CN106771096A - 一种固井水泥环封隔能力动态测试装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固井水泥环封隔能力动态测试装置及实验方法。该装置包括工作平台和测试主体，工作平台有计算机，测试主体上下为釜盖，中部为釜体，釜体里由外及内依次为模拟地层‑水泥环‑套管的结构，套管内插有实心柱体，釜盖与地层‑水泥环‑套管端面接触部分均有滤网和偏心座。该方法包括：配制水泥浆，灌入环形空间内；候凝，养护硬化成环；改变套管内温度压力，测试套管径向位移和模拟地层周向位移，通过声波测试曲线监测水泥环密封失效情况；检测水泥环内产生的微裂缝、一二界面处产生的微环隙，分析水泥环密封失效形式。本发明原理可靠，操作简便，实验过程一体化养护，为测试固井水泥环封隔能力的研究提供了更多的数据支撑和理论依据。

Description

一种固井水泥环封隔能力动态测试装置及实验方法

技术领域

本发明涉及石油工程固井领域一种动态监测不同工况下水泥环封隔能力的动态测试装置及实验方法。

技术背景

油气井固井作业是指油井水泥注入井下套管与地层之间的环形空间内，使水泥浆在设计时间内凝结、固化，形成具有层间封隔能力的水泥环的过程。水泥环在井下的作用除了封隔地层外，对悬挂和保护套管，延长全井生产周期也有着不可或缺的作用。

然而，水泥环在井下的服役环境十分恶劣。现场实际施工时，套管偏心、大肚子井眼、混浆、充填不均等工况亦会对水泥环自身性能产生不容忽视的影响，遇到恶劣、持续的载荷作业及热应力的冲击更会对保障固井水泥环封隔能力提出难题。钻进过程中，上一开次水泥环要承受当前钻进过程中的钻柱碰撞、钻井液密度变化、井下复杂作业时带来的压力骤增与骤减以及套管试压等；增产求产过程中，射孔、酸化、压裂、试油等作业带来的载荷变化，均会对水泥环封隔能力提出更严峻的挑战；生产过程中，尤其是高温高压的天然气井，不断产出的高压气体会使油管温度逐渐升高，而环空中填充的工作液温度也会愈来愈高，液体升温必然会存在膨胀效应，液体高温膨胀对固井水泥环的影响也不容忽视。

近年来，随着对固井水泥环封隔能力研究的不断深入，国内外诸多学者、机构推出了自己的测试手段及测试装置，例如：水泥环密封完整性实验装置(SPE 168321)，可以模拟套管内外压力及温度变化，直接观察水泥环表面是否发生微裂缝，并借助CT扫描进行后续研究；一种水泥环结构完整性力学实验装置(CN 103498662A)，预先在养护釜体内养护套管水泥环结构，而后放入测试釜体内通过轴向机械加压方式检测套管-水泥环组合体的完整性；一种深水固井水泥环封隔性能测试装置(CN 103174409A)，采用不同类型材料模拟不同地层，仪器配有应变片，用于测量水泥环应变，借以推算应力，通过改变套管内压，测试水泥环完整性；地层作用下套管-水泥环损坏室内模拟试验装置(CN 101725345A)，在模拟器内养护实验样品，放入实验装置内模拟层间滑动，通过应变片检测水泥环样品位移情况；一种固井水泥环性能模拟实验装置及实验方法(CN 102979505A)，采用全尺寸模拟井下结构，并采用人造围岩，设有注入工作液的进口，可以循环不同工作液。

上述测试手段及测试装置都是力图还原水泥环在井下的实际承载状态来研究水泥环的完整性问题，存在诸多不足：

首先，井下温度压力的还原，随着当前井下条件的日益恶劣，室内实验的条件也必定会要求高温高压，而这一要求对实验釜体壁厚、材质的控制、选择十分苛刻，因此能够同时加载内压、外压并且能够达到井下实际的温度压力条件才能满足要求。

其次，井下复杂情况的模拟，以往装置仅仅模拟套管居中的情况，但是鲜有对于偏心、混浆、大肚子井眼、充填不均、水平井、双层套管、封隔器坐封位置处水泥环、腐蚀的模拟，对比规则井眼，完全充填与井下实际情况下的水泥环封隔性能也不会相同。

