備壓螺杆12和連杆4取下。
[0018]高溫高壓養護步驟，將取下備壓螺杆12和連杆4的養護漿杯放入高溫高壓釜，進行高溫高壓養護；養護的溫度50-90°C，壓力範圍為:10-20MPa。
[0019]所述方法還包括檢測步驟，泡沫水泥漿在帶壓的情況下注入養護漿杯通過高溫高壓養護成型後形成水泥石，因此需要測定的強度和滲透率的水泥石是一直放置在該漿杯中，將待測水泥石從養護漿杯中取出，測定其強度及滲透率
[0020]具體的水泥為G級油井水泥，水為一般的自來/K，配製後水泥漿的n=0.3-0.5，K=0.9-1.5之間。η值是流動指數，K是稠度係數，二者都是反映水泥流變狀態的參數，η值越小，K值越大水泥漿體流動性較弱，降低泡沫表面的張力有利於泡沫在水泥漿內均勻混合，從而達到穩泡的作用。發泡劑為蛋白質類液體發泡劑，發常壓下泡倍數為18-25，泡沫形成後的高度變化半衰期為1800s左右；備壓螺杆為軸承鋼，螺距為
4.8-6.0mm ；
[0021]本發明的耐高溫高壓泡沫水泥漿養護裝置由柱體、底蓋、帶有密封圈的活塞加有備壓的上蓋及快速轉化接頭組成。
[0022]本發明的特點如下:
[0023](I)杯筒全部採用耐腐蝕、耐磨損的不鏽鋼材料，以能耐高溫高壓；
[0024](2)上下杯蓋特點:多絲扣，能耐25_35MPa的壓力，上杯蓋為空心頂住活塞的擋環，下杯蓋有一個帶三抓底座的不鏽鋼蓋；
[0025](3)活塞材料選用加有上下密封圈的不鏽鋼材料，活塞直徑30_60mm，漿杯的底蓋和運動活塞均採用O型圈密封，而活塞更是採用了雙重密封方式以保證活塞在運動的過程中的密封行，能有效保證漿杯能耐高壓，而密封圈同樣採用的是抗高溫的改性橡膠。
[0026](4)備壓系統由活塞座，備壓螺杆，連杆組成，能給漿杯內的水泥漿施加穩定的備壓，通過搖動連杆，退出絲杆，慢慢釋放備壓，絲杆移動速率l-3mm/s，使泡沫水泥漿可以緩慢均勻注入取樣器中；
[0027](5)直杯筒高度150-250mm ;厚度12_20mm，活塞到頂部的設計高度正好是熱電偶能接觸的高度，在進行高溫高壓養護時，能保證熱電偶測得的溫度與漿杯內泡沫水泥漿養護的溫度一致；
[0028](6)配合使用的加壓系統由高壓氮氣瓶、高壓管線、放氣閥和截止閥組成為泡沫水泥漿提供帶壓的環境。
[0029]通過泡沫水泥漿高溫高壓養護漿杯養護後的泡沫水泥石體積完整，沒有出現體積收縮的現象，對於密度為1.5g/cm3的水泥石，測定其48h抗壓強度為12.4MPa，相應的滲透率為0.058md,相對於常壓養護的泡沫水泥石，高溫高壓養護後的水泥石的抗壓強度較大，滲透率較低，能真實反映水泥石在井下的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為泡沫水泥漿耐高溫高壓強度養護漿杯的外部結構示意圖；
[0031]圖2為泡沫水泥漿耐高溫高壓強度養護漿杯的外部正視結構示意圖；[0032]圖3為泡沫水泥漿耐高溫高壓強度養護漿杯的內部結構示意圖。
[0033]將結合
【發明內容】
和【具體實施方式】加以說明
[0034]圖中，1-漿杯；2-底座；3-活塞；4-連杆；5-螺釘；6_0型圈；7_0型圈；8_三通閥杆；9_螺釘；10_活塞座；11_活塞擋環；12_備壓螺杆；13_底座密封螺釘；14_底座支撐螺母；15-0型圈。
【具體實施方式】
[0035]所述的養護漿杯包括漿杯1，三通閥杆8，活塞3，活塞座10和備壓螺杆12 ;所述三通閥杆8設置在所述漿杯底座2內，且在所述三通閥杆8上設置有水平進液口和底端密封口 ；所述活塞3設置在所述漿杯I內腔中；所述備壓螺杆12 —端通過工字型活塞座10將活塞3和備壓螺杆12接觸式連接，另一端通過螺扣穿過連杆4，把手設置在所述漿杯I外，用於控制壓力。
[0036]為了配合帶壓結構，所述養護漿杯還包括一組固定件和一組密封件；所述固定件包括底座2，底座密封螺釘13，活塞螺釘9，活塞擋環11，連杆4和連杆螺釘5 ；所述密封件包括底座密封螺釘13的O型密封圈15，底座2的O型密封圈6以及活塞3的O型密封圈7 ；
