CN106928947B - 一种套管间环空的封堵材料、封堵装置和封堵方法 - Google Patents

一种套管间环空的封堵材料、封堵装置和封堵方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种套管间环空的封堵材料、封堵装置和封堵方法，封堵装置包括采油气树装置，其沿中心轴对称，所述采油气树装置封装在油井井口，用于采油；其中，所述采油气树装置的套管四通一侧安装密封排液法兰；钢丝管线，其通过密封排液法兰进入套管的环空，所述钢丝管线用于通入封堵材料；送管机，其连接钢丝管线，用于将钢丝管线放入或抽出套管；液体泵，其连接钢丝管线，用于将封堵材料从钢丝管线泵入套管。本发明的封堵装置利用封堵方法将封堵材料注入环空中，对套管环空进行有效封堵。

Description

一种套管间环空的封堵材料、封堵装置和封堵方法
技术领域
本发明涉及石油钻井、固井作业技术领域。更具体地说，本发明涉及一种石油钻井的套管间环空的封堵材料、封堵装置和封堵方法。
背景技术
钻井过程中，各层套管之间环空水泥返高没有到地面，造成透水或者泥浆残留，并且环空串压造成环空压力超出设计压力，容易引起气体外窜，影响周边群众及工作人员的人身安全。
调研发现有25％～30％的气井都存在环空带压的问题，引起环空带压的原因如下：环空压力受温度、压力变化导致流体膨胀引起的环空压力以及由于油气从地层经水泥隔离层和环空液柱向上窜流引起。环空带压最常见的处理方式是上大修拆卸井口、射孔重新封堵环空，或采用环空注水泥浆固井，造成透水或者泥浆残留，并且水泥固化收缩形成气孔造成套管环空气体的窜漏，导致环空压力超出设计压力，而且作业费用高、周期长。设计承压40-60MPa，适用环境CO2、H2S。本技术适用于所有套管间隙串压。
发明内容
本发明目的是提供一种套管间环空的3E体系封堵材料，包括具有隔离水层和自膨胀性能的EM-Ⅰ聚合物溶液、具有承载套管间压力的EM-Ⅱ聚合物溶液和具有密封性能的EM-Ⅲ聚合物溶液，解决环空带压的问题。
本发明还有一个目的是提供一种套管间环空的封堵装置，盖设在环空上并通入封堵材料，解决环空带压的问题。
本发明还有一个目的是提供一种管间环空的封堵方法，依次在环空中注入EM-Ⅰ聚合物溶液、EM-Ⅱ聚合物溶液和EM-Ⅲ聚合物溶液，各层经侯凝后对环空封堵。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种套管间环空的3E体系封堵材料，包括：
EM-Ⅰ聚合物溶液，包括表面活性剂、A组合物，其中表面活性剂、A组合物的质量比为25～55：17.5；
EM-Ⅱ聚合物溶液，包括B1凝固剂、水和A组合物，其中B1凝固剂、水和A组合物的质量比为4～5：3～4：1；
EM-Ⅲ聚合物溶液，包括B2凝固剂、水和A组合物，其中B2凝固剂、水和A组合物的质量比为6～7：4～5：1；
其中，所述EM-Ⅰ聚合物溶液、EM-Ⅱ聚合物溶液和EM-Ⅱ聚合物溶液的质量比为1：1～3：1～3。
优选的是，所述A组合物包括三元乙丙橡胶、ZnO、SA、N330、RD和MB，其中，所述EPDM、ZnO、SA、N330、RD和MB的质量比为98～105：3～6：1：18～22：1：1。
优选的是，所述EM-Ⅱ聚合物溶液还包括降失水剂、防气窜剂和消泡剂，其中，所述降失水剂、防气窜剂和消泡剂的质量比为22～27：32～37：1，消泡剂和A组合物的质量比0.007：1。