最后，测试手段的单一，以是否发生“气窜”作为观测水泥环封隔能力破坏与否的依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固井水泥环封隔能力动态测试装置，该装置依据几何相似、力学等效理论及材料性能相似的原理，模拟水泥环在井下的实际温度压力环境，更加真实地模拟钻井、试油、生产及紧急关断等作业时套管内温度压力变化对水泥环封隔能力的影响，温度上限250℃，模拟地层压力上限100MPa，模拟套管内压120MPa，为模拟固井水泥环在井下承载情况提供了基础。

本发明的另一个目的在于提供利用上述装置对固井水泥环封隔能力进行动态测试的实验方法，该方法原理可靠，操作简便，实验过程一体化养护，可以动态测试水泥环及套管在实验周期内的变化，弥补了当前研究测试手段的不足，为测试固井水泥环封隔能力的研究提供了更多的数据支撑和理论依据。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

固井水泥环封隔能力动态测试装置，在模拟地层-水泥环-套管组合体中，将液态水泥灌入模拟地层-套管间的环形空间，加压候凝，养护成环，改变实验温度压力模拟井下工况，同时选用耐高温高压的应变计测量套管径向位移，采用周向位移计测量模拟地层周向位移，通过声波检测水泥环封隔失效情况，判断水泥环在何处产生微裂纹或微裂隙，在水泥环端面利用高压气体评价水泥环是否发生密封失效，该装置能够检测套管在实际载荷下的变形，检测水泥环在何种工况发生密封失效，判断水泥环能否承受实际作业中的载荷变化保障层间封隔。

一种固井水泥环封隔能力动态测试装置，包括测试主体和工作平台。

所述工作平台有计算机，用于采集、整理、分析实验数据，还设有压力温度控制终端，用于增减压和升降温操作，可实时检测温度压力，自动恒温稳压。

所述测试主体包括支架、位于支架上的养护测试一体化装置，测试主体外部有金属外罩及保温层，中部为放置模拟地层-水泥环-套管结构的釜体，釜体内部空间由外及内依次为设有周向位移计及声波接收探头的模拟地层，模拟地层与套管之间为水泥环养护、实验的环形空间，套管内插有能够调节套管偏心程度的圆柱形实心柱体，柱体与套管之间存在环隙，柱体内有放置应变计的三处孔道，可以检测不同方向上的套管应变量。

所述测试主体上下为釜盖，与地层-水泥环-套管端面接触部分为滤网及可调节偏心程度的偏心座结构，同时上釜盖预留了套管内实心柱体插口，还分别设有声波引线器、周向位移计引线器、连接水泥环气窜出口的气窜采集口、连接氮气注入管线的氮气注入口，实心柱体上有应变计引线器、内压注排气口、内压传感器，下釜盖设有围压传感器、围压降压阀、围压增压阀、安全阀。其中围压管线、内压管线及氮气注入口均连接由计算机控制的压力泵，气窜采集口连接转子流量计。

所述测试主体的釜体壁内部备有加热丝，外部有保温层，实验时可由釜体加热，加热全程由计算机控制及检测，避免误差。

所述测试主体内实心圆柱结构备有特制圆环形封隔构件，能够封隔圆柱与套管间环形空间，形成两个独立空间。

所述釜体为钢质中空圆筒。

所述上下釜盖采用不锈钢材质，尺寸与釜体匹配，达到密封“模拟地层-水泥环-套管”组合体的目的。

所述模拟地层为铝制合金，力图还原实际地层地质参数。

所述模拟地层上的声波接收探头间周向相隔角度为90°，共4个(可根据实验要求添加)，以螺旋状分布于模拟地层。

所述支架为四角梯形不锈钢钢架，目的是支撑测试主体。

所述装置的所有压力管汇均为能承受140MPa的不锈钢管线。

所述装置备有连接构件和密封件，连接构件为螺纹、螺母、压环；密封件为垫片和O型圈，材料为聚四氟乙烯。

本发明不仅可以模拟套管居中时工况载荷下对水泥环完整性的影响，还可以模拟大肚子井眼、椭圆井眼、偏心、混浆、充填不均及多层套管等井下实际情况，可根据实际情况调整装置内部结构，弥补了以往测试结构的不足。

