专利名称：一种测窜方法及装置的制作方法
所属领域本发明涉及石油固井领域，具体地讲是一种测定固井水泥浆防窜能力的测窜方法及装置。
背景技术：
在固井时，固井水泥环空窜流将会带来井口冒油气、产能降低、地下流体污染、增产措施受限等�：�。为避免产生上述水泥环空窜流的危害，在固井前需对水泥浆的防窜能力进行测定，以适当调整水泥浆的配方，从而防止固井时水泥环空窜流的产生。
根据国内外的研究成果，发生水泥环空窜流的方式主要有以下三种1、水泥浆窜槽和泥饼干裂引起的油、气、水窜。由于水泥浆顶替效率差，滞留钻井液在环形空间形成窜槽的薄弱环节；另外，水泥浆凝固时可能吸收滞留泥饼的水分，造成泥饼干裂，可能造成油、气、水窜的通道，从而引起水泥环空窜流。
2、界面微间隙引起的油、气、水窜。当水泥憋压候凝释放套管内的压力时，套管产生径向收缩，使水泥环与套管和井壁的连接力减小或产生微间隙。此外，如果水泥浆体系不好，水化反应造成体积收缩太大，这时也可能产生微间隙。当微间隙达到20微米以上时，油、气、水就可能沿此界面发生窜流。
3、水泥浆失重引起的油、气、水窜。水泥浆在液相下能100％传递液柱压力，水泥浆的孔隙压力不小于地层压力，地层流体不能窜入水泥浆柱。在塑相下，一方面，由于水泥具有一定的胶凝强度，产生“挂壁”作用，即在水化的水泥颗粒间以及井壁和套管之间，形成不同类型互相搭接的结构网，使水泥柱部分重量悬挂在井壁和套管上，从而降低了水泥柱作用在下部地层的有效压力。另一方面，由于水泥浆水化具有体积收缩的特性，使得水泥孔隙压力不断降低。水泥的总收缩包括基体内的(化学)收缩和表观收缩。通常水泥基体的化学收缩为2-4％，表观收缩小于0.5％。当水泥孔隙压力降至小于地层孔隙压力时，地层流体就从水泥环中防窜阻力最小的地方进去并延伸，直到阻力增长达到新的压力平衡为止。这些薄弱地方包括水泥颗粒水化不良的地方、水泥水化因收缩造成的裂缝的地方、过多的自由水引起水带的地方等。
水泥环空窜流是在水泥浆凝固过程中产生的，其过程为水泥浆凝固过程的传压方式是通过毛细孔进行的，地层流体侵入孔隙必须克服水泥孔隙中的静液柱压力和地层流体在孔隙流动时的阻力。而水泥浆孔隙的压力随着水泥浆的凝固而逐渐减�。嘟目紫蹲枇λ孀潘嘟哪潭鸾ピ龃�。当水泥浆的孔隙压力加上水泥浆的孔隙阻力小于地层流体的压力时，水泥环空窜流产生。
现在，传统的测窜方法是根据水泥浆的胶凝强度、失水、过渡时间等性能参数评价水泥浆的防窜能力。但由于只有在地层流体压力大于水泥孔隙压力时，地层流体才有可能从水泥环中防窜能力最小的地方进去并延伸，产生水泥环空窜流。因此，水泥浆的防窜能力应该由地层流体能进入水泥浆基体时的阻力和上窜的距离来衡量。而水泥浆的胶凝强度反映的是水泥浆的平均剪切应力，无法反映水泥胶接最薄弱的地方的应力，因此不能科学地评价水泥浆地防窜能力。并且，由于水泥浆的失水反映的是水泥浆水化初期水泥浆保留配浆水的能力，而窜流主要发生在水泥水化中后期，两者没有必然的联系，因此，它也不能科学地反映水泥浆地防窜能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测窜方法，通过模拟水泥浆在固井时的固化过程，定性定量，客观反应水泥浆的防窜能力。
本发明的目的还在于提供一种测窜装置，利用该装置可定性定量，客观测定水泥浆的防窜能力。
为实现上述目的，本发明提供了一种测窜方法，其包括如下步骤(1)准备U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒，该U形水泥浆筒筒径和柱形水泥浆筒的筒径相等；(2)于该柱形水泥浆筒的底端加入隔离液，分别向U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒内灌入配制好的水泥浆，并保持该U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒内的水泥浆柱高度基本一致；(3)在该U形水泥浆筒的一端加入液压油，在柱