优选的是，所述EM-Ⅲ聚合物溶液还包括降失水剂、防气窜剂和消泡剂，其中，所述降失水剂、防气窜剂和消泡剂的质量比为33～35：42～45：1，消泡剂和A组合物的质量比0.007：1。
优选的是，所述降失水剂的型号为CG310L，防气窜剂型号为CT610L，消泡剂型号为CX610L。
优选的是，所述表面活性剂为CY-Ⅱ表面活性剂。
本发明的目的还通过一种套管间环空的封堵装置来实现，包括：
采油气树装置，其沿中心轴对称，所述采油气树装置封装在油井井口，用于采油气；其中，所述采油气树装置的套管四通一侧安装密封排液法兰；
钢丝管线，其通过密封排液法兰进入套管的环空，所述钢丝管线用于通入封堵材料；
送管机，其连接钢丝管线，用于将钢丝管线放入或抽出套管；
液体泵，其连接钢丝管线，用于将封堵材料从钢丝管线泵入套管。
优选的是，所述采油气树装置还包括：
油管头，其沿中心轴垂直安装在树装置两侧，用于通入油管；
套管头，其设置在所述树装置的底部，用于连接油井套管；
注入管线，其通过阀门连接树装置，用于向油井套管内通入气体和液体；
放压管汇，其通过阀门连接树装置，用于排出油井套管内气体和液体。
本发明的目的还通过一种套管间环空的封堵方法来实现，包括：
步骤1、将EM-Ⅰ聚合物溶液正循环注入套管间环空，EM-Ⅰ聚合物溶液在-10～100℃范围内、侯凝2～4h在水层上形成漂浮层；
步骤2、将EM-Ⅱ聚合物溶液正循环注入套管间环空，在0～30Mpa压力、0～80℃温度下初凝40～50h、终凝110～130h，在漂浮层上形成平齐的承载层；
步骤3、将EM-Ⅲ聚合物溶液正循环注入套管间环空，在0～30Mpa压力、0～80℃温度下初凝20～30h、终凝60～80h，在承载层上形成平齐的密封层；
步骤4、封闭套管井口48小时后测量套管间压，如套管间压力不增长，则停止封堵；如套管间压力增长，则重复步骤1～3，直至测量套管间压力不增长。
优选的是，在步骤1前还包括清洗套管间环空和注入表面活性剂的步骤；
所述清洗套管间环空的步骤为注入HEP-2清洗液后浸泡12小时，清洗3次；
所述注入表面活性剂的步骤为向清洗完的环空内注入CY-Ⅱ型表面活性剂。
本发明至少包括以下有益效果：自制封堵材料，具有长期有效密封和自修复能力不动生产管柱、不影响正常生产的优点；2、封堵方法连接简单，操作方便，成本低，适合单井及批量作业；3、封堵层密封性好、承压级别高、不可逆、防CO2、H2S。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明的套管间环空的封堵装置图。
图2是本发明的密封排液法兰剖视图。
图3是本发明的送管机的剖视图。
图4是本发明的套管间环空的封堵方法对套管环空进行封堵的效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
一种套管间环空的3E体系封堵材料，包括EM-Ⅰ聚合物溶液、EM-Ⅱ聚合物溶液和EM-Ⅲ聚合物溶液，其中，
