CN105259337B - 一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜，包括釜筒、釜盖、支架、数据处理系统、气/液增压注入系统和水泥浆注入系统，釜筒的内腔通过由内往外依次设有第一腔壁和筛管分隔为同轴的声波检测腔、水泥浆腔和模拟地层腔，筛管内插入第二腔壁，水泥浆腔底部设有第一排液口，模拟地层腔底部设有进气口和第二排液口；釜盖包括圆形的第一釜盖、环形的第二釜盖和第三釜盖，分别与声波检测腔、水泥浆腔、模拟地层腔的顶部相配置；气/液增压注入系统与模拟地层腔的底部进口相连；水泥浆注入系统与水泥浆腔的顶部进口相连；数据处理系统包括数据检测装置、数据接收处理装置、计算机图像处理器。本发明结构简单、操作可靠、成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于非常规油气藏开发的技术领域，尤其涉及一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜。
背景技术
天然气水合物作为一种资源潜力巨大的清洁新能源，广泛分布于陆地永久冻土带和大陆边缘海底地层的多孔介质中，受到了世界上越来越多国家的青睐。但是，由于天然气水合物仅在高压低温条件下稳定存在，在含水合物地层钻井过程中，任何温度或压力改变，都有可能导致水合物分解，引起井壁失稳，造成严重钻井事故和经济损失。为了完成天然气水合物的勘查、评价以及开采，固井是一项必不可少的关键技术手段。
虽然固井措施对于维护井壁附近含水合物地层和套管的稳定具有重要保障作用，但是大量固井水泥浆自身的水化放热却是影响水合物稳定存在一个不容忽视的隐患。当大量固井水泥浆水化固结时，释放出的热量有很大一部分(另一部分传入套管内)直接传入近井壁地层中，改变地层中水合物稳定存在的温度条件，引起水合物分解，导致井壁垮塌、井喷等严重钻井事故。此外，水合物分解产生的水和气在压力驱动下一旦进入固井水泥浆中，则能改变水泥浆的水灰比和固结体的孔隙率，进而影响水泥浆固结质量。如果水泥浆固结强度发展较慢，而水合物大量分解并对水泥环产生较大侧压，不仅容易产生“气窜”而影响上部固井质量，还可能导致固结体气胀崩塌和井壁失稳，甚至挤坏套管。因此，有必要深入研究固井水泥浆水化热在井壁附近含水合物地层的传导规律及其对地层温度和水合物稳定的影响以及水合物分解对固井质量的影响，从而确定固井水泥浆水化热值的合理控制范围和水泥浆固结性能要求，以便合理设计含水合物地层固井用低热水泥浆体系，从而实现安全高效开发水合物资源。为了预先评价拟采用的固井水泥浆体系是否满足水合物地层固井要求，则需开发接近实际情况的含水合物地层固井模拟实验系统，并通过该实验系统确定不同水合物地层对固井水泥浆水化热值的限制范围，从而为含水合物地层固井工艺与技术合理设计提供量化评价技术和理论依据。
此外，在冻土区进行地下工程建设时，混凝土水化热对冻土层具有一定的热融作用，易导致地层垮塌和混凝土固结质量差等事故，因此，在此类工程建设中也需预先评价所用的加固混凝土或是水泥浆等对冻土层可能带来的不利影响及其对施工质量的影响，以便合理控制施工工艺，同样也需要研制合适的实验评价装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜,研究固井水泥浆水化热对含水合物/冰等低温地层稳定性及固井质量的影响。