CN101122552B - 油层套管射孔抗挤毁模拟试验方法和模拟试验机 - Google Patents

Abstract

油层套管射孔抗挤毁模拟试验方法和模拟试验机，应用于石油井下油层套管射孔后抗挤毁性能的地面试验。模拟试验机特征是：压力缸为圆筒状，在压力缸壁上固定有液压传感器和高压导管，压力缸的两端分别固定有封堵法兰。封堵法兰的中心孔内固定有堵头。试验方法经过：试验用油层套管准备；金属封堵模拟孔；试验用油层套管两端封堵；安装；打压试验，完成试验全过程。效果是：采用本发明能在地面完成油层套管模拟射孔后抗挤毁试验。可以获得油层套管射孔后的抗挤毁能力，优化油气田作业参数，保证管柱结构的安全和油井的生产安全。适于室内安装，计算机控制，便于获取油层套管射孔后的抗挤毁能力。

Description

油层套管射孔抗挤毁模拟试验方法和模拟试验机

技术领域

本发明涉及石油钻井完井技术领域，特别涉及一种石油井下油层套管射孔后性能的地面试验方法，具体讲是一种油层套管射孔后抗挤毁模拟试验方法，属于一种油层套管破坏性试验。

背景技术

目前，油气井在固井完井中使用油层套管，并通过油层套管射孔使地层油藏的油气能透过油层套管，流入套管内。然而，在对油层套管实施爆炸射孔的同时，油层套管抗外挤(挤毁)能力下降，而在酸化压裂以及试油作业中因对套管射孔后的抗挤毁能力考虑不足，经常在油层射孔段发生套管缩径变形，即挤毁失效。为了准确了解并掌握油层套管射孔后其抗挤毁能力值以及下降规律，降低油田现场射孔段套管挤毁失效事故，必须建立一种获取油层套管射孔后抗挤毁能力值的有效手段或方法。

现有的油层套管射孔性能的方法是根据中国石油几十年的生产实践及研究成果，创造出的在模拟井中用无枪身射孔方式来试验油层套管射孔性能的方法并依此拟定了行业标准SY/T 6491-2000《油层套管模拟井射孔试验与评价》，用于评价油层油层套管的射孔性能。

在模拟井条件下进行油层套管射孔试验，就是模拟油层套管在井下的环境中，使用标准射孔弹对试验油层套管进行射孔，根据试验油层套管射孔后的变形和破损程度综合评价油层套管的射孔质量。也称作“模拟井射孔试验”。除了上述SY/T 6491-2000标准所述的评价油层套管射孔性能的模拟井试验方法外，现在无任何有关评价全尺寸油层套管射孔性能的试验技术手段。从油田现场作业情况来看，油层套管射孔后经常易发生挤毁现象，即使该油层套管出厂时的射孔性能符合SY/T 6491-2000标准，同样也有可能发生油层套管射孔后被挤毁现象。

采用油层套管模拟井射孔试验，首先需要一口射孔模拟实验井。射孔模拟井的建井费用很高，目前仅中国石油天然气集团公司油气田射孔器材质量监督检验中心拥有一口射孔模拟实验井。而且，油层套管射孔试验费用较高，试验周期较长。更重要的是，在模拟井试验无法测取该油层套管射孔后的抗挤毁能力值以及下降规律。

到目前为止还没有发现针对整根油层套管射孔后的抗挤毁能力，在地面进行模拟试验的报道。

在对套管丝扣密封性能试验中，有采用整根套管进行试验的纪录。如专利公告号CN2107655U公开了一种套管密封试验装置。该试验装置采用两个千斤顶提供拉力，进行整根套管的拉伸；采用高压水泵提供套管内压，并利用传感器接收显示套管内部压力，完成整根套管在承受拉力情况下的密封试验。专利公告号CN2237847Y公开了一种套管和油管密封试验装置。该试验装置提供一种能模拟油气井的工况，对整根套管和油管，在拉伸和弯曲或压缩和弯曲同时施力的条件下，对连接螺纹进行内压密封试验的装置。最大拉伸力5000KN；最大压缩力3000KN；最大弯曲力300KN；最大内压100MPa；试验套管长度在9.7-11米之间。

发明内容

本发明的目的是提供一种油层套管射孔抗挤毁模拟试验方法和模拟试验机，能完成油层套管地面模拟射孔后抗挤毁试验。模拟试验在地面进行，克服采用模拟井进行油层套管射孔后抗挤毁试验成本高、周期长的不足，克服采用模拟井进行油层套管射孔后抗挤毁试验，油层套管射孔后抗挤毁能力值和变形规律无法获取的难题。

