CN106437681A - 用于油井套管的应力测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于油井套管的应力测试方法，测试方法包括以下步骤：S1、对设置于地层中的油井套管进行测试井段的选取，并对选取的测试井段打孔，以形成射孔井段；S2、向射孔井段中注水，停止注水后测试射孔井段对应位置处的岩石的瞬时闭合压力Ps；S3、将射孔井段中的水排出后，再次向射孔井段中注水，并测试射孔井段对应位置处的岩石的破裂重张压力Pr；S4、利用瞬时闭合压力和破裂重张压力进行计算，得到射孔井段对应位置处的岩石的最大水平主应力σHmax和最小水平主应力σHmin。利用上述应力值有效地对浅层超稠油油藏的最佳注汽压力进行确定，进而能够有效地提高注汽效率，降低蒸汽的热损失。
Description
技术领域
本发明涉及石油开采技术领域，具体而言，涉及一种用于油井套管的应力测试方法。
背景技术
地应力是地壳固体介质受重力、地球构造力和天文动力以及探掘工程附加动力的作用,在介质内部单元引起响应变形的力学参数,也可简称为地壳内存在的应力。石油形成并赋存于地壳岩石中。地应力的大小及其变化是控制油气富集区分布、水力压裂裂缝扩展、储集层裂缝分布、油井套管长期外载以及钻井地层破裂压力、坍塌压力等各项参数的因素之一，也是油气田开发方案的制定及油井工程设计必不可缺少的基础数据。地应力研究在油田开发中的主要应用有：优化设计注采井网，提高采收率；确定合适的油层套管，避免油水井生产过程中发生套管变形，以致造成生产井报废；优化钻井设计方案，降低钻井工程事故；优化设计压裂施工方案，防止油井暴性水淹，改善压裂效果；确定最佳注水压力，提高注水效率，降低含水上升率；确定最佳注汽压力，提高注汽效率，降低蒸汽热损失。
浅层超稠油油藏，埋藏深度在200～500米，地层温度下原油黏度大于50000mpa.s，该类油藏主要含油岩性为中细砂岩，其次为含砾砂岩和砂砾岩，胶结疏松至中等。储集空间以原生粒间孔为主，其次为次生粒间溶孔、粒内孔。该类油藏主要位于新疆油田，原油性质具胶质含量高、酸值高、粘度高和含蜡量低、含硫量低、凝固点低、沥青含量低、粘温反应敏感和原始溶解气油比低的特点，开采方式主要是注蒸汽热采。采用常规蒸汽吞吐方式开采难度大，采出程度低，经济效益差，国内外对于这类油藏采用的是SAGD的开采方式。SAGD开采分为循环预热阶段和采油生产阶段。在循环预热阶段，注汽井和生产井同时注蒸汽循环，在较短的时间内，实现油层均匀加热，使注汽井和生产井之间形成热力、水力连通，当连通段达到一定程度后，就转入采油生产阶段。
地应力的确定是影响SAGD循环预热效果的一个重要因素，确定地应力并对其进行优化有利于注汽参数的优化与SAGD整体开发方案的设计，目前关于浅层超稠油油藏的地应力测试还没有开展过，因此开展浅层超稠油油藏的地应力测试研究很有必要。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于油井套管的应力测试方法，以解决现有技术中无法开展浅层超稠油油藏的地应力测试的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于油井套管的应力测试方法，测试方法包括以下步骤：S1、对设置于地层中的油井套管进行测试井段的选取，并对选取的测试井段打孔，以形成射孔井段；S2、向射孔井段中注水，停止注水后测试射孔井段对应位置处的岩石的瞬时闭合压力Ps；S3、将射孔井段中的水排出后，再次向射孔井段中注水，并测试射孔井段对应位置处的岩石的破裂重张压力Pr；S4、利用瞬时闭合压力和破裂重张压力进行计算，得到射孔井段对应位置处的岩石的最大水平主应力σHmax和最小水平主应力σHmin。
进一步地，在步骤S1与步骤S2之间，测试方法还包括：将地层管线送入油井套管中，地层管线包括顺次连接的油管段、循环阀、第一封隔器、射孔管段和第二封隔器，使第一封隔器和第二封隔器均卡封在油井套管中，其中，油管段、第一封隔器和射孔管段形成通路；且油管段的入口连接有地面管线，地面管线包括主管道和用于检测主管道的流体应力的第一应力传感器，第一应力传感器设置在主管道上，水泵与主管道连接以用于给地层管线注水，且主管道与油管段连通。
进一步地，油管段和第一封隔器之间连通并设置有循环阀，循环阀还与油井套管连通，在步骤S1与步骤S2之间，测试方法还包括：关闭循环阀，以阻断油管段与油井套管之间的连通，并使射孔井段位于第一封隔器和第二封隔器之间。
进一步地，在步骤S2中，开启水泵向油管段中送水，当第一应力传感器测量的应力值开始下降时，关闭水泵；画出井底压力随关闭水泵后时间的开方的变化曲线，井底压力为油管段的管口至射孔井段之间的水的重量产生的静水压力与流经第一应力传感器的应力值之和，静水压力为ρgH，其中，ρ为水的密度，H为井底垂直深度，g为重力加速度，且井底压力随关闭水泵后时间的开方的变化曲线包括依次连接的第一直线段、曲线段和第二直线段，第一直线段的延伸线和第二直线段的延伸线的交点对应的应力值为瞬时闭合压力Ps。
