CN103174409B - 一种深水固井水泥环封隔性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种深水固井水泥环封隔性能测试装置：包括中空的套管(1)、水泥石环(2)、模拟地层(3)、钢筒(4)、第一储液瓶(12)、电动泵(13)、高压泵(14)、第二储液瓶(18)和高压氮气瓶(19)，该装置是一种能模拟不同地层条件下液压载荷变化、变温循环对深水固井水泥环封隔性能影响的测试装置。

Description

一种深水固井水泥环封隔性能测试装置

技术领域

本发明涉及一种深水固井水泥环封隔性能测试装置。

背景技术

油气井固井的目的就是在套管-地层环空内形成完整的水泥环，有效封隔地层，并为套管提供有效支撑和保护，确证油气资源的安全、经济、高效开采。封隔地层是固井最重要的作用，也是评价固井质量的终极目标，但在固井作业的注水泥顶替、水泥浆候凝和后期的油气井生产过程中都面临着环空压力失去平衡或封隔失效的风险。注水泥顶替过程中的当量循环密度设计、顶替流态选择、前置液设计等方面，水泥浆候凝阶段的窜流机理和防窜方法，国内外已开展了大量研究工作，并提出了注水泥顶替、防窜的相关理论和措施，提高了现场固井质量。固井水泥环在后期生产过程会受到各种应力作用，如套管内的液压载荷、井筒温度变化而诱发的热应力、松软地层塑性变性或盐膏地层蠕变等诱发的地应力。由于地层、水泥石、套管三者的弹性模量、泊松比、线性膨胀系数、传热系数等都不一样，各种应力会在地层-水泥环之间、水泥环-套管之间产生微间隙，甚至使水泥环产生裂纹，破坏地层-水泥环-套管的整体性，使水泥环的封隔性能失效。水泥环柱环空封隔失效而引起的环空窜流是困扰固井作业多年的问题。由于层间封隔失效，一种情况是高压层流体窜入低压层，出现“地下井喷”现象，造成油气资源不可挽回的流失与浪费，并且对产能或环境也构成巨大威胁；另一种情况是地下高压层流体沿着水泥环的微间隙或裂纹一直窜流至表层环空套管内引起环空套压升高现象(SCP)，或甚至窜流至地面发生地面井喷，造成巨大的生命和财产损失。一旦窜流发生，即使花费大量的人力物力，也很难修复到原来的层间封隔状态。

对于深水固井，所面临的复杂地质环境因素使表层段固井质量一直都存在严重的隐患。影响深水表层段固井质量的因素主要有三点：(1)深水海底表层段主要是松软地层，与水泥环界面胶结能力弱。海底的沉积岩层形成时间较短，又缺乏足够的上覆岩层，所以海底表层结构通常是松软的、未胶结的地层，甚至还有长段的软泥沉积物，如在挪威Gjallar深水区域，其海底100m以下是长达600m的软泥沉积物地层。(2)表层段松软地层对水泥环的支撑作用弱，易使水泥环在热应力、液压应力或压实应力(异常高压实然释放后引起地层孔隙压力降低使地层沉陷所产生的应力)等作用下产生裂缝，破坏水泥环整体性。(3)深水海底存在窜流根源-异常高压砂层、盐水层和气体水合物。深水的低温条件会延缓水泥的水化进程，增大了水泥浆处于“临界胶凝状态”(水泥浆静胶凝强度从48Pa到240Pa阶段)的时间，深水地层的浅层流体、浅层气、异常高压砂层和气体水合物等，进一步增大了水泥浆发生窜流的风险，使深水固井面临严峻的窜流风险，固井质量普遍较差。深水表层套管须为井口装置提供有效支撑和承受表层未固结或冲蚀地层的塑性变性影响，其固井质量好坏对深水油气井的使用寿命具有非常重要的意义。表层段水泥环封固质量差以及窜流流体的存在，常在固井作业完毕后就能观测到流体窜流现象，或者在一定时间后地层流体沿水泥环裂纹发生窜流，出现地下层间窜流现象或SCP现象，甚至发生套管外井喷，危害到油气开采和平台的安全性，严重时还会使钻井底盘或平台装置不稳定，造成人员伤亡或失去整个钻井装置设备或平台装置，使油气井完全报废。