形水泥浆筒的浆柱上加设隔离活塞，并同时在该活塞上和U形水泥浆筒的另一端加入地层流体模拟介质，将其加压至模拟地层流体压力，一直保持该压力恒定；(4)控制U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒的温度，使其的升温速率和恒定温度与模拟地层的一致；(5)至少连续测定U形水泥浆筒一端隔离液的压力P1，并观测该压力P1的变化；连续测定柱形水泥浆筒底端隔离液的压力P2，并观测该压力P2的变化；(6)当压力P1的变化趋势有大幅反向时，记录该压力P1，并结束测窜；或者当压力P1下降后趋平，但压力P2急速下降后第一次趋平时，记录该压力P1，并结束测窜。
在上述步骤(3)中，所述U形水泥浆筒一端的液压油可为石蜡油或隔离液。地层模拟介质可为氮气、水或油。在该步骤(3)中，可具体通过一气体压力源为地层模拟流体介质加压，并可通过一压力控制器控制该压力一直保持恒定。
所述的压力控制器可由连接于气体压力源和地层模拟流体介质之间的调压阀和测压元件构成，该测压元件可将测得的压力信号传递给调压阀，使调压阀控制地层模拟流体介质加压到预定值，并保持该压力一直恒定。所述的测压元件可为压力传感器，该压力传感器可将测得的压力信号同时传送给一数据处理器，通过该数据处理器实时记录并观测该压力。
在本发明中，U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒的温度可通过测温元件、温控器、加热器进行控制，该测温元件将实时测得的温度信号传递给温控器，该温控器将该信号与模拟地层的温度模式进行比较处理后，将获得的控制信号传送给加热器，控制加热器的工作状态，使U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒的升温速率和恒定温度与模拟地层的一致。
本发明中的压力P1可通过一测压元件测得，该测压元件可将测得的压力信号传送给一数据处理器，通过该数据处理器实时记录并观测该压力。
在步骤(5)中可同时连续测定U形水泥浆筒两端的压力P1、P3，并观测该两压力P1、P3的差值变化。该U形水泥浆筒两端的压力P1、P3可分别通过测压元件测得，该测压元件测得的压力信号可分别输送给同一数据处理器，通过该数据处理器记录并观测该两压力P1、P3的差值变化，当该差值的变化趋势有大幅反响时，结束测窜。
本发明中的数据处理器的信号采样点不低于每5秒100次。该数据处理器可将实时接收到的信号进行存储、分析，并可显示变化曲线，以利于直观观测信号的变化趋势。
本发明还提供了一种实现上述方法的测窜装置，该装置至少包括一U形水泥浆筒，U形水泥浆筒的一端连接于能够持续提供恒定压力的气体供压源，另一端连接于实时采集压力信号的测压元件；一柱形水泥浆筒，该柱形水泥浆筒的筒径与U形水泥浆筒的筒径相等，该柱形水泥浆筒的上端连接于能够持续提供恒定压力的气体压力源；该柱形水泥浆筒的上端设有隔离活塞，并于该底端连接有实时采集压力信号的测压元件；一温控装置，控制该U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒的升温速率和恒定温度与模拟地层的一致。
所述的测压元件可为压力传感器，该压力传感器的信号输出端连接于数据处理器，通过该数据处理器记录并观测所测得的压力。
其中，气体压力源可通过一压力控制器控制该压力一直保持恒定。该压力控制器由连接于气体压力源和地层模拟流体介质之间的调压阀和测压元件构成，该测压元件可将测得的压力信号传递给调压阀，使调压阀控制气体压力源提供的压力达到预定值，并保持该压力一直恒定。所述的测压元件可为压力传感器，该压力传感器可将测得的压力信号同时传送给一数据处理器，通过该数据处理器实时记录并观测该压力。
所述柱形水泥浆筒上端设有的隔离活塞与该柱形水泥浆筒之间可设有动密封。
本发明中的柱形水泥浆筒和U形水泥浆筒的上端口可分别设有密封顶塞，并于顶塞上分别开设有通孔。