进一步地，在步骤S3中，流经第一应力传感器的水的应力值随时间的变化率小于0.02Mpa/min时，打开第一应力传感器和水泵之间的回流阀门，以将油井套管中的水排出。
进一步地，在步骤S3中，开启水泵向油管段送水，画出流经第一应力传感器的应力值随时间的变化曲线，并对应力值随时间的变化曲线作切线，切线的斜率开始变化时的切点对应的应力值为破裂重张压力Pr。
进一步地，在步骤S4中，通过公式σHmax＝3σHmin-Pr-Po得到最大水平主应力σHmax，并通过公式σHmin＝Ps得到最小水平主应力σHmin，其中，Po＝ρgH，ρ为水的密度；H为井底垂直深度；g为重力加速度。
进一步地，在关闭循环阀以阻断油管段与油井套管之间的连通的步骤之前，开启水泵向油管段中和油井套管中送水；以及在关闭循环阀以阻断油管段与油井套管之间的连通的步骤之后，打开油井套管的闸门，并设定水泵的压力为10～15MPa，并保持5～10min后，当第一应力传感器的压降小于0.5Mpa时，关闭水泵，并执行步骤S2。
进一步地，在关闭循环阀以阻断油管段与油井套管之间的连通的步骤中，向油管段内投球，以打压循环阀，使循环阀关闭。
进一步地，测试方法还包括：在依次执行步骤S1至步骤S4之后，重复执行步骤S3至步骤S4。
进一步地，在步骤S4的步骤之后，方法还包括：S5、将地层管线提出油井套管。
进一步地，在步骤S5中，将地层管线上提，以将第一封隔器和第二封隔器解封后静置10min以上，再提出油井套管。
进一步地，在步骤S1中，选取的测试井段为多个，各测试井段分别位于油藏盖层、油层或油藏底层。
进一步地，在步骤S1中，形成的射孔井段沿轴向上的射孔密度为12～36孔/m，射孔井段的长度为0.5～1m。
进一步地，地层管线包括顺次连接的自封封井器、油管段、循环阀、水力锚、第一封隔器、射孔管段、第二封隔器以及第二应力传感器。
进一步地，在步骤S1和步骤S2之间，开启水泵向地面管线送水，设定水泵的压力为5～10MPa，并保持5～15min后，地面管线不漏水，且当第一应力传感器的压降小于0.5Mpa时，执行步骤S2。
应用本发明的技术方案，本发明提供了一种用于油井套管的应力测试方法，由于该测试方法通过将射孔管段通入流体，以对测试段进行加压，并对测试段对应的岩石处的应力值进行测试，从而可以通过测试结果计算出测试段对应位置处的岩石的最大主应力值和最小水平主应力值，并利用上述应力值有效地对浅层超稠油油藏的最佳注汽压力进行确定，进而能够有效地提高注汽效率，降低蒸汽的热损失。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明实施方式所提供的用于油井套管的应力测试方法的流程示意图；
图2示出了本发明实施方式所提供的设置于地层中的部分应力测试装置的示意图；
图3示出了本发明实施方式所提供的设置于地面上的部分地面管线的示意图；
图4示出了本发明实施例1提供的用于油井套管的应力测试方法中井底压力随时间的开方的变化曲线；以及
图5示出了本发明实施例1提供的用于油井套管的应力测试方法中流经第一应力传感器的应力值随时间的变化曲线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。
由背景技术可知，现有技术中关于浅层超稠油油藏的地应力测试还没有开展过。本发明的发明人针对上述问题进行研究，提供了一种用于油井套管的应力测试方法，如图1所示，该测试方法包括以下步骤：S1、对设置于地层中的油井套管进行测试井段的选取，并对选取的测试井段打孔，以形成射孔井段；S2、向射孔井段中注水，并测试射孔井段对应位置处的岩石的瞬时闭合压力Ps；S3、将射孔井段中的水排出后，再次向射孔井段中注水，并测试射孔井段对应位置处的岩石的破裂重张压力Pr；S4、利用瞬时闭合压力和破裂重张压力进行计算，得到射孔井段对应位置处的岩石的最大水平主应力σHmax和最小水平主应力σHmin。
由于本发明的上述方法中通过将射孔管段通入流体，以对测试段进行加压，并对测试段对应的岩石处的应力值进行测试，从而可以通过测试结果计算出测试段对应位置处的岩石的最大主应力值和最小水平主应力值，并利用上述应力值有效地对浅层超稠油油藏的最佳注汽压力进行确定，进而能够有效地提高注汽效率，降低蒸汽的热损失。
一种可以应用于本发明的上述方法的应力测试装置如图2和图3所示，包括：地层管线，包括顺次连接的油管段20、循环阀30、第一封隔器40、射孔管段50、第二封隔器60，其中，油管段20、第一封隔器40和射孔管段50组成通路，循环阀30控制油管段20和油井套管10的连通，且地层管线设置于油井套管10中；地面管线，包括主管道70和用于检测主管道70的流体应力的第一应力传感器80，第一应力传感器80设置在主管道70上，且主管道70与油管段20连通；水泵90，水泵90与地面管线的主管道70连接，用于给地层管线注水；数据采集器100，数据采集器100与第一应力传感器80连接；用于对流体应力进行显示和计算的主控机110，与数据采集器100连接。