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜，其特征在于，包括釜筒、釜盖、支架、数据处理系统、气/液增压注入系统和水泥浆注入系统，所述釜筒安设于所述支架上，釜筒的内腔由内往外依次设有第一腔壁和筛管，釜筒分隔为同轴的声波检测腔、水泥浆腔和模拟地层腔，所述筛管内插入第二腔壁，所述水泥浆腔底部设有第一排液口，所述模拟地层腔底部设有进气口和第二排液口；釜盖包括圆形的第一釜盖、环形的第二釜盖和第三釜盖，所述第一釜盖与所述声波检测腔的顶部相配置，所述第二釜盖与所述水泥浆腔的顶部相配置，第二釜盖上设有注浆口，所述第三釜盖与所述模拟地层腔的顶部相配置；所述气/液增压注入系统与模拟地层腔的底部进气口相连；所述水泥浆注入系统与水泥浆腔的顶部注浆口相连；所述数据处理系统包括数据检测装置、数据接收处理装置、计算机图像处理器，所述数据检测装置分别设于声波检测腔、水泥浆腔和模拟地层腔内部，数据检测装置的输出端分别与所述数据接收处理装置的输入端相连，数据接收处理装置的输出端与所述计算机图像处理器相连。
按上述方案，所述釜筒外壁套设有一体式的控温循环浴密封罩。
按上述方案，所述数据检测装置包括插入式传感器、导热系数测试片、声波扫描装置、应变式传感器，所述插入式传感器包括插入式温度传感器和插入式压力传感器，通过所述第二釜盖和第三釜盖上设有的插入口设于所述水泥浆腔和模拟地层腔内；所述导热系数测试片设于模拟地层腔内；所述声波扫描装置设于所述声波检测腔内；所述应变式传感器设于声波检测腔的内壁上。
按上述方案，所述数据接收处理装置包括温度/压力数据采集箱、水化热数据处理器、导热系数数据处理器、声波数据采集箱和应力数据采集箱；所述温度/压力数据采集箱的输入端与所述插入式传感器的输出端相连，输出端分别与所述水化热数据处理器的输入端及计算机图像处理器的输入端相连，水化热数据处理器的输出端与计算机图像处理器的输入端相连；所述导热系数数据处理器、声波数据采集箱和应力数据采集箱的输入端分别与所述导热系数测试片、声波扫描装置、应变式传感器的输出端相连，输出端均与计算机图像处理器的输入端相连。
按上述方案，所述气/液增压注入系统包括甲烷储罐和水储罐，所述甲烷储罐和水储罐的出口通过输送管道与所述模拟地层腔底部的进气口相连，所述输送管道上设有气液增压机、压力表和流量计。
按上述方案，所述水泥浆注入系统包括水泥浆储罐，所述水泥浆储罐的出口与所述水泥浆腔的顶部的注浆口通过注入管道相连，所述注入管道上设有水泥浆泵和压力表。
按上述方案，所述水泥浆腔底部设有防沙过滤板，所述防沙过滤板为设有均匀间隔的通孔的圆环盘结构。
按上述方案，所述第二腔壁和筛管之间的空腔内装有改性聚乙烯醇膜筒，第二腔壁上设有提升杆。
按上述方案，所述模拟地层腔底部设有吊篮，吊篮顶部设有提升吊环，吊篮底部设有均匀间隔的通孔，所述导热系数测试片设于吊篮底部。
按上述方案，所述釜筒底部由内往外设有同心的第一内凹槽和第二内凹槽，所述第一腔壁底部插入所述第一内凹槽与所述釜筒螺纹连接，并通过橡胶圈与第一内凹槽密封，第一腔壁顶部与所述第一釜盖螺纹连接，第一腔壁上部外周面上设有第一凸缘；所述筛管底部插入所述第二内凹槽，筛管外壁底部与第二内凹槽密封，筛管内壁与所述第二腔壁的外壁上部及下部通过橡胶圈密封，筛管顶部外周面上设有第二凸缘，所述第二釜盖底面与所述第一凸缘及第二凸缘通过橡胶圈密封，第二凸缘外侧端面设有环形凸耳；所述第三釜盖的外侧与所述釜筒通过螺栓相连，内侧端面上设有环形凹槽，所述环形凹槽与所述环形凸耳相配置，第三釜盖底面与第二凸缘通过橡胶圈密封。
本发明的有益效果是：提供一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜，模块化和集成化程度高，可对固井液进行预评价，避免因温度控制不当而引起的井内事故。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
图2为本发明一个实施例的釜筒的剖视图。
图3为本发明一个实施例的筛管和第二腔壁的结构示意图。
