一种高温高压水泥石养护装置及水泥石的制备方法与流程

本发明涉及一种高温高压水泥石养护装置及水泥石的制备方法，属于矿业开采、岩石力学技术领域。

背景技术：

固井质量是封隔井眼内的油层、气层和水层，保护油气井套管、延长油气井寿命、提高采收率以及科学合理开发油气资源的关键。目前，随着非常规油气资源勘探开发力度的持续加大，固井技术面临超深、超高温超高压、复杂储层和复杂地质条件，对固井水泥石的综合力学性能提出了更高的要求，低弹性模量、高泊松比和较高韧性的水泥石在高温高压油气井筒工况环境中更有利于井筒完整性，有利于避免井筒气窜、环空带压等井筒安全风险，有利于提升高温高压油气井的服役寿命。因此，真实、准确地在高温高压油气井工况条件下进行水泥石的固化、养护和制备，是掌握水泥石使用性能、开展水泥浆体系配方设计和性能优化的关键依据。

目前高温高压工况水泥石的制备及其力学性能评价在科学研究、工程技术方面均具有极其重要的价值，但超高温超高压油气井工况条件复杂苛刻，而常规的水泥石固化和养护方法无法在高温高压工况条件下进行，一般使用压力≤21mpa、温度低于井筒温度的条件下固化和养护水泥石的力学性能测试结果来代替，缺乏科学合理、贴近现场的水泥石养护装置和制备方法，无法探究高温高压油气井筒实际工况条件下水泥石的真实力学性能，导致水泥石性能评价结果偏离工程实际等问题，固化和养护条件的不同导致水泥石力学性能误差较大，且对高温高压水泥浆体系的性能认识不足，难于评价和优化水泥浆体系，严重影响固井质量、固井技术的提升和发展，甚至威胁高温高压油气井的井筒完整性。

目前，现有的水泥石养护装置及方法存在以下不足：(1)水泥石养护装置的温度、压力无法达到高温高压油气井工况条件；(2)水泥石在一定温度下固化，脱模后置于一定温度、压力环境进行养护，无法精细化模拟高温高压油气井交变高温、高压等复杂工况并直接进行水泥石的固化和养护；(3)按照标准尺寸的抗压强度测试试样、抗拉强度测试试样固化和养护后的水泥石，在脱模过程中受到力的作用，造成水泥石力学性能测试结果不精确。因此需要提供一种能够解决现有高温高压水泥石养护装置及方法不能精确模拟高温高压油气井交变高温、高压等复杂工况，不能在高温高压油气井实际工况条件下进行水泥石的固化和养护等问题的高温高压水泥石养护装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高温高压水泥石养护装置，能够精细化模拟高温高压油气井交变高温、高压等复杂工况条件，在高温高压油气井工况条件下进行水泥石的固化、养护和制备，从而进行水泥石力学性能测试。

