一種泥餅固化強度評價方法及泥餅固化強度檢測裝置與流程
2023-06-20 03:31:06
本發明涉及固井質量研究領域，特別涉及一種泥餅固化強度評價方法和泥餅固化強度檢測裝置。
背景技術：
固井是油氣井建井過程中重要的環節之一，是一個涉及面廣、風險大、作業要求高、技術性很強的井下作業工程。固井質量的好壞，直接影響到該井能否繼續鑽進、能否順利生產、油氣井壽命以及油氣藏的採收率。在固井工程中，套管和水泥之間的界面稱為固井第一界面，水泥和地層之間的界面稱為固井第二界面。界面膠結歷來被認為是整體結構的薄弱環節，也是導致固井質量問題的重要因素。
隨著研究的不斷深入，科研人員和生產人員逐漸意識到固井二界面膠結質量問題是影響整體固井質量的重要因素。目前固井質量的問題主要包括：固井後環空帶壓甚至管外冒油氣水的問題，投產之後的層間竄問題，環空的「聲變」問題等。以上固井質量問題產生的根源都是固井二界面封固系統失效。考慮到射孔、壓裂等後期施工作業的影響，井身質量問題會更加嚴重。因此，只有當固井二界面實現了整體固化膠結，才能實現層間封隔，減少環空氣竄的可能性，從而提高油氣井的壽命。
鑽井液泥餅是鑽井液體系中的固相顆粒以及聚合物等物質在地層壁面的累積分布。從結構上來說，泥餅可以根據其強度及密實程度的不同，自內而外分為虛泥餅、可壓縮層泥餅、密實層泥餅及緻密層泥餅。泥餅的存在對鑽井過程是不可或缺的，但是這也為後續的固井作業帶來了難題。因為泥餅本身不具備任何活性，加上目前泥餅的清除效果很差，導致泥餅殘存與地層井壁上，固井時，不論多薄的泥餅，都會在固井二界面處形成一層不可固化的隔層。水泥水化固化過程中，泥餅發生脫水粉化，導致環空產生微間隙。
針對上述問題，近年來泥餅固化技術逐漸興起，從mtc固井技術到mta固井技術，以及外加潛活性材料實現泥餅固化的技術研究取得了初步成果。然而，在泥餅固化技術的研究中，固化泥餅的強度評價是目前廣大研究人員都沒有解決的問題，主要是由於泥餅在物性參數和形貌特徵都與普通金屬和水泥基材料相差很大，常規的材料強度測試難以滿足技術研究要求。因此，泥餅強度評價方法是泥餅固化技術研究迫切需要解決的問題。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種泥餅固化強度評價方法和泥餅固化強度檢測裝置，可以準確評價泥餅固化的強度，且檢測方法簡單，操作方便。
為了實現上述目的，根據本發明提出一種泥餅固化強度評價方法，包括以下步驟：
(1)利用潛活性材料將鑽井液改性；
(2)利用失水筒製備改性後的鑽井液泥餅，並用激活劑進行激活，使泥餅具有一定的強度：
(3)利用超聲測量裝置測量聲波在泥餅中的縱橫波速，並通過計算獲得泥餅的彈性模量和泊松比；
(4)將固化泥餅放置於泥餅固化強度檢測裝置的壓力傳感器上，手動操作金屬杆向下作用於泥餅，記錄鋼針刺破泥餅時的力；
(5)用abaqus軟體建立泥餅的模型，並對泥餅模型進行受力分析；
(6)獲得泥餅受力分析的應力曲線，得到泥餅強度。
本發明所提出的泥餅強度評價方法，先對鑽井液添加潛活性材料及激活劑等進行處理，再利用失水筒製備成泥餅，先利用超聲測量裝置測量聲波在泥餅中的縱橫波速，再將泥餅將泥餅放到泥餅強度檢測裝置上進行破壞力的測量，將以上測量數據用abaqus軟體建立泥餅的模型，通過模型對泥餅進行受力分析，獲得泥餅受力分析的應力曲線，從而得到泥餅的強度值。泥餅的受力為在泥餅中心1mm圓形範圍施加一個作用壓強。泥餅的受力分析採用mises應力準則，根據受力分析的結果導出泥餅所受應力曲線，其最大mises應力即為泥餅強度。
作為本發明改進，泥餅固化方法為通過向鑽井液中外加潛活性材料改性泥餅，潛活性材料優選為偏高嶺土和超細礦渣的混合材料，將改性後的鑽井液放入失水筒中進行濾失並形成泥餅，再加入激活劑激活泥餅以使泥餅具有一定的強度，激活劑優選為矽酸鈉和氫氧化鈉的水溶液。固化後的泥餅其彈性模量遠低於普通硬脆性水泥基材料，高於普通彈性材料，這樣處理後，有利於對泥餅受力的檢測。
