高温高压泥饼胶结模拟评价系统的研制与应用

仪器设备
高温高压泥饼胶结模拟评价系统的研制与应用
江山红 宋明全 刘贵传 王文立
(中国石化石油勘探开发研究院石油钻井研究所 山东德州)
摘 要:根据模拟实际钻井过程中泥饼的形成、冲洗液对泥饼的冲刷、固井液的动态顶替、固化胶结的实际情况,提出了仿真型高温高压泥饼胶结模拟评价系统的设计思路,研制了模拟评价系统,实现了对地层渗透性、井下温度、压力和钻井工作流体动态循环的模拟。

该仪器可对钻井液泥饼、冲洗液、固井液胶结质量等多项性能进行评价。

文章对该模拟系统的组成、结构、模拟实验方法、评价方法进行了简要介绍,阐述了其在研究钻井工作液的井下工作变化、钻井液、泥饼、冲洗液的实验室评价以及在影响固井界面胶结质量中的作用。

关键词:仿真型;模拟;动态循环;泥饼胶结;界面胶结评价
中图法分类号:TE254+.1 文献标识码:B 文章编号:1004 9134(2008)01 0037 04
0 引 言
在常规的钻井液泥饼质量分析及泥饼胶结的评价中,仅仅限于对泥饼的平面观察与评价,如室内常规的高温高压失水仪、动态失水仪制作的圆形平面泥饼,与实际井眼中的弧形泥饼相差较大,为了进一步认识井下动态地质环境和钻井参数等因素对泥饼的影响、钻井液固井液对固井一、二界面胶结质量的影响,研制了高温高压泥饼胶结质量模拟评价系统。

利用该系统能模拟井下高温高压条件在室内进行评价:1)钻井流体对附着在井壁上的弧形泥饼质量和渗透性评价;2)不同参数下冲洗液对模拟环空的冲洗、顶替效果实验;3)油(气)井水泥浆固井后一界面微环、固井二界面胶结质量;4)模拟油(气)井水泥浆固井后第二界面的水窜胶结质量评价。

该系统的研制成功,为进一步研究复杂地质条件下钻井工作液的井下工作变化、钻井液、泥饼、冲洗液等对固井胶结的影响提供了新的评价方法和手段,可作为目前研究渗透性泥饼质量、影响固井胶结质量的因素等试验方法的重要补充。

1 模拟评价仪器系统设计
1.1 设计思路
针对地层井眼渗透性、钻井液动态循环、冲洗液冲洗循环后水泥浆对套管的固井施工和固化等方面研
究[1],建立实验仪器模型。

在设定压力和温度条件下,
模拟钻井液井筒式滤失、钻井液冲洗顶替、固井液注入、固井液的固化等连续性施工过程,通过实验数据采
集和微机数据采集计算分析,评价流体循环形成的泥饼质量,测定环空固化物(或水泥石)与模拟地层(井壁)之间、与模拟套管之间的界面剪切胶结强度;通过高低压水压窜通原理测定界面的水力胶结强度和水窜系数。

为油田钻井工程钻井液、固井液的性能配方优选、固井液的防水气窜性能评价及工程设计提供实验数据。

模拟评价装置中圆筒型渗透性井筒、钻杆、套管等尺寸满足几何相似,模拟装置满足雷诺准则,利用相似原理实现井下温度、压力工作液的循环等参数设置。

1.2 系统结构
高温高压泥饼胶结模拟评价装置主要由实验釜体部分和计算机控制部分组成[2]。

模拟评价装置的结构如图1所示。

其中高温高压釜体总成(6)、中间容器(12)组成了实验工作环境,高温高压釜(6)及模拟井筒组(7、8)是主要的实验场所;分布在其周围的釜体加热套(9)和釜体冷却循环系统通过数据模块和阀门控制,提供升温或循环冷却条件;氮气源(1)、压缩空气(2)、水源(3)、增压泵(4)为实验工作环境提供实验工作压力,根据实验性质可提供空气压、氮气压、水压等多种压力源选择;增压泵(4)、蓄能器(5)和压机(10)通过气源压力调节阀产生平稳实验压力作用于模拟井筒(7)的实验样品;各种管路和和各种阀完成仪器的升温、增
第一作者简介:江山红,男,1968年生,高级工程师,1992年毕业于中国地质大学(武汉),在中国石化勘探开发研究院石油钻井研究所工作,长期从
事石油钻井方面的工作。

