評價固井水泥漿體系活性自修復能力的實驗裝置與方法與流程

2023-12-10 14:21:57 2

本發明涉及一種評價固井水泥漿體系活性自修復能力的實驗裝置與方法。

背景技術：

頁巖油氣等非常規油氣的開發是近年來全球最引人注目的能源革命，水平井壓裂改造儲層是頁巖氣高效勘探開發的關鍵手段和核心技術。在井下作業過程中刮管、鑽塞、射孔和壓裂改造均易使水泥環產生微裂縫或微環隙，導致水泥環力學完整性和水力密封性失效，油氣沿著這種套管環空的裂縫上竄至地面，造成環空帶壓問題頻繁出現，甚至導致花巨資建立的油氣井報廢。

用於解決固井後的氣竄和環空帶壓問題措施較少且成本高，針對這一問題，從水泥石本身角度出發，研究能使水泥環自我密封微裂縫或微環隙的水泥漿體系是目前國內外的研究熱點。活性自修復水泥漿可在水泥環出現微裂縫和微環隙時無需地面人工幹預，當地層油氣在層間竄流時，碳氫化合物將觸發活性材料發生反應，自動封堵竄流通道，恢復水泥環的完整性和界面膠結能力，達到防止氣竄和環空帶壓的目的。

目前國內外缺乏行之有效的自修復水泥漿的評價方法和檢測手段，現場只能通過傳統的觀察井口帶壓現象來間接驗證自修復水泥漿的自修復效果；而室內實驗方法眾多，國內外各研究單位各有自己的評價方法，例如通過強度恢復能力、膠結恢復能力、滲透恢復能力和氣流量等評價水泥環的自修復能力，取得了一定的研究成果，但無法形成令行業認同的統一評價標準。因此急需研發一種簡單、經濟、科學有效的評價裝置和方法來評價水泥漿自修復能力的實驗手段，以便量化的評價水泥漿體系的自修復效果，更好的為自修復水泥漿的研究服務。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在於，提供一種操作方便、結構簡單，重複性好的評價固井水泥漿體系活性自修復能力的實驗裝置與方法。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：構造一種評價固井水泥漿體系活性自修復能力的實驗裝置，包括界面膠結強度試模、框架、上壓盤、壓頭和下壓盤，所述下壓盤設置在框架的底部，所述界面膠結強度試模下端置於下壓盤上，所述界面膠結強度試模的上端設有壓頭，所述上壓盤固定在框架的頂部，上壓盤位於壓頭的上方，所述上壓盤與壓力測試機連接，所述界面膠結強度試模包括仿真套管和膠結在所述仿真套管內部的水泥石柱。

上述方案中，還包括密封膠和密封片，所述仿真套管、密封膠和密封片組成界面膠結強度試模製備裝置，製備界面膠結強度試模時，通過密封片和密封膠堵住仿真套管的一端。

本發明還提供了一種評價固井水泥漿體系活性自修復能力的方法，採用所述評價固井水泥漿體系活性自修復能力的實驗裝置，其特徵在於，包括以下步驟：

s1、製備界面膠結強度試模；

s2、界面膠結強度試模倒置於下壓盤上，壓頭置於試模上端，居中平整放置；

s3、設定壓力測試機測試檔位和速度，上壓盤接觸壓頭後減速均勻加載負荷；

s4、直至水泥石柱與仿真套管膠結界面脫離，得出試模最大抗剪切力，計算得到初次界面膠結強度pf；

s5、養護步驟s4中膠結界面脫離的試模一定時間後，重複所述步驟s2-s4，得出二次界面膠結強度ps；

s6、通過以下公式計算固井水泥漿的界面膠結強度恢復率α：

上述方法中，所述步驟s1進一步包括：

s11：仿真套管、密封膠和密封片形成半密封的整體模具，製作界面膠結試模模具；

s12：一定量水泥漿樣品倒入模具內在特定溫度和介質條件下養護膠凝固化，形成界面膠結試模；

s13：去除密封膠和密封片，形成界面膠結強度試模測試樣品。

實施本發明的評價固井水泥漿體系活性自修復能力的實驗裝置與方法，具有以下有益效果：

本發明裝置能仿真模擬井筒內水泥環與套管或地層的界面膠結，通過壓力機測試養護後壓脫水泥石的最大抗剪切力，與此同時在膠結界面形成人工膠結微裂縫；通過膠結界面受力分析得出界面膠結強度計算公式，得出水泥石柱與仿真套管的界面膠結強度；可模擬不同介質(油、氣或水)養護後再次測試最大抗剪切力，分別計算得出固井水泥漿的初次界面膠結強度和二次界面膠結強度，並可依此得出該水泥漿體系在特定介質養護條件下的界面膠結強度恢復率；該界面膠結強度恢復率力學評價方法具有方便快捷、可重複性強的特點，能科學客觀的評價固井水泥環在油氣介質環境下自行修復微裂縫和微環隙的能力。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1是界面膠結試模製備示意圖；