所述EM-Ⅰ聚合物溶液包括CY-Ⅱ表面活性剂、A组合物，其中表面活性剂、纳米级高分子材料的质量比为50：17.5；表面活性剂为CY-Ⅱ表面活性剂，由厂家诺斯石油工具(天津)有限公司生产。所述EM-Ⅱ聚合物溶液，包括成分B1凝固剂、水和A组合物，其中凝固剂、水和纳米级高分子材料的质量比为4.7：3.3：1；B1凝固剂的型号为G600，由厂家北京恒聚化工集团有限责任公司生产；所述EM-Ⅲ聚合物溶液，包括成分B2凝固剂、水和A组合物，其中凝固剂、水和纳米级高分子材料的质量比为6.8：4.5：1；其中，所述B2凝固剂与B1凝固剂的型号相同，均由厂家北京恒聚化工集团有限责任公司生产；其中，所述EM-Ⅰ聚合物溶液、EM-Ⅱ聚合物溶液和EM-Ⅱ聚合物溶液的质量比为1：2：2。
在另一实施例中，所述A组合物以三元乙丙橡胶(EPDM)为膨胀的基础材料，还包括ZnO、丙烯酸十八脂SA、型号为N330的炭黑、自由基捕捉剂RD、防老增效剂MB，厂家均为北京恒聚化工集团有限责任公司，其中，所述EPDM、ZnO、SA、N330、RD和MB的质量比为100：5：1：20：1：1。所述EM-Ⅰ聚合物溶液的配制过程如下：A组合物为纳米级高分子材料，将纳米级高分子材料用筛网过滤至200L的搅拌罐内，按照比例，再加入CY-Ⅱ型表面活性剂，搅拌器充分搅拌10分钟，检测其混合均匀，无大的结块，避免堵塞钢丝软管。
在另一实施例中，所述EM-Ⅱ聚合物溶液还包括降失水剂、防气窜剂和消泡剂，其中，所述降失水剂、防气窜剂和消泡剂的质量比为25：35：1，降失水剂型号为CG310L，防气窜剂型号为CT610L，消泡剂型号为CX610L，厂家均为天津科力奥尔工程材料技术有限公司。所述EM-Ⅱ聚合物溶液的配制过程如下：A组合物为纳米级高分子材料，纳米级高分子材料用筛网过滤至200L的搅拌罐内，按照B1凝固剂、水和纳米级高分子材料的质量比为4.7：3.3：1，先加入凝固剂，使用搅拌器将纳米级高分子材料和凝固剂搅拌均匀，加入水再次混合，搅拌过程中按比例加入降失水剂、防气窜剂和消泡剂的质量比为25：35：1，搅拌至少10分钟，无大的结块，避免堵塞钢丝软管。
在另一实施例中，所述EM-Ⅲ聚合物溶液还包括降失水剂、防气窜剂和消泡剂，其中，所述降失水剂、防气窜剂和消泡剂的质量比为34：43：1。降失水剂型号为CG310L，防气窜剂型号为CT610L，消泡剂型号为CX610L，厂家均为天津科力奥尔工程材料技术有限公司。所述EM-Ⅲ聚合物溶液的配制过程如下：A组合物为纳米级高分子材料，纳米级高分子材料用筛网过滤至200L的搅拌罐内，按照凝固剂、水和纳米级高分子材料的质量比为6.8：4.5：1，再加入一定比例的凝固剂，使用搅拌器将纳米级高分子材料和凝固剂搅拌均匀，加入水再次混合，搅拌过程中按比例加入降失水剂、防气窜剂和消泡剂的质量比为34：43：1，搅拌至少10分钟，无大的结块，避免堵塞钢丝软管。
本发明还保护一种套管间环空的封堵装置，如图1-2所示，包括采油气树装置、钢丝管线、送管机和液体泵：
采油气树装置沿中心轴对称，所述采油气树装置封装在油井井口，用于采油；其中，所述采油气树装置的套管四通一侧安装密封排液法兰；
钢丝管线的承压高，曲率半径小，通过放气管进入套管的环空，所述钢丝管线用于通入封堵材料；采用10mm以上内径钢丝软管，最大程度保证排液顺畅，同时可根据环空水泥返液高度选择相应长度软管。本方法采用多种规格钢丝软管，适合各种数据套管间隙，软管承压高，曲率半径小。钢丝软管采用专用送管机送入、取出，软管可以顺利通过套管接箍，避免受阻打弯，最大程度保证软管垂直送入环空底部。采用10mm以上内径钢丝软管，最大程度保证排液顺畅，同时可根据环空水泥返液高度选择相应长度软管。
送管机结构详见图2和3，送管机连接钢丝管线，用于将钢丝管线放入套管环空底部，避免受阻打弯，最大程度保证软管垂直送入；送管机也可以将钢丝软管从套管环空底部抽出。