本发明所提供的高温高压水泥石养护装置，包括高温高压釜；所述高温高压釜内设有设有水泥石养护装置；

所述高温高压釜的顶部和底部分别连通气体出口管线和气体入口管线，所述气体出口管线上设有排气单向阀，所述气体入口管线上设有进气单向阀；

所述高温高压釜的釜体外设有加热套；

所述高温高压釜的腔体内设有温度压力探针，所述温度压力探针连接温度压力监测系统；

所述水泥石养护装置包括上盖板、底板和若干中间盖板，所述上盖板与所述中间盖板之间、所述中间盖板之间以及所述中间盖板与所述底板之间均设有固化环，从而形成密闭空间。

上述的高温高压水泥石养护装置中，所述气体入口管线的一端连接增压泵，用于对所述高温高压釜进行增压；

所述高温高压釜体的釜盖与釜体之间通过螺栓和螺母的配合实现密封；

所述釜盖与所述釜体之间设有组合式密封圈，以提高所述高温高压釜的密封性。

上述的高温高压水泥石养护装置中，所述加热套外设有保温层，以对所述高温高压釜进行保温；

所述水泥石养护装置设于养护装置支架上，以平稳支撑所述水泥石养护装置，所述养护装置支架设于所述釜体的底部。

上述的高温高压水泥石养护装置中，所述上盖板、所述中间盖板和所述底板与所述固化环的配合处均为台阶面，便于所述组合和固定。

上述的高温高压水泥石养护装置中，紧固销钉穿过所述上盖板、所述中间盖板、所述底板和所述固化环的边缘处的通孔，并通过紧固螺母固定。

上述的高温高压水泥石养护装置中，所述紧固销钉的一端还配合有提放螺母，所述提放螺母与提放把手配合，通过所述提放把手可方便地移动所述水泥石养护装置。

上述的高温高压水泥石养护装置中，所述密闭空间呈圆柱体；

所述固化环包括抗拉固化环和抗压固化环，所述抗压固化环的高度大于所述抗拉固化环的高度；

所述上盖板、所述抗拉固化环、所述中间盖板、所述抗压固化环和所述底板的外径可根据所述高温高压釜釜体的内径进行调整；

所述抗拉固化环、所述中间盖板和所述抗压固化环的层数可根据所需抗拉强度、抗压强度测试试样的数量进行调整。

本发明高温高压水泥石养护装置能够模拟150mpa、300℃高温高压油气井工况条件，精细化模拟待评价高温高压油气井交变高温、高压等复杂工况，直接在高温高压井筒工况条件下进行水泥石的固化和养护，通过设计水泥石养护装置的层数，固化和养护足够数量的抗拉强度测试试样、抗压强度测试试样。

采用本发明高温高压水泥石养护装置制备抗拉强度、抗压强度测试试样时，可按照下述步骤进行：

1)依次在所述高温高压水泥石养护装置的所述水泥石养护装置的密闭空间内灌入水泥浆，然后将所述水泥石养护装置紧固后，置于所述高温高压釜内，并注满水；

2)将所述高温高压釜的釜盖安装在所述釜体上并保持密封，关闭所述排气单向阀，通过所述进气单向阀对所述高温高压釜增压，控制所述加热套加热所述高温高压釜，直至温度和压力达到要求，关闭所述进气单向阀，进行水泥浆的固化和养护；记录开始时间，采用所述温度压力监控系统监测和记录固化和养护期间的时间-温度曲线和时间-压力曲线，以记录水泥石固化和养护温度、压力参数，以模拟高温高压油气井中的实际固井工况条件；

3)所述固化和养护结束后，关闭所述加热套使所述高温高压釜降温(优选缓慢降温，当温度低于60℃时)，打开所述排气单向阀对所述高温高压釜进行泄压，压力归零时，打开所述高温高压釜的釜盖，取出所述水泥石养护装置；

4)拆卸所述水泥石养护装置，在所述固化环中分别钻取所需数量的抗拉强度测试试样和抗压强度测试试样。

上述的方法中，首先根据待评价高温高压油气井工况确定水泥浆固化和养护温度、压力大小；根据待评价高温高压油气井所用水泥浆体系力学性能测试要求，确定所需抗拉强度测试试样、抗压强度测试试样的数量，相应地设计所述抗拉固化环、所述中间盖板、所述抗压固化环的层数，同时合理选取所述紧固销钉的长度。

上述的方法中，实验前需要对高温高压釜进行试压。

上述的方法中，步骤1)中，在灌入所述水泥浆之前，在所述上盖板、所述中间盖板、所述底板和所述固化环的表面涂抹油脂，便于固化和养护后进行拆卸，然后逐层组合，并逐层灌入所述水泥浆，最后平稳地将所述上盖板穿入所述紧固销钉，使用所述紧固螺母固定整个水泥石养护装置完成水泥浆的填充。

上述的方法中，步骤4)中，如所述抗拉固化环的高度大于25.4mm，可通过50.8mm的取芯钻头钻取高径比为1：2的抗拉强度测试试样；如所述抗压固化环的高度大于50.8mm，可通过25.4mm的取芯钻头钻取高径比为2：1的抗压强度测试试样。

