CN105352670A - 一种油气井固井水泥环密封性评价系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油气井固井水泥环密封性评价系统，其包括：实验平台，包括气泡检测模块和声波检测模块；井筒模型组件，包括外筒件、内筒件以及设置在外筒件和内筒件之间的水泥环，外筒件、内筒件以及水泥环的端面之间形成密封空间，该井筒模型组件同时与气泡检测模块和声波检测模块相连接；气泡检测模块用以检测密封空间中是否有气体存在，以判断水泥环的密封能力；声波检测模块用以检测水泥环在温度和压力发生变化时，是否发出断裂声音，以判断水泥环的密封能力。该系统具有能够全面的分析导致水泥环密封能力减弱的因素的优点以及具有长期监测水泥环密封能力的优点。

Description

一种油气井固井水泥环密封性评价系统

技术领域

本发明涉及一种室内评价系统，尤其涉及一种油气井固井水泥环密封性评价系统。

背景技术

目前，随着国内大型高产气田的投产，对国内天然气的供给发挥了重要作用。但随着投产时间的增加，井口环空带压现象日益突出。影响环空带压的因素较多，如固井胶结质量差、压力变化、温度变化或长期界劣化等。上述影响环空带压的因素均可能导致环空水泥环结构破坏或出现微间隙，使得气体沿井内通道运移至井口，从而导致井口产生环空带压的现象。若高压气井中产生环空带压现象，则会导致资源的浪费，影响油井的正常生产，甚至导致油井报废，特别是对高压气井的危害极大。因此，环空带压的现象是石油工程急需解决的难题。

现有技术中，针对环空带压开展的水泥环评价系统，主要以短期内的水泥环的机械密封评价为主，通过建立模拟井筒，在该模拟井筒内调整温度或压力，然后观察水泥环的密封性能。

现有技术中的密封性评价系统存在不能全面地判断出导致该密封性评价系统密封能力减弱的综合因素的问题。

发明内容

针对上述问题，根据本发明提出了一种油气井固井水泥环密封性评价系统，其包括：实验平台，所述实验平台包括气泡检测模块和声波检测模块；井筒模型组件，所述井筒模型组件包括外筒件、内筒件以及设置在所述外筒件和所述内筒件之间的水泥环，所述外筒件、所述内筒件以及所述水泥环的端面之间形成密封空间，该井筒模型组件同时与所述气泡检测模块和所述声波检测模块相连接；所述气泡检测模块用以检测所述密封空间中是否有气体存在，以判断所述水泥环的密封能力；所述声波检测模块用以检测所述水泥环在温度和压力发生变化时是否发出断裂声音，以判断所述水泥环的密封能力。

较佳的，所述内筒件的端口设置有压帽组件，所述压帽组件使得所述内筒件的内部空间完全密封。

较佳的，所述内筒件中设置有一端固定在所述压帽组件上，另外一端接近所述内筒件的底壁的电加热管，所述电加热管使得所述内筒件的内部空间温度升高。

较佳的，所述内筒件中还设置有端部固定在所述压帽组件上的温度探头，所述温度探头用以监测所述内筒件中所述电加热管加热到的温度。

较佳的，所述内筒件中还设置有用以降低所述内筒件的内部空间温度的冷凝管，所述冷凝管包括呈螺旋状的冷凝管体，所述冷凝管体的两端固定在所述压帽组件上。

较佳的，所述外筒件的外围沿周向设置有声波探头接头，所述声波探头接头与所述声波检测模块相连接，用以检测所述水泥环在温度和压力发生变化时，是否发生断裂以及是否发出断裂声音。