上述应力测试装置由于具有第一封隔器、射孔管段、第二封隔器和第一应力传感器，从而可以通过第一封隔器和第二封隔器将油井套管的测试段隔离出来，再通过射孔管段进入流体对测试段进行加压，并利用第一应力传感器对测试段对应的岩石处的瞬时闭合压力和重张压力进行测试，从而通过测试结果计算出测试段处的最大主应力值和最小水平主应力值，并利用上述应力值有效地对浅层超稠油油藏的最佳注汽压力进行确定，进而能够有效地提高注汽效率，降低蒸汽的热损失。
在本发明提供的应力测试装置中，优选地，第一封隔器40和第二封隔器60将油井套管10分隔为三个腔体，射孔管段50位于第一封隔器40与第二封隔器60之间形成的腔体内，油管段20位于三个腔体中远离第二封隔器60的腔体内，地层管线还包括用于检测射孔管段50内的流体应力的第二应力传感器120，第二应力传感器120位于三个腔体中远离第一封隔器40的腔体中并与第二封隔器60连接，如图2所示。
在上述优选地实施方式中，由于射孔管段50位于第一封隔器40与第二封隔器60之间形成的腔体内，从而当向应力测试装置中的油管段20注水时，水会从射孔管段50的孔眼流出进入到腔体中并对测试段进行加压，并且不会从该腔体中流出，进而可以有效地对测试段对应的岩石处的瞬时闭合压力和重张压力进行测试；并且由于第二封隔器60还连接有第二应力传感器120，上述腔体中的水在回流时能够直接通过第二封隔器60流入第二传感器，由于第二应力传感器设置于地下，因此相比于第一应力传感器更接近于测试段，从而应用第二应力传感器能够更为准确的对应的岩石处的瞬时闭合压力和重张压力进行测试。
在本发明提供的应力测试装置中，优选地，地层管线还包括水力锚130，且循环阀30和第一封隔器40通过水力锚130连接，如图2所示。当向应力测试装置中的油管段20注水时，水在通过循环阀30后会对水力锚130产生压力，从而使水力锚130开启并卡紧油井套管10，进而有效地防止了流入油管段20与油井套管10之间的水向测试段的泄露，实现了对测试段更为稳定的加压，更为有效地对测试段对应的岩石处的瞬时闭合压力和重张压力进行测试。
在本发明提供的应力测试装置中，优选地，地层管线还包括盲堵板140，且射孔管段50和第二封隔器60通过盲堵板140连接，如图2所示。上述盲堵板140能够有效地将射孔管段50和第二封隔器60进行分隔，从而使流入射孔管段50的水直接从射孔管段50的孔眼流出，而不会流入到第二封隔器60中，进而实现了对测试段更为稳定地进行加压，更为有效地对测试段对应的岩石处的瞬时闭合压力和重张压力进行测试。更为优选地，第一封隔器40和射孔管段50之间还连通设置有油管短接210。上述油管短接210能够有效地缩短射孔管段50的长度，从而使通入射孔管段50的水通过孔眼更为有效地对测试段进行加压。
在本发明提供的应力测试装置中，优选地，地面管线还包括设置于油管段20和水泵90之间的主管道70上的第一阀门150和第一流量计160，第一流量计160与数据采集器100连接，第一阀门150、第一流量计160和第一应力传感器80沿主管道70由水泵90向油管段20的方向间隔设置，如图3所示。上述第一阀门150用于控制水通过水泵90向地层管线的流入，当控制上述第一阀门150，以将水通过水泵90向地层管线流入，设置于主管道70上的第一流量计160能够实时对流入地层管线的水的流量进行检测，从而有效地对测试段进行加压，进而更为有效地对测试段对应的岩石处的瞬时闭合压力和重张压力进行测试。
在本发明提供的应力测试装置中，地面管线还可以包括：回流管道170，回流管道170的第一端与主管道70连接；回流容器180，回流管道170的第二端与回流容器180的入口连接，回流容器180的出口与水泵90连接，如图3所示。由于水泵90连接有回流容器180，从而能够利用水泵90将回流容器180中的水直接抽出送入到地层管线中，并且当水从地层管线中回流出来时，能够直接流回回流容器180中，实现了水在地层管线和地面管线中的循环利用。
在上述优选的实施方式中，地面管线还可以包括第二阀门190和第二流量计200，第二流量计200和第二阀门190沿回路管道的第一端向回流管道170的第二端的方向间隔设置在回流管道170上，第二流量计200与数据采集器100连接，如图3所示。上述第二阀门190用于控制水从地层管线向回流容器180的回流，当控制上述第二阀门190，以将流出地层管线的水回流至回流容器180时，设置于回流管道170上的第二流量计200能够实时对流出地层管线的水的流量进行检测，从而实现了对测试段的有效加压及对水的迅速回流，进而更为有效地对测试段对应的岩石处的瞬时闭合压力和重张压力进行测试。
