專利名稱：高溫高壓式油井水泥漿凝結(jié)儀及其凝結(jié)時間的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能較好地模擬不同井深及靜態(tài)條件下，測量環(huán)空水泥漿在高溫高壓環(huán)境中，其凝結(jié)狀態(tài)及相應(yīng)時間的方法，它適用于石油及天然氣固井、擠水泥、注水泥塞及堵漏等作用。
背景技術(shù)：
在石油、天然氣勘探鉆井中，鉆完數(shù)千米井深后，固結(jié)、封隔井壁，防止井內(nèi)巖石坍塌，是增加油、氣井壽命，提高油氣井生產(chǎn)能力的關(guān)鍵技術(shù)問題。固結(jié)、封隔井壁的專業(yè)術(shù)語統(tǒng)稱為固井工程。固井工程是將套管下入井內(nèi)，再將油井水泥漿用泵注入套管內(nèi)孔，頂替至井壁與套管外的環(huán)形間，靜止凝固后固結(jié)井壁，簡稱注水泥。在油井水泥漿凝結(jié)過程中，不同時刻的凝結(jié)狀態(tài)及其相應(yīng)的時間變化范圍，對防止環(huán)空水泥漿“失重”造成的油、氣、水竄問題和提高水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量，具有重要的實(shí)際意義。
目前，油井水泥漿的不同凝結(jié)狀態(tài)及初、終凝時間只能在常壓及一般溫度養(yǎng)護(hù)下測量，所使用的測量儀器為維卡儀，也曾使用類似維卡測量方法測量高溫高壓情況下水泥漿的初、終凝時間，但因其惡劣的環(huán)境，使機(jī)械測量不甚理想，已不使用。為了解決油井水泥漿在高溫高壓環(huán)境中，測量其不同凝結(jié)過程的初、終凝時間，指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)踐，特應(yīng)用水泥漿在凝結(jié)過程中，水化放熱溫度變化的特殊現(xiàn)象，確定其水泥漿開始塑化的初凝時間和具有固化強(qiáng)度的終凝時間，前者反映在水化放熱溫度開始升高點(diǎn)，而后者反映溫度開始下降點(diǎn)。由于水化放熱開始的升高點(diǎn)和下降點(diǎn)這一規(guī)律對所有水泥漿都是一樣的。因此，只要測出水泥漿在相應(yīng)高溫高壓環(huán)境中的溫度變化曲線，即可確定出不同漿體的初、終凝時間。根據(jù)井下條件，調(diào)節(jié)和控制水泥漿的初、終凝時間，即可提高水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量和防油、氣、水竄的能力。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決油井水泥漿在高溫高壓環(huán)境中，測量其不同凝結(jié)過程的初、終凝時間，特提出一種高溫高壓式油井水泥漿凝結(jié)儀及其凝結(jié)時間的測量方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是根據(jù)油井水泥水化放熱溫度變化的特殊現(xiàn)象，確定其水泥漿開始塑化的初凝時間和具有固化強(qiáng)度的終凝時間。其具體內(nèi)容為1.水泥水化放熱規(guī)律及其對測量溫度的影響在油井水泥中CS3的含量高達(dá)70％左右，研究表明，CS3的水化作用即可代表水泥的水化特性，它對水泥凝結(jié)起主導(dǎo)的作用。如圖1所示，CS3的水化進(jìn)程分為五個階段預(yù)誘導(dǎo)、誘導(dǎo)、加速、減緩和擴(kuò)散。其中預(yù)誘導(dǎo)、誘導(dǎo)、加速和減緩階段是本發(fā)明所涉及的。在預(yù)誘導(dǎo)期內(nèi)放熱速度急劇，但一般只有幾十秒到幾分鐘，是發(fā)生在水泥漿制配階段，對測量溫度無影響；在誘導(dǎo)期內(nèi)，由于放熱速度平緩，對測量溫度并無明顯影響，其時間長短與水泥漿的配方和水灰比有關(guān)；加速階段和減緩階段稱為凝固階段，在加速階段內(nèi)，放熱速度明顯加快，對測量溫度有明顯影響，相反在減緩階段內(nèi)，放熱速度有明顯減緩有現(xiàn)象。因此，可根據(jù)水泥水化放熱的規(guī)律及特點(diǎn)并依據(jù)實(shí)驗(yàn)的探索結(jié)果，制定出相應(yīng)的判別標(biāo)準(zhǔn)來確定水泥漿的初、終凝時間。
2.實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比水泥漿初、終凝時間定義，初凝為自水泥調(diào)水時開始至部分失去塑性的時間間隔，終凝為自水泥調(diào)水時開始至能承受一定壓力的硬化所經(jīng)歷的時間。一般采用維卡儀測定。維卡儀測頭總重量為300g，前端帶一長的測針，測量時由水泥漿面自由下落，當(dāng)測針不能再穿透試體而距底板5mm以內(nèi)時所需的時間稱為水泥漿初凝時間，當(dāng)測針只能進(jìn)入試體內(nèi)0.5～1mm時稱為水泥漿終凝時間。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)方法和本發(fā)明的測量方法，對三種不同水泥漿配方、兩種水灰比和兩個實(shí)驗(yàn)溫度在常壓下進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果見表1。由表1說明，溫度測量方法與標(biāo)準(zhǔn)測量方法的相對誤差較小，其最大誤差只有6.3％，平均相對誤差為3.42％。因此，本發(fā)明采用的測量方法是可信的。
