CN103604738B - Co2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法 - Google Patents

Co2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的是CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法,这种CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法,一、将封隔器胶件加工成哑铃形和圆柱形;二、将封隔器胶件放入反应釜中,设定反应釜的温度为模拟地层温度;三、向反应釜内注入CO2气体,直至规定的压力;四、保持压力和温度不变,静置72小时;五、将全部泄压时间等分成60个时间段,算出不同泄压时间后反应釜内的气体摩尔数以及每个泄压时间段内反应釜应排出的气体体积;六、根据步骤五得到的每个泄压时间段内反应釜应排出的气体体积,在60个时间段的初始时刻设定ISCO泵的退泵流量;七、将封隔器胶件取出,观察表面形貌,进行拉伸、压缩测试。本发明能得出泄压速度对封隔器胶件性能的影响程度,为现场封隔器失效原因分析提供强有力的证据。

Description

CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法
一、技术领域:
本发明涉及的是CO2驱油与地质埋存技术,具体涉及的是CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法。
二、背景技术:
CO2驱油技术是近年来提高低渗及超低渗油藏采收率的有效手段,CO2驱油在提高油田采收率的同时还可以实现地质埋存,具有广阔的应用前景。为了保证CO2驱油技术的安全有效,防止CO2泄露对驱油效果以及地面环境的危害,需要CO2注入井具有良好的密封性,气体不能沿井筒窜入到上部地层以及地面,因此需要将注入层段油管与套管之间的环形空间进行有效封隔。目前CO2注气井通常采用封隔器进行封隔的方法,注气井封隔器在井下长期的高温、高压以及酸性条件下,自身会发生老化现象,降低其弹性密封能力。同时注气井在生产过程中不可避免的会进行泄压,而在泄压过程中,由于泄压速度过快,造成封隔器胶件内外压差过大,使封隔器胶件胀破而失效,造成井内油气窜层,或者一部分气体直接从环空中返到地面。
因此为了保证封隔器胶件密封质量,防止井眼内CO2气体泄露,必须对泄压过程中泄压速度对封隔器胶件性能的影响进行测试,从而得出合理的CO2注气井泄压速度,防止封隔器早期损坏降低密封性能。通过检索国内外文献目前关于CO2对封隔器胶件性能的影响主要认为是由于高温高压老化以及酸性气体腐蚀引起的,因此提出的测试方法主要是针对CO2腐蚀对封隔器胶件性能的影响,并没有考虑CO2泄压速度对封隔器胶件性能的影响。
(1)CO2腐蚀对封隔器胶件性能影响测试方法
现有CO2对封隔器胶件性能影响测试主要关注CO2对封隔器胶件的腐蚀,即测试CO2腐蚀对封隔器胶件性能的影响。实验通常采用高温高压反应釜,首先设定反应釜内的实验温度,将样品称重并挂在高温高压釜内,根据现场实际情况向高温高压釜内加入一定比例的水、石油,然后向反应釜内注入一定压力的CO2,待反应釜温度稳定以后记录反应釜内的压力,此压力即为实验最终压力。保持反应釜内压力和温度不变的条件下静置一段时间以后(通常为3-7天),将反应釜内的CO2气体放掉即进行泄压,取出封隔器橡胶试样干燥称重以后再进行相应的拉伸压缩实验,分析不同的腐蚀条件(包括压力、温度、腐蚀时间、油气水比例等)对封隔器胶件性能的影响。
(2)CO2腐蚀对封隔器胶件性能影响测试方法的不合理之处
通过现有测试方法取出腐蚀以后的封隔器胶件,在实验压力较低时(10MPa以下),封隔器表面通常会出现明显的气泡;而在压力较高时,封隔器胶件表面出现明显的龟裂,甚至形成很大的断裂面。由于室内实验时间较短(现场封隔器使用时间一般为几年甚至十几年),封隔器胶件表面的龟裂及断裂肯定不是由于CO2腐蚀引起的,而是在实验过程中部分高压CO2气体进入封隔器胶件中,泄压的短时间内气泡由于内外压差较大导致胶件破裂,因此现有测试方法所得到的CO2腐蚀对封隔器胶件性能的影响并不完全是由于腐蚀所引起的,更主要是由于实验过程中突然泄压导致的封隔器胶件胀破,现有实验方法既不能得出CO2腐蚀对封隔器胶件性能的影响,也不能得出CO2泄压速度对封隔器胶件性能的影响。