本发明还可以通过添加特制插件模拟封隔器坐封位置处的水泥环封隔能力，通过改变实验温度压力，检测封隔上下位置处水泥环失效位置，进一步分析该处水泥环损伤情况，研究失效机理。

本发明也可通过改变水泥环端面注入流体，分析不同地层流体对水泥环封隔能力的影响。

利用上述装置对固井水泥环封隔能力进行动态测试的实验方法，依次包括以下步骤：

(1)按照API规定配制所需水泥浆，灌入模拟地层与套管的环形空间内，密封上釜盖，根据井下固井施工作业时的温度压力，通过相应等效模型换算成实验装置内的温度压力，确定养护条件及一系列实验工况；

(2)通过计算机将釜体内温度压力调整至养护条件的温度压力，根据现场施工要求，在规定时间内候凝，养护硬化成环；

(3)根据实验工况改变套管内温度压力，调节完每个温度压力节点后，持续一定时间，通过实心柱体内应变计测试套管径向位移，通过周向位移计测量模拟地层周向位移，通过声波探头实时监控声波测试曲线，监测水泥环密封失效情况：

A：若水泥环产生微裂纹或微环隙，位于模拟地层的声波接收探头会记录相应声幅波动，示波器产生相应曲线，显示声波曲线波动幅度增加；

B：当水泥环产生纵向贯穿性裂缝，检测到声波曲线波动幅度达到最大，同时，通过与水泥环端面气窜采集口连接的转子流量计检测到气体流量，断定水泥环发生密封失效；

C：结合应变计、周向位移计检测套管及模拟地层细微变化，与声波测试结果相互对照，研究套管变形对水泥环密封失效的影响；

(4)取出“模拟地层-水泥环-套管”组合体，做微观检测，检测水泥环内产生的微裂缝、一二界面处产生的微环隙，分析水泥环密封失效形式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)一体化养护，以往水泥环完整性实验均是在养护模具内养护成型，取出后放入完整性装置，这一降温降压再升温升压的过程，对水泥环的性能影响不可忽视。本装置一体化养护，在实验装置内养护成型后直接开始实验，大大提升了实验精度。

(2)监测手段丰富，以往水泥环密封实验监测手段单一，以直观监测是否发生“气窜”为主，而本发明能够动态监测，实时监控微裂纹及微裂缝的产生。通过模拟围岩外侧安装的声波探头监测内部水泥环产生的微裂纹及微环隙，可以在动态监测水泥环产生的损伤情况，分别判断水泥环“损伤”和“失效”，实时评价水泥环封隔能力；还可以测量套管形变和模拟地层的周向位移，研究非均匀地应力作用下温度压力的变化对套管-水泥环的影响。

(3)特殊井下结构的模拟，以往水泥环完整性实验装置通常都是套管居中，而本装置可以有效模拟偏心，并根据实际情况改变偏心度，同时也能模拟混浆、充填不均、大肚子井眼和水平井等现场复杂结构。

(4)有效模拟多层套管，以往水泥环封隔能力测试装置均为单层套管的简单井身结构。

(5)通过在套管内实心柱体任一部位安装插件，将套管内空间分隔成两个不相互连通的空间，模拟封隔器坐封后同一开次水泥环在不同内压系统下的损伤情况，评价该水泥环封隔能力。

附图说明

图1为一种固井水泥环封隔能力动态测试装置的结构示意图。

图2为上釜盖的俯视图。

图3为测试主体内套管偏心示意图。

图中：1、内压注排气口；2、应变计引线器；3、内压传感器；4、周向位移计引线器；5、声波接收探头引线器；6、金属外罩；7、保温层；8、氮气注入管线；9、滤网；10、水泥环；11、声波接收探头；12、模拟地层；13、套管；14、周向位移计；15、水泥环气窜出口；16、应变计；17、偏心座；18、实心柱体；19、围压降压阀；20、安全阀；21、围压增压阀；22、围压传感器；23、氮气注入口；24、气窜采集口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参看图1、图2。

