[发明专利]一种模拟测量油井水泥环胶结强度与防窜流能力的方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及石油工程领域中一种模拟测量油井水泥环胶结强度与防窜流能力的方法。

背景技术

目前，在国内外石油钻井工程中，固井注水泥完成后，水泥环与地层或套管二界面的胶结质量是影响油气井寿命的一大关键因素。固井二界面胶结质量差使得界面的封固系统失效，会引发注水泥后的环空窜流问题。

环空窜流的危害巨大，主要体现在以下几个方面：1.窜流导致井口冒油冒气，使大量的油气散失，降低了油气产量；2.井下不同压力系统在层间窜流，不仅降低油气采收率，还影响油气田的合理开发；3.窜流降低了增产措施的效果，使油气产层得不到合理的开采；4.窜流使套管遭受流体的侵蚀和腐蚀，降低了套管的强度和使用寿命；5.地层中上窜的流体可能污染地下水源，影响居民的生命安全。

固井二界面胶结质量重要性的凸显使得业界越来越重视该方面的研究工作。然而，水泥环与地层的胶结强度受到水泥石本身性能、钻井液在地层形成的滤饼以及固井时对滤饼的清洗效果等诸多因素的影响，并且固井二界面的胶结强度有多大，防止地层流体通过水泥环与地层之间的胶结面发生窜流的能力有多少，是无法在井下直接测量的。在现有技术条件下，只能通过一定的模拟手段来研究固井界面从而达到模拟测量油井水泥环胶结强度与评价防窜流能力的目的。对此，国内外的业内学者提出了许多的研究方法并专门设计了相应的模拟实验装置。这些方法在一定程度上都有其合理性。但是值得指出的是，较多的方法都针对界面的剪切胶结强度进行研究，而忽视了界面水力胶结强度的研究。其次，这些方法中养护水泥浆过程中的养护压力都是恒定的，没考虑到水泥浆在整个凝固过程中会产生失重的影响。此外，部分的方法通过抗压强度来间接反映胶结强度的特性，带有明显的半定量化色彩，评估误差较大。

因此，研究开发一种模拟测量油井水泥环胶结强度与防窜流能力的新方法，已成为该行业关注的重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟测量油井水泥环胶结强度与防窜流能力的方法，该方法通过模拟高温高压下水泥环与地层的胶结形成，同时模拟地层压差对胶结的影响，以此来分析形成的水泥环与地层或套管之间的胶结强度和界面防窜能力。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

本发明主要利用了“压差法”连续模拟测量水泥环界面水力胶结强度和防窜流能力。首先，对模拟岩样或者取自地层的真实岩样进行加工，制成符合试验规格要求的岩心。其次，安装水泥石试模，在岩心和水泥石试模的环空中灌注水泥浆，放回高温高压养护釜中养护。

高温高压养护釜内部升温升压至设定的井下模拟温度和压力，该压力模拟注水泥完成后环空中的水泥浆柱压力。与此同时，向岩心中增压（岩心中的流体为油、气、水中的任意一种或混合液），该压力模拟地层压力。遵循固井过程中平衡压力固井的原则，初始时使得高温高压养护釜内部压力和岩心中的流体压力相等。

待水泥浆养护一定时间，逐渐降低高温高压养护釜内部压力，每次降低压力后要让养护釜内部压力保持一定时间，以此来模拟水泥浆在凝固过程中浆柱压力失重的情况。由于降低了高温高压养护釜内部压力，在岩心和养护釜内部之间形成正压差，岩心中的流体有侵入到环空中的趋势。在养护釜内部压力逐渐降低的过程中，岩心与养护釜内部形成的正压差越来越大，也即地层与环空中的压力不平衡越来越突出。

若水泥环与岩心的胶结质量良好，界面有足够的胶结强度克服压差，则岩心中的流体很难侵入，养护釜内部的压力会继续降低。当压差达到一定程度后，水泥环与岩心的胶结界面强度不足，则岩心中的流体逐渐透过水泥环与岩心的胶结界面窜流到养护釜内，于是养护釜内部的压力由降低转为逐渐增大，养护釜内部压力逐渐增大的过程模拟了环空窜流后环空带压的情况。当岩心与水泥环的胶结界面被完全窜通时，岩心处的流体压力和养护釜的内部压力又会再次相等。

因此，养护釜内部最终压力与养护釜内部压力由降低转为增大所对应拐点处的压力之差即为水泥环与岩心界面的胶结强度值。两者差值越大，表明水泥环与岩心界面的胶结强度越大，水泥环与岩心的胶结界面防窜能力越强。

本发明中养护釜内部压力和岩心处的流体压力由压力传感器捕获，并实时将压力数据采集到计算机中，进而在计算机中绘制出压力‐时间曲线图（P‐T曲线图）。压力‐时间曲线图反映了养护釜内部压力和岩心处压力随着时间的变化情况，通过该曲线图可以直观清晰地分析出岩心中的流体开始发生窜流的时间、相应的压力以及水泥环与岩心界面的胶结强度。

一种模拟测量油井水泥环胶结强度与防窜流能力的方法，依次包括以下步骤：