固井水泥浆水侵模拟评价仪及评价方法技术领域
本发明涉及油气井固井过程中的水泥浆水侵模拟评价仪及评价方法，可用于评价
固井水泥浆的抗水侵能力。
背景技术
在油田开发中后期，钻调整井(为进一步开发及实现油气层层系细分和井网加密
而所钻的生产井、注水井及更新井等)是提高油田储量动用程度、实现油田稳产的重要措施
之一。随着油田的进一步开发，每年钻调整井的数量越来越多。因为在老油区长期注水开
采，导致地层压力系统紊乱，安全压力窗口窄，固井过程中压稳和压漏矛盾突出，水窜、水侵
问题频繁发生，严重影响调整井的固井质量。
有学者提出调整水泥浆体系得到触变性强、静胶凝强度发展快的防窜水泥浆来提
高调整井的固井质量(沈志宏，杜辉强，伍尚继等.薄油层薄隔层活跃水层调整井固井技术
[J].石油钻采工艺,2001,23(2):25-26)，或者增大自由水和地层水侵入的流动阻力来提高
调整井的固井质量(舒秋贵等.注水区块调整井固井水侵机理研究[J].西部探矿工程,
2004,16(2):72-74)。由于地层水不断侵入水泥浆中，破坏水泥浆的胶凝结构，形成局部小
段或大段窜槽(邱燮和等.超浅调整井固井防水窜技术[J].钻井液与完井液,2013,30(4):
84-87)，这些针对水窜、水侵问题的研究，多从缩短水泥浆稠化时间、降低水泥浆滤失、减少
水泥浆凝结过程中的体积收缩、使用双凝水泥浆、环空憋压弥补水泥浆失重等方面入手，但
效果都不是很好，不能从根本上解决调整井固井水侵问题。
因此从水泥浆分子内聚力出发，研究水泥浆自身抗水侵能力，显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供固井水泥浆水侵模拟评价仪，该装置可以模拟固井中水侵
的过程、评价水泥浆体系的抗水侵能力，也可以测得模拟岩心与水泥浆接触界面的胶结强
度、窜通压力，为优化调整井的固井水泥浆配方、提高水泥浆的抗水侵能力提供参考，克服
了现有技术的缺陷和不足。
本发明的另一目的还在于提供利用上述评价仪对固井水泥浆抗水侵能力进行评
价的方法，该方法原理可靠，操作简便，具有广阔的市场前景。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
固井水泥浆水侵模拟评价仪，主要由釜体、氮气源、中间容器、水浴锅等组成。
所述釜体内部，由外向内依次有水泥浆、模拟岩心，所述模拟岩心中心有一个竖直
方向不通透的孔；所述釜体外部，釜体顶盖A通过进水口连接中间容器、氮气源，釜体顶盖B
通过注气口连接氮气源。
所述釜体顶盖A有进水口、卡槽，釜体顶盖B有注气口、卡槽；所述釜体底盖有水泥
浆注入口(2个)、出气口、卡槽；所述釜体中部有两圈泄压螺丝(每圈6个)。
将模拟岩心放入釜体内部，将釜体顶盖A和釜体底盖盖好，将装置倒置，通过釜体
底盖的水泥浆注入口向釜体内注入水泥浆；水泥浆凝结之后，将釜体顶盖A取下换上釜体顶
盖B，将釜体底盖松开几扣，将出气口旋开，通过釜体顶盖B上的注气口通气。
所述模拟岩心上、下部均垫有石墨垫环，上部的石墨垫环中心有孔，防止水从上部
和下部窜入水泥浆。
所述釜体顶盖A、釜体顶盖B和釜体底盖，与釜体本身均是丝扣连接并垫有密封圈。
本发明的模拟岩心选取与地层渗透率和孔隙度相当的即可。
利用上述评价仪对固井水泥浆进行水侵模拟评价的方法，依次包括以下步骤：
(1)将与地层渗透率和孔隙度相当的模拟岩心饱和水后，放在釜体顶盖A的卡槽
上，再放入釜体，将釜体底盖盖好，将其倒置，将按规范《油井水泥试验方法》(GB/T19139-
2003)配置好的水泥浆，通过釜体底盖的水泥浆注入口向釜体内注入水泥浆，直至水泥浆从
釜体底盖的另一注入口冒出时为止，将水泥浆注入口螺丝拧紧，然后将釜体放入水浴锅中
加热，将温度设定为井下实际温度T1；
(2)中间容器内装有水，通过氮气源给水以恒定压力P1，通过釜体顶盖A的进水口
向模拟岩心内注水，同时调节泄压螺丝使釜体内部的水泥浆有一定的流动空间，经过一段
时间，模拟岩心中的水会渗透到水泥浆与模拟岩心的胶结界面；