在本发明提供的应力测试装置中，优选地，射孔管段50沿轴向上的射孔密度为12～36孔/m。更为优选地，射孔管段50的长度为0.5～1m。在上述优选的参数范围内，水在通入射孔管段50时能够更为有效和迅速地从孔眼中流入测试段对应的腔体中，从而能够更为有效和迅速地对测试段对应的岩石处的瞬时闭合压力和重张压力进行测试。
在本发明提供的应力测试装置中，优选地，油管段20的直径与油井套管10的直径之比为2:5～3:5。由于上述油管段20具有上述优选的直径范围，从而能够将该油管段20更为迅速地设置于油井套管10中，以使油管段20于油井套管10具有合适的距离，还能够保证流入较多的水对测试段进行加压，进而更为迅速地对测试段对应的岩石处的瞬时闭合压力和重张压力进行测试。在一种优选的实施方式中，上述油管段20的直径为73mm，上述油井套管10的直径为177.8mm，此时，油管段20的厚度可以为9.19mm。
在本发明提供的应力测试装置中，数据采集器100用于对第一应力传感器、第二应力传感器、第一流量计160和第二流量计200测量的数据进行采集，主控机110用于对采集的上述数据进行计算和显示。
上述应力测试装置中，封隔器的型号可以为KCZ231/145×62-120/30，封隔器的型号可以为KCZ331/150×62-120/30，水力锚的型号可以为KCSLM8Z/145×62，油管段和油管短接可以为油田常用的UP TGB油管。
并且，当油井套管10具有多个由上到下设置于地层中的待测段时，在将应力测试装置设置于油井套管10中时，可以首先将应力测试装置中的射孔管段50对应于最下面的待测段，待对该待测段所对应的岩石处的应力值测试完毕后，将应力测试装置中的油管段20上提，以将射孔管段50对应于由下往上的第二个待测段，以此类推能够实现对多个测试段的测试。
下面将结合图2和图3更详细地描述根据本发明提供的用于油井套管的应力测试方法的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。
首先，执行步骤S1：对设置于地层中的油井套管10进行测试井段的选取，并对选取的测试井段打孔，以形成射孔井段。优选地，在步骤S1中，选取的测试井段为多个，各测试井段分别位于油藏盖层、油层或油藏底层；并且，形成的射孔井段的长度与射孔密度与射孔管段对应，射孔井段的射孔密度为12～36孔/m，射孔井段的长度为0.5～1m。采用上述优选的参数范围，能够在对射孔井段(即测试段)的注水过程中，实现对测试段处岩石的有效加压。
在完成步骤S1之后，执行步骤S2：向射孔井段中注水，停止注水后测试射孔井段对应位置处的岩石的瞬时闭合压力Ps。将水注入射孔井段(即测试段)，以给测试段加压，压力会随着水的不断注入而迅速增高，由于射孔周边的应力集中，测试段处的岩石在足够大的液压作用下，将会在最小切向应力的位置上产生破裂，也就是在垂直于最小水平主应力的方向开裂。此时的临界压力值为岩石的初次破裂压力Pb，岩石一旦产生裂缝，压力将急剧下降。若继续保持排量加压，裂缝将保持张开并向纵深处延伸。在停止注水后压力将急剧下降，之后，随着液体向地层的渗入，压力将缓慢下降。在岩体应力的作用下，裂缝趋于闭合。当裂缝处于临界闭合状态时的压力即为瞬时闭合压力Ps。
根据水压致裂应力测量理论,水压破裂缝总是在最大水平主应力方向的孔壁上垂直或近垂直地首先产生，水压破裂面总是在垂直于最小水平主应力方向的平面内扩展，因此，作用在水压破裂面上的法向应力，即瞬时闭合压力Ps，等于地壳中的最小水平主应力，瞬时闭合压力Ps可以通过画关系曲线来确定，关系曲线为停泵后压力随时间开方变化的曲线，在停泵初期裂缝未闭合时曲线的切线与停泵后期裂缝闭合后曲线的切线，是两条斜率不同的直线，两条直线的交点对应着裂缝临界关闭状态，这个交点的值也就是瞬时闭合压力Ps。在上述应力值随时间的开方的变化曲线中，应力值的最大值即为岩石的初次破裂压力Pb。
在一种优选的实施方式中，在步骤S1与步骤S2之间，测试方法还包括：将地层管线送入油井套管10中，地层管线包括顺次连接的油管段20、循环阀30、第一封隔器40、射孔管段50和第二封隔器60，使第一封隔器40和第二封隔器60均卡封在油井套管10中，其中，油管段20、第一封隔器40和射孔管段50形成通路；且油管段20的入口连接有地面管线，地面管线包括主管道70和用于检测主管道70的流体应力的第一应力传感器80，第一应力传感器80设置在主管道70上，水泵90与主管道70连接以用于给地层管线注水。地面管线还可以包括数据采集器100和主控机110，数据采集器100与第一应力传感器80连接，用于对流过第一应力传感器80的水的应力进行采集，主控机110与数据采集器100连接，用于对采集的应力进行显示和计算；且当地面管线还包括回流管道170和上述回流容器180时，在步骤S2中，可以利用水泵90将回流容器180中的水直接抽出送入到地层管线中，且主管道70与油管段20连通。