其中：1-釜筒，2-支架，3-第一腔壁，4-筛管，5-第二腔壁，6-声波检测腔，7-水泥浆腔，8-模拟地层腔，9-第一釜盖，10-第二釜盖，11-第三釜盖，12-第一排液口，13-第二排液口，14-进气口，15-注浆口，16-控温循环浴密封罩，17-温度/压力数据采集箱，18-水化热数据处理器，19-导热系数数据处理器，20-声波数据采集箱，21-应力数据采集箱，22-计算机图像处理器，23-插入式温度传感器，24-插入式压力传感器，25-导热系数测试片，26-声波扫描装置，27-应变式传感器，28-甲烷储罐，29-水储罐，30-气液增压机，31-流量计，32-压力表，33-注入管道、34-水泥浆泵，35-防沙过滤板，36-改性聚乙烯醇膜筒，37-提升杆，38-吊篮，39-提升吊环，40-第一内凹槽，41-第二内凹槽，42-第一凸缘，43-第二凸缘，44-环形凸耳，45-环形凹槽，46-水泥浆储罐。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜，包括釜筒1、釜盖、支架2、数据处理系统、气/液增压注入系统和水泥浆注入系统，釜筒安设于支架上，釜筒外壁套设有一体式的控温循环浴密封罩16，对釜筒内的温度进行调节，釜筒内腔由内往外依次设有第一腔壁3和筛管4，分隔为同轴的声波检测腔6、水泥浆腔7和模拟地层腔8，筛管内插入第二腔壁5；水泥浆腔底部设有第一排液口12，模拟地层腔底部设有进气口14和第二排液口13；釜盖包括圆形的第一釜盖9、环形的第二釜盖10和第三釜盖11，第一釜盖与声波检测腔的顶部相配置，第二釜盖与水泥浆腔的顶部相配置，其上设有注浆口15，第三釜盖与模拟地层腔的顶部相配置；气/液增压注入系统与模拟地层腔的底部进气口相连；水泥浆注入系统与水泥浆腔的顶部注浆口相连；数据处理系统包括数据检测装置、数据接收处理装置、计算机图像处理器22，数据检测装置分别设于声波检测腔、水泥浆腔和模拟地层腔内部，其的输出端分别与数据接收处理装置的输入端相连，数据接收处理装置的输出端与计算机图像处理器相连。
釜筒底部由内往外设有同心的第一内凹槽40和第二内凹槽41，第一腔壁底部插入第一内凹槽与釜筒螺纹连接，并通过橡胶圈与第一内凹槽密封，第一腔壁顶部与第一釜盖螺纹连接，第一腔壁上部外周面上设有第一凸缘42；筛管底部插入第二内凹槽，其外壁底部与第二内凹槽密封，其内壁与第二腔壁的外壁上部及下部通过橡胶圈密封，筛管顶部外周面上设有第二凸缘43，第二釜盖底面与第一凸缘及第二凸缘通过橡胶圈密封，第二凸缘外侧端面设有环形凸耳44；第三釜盖的外侧与釜筒通过螺栓相连，内侧端面上设有环形凹槽45，环形凹槽与环形凸耳相配置，第三釜盖底面与第二凸缘通过橡胶圈密封。
数据检测装置包括插入式传感器、导热系数测试片25、声波扫描装置26、应变式传感器27，插入式传感器包括插入式温度传感器23和插入式压力传感器24，通过第二釜盖和第三釜盖上设有的插入口设于水泥浆腔和模拟地层腔内；导热系数测试片设于模拟地层腔内；声波扫描装置设于声波检测腔内，可沿轴向定速扫描水泥环固结质量；应变式传感器设于声波检测腔的内壁上。
数据接收处理装置包括温度/压力数据采集箱17、水化热数据处理器18、导热系数数据处理器19、声波数据采集箱20和应力数据采集箱21；温度/压力数据采集箱的输入端与插入式传感器的输出端相连，输出端分别与水化热数据处理器的输入端及计算机图像处理器的输入端相连，水化热数据处理器的输出端与计算机图像处理器的输入端相连；导热系数数据处理器、声波数据采集箱和应力数据采集箱的输入端分别与导热系数测试片、声波扫描装置、应变式传感器的输出端相连，输出端均与计算机图像处理器的输入端相连。