本发明的U形水泥浆筒可进一步由“H”形水泥浆筒构成，该“H”形水泥浆筒的两直筒的底部端口均设有密封底塞，在底塞上方的两直筒下部设有横向连通孔，该横向连通孔的端口设有活动堵塞，所述的底塞旋紧于“H”形水泥浆筒底端两端口且活动堵塞上紧于横向连通孔的端口，形成所述的U形水泥浆筒。
本发明的温控装置包括测温元件、温控器、加热器，该测温元件将实时测得的U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒的温度信号传递给温控器，该温控器将该信号与模拟地层的温度模式进行比较处理后，将获得的控制信号传送给加热器，控制加热器的工作状态，使U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒的升温速率和恒定温度与模拟地层的一致。
本发明的U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒的筒体可为一体结构，其可设于一加热套内，并于筒体上设有插设测温元件的插孔。
地层流体窜流是在水泥浆孔隙压力加上孔隙阻力小于地层流体压力时才发生的。水泥水化初期，水泥浆为液态，U型水泥浆筒两端的压力等于地层流体压力，没有窜流发生。当水泥浆为塑态和固态时，U型筒内的水泥浆在固化过程中因体积收缩和胶凝挂壁造成孔隙压力下降，表现为U型筒两端的压力不一样。高压端的地层流体将向相对低压的水泥浆孔隙压力端流动。地层流体从U型筒的一端窜通另一端所需的时间越长、所需的压差越大，表明该水泥浆的防气窜能力越强，水泥浆的防窜阻力越大。当然，地层流体不能窜穿的情况下，防窜能力最强。因此，U型筒内地层流体压力与水泥浆孔隙压力的差值大小将客观反应孔隙阻力大小。
基于此，本发明通过模拟水泥浆在固井中固化过程中所测定其孔隙压力的变化，或地层压力与孔隙压力的差值变化，定性定量地客观反应了水泥浆的防窜能力，从而克服了现有对水泥浆方窜能力测定不准确的缺陷。
因此，本发明的测窜工作原理为1、模拟水泥浆水化环境。
(1)温度。在水泥水化的所有环境因素中，温度对水泥的水化速度影响最大。温度越高，水化速度越快。因此，本发明在测窜过程中需准确控制固井水泥浆的升温速度和恒定温度。本发明采用的温度控制器有效实现了对水泥浆水化环境温度的模拟。
(2)液柱压力。液柱压力对水泥的水化速度有一定的影响，但当压力超过21Mpa时，压力对水泥强度的影响很小。在本发明中，U形水泥浆筒的液柱压力等于地层流体压力加上水泥浆水泥浆的浆柱压力。由于该水泥浆的浆柱压力很�。梢院雎圆患�。柱形水泥浆筒的液柱压力可由连接于其下端的测压元件测定。
(3)底层流体的性质与压力不同地层流体的性质(油、气、水)具有不同的孔隙流动阻力。地层流体的压力与水泥浆失重后的孔隙压力的差值代表了地层流体侵入水泥浆基体的能量。而地层流体的压力始终保持恒定。本发明采用气体压力源持续供给底层模拟介质压力，使之一直保持模拟地层的恒定压力。
(4)水泥浆的挂壁效应环空水泥浆的封固段较长，地层表面比较粗糙，挂壁效应相对明显。因此，本发明的设计需要尽量加大水泥浆的挂壁效应，以获得在很短的水泥浆筒内与比较长的井筒中具有相同的挂壁效果。本发明的U形水泥浆筒可有效模拟该挂壁效应。
(5)水泥浆的几何尺寸水泥浆的直径越小，水泥浆的失重越快。本发明的测定失重的柱形水泥浆筒和检测地层流体窜流的U形水泥浆筒的筒径和水泥浆柱的高度均相同，并且温度和压力完全相同，因此，水泥浆的失重时刻、失重速度完全同步。因此，可通过观测柱形水泥浆筒的失重情况，来判断U形水泥浆筒是否固化。
2、检测、记录水泥浆的孔隙压力和窜流阻力。
(1)通过柱形水泥浆筒准确检测、记录水泥浆从液态到塑态，从塑态到固态的水泥孔隙压力的变化过程，由此刻判断水泥浆在某一时刻浆体状态。水泥浆在塑态下，失重开始，在固态下失重结束，而在失重其间最容易发生气窜。失重结束，水泥浆中窜槽长度不再增长，也不会缩短。此时，应停止测窜，防止水泥浆固死在水泥浆筒内。