(3)CO2泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法难点
在标准状况下,CO2为无色无味的气体,其水溶性呈弱酸性,CO2气体不能燃烧但易被液化。CO2的临界温度为31.1℃,临界压力为7.38MPa,当温度和压力大于临界点温度和压力时,二氧化碳达到超临界状态,超临界状态的二氧化碳具有许多不同于气体也不同于液体的独特性质,其密度接近于液体,且随着温度的升高而减小,随着压力的升高而非线性的增加,其气体状态方程不在符合理想气体状态方程,如图1所示。
由二氧化碳相态图(图1)可以看出,在模拟现场的井下压力、温度条件下(压力30MPa,温度95℃),CO2处于超临界状态,因此理想气体状态方程不能适用,必须使用真实气体状态方程。要想分析CO2泄压对封隔器胶件性能的影响,此时存在两个问题:
1)现有仪器仪表均没有自动控制泄压速度的功能,不能实现在泄压过程中全程自动保持恒定的泄压速度;
2)理想气体可以通过保持固定流量的方法实现恒定的泄压速度,但超临界CO2的密度随着压力、温度的变化也在发生改变,不在符合理想气体状态方程,因此也不能通过控制固定流量的方法来保证超临界CO2恒定的泄压速度。
因此,必须针对现有仪器仪表的功能和超临界CO2的特点,提出CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法,保证在实验过程中泄压速度恒定,从而分析CO2注气井泄压速度对封隔器胶件性能的影响程度,得出CO2注气井防止封隔器胀破密封失效的合理泄压速度,并进行封隔器橡胶的优选。
三、发明内容:
本发明的一个目的是提供CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法,它用于解决防止CO2注气井泄压封隔器胶件胀破密封失效的CO2合理泄压速度确定以及橡胶优选问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:这种CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法,
步骤一、将实验封隔器胶件加工成哑铃形和圆柱形,哑铃形用于胶件拉伸性能测试,圆柱形用于胶件压缩性能测试;
步骤二、将加工好的封隔器胶件放入高温高压反应釜中,并根据现场油气水比例以及反应釜的容积填上相应的石油、天然气和地层水,设定反应釜的温度为模拟地层温度;
步骤三、向反应釜内注入CO2气体,直至规定的压力,待反应釜内温度稳定后,若由于注入气体温度的升高导致压力升高,则缓慢放出反应釜内的气体直至压力达到规定的数值;
步骤四、保持反应釜内的压力和温度不变,静置72小时;
步骤五、将全部泄压时间等分成60个时间段,根据P-R方程算出不同泄压时间后反应釜内的气体摩尔数以及每个泄压时间段内反应釜应排出的气体体积;
P-R方程表达式为:
其中:
式中:P为流体压力,MPa;R为通用气体常数,8.314;T为绝对温度,K;V为气体摩尔体积,cm3/mol;Tc为临界温度,K;Pc为临界压力,MPa;Tt为对比温度,为偏心因子;
对于二氧化碳,=0.225,Pc=7.377MPa,Tc=304.13K,则:
进行整理可得:
其中:
步骤六、根据步骤五得到的每个泄压时间段内反应釜应排出的气体体积,在60个时间段的初始时刻设定ISCO泵的退泵流量,从而保证较为恒定的泄压速度;
步骤七、泄压实验完成后将封隔器胶件从反应釜中取出,干燥后观察胶件表面形貌,并应用橡胶拉伸压缩试验机进行相应的拉伸、压缩测试。
上述方案中步骤六中ISCO泵的退泵流量的计算方法为:反应釜内的气体容积为V,在T 1时刻反应釜内压力为P 1,此时的气体摩尔数为,其中,由于实验过程中温度保持不变即,根据P-R方程算出此时的;在T 2时刻反应釜内压力为P 2,此时的气体摩尔数为,其中,根据P-R方程算出此时的;则在T 1-T 2时间段内应排出的气体体积,该时间段内ISCO泵的退泵流量,通过在T 1时刻设定ISCO泵的退泵流量为,即可实现泄压速度的稳定。