与现有技术相比，本发明具有下述优点：

(1)水泥石养护装置的温度、压力可满足目前高温高压油气井工况条件，其极限使用温度和压力取决于高温高压釜的材质、壁厚及安全系数设置；

(2)可直接模拟高温高压油气井交变高温、高压等复杂工况下进行水泥石的固化和养护；

(3)固化和养护后，根据所需抗压强度、抗张强度测试实验所需试样数量取芯，避免了脱模过程中对水泥石施加力的作用而造成水泥石力学性能测试结果不准确；

高温高压水泥石固化和养护实验条件贴近油气井工程实际，能够准确分析评价水泥浆体系力学性能，为油气井固井水泥浆体系优选、配方设计及其性能优化提供更加稳定、可靠的实验方法和数据支撑。

附图说明

图1是本发明高温高压水泥石养护装置的结构示意图。

图2是本发明高温高压水泥石养护装置中水泥石养护装置的结构示意图。

图3是本发明高温高压水泥石养护装置中水泥石养护装置的俯视图。

图4是从抗拉固化环中钻取抗拉强度测试试样的示意图。

图5是从抗压固化环中钻取抗压强度测试试样的示意图。

图6是水泥浆体系在本发明高温高压水泥石养护装置中固化养护后的抗压强度测试曲线。

图7是水泥浆体系在本发明高温高压水泥石养护装置中固化养护后的抗拉强度测试曲线。

图中各标记如下：

1釜盖、2釜体、3加热套、4保温层、5温度压力探针、6温度压力监测系统、7组合式密封圈、8排气单向阀、9进气单向阀、10增压泵、11水泥石养护装置、12养护装置支架、13螺栓、14螺母、15上盖板、16中间盖板、17底板、18抗拉固化环、19抗压固化环、20紧固销钉、21紧固螺母、22提放螺母、23提放把手、24抗拉强度测试试样、25抗压强度测试试样。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，为本发明提供的高温高压水泥石养护装置的结构示意图，包括高温高压釜，高温高压釜内设有设有水泥石养护装置11。高温高压釜体的釜盖1与釜体2之间通过螺栓13和螺母14的配合实现密封，且两者之间组合式密封圈7，以提高高温高压釜的密封性。高温高压釜的顶部和底部分别连通气体出口管线和气体入口管线，气体出口管线上设有排气单向阀8，气体入口管线上设有进气单向阀9，另一端连接增压泵10。高温高压釜的釜体2外设有加热套3，加热套3外设有保温层4。高温高压釜的腔体内设有温度压力探针5，温度压力探针5连接温度压力监测系统6，实现水泥石固化和养护期间温度、压力的监控。

如图2所示，水泥石养护装置11的结构示意图如图2所示，包括上盖板15、底板17和3个中间盖板16，上盖板15与上部2个中间盖板16之间设有抗拉固化环18，它们之间形成圆柱体形的密闭空间，底板17与中间盖板16以及2个中间盖板16之间设有抗压固化环19，它们之间形成圆柱体形的密闭空间，抗拉固化环18的高度小于抗压固化环19的高度。上盖板15、中间盖板16与抗拉固化环18的配合处均为台阶面，中间盖板16、底板17与抗压固化环19的配合处均为台阶面，便于组合和固定。紧固销钉20穿过上盖板15、中间盖板16、底板17、抗拉固化环18和抗压固化环19的边缘处的通孔，并通过紧固螺母21固定，且紧固销钉20端部还配合有提放螺母22，提放螺母22与提放把手23配合，通过提放把手23可方便地移动水泥石养护装置，水泥石养护装置的俯视图如图3所示。高温高压釜的底部设有养护装置支架12，以平稳支撑水泥石养护装置。

本发明高温高压水泥石养护装置中，上盖板15、抗拉固化环18、中间盖板16、抗压固化环19和底板17的外径可根据高温高压釜釜体的内径进行调整；抗拉固化环18、中间盖板16和抗压固化环19的层数可根据所需抗拉强度、抗压强度测试试样的数量进行调整。

本发明高温高压水泥石养护装置能够模拟150mpa、300℃高温高压油气井工况条件，精细化模拟待评价高温高压油气井交变高温、高压等复杂工况，直接在高温高压井筒工况条件下进行水泥石的固化和养护，通过设计水泥石养护装置的层数，固化和养护足够数量的抗拉强度测试试样、抗压强度测试试样。