(2)准确测定和记录U形水泥浆筒两端的压差变化。在水泥浆为液态下，压差为零；在塑态下，随着水泥浆的不断固化，水泥浆的强度逐渐增加，水泥浆的挂壁作用也不断增强，水泥浆基体内的化学收缩也逐渐加剧，使得水泥浆的孔隙压力逐渐降低，此时，地层流体压力大于水泥浆的孔隙压力，地层流体具有克服水泥的孔隙阻力从U形水泥浆筒的一端窜穿到另一端的趋势。对于防窜能力差的水泥浆，地层流体在较小的压差作用下就能窜穿，而对于防窜能力强的水泥浆，需要较大的压差才能窜穿。当然，地层流体一直没有窜穿的水泥浆的防窜能力更强。因此，本发明通过测定地层流体窜穿时的压差大小即可客观准确地反映水泥浆在模拟的地层流体压力和地层温度环境中的防窜能力，从而定性定量地测得了水泥浆的防窜能力。
图1本发明测窜原理示意图；
图2本发明的U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒俯视结构示意图；图3本发明图2的A-A剖视图；图4本发明图2的B-B剖视图；图5本发明柱形水泥浆筒在水泥固化过程中的失重曲线示意图；图6本发明U形水泥浆筒在水泥浆固化过程中窜穿时的压力曲线示意图；图7本发明U形水泥浆筒在水泥浆固化过程中未窜穿的压力曲线示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明提供了一种测窜方法，其包括如下步骤(1)准备U形水泥浆筒1和柱形水泥浆筒2，该U形水泥浆筒1的筒径和柱形水泥浆筒2的筒径相等；(2)于该柱形水泥浆筒2的底端21加入隔离液23，分别向U形水泥浆筒1和柱形水泥浆筒2内灌入配制好的水泥浆3，并保持该U形水泥浆筒1和柱形水泥浆筒2内的水泥浆柱高度基本一致；(3)在该U形水泥浆筒1的一端11加入液压油13，在柱形水泥浆筒2的浆柱上加设隔离活塞24，并同时在该活塞24上和U形水泥浆筒1的另一端12加入地层流体模拟介质4，将其加压至模拟地层流体压力，一直保持该压力恒定；(4)控制U形水泥浆筒1和柱形水泥浆筒2的温度，使其的升温速率和恒定温度与模拟地层的一致；(5)至少连续测定U形水泥浆筒1一端11的液压油13的压力P1，并观测该压力P1的变化；连续测定柱形水泥浆筒2底端21隔离液23的压力P2，并观测该压力P2的变化；(6)当压力P1的变化趋势有大幅反向时，记录该压力P1，并结束测窜；或者当压力P2下降后趋平，但P2急速下降后第一次趋平时，记录该压力P1，并结束测窜。
在上述测窜步骤中，由于U形水泥浆筒1的另一端12的地层流体模拟介质4一直保持恒定的模拟地层流体压力；在水泥浆固化过程中，水泥浆收缩所发生的孔隙压力的变化，可完全传递给测定U形水泥浆筒1的一端11的液压油13，因此，液压油13的压力变化即为水泥浆固化过程中的孔隙压力的变化。在水泥浆为液态时，地层流体的压力完全传递给一端11的液压油13，该液压油13体现的水泥浆孔隙压力与地层流体压力相等，随着水泥浆3的不断固化，水泥浆3的强度逐渐增加，水泥浆3的挂壁作用也不断增强，水泥浆3基体内的化学收缩也逐渐加剧，使得水泥浆3的孔隙压力逐渐降低，此时，地层流体压力大于水泥浆3的孔隙压力，地层流体具有克服水泥的孔隙阻力从U形水泥浆筒1的一端11窜穿到另一端12的趋势。当地层流体窜穿时，水泥孔隙压力逐渐增大至地层流体压力或者说地层流体压力与水泥浆孔隙压力的差值大幅缩�。缤�6所示。因此，只要观测水泥浆孔隙压力的变化或压差变化即可判断当水泥浆在固化过程中是否被地层流体窜穿。由于对于防窜能力差的水泥浆，地层流体在较小的压差作用下就能窜穿，而对于防窜能力强的水泥浆，需要较大的压差才能窜穿。当然，地层流体一直没有窜穿的水泥浆的防窜能力更强。因此，本发明通过测定地层流体窜穿时的压差大小即可客观准确地反映水泥浆在模拟的地层流体压力和地层温度环境中的防窜能力，从而定性定量地测得了水泥浆的防窜能力。