较佳的，所述外筒件的外围的两端，沿周向分段设置有气体检测端口，所述气体检测端口与所述气泡检测模块相连接，用以检测所述密封空间中是否有气体存在。

较佳的，所述外筒件的底端的内壁与所述水泥环的底端的外壁之间形成气体通道。

较佳的，所述外筒件的底端设置有气体入口，所述气体入口与所述气体通道相连通。

较佳的，所述实验平台还包括分别与所述井筒模型组件相连接的温控模块、应变检测模块、压力检测模块、抽真空模块、液体注入模块以及气体增压模块。

较佳的，所述应变检测模块用以检测在所述水泥环中温度和压力发生变化时，检测所述水泥环的周向应力以及轴向应力，以判断所述水泥环密封失效时受力的临界值。

较佳的，所述气体增压模块在不同气体压力条件下用以进行导气能力测试，并能够结合气泡检测模块检测所述水泥环在不同试验条件下的密封能力。

较佳的，所述压力检测模块的一端固定在所述压帽组件上，另一端位于所述内筒件的外部，所述压力检测模块用以检测所述液体注入模块对所述内筒件增压后所述内筒件中的压力值，以及检测所述加热管对所述内筒件增压后，所述内筒件的压力值。

根据本发明，该油气井固井水泥环密封性评价系统包括实验平台和与该实验平台相连接的井筒模型组件。该井筒模型组件包括外筒件、内筒件以及设置在外筒件以及内筒件之间的水泥环，其中，外筒件的端口与水泥环的一端的侧端面之间形成密封空间。该实验平台包括气泡检测模块和声波检测模块，该气泡检测模块与井筒模型组件中的气泡检测端口相连接，用来检测水泥环的密封能力，若该气泡检测模块检测到该密封空间中有气体存在，则表面水泥环产生缝隙，使得密封能力减弱，从而导致环空带压现象的产生。声波检测模块与设置在外筒件外围的声波探头接头相连接，用来检测水泥环是否发出断裂声音，从而判断水泥环的密封能力。若声波检测模块检测出水泥环发出断裂声音，则表明水泥环产生裂缝，使得密封性减弱，从而导致环空带压现象。

该系统能够全面考虑导致水泥环密封能力减弱的诸多因素，如：配置的水泥浆缓渗严重、配置的水泥浆密度低而导致收缩严重、水泥环水化过程产生裂缝、水泥环受到温度变化膨胀收缩产生裂缝或微间隙、水泥环受到压力变化产生裂缝或者微间隙以及水泥环与外筒件的内壁胶结效果不好等等。该系统能够准确记录当水泥环的密封能力减弱时，水泥环承载的温度、应力及温度和应力随时间变化的临界值等。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。在图中：

图1为本发明油气井固井水泥环密封性评价系统的检测及控制的原理框图。

图2为本发明油气井固井水泥环密封性评价系统的井筒模型组件的整体结构示意图。

图3为本发明油气井固井水泥环密封性评价系统的流程示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例描绘。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1和图2，其分别为本发明油气井固井水泥环密封性评价系统的检测及控制的原理框图和本发明油气井固井水泥环密封性评价系统的井筒模型组件的整体结构示意图。如图所示，所述油气井固井水泥环密封性评价系统包括实验平台10和井筒模型组件20，实验平台10与井筒模型组件20相连接。

如图1所示，实验平台10包括气泡检测模块11和声波检测模块12。

如图2所示，井筒模型组件20包括外筒件21、内筒件22以及设置在该外筒件21和内筒件22之间的水泥环23。在一个优选的实施例中，内筒件22的端口设置有压帽组件25，该压帽组件25使得内筒件22的内部空间完全密封。其中，外筒件21、内筒件22以及水泥环23的端面之间形成密封空间24。

气泡检测模块11(见图1)和声波检测模块12(见图1)分别与井筒模型组件20相连接。其中，气泡检测模块11用来检测密封空间24中是否存在气体，从而，判断水泥环23的密封能力。声波检测模块12用来检测水泥环23是否发出断裂声音，从而，判断水泥环23的密封能力。在一个优选的实施例中，若声波检测模块12检测到水泥环23发出断裂的声音，则表明水泥环23已经发生了裂缝，密封能力减弱。若声波检测模块12未检测到水泥环23发出断裂的声音，则表明该水泥环23未发生裂缝，密封能力完好。

如图1所示，实验平台10还包括别与井筒模型组件20相连接的温控模块13、应变检测模块14、压力检测模块15、抽真空模块16、液体注入模块17以及气体增压模块18。

