一种用于评价水泥石自愈合能力的实验装置

1.本实用新型属于物理模拟技术领域，尤其涉及一种用于评价水泥石自愈合能力的实验装置。


背景技术：

2.天然气井固井后，地层蠕动、射孔或温度影响会产生应力变化造成水泥石破坏并产生微裂缝，最终造成层间窜流或井口气窜等问题导致气井停产。常用于解决该类问题的固井方法包括采用高机械性能弹性膨胀水泥浆和具有自我修复性能的自愈合水泥浆体系，弹性膨胀水泥浆体系主要用于应对完井作业时射孔和压裂，可有效应对拉伸和压缩造成的水泥石破坏，但水泥石一旦受到破坏后，无法达到自我修复的效果；而自愈合水泥浆体系可通过自我诊断修复的技术，解决水泥环受到破坏引起的油气窜流问题。经过多年发展，国内外在自愈合水泥浆配方方面取得了巨大进步，但是对应的水泥石自愈合能力评价仍然存在很多缺陷。
3.通过文献调研发现，目前对水泥石自愈合能力评价指标包括人工制造微环空或微裂缝测试气体通过微环空注入压力变化或者通孔中电解质溶液电导率变化率等。其中人工制造微环空测试气体通过微环空注入压力变化仅能模拟井筒与水泥石之间产生微环空后的愈合能力，无法模拟和评价水泥石产生微裂缝后愈合能力，而人工微裂缝采用劈开后在裂缝中加入垫片制作而成，无法精确获得裂缝宽度；通孔电解质溶液电导率变化率测试虽然是基于有无自愈合材料添加时测量水泥石凝固过程中电导率变化，但实际井筒中水泥环凝固后受应力或温度等因素影响产生破坏后，在经过油或气浸润后产生化学反应并愈合微裂缝，因此电导率测试方法与实际生产过程存在偏差，更类似于无破坏水泥石膨胀率测试。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在问题，本实用新型提供一种用于评价水泥石自愈合能力的实验装置。
5.本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：
6.一种用于评价水泥石自愈合能力的实验装置，其特征在于：包括依次连接的甲烷气瓶、气体流量计、第一压力传感器、岩心夹持器、回压阀和第二压力传感器；所述岩心夹持器内放置有裂缝型自愈合岩心模型；所述岩心夹持器和回压阀与围压泵连接；所述岩心夹持器设置在恒温箱里；所述气体流量计、第一压力传感器、第二压力传感器与数据采集系统电性连接。
7.进一步的，所述裂缝型自愈合岩心模型的裂缝宽度中设置有温度降解塑料。
8.进一步的，所述裂缝型自愈合岩心模型裂缝缝宽范围为 10μm-1000μm，裂缝完全贯穿岩心柱且宽度1cm左右。
9.本实用新型的有益技术效果是：
10.1、装置结构简单、设计合理且安装布设方便，使用操作方便，投入成本低，工作性
能可靠且模拟效果好，适用面广，将温度降解塑料换成不同厚度，可模拟不同尺寸的裂缝及自愈合水泥石愈合性能。
11.2、实用价值高，具有较为广泛的推广应用前景，本实用新型提出一种用于评价水泥石自愈合能力的实验装置，可以在不同注入参数及裂缝宽度下自愈合水泥石愈合性能评价实验，为理论研究自愈合材料愈合性能提供基础依据。
12.3、是对自愈合材料愈合性能评价研究的进一步发展，为自愈合水泥浆固井技术的合理应用提供坚实的理论基础和室内实验手段。
13.4、使用效果好且具有良好的直观性，实验中所测试数据准确，通过放置不同厚度温度降解塑料，可精确模拟不同缝宽的裂缝。且适用于甲烷气注入参数变化对自愈合材料愈合能力的评价。
14.5、工作性能稳定且适用面广，本实验裂缝型自愈合水泥石岩心模型尺寸为直径25.00mm*长度300.00mm，裂缝缝宽范围为10μm-1000μm，裂缝完全贯穿岩心柱且宽度1cm左右，且本实验模拟驱替介质可为原油、氮气、甲烷气、干气等多种驱替介质。