油气井固井窜流和水泥环封隔失效是多年来一直困扰固井界的难题，国内外学者前后进行了大量研究工作，过去的研究主要集中在窜流机理、水泥浆防窜设计、水泥石自身力学性能(抗压强度、抗折强度、抗冲击功、弹性模量和泊松比等)和水泥环-套管间胶结性能方面。

目前，针对水泥环在井下工况下的地层-水泥环间和水泥环-套管间的胶结性能研究，国内外学者的主要集中在理论方面，在水泥环封隔性能测试装置、方法的研究上非常缺乏。现有的水泥环封隔性能装置无法模拟不同地层条件和温度的连续变化。为此，加强井下实际工况下的水泥环封隔性能测试研究具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明针对当前水泥环封隔性能测试研究的不足，依据几何尺寸相似和材料性能相似原理，发明了一套能模拟不同地层条件下液压载荷变化、变温循环对深水固井水泥环封隔性能影响的测试装置。

本发明所采用的技术方案为：

一种深水固井水泥环封隔性能测试装置：包括中空的套管(1)、水泥石环(2)、模拟地层(3)、钢筒(4)、第一储液瓶(12)、电动泵(13)、高压泵(14)、第二储液瓶(18)和高压氮气瓶(19)，其特征在于，所述套管(1)为中空部，具有内径和外径，所述套管(1)外围依次为水泥石环(2)、模拟地层(3)和钢筒(4)，所述套管(1)上部具有一上套部(5)，下部具有一下套部(6)，所述上套部(5)两侧为上堵头(7)，下套部(6)两侧为下堵头(8)，上套部(5)具有一加压/循环入口(9)，下套部(6)具有一加压/循环出口(10)，所述加压/循环入口(9)通过加压管线(15)和三通阀(11)的一端相连，三通阀(11)的另外两端和第一储液瓶(12)及电动泵(13)的一端相连，电动泵(13)的另一端和加压/循环出口(10)相连，第一储液瓶(12)的另一端和高压泵(14)相连，所述上堵头(7)具有一进液口(16)，下堵头(8)具有一出液口(17)，进液口(16)的一端和水泥石环(2)相连，另一端通过管线和第二储液瓶(18)的一端连接，第二储液瓶(18)的另一端和高压氮气瓶(19)相连，所述出液口(17)出口端具有第一阀门(20)。

所述加压/循环入口(9)和三通阀(11)之间具有第一压力表(21)。

所述三通阀(11)和第一储液瓶(12)之间具有第二压力表(22)，第一储液瓶(12)和高压泵(14)之间具有第二阀门(23)。

所述电动泵(13)和加压/循环出口(10)之间具有一恒温槽(24)和第三阀门(25)，所述恒温槽(24)的温度为-5℃～90℃。

所述进液口(16)和第二储液瓶(18)之间具有一第三压力表(26)，所述第二储液瓶(18)和高压氮气瓶(19)之间具有一第四压力表(27)和一减压阀(28)。

所述下堵头(8)具有一内六角螺母(29)，用于固定下堵头(8)。

所述下套部(6)和下堵头(8)之间具有第一硅橡胶密封圈(30)。

所述下堵头(8)和钢筒(4)之间具有第二硅橡胶密封圈(31)。

所述下堵头(8)和水泥石环(2)之间具有聚四氟乙烯垫圈(32)。

该装置参照深水表层段井眼大小、表层套管直径，按照几何尺寸相似的原理，以一定的缩小比例设计出水泥环封隔性能测试装置的尺寸，能够评价深水固井水泥浆体系的封隔性能。

该装置采用90邵氏硬度、15MPa拉伸强度、耐热、低膨胀率的合成橡胶模拟软地层，弹性模量3500MPa、拉伸强度40MPa的耐热改性聚烯烃类材料模拟中等硬度地层，采用弹性模量200×103MPa、拉伸强度520MPa的砂磨钢管模拟硬地层，能够模拟不同地层条件下的固井水泥石环在受到压力和温度变化时的封隔特性。