如图1和图2所示，在一个优选的实施例中，温度控制模块13用来检测井筒模型组件20中内筒件22中的内部温度变化，并能够检测到当水泥环23的密封能力减弱时的临界温度值。应变检测模块14用来检测在水泥环23中的温度和压力发生变化时，检测水泥环23承受的周向应力以及轴向应力。应变检测模块14还能够检测水泥环23在发出断裂声音而产生裂缝时(即水泥环23在密封失效时)的临界应力值。压力检测模块15用来检测液体注入模块17对内筒件22进行增压后，内筒件22中的压力值，以判断内筒件22中是否满足高压状态。压力检测模块15还能够检测如下所述的加热管26对内筒件22增压后，内筒件22的压力值，以及能够记录在水泥环23的密封能力减弱时(即水泥环23密封失效时)，内筒件22中的临界压力值。

在一个优选的实施例中，抽真空模块16用来将内筒件22中的内部气体完全抽出，使得该井筒模型组件20在做实验前，保证实验的精准，避免受内筒件22中因有其它气体的存在而影响整个实验结果的准确性。

在一个优选的实施例中，在实验启动之前，内筒件22被抽真空模块16进行抽真空并达到真空状态后，通过气体增压模块18向内筒件22中注入气体，在不同气体压力条件下通过该气体增压模块18对密封空间24进行导气能力测试，并结合气泡检测模块11检测水泥环23在不同试验条件下的密封能力。当通过上述气体增压模块18完成导气能力测试，且该密封空间24不存在密封性问题后，通过液体注入模块17将水泥浆注入外筒件21和内筒件22之间的环形空间中，经过多天的养护之后，使得水泥浆凝固，形成上述的水泥环23。

如图2所示，该井筒模型组件20中的内筒件22的高度大于外筒件21的高度，并在该内筒件22的端口上设置有压帽组件25，该压帽组件25能够承受70MPa以上的压力。在一个优选的实施例中，该压帽组件25包括旋转手柄251。该旋转手柄251的两端远大于该压帽组件的横向尺寸，从而便于操作人在旋转手柄的过程中，比较省力。

在一个优选的实施中，该压帽组件25上还设置有压力传感器252，该压力传感器252与压力检测模块15相连接，用来时刻显示出内筒件22中的内部空间的压力值。

在一个优选的实施例中，该内筒件22中还设置有一端固定在压帽组件25上，另外一端接近内筒件22的底壁的电加热管26。该电加热管26与温控模块13相连接，使得内筒件22的内部空间的温度升高，从而达到实验的预定值。

在一个优选的实施例中，内筒件22中还设置有端部固定在压帽组件25上的温度探头27。该温度探头27与温控模块13相连接，用来监测内筒件22中电加热管26加热到的温度。

在一个优选的实施例中，内筒件22中还设置有冷凝管28，该冷凝管28包括呈螺旋状的冷凝管体281。该冷凝管体281的两端固定在压帽组件25上，并与温控模块13相连接，用来降低内筒件22的内部空间的温度，使得该内部空间的温度随着地层温度的变化而变化，从而使得该项检测更加接近实际工作环境，从而测得的数据更加准确。

在一个优选的实施例中，外筒组件21的外围沿周向设置有声波探头接头29，该声波探头接头29与声波检测模块12相连接，用来检测水泥环23是否发出断裂声音，从而来判断水泥环23有无因产生裂缝而使得该水泥环23的密封能力减弱，从而使得模型井筒组件20发生环空带压现象。

外筒组件21的外围的两端，沿周向分段设置有气体检测端口30。在一个优选的实施例中，沿外筒组件21的两端的周向设置的气体检测端口30的个数可以为四个。容易理解，该气体检测端口30的具体个数可根据具体的使用情况以及现场状况而定。该气体检测端口30与气泡检测模块11相连接，用来检测密封空间24中是否有气体存在，从而，判断该水泥环23的密封能力是否因产生裂缝或水泥环23的水泥浆材料缓渗而导致的水泥环的密封能力减弱，使得该模型井筒组件20发生环空带压现象。

在一个优选的实施例中，外筒件21的内壁上涂有人工岩心镀层211，用来判断水泥环23的胶结状况。若胶结效果不理想，则在水泥环23与外筒件21的内壁之间会产生缝隙，从而会在密封空间24中检测到有气体存在，导致模型井筒组件20发生环空带压的现象。然而，容易理解，若胶结效果理想，则不会发生环空带压的现象。