气/液增压注入系统包括甲烷储罐28和水储罐29，甲烷储罐和水储罐的出口通过输送管道与模拟地层腔底部的进气口相连，输送管道上设有气液增压机30、压力表32和流量计31。
水泥浆注入系统包括水泥浆储罐46，其出口与水泥浆腔的顶部的注浆口通过注入管道33相连，注入管道上设有水泥浆泵34和压力表。
水泥浆腔底部设有防沙过滤板35，防沙过滤板为设有均匀间隔的通孔的圆环盘结构，防止石英砂堵塞或损坏腔体底部排液口。
第二腔壁和筛管之间的空腔内装有改性聚乙烯醇膜筒36，第二腔壁上设有提升杆37。在模拟地层腔中生成水合物后，利用水合物“自保护效应”，通过细钢丝绳制成的吊缆和小型吊车可快速提出第二腔壁，便于后续的固井水泥浆穿过筛管与模拟地层接触。第二腔壁与筛管之间装有润滑性良好的改性聚乙烯醇膜筒，在水合物生成过程中可在膜筒表面生成具有一定强度的凝胶薄层，有利于第二腔壁的提出。
模拟地层腔底部设有吊篮38，吊篮顶部设有提升吊环39，吊篮底部设有均匀间隔的通孔，防止石英砂堵塞或损坏腔体底部排液口，导热系数测试片设于吊篮底部。实验结束后通过细钢丝绳制成的吊缆和小型吊车可方便提出水泥环。
反应釜高度1.2m、外径0.7m，能够在温度-50～+300℃和压力0～25MPa的条件下模拟近似实际情况的含水合物/冰等低温地层固井作业过程，实时记录地层中温度和压力变化、水泥浆水化热特征及对地层有效传热量和模拟套管外壁应力变化情况。实验结束后，利用声波检测装置可扫描水泥环与地层胶结形状，之后可提出水泥环进行力学性能测试。
本反应釜的研制具有一定的创新性和前沿性，其设计充分考虑固井作业的实际特点，不仅要解决含水合物/冰等高压低温模拟地层的生成问题，还要解决固井水泥浆与模拟地层的接触问题，进而解决原位测试与数据处理问题。综上所述，本反应釜的成功研制不仅能够直接为天然气水合物的相关研究提供技术手段、填补我国在此领域的技术空白、增强我国自主创新能力，还有助于了解固井水泥浆对井壁附近地层中水合物分解的影响、水合物分解对水泥浆固结过程的反向作用规律以及对固井套管的影响机理，从而为水合物地层固井工艺与技术的研究提供理论支撑。此外，本实验系统还能为冻土区、深海洋底等低温地层的固井工艺研究提供实验技术支持。
Claims (10)
1.一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜，其特征在于，包括釜筒、釜盖、支架、数据处理系统、气/液增压注入系统和水泥浆注入系统，所述釜筒安设于所述支架上，釜筒的内腔由内往外依次设有第一腔壁和筛管，釜筒分隔为同轴的声波检测腔、水泥浆腔和模拟地层腔，所述筛管内插入第二腔壁，所述水泥浆腔底部设有第一排液口，所述模拟地层腔底部设有进气口和第二排液口；釜盖包括圆形的第一釜盖、环形的第二釜盖和第三釜盖，所述第一釜盖与所述声波检测腔的顶部相配置，所述第二釜盖与所述水泥浆腔的顶部相配置，第二釜盖上设有注浆口，所述第三釜盖与所述模拟地层腔的顶部相配置；所述气/液增压注入系统与模拟地层腔的底部进气口相连；所述水泥浆注入系统与水泥浆腔的顶部注浆口相连；所述数据处理系统包括数据检测装置、数据接收处理装置、计算机图像处理器，所述数据检测装置分别设于声波检测腔、水泥浆腔和模拟地层腔内部，数据检测装置的输出端分别与所述数据接收处理装置的输入端相连，数据接收处理装置的输出端与所述计算机图像处理器相连。
2.根据权利要求1所述的一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜，其特征在于，所述釜筒外壁套设有一体式的控温循环浴密封罩。