本发明采用的技术方案是：

A、油层套管射孔抗挤毁模拟试验机，主要包括压力缸、液压传感器和压力泵。压力缸为圆筒状，长度为3000-4500mm，内径为300-400mm，壁厚为150-200mm。在压力缸壁上有介质注入孔，在介质注入孔上固定有液压传感器和高压导管，高压导管连接压力泵，液压传感器通过导线与控制箱和计算机连接。压力泵通过高压导管和介质注入孔为压力缸内部提供试验用高压介质；并通过液压传感器采集试验液压压力值，传输给计算机，并由计算机通过控制箱经由液压传感器控制压力泵的打压速率。压力缸应能承受最大内压210MPa。

在压力缸的两端分别固定有封堵法兰。固定方式可以采用螺栓固定。封堵法兰与压力缸之间有密封胶垫。

在封堵法兰的中心孔内固定有堵头。封堵法兰与堵头之间有密封圈。

堵头为一阶梯柱状体，其中大端外径与试验用油层套管外径相同，是为了方便与油层套管端部进行配合焊接封堵；堵头小端外径与封堵法兰的中心孔孔径相同，堵头小端外径与封堵法兰之间有密封圈，形成滑动配合密封。

试验完成瞬间压力曲线迅速降至零点，此时关闭压力泵，压力缸内压力为零。压力缸不需要卸压，正如万能试验机上在材料试样拉断瞬间拉力回落至零点一样，试样已经失稳破坏。即使是在试验完成之前停止，只需关闭压力泵，压力缸内的压力便会自动回压至零点。

B、油层套管射孔抗挤毁模拟试验过程：

1、试验用油层套管准备：

试验用油层套管是在准备进行射孔完井作业的油层套管中，随机抽取的样品，并截取中间部分长度为2700-4200mm；用机械钻和铣刀具在试验用油层套管壁上钻、铣出模拟孔。模拟孔的形状为圆锥孔形。经过理论计算设计出模拟孔的轴向剖面孔径为8-12mm；模拟孔的锥度在3-8度之间；模拟孔之间的轴向距离(孔密)为每米15-20孔；相邻的两个圆锥孔的相位角在75-100度之间。

所述的在试验油层套管上钻、铣出圆锥形模拟孔是依据油田射孔作业参数并经过理论计算设计，确定试验用油层套管射孔孔径、孔密、相位角，最佳圆锥形模拟孔孔径为10mm、模拟孔的锥度为5度；模拟孔之间的轴向距离(密度)为每米19孔；相邻的两个圆锥孔的相位角为90度。

2、试验用油层套管两端封堵：

试验用油层套管两端固定堵头，进行两端封堵。两端封堵的办法采取焊接达到密封。

3、金属封堵模拟孔：

将试验用油层套管上的所有圆锥形模拟孔进行金属封堵。所谓金属封堵即将圆锥体金属固定在圆锥形模拟孔上，形成金属密封；将试验用油层套管外表面锥形模拟孔附近区域清洗干净。

可以在圆锥体金属周围涂抹高压密封胶，涂抹厚度为1-3mm。涂抹高压密封胶的目的主要是为了避免高压水从圆锥形模拟孔泄漏到试验用油层套管内部形成漏压，而造成试验失败。

高压密封胶属于一种水下使用的辅助金属密封的密封胶，市场有销售。

所述的圆锥体金属剖面直径为10mm，其锥度与模拟孔的锥度应匹配相同。圆锥体金属的材质是碳钢，以近似模拟井下砂石堵塞孔眼。

4、安装：

将试验用油层套管放入模拟试验机上的压力缸中。两端堵头通过封堵法兰固定在压力缸的两端，在压力缸和和封堵法兰之间有橡胶垫进行密封。在堵头与封堵法兰之间采用密封圈密封。压力缸与试验用油层套管之间形成一个密封腔。试验用油层套管完全处于密封腔内。

5、打压试验：

利用压力泵往压力缸与试验用油层套管之间的密封腔内泵入液体，比如水。连续打压(水压)进行试验用油层套管挤毁试验。最高压力210MPa。试验压力数据通过液压传感器和计算机采集。当压力缸内发生巨响或/和试验压力迅速下降时，试验用油层套管发生挤毁失效，此时的最高压力值即为试验用油层套管射孔后的抗挤毁能力值。