15.综上所述，本实用新型利用裂缝型自愈合水泥石岩心模型，实现了对不同裂缝宽度微裂缝自愈合能力的评价，同时记录气体恒流驱替时注入压力和出口压力，最后根据气测渗透率公式和自愈合能力公式，即可得出水泥石对当前宽度裂缝愈合能力。本实用新型的适用范围广，具有较高的研究与应用价值，为自愈合固井技术发展与应用奠定了良好的理论基础。
附图说明
16.图1为本实用新型实验装置连接示意图。
17.图2为本实用新型裂缝型自愈合水泥石岩心模型制作过程示意图，其中(1)为带温度降解塑料的自愈合岩心柱，(2)为温度降解材料降解后带裂缝自愈合岩心模型。
18.图中：1.1-第一压力传感器，1.2-第二压力传感器，2-开关阀门，3
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甲烷气瓶，4-气体流量计，5-数据采集系统，6-围压泵，7-回压阀，8-岩心夹持器，9-裂缝型自愈合岩心模型，10-恒温箱，101-温度降解塑料， 102-裂缝。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
20.如图1所示，一种用于评价水泥石自愈合能力的实验装置，包括依次连接的甲烷气瓶3、气体流量计4、第一压力传感器1.1、岩心夹持器8、回压阀7和第二压力传感器1.2，所述岩心夹持器8内放置裂缝型自愈合岩心模型9；所述岩心夹持器8和回压阀7与围压泵6连接；所述岩心夹持器8设置在恒温箱10里；所述气体流量计4、第一压力传感器1.1、第二压力传感器1.2与数据采集系统5电性连接。
21.甲烷气瓶3中的甲烷通过开关阀门2和气体流量计4恒定注入岩心内部，岩心的围压和回压通过围压泵6施加，注入压力和出口压力分别通过压力第一压力传感器1.1、第二压力传感器1.2监测，并传输到数据采集系统5，气藏温度通过恒温箱10调控。
22.回压阀7用于控制甲烷气体注入岩心压力和岩心内部的压力，回压泵6用于模拟气藏围压，控制回压阀7开启压力。裂缝模型的回压设置为井底压力，围压在实验过程中一定要保持恒定，以防止围压变化对裂缝宽度造成影响。围压应控制在注入压力略高于0.5mpa左右，防止围压对裂缝宽度造成影响。
23.裂缝型自愈合岩心模型9的裂缝宽度由温度降解塑料101控制，可根据实验需求放置不同厚度的温度降解塑料101，待自愈合水泥浆凝固后通过升温和通入气体将降解后塑料吹走形成裂缝102。实验过程中记录气体恒流驱替时注入压力和出口压力，最后根据气测渗透率公式和自愈合能力公式，即可得出水泥石对当前宽度裂缝愈合能力。
24.优先的，所述甲烷气瓶3中为高纯度甲烷气，压力10mpa，驱替模式为恒流模式，通过气体流量计设定恒定甲烷气注入流量，根据入口和出口压差值和气测渗透率公式计算裂缝型岩心气测渗透率k，其计算公式为：
[0025][0026]
式中，k-气测渗透率，10-3
μm2；a-气体穿过截面积，cm2；l-气体穿过长度，cm；q
0-大气压力下的气体流量，ml/s；μ-气体流量，mpa.s；p1，p
2-模型入口压力及出口压力，mpa，p
0-大气压力，0.1mpa。
[0027]
优先的，所述水泥石自愈合能力η计算公式为：
[0028][0029]
式中，η-水泥石愈合能力，％；k
1-愈合前水泥石模具气测渗透率， 10-3
μm2；k
2-愈合后水泥石模具气测渗透率，10-3
μm2。
[0030]