本發明中，利用超聲波檢測裝置測量的聲波在泥餅中的縱橫波速並計算出的所述彈性模量和泊松比為動態彈性模量和泊松比。
本發明中，用abaqus軟體建立的泥餅的模型，泥餅模型各項參數與實際泥餅相同，所述受力分析採用mises應力準則，這樣可以更準確地得到泥餅的強度。
為實現上述目的，本發明還提供一種泥餅固化強度檢測裝置，包括底座、設置於所述底座上的壓力傳感器、安裝於所述底座側壁的支架和設置於所述支架上的撞杆，所述支架頂部開設有通孔，所述撞杆放置於所述通孔中，可沿所述通孔向所述壓力傳感器方向滑動。
本發明所提供的泥餅固化強度檢測裝置，通過將製備的泥餅放置到一個壓力傳感器上，然後通過撞杆對泥餅進行撞擊，撞杆對泥餅的撞擊力會被壓力傳感器測量出。調整撞杆的高度，使撞杆正好將泥餅撞破，記錄撞杆撞破泥餅的力的大小，然後利用這些數據和超聲波檢測裝置測量的彈性模量和泊松比，利用abaqus軟體建立泥餅模型，進行泥餅的受力分析，獲得泥餅受力分析的應力曲線，從而可以得到泥餅的強度值，也就可以對泥餅進行一個準確的評價，以利於固井作業的進行。
作為本發明的改進，所述支架為c形結構，底部固定安裝於所述底座的側壁，頂部位於所述壓力傳感器的中部上方，所述通孔的軸向方向垂直於所述壓力傳感器，此種結構可以使壓力傳感器與撞杆之間的操作空間比較寬裕，方便泥餅的取放。
作為本發明支架上的通孔的進一步改進，在所述通孔的邊緣沿軸向向上設置一立柱，在所述立柱的頂端側壁固定一環孔，所述環孔的內徑與所述通孔內徑相同且同軸，這樣的結構，相當於通孔的長度加長，且結構簡單，質量輕，撞杆放置在通孔中，向壓力傳感器方向滑動時，導向性好，滑動平滑，撞杆不會傾斜方向，卡在通孔中不能撞擊泥餅或者撞偏，影響檢測結果。
作為本發明的改進，所述撞杆包括後端較粗的金屬棒和前端的金屬針，所述金屬棒的直徑略小於所述通孔的內徑，撞杆這樣設計，後端較粗，既保證撞杆質量比較大，有比較大的衝擊力，前端金屬針較細，又保證撞擊效果，提高檢測的準確性。
綜上所述，本發明所提供的泥餅固化強度評價方法和泥餅固化強度檢測裝置，通過對鑽進液進行處理，製備成泥餅並檢測其強度，對泥餅的強度作出準確的評價，可以使固井作業得到有效的以參考，提高固井作業的質量。本發明所提供的評價方法和檢測裝置，設計科學，操作簡單，得到的檢測結果準確度高，具有非常高的價值。
附圖說明
圖1是泥餅固化強度檢測裝置的結構示意圖；
圖中，金屬棒1，支架2，金屬針3，壓力傳感器4，底座5。
具體實施方式
為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明提供的泥餅固化強度評價方法和泥餅固化強度檢測裝置進行詳細描述。下面通過附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
一種泥餅固化強度評價方法，包括以下步驟：
(1)利用潛活性材料將鑽井液改性；
(2)利用失水筒製備改性後的鑽井液泥餅，並用激活劑進行激活，使泥餅具有一定的強度：
(3)利用超聲測量裝置測量聲波在泥餅中的縱橫波速，並通過計算獲得泥餅的彈性模量和泊松比；
(4)將固化泥餅放置於泥餅固化強度檢測裝置的壓力傳感器4上，手動操作金屬杆1向下作用於泥餅，記錄鋼針3刺破泥餅時的力；
(5)用abaqus軟體建立泥餅的模型，並對泥餅模型進行受力分析；
(6)獲得泥餅受力分析的應力曲線，得到泥餅強度。
向鑽井液中加入一定量的潛活性材料，潛活性材料選用偏高嶺土和超細礦渣的混合材料，利用失水筒在0.7mpa壓差下濾失形成泥餅。鑽井液中加入潛活性材料後，強度會明顯加強，有利於對泥餅的檢測。對於鑽井液是否加入潛活性材料，製備出的泥餅的強度測量數據如表1中所示。