邮编:253005
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压、冷却循环、卸压等实验程序;参数设定和数据采集控制器(13)与计算机(14)完成实验数据收录和处理,计算机显示实验设定的温度和压力曲线及数值,自动
记录压力机测定的第I 、第II 界面抗压强度及胶结强度数据,实验数据输出到输出设备(15)完成实验报告的存储、
打印工作。

图1 模拟评价装置结构与流程图
1.3 主要技术指标
养护釜最高工作压力:30MPa,养护工作压力:21MPa;误差<1%;
钻井液设计容量:0.5L~2L;
工作温度:室温~175 ;误差!2 ;实验差压:0~15MPa;误差<l%。

1.4 组成与功能
实验系统主要包括:高温高压钻井液循环系统与滤失仪总成,高温高压养护釜总成,压力机系统,增压循环系统,冷却管路系统,温控系统和计算机控制等。

计算机控制部分主要包括计算机数据处理采集,检测系统和输出系统,高温报警等。

1.4.1 多功能高温高压中心釜体总成
高温高压养护釜体的构成如图2所示,
中心釜内
图2 高温高压中心釜体的构成和钻井液循环流程图
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装有模拟渗透性岩芯井筒、模拟钻杆(套管)组合和固化物样品室,砂岩芯井筒、模拟钻杆、外部水源(或中间容器)和压力泵构成循环系统。

在该釜体内可完成模拟井下条件的钻井液滤失形成泥饼、利用循环系统冲洗液对钻井液及虚泥饼的冲洗顶替、水泥浆的注入、模拟井眼环空的养护固化等施工过程,为与钻井相关的钻井液泥饼性能、固井清洗液、特种固井液性能相关评价实验提供实验平台。

1.4.2 稳定的压力机系统
针对环空固化物在剪切胶结作用力的灵敏变化情况,专门设计一套平稳的压力机系统,气压管路连接压力机,经电磁阀、调压器提供增压泵工作动力,通过蓄能器进行压力缓冲,见图2。

检测线路上装有两个压力变送器,压力信号由控制器检测,计算机和控制器进行通讯。

1.4.3 温度控制系统
本系统养护釜内装有釜体外部设加热和冷却装置,温度控制采用时间最优控制,控制器根据温度的给定值和温度的检测值,计算出温度的偏差。

当偏差较大时,控制器控制固态继电器导通,开始加热,温度持续上升。

当偏差较小时,控制器每间隔一定时间控制继电器导通与关断,使温度检测值慢慢接近给定的温度值。

当温度发生超调时,关断继电器停止加热。

温控器提供了两个与微机进行数据交换的接口,即面板上的RJ 接口和仪表背面RS 接口,它的特点是可以长距离传输数据,抗干扰能力强,可以在距离仪器比较远的地方与温控器进行数据交换,达到满意的温度控制效果。

2 软件设计
2.1 软件功能设计
[3]
泥饼胶结模拟评价系统的软件部分包括数据设置和存储软件(位于单片机内),数据分析与处理软件(位于通用机内)两部份。

该胶结评价系统可以直接进行三类实验评价,所以其对应软件系统也相应的可以采集分析3种类型的实验数据,主该菜单项包含了图
3
图3 模拟评价系统的功能操作设计
所示内容。

按照实际功能又分为实验项目选择、系统相关参数设置、温度压力曲线时时监测、实验报告生成与输出等部分。

2.2 系统参数设置
实验之前,我们首先要设置好相关的系统参数,系统参数分成三部分:1)显示设置,用来设置∀试验的温度压力曲线#的温度、压力的坐标最大值;2)零点校正及系统设置;3)通讯设置(主要是数据采集端口设置);这些设置也将来体现在报表曲线当中。