该装置能够实现连续的升温或降温变化，模拟井下温度变化对水泥环界面胶结性能的影响。

该装置能够通过测试套管-水泥环-地层组合体的渗透率、套管-水泥环和水泥环-地层之间的界面胶结强度，综合评价水泥环的封隔性能。

附图说明：

图1为本发明的剖视图。

1-套管，2-水泥石环，3-模拟地层，4-钢筒，5-上套部，6-下套部，7-上堵头，8-下堵头，9-加压/循环入口，10-加压/循环出口，11-三通阀，12-第一储液瓶，13-电动泵，14-高压泵，15-加压管线，16-进液口，17-出液口，18-第二储液瓶，19-高压氮气瓶，20-第一阀门，21-第一压力表，22-第二压力表，23-第二阀门，24-恒温槽，25-第三阀门，26-第三压力表，27-第四压力表，28-减压阀，29-内六角螺母，30-第一硅橡胶密封圈，31-第二硅橡胶密封圈，32聚四氟乙烯垫圈。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做了进一步的描述。

一种深水固井水泥环封隔性能测试装置：包括中空的套管(1)、水泥石环(2)、模拟地层(3)、钢筒(4)、第一储液瓶(12)、电动泵(13)、高压泵(14)、第二储液瓶(18)和高压氮气瓶(19)，其特征在于，所述套管(1)为中空部，具有内径和外径，所述套管(1)外围依次为水泥石环(2)、模拟地层(3)和钢筒(4)，所述套管(1)上部具有一上套部(5)，下部具有一下套部(6)，所述上套部(5)两侧为上堵头(7)，下套部(6)两侧为下堵头(8)，上套部(5)具有一加压/循环入口(9)，下套部(6)具有一加压/循环出口(10)，所述加压/循环入口(9)通过加压管线(15)和三通阀(11)的一端相连，三通阀(11)的另外两端和第一储液瓶(12)及电动泵(13)的一端相连，电动泵(13)的另一端和加压/循环出口(10)相连，第一储液瓶(12)的另一端和高压泵(14)相连，所述上堵头(7)具有一进液口(16)，下堵头(8)具有一出液口(17)，进液口(16)的一端和水泥石环(2)相连，另一端通过管线和第二储液瓶(18)的一端连接，第二储液瓶(18)的另一端和高压氮气瓶(19)相连，所述出液口(17)出口端具有第一阀门(20)。

所述加压/循环入口(9)和三通阀(11)之间具有第一压力表(21)。

所述三通阀(11)和第一储液瓶(12)之间具有第二压力表(22)，第一储液瓶(12)和高压泵(14)之间具有第二阀门(23)。

所述电动泵(13)和加压/循环出口(10)之间具有一恒温槽(24)和第三阀门(25)，所述恒温槽(24)的温度为-5℃～90℃。

所述进液口(16)和第二储液瓶(18)之间具有一第三压力表(26)，所述第二储液瓶(18)和高压氮气瓶(19)之间具有一第四压力表(27)和一减压阀(28)。

所述下堵头(8)具有一内六角螺母(29)，用于固定下堵头(8)。

所述下套部(6)和下堵头(8)之间具有第一硅橡胶密封圈(30)。

所述下堵头(8)和钢筒(4)之间具有第二硅橡胶密封圈(31)。

所述下堵头(8)和水泥石环(2)之间具有聚四氟乙烯垫圈(32)。其作用是防止水泥向渗漏堵塞下出液口(17)，阻止水泥石与下堵头胶结，方便下堵头的拆卸。

该装置的运行过程：

1、试验前准备工作

将所有阀门、加热、冷却、压力等开关处于关闭状态。

2、模拟地层井筒的安装

将中空的套管(1)、模拟地层(3)及钢筒(4)装在下部堵头(8)上，并用螺母(29)将模拟地层(3)及钢筒(4)与下部堵头(8)固定，在中空套管(1)与模拟地层(3)环空间放入聚四氟乙烯垫圈(32)，检查各处密封无误后进行下一步工作。