如果试验压力达到最高压力210MPa，压力缸内没有发生巨响或/和试验压力迅速下降，停止打压，试验用油层套管抗挤毁能力值大于210MPa。

依据目前管材所掌握的API和非API套管的抗挤毁性能，用作油层套管的高钢级高抗挤套管的最大抗挤毁性能不超过210MPa，油层套管射孔后的抗挤毁性能更不会超过210MPa，即是说压力缸的抗内压能力完全满足目前的挤毁试验要求。因此，上面所描述的打压至210MPa而油层套管不挤毁失效的现象，其发生几率几乎为零。

试验打压速度通过控制箱及计算机控制，打压速率应小于35MPa/min，最佳打压速率10MPa/min。

本发明的有益效果：采用本发明油层套管射孔抗挤毁模拟试验方法和装置，能在地面完成整根油层套管模拟射孔后抗挤毁试验。完成油层套管的外径在63-340mm的各种规格油、套管的外压挤毁试验；并能实现最大压力范围内设定压力下的长时间保持压力试验。能获得油层套管射孔后的抗挤毁能力，为油田工作人员提供了设计依据，优化油气田作业参数，为试油试采作业提供压力控制参数，保证管柱结构的安全和油井的生产安全，对提高整个石油生产效率具有现实意义。克服了采用模拟井进行油层套管射孔试验成本高、周期长和油层套管射孔后其抗挤毁能力无法获取的不足。

附图说明

图1是油层套管射孔抗挤毁模拟试验机结构剖面示意图。

图2是油层套管的圆锥形孔眼和金属圆锥体固定在圆锥形孔眼上的示意图。

图中，1.封堵法兰，2.压力缸，3.液压传感器，4.高压导管，5.压力泵，6.堵头，7.介质，8.试验用油层套管，9.模拟孔，10.圆锥体金属，11.高压密封胶。

具体实施方式

实施例1：参阅图2。油层套管射孔抗挤毁模拟试验机，压力缸2为圆筒状，长度为3900mm，内径为320mm，壁厚为160mm。在压力缸2壁上有压力介质注入孔，在压力介质注入孔上固定有液压传感器3。液压传感器3的型号是MOHR267042。高压导管4内径3mm，高压导管4连接压力泵5，压力泵5的型号是MOHR30000。液压传感器3通过导线与控制箱和计算机连接。压力缸2应能承受最大内压210MPa。

在压力缸2的两端分别固定有封堵法兰1。固定方式可以采用螺栓固定。封堵法兰1与压力缸2之间有密封胶垫。

在封堵法兰1的中心孔内固定有堵头6。封堵法兰1与堵头6之间有密封圈。

堵头6为一阶梯柱状体，其中大端外径为试验用油层套管外径，是为了方便与油层套管端部进行配合焊接封堵；堵头6小端外径基本为封堵法兰1的中心孔孔径，并与封堵法兰1的中心孔及密封圈形成滑动配合密封。

油层套管射孔抗挤毁模拟试验过程：

1、试验用油层套管准备：

参阅图2。试验用油层套管8从准备进行射孔完井作业的油层套管中随机抽取的样品一个，截取中间部分长度为3000mm；试验用油层套管8规格为Ф139.7×12.09mm V140；用机械钻和铣刀具在试验用油层套管8壁上钻、铣出模拟孔9。模拟孔9的形状为圆锥孔形。模拟孔9的轴向剖面孔径为10mm、模拟孔9的锥度为5度；模拟孔9之间的轴向距离(密度)为每米19孔；相邻的两个圆锥孔的相位角为90度。

2、试验用油层套管两端封堵：

试验用油层套管8两端固定堵头6，进行两端封堵。两端封堵的办法采取焊接达到密封。

3、金属封堵：

参阅图2。将试验用油层套管8上的所有圆锥形模拟孔9进行金属封堵。将碳钢制作的圆锥体金属10固定在圆锥形模拟孔9上，形成金属密封；将试验用油层套管8外表面锥形模拟孔9附近区域清洗干净、吹干；在圆锥体金属10周围涂抹高压密封胶11，涂抹厚度为2mm。

圆锥体金属10材质碳钢，剖面直径为10mm，其锥度与模拟孔9的锥度应匹配相同，即圆锥体金属10的锥度为5度。

4、安装：

参阅图1。将试验用油层套管8放入模拟试验机上的压力缸2中。两端堵头6通过封堵法兰1固定在压力缸2的两端，在压力缸2和和封堵法兰之间有橡胶垫进行密封。在堵头6与封堵法兰1之间采用密封圈密封。压力缸2与试验用油层套管8之间形成一个密封腔。试验用油层套管8完全处于密封腔内。