地层管线还可以包括顺次连接的自封封井器、油管段20、循环阀30、水力锚130、第一封隔器40、射孔管段50、第二封隔器60以及第二应力传感器120。即地层管线还包括连接设置于循环阀30和第一封隔器40之间的水力锚130，以及对应射孔管段50设置于第二封隔器60另一端的第二应力传感器120。上述水力锚130在受到水压后能够将油井套管10卡紧，进而能够有效地防止流入油管段20与油井套管10之间的水向测试段的泄露，实现了对测试段更为稳定的加压，更为有效地对测试段对应的岩石处的瞬时闭合压力和重张压力进行测试；并且，射孔井段中的水在回流时能够直接通过第二封隔器60流入第二应力传感器120，由于第二应力传感器120设置于地下，因此相比于第一应力传感器80更接近于测试段，从而应用第二应力传感器120能够更为准确的对应的岩石处的瞬时闭合压力和重张压力进行测试。更为优选地，第一封隔器40和射孔管段50之间还连通设置有油管短接210。上述油管短接210能够有效地缩短射孔管段50的长度，从而使通入射孔管段50的水通过孔眼更为有效地对测试段进行加压。
在步骤S1和步骤S2之间，本申请用于油井套管10应力的测试方法还可以包括：开启水泵90向地面管线送水，设定水泵90的压力为5～10MPa，并保持5～15min后，当第一应力传感器80的压降小于0.5Mpa时，执行步骤S2。上述方法能够保证地面管线具有较好的密封性能，有效地避免了水在输送过程中从地面管线漏出。
当将上述地层管线送入油井套管10中，并且油管段20的入口连接有上述地面管线时，油管段20和第一封隔器40之间还可以连通并设置有循环阀30，且循环阀30还与油井套管10连通，此时在步骤S1与步骤S2之间，测试方法还可以包括：关闭循环阀30，以阻断油管段20与油井套管10之间的连通，并使射孔井段位于第一封隔器40和第二封隔器60之间。可以向油管段20内投球，以打压循环阀30，使循环阀30关闭。通过向上述循环阀30投球，使球卡在循环阀30中，从而使循环阀30还与油井套管10之间的通道关闭，此时若再向油管段20中注入，能够保证水不会从循环阀30流入油井套管10中，进而使水通过循环阀30流入到射孔管段50中，再通过孔眼进入到测试段中。
在上述优选的实施方式中，更为优选地，在关闭循环阀30以阻断油管段20与油井套管10之间的连通的步骤之前，开启水泵90向油管段20中和油井套管10中送水；以及在关闭循环阀30以阻断油管段20与油井套管10之间的连通的步骤之后，打开油井套管10的闸门，并设定水泵90的压力为10～15MPa，并保持5～10min后，当第一应力传感器80的压降小于0.5Mpa时，关闭水泵90，并执行步骤S2。
打开上述油井套管10的闸门，是为了验证第一封隔器40的密封性，如果第一封隔器40密封效果好，第一封隔器40与油井套管10之间不存在压力传递，且油井套管10内不会有液体返出，如果第一封隔器40密封效果不好，会存在压力传递，油井套管10内会有液体返出，如果不打开油井套管10的闸门就无法判断是否有液体返出；水泵的压力为10～15MPa，停泵后关闭进口闸门，保持5～15min后，第一应力传感器80的压降小于0.5Mpa。这是为了验证两个封隔器的密封性，如果密封效果好，会形成封闭空间，没有泄压通道，停泵后压力基本不会降低，压降如果低于0.5MPa，说明密封效果后；如果密封效果不好，会存在泄压通道，压力会下降比较快，大于0.5MPa的话，封隔器密封效果不合格。
在一种优选的实施方式中，当采用上述的地层管线和上述地面管线时，获得上述瞬时闭合压力Ps的具体方法为：在步骤S2中，开启水泵90向油管段20中送水，当第一应力传感器80测量的应力值开始下降时，关闭水泵90；画出井底压力随关闭水泵90后时间的开方的变化曲线，其中，井底压力为油管段的管口至射孔井段之间的水的重量产生的静水压力与流经第一应力传感器的应力值之和，静水压力为ρgH，其中，ρ为水的密度，H为井底垂直深度，g为重力加速度，且井底压力随关闭水泵后时间的开方的变化曲线包括依次连接的第一直线段、曲线段和第二直线段，第一直线段的延伸线和第二直线段的延伸线的交点对应的应力值为瞬时闭合压力Ps。
在完成步骤S2之后，执行步骤S3：将射孔井段中的水排出后，再次向射孔井段中注水，并测试射孔井段对应位置处的岩石的破裂重张压力Pr。将射孔井段中的水排出，以使射孔井段内的压力完全回零后，即可向射孔井段中进行新一轮注水，直到前一次岩石产生的破裂缝重新张开，水压形成的破裂面在后续的重张压裂循环中，在逐渐增大的液压作用下，破裂缝重新张开时的压力为重张压力Pr。
重张压力Pr可以通过画压力-时间关系曲线来确定，在压力-时间关系曲线上，压裂前的曲线上升过程为线性增长，即压力上升速度保持稳定，当压力上升速率发生突变时，即从上升曲线的线性部分作切线，曲线偏离的那一点即为重张压力Pr。在裂缝重张以后的过程中，压力上升速率明显降低，待曲线上升至峰值时，并有曲线与时间轴平行的现象，此时裂缝已充分张开，并且注水流量与从裂缝流出的流量保持平衡。