如果地层流体在当水泥浆处于固态时没有窜穿，地层流体将被水泥柱封住，不会再发生窜穿现象。如图7所示，水泥浆的孔隙压力下降到某一数值后保持恒定，或者压差上升到某一数值后保持恒定。此时为避免水泥固死在U形水泥浆筒1内，应停止测窜。对于柱形水泥浆筒2，如图5所示，当水泥浆3为液态C时，其上端加设的恒定的地层流体压力传递给其下端的隔离液23，该隔离液23的压力也保持恒定，当水泥浆3逐渐固化处于塑态D时，失重开始，水泥浆3的挂壁作用逐渐增强，隔离液所受到的压力逐渐较�。彼嘟�2处于固态E时，失重结束，其压力降到最小。因此，当观测本发明的柱形水泥浆筒2下端的压力下降后趋于稳定值时，表明其中水泥浆3已经处于固态。由于U形水泥浆筒1的筒径与水泥浆柱的高度均与柱形水泥浆筒2的相同，因此，也表明该U形水泥浆筒1内的水泥浆已经固化，地层流体将不会窜穿水泥浆，可以停止测窜。并且可以得出该水泥浆3防窜能力较强的结论。
在本发明的上述步骤(3)中，可首先在隔离活塞24上加入少量的胶乳，然后再在胶乳上方施加与U形水泥浆筒同等的模拟地层压力。
本发明的U形水泥浆筒1的一端12可连接于能够持续提供恒定压力的气体供压源5，另一端连11接于实时采集压力信号的测压元件61，以在测窜过程中测定水泥浆3的孔隙压力。在测窜时，可通过气体供压源5给地层流体模拟介质4加压，使之保持恒定的模拟地层的流体压力。该气体供压源5可具体采用氮气源。根据测窜的要求，该地层流体模拟介质4可为氮气、水或油或其它地层流体。如果要测定水泥浆的防气窜能力，可直接将氮气通过气体压力源5加到U形水泥浆筒1的一端12，形成模拟的具有恒定压力的气体地层流体。测油窜时，可将相应的油先加到U形水泥浆筒1的一端12的水泥浆3上，然后在通过气体供压源5将其加压到所需的地层流体压力，保持其恒定。同样，测水窜时，可将相应的油先加到U形水泥浆筒1的一端12的水泥浆3上，然后在通过气体供压源5将其加压到所需的地层流体压力，保持其恒定。
如图1所述，柱形水泥浆筒2的上端连接于能够持续提供恒定压力的气体压力源，以给柱形水泥浆筒2的上端施加与U形水泥浆筒1的一端12的地层流体压力相同的压力，并保持其恒定。该气体压力源可如图1所示，是与U形水泥浆筒1共用的气体压力源5，也可是单独的气体压力源。该柱形水泥浆筒2的上端设有的隔离活塞24，可以避免气体或其他地层流体接触其内的水泥浆3，但能够将压力传递给水泥浆3。该隔离活塞24与柱形水泥浆筒2的筒壁之间可进一步设有动密封。该柱形水泥浆筒2底端连接有实时采集压力信号的测压元件62，以测定水泥浆固化过程中的失重情况，并籍此判断水泥浆在某一时刻的浆体状态。
在上述步骤(3)中，所述U形水泥浆筒1一端11的液压油13可为石蜡油或隔离液或其他具有传压功能的液体。
本发明中为地层模拟流体介质4加压的气体压力源5可通过一压力控制器控制该压力一直保持恒定。如图1所示，压力控制器可由连接于气体压力源5和地层模拟流体介质4之间的调压阀51和测压元件52构成，该测压元件52可将测得的压力信号传递给调压阀51，使调压阀51控制地层模拟流体介质4加压到预定值，并保持该压力一直恒定。该测压元件52可具体为压力传感器，该压力传感器可将测得的压力信号同时传送给一数据处理器7，通过该数据处理器7实时记录并观测该压力。
如图1所示，本发明可通过一温控装置，控制该U形水泥浆筒1和柱形水泥浆筒2的升温速率和恒定温度与模拟地层的一致，以模拟水泥浆在固井过程中的温度环境。该温控装置可具体包括测温元件、温控器82、加热器83，该测温元件将实时测得的U形水泥浆筒1和柱形水泥浆筒2的温度信号传递给温控器82，该温控器82将该信号与模拟地层的温度模式进行比较处理后，将获得的控制信号传送给加热器83，控制加热器83的工作状态，使U形水泥浆筒1和柱形水泥浆筒2的升温速率和恒定温度与模拟地层的一致。上述的温控器8 2可采用现有的常规温控器，只要在使用时将模拟地层升温速率参数和最终须达到的恒定温度参数输入到该温控器83中即可。