[0037]所述漿杯I與底座2絲扣密封連接，並通過底座2的O型密封圈6密封；所述三通閥杆8設置在所述底座2內，而且通過三通閥杆8的O型密封圈15密封；活塞螺釘9和活塞3通過螺扣密封連接，所述活塞座10通過工型將活塞3和備壓螺杆接觸式連接，方便備壓螺杆在活塞座10轉動而不會擰松活塞螺釘9。且所述活塞通過活塞3的O型密封圈7與所述漿杯I內壁密封；所述活塞擋環11設置在漿杯I的頂端，並通過絲扣固接在漿杯I內，所述連杆4通過連杆螺釘5與所述漿杯I壁螺扣固接。
[0038]所述的活塞3直徑30-60mm ;漿杯I的高度150_250mm ;厚度12_20mm，且所述漿杯耐受壓力為25-35MPa。
[0039]泡沫水泥漿耐高溫高壓強度養護漿杯是配合著泡沫水泥漿混配漿杯使用的，另外需要由高壓氮氣瓶、高壓管線、放氣閥和截止閥組成為泡沫水泥漿提供帶壓的環境，泡沫水泥漿混配漿杯在加壓系統提高的壓力下進行發泡和混漿，事先將2-底座和11-活塞擋板都抒緊密封好，4-連杆通過5-螺釘與1-眾杯固定好,2-底座利用的絲扣與1-眾杯密封好，實驗開始時活塞的位於漿杯的最底部。預混好了之後通過帶壓管線將泡沫水泥漿通過三通8-閥杆的水平入口進入養護漿杯內，因為漿杯內的壓力小於加壓系統，泡沫水泥漿會通過閥杆進入漿杯內並且推動活塞向上移動，為了控制活塞移動速率要手動控制12-備壓螺杆的後退速率保證泡沫水泥漿能均勻的注入漿杯內，當3活塞頂到11-活塞擋板的位置時，斷開所述三通閥杆(8)水平入口外的快速接頭並將底端密封螺母擰緊關閉三通閥門；擰開螺母(5)並將備壓螺杆(12)和連杆(4)取下。
[0040]實例1:
[0041 ] 在泡沫水泥漿混漿杯中，水泥基漿密度1.88g/cm3,泡沫由含0.3%的發泡劑的發泡液高速剪切產生。泡沫和水泥漿以質量比為5:100混配，通過加壓系統提高0.3-0.5MPa的壓力將混漿杯內的泡沫水泥漿通過快速轉化接頭注入高溫高壓養護漿杯中，在注入的過程中，同時調節備壓螺杆，保證進入高溫高壓養護漿杯內泡沫水泥漿均勻，沒有游離氣進入，保證養護後的水泥石的完整性。[0042]實例2
[0043]在泡沫水泥漿混漿杯中，水泥基漿密度1.89g/cm3,泡沫由含0.3%的發泡劑的發泡液高速剪切產生。泡沫和水泥漿以質量比為3:100混配，通過加壓系統提高0.3-0.5MPa的壓力將混漿杯內的泡沫水泥漿通過快速轉化接頭注入高溫高壓養護漿杯中，在注入的過程中，同時調節備壓螺杆，保證進入高溫高壓養護漿杯內泡沫水泥漿均勻，沒有游離氣進入，保證養護後的水泥石的完整性。
[0044]表1:實例I對比實驗結果
[0045]
【權利要求】
1.一種耐高溫高壓泡沫水泥漿強度養護系統，其特徵在於:所述系統包括泡沫水泥漿耐高溫高壓強度養護漿杯，泡沫水泥漿混配漿杯以及帶壓管路；所述混配漿杯在所述帶壓管路下進行泡沫水泥漿發泡和混漿；之後將預混後泡沫水泥漿帶壓輸入所述養護漿杯中，對水泥石進行強度養護； 所述養護漿杯設置為帶壓結構，用於模擬井下高溫高壓環境；所述帶壓結構採用漿杯內設置活塞結構。
2.根據權利要求1所述的一種耐高溫高壓泡沫水泥漿強度養護系統，其特徵在於: 所述的養護漿杯包括漿杯(1)，三通閥杆(8)，活塞(3)，活塞座(10)和備壓螺杆(12)；所述三通閥杆(8 )設置在所述漿杯底座(2 )內，且在所述三通閥杆(8 )上設置有水平進液口和底端密封口 ；所述活塞(3)設置在所述漿杯(I)內腔中；所述備壓螺杆(12)—端通過所述工字型活塞座(10)和活塞(3)接觸式連接。