3.根据权利要求2所述的一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜，其特征在于，所述数据检测装置包括插入式传感器、导热系数测试片、声波扫描装置、应变式传感器，所述插入式传感器包括插入式温度传感器和插入式压力传感器，通过所述第二釜盖和第三釜盖上设有的插入口设于所述水泥浆腔和模拟地层腔内；所述导热系数测试片设于模拟地层腔内；所述声波扫描装置设于所述声波检测腔内；所述应变式传感器设于声波检测腔的内壁上。
4.根据权利要求3所述的一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜，其特征在于，所述数据接收处理装置包括温度/压力数据采集箱、水化热数据处理器、导热系数数据处理器、声波数据采集箱和应力数据采集箱；所述温度/压力数据采集箱的输入端与所述插入式传感器的输出端相连，输出端分别与所述水化热数据处理器的输入端及计算机图像处理器的输入端相连，水化热数据处理器的输出端与计算机图像处理器的输入端相连；所述导热系数数据处理器、声波数据采集箱和应力数据采集箱的输入端分别与所述导热系数测试片、声波扫描装置、应变式传感器的输出端相连，输出端均与计算机图像处理器的输入端相连。
5.根据权利要求1所述的一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜，其特征在于，所述气/液增压注入系统包括甲烷储罐和水储罐，所述甲烷储罐和水储罐的出口通过输送管道与所述模拟地层腔底部的进气口相连，所述输送管道上设有气液增压机、压力表和流量计。
6.根据权利要求1所述的一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜，其特征在于，所述水泥浆注入系统包括水泥浆储罐，所述水泥浆储罐的出口与所述水泥浆腔的顶部的注浆口通过注入管道相连，所述注入管道上设有水泥浆泵和压力表。
7.根据权利要求6所述的一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜，其特征在于，所述水泥浆腔底部设有防沙过滤板，所述防沙过滤板为设有均匀间隔的通孔的圆环盘结构。
8.根据权利要求1所述的一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜，其特征在于，所述第二腔壁和筛管之间的空腔内装有改性聚乙烯醇膜筒，第二腔壁上设有提升杆。
9.根据权利要求4所述的一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜，其特征在于，所述模拟地层腔底部设有吊篮，吊篮顶部设有提升吊环，吊篮底部设有均匀间隔的通孔，所述导热系数测试片设于吊篮底部。
10.根据权利要求1所述的一种含水合物/冰的低温地层固井模拟实验反应釜，其特征在于，所述釜筒底部由内往外设有同心的第一内凹槽和第二内凹槽，所述第一腔壁底部插入所述第一内凹槽与所述釜筒螺纹连接，并通过橡胶圈与第一内凹槽密封，第一腔壁顶部与所述第一釜盖螺纹连接，第一腔壁上部外周面上设有第一凸缘；所述筛管底部插入所述第二内凹槽，筛管外壁底部与第二内凹槽密封，筛管内壁与所述第二腔壁的外壁上部及下部通过橡胶圈密封，筛管顶部外周面上设有第二凸缘，所述第二釜盖底面与所述第一凸缘及第二凸缘通过橡胶圈密封，第二凸缘外侧端面设有环形凸耳；所述第三釜盖的外侧与所述釜筒通过螺栓相连，内侧端面上设有环形凹槽，所述环形凹槽与所述环形凸耳相配置，第三釜盖底面与第二凸缘通过橡胶圈密封。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20170322 Termination date: 20181120 |
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