瞬时闭合压力Ps也可以通过画压力-时间关系曲线来确定，在步骤S3中，开启水泵90向油管段20送水，当第一应力传感器80测量的应力值开始下降时，关闭水泵90。裂缝重新裂开后，停泵的那一点作一条与上述关系曲线相切的直线，取直线离开上述关系曲线的那一点为瞬时闭合压力Ps，在上述压力-时间关系曲线中，开始时压力下降速率较大并呈线性关系，之后压力下降速率减小。
在一种优选的实施方式中，当采用上述的地层管线和上述地面管线时，在步骤S3中，判断流经第一应力传感器80的水的应力值，当应力值随时间的变化率小于0.02Mpa/min时，打开第一应力传感器80和水泵90之间的回流阀门，以将油井套管10中的水排出。当流经第一应力传感器80的水的应力值满足上述优选的参数范围，即测试段内的压力趋于平稳或不再有明显下降时，通过回流阀门将地层管线中的水回流至地面管线中，能够有效地缩短瞬时闭合压力Ps阶段的测试时间，从而有效地提高了油井套管10应力的测试效率；且当地面管线包括回流管道170和上述回流容器180时，在步骤S3中，从射孔井段中排出的水可以直接流回回流容器180中，实现了水在地层管线和地面管线中的循环利用。
在一种优选的实施方式中，当采用上述的地层管线和上述地面管线时，获得上述瞬时闭合压力Pr的具体方法为：在步骤S3中，开启水泵90向油管段20送水，画出流经第一应力传感器80的应力值随时间的变化曲线，并对应力值随时间的变化曲线作切线，切线的斜率开始变化时的切点对应的应力值为破裂重张压力Pr。
在完成步骤S3之后，执行步骤S4：利用瞬时闭合压力和破裂重张压力进行计算，得到射孔井段对应位置处的岩石的最大水平主应力σHmax和最小水平主应力σHmin。在确定最大水平主应力σHmax和最小水平主应力σHmin的基础上，能够有效地确定浅层超稠油油藏的最佳注汽压力，进而能够有效地提高注汽效率，降低蒸汽的热损失。
在一种优选的实施方式中，当采用上述的地层管线和上述地面管线时，得到射孔井段对应位置处的岩石的最大水平主应力σHmax和最小水平主应力σHmin的具体方法为：在步骤S4中，通过公式σHmax＝3σHmin-Pr-Po得到最大水平主应力σHmax，并通过公式σHmin＝Ps得到最小水平主应力σHmin，其中，Po为Po＝ρgH，其中ρ是水的密度；H为井底垂直深度；g为重力加速度。Po为岩石的孔隙压力，通常以测试段所处地下水位的静水压力作为岩石的孔隙压力Po。
当选取的测试井段为多个，且各测试井段分别位于油藏盖层、油层或油藏底层中时，测试方法还包括：在依次执行步骤S1至步骤S4之后，重复执行步骤S3至步骤S4。可以先将上述地层管线中的射孔管段50与地层最下面的测试井段对应，在对该测试井段处的岩石应力测试完毕后，将地层管线上提，以将射孔管段50对应由下至上数的第二个测试井段，并对该测试井段处的岩石应力进行测试，该处应力测试完毕后，再将地层管线上提，依此类推，测得地层中所有测试井段处岩石的瞬时闭合压力Ps和重张压力Pr，再利用上述各测试井段处岩石的瞬时闭合压力Ps和重张压力Pr进行计算，从而得到各射孔井段对应位置处的岩石的最大水平主应力σHmax和最小水平主应力σHmin。利用上诉多个对应于射孔井段的最大水平主应力σHmax和最小水平主应力σHmin，能够更为有效地对浅层超稠油油藏的最佳注汽压力进行确定，进而能够有效地提高注汽效率，降低蒸汽的热损失。
在步骤S4的步骤之后，方法还可以包括：S5、将地层管线提出油井套管10。优选地，在步骤S5中，将地层管线上提，以将第一封隔器40和第二封隔器60解封后静置10min以上，再提出油井套管10。并且，在提管柱前必须进行压井作业，反循环洗压井，压井合格后，缓慢上提至封隔器解封，静置10min以上后再上提管柱。上述方法能够有效地防止由于上提地层管线过快导致的器件受损和水的泄露。
下面将结合实施例进一步说明本申请提供的用于油井套管的应力测试方法。
实施例1
本实施例提供的用于油井套管的应力测试方法包括以下步骤：
1、测取新疆油田超稠油区块某直井F1的地应力，该井的油井套管垂深100m，根据该区块取芯井岩芯编录数据及工程设计要求，选取油藏盖层(1段)、油层(3段)、底层(1段)共五个测试段，在这五个测试段对应的油井套管处进行射孔，射孔采用YD-89射孔弹电缆射孔，射孔密度20孔/m，每个射孔段为0.5m。
2、射孔完成后，用Ф152mm×1000mm(直径×长度)通井规通井至人工井底。
3、用直径为177.8mm刮壁器刮油井套管至人工井底，在测试段反复刮壁三次，确保试验段井壁光滑、管径一致。
4、用直径为73mm的油管段(型号为UP TGB)将其它井下测量设备送入油井套管中，如图2所示地层管线自下而上的连接顺序为：第二应力传感器、第二封隔器(型号为KCZ231/145×62-120/30)、盲堵板、射孔管段(长度为1m，射孔密度为25孔/m)、直径为73mm长度为2.5m的油管短接(型号为UPTGB)、第一封隔器(型号为KCZ331/150×62-120/30)、KCSLM8Z/145×62水力锚(型号为KCSLM8Z/145×62)、循环阀、直径为73mm的油管段(型号为UP TGB)、自封封井器。