3.根據權利要求2所述的一種耐高溫高壓泡沫水泥漿強度養護系統，其特徵在於: 所述養護漿杯還包括一組固定件和一組密封件；所述固定件包括底座(2)，底座支撐螺母(14)，活塞螺釘(9)，活塞擋環(11)，連杆(4)和連杆螺釘(5);所述密封件包括底座密封螺釘(13)，三通閥杆(8)的O型密封圈(15)，底座(2)的O型密封圈(6)以及活塞(3)的O型密封圈(7)； 所述漿杯(I)與底座(2)絲扣密封連接，並通過底座(2)通過O型密封圈(6)密封；所述三通閥杆(8 )設置在所述底座(2 )內，且通過所述底座密封螺釘(13)控制所述三通閥杆(8)的開閉，所述O型密封圈 (15)密封所述三通閥杆(8);所述活塞螺釘(9)和活塞(3)通過螺扣固接，且所述活塞通過活塞(3)的O型密封圈(7)與所述漿杯(I)內壁密封；所述活塞擋環(11)設置在漿杯( I)的頂端，並通過絲扣固接在漿杯(I)內，所述連杆(4 )通過連杆螺釘(5 )與所述漿杯(I)壁固接。 所述備壓螺杆(12) —端通過所述工字型活塞座(10 )和活塞(3 )接觸式連接，另一端通過螺扣穿過連杆(4)，所述備壓螺杆(12)的把手設置在所述漿杯(I)外，用於控制壓力。
4.根據權利要求1所述的一種耐高溫高壓泡沫水泥漿強度養護系統，其特徵在於: 所述帶壓管路包括高壓氮氣罐，高壓管線和控制閥；所述混配漿杯在所述帶壓管路的加壓環境下進行發泡和混漿。
5.根據權利要求4所述的一種耐高溫高壓泡沫水泥漿強度養護系統，其特徵在於: 所述壓力範圍控制在0.3-0.5MPa。
6.根據權利要求1所述的一種耐高溫高壓泡沫水泥漿強度養護系統，其特徵在於: 所述系統還包括一個高溫高壓釜，所述養護漿杯放入所述的高溫高壓釜進行強度養護。
7.根據權利要求2所述的一種耐高溫高壓泡沫水泥漿強度養護系統，其特徵在於:所述的活塞(3)直徑30-60mm;漿杯(I)的高度150_250mm ;厚度12_20mm，且所述漿杯(I)及絲扣連接處耐受壓力為25-35MPa。
8.採用權利要求1-7之一所述的泡沫水泥漿強度養護系統進行養護的方法，其特徵在於，所述方法包括: 混漿步驟，所述混漿步驟包括將水泥基漿和泡沫混配；所述水泥基漿的密度範圍為1.88-1.91g/cm3 ;泡沫是根據發泡劑發泡倍數的要求，由發泡劑的發泡液高速剪切產生；所述混配比例為0.3-0.5% ； 混漿輸入養護漿杯步驟，所述步驟包括預混好的漿液通過帶壓管線將泡沫水泥漿通過所述三通閥杆(8)的三通水平入口進入養護漿杯內，輸入時，泡沫水泥漿會通過閥杆向上運移並且推動活塞(3)向上移動，為了控制活塞(3)移動速率手動控制備壓螺杆(12)的後退速率，所述後退速率根據泡沫和水泥漿混配壓力的不同，控制在l-3mm/s，保證泡沫水泥漿均勻的注入漿杯內，當活塞(3)頂到所述活塞擋板(11)的位置時，斷開所述三通閥杆(8)三通水平入口外的快速接頭並將三通下端的底座密封螺釘(13)擰緊關閉三通閥門；擰開連杆螺釘(5)並將備壓螺杆(12)和連杆(4)取下，方便後續的高溫高壓養護； 高溫高壓養護步驟，將取下備壓螺杆(12)和連杆(4)的養護漿杯放入高溫高壓釜，進行高溫高壓養護；養護的溫度50-90°C，壓力範圍為:10-20MPa。
9.根據權利要求7所述的泡沫水泥漿強度養護方法，其特徵在於，所述方法包括: 水泥為G級油井水泥，配製後水泥漿的n=0.3-0.5, K=0.9-1.5之間；其中，η值是流動指數，K是稠度係數；發泡劑為蛋白質類液體發泡劑，發常壓下泡倍數為18-25，泡沫形成後的高度變化半衰期為1800s左右；備壓螺杆的螺距為4.8-6.0mm。
10.根據權利要求7所述的泡沫水泥漿強度養護方法，其特徵在於，所述方法包括: 所述方法還包括檢測步驟，水泥漿在帶壓的情況下注入養護漿杯通過高溫高壓養護成型後形成水泥石，將待測水泥石從養`護漿杯中取出，測定其強度及滲透率。
【文檔編號】E21B47/005GK103510910SQ201210208464
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月19日 優先權日:2012年6月19日
【發明者】劉建, 劉偉, 丁士東, 桑來玉, 周仕明, 周體秋, 汪曉靜, 方春飛, 張林海 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院