系统软件实验相关参数设置如图4
所示。

图4 系统软件实验相关参数设置
3 模拟实验方法及实践
3.1 评价系统实验程序
仪器的工作流程主要包括模拟井筒组的安装,调节温控和压力系统模拟井下条件,钻井液的加入与加压失水、钻井液循环顶替清洗实验、模拟套管的安装与固井液注入、加温加压养护、模拟井眼环空的养护固化、剪切胶结和水力胶结强度实验等实验步骤,每个实验依据实验目的可以中间停顿,实现评价不同的实验目标。

3.2 实验结果的评价参数
高温高压泥饼胶结质量评价系统应用在科研实验中,具体的实验操作参照仪器工作流程。

在相同实验条件、24h 不同二界面所得到性能参数值见表1,性能参数对比情况为:在砂质界面情况下,水泥浆MTC 工作液固化后界面胶结强度差异不大,在有泥饼存在时,水泥浆与MTC 工作液固化后的界面剪切胶结强度具有很大差异。

界面胶结强度实验曲线如图5图6所示。

3.3 实验结果与其它实验方法结果一致性比较
通过该实验仪器测定的实验数据与超声波静胶凝强度分析仪、简单的养护-加压的机械式力学方法,进行了实验对比,对比表明二界面的胶结质量与超声波静胶凝强度分析仪测定的结果具有良好的可比性。

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表1 不同固井流体24h 界面胶结质量对比实验
序号固井液配方浆体密度/(g/cm 3)二界面介质
泥饼质量/mm
压力剪切值/MPa 胶结强度值/M Pa
实验条件1嘉华G 级+44%水 1.88砂质/13.36 1.27135 2MTC 工作液 1.60砂质/13.18 1.19/25MPa 3嘉华G 级+44%水 1.88泥饼0.8/0.6 5.230.43150 4
MTC 工作液
1.58
泥饼
0.8/0.4
12.78
1.06
/
25MPa
图5
二界面剪切胶结强度实验曲线
图6 二界面水力胶结强度实验曲线
4 结束语
高温高压泥饼胶结模拟评价系统实现了对地层渗透性、井下温度、压力和钻井工作流体动态循环的模拟,更加客观地反映入井液的井下情况,可对钻井液泥饼、冲洗液、固井液界面胶结质量等多项性能进行实验评价。

该系统设计的仿真渗透性井筒组由于高温高压条件限制,根据井下模拟条件实现了几何相似,使实验方法和技术手段有了较大突破。

参考文献
[1] 史文光,胡湘炯,李邦达.钻井工程[M ].北京:石油工业
出版社,1992
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[3] 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M ].北京:北
京航天航空大学出版社,1995
(收稿日期:2007-09-12 编辑:高红霞)
(上接第30页)
4 结论及认识
1)现场应用表明,恒流量自动配水器能够即时调整注水量,实现恒流量自动配水,控制精度高,能够满足油田精细注水要求。