液体泵，其连接钢丝管线，用于将封堵材料从钢丝管线泵入套管。
在另一实施例中，所述采油气树装置还包括油管头、套管四通、套管头、注入管线、放压管汇：油管头沿中心轴垂直安装在树装置两侧，用于通入油管；套管头通过套管四通安装在所述树装置的底部，用于连接油井套管；
注入管线依次连接氮气瓶组、增压泵、发电机、空压机、注入泵和试压泵并通过阀门连接树装置，用于向油井套管内通入气体；
放压管汇的一端通过阀门连接树装置，另一端通入放空池，用于排出油井套管内气体和液体。
本发明的套管间环空的封堵装置的具体配件组成清单详见表一：
表一 封堵装置的具体配件组成清单(单井)
Figure BDA0001256040300000061
Figure BDA0001256040300000071
本发明还公开了一种套管间环空的封堵方法，包括如下步骤：
步骤1.套管放压、测原井恢复压。
步骤2.套管气体流量监测。
步骤3.环空送入管线至最大可能深度。
环空内的水泥浆排空一定高度。我方提出采用钢丝软管专用送管机送入、取出，软管可以顺利通过套管接箍，避免受阻打弯，最大程度保证软管垂直送入环空底部，解决了套管环空封堵材料分布不均，提高了封堵成功率。
步骤4.HEP-2清洗液浸泡12小时，循环3次清洗。其中，HEP-2清洗液厂家为天津科力奥尔工程材料技术有限公司。
步骤5.掏空技套环空液体，核实深度，通过钢丝软管下入至技套环空掏空液面以上1-2m处，注入一定比例的CY-Ⅱ表面活性剂，根据CY-Ⅱ表面活性剂与水之间的界面张力，用来承载一定比例的CY-Ⅱ表面活性剂与纳米级高分子材料的混合物，形成漂浮层。
步骤6.将EM-Ⅰ聚合物溶液正循环注入套管间环空，EM-Ⅰ聚合物溶液在-10～100℃、侯凝2～4h直至在水层上形成漂浮层；将钢丝软管底端下放至井内漂浮层液面以上1-2m处，通过注入泵从钢丝软管注入一定量的EM-Ⅱ聚合物溶液，控制泵压不超过6Mpa，注入后井口做密封，打平衡压至原井初始压力，蹩压候凝120h，利用EM-Ⅰ低密度易凝固，并可持续膨胀特性又可以漂浮在水层以上,EM-Ⅰ的作用：避免高密度EM-Ⅱ体系沉降，能有效的起到隔离作用。其中，正循环为溶液通过钢丝软管内注入到套管间环空，返出的液体从套管环空流出井口。
步骤7.注入EM-Ⅱ聚合物溶液蹩压候凝120h后，将钢丝软管底端下放至井内承载层界面以上1-2m处，通过注入泵从钢丝软管注入一定量的EM-Ⅲ聚合物溶液，控制泵压不超过6Mpa，注入后井口做密封，打平衡压至原井初始压力，蹩压候凝72h，在漂浮层上形成平齐的承载层，保证整个环空承载层流平齐，同时利用EM-Ⅱ强力胶结固化能力建立两个环形界面间的封固层，承载上下方压力。
步骤8.将EM-Ⅲ聚合物溶液正循环注入套管间环空，在0～30Mpa平衡压(初始压力)、0～80℃温度下初凝/终凝(h)24/72h，在承载层上形成平齐的密封层；通过钢丝软管将一定比例的EM-Ⅲ混合物从套管环空底部注入，保证整个环空密封层流平齐，同时利用EM-Ⅲ可持续膨胀的属性，具有自修复能力建立永久密封效果。
步骤9.井口验封观察48小时不涨为合格，如未验封合格，重复以上6～8施工步骤。
步骤10.再次井口验封观察48小时不涨为合格，形成如图4所示的封堵层。
步骤11.回收设备，恢复井口原貌，治理结束。
本发明的套管间环空的封堵方法与现有的治理环空带压的方法比较结果详见表二。