本实施例中，所述裂缝型自愈合水泥石岩心模型尺寸为直径 25.00mm*长度300.00mm，裂缝缝宽范围为10-1000μm，裂缝完全贯穿岩心柱且宽度1cm。
[0031]
当所述裂缝宽度确定时，改变注入甲烷气压力、实验温度和注入时长等参数，考察注气压力、温度和时间对自愈合岩心愈合能力的影响。
[0032]
当所述注气压力、温度和注入时长确定时，改变裂缝宽度，考虑自愈合材料对不同裂缝宽度愈合能力。
[0033]
本实用新型装置的实验方法如下：
[0034]
步骤一、裂缝型自愈合水泥石模型裂缝宽度10μm时自愈合能力评价实验，其实验过程如下：
[0035]
1001、实验装置检测：连接实验装置，检查管线和阀门密封性，数据采集系统是否运作正常，岩心夹持器是否漏水，裂缝型岩心模型是否完好无损。
[0036]
1002、裂缝型自愈合岩心模型制作过程：将10μm厚温度降解塑料放置在水泥石养护模具的中部，确保降解塑料完全贯穿水泥石模具并左右居中，将配制好的自愈合水泥浆体系倒入模具内，在低于温度降解塑料降解温度的条件下养护水泥浆并确保水泥浆完全凝固，将凝固后的水泥石放置于高于塑料降解温度，使温度降解塑料完全降解并用气体吹走降解后的材料，形成中部约1cm宽，厚度约10μm的人工裂缝。
[0037]
1003、裂缝型自愈合水泥石模型裂缝宽度10μm时自愈合能力评价实验：通过恒温
箱10将装有裂缝型自愈合水泥石模型9的岩心夹持器8 加热至气藏温度、使用围压泵6将岩心夹持器加压约0.5mpa、使用围压泵6将回压阀7加至气藏压力、打开甲烷气瓶3和控制阀门2、打开气体流量计4并设置恒定注入气体流量400ml/min、通过第一压力传感器1.1、第二压力传感器1.2记录入口和出口压力、通过数据采集系统5记录系统压力和气体流量，实验进行一周后，根据气测渗透率公式和自愈合能力公式，即可得出一定时间内水泥石对当前宽度裂缝愈合能力。
[0038]
步骤二、不同裂缝宽度自愈合水泥石愈合能力评价实验，其实验过程如下：
[0039]
2001、实验装置检测：按照步骤1001检测设备的完好性。
[0040]
2002、不同缝宽自愈合岩心模型制作过程：分别将10μm、20μm、 30μm厚温度降解塑料放置在不同水泥石养护模具的中部，确保降解塑料完全贯穿水泥石模具并左右居中，将配制好的自愈合水泥浆体系倒入模具内，在低于温度降解塑料降解温度的条件下养护水泥浆并确保水泥浆完全凝固，将凝固后的水泥石放置于高于塑料降解温度，使温度降解塑料完全降解并用气体吹走降解后的材料，形成中部约1cm宽，厚度约 10μm、20μm、30μm三个人工裂缝型自愈合水泥石岩心模型。
[0041]
2003、不同裂缝宽度自愈合水泥石愈合能力评价实验：将步骤1003 中10μm裂缝型岩心分别更换为20μm、30μm的岩心，采用相同的步骤评价水泥石在一定时间内的愈合能力。
[0042]
步骤三、数据处理：
[0043]
根据步骤1003、步骤2003中所记录的实验数据，即可计算出自愈合材料对不同宽度裂缝型岩心的愈合能力，10μm、20μm和30μm三种裂缝宽度岩心愈合能力分别为95.55％、91.42％和90.99％(表1)，说明随着裂缝宽度的增加，水泥石自愈合能力逐渐降低。
[0044]
表1自愈合水泥石实验评价数据
[0045][0046]
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
[0047]
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。