如图2所述的U形水泥浆筒1和柱形水泥浆筒2的筒体可为一体结构，以进一步确保两水泥浆筒内的水泥浆的水化环境(温度、压力)以及失重环境(水泥浆筒径、筒高以及表面光泽度)完全一样。其在制造时，可首先一体铸出三个筒径相等的水泥浆筒，然后，从一侧将其中的两个水泥浆筒打通，形成U形水泥浆筒。而其中单独的水泥浆筒即为柱形水泥浆筒2。该筒体上设有插设测温元件的插孔。在测窜时，可将该筒体设于一作为加热器83的加热套内。该测温元件可具体为热电偶。该热电偶将测得的温度信号传递给温控器82，该温控器82将该信号与模拟地层的温度模式进行比较处理后，将获得的控制信号传送给加热套，控制加热套的工作状态，使U形水泥浆筒1和柱形水泥浆筒2的升温速率和恒定温度与模拟地层的一致。
在本发明中，表述水泥浆3孔隙压力的U形水泥浆筒1的一端11的压力P1可通过一测压元件63测得，该测压元件63可将测得的压力信号传送给数据处理器7，通过该数据处理器7实时记录并观测该压力。
在本发明的测窜步骤(5)中，可同时连续测定U形水泥浆筒两端的压力P1、P3，并观测该两压力P1、P3的差值变化，从而获得水泥浆固化过程中，地层流体压力与水泥浆孔隙压力的压差变化。该U形水泥浆筒两端11、12的压力P1、P3可分别通过测压元件61、63测得，该测压元件61、63测得的压力信号可分别输送给同一数据处理器7，通过该数据处理器7记录并观测该两压力P1、P3的差值变化，当该差值的变化趋势有大幅反向时，说明地层流体已经窜穿水泥浆，水泥浆孔隙压力将逐渐增大至地层流体压力，此时结束测窜。该差值大幅反向的时刻即是地层流体窜穿的时刻，此时的压差即可定性定量地表示出该水泥浆3的防窜能力，达到测窜的目的。
为保证测窜过程中显示的数据的准确性，数据处理器7的信号采样点不低于每5秒100次。
该数据处理器7可将实时接收到的信号进行存储、分析，并可显示变化曲线，以利于直观观测信号的变化趋势。
本发明中的测压元件61、62、63均可为压力传感器，该压力传感器的信号输出端连接于数据处理器7，通过该数据处理器7记录并观测所测得的压力。
如图3、图4所示，本发明中的柱形水泥浆筒2和U形水泥浆筒1的上端口可分别设有密封顶塞25、15、16，并于顶塞25、15、16上分别开设有通孔251、151、161。测窜时，旋出顶塞25、15、16，加入水泥浆后，在U形水泥浆筒1的一端加入隔离液13，柱形水泥浆筒2的上端装上隔离活塞23，然后旋上该顶塞25、15、16，气体压力源5可通过通孔251、151连通于水泥浆筒，加上模拟地层流体压力。测压元件63通过通孔161测得隔离液13的压力P1。
本发明的U形水泥浆筒1可进一步由“H”形水泥浆筒构成，该“H”形水泥浆筒的两直筒的底部端口均设有密封底塞17，在底塞17上方的两直筒下部设有横向连通孔18，该横向连通孔18的外端口设有活动堵塞(图中未示)，所述的底塞17旋紧于“H”形水泥浆筒底端两端口且活动堵塞上紧于横向连通孔18的外端口，形成所述的U形水泥浆筒1。该顶塞25、15、16可如图3、图4所示分别与柱形水泥浆筒2和U形水泥浆筒1的上端口螺纹连接。在测窜结束后可打开该底塞17和横向连通孔18外端口的活动堵塞，清理U形水泥浆筒1两直筒内的水泥浆柱，并可打开横向连通孔18外端口的活动堵塞，清理横向连通孔18内的水泥块。
当本发明需测定水泥浆在地层环境温度高于90摄氏度时的水泥浆的防窜能力时，为了模拟固井水泥浆凝固过程的真实情况，可把水泥浆先放在高温高压稠化仪中预稠化。在水泥稠化时间前1小时30分钟开始冷却和自然降压，待水泥浆温度降至90摄氏度左右时泄完剩余压力，将预处理过的水泥浆按常规的测窜方法倒入U形水泥浆筒1和柱形水泥浆筒2中，进行测窜。
由于本发明通过模拟水泥浆在固井中地固化过程，测定其孔隙压力的变化，或地层压力与孔隙压力的差值变化，定性定量地客观反应了水泥浆的防窜能力，从而克服了现有对水泥浆方窜能力测定不准确的缺陷。
上述实施例为本发明的一种具体实施方式
，仅用于说明本发明，而非用于限制本发明。
权利要求