圖2是界面膠結強度測試裝置示意圖。

具體實施方式

為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式。

如圖1、圖2所示，本發明評價固井水泥漿體系活性自修復能力的實驗裝置，包括界面膠結強度試模、框架5、上壓盤6、壓頭7、下壓盤8、密封膠4和密封片3。

下壓盤8設置在框架5的底部，界面膠結強度試模下端置於下壓盤8上，界面膠結強度試模的上端設有壓頭7，上壓盤6固定在框架5的頂部，上壓盤6位於壓頭7的上方，上壓盤6與壓力測試機連接，界面膠結強度試模包括仿真套管1和膠結在仿真套管1內部的水泥石柱2。

仿真套管1、密封膠4和密封片3組成界面膠結強度試模製備裝置，製備界面膠結強度試模時，通過密封片3和密封膠4堵住仿真套管1的一端。以仿真套管1和密封片3為基礎的簡單模具系統，構造一種評價自修復水泥石界面膠結強度恢復能力的實驗養護試模。

本發明還提供了一種評價固井水泥漿體系活性自修復能力的方法，其通過膠結界面受力分析得出界面膠結強度理論模型和計算公式，得出固井水泥漿體系的界面膠結強度恢復率評價方法，以便能方便、宏觀、真實的評價固井水泥環在油氣介質環境下自行修復微裂縫和微環隙的能力。具體步驟如下：

(1)需要製備界面膠結試模時，仿真套管和密封片形成一個半密封的整體模具，一定量水泥漿樣品倒入模具內養護膠凝固化形成界面膠結試模。所述仿真套管由無縫鋼管加工而成，鋼管尺寸根據實驗需要選擇(例如：外徑55mm，內徑51mm，高度在80～90mm之間)，保證內壁和端面光滑平整；為模擬固井施工井眼真實條件，需事先浸泡鑽井液24h以上，倒入水泥漿之前衝洗乾淨；所述水泥石柱由測試水泥漿在特定溫度和介質條件下養護膠凝固化而成；所述水泥漿由一定水灰比的水泥灰和藥品水高速攪拌而成，首先在恆速攪拌器4000r/min低速攪拌15s，再12000r/min高速攪拌35s，保證攪拌充分，水泥漿倒入後整體移入養護箱,保證整體浸沒養護介質中，在模擬井溫條件下養護24h；所述密封膠選擇抗高溫粘結性能優良且易於後期清除的高溫鋰基脂，主要作用是密封仿真套管與密封片，防止水泥漿膠凝硬化過程中漏失；所述密封片由普通平板玻璃切割而成，尺寸為80mm*80mm*5mm。

(2)需要測試界面膠結強度時，養護一定時間的試模樣品自然冷卻至室溫後，量出水泥石柱高度h，按圖2放置於壓力測試機上，上壓盤以低速對壓頭均勻加載負荷，當加載負荷達到峰值後停止測試，水泥石柱與仿真套管發生相對滑動，膠結面被破壞形成微裂縫和微環隙，此峰值即為膠結界面承受的最大抗剪切力f。所述框架系統為全自動恆應力水泥壓力試驗機一部分，為壓力試驗機提供整體機械支撐；所述上壓盤為水泥壓力試驗機液壓系統的一部分，能勻速加荷及負荷保持控制，試驗力測量範圍8kn-300kn；所述下壓盤為水泥壓力試驗機液壓系統的一部分，但不提供動力，有不同尺寸的下壓盤更換，根據測試試模的尺寸和活塞行程選擇下壓盤的直徑和高度；所述壓頭為根據試模尺寸由鋼材加工而成，上部直徑小於下部直徑，下部直徑以略小於試模內徑為標準；所述界面膠結強度試模由水泥漿膠凝固化後去除模具的密封片和密封膠而成，測試膠結強度時倒立放置，以便有足夠的測試下壓空間。

(3)評價膠結強度恢復性能

界面膠結試模主要由仿真套管、水泥石柱和膠結界面組成，測試時對水泥柱石逐漸施加負荷，當加載力達到一定階段後，會優先破壞膠結薄弱面，水泥石柱與仿真套管之間的膠結界面發生相對滑動，此峰值即為最大抗剪切力f。

根據破壞界面受力分析推斷得出水泥石柱與仿真套管界面膠結強度計算公式為：

式中：f為最大抗剪切力，單位為n；d為仿真套管內徑，單位為mm；h為水泥石柱高度，單位為mm；p我界面膠結強度，單位為pa；

壓脫水泥石的同時在膠結界面處形成人工膠結微裂縫和微環隙，再將試模以不同介質(模擬井筒實際條件下的地層油、氣或水)養護一定時間後,再次測試最大抗剪切力fs。通過上述公式計算得出初次界面膠結強度和二次界面膠結強度，因此固井水泥漿的界面膠結強度恢復率為：

式中：α為界面膠結強度恢復率，單位為％；ps為二次界面膠結強度，pa；pf為初次界面膠結強度，單位為pa；

上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。