表1 兩種測量方法測量水泥漿初、終凝時間的實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果

3.采用溫度測量方法確定水泥漿初、終凝時間的標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)所測得的時間——溫度變化曲線(參見圖3～圖8)，其確定油井水泥漿的初凝時間和終凝時間的標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)溫差為0.5℃點(diǎn)所對應(yīng)的時間定義為水泥漿的初凝時間；當(dāng)溫差從最大開始下降時所對應(yīng)的時間定義為水泥漿的終凝時間。
本發(fā)明所述的測量方法，其技術(shù)特征是采用本發(fā)明的高溫高壓式油井水泥漿凝結(jié)儀，先打開電熱管將釜體預(yù)熱至實(shí)驗(yàn)溫度，把配制好的水泥漿倒入漿杯，漿杯放入釜體內(nèi)，加釜蓋密封，待釜體內(nèi)外溫度恒定后，由計(jì)量泵將壓力加至實(shí)驗(yàn)壓力；同時啟動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)自動記錄顯示水泥漿漿體的溫度變化情況，作出時間——溫度變化曲線，由曲線確定其水泥漿的初凝時間和終凝時間。
本發(fā)明涉及的高溫高壓式油井水泥漿凝結(jié)儀，主要由釜體、加溫加壓系統(tǒng)、漿杯、溫度傳感器及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所組成，其結(jié)構(gòu)特征是釜體內(nèi)放置可容納400ml水泥漿的漿杯，釜蓋中心穿孔，并在下端加工成尺寸適宜的空心圓柱體，將溫度傳感器從釜蓋上端放入在空心圓柱體內(nèi)；釜體外安裝有加熱器和加熱介質(zhì)及控溫裝置，釜體一側(cè)連接安有壓力表的計(jì)量泵，加熱的溫度范圍為27℃～200℃，計(jì)量泵提供的最高壓力為100MPa；溫度傳感器與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)相連接，可連續(xù)測量和記錄釜體內(nèi)水泥漿的溫度變化情況。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較具有以下有益效果(1)能模擬不同井深及靜態(tài)條件下，油井水泥漿在高溫高壓環(huán)境中，測量其不同凝結(jié)過程的初、終凝時間；(2)該裝置的最大養(yǎng)護(hù)溫度可達(dá)200℃，最大壓力為100MPa，滿足了井深所需條件；(3)它采用間接接觸式連續(xù)測量溫度變化的方法，操作方便、簡單，解決了在高溫高壓條件下測量難的問題。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1為CS3的水化反應(yīng)放熱速度與水化作用時間曲線圖。圖中v.放熱速度，t.水化作用時間；CS3的水化進(jìn)程的五個階段a.預(yù)誘導(dǎo)，b.誘導(dǎo)，c.加速，d.減緩，e.擴(kuò)散，f為飽和線。
圖2為本發(fā)明的高溫高壓式油井水泥漿凝結(jié)儀結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.計(jì)量泵，2.釜體，3.壓力表，4.漿杯，5.水泥漿，6.釜蓋，7.溫度傳感器，8.溫度傳輸，9.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，10.電熱管，11.恒溫控制儀，12.電源。
圖3為G級水泥原漿在相同溫度、不同水灰比條件下漿體溫度的變化情況，壓力為常壓。圖中13.水灰比0.44，14.水灰比0.50，15.初凝點(diǎn)，，16.終凝點(diǎn)圖4為G級水泥+0.2％SXY+1％LT-2水泥漿在相同溫度、不同水灰比條件下漿體溫度的變化情況，壓力為常壓。
圖5為G級水泥+0.2％SXY+0.2％HS-2A水泥漿在相同溫度、不同水灰比條件下漿體溫度的變化情況，壓力為常壓。
圖6為G級水泥原漿在相同水灰比、不同溫度及壓力條件下漿體溫度的變化情況，水灰比為0.44。圖中17.壓力為59.5MPa，18.壓力為37MPa。
圖7為G級水泥+0.2％SXY+1％LT-2水泥漿在相同水灰比、不同溫度及壓力條件下漿體溫度的變化情況，水灰比為0.44。