具体使用时，按照下述步骤进行：

(a)确定待评价高温高压油气井水泥浆固化和养护温度、压力大小。

(b)根据待评价高温高压油气井所用水泥浆体系力学性能要求，确定所需抗拉强度测试试样、抗压强度测试试样的数量，相应地设计抗拉固化环18、中间盖板16、抗压固化环19的层数，同时合理选取紧固销钉20的长度。

(c)对高温高压釜进行试压，确认密封性满足待评价高温高压油气井工况温度压力要求，配制待评价水泥浆。

(d)依次将上盖板15、底板17以及所用多个中间盖板16、抗拉固化环18、抗压固化环19与水泥浆接触的部分均涂抹油脂，便于固化和养护后进行拆卸。

(e)将底板17水平放置并穿入紧固销钉20，将抗压固化环19穿入紧固销钉20，在抗压固化环19中灌入水泥浆至台阶处，将中间盖板16穿入紧固销钉20并保持台阶面紧密接触，逐步将所设计的每一层抗压固化环19、抗拉固化环18均灌入水泥浆，最后平稳地将上盖板15穿入紧固销钉20，使用紧固螺母21固定整个水泥石养护装置11完成水泥浆的填充。

(f)将养护装置支架12居中放置于高温高压釜底部，连接提放螺母22与紧固销钉20，通过提放把手23平稳地将水泥石养护装置11整体放入高温高压釜中，卸下提放螺母22和提放把手23。

(g)将高温高压釜灌满水，安装螺栓13、螺母14，使釜盖1、组合式密封圈7、釜体2形成封闭系统，关闭排气单向阀8、打开进气单向阀9，控制增压泵10对高温高压釜进行增压，控制加热套3对高温高压釜进行升温，直至温度压力达到步骤(a)所确定的温度、压力，关闭进气单向阀9，记录开始时间，温度压力监控系统6开始监测和记录固化和养护期间的时间-温度曲线、时间-压力曲线。

(h)固化和养护时间结束，关闭加热套3使高温高压釜缓慢降温，当温度低于60℃时，打开排气单向阀8对高温高压釜进行泄压，压力归零时，打开釜盖1，安装提放螺母23和提放把手24，将水泥石养护装置11取出。

(i)卸下紧固螺母21和紧固销钉20，打开水泥石养护装置11，根据步骤(b)所确定的抗拉强度、抗压强度测试试样的数量，使用取芯钻头分别在抗拉固化环18、抗压固化环19中取相应数量的抗拉强度测试试样和抗压强度测试试样。

其中，高径比为1：2的抗拉强度测试试样24取芯示意图如图4所示，高径比为2：1的抗压强度测试试样25取芯示意图如图5所示。

按照上述步骤进行水泥浆体系sl1的固化和养护，该水泥浆体系配方(各助剂均为本领域常规助剂)为水泥46.97％、热稳定剂23.49％、消泡剂0.47％、降失水剂3.29％、防气窜剂4.70％、缓凝剂0.94％、水20.15％，固化温度和压力分别为300℃、150mpa，所需抗拉强度测试试样、抗压强度测试试样数量≥3个，抗拉固化环18、抗压固化环19各2层，中间盖板16共计3个，紧固销钉20长度为210mm，养护时间为4天，养护时间结束后，取出水泥石养护装置11并拆开，使用50.8mm取芯钻头在抗拉固化环18加工抗拉强度测试试样不少于3个；使用25.4mm取芯钻头在抗压固化环19加工抗压强度测试试样不少于3个。

使用岩石力学测试试验机分别测试所制备的抗压强度测试试样，通过分析抗压强度测试数据，舍去偏差较大的数据并绘制抗压强度-应变曲线，如图6所示，可以看出，使用该水泥石养护装置在温度300℃、压力150mpa条件下固化、养护并制备的水泥石抗压强度为36.03mpa～42.14mpa，应变为2.02％～2.07％，抗压强度性能测试结果准确、平行性好。

同理使用岩石力学测试试验机分别测试所制备的抗拉强度测试试样，通过分析抗拉强度测试结果，舍去偏差较大的数据并绘制抗拉强度-应变曲线，如图7所示，使用该水泥石养护装置在温度300℃、压力150mpa条件下固化、养护并制备的水泥石抗拉强度为0.46mpa～0.54mpa，应变为0.98％～1.11％，抗拉强度性能测试结果准确、平行性好。