外筒件21的底端设置有气体入口212，该外筒件21的底端的内壁与水泥环23的底端的外壁之间形成气体通道31，该气体通道31中设置有多层纱网，使得气体沿气体入口212顺利地进入气体通道31中。

请参阅图3，其为本发明油气井固井水泥环密封性评价系统的流程示意图。如图所示，由于井筒模型组件20、实验平台10以及实验平台10中包括的各种模块之间的连接关系以及各自的作用，已经在上述图1和图2中做了详细说明，为了避免赘述，此处不再详述。

根据本发明的第一示例，该油气井固井水泥环密封性评价系统进形模拟实验的具体流程为：在实验未启动前，通过抽真空模块16(见图1)将油气井固井水泥环密封性评价系统中的气体完全排出，达到真空状态，同时在实验平台10中设定好温度和压力的参数。设定完之后，通过环型空间顶部向内径为244.5mm的外筒件21(见图2)和外径为139.7mm的内筒件22(见图2)之间注入常规水泥浆300L，该外筒件21和内筒件22的尺寸与下述示例二和示例三中的尺寸相同。其中，对外筒件21和内筒件22设定的直径尺寸，完全依据实际的工程地层参数，设计不同的外筒件21的壁厚，内筒直径和外筒直径根据当前最常规油层或气层完井数据设定。注入常规水泥浆后，静待该常规水泥浆按照设定龄期养护后，正式启动试验。通过电加热管26(见图2)将内筒件22中的内部空间的温度加热至80度的条件下，养护30天后，将井筒模型组件20安装至实验平台10上，同时测得该水泥石的渗透率为0.2mD以及人工岩心镀层211(见图2)的渗透率0.5mD。此时，通过液体注入模块17向内筒件22中注入气体压力，该气体压力在24小时内，由0.1MPa升至30MPa，温度在24小时内，由80℃升高至100℃。此时，温度与压力均已达到高温高压的状态，向气体入口212(见图2)中注入气体压力3MPa，试验时间38天后，气泡检测模块11检测到气体，确认有气窜现象。分析认定为因水泥石缓渗而导致环空带压。

根据本发明的第二示例，配制弹韧性超低渗透水泥浆300L，注入外筒件21和内筒件22之间的环形空间，注入完该弹韧性超低渗透水泥浆后，正式启动试验。通过电加热管26将内筒件22中的内部空间的温度加热至80度的条件下，养护35天后，将模型井筒组件20安装至实验平台10上，同时测得该弹韧性超低渗透水泥石的渗透率为0.05mD以及人工岩心镀层211的渗透率0.5mD。此时，通过液体注入模块17向内筒件22中注入液体，该液体压力在24小时内，由0.1MPa升至30MPa，温度在24小时内，由80℃升高至100℃。此时，温度与压力均已达到高温高压的状态。利用气体增压模块18向气体入口212中注入气体，使该气体的压力达到3MPa，试验时间60天后，气泡检测模块11未检测到气体，确认未发生气窜现象。分析认定为由于采用了弹韧性超低渗透水泥浆，因而未发生环空带压。

根据本发明的第三示例，配制密度为1.5g/cm3的低密度水泥浆300L，注入外筒件21和内筒件22之间的环形空间，注入完该低密度水泥浆后，正式启动试验。通过电加热管26将内筒件22中的内部空间的温度加热至80度的条件下，养护4天后，静待该低密度水泥浆风干成低密度水泥石之后，将模型井筒组件20安装至实验平台10上，同时测得该水泥石的渗透率为0.3mD以及人工岩心镀层211的渗透率0.5mD。此时，向气体入口212中注入气体压力3MPa，5分钟内，气泡检测模块11检测到气体，应变检测模块14未检测到应变，判断为水泥环23发生气窜。分析认定为所述低密度水泥石因收缩使得该水泥环23发生微环隙，导致环空带压。

综合上述示例可知，该油气井固井水泥环密封性评价系统能够全面的分析导致水泥环23(见图2)密封能力减弱的因素，如：配置的水泥浆缓渗严重、配置的水泥浆密度低而导致收缩严重、水泥环23产生裂缝、水泥环23与外筒件21(见图2)的内壁胶结效果不好等等，从而能够准确的分析和评价导致该水泥环23密封能力减弱时的温度、压力以及应力的临界值。