一种固井水泥环封隔能力动态测试装置，包括工作平台和测试主体。

所述工作平台有计算机，计算机设有压力温度控制终端。

所述测试主体位于支架上，测试主体外部为金属外罩6及保温层7，上下为釜盖，中部为釜体，釜体里由外及内依次为模拟地层12-水泥环10-套管13的结构，模拟地层12设有周向位移计14及声波接收探头11，模拟地层与套管之间为水泥环养护、实验的环形空间，套管13内插有能够调节套管偏心程度的圆柱形实心柱体18，实心柱体与套管间存在环隙用于施加套管内压，实心柱体内有三处孔道放置应变计16，用以测量套管在不同方向上的位移。

所述测试主体上下均有釜盖，上釜盖、下釜盖与地层-水泥环-套管端面接触部分均有滤网9和可调节偏心程度的偏心座17，上釜盖有实心柱体插口，还分别有声波接收探头引线器5、周向位移计引线器4、连接水泥环气窜出口15的气窜采集口24、连接氮气注入管线8的氮气注入口23，实心柱体上有应变计引线器2、内压注排气口1、内压传感器3；下釜盖设有围压传感器22、围压降压阀19、围压增压阀21、安全阀20。

所述围压传感器22、内压传感器3及氮气注入口23均连接由计算机控制的压力泵，气窜采集口24连接转子流量计。

所述测试主体内圆柱形实心柱体有圆环形封隔构件，能够分隔柱体与套管间环形空间，形成两个空间。

所述模拟地层上的声波接收探头间周向相隔角度为90°，共4个，以螺旋状分布于模拟地层。

上述固井水泥环封隔能力动态测试装置的实验方法可以有很多种，下面逐一展开叙述：

(1)套管居中情况下全井周期水泥环封隔能力测试：

研究水泥环所处地层温度130℃，地层压力70MPa，将实际管柱尺寸按照几何模型等比例缩小至装置尺寸，组装仪器，开启计算机，准备灌入水泥浆，将现场应用水泥配方按API标准制备成浆，置入环形空间，密封仪器，按照固井时刻井筒内液柱压力通过模型换算成套管内压，通过PC端同时施加套管内压、围压及水泥环端面压力，调整养护温度，养护现场实际天数成环。根据后续实际工况，通过模型换算成实验工况，即保持“地层压力一定”改变“套管内压”，在计算机内输入改变的内压值、温度值以及稳压时间，同时检测模拟围岩外侧声波接收探头所测曲线，观察套管应变，检查模拟围岩周向位移。套管内压力升降会造成套管膨胀或收缩，套管内应变计会测出相应值，当套管反复受力，产生不可逆的形变时，即套管发生损坏；一旦水泥环产生微裂缝或微环隙，声波测试曲线中声波波幅则会出现波动，根据不同探头接收到的数据可以判断损伤发生的位置。若水泥环密封能力发生破坏，层间封隔失效，意味着水泥环端面的注气孔与出气孔之间会产生气体流窜通道，反映到实验数据上声波测试曲线产生较大峰值，实验现象则是气体流量计检测到气体读数变化。实验结束，取出“模拟地层-水泥环-套管”组合体，进行微观检测，检测1、2界面胶结及水泥环本体损伤情况，进行下一步分析。

(2)套管偏心情况下全井周期水泥环封隔能力测试(见图3)：

调整上下釜盖偏心座，根据实际情况近似选择66.7％、50％、33.3％的偏心度，同时调整套管内中空柱体内应变计的角度，配合套管偏心情况进行实验，后续实验过程与套管居中情况下相似，此处不多做赘述。

(3)双层套管情况下全井周期水泥环封隔能力测试：

根据井下套管尺寸按照几何模型等比例缩小，釜体内结构由外及内依次为模拟围岩、环空、套管、环空、套管，其中内层套管内径不变，组装过后，按照(1)中所述方法制备水泥，养护成环，进行实验，同时检测实验数据，进行分析论证。实验结束后，取出组合体，进行微观检测。