5、打压试验：

利用压力泵往压力缸2与试验用油层套管8之间的密封腔内泵入液体水。连续打压(水压)进行试验用油层套管8挤毁试验。试验压力数据通过液压传感器3和计算机采集。试验打压速率通过控制箱及计算机控制，最佳打压速率为每分钟提高10MPa。当压力缸2内发生巨响并试验压力迅速下降时，试验用油层套管8发生挤毁失效。此时的压力值为138MPa。纪录下的138MPa是油层套管8射孔后的抗挤毁能力值，经计算得到试验用油层套管8的抗挤强度下降系数。

经过多次试验，实验数据分析列表如下：

Claims (4)

1.一种油层套管射孔抗挤毁模拟试验机，主要包括压力缸(2)、液压传感器(3)和压力泵(5)，其特征是：压力缸(2)为圆筒状，长度为3000-4500mm，内径为300-400mm，壁厚为150-200mm，在压力缸(2)壁上有介质注入孔，在介质注入孔上固定有液压传感器(3)和高压导管(4)，高压导管(4)连接压力泵(5)，液压传感器(3)通过导线与控制箱和计算机连接，压力缸(2)应能承受最大内压210MPa；

在压力缸(2)的两端分别固定有封堵法兰(1)，固定方式采用螺栓固定，封堵法兰(1)与压力缸(2)之间有密封胶垫；

在封堵法兰(1)的中心孔内固定有堵头(6)，封堵法兰(1)与堵头(6)之间有密封圈；

堵头(6)为一阶梯柱状体，其中大端外径与试验用油层套管(8)外径相同；堵头(6)小端外径与封堵法兰(1)的中心孔孔径相同，堵头(6)小端外径与封堵法兰(1)之间有密封圈，形成滑动配合密封。

2.根据权利要求1所述的油层套管射孔抗挤毁模拟试验机，进行油层套管射孔抗挤毁模拟试验方法，其特征是：

A、试验用油层套管准备：

试验用油层套管(8)是在准备进行射孔完井作业的油层套管中，随机抽取的样品，并截取中间部分长度为2700-4200mm；用机械钻和铣刀具在试验用油层套管(8)壁上钻、铣出模拟孔(9)，模拟孔(9)的形状为圆锥孔形，模拟孔(9)的轴向剖面孔径为8-12mm；模拟孔(9)的锥度在3-8度之间；模拟孔(9)之间的轴向距离为每米15-20孔；相邻的两个圆锥孔的相位角在75-100度之间；

B、试验用油层套管两端封堵：

试验用油层套管(8)两端固定堵头(6)，进行两端封堵，两端封堵的办法采取焊接达到密封；

C、金属封堵模拟孔(9)：

将试验用油层套管(8)上的所有圆锥形模拟孔(9)进行金属封堵，所谓金属封堵即将圆锥体金属(10)固定在圆锥形模拟孔(9)上，形成金属密封；将试验用油层套管(8)外表面锥形模拟孔(9)附近区域清洗干净；

D、安装：

将试验用油层套管(8)放入模拟试验机上的压力缸(2)中，两端堵头(6)通过封堵法兰(1)固定在压力缸(2)的两端，在压力缸(2)和和封堵法兰之间有橡胶垫进行密封，在堵头(6)与封堵法兰(1)之间采用密封圈密封，压力缸(2)与试验用油层套管(8)之间形成一个密封腔，试验用油层套管(8)完全处于密封腔内；

E、打压试验：

利用压力泵往压力缸(2)与试验用油层套管(8)之间的密封腔内泵入液体，连续打压进行试验用油层套管(8)挤毁试验，最高压力210MPa，试验压力数据通过液压传感器(3)和计算机采集，当压力缸(2)内发生巨响或/和试验压力迅速下降时，试验用油层套管(8)发生挤毁失效，此时的最高压力值即为试验用油层套管(8)射孔后的抗挤毁能力值，如果试验压力达到最高压力210MPa，压力缸(2)内没有发生巨响或/和试验压力迅速下降，停止打压，试验用油层套管(8)抗挤毁能力值大于210MPa；

试验打压速度通过控制箱及计算机控制，打压速率小于35MPa/min。

3.根据权利要求2所述的油层套管射孔抗挤毁模拟试验方法，其特征是：所述的在试验油层套管(8)上钻、铣出圆锥形模拟孔(9)孔径为10mm、模拟孔(9)的锥度为5度；模拟孔(9)之间的轴向距离为每米19孔；相邻的两个圆锥孔的相位角为90度。

4.根据权利要求2或3所述的油层套管射孔抗挤毁模拟试验方法，其特征是：在打压之前，在圆锥体金属(10)周围涂抹高压密封胶(11)，涂抹厚度为1-3mm。

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