3、水泥浆的加入与养护

按API10B-3-2004标准制备水泥浆，倒入中空套管(1)与模拟地层(3)之间的环空中，直到环空全部充满水泥浆，然后将上堵头(7)用螺母(29)固定在中空套管(1)、模拟地层(3)及钢筒(4)上，将整个环空密封住，置于室温下养护120-168h，形成水泥石环(2)。

4、水泥石环受液压载荷变化模拟

打开与第一储液瓶(12)和高压泵(14)连接的三通阀(11)、第二阀门(23)，通过高压泵(14)和第一储液瓶(12)，向中空套管(1)中加入液体水，使中空套管(1)内的液压达到7-25MPa并维持30-90min，然后降压至1MPa并维持30-90min，重复加压和降压过程3-5次，模拟液压变化对水泥石环封隔性能的影响。

5、水泥石环受井筒温度变化模拟

打开恒温槽(24)加热电源开关，预先将水加热到50-65℃，然后打开与电动泵(13)连接的三通阀(11)、第三阀门(25)，通过恒温槽(24)和电动泵(13)，向中空套管(1)中循环50-65℃热水60-120min后停止。打开恒温槽(24)致冷电源开关，将循环热水冷却到5-30℃并打开电动泵(13)继续循环60-120min，重复加温和降温过程3-5次，模拟井筒温度变化对水泥石环封隔性能的影响。

6、测试套管-水泥环-地层组合体的渗透率

卸下上堵头(7)、下堵头(8)的螺母(29)，取出下堵头(8)处的聚四氟乙烯垫圈(32)，检查上下堵头管线，保持上堵头进液口(16)、下堵头出液口(17)畅通，然后再将上下堵头分别用螺母(29)固定在钢筒(4)上。打开减压阀(28)，通过高压氮气瓶(19)驱动第二储液瓶(18)中的液体水沿上堵头进液口(16)进入中空套管(1)-水泥环(2)-模拟地层(3)组合体，保持第三压力表(26)的驱动压力为0.5-1.0MPa，打开出液口(17)的第一阀门(20)，测量一定时间内下堵头出液口(17)液体体积，通过达西公式计算得到套管(1)-水泥环(2)-模拟地层(3)组合体的渗透率值。

7、测试套管-水泥环、水泥环-地层之间的界面胶结强度

卸下加压/循环入口(9)、(10)和进液口(16)、出液口(17)，继续卸下上、下堵头的螺母(29)，取出上、下堵头，将套管(1)-水泥环(2)-模拟地层(3)组合体放在压力机工作平台上，采用顶替的方法依次测定水泥环-地层、套管-水泥环之间的界面力，除以相应的界面胶结面积，即可计算出相应的水泥环-地层胶结强度、套管-水泥环胶结强度。具体操作为：

(1)测量水泥环-模拟地层的胶结强度

将中空套管(1)-水泥环(2)-模拟地层(3)组合体放在与钢筒内径、外径和高度都相等的钢套上，并置于压力机工作平台上，上部采用外径比水泥石环外径小2mm、内径比水泥石环内径大于2mm的钢套顶替水泥石环，将中空套管(1)-水泥环(2)从模拟地层外筒中顶替出来，测量水泥环与模拟地层之间的界面胶结力，除以相应的水泥环-模拟地层界面胶结面积，即可计算出相应的水泥环与模拟地层之间的胶结强度。

(2)测量水泥环-套管的胶结强度

将中空套管(1)-水泥环(2)组合体放在外径比水泥石环外径小2mm、内径比水泥石环内径大于2mm的钢套上，通过在压力机上直接加压中空套管(1)上部，将中空套管(1)从水泥环中顶替出来，测量水泥环与中空套管界面之间的胶结力，除以相应的套管-水泥环界面胶结面积，即可计算出相应的水泥环与套管之间的胶结强度。