5、连接好地面管线：水泵入口连接上回流容器，出口段采用直径为50.8mm的管线连接上第一阀门和第一流量计，然后接上三通，一边连接直径为50.8mm的管线并通过第一压力传感器连接于油井套管的井口，另一边通过直径为25.4mm的管线连接第二流量计与第二阀门，并与接回流容器连接，地面管线的连接关系如图3所示。施工前，地面管线试压10MPa，稳压10min，不刺不漏为合格，合格后进行下一步骤。
6、将地层管线下入油井套管后，坐封第一封隔器，下放全部地层管线重量，然后投直径为45mm的钢球一枚，打压关闭循环阀；油管段及油井套管灌满液体，套管试压合格后，打开套管闸门，从油管打压10MPa并保持压力5min，压降小于0.5MPa，则封隔器密封良好，关闭水泵后进行下一步骤。
7、上提地层管线，坐封第一封隔器，并下放全部管柱重量，使第一封隔器和第二封隔器卡封在最下一段测试段，然后开启水泵向油管段中送水，以对测试段加压，当第一应力传感器测量的应力值开始下降时，关闭水泵；画出井底压力随时间的开方的变化曲线，如图3中的实线所示，纵坐标为井底压力BHP，其值等于油井套管的管口至射孔井段之间的水的重量产生的静水压力与流经第一应力传感器的应力值之和，单位为MPa，横坐标为关闭水泵后时间的开方值sqrt(relative time)，单位为分钟的开方，上述变化曲线包括依次连接的第一直线段、曲线段和第二直线段，第一直线段的延伸线和第二直线段的延伸线的交点对应的应力值为瞬时闭合压力Ps，如图4所示。
8、当流经第一应力传感器的水的应力值随时间的变化率小于0.02Mpa/min时，打开第一应力传感器和水泵之间的回流阀门，以将油井套管中的水排出；开启水泵向油管段送水，画出流经第一应力传感器的应力值随时间的变化曲线，并对上述变化曲线作切线，切线的斜率开始变化时的切点对应的应力值为破裂重张压力Pr。
9、再重复执行4次上述步骤8，以获得5次测试中的破裂重张压力Pr，在5次对破裂重张压力Pr的测试中，流经第一应力传感器的应力值随时间的变化曲线如图5所示。
10、最下面一层测试层测试完成以后，上提地层管线解封第一封隔器和第二封隔器，再上提地层管线使第一封隔器和第二封隔器卡封在上一层测试层位置，按照步骤7至9测试这一层对应位置处岩石的瞬时闭合压力Ps和破裂重张压力Pr。
11、由下至上的其它测试层依次采用步骤7、8测试其对应位置处岩石的瞬时闭合压力Ps和破裂重张压力Pr。
12、通过公式σHmax＝3σHmin-Pr-Po得到各测试段对应岩石处的最大水平主应力σHmax，并通过公式σHmin＝Ps得到各测试段对应岩石处的最小水平主应力σHmin，其中，Po为＝ρgH，ρ＝1.0g/cm3；H＝365.27m；g＝9.8m/s2。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明提供了一种用于油井套管的应力测试方法，由于该测试方法通过将射孔管段通入流体，以对测试段进行加压，并对测试段对应的岩石处的应力值进行测试，从而可以通过测试结果计算出测试段对应位置处的岩石的最大主应力值和最小水平主应力值，并利用上述应力值有效地对浅层超稠油油藏的最佳注汽压力进行确定，进而能够有效地提高注汽效率，降低蒸汽的热损失。以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种用于油井套管的应力测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
S1、对设置于地层中的油井套管进行测试井段的选取，并对选取的所述测试井段打孔，以形成射孔井段；
S2、向所述射孔井段中注水，停止注水后测试所述射孔井段对应位置处的岩石的瞬时闭合压力Ps；
S3、将所述射孔井段中的水排出后，再次向所述射孔井段中注水，并测试所述射孔井段对应位置处的岩石的破裂重张压力Pr；
S4、利用所述瞬时闭合压力和所述破裂重张压力进行计算，得到所述射孔井段对应位置处的岩石的最大水平主应力σHmax和最小水平主应力σHmin。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在所述步骤S1与步骤S2之间，所述测试方法还包括：
将地层管线送入所述油井套管中，所述地层管线包括顺次连接的油管段、循环阀、第一封隔器、射孔管段和第二封隔器，使所述第一封隔器和所述第二封隔器均卡封在所述油井套管中，其中，所述油管段、所述第一封隔器和所述射孔管段形成通路；
且所述油管段的入口连接有地面管线，所述地面管线包括主管道和用于检测所述主管道的流体应力的第一应力传感器，所述第一应力传感器设置在所述主管道上，水泵与所述主管道连接以用于给所述地层管线注水，且所述主管道与所述油管段连通。
3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，所述油管段和所述第一封隔器之间连通并设置有循环阀，所述循环阀还与油井套管连通，在所述步骤S1与步骤S2之间，所述测试方法还包括：