(3)水泥浆凝固后，关闭氮气源，将釜体顶盖A取下换上釜体顶盖B，将釜体底盖上
的出气口旋开；将釜体顶盖B的注气口通过管线连接到氮气源上，打开氮气源，逐渐加压，直
至从出气口能感觉到气流为止，记下此时压力表的读数P2，即模拟岩心与水泥浆接触面的
窜通压力，关闭氮气源；
(4)将釜体打开，通过压力试验机测出模拟岩心与水泥浆接触面的胶结力F1，从而
计算出模拟岩心与水泥浆接触面的胶结强度；
(5)模拟岩心与水泥浆接触面的胶结强度和窜通压力是评价水泥浆体系抗水侵能
力的两个指标，胶结强度越大、窜通压力越大，说明该水泥浆体系抗水侵能力越好，反之越
差。
与现有技术相比，本发明在通过实验研究水侵影响固井质量作用机理、水侵对水
泥浆及其凝结特性影响的基础上，形成一套水泥浆抗水侵能力的评价方法，可为优化调整
井固井水泥浆配方、提高水泥浆的抗水侵能力提供参考。
附图说明
图1是固井水泥浆水侵模拟评价仪的结构示意图。
图2是固井水泥浆水侵模拟评价仪釜体顶盖B的结构示意图。
图中：1-1-釜体顶盖A，1-2-釜体顶盖B，2-釜体，3-釜体底盖，4-进水口，5、7-水泥
浆注入口，6-出气口，8、9-泄压螺丝，10-模拟岩心，11-水泥浆，12、13、21、25-密封圈，14-中
间容器，15-氮气源，16、18、23-卡槽，20-注气口，19、22-石墨垫环，17-带孔的石墨垫环，24-
水浴锅。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的
具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参看图1、图2。
固井水泥浆水侵模拟评价仪，主要由釜体2、水浴锅24、中间容器14、氮气源15组
成，所述釜体2位于水浴锅24中，釜体2上部有釜体顶盖A1-1和釜体顶盖B1-2，下部有釜体底
盖3。
所述釜体2内部，由外向内依次有水泥浆11、模拟岩心10，所述模拟岩心10中心有
一个竖直方向不通透的孔；釜体2中部有两圈泄压螺丝8、9。
所述釜体顶盖A1-1有进水口4、卡槽16，釜体顶盖B1-2有注气口20、卡槽23；所述釜
体顶盖A1-1通过进水口4连接中间容器14、氮气源15，釜体顶盖B 1-2通过注气口20连接氮
气源15。
所述釜体底盖3有2个水泥浆注入口5、7，还有出气口6、卡槽18。
所述模拟岩心10上下部均垫有石墨垫环，上部是带孔的石墨垫环17，下部是石墨
垫环19、22，防止水从上部和下部窜入水泥浆11。
所述釜体顶盖A1-1、釜体顶盖B1-2、釜体底盖3与釜体2本身均是丝扣连接并垫有
密封圈13、21、25和12。
利用上述评价仪对固井水泥浆进行水侵模拟评价的方法，依次包括以下步骤：
(1)将与地层渗透率和孔隙度相当的模拟岩心10饱和水后，放在釜体顶盖A1-1的
卡槽16上，再放入釜体2，将釜体底盖3盖好，将其倒置，通过釜体底盖3上的水泥浆注入口5
向釜体内注入水泥浆11，直至从釜体底盖3的另一水泥浆注入口7冒出时为止，将水泥浆注
入口5、7螺丝拧紧，然后将釜体2放入水浴锅24中加热，将温度设定为井下温度60℃；
(2)中间容器14内装有水，通过氮气源15给水以恒定压力2MPa，通过釜体顶盖A1-1
的进水口4向模拟岩心10内注水，同时调节泄压螺丝8、9使釜体内部的水泥浆11有一定的流
动空间，经过一段时间，模拟岩心10中的水会渗透到水泥浆11与模拟岩心10的胶结界面；
(3)水泥浆凝固后，关闭氮气源15，将釜体顶盖A1-1取下换上釜体顶盖B1-2，将釜
体底盖3上的出气口6旋开；将釜体顶盖B1-2的注气口20通过管线连接到氮气源15上，打开
氮气源，慢慢加压，直至从出气口能感觉到气流为止，此时压力表的读数为4.5MPa，即模拟
岩心10与水泥浆11接触面的窜通压力，关闭氮气源15；
(4)将釜体2打开，通过压力试验机测出模拟岩心10与水泥浆11接触面的胶结力为
15.6KN，计算出模拟岩心与水泥浆接触面的胶结强度为2.42MPa；
(5)实验结束。