具体的实验测试

1、液压载荷变化对常规水泥环的影响

常规密度水泥浆体系配方为：800g胜潍G级水泥+1％SWX-1消泡剂+淡水，水灰比为0.44，按API 10B-3-2004标准制备水泥浆，倒入模具中于20℃条件下养护120h，形成水泥石环(2)，表1为20℃/常压条件下养护120h的水泥石力学性能，然后按照上述方法测试井筒液压变化对水泥石环空封隔能力的影响。表2为常规密度水泥环在不同模拟地层(硬地层、中等硬度地层和软地层)环境下承受液压载荷变化作用后的渗透率、界面胶结强度等测试结果。本发明装置能够测试套管-水泥环界面胶结强度、水泥环-地层界面胶结强、水泥石柱环空的渗透率，以此可评价水泥石环的环空封隔能力，以及观察水泥石在应力作用下的裂纹破坏情况。

表1  常规密度水泥石的力学性能

表2  液压载荷变化对渗透率和胶结强度的影响

2、变温循环对常规水泥环的影响

常规密度水泥浆配方为：800g胜潍G级水泥+1％SWX-1消泡剂+淡水，水灰比为0.44。按API10B-3-2004标准制备水泥浆，倒入模具中于20℃条件下养护120h，形成水泥石环(2)，然后按照上述方法测试井筒温度变化对水泥石环空封隔能力的影响。表3为常规密度水泥环在不同模拟地层环境下承受变温循环作用后的渗透率、界面胶结强度测试结果。

表3  变温循环对渗透率和胶结强度的影响

当然，以上所述仅是本发明的一种实施方式而已，应当指出本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种深水固井水泥环封隔性能测试装置：包括中空的套管(1)、水泥石环(2)、模拟地层(3)、钢筒(4)、第一储液瓶(12)、电动泵(13)、高压泵(14)、第二储液瓶(18)和高压氮气瓶(19)，其特征在于，所述套管(1)为中空部，具有内径和外径，所述套管(1)外围依次为水泥石环(2)、模拟地层(3)和钢筒(4)，所述套管(1)上部具有一上套部(5)，下部具有一下套部(6)，所述上套部(5)两侧为上堵头(7)，下套部(6)两侧为下堵头(8)，上套部(5)具有一加压/循环入口(9)，下套部(6)具有一加压/循环出口(10)，所述加压/循环入口(9)通过加压管线(15)和三通阀(11)的一端相连，三通阀(11)的另外两端和第一储液瓶(12)及电动泵(13)的一端相连，电动泵(13)的另一端和加压/循环出口(10)相连，第一储液瓶(12)的另一端和高压泵(14)相连，所述上堵头(7)具有一进液口(16)，下堵头(8)具有一出液口(17)，进液口(16)的一端和水泥石环(2)相连，另一端通过管线和第二储液瓶(18)的一端连接，第二储液瓶(18)的另一端和高压氮气瓶(19)相连，所述出液口(17)出口端具有第一阀门(20)；

所述加压/循环入口(9)和三通阀(11)之间具有第一压力表(21)；

所述三通阀(11)和第一储液瓶(12)之间具有第二压力表(22)，第一储液瓶(12)和高压泵(14)之间具有第二阀门(23)；

所述电动泵(13)和加压/循环出口(10)之间具有一恒温槽(24)和第三阀门(25)，所述恒温槽(24)的温度为-5℃～90℃。

2.如权利要求1所述的一种深水固井水泥环封隔性能测试装置，其特征在于，所述进液口(16)和第二储液瓶(18)之间具有一第三压力表(26)，所述第二储液瓶(18)和高压氮气瓶(19)之间具有一第四压力表(27)和一减压阀(28)。

3.如权利要求1所述的一种深水固井水泥环封隔性能测试装置，其特征在于，所述下堵头(8)具有一内六角螺母(29)，用于固定下堵头(8)。

4.如权利要求1所述的一种深水固井水泥环封隔性能测试装置，其特征在于，所述下套部(6)和下堵头(8)之间具有第一硅橡胶密封圈(30)，所述下堵头(8)和钢筒(4)之间具有第二硅橡胶密封圈(31)。

5.如权利要求1所述的一种深水固井水泥环封隔性能测试装置，其特征在于，所述下堵头(8)和水泥石环(2)之间具有聚四氟乙烯垫圈(32)。