1.一种测窜方法，其包括如下步骤(1)准备U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒，该U形水泥浆筒筒径和柱形水泥浆筒的筒径相等；(2)于该柱形水泥浆筒的底端加入隔离液，分别向U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒内灌入配制好的水泥浆，并保持该U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒内的水泥浆柱高度基本一致；(3)在该U形水泥浆筒的一端加入液压油，在柱形水泥浆筒的浆柱上加设隔离活塞，并同时在该活塞上和U形水泥浆筒的另一端加入地层流体模拟介质，将其加压至模拟地层流体压力，一直保持该压力恒定；(4)控制U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒的温度，使其的升温速率和恒定温度与模拟地层的一致；(5)至少连续测定U形水泥浆筒一端隔离液的压力P1，并观测该压力P1的变化；连续测定柱形水泥浆筒底端隔离液的压力P2，并观测该压力P2的变化；(6)当压力P1的变化趋势有大幅反向时，记录该压力P1，并结束测窜；或者当压力P1下降后趋平，但压力P2急速下降后第一次趋平时，记录该压力P1，并结束测窜。
2.如权利要求1所述的一种测窜方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述U形水泥浆筒一端的液压油可为传递压力的石蜡油或隔离液。
3.如权利要求1所述的一种测窜方法，其特征在于，所述步骤(3)中的地层模拟介质可为氮气、水或油。
4.如权利要求1所述的一种测窜方法，其特征在于，在步骤(3)中，可通过一气体压力源为地层模拟流体介质加压，并可通过一压力控制器控制该压力一直保持恒定。
5.如权利要求4所述的一种测窜方法，其特征在于，所述的压力控制器可由连接于气体压力源和地层模拟流体介质之间的调压阀和测压元件构成，该测压元件可将测得的压力信号传递给调压阀，使调压阀控制地层模拟流体介质加压到预定值，并保持该压力一直恒定。
6.如权利要求5所述的一种测窜方法，其特征在于，所述的测压元件可为压力传感器，该压力传感器可将测得的压力信号同时传送给一数据处理器，通过该数据处理器实时记录并观测该压力。
7.如权利要求1所述的一种测窜方法，其特征在于，所述U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒的温度可通过测温元件、温控器、加热器进行控制，该测温元件将实时测得的温度信号传递给温控器，该温控器将该信号与模拟地层的温度模式进行比较处理后，将获得的控制信号传送给加热器，控制加热器的工作状态，使U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒的升温速率和恒定温度与模拟地层的一致。
8.如权利要求1所述的一种测窜方法，其特征在于，所述压力P1可通过一测压元件测得，该测压元件可将测得的压力信号传送给一数据处理器，通过该数据处理器实时记录并观测该压力。
9.如权利要求1所述的一种测窜方法，其特征在于，在步骤(5)中可同时连续测定U形水泥浆筒两端的压力P1、P3，并观测该两压力P1、P3的差值变化。
10.如权利要求9所述的一种测窜方法，其特征在于，所述U形水泥浆筒两端的压力P1、P3可分别通过测压元件测得，该测压元件测得的压力信号可分别输送给同一数据处理器，通过该数据处理器记录并观测该两压力P1、P3的差值变化，当该差值的变化趋势有大幅反向时，结束测窜。
11.如权利要求1、6、8、10任一权利要求所述的一种测窜方法，其特征在于，所述的数据处理器的信号采样点不低于每5秒100次。
12.如权利要求1、6、8、10任一权利要求所述的一种测窜方法，其特征在于，所述的数据处理器可将实时接收到的信号进行存储、分析，并可显示变化曲线，以利于直观观测信号的变化趋势。