表1鑽井液加入潛活性材料對泥餅強度的對比
在完成上述步驟後，倒出剩餘鑽井液，將配置好的不同濃度的激活劑倒入失水筒，激活劑優選為矽酸鈉和氫氧化鈉的水溶液，濃度優選為0.2-0.4，激活時間控制在20－30分鐘，在1mpa壓差下繼續濾失，對泥餅中的潛活性材料進行激活，製備成檢測所需要的泥餅，將製備成的泥餅取得後，將泥餅放置在特製容器中，在泥餅上方澆築水泥漿，進行一定時間的養護，正常養護1d時間即可。對於不同濃度的激活性對製備的泥餅的強度的變化，如表2中數據所示，對於不同激活時間對製備的泥餅的強度的變化，如表3中數據所示。
表2激活性濃度對泥餅強度的影響
表3激活時間對泥餅強度的影響
將養護好的泥餅先利用超聲測量裝置測試泥餅的聲波波速，通過計算獲得泥餅的彈性模量和泊松比，再利用泥餅固化強度檢測裝置測試泥餅在受到破壞時受力，根據以上數據，利用abaqus軟體建立泥餅模型，輸入泥餅參數進行受力分析，導出泥餅所受應力曲線，根據泥餅應力曲線獲得泥餅強度。
本發明所提供的泥餅固化強度評價方法，利用潛活性材料和激活劑對鑽井液進行改性和激活，使製備的泥餅具備一定的強度，有利於對其進一步的檢測，且檢測的數據準確性高，具有非常高的價值。
本發明所提出的泥餅固化強度評價方法中，在檢測泥餅的破壞受力，自製了一個泥餅固化強度檢測裝置，包括底座5、設置於所述底座上的壓力傳感器4、安裝於所述底座5側壁的支架2和設置於所述支架上的撞杆，所述支架頂部開設有通孔，所述撞杆放置於所述通孔中，可沿所述通孔向所述壓力傳感器4方向滑動。
本發明所提供的泥餅固化強度檢測裝置，通過將製備的泥餅放置到一個壓力傳感器4上，然後通過撞杆對泥餅進行撞擊，撞杆對泥餅的撞擊力會被壓力傳感器4測量出。調整撞杆的高度，使撞杆正好將泥餅撞破，記錄撞杆撞破泥餅的力的大小，然後利用這些數據和超聲波檢測裝置測量的彈性模量和泊松比，利用abaqus軟體建立泥餅模型，進行泥餅的受力分析，獲得泥餅受力分析的應力曲線，從而可以得到泥餅的強度值，也就可以對泥餅進行一個準確的評價，以利於固井作業的進行。
進一步地，所述支架2為c形結構，底部固定安裝於所述底座5的側壁，頂部位於所述壓力傳感器4的中部上方，所述通孔的軸向方向垂直於所述壓力傳感器4，此種結構可以使壓力傳感器4與撞杆之間的操作空間比較寬裕，方便泥餅的取放。
更進一步地，在所述通孔的邊緣沿軸向向上設置一立柱，在所述立柱的頂端側壁固定一環孔，所述環孔的內徑與所述通孔內徑相同且同軸，這樣的結構，相當於通孔的長度加長，且結構簡單，質量輕，撞杆放置在通孔中，向壓力傳感器方向滑動時，導向性好，滑動平滑，撞杆不會傾斜方向，卡在通孔中不能撞擊泥餅或者撞偏，影響檢測結果。
進一步地，所述撞杆包括後端較粗的金屬棒1和前端的金屬針3，所述金屬棒1的直徑略小於所述通孔的內徑，撞杆這樣設計，後端較粗，既保證撞杆質量比較大，有比較大的衝擊力，前端金屬針3較細，又保證撞擊效果，提高檢測的準確性。
本發明所提供的泥餅固化強度檢測裝置，結構簡單，操作方便，可以準確檢測泥餅受力數據，為泥餅固化強度的評價提供有力的支持，具有非常好的使用價值。
綜上所述，本發明所提供的泥餅固化強度評價方法和檢測裝置，是固井作業中對泥餅強度進行評價的一項填補空白的技術，大大提高了固井作業的質量，具有非常高的應用前景和市場價值。
最後應當說明的是，以上所描述的較佳實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不全部的實施例，這些描述只是示例性的，而並非是對本發明的限制。應當理解，所屬技術領域的普通技術人員在沒有作出創造性勞動的前提下做出的其他實施例或者對部分技術特徵進行等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神，其均應涵蓋在本發明請求保護的範圍當中。