(4)大肚子井眼情况下全井周期水泥环封隔能力测试：

根据井下实际井眼构造制作模拟围岩，方法是将模拟围岩与水泥环接触壁面做成上下窄，中部宽的模式，而后按照正常工序进行试验。

(5)充填不均情况下全井周期水泥环封隔能力测试：

根据井下实际水泥环充填情况，在注水泥的环形空间内，不均匀地放入块状泡沫，而后灌入水泥浆进行试验。

(6)CO₂腐蚀对水泥环封隔能力的影响：

按照方法(1)组装装置后，水泥环端面注气孔注入CO₂并开始继续实验，调节压力温度，模拟现场工况，记录声波数据及观察是否发生封隔失效；而后重复实验，不同的是端面注气孔注入氮气，记录声波数据及观察是否发生封隔失效，对比水泥环产生损伤的时刻即可判断CO₂腐蚀对水泥环密封能力的影响。

(7)封隔器坐封时封位上下水泥环密封能力测试：

按照方法(1)组装装置，不同的是，在套管内实心圆柱中部套入特制密封插件，在插件上部注入液体，可以施加压力，插件下部中空，通过改变温度压力测试水泥环损伤位置，模拟分析封隔器坐封位置上下处的水泥环损伤是否一致，评价水泥环封隔能力。

以上所述仅是本发明的几种实施方式，仍有大肚子井眼、混浆、充填不均、水平井等可以通过该装置实现。应当指出的是：相关技术人员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 (4)

1.一种固井水泥环封隔能力动态测试装置，包括工作平台和测试主体，其特征在于，所述工作平台有计算机，计算机设有压力温度控制终端，所述测试主体位于支架上，测试主体外部为金属外罩(6)及保温层(7)，上下为釜盖，中部为釜体，釜体里由外及内依次为模拟地层(12)-水泥环(10)-套管(13)的结构，模拟地层(12)设有周向位移计(14)及声波接收探头(11)，套管(13)内插有能够调节套管偏心程度的圆柱形实心柱体(18)，实心柱体与套管间存在环隙用于施加套管内压，实心柱体内有三处孔道放置应变计(16)；所述测试主体上下均有釜盖，上釜盖、下釜盖与地层-水泥环-套管端面接触部分均有滤网(9)和偏心座(17)，上釜盖有实心柱体插口，还分别有声波接收探头引线器(5)、周向位移计引线器(4)、连接水泥环气窜出口(15)的气窜采集口(24)、连接氮气注入管线(8)的氮气注入口(23)，实心柱体上有应变计引线器(2)、内压注排气口(1)、内压传感器(3)；下釜盖设有围压传感器(22)、围压降压阀(19)、围压增压阀(21)、安全阀(20)；所述围压传感器(22)、内压传感器(3)及氮气注入口(23)均连接由计算机控制的压力泵，气窜采集口(24)连接转子流量计。

2.如权利要求1所述的一种固井水泥环封隔能力动态测试装置，其特征在于，所述圆柱形实心柱体有圆环形封隔构件，分隔柱体与套管间环形空间，形成两个空间。

3.如权利要求1所述的一种固井水泥环封隔能力动态测试装置，其特征在于，所述模拟地层上的声波接收探头间周向相隔角度为90°，以螺旋状分布于模拟地层。

4.利用权利要求1、2或3所述的装置对固井水泥环封隔能力进行动态测试的实验方法，依次包括以下步骤：

(1)配制水泥浆，灌入模拟地层与套管的环形空间内，密封上釜盖，根据井下固井施工作业时的温度压力，确定养护条件；

(2)通过计算机将釜体内温度压力调整至养护条件的温度压力，在规定时间内候凝，养护硬化成环；

(3)改变套管内温度压力，调节完每个温度压力节点后，持续一定时间，通过应变计测试套管径向位移，通过周向位移计测量模拟地层周向位移，通过声波探头实时监控声波测试曲线，监测水泥环密封失效情况：

A：若水泥环产生微裂纹或微环隙，位于模拟地层的声波接收探头会记录相应声幅波动，示波器产生相应曲线，显示声波曲线波动幅度增加；

B：当水泥环产生纵向贯穿性裂缝，检测到声波曲线波动幅度达到最大，同时，通过与水泥环端面气窜采集口连接的转子流量计检测到气体流量，断定水泥环发生密封失效；

C：结合应变计、周向位移计检测套管及模拟地层细微变化，与声波测试结果相互对照，研究套管变形对水泥环密封失效的影响；

(4)取出“模拟地层-水泥环-套管”组合体，检测水泥环内产生的微裂缝、一二界面处产生的微环隙，分析水泥环密封失效形式。