上述方案中哑铃形封隔器胶件的厚度2.5mm,宽度4mm,标距25mm;圆柱形封隔器胶件的直径10mm,高度10mm。
有益效果:
1、本发明提出的CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法能够得出泄压速度对封隔器胶件性能的影响程度,为现场封隔器失效原因分析提供强有力的证据,打破封隔器胶件密封失效是由于橡胶老化以及CO2腐蚀引起的传统认识。
2、本发明提出的CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法能够通过室内实验直观的得出不同泄压速度条件下封隔器胶件的性能变化,弥补了现场无法检测评价井下封隔器密封性能的不足,从而为现场CO2注气井合理泄压速度的制订提供依据,防止泄压过程中封隔器胶件胀破而导致密封失效。
3、本发明创造性的提出了通过运用P-R方程计算单位时间内排出气体流量实现CO2超临界流体恒定泄压速度的关键技术难题,弥补了目前仪器仪表不具有实现CO2超临界流体恒定泄压速度功能的不足,通过实验过程观测,泄压速度变化幅度保持在6%以内,满足工程精度要求。
4、本发明提出的CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法能够在室内对不同橡胶类型的封隔器胶件进行测试,从而优选出耐泄压性能良好的封隔器橡胶。
5、本发明提出的室内模拟CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法与现场实验相比,具有成本低廉、条件稳定简单的特点,在降低成本的基础上避免了井下复杂条件对实验结果的影响。
四、附图说明:
图1是二氧化碳相态图。
五、具体实施方式:
下面结合附图对本发明做进一步的说明:
这种CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法通过在不同时间段内设计ISCO泵的退泵流量来实现恒定的CO2泄压速度,测试泄压速度对封隔器胶件性能的影响,具体如下:
步骤一、将实验封隔器胶件加工成哑铃形和圆柱形,哑铃形封隔器胶件的厚度2.5mm,宽度4mm,标距25mm;圆柱形封隔器胶件的直径10mm,高度10mm;哑铃形用于胶件拉伸性能测试,圆柱形用于胶件压缩性能测试;
步骤二、将加工好的封隔器胶件放入高温高压反应釜中,并根据现场油气水比例根据反应釜的容积填上相应的(采用现有技术中CO2腐蚀对封隔器胶件性能影响测试方法中石油和地层水的填加量)石油、天然气和地层水,设定反应釜的温度为模拟地层温度(采用现有技术中CO2腐蚀对封隔器胶件性能影响测试方法中反应釜的温度);
步骤三、向反应釜内注入CO2气体,直至规定的压力(采用现有技术中CO2腐蚀对封隔器胶件性能影响测试方法中反应釜的压力),待反应釜内温度稳定后,若由于注入气体温度的升高导致压力升高,则缓慢放出反应釜内的气体直至压力达到规定的(采用现有技术中CO2腐蚀对封隔器胶件性能影响测试方法中反应釜的压力)数值;
步骤四、保持反应釜内的压力和温度不变,静置72小时;
步骤五、将全部泄压时间等分成60个时间段,根据P-R方程算出不同压力条件下反应釜内的气体摩尔数以及每个泄压时间段内反应釜应排出的气体体积;CO2在模拟现场的井下压力、温度条件下(压力30MPa,温度95℃),处于超临界状态,因此理想气体状态方程不能适用,现有仪器仪表通过保持固定流量的方法实现理想气体恒定的泄压速度,但超临界CO2的密度随着压力、温度的变化也在发生改变,因此不能通过控制固定流量的方法来保证超临界CO2恒定的泄压速度,需要根据现有仪器仪表的功能,针对超临界CO2的特征进行恒定泄压速度的设计。
P-R方程表达式为:
其中:
式中:P为流体压力,MPa;R为通用气体常数,8.314;T为绝对温度,K;Vm为气体摩尔体积,cm3/mol;Tc为临界温度,K;Pc为临界压力,MPa;Tt为对比温度,为偏心因子。
对于二氧化碳,=0.225,Pc=7.377MPa,Tc=304.13K,则:
进行整理可得:
其中:
上述方案中
步骤六、根据每个泄压时间段内反应釜应排出的气体体积,在60个时间段的初始时刻设定ISCO泵的退泵流量,从而保证较为恒定的泄压速度;即在单位时间段内保持固定的流量泄压,在不同的时间段内根据计算结果改变泄压流量,从而保证在实验过程中泄压速度的恒定,通过实验观测,泄压速度变化幅度保持在6%以内,满足工程精度要求。
其中ISCO泵的退泵流量计算方法为:假如反应釜内的气体容积为V,在T 1时刻反应釜内压力为P 1,此时的气体摩尔数为,其中,由于实验过程中温度保持不变即,根据P-R方程算出此时的;在T 2时刻反应釜内压力为P 2,此时的气体摩尔数为,其中,根据P-R方程算出此时的;则在T 1-T 2时间段内应排出的气体体积,该时间段内ISCO泵的退泵流量,通过在T 1时刻设定ISCO泵的退泵流量为,即可实现泄压速度的稳定。
步骤七、泄压实验完成后将封隔器胶件从反应釜中取出,干燥后观察胶件表面形貌,并应用橡胶拉伸压缩试验机进行相应的拉伸、压缩测试。
针对超临界CO2气体不符合理想气体状态方程的特征以及现有仪器仪表不具有恒定泄压速度功能的问题,本方法提出了采用P-R方程设计ISCO泵不同时间段内退泵流量的方法来实现泄压速度的稳定,通过室内实验的方法得出CO2注气井泄压速度对封隔器胶件性能的影响规律,从而为现场CO2注气井合理泄压速度的制订和橡胶的优选提供依据,防止泄压过程中封隔器胶件胀破而导致密封失效。

Claims (3)

1.一种CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法,其特征在于:这种CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法,
步骤一、将实验封隔器胶件加工成哑铃形和圆柱形,哑铃形用于胶件拉伸性能测试,圆柱形用于胶件压缩性能测试;
步骤二、将加工好的封隔器胶件放入高温高压反应釜中,并根据现场油气水比例以及反应釜的容积填上相应的石油、天然气和地层水,设定反应釜的温度为模拟地层温度;
步骤三、向反应釜内注入CO2气体,直至规定的压力,待反应釜内温度稳定后,若由于注入气体温度的升高导致压力升高,则缓慢放出反应釜内的气体直至压力达到规定的数值;
步骤四、保持反应釜内的压力和温度不变,静置72小时;
步骤五、将全部泄压时间等分成60个时间段,根据P-R方程算出不同泄压时间后反应釜内的气体摩尔数以及每个泄压时间段内反应釜应排出的气体体积;
P-R方程表达式为:
其中:
式中:P为流体压力,MPa;R为通用气体常数,8.314;T为绝对温度,K;V为气体摩尔体积,cm3/mol;Tc为临界温度,K;Pc为临界压力,MPa;Tt为对比温度,为偏心因子;
对于二氧化碳,=0.225,Pc=7.377MPa,Tc=304.13K,则:
进行整理可得:
其中:
步骤六、根据步骤五得到的每个泄压时间段内反应釜应排出的气体体积,在60个时间段的初始时刻设定ISCO泵的退泵流量,从而保证较为恒定的泄压速度;
步骤七、泄压实验完成后将封隔器胶件从反应釜中取出,干燥后观察胶件表面形貌,并应用橡胶拉伸压缩试验机进行相应的拉伸、压缩性能测试。
2.根据权利要求1所述的CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法,其特征在于:所述的步骤六中ISCO泵的退泵流量的计算方法为,反应釜内的气体容积为V,在T 1时刻反应釜内压力为P 1,此时的气体摩尔数为,其中,由于实验过程中温度保持不变即,根据P-R方程算出此时的;在T 2时刻反应釜内压力为P 2,此时的气体摩尔数为,其中,根据P-R方程算出此时的;则在T 1-T 2时间段内应排出的气体体积,该时间段内ISCO泵的退泵流量,通过在T 1时刻设定ISCO泵的退泵流量为,即可实现泄压速度的稳定。
3.根据权利要求1或2所述的CO2注气井泄压对封隔器胶件性能的影响测试方法,其特征在于:所述的哑铃形封隔器胶件的厚度2.5mm,宽度4mm,标距25mm;圆柱形封隔器胶件的直径10mm,高度10mm。
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