2)应用恒流量自动配水器的优选条件:注水系统压力不平稳的注水井;注水井较多,工人调节劳动强度大的配水间;井组上有注水井的新建注水井;有多口注水井的井组。

参考文献
[1] 王道富,朱义吾,李中兴.鄂尔多斯盆地低渗透油气田开
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(收稿日期:2007-08-13 编辑:高红霞)
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% PETROLEUM INSTRUMENTS Feb.2008 Men Changfeng and Guo Limei.The design of gas tracer purification and concentration instrument.PI,2008, 22(1):19~20,24
Based on the principle of purification by high temperature catalytic oxidation,adsorption and concentration by adsor bent,processing instrument of gas tracer before chromatography detection is designed.H igh temperature oxidation re duces interference factors of tracer detection,and concentration improves detection sensitivity.Oxidation catalysts w as V2O5,and temperature w as400.Resolution temperature w as400.The detection lower limit can improve two orders of magnitude through treatment instrument to reach10-12(v/v).Impurity doesn∃t affect detection precision,and can real ize on line injection and continuous operation.
Key words:Gas Tracer;Purification and Concentration;Detection
Wei Kai,Guo Liangjie and Liang Zhuhai.Tolerance analysis optimize of a kind of sidewall contact device.PI, 2008,22(1):21~24
Through the error analysis of the mechanism,an optimize method on tolerance w as presented in this paper based on max accepted error about it.The model showing the relation between tolerance and production cost was established.Tol erance of the system was synthesized,applying complete differential and genetic algorithm by assuming the production cost as goal function,then the tolerance of every part was calculated.
Key words:Mechanism;tolerance;complete differential;genetic algorithm;optimize
Cao Xinzhai,Hu Xiaoying,Zhang Weiguang and Guo Rongli.High efficiency automation water injection sta tion system based on PCP adjustable pressure and flow.PI,2008,22(1):25~28
The consume of electric power for water injection takes a great proportion in the total consume for oil production, and the ratio of oil extraction and the cost and the efficiency for oil production are restricted unfavorably,which is a problem.On the basis of understanding the introduced water injection station,considering the local statues of the pump station and the characters of water injection grid,a new system with advanced control method called Pump Control Pump is developed and applied steadily.
Key words:Water injection;Automation;Pump Control Pump
Mu Lijun,Xie Lichun,Zhao Jinling,Yuan Hailong,Zhou Shuyuan and Jin LI.The application of water auto distributor with constant rate in Ansai oilfield.PI,2008,22(1):29~30,40
Due to the complex topography,and the scattered well blocks,the water injection in Ansai oilfield is mainly con trolled and regulated by the workers.Therefore,the fluctuation of pressure caused the unstable injection rate of water and the intensive intensity of work force.As far as what is mentioned above,Ansai oilfield has successfully applied the w ater auto distributor w ith constant flow rate.This instrument can adjust flow rate according to the stated requirement, which can meet the injection requirements and alleviate the intensity of labor.It∃s shown that the result is pleasing. Key words:Ansai oilfield;water injection;constant flow rate;automatic distributor;application
Yuan Man,Liu Yicheng and She Xiaoyu.Amelioration of seism digital signal transmission system based on LVDS.PI,2008,22(1):35~36
Because of so many advantages in long distance signal transmission application,Low Voltage Differential Signaling w as used abroad.The text presented the basic methods based on LVDS,analyzed the characters and the key factors of seism digital signal transmission system,then optimized the system.
Key words:LVDS;long distance transmit;seism signal transmission
Jiang Shanhong,Song Mingquan,Liu Guichuan and Wang Wenli.Development of HTHP mud cake cementa tion simulation system and its application.PI,2008,22(1):37~40
A HTHP mud cake cementation simulation system simulates actual mud cake,w ashes performance by washing flu id.Dynamic displacement of slurry and cementation is introduced in the article,along w ith its structure,components, recommended test and evaluation methods.The article also presents its functions in studying mud behavior downhole, lab tests of mud,mud cake,flush fluid and cementation quality assessment.
Key words:Imitation type;Simulation;Dynamic circulation;Mud cake cementation interfacial bonding assessment Chen Shiying,Zhang Ruixin and ZhouJian.Phase shitf errors of induction log.PI,2008,22(1):41~43 Inaccurate measurement of R and X signals in prior art induction logging log often results from phase shift of the tool signals.Included in this paper are cause analysis of phase shift,quantitative estimation of R and X signal errors from the shift and the phase accuracy required for signal detection.Finally,how to reduce phase shift and improve signal measure ment accuracy have been described in the paper.
Key words:induction log;phase shift;measurement error
Li Yuanyuan,Liu Xingbin,Li Jun and Hu Jinhai.Logging signal FIR digital filter based on MATLAB.PI, 2008,22(1):44~45,48
The passage deals with the logging signal by the method of combining filter function w ith partition convolution which。