圖8為G級水泥+0.2％SXY+0.2％HS-2A水泥漿在相同水灰比、不同溫度及壓力條件下漿體溫度的變化情況，水灰比為0.44。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求配制好水泥漿、水灰比為0.44。先打開電熱管10，將釜體2預(yù)熱至實(shí)驗(yàn)溫度(地面溫度加地溫梯度)。將配制好的水泥漿5倒入漿杯4，把漿杯4放入釜體2內(nèi)，加釜蓋6密封。待釜體2內(nèi)外溫度恒定后，開通計(jì)量泵1，由壓力表3觀察將壓力加至實(shí)驗(yàn)壓力。由計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)9自動記錄顯示水泥漿漿體的溫度變化情況，通過溫度的變化趨勢按本發(fā)明制定的標(biāo)準(zhǔn)確定出水泥漿的初、終凝時間。
按照上述操作方法進(jìn)行以下具體實(shí)例1.按照API標(biāo)準(zhǔn)配制三種不同性能的油井水泥漿，其密度為1.0/cm3(見表2)；2.按常年平均地面溫度18℃，地溫梯度為2.1℃/100m，并根據(jù)井深為2000m和3190m，確定油井水泥漿的實(shí)驗(yàn)溫度和壓力(見表2)。
表2 不同實(shí)驗(yàn)條件下不同水泥漿的初、終凝時間

由表1、表2及圖3～圖8可知1.水泥水化放熱開始的升高點(diǎn)和下降點(diǎn)這一規(guī)律對所有水泥漿都是一樣的；因此，可利用這一規(guī)律解決高溫高壓下不易測量油井水泥漿的初、終凝時間問題；2.溫度測量方法與標(biāo)準(zhǔn)測量方法的相對誤差較小，其最大誤差只有6.3％，平均相對誤差為3.4％。因此，本發(fā)明采用的測量方法是可采用的。
3.水灰比大小，即單位體積中水泥的含量對測量溫差的大小是有影響的，因此，對于測量水泥含量少的低密度水泥漿體系的溫差敏感性，尚需作進(jìn)一步的研究。
權(quán)利要求
1.一種高溫高壓式油井水泥漿凝結(jié)儀及其凝結(jié)時間的測量方法，其特征是根據(jù)油井水泥水化放熱溫度變化的特殊現(xiàn)象，確定其水泥漿開始塑化的初凝時間和具有固化強(qiáng)度的終凝時間；采用本發(fā)明的高溫高壓式油井水泥漿凝結(jié)儀，先打開電熱管將釜體預(yù)熱至實(shí)驗(yàn)溫度，把配制好的水泥漿倒入漿杯，漿杯放入釜體內(nèi)，加釜蓋密封，待釜體內(nèi)外溫度恒定后，由計(jì)量泵將壓力加至實(shí)驗(yàn)壓力；同時啟動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)自動記錄顯示水泥漿漿體的溫度變化情況，作出時間——溫度變化曲線，由曲線確定其水泥漿的初凝時間和終凝時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其油井水泥漿凝結(jié)儀主要由釜體、加溫加壓系統(tǒng)、漿杯、溫度傳感器及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所組成，其特征是釜體內(nèi)放置可容納400inl水泥漿的漿杯，釜蓋中心穿孔，并在下端加工成尺寸適宜的空心圓柱體，將溫度傳感器從釜蓋上端放入在空心圓柱體內(nèi)；釜體外安裝有加熱器和加熱介質(zhì)及控溫裝置，釜體一側(cè)連接安有壓力表的計(jì)量泵，加熱的溫度范圍為27℃～200℃，計(jì)量泵提供的最高壓力為100MPa；溫度傳感器與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征是根據(jù)所測得的時間——溫度變化曲線，當(dāng)溫差為0.5℃點(diǎn)所對應(yīng)的時間定義為水泥漿的初凝時間，當(dāng)溫差從最大開始下降時所對應(yīng)的時間定義為水泥漿的終凝時間。
全文摘要
本發(fā)明是一種能模擬不同井深及靜態(tài)條件下，測量環(huán)空水泥漿在高溫高壓環(huán)境中，其凝結(jié)狀態(tài)及相應(yīng)時間的方法，它適用于石油及天然氣固井、擠水泥、注水泥塞及堵漏等作業(yè)。本發(fā)明可解決油井水泥漿在高溫高壓環(huán)境中，測量其不同凝結(jié)過程的初、終凝結(jié)時間。本測量方法是根據(jù)油井水泥水化放熱溫度變化，確定其水泥漿的初、終凝結(jié)時間；先將釜體預(yù)熱至實(shí)驗(yàn)溫度，配好的水泥漿倒入漿杯，漿杯放入釜體內(nèi)，加蓋密封，待釜體內(nèi)外溫度恒定后，將壓力加至實(shí)驗(yàn)壓力；啟動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)自動記錄顯示水泥漿漿體的溫度變化情況；根據(jù)時間——溫度變化曲線，確定水泥漿的初、終凝結(jié)時間。它采用間接接觸式連續(xù)測量溫度變化，解決了高溫高壓下測量難的問題。
文檔編號E21B33/138GK1676873SQ200510020769
公開日2005年10月5日 申請日期2005年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月19日
發(fā)明者劉孝良, 陳英, 劉崇建, 代顯志 申請人:西南石油學(xué)院