关闭所述循环阀，以阻断所述油管段与所述油井套管之间的连通，并使所述射孔井段位于所述第一封隔器和所述第二封隔器之间。
4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，在所述步骤S2中，
开启所述水泵向所述油管段中送水，当所述第一应力传感器测量的应力值开始下降时，关闭所述水泵；
画出井底压力随关闭所述水泵后时间的开方的变化曲线，所述井底压力为所述油管段的管口至射孔井段之间的水的重量产生的静水压力与流经所述第一应力传感器的应力值之和，所述静水压力为ρgH，其中，ρ为水的密度，H为井底垂直深度，g为重力加速度，且所述井底压力随关闭所述水泵后时间的开方的变化曲线包括依次连接的第一直线段、曲线段和第二直线段，所述第一直线段的延伸线和所述第二直线段的延伸线的交点对应的所述应力值为所述瞬时闭合压力Ps。
5.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，在所述步骤S3中，流经所述第一应力传感器的水的应力值随时间的变化率小于0.02Mpa/min时，打开所述第一应力传感器和所述水泵之间的回流阀门，以将所述油井套管中的水排出。
6.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，在所述步骤S3中，开启所述水泵向所述油管段送水，画出流经所述第一应力传感器的应力值随时间的变化曲线，并对所述应力值随时间的变化曲线作切线，所述切线的斜率开始变化时的切点对应的所述应力值为所述破裂重张压力Pr。
7.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，在所述步骤S4中，通过公式σHmax＝3σHmin-Pr-Po得到最大水平主应力σHmax，并通过公式σHmin＝Ps得到最小水平主应力σHmin，其中，所述Po＝ρgH，ρ为水的密度；H为井底垂直深度；g为重力加速度。
8.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，
在关闭所述循环阀以阻断所述油管段与所述油井套管之间的连通的步骤之前，开启所述水泵向所述油管段中和所述油井套管中送水；以及
在关闭所述循环阀以阻断所述油管段与所述油井套管之间的连通的步骤之后，打开所述油井套管的闸门，并设定所述水泵的压力为10～15MPa，并保持5～10min后，当所述第一应力传感器的压降小于0.5Mpa时，关闭所述水泵，并执行所述步骤S2。
9.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，在关闭所述循环阀以阻断所述油管段与所述油井套管之间的连通的步骤中，向所述油管段内投球，以打压所述循环阀，使所述循环阀关闭。
10.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述测试方法还包括：
在依次执行所述步骤S1至所述步骤S4之后，重复执行所述步骤S3至所述步骤S4。
11.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，在所述步骤S4的步骤之后，所述方法还包括：
S5、将所述地层管线提出所述油井套管。
12.根据权利要求11所述的测试方法，其特征在于，在所述步骤S5中，将所述地层管线上提，以将所述第一封隔器和所述第二封隔器解封后静置10min以上，再提出所述油井套管。
13.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在所述步骤S1中，选取的所述测试井段为多个，各所述测试井段分别位于油藏盖层、油层或油藏底层。
14.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在所述步骤S1中，形成的所述射孔井段沿轴向上的射孔密度为12～36孔/m，射孔井段的长度为0.5～1m。
15.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，所述地层管线包括顺次连接的自封封井器、所述油管段、所述循环阀、水力锚、所述第一封隔器、所述射孔管段、所述第二封隔器以及第二应力传感器。
16.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，在所述步骤S1和步骤S2之间，开启所述水泵向所述地面管线送水，设定所述水泵的压力为5～10MPa，并保持5～15min后，地面管线不漏水，且当所述第一应力传感器的压降小于0.5Mpa时，执行所述步骤S2。
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