表二 各套管封堵工艺效果对比表
Figure BDA0001256040300000091
由表二可见，本工艺历经两年多的反复研究整改与试验已达到设计要求，相对比传统工艺该技术具有更加安全，低成本，适合单井及批量作业的技术优势，在大庆油田徐深气田现场2口井成功应用，有效解决了技套环空上窜造成的安全隐患问题，为该技术的推广奠定了良好的基础。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种套管间环空的3E体系封堵材料，其特征在于，包括：
EM-Ⅰ聚合物溶液，包括表面活性剂、A组合物，其中表面活性剂、A组合物的质量比为25～55：17.5；
EM-Ⅱ聚合物溶液，包括B1凝固剂、水和A组合物，其中B1凝固剂、水和A组合物的质量比为4～5：3～4：1；
EM-Ⅲ聚合物溶液，包括B2凝固剂、水和A组合物，其中B2凝固剂、水和A组合物的质量比为6～7：4～5：1；
其中，所述EM-Ⅰ聚合物溶液、EM-Ⅱ聚合物溶液和EM-Ⅱ聚合物溶液的质量比为1：1～3：1～3；
所述A组合物包括三元乙丙橡胶、ZnO、SA、N330、RD和MB，其中，所述EPDM、ZnO、SA、N330、RD和MB的质量比为98～105：3～6：1：18～22：1：1。
2.如权利要求1所述的套管间环空的3E体系封堵材料，其特征在于，所述EM-Ⅱ聚合物溶液还包括降失水剂、防气窜剂和消泡剂，其中，所述降失水剂、防气窜剂和消泡剂的质量比为22～27：32～37：1，消泡剂和A组合物的质量比0.007：1。
3.如权利要求1所述的套管间环空的3E体系封堵材料，其特征在于，所述EM-Ⅲ聚合物溶液还包括降失水剂、防气窜剂和消泡剂，其中，所述降失水剂、防气窜剂和消泡剂的质量比为33～35：42～45：1，消泡剂和A组合物的质量比0.007：1。
4.如权利要求2或3所述的套管间环空的3E体系封堵材料，其特征在于，所述降失水剂的型号为CG310L，防气窜剂型号为CT610L，消泡剂型号为CX610L。
5.如权利要求4所述的套管间环空的3E体系封堵材料，其特征在于，所述表面活性剂为CY-Ⅱ表面活性剂。
6.一种套管间环空的封堵方法，使用权利要求1所述的套管间环空的3E体系封堵材料；其特征在于，包括：
步骤1、将EM-Ⅰ聚合物溶液正循环注入套管间环空，EM-Ⅰ聚合物溶液在-10～100℃范围内、侯凝2～4h在水层上形成漂浮层；
步骤2、将EM-Ⅱ聚合物溶液正循环注入套管间环空，在0～30Mpa压力、0～80℃温度下初凝40～50h、终凝110～130h，在漂浮层上形成平齐的承载层；
步骤3、将EM-Ⅲ聚合物溶液正循环注入套管间环空，在0～30Mpa压力、0～80℃温度下初凝20～30h、终凝60～80h，在承载层上形成平齐的密封层；
步骤4、封闭套管井口48小时后测量套管间压，如套管间压力不增长，则停止封堵；如套管间压力增长，则重复步骤1～3，直至测量套管间压力不增长。
7.如权利要求6所述的套管间环空的封堵方法，其特征在于，在步骤1前还包括清洗套管间环空和注入表面活性剂的步骤；
所述清洗套管间环空的步骤为注入HEP-2清洗液后浸泡12小时，清洗3次；
所述注入表面活性剂的步骤为向清洗完的环空内注入CY-Ⅱ型表面活性剂。
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