13.一种测窜装置，其特征在于，该装置至少包括一U形水泥浆筒，U形水泥浆筒的一端连接于能够持续提供恒定压力的气体供压源，另一端连接于实时采集压力信号的测压元件；一柱形水泥浆筒，该柱形水泥浆筒的筒径与U形水泥浆筒的筒径相等，该柱形水泥浆筒的上端连接于能够持续提供恒定压力的气体压力源；该柱形水泥浆筒的上端设有隔离活塞，并于该底端连接有实时采集压力信号的测压元件；一温控装置，控制该U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒的升温速率和恒定温度与模拟地层的一致。
14.如权利要求13所述的一种测窜装置，其特征在于，所述的测压元件可为压力传感器，该压力传感器的信号输出端连接于数据处理器，通过该数据处理器记录并观测所测得的压力。
15.如权利要求13所述的一种测窜装置，其特征在于，所述的气体压力源可通过一压力控制器控制该压力一直保持恒定。
16.如权利要求15所述的一种测窜装置，其特征在于，所述的压力控制器由连接于气体压力源和地层模拟流体介质之间的调压阀和测压元件构成，该测压元件可将测得的压力信号传递给调压阀，使调压阀控制气体压力源提供的压力达到预定值，并保持该压力一直恒定。
17.如权利要求16所述的一种测窜装置，其特征在于，所述的测压元件可为压力传感器，该压力传感器可将测得的压力信号同时传送给一数据处理器，通过该数据处理器实时记录并观测该压力。
18.如权利要求13所述的一种测窜装置，其特征在于，所述柱形水泥浆筒上端设有的隔离活塞与该柱形水泥浆筒之间设有动密封。
19.如权利要求13所述的一种测窜装置，其特征在于，所述的柱形水泥浆筒和U形水泥浆筒的上端口分别设有密封顶塞，并于顶塞上分别开设有通孔。
20.如权利要求13或19所述的一种测窜装置，其特征在于，所述的U形水泥浆筒由“H”形水泥浆筒构成，该“H”形水泥浆筒的两直筒的底部端口均设有密封底塞，在底塞上方的两直筒下部设有横向连通孔，该横向连通孔的端口设有活动堵塞，所述的底塞旋紧于“H”形水泥浆筒底端两端口且活动堵塞上紧于横向连通孔的端口，形成所述的U形水泥浆筒。
21.如权利要求13所述的一种测窜装置，其特征在于，所述温控装置包括测温元件、温控器、加热器，该测温元件将实时测得的U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒的温度信号传递给温控器，该温控器将该信号与模拟地层的温度模式进行比较处理后，将获得的控制信号传送给加热器，控制加热器的工作状态，使U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒的升温速率和恒定温度与模拟地层的一致。
22.如权利要求13所述的一种测窜装置，其特征在于，所述的U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒的筒体为一体结构，其可设于一加热套内，并于筒体上设有插设测温元件的插孔。
全文摘要
本发明涉及一种测窜方法及装置。其方法主要是通过U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒模拟水泥浆在井下的固化环境；并通过连续测定和观察U形水泥浆筒两端的压差变化以及柱形水泥浆筒底端的压力变化，获得水泥浆窜通时的压力，或者在水泥浆不窜通时及时停止测窜，从而客观评价所测定的水泥浆的防窜能力。其测窜装置包括一U形水泥浆筒，其一端连接于气体供压源，另一端连接于测压元件；一柱形水泥浆筒，其筒径与U形水泥浆筒的筒径相等，上端设有隔离活塞并连接于气体压力源；并于该底端连接有测压元件；一温控装置，控制该U形水泥浆筒和柱形水泥浆筒的升温速率和恒定温度与模拟地层的一致。利用上述方法和装置可定性定量，客观测定水泥浆的防窜能力。
文档编号G01D21/00GK1536341SQ0310911
公开日2004年10月13日 申请日期2003年4月3日 优先权日2003年4月3日
发明者罗宇维, 何全凯, 杨振宇 申请人:中海油田服务股份有限公司, 沈阳航空工业学院应用技术研究所
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