该系统能够较为真实地模拟高压气井水泥环23所处的环境，从而能够较为准确得出试验结论，同时该系统可以长期进行监测水泥环23的密封能力，即可以通过上述不同的检测模块分别检测影响该水泥环23密封能力的因素以及当检测出水泥环23的密封能力减弱时，该因素的临界值。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (13)

1.一种油气井固井水泥环密封性评价系统，其包括：

实验平台，所述实验平台包括气泡检测模块和声波检测模块；

井筒模型组件，所述井筒模型组件包括外筒件、内筒件以及设置在所述外筒件和所述内筒件之间的水泥环，所述外筒件、所述内筒件以及所述水泥环的端面之间形成密封空间，所述井筒模型组件同时与所述气泡检测模块和所述声波检测模块相连接；

所述气泡检测模块用以检测所述密封空间中是否有气体存在，以判断所述水泥环的密封能力；

所述声波检测模块用以检测所述水泥环在温度和压力发生变化时，是否发出断裂声音，以判断所述水泥环的密封能力。

2.根据权利要求1所述的油气井固井水泥环密封性评价系统，其特征在于，所述内筒件的端口设置有压帽组件，所述压帽组件使得所述内筒件的内部空间完全密封。

3.根据权利要求2所述的油气井固井水泥环密封性评价系统，其特征在于，所述内筒件中设置有一端固定在所述压帽组件上，另外一端接近所述内筒件的底壁的电加热管，所述电加热管使得所述内筒件及所述水泥环的内部空间温度升高。

4.根据权利要求3所述的油气井固井水泥环密封性评价系统，其特征在于，所述内筒件中还设置有端部固定在所述压帽组件上的温度探头，所述温度探头用以监测所述内筒件中所述电加热管加热到的温度。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的油气井固井水泥环密封性评价系统，其特征在于，所述内筒件中还设置有用以降低所述内筒件的内部空间温度的冷凝管，所述冷凝管包括呈螺旋状的冷凝管体，所述冷凝管体的两端固定在所述压帽组件上。

6.根据权利要求1所述的油气井固井水泥环密封性评价系统，其特征在于，所述外筒件的外围沿周向设置有声波探头接头，所述声波探头接头与所述声波检测模块相连接，用以检测所述水泥环在温度和压力发生变化时，是否发生断裂以及是否发出断裂声音。

7.根据权利要求6所述的油气井固井水泥环密封性评价系统，其特征在于，所述外筒件的外围的两端，沿周向分段设置有气体检测端口，所述气体检测端口与所述气泡检测模块相连接，用以检测所述密封空间中是否有气体存在。

8.根据权利要求3所述的油气井固井水泥环密封性评价系统，其特征在于，所述外筒件的底端的内壁与所述水泥环的底端的外壁之间形成气体通道。

9.根据权利要求8所述的油气井固井水泥环密封性评价系统，其特征在于，所述外筒件的底端设置有气体入口，所述气体入口与所述气体通道相连通。

10.根据权利要求8或9所述的油气井固井水泥环密封性评价系统，其特征在于，所述实验平台还包括分别与所述井筒模型组件相连接的温控模块、应变检测模块、压力检测模块、抽真空模块、液体注入模块以及气体增压模块。

11.根据权利要求10所述的油气井固井水泥环密封性评价系统，其特征在于，所述应变检测模块用以检测在所述水泥环的温度和压力发生变化时，检测所述水泥环的周向应力以及轴向应力，以判断所述水泥环密封失效时受力的临界值。

12.根据权利要求10所述的油气井固井水泥环密封性评价系统，其特征在于，所述气体增压模块在不同气体压力条件下用以进行导气能力测试，并能够结合气泡检测模块检测所述水泥环在不同试验条件下的密封能力。

13.根据权利要求12所述的油气井固井水泥环密封性评价系统，其特征在于，所述压力检测模块的一端固定在所述压帽组件上，另一端位于所述内筒件的外部，所述压力检测模块用以检测所述液体注入模块对所述内筒件增压后所述内筒件中的压力值，以及检测所述加热管对所述内筒件增压后，所述内筒件的压力值。