CN106951667B - 一种智能弹性套管保护套及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种智能弹性套管保护套及其设计方法，包括在套管外侧环绕设置的双层密闭包覆层，包覆层之间设置有智能弹性层，智能弹性层内部通过主体骨架进行支撑分隔，主体骨架之间包覆有混合液；混合液为纳米多孔材料与液体的混合液，液体为非浸润性液体(如水或甘油)，纳米多孔材料为憎水性多孔材料，本发明套在套管外壁上，当环境压力变化时就会智能调节自身体积和形状，起到平衡套管外壁压力和密封套管与水泥石环之间微缝隙的作用，智能弹性层在压力变化过程中起主要的压力分散作用；当压力与温度发生变化时，智能弹性层自动调节形状，重新分配压力，体现出极优的耐温变与抗压变性能。本发明具有结构简单，方便实用的特点。

Description

一种智能弹性套管保护套及其设计方法

技术领域

本发明涉及石油套管技术领域，特别涉及一种智能弹性套管保护套及其设计方法。

背景技术

石油套管是用于支撑油、气井井壁的钢管，是保证钻井过程进行和完井后整个油井的正常运行的生命线。然而，水泥环缺陷、偏心或胶结不好均会影响套管的承载能力。对于强度较低，流变性较大的泥岩、盐岩地层，泥岩吸水软化后，地层的非均布载荷更易影响到套管安全。在国内，中原油田、江汉油田、胜利油田、华北油田、四川油田和塔里木油田等都发生过岩盐层套管挤毁事件，造成了巨大的经济损失。

在钻井工程中，套管与井眼之间一般都有特定的匹配关系，理想状态下水泥环的厚度为常数，但实际上随着井下温度与压力的变化，套管、水泥石环、井眼之间的匹配关系经常发生变化，偏离设计工况。当井内压力降低时，水泥石环与套管壁变形不协调，形成微环隙，造成气窜通道。当井下温度降低，水泥石环与套管体积收缩量不一致，也会形成微环隙，造成气窜通道。自从固井注水泥作业实施以来，气窜就一直是困扰固井作业的一大难题。据估计，大约有25％的完井过程中存在气窜。一旦发生气窜，即使花费大量的人力物力，也很难修复到原有的层间封固状态。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种智能弹性套管保护套及其设计方法，该保护套工作过程中能够根据所处工作环境的温度、压力智能调节自身形状和体积的变化，这种智能的自适应调节一方面能够有效提高套管抗内挤与抗外压的能力，另一方面，也能够密封套管与水泥石环之间的微缝隙，减小气窜风险，提高套管与水泥石环之间的匹配关系，具有结构简单，方便实用的特点。

为达到上述目的，本发明采用的方案为：

一种智能弹性套管保护套，包括在套管外侧环绕设置的双层密闭包覆层1，所述的包覆层1之间设置有智能弹性层2，智能弹性层2内部通过主体骨架进行支撑分隔，主体骨架之间包覆有混合液2-2；

所述的混合液2-2为纳米多孔材料与液体的混合液，所述液体为非浸润性液体(如水或甘油)，所述的纳米多孔材料为憎水性多孔材料。

所述的主体骨架为空心的立方体2-1a、空心蜂窝体2-1b或空心圆柱体2-1c圆柱体的小分格组成，且小分格之间相互联接。

所述的小分格与小分格之间联接而不连通。

所述的智能弹性层2为空心小体积骨架堆聚而成。

所述的智能弹性层2沿径向平面切割后每层至少包覆有5个小体积骨架。

所述包覆层1为耐介质耐高温的丁晴橡胶，所述的主体骨架为丁晴橡胶。

所述的纳米多孔材料硅铝比大于300。

所述的包覆层1的内径与套管外径相同。

一种智能弹性套管的设计方法，其特征在于：所述的纳米多孔材料表面硅铝比大于300，根据以下计算获得纳米多孔材料最可孔径K，结合K与表面硅铝比的范围限制，选定纳米多孔材料；所述的液体为水或甘油等非浸润性液体；将所选纳米多孔材料与液体按照纳米多孔材料的有效孔体积与液体体积的比为1:2～1:4混合后得到混合液，

纳米多孔材料最可孔径K的确定方法为：

设纳米多孔材料最可孔径为K，

根据杨氏方程：

式中：P_in为液体突破液固表面张力进入纳米多孔材料孔道的临界渗透压，

为气液界面的等效张力，K为多孔材料孔道的有效特征直径；

式中：γ_1a为气液界面张力，α为液固相界面接触角，液体及固体多孔材料选定后，γ_1a和α可查；

d＝D-2h (3)

式中：D为多孔材料最可孔径，h＝0.14nm，

将(2)(3)带入(1)中可得：

根据套管工作深度及围岩地质环境，可估算智能弹性层的预期工作区间起始压力值P，也即临界渗透压P_in，

P＝Kσ_r＝P_in (5)；

式中：P为能弹性层预期工作区间的起始压力值，K为套管抗外挤设计安全系数，其具体数值在设计中根据具体应用工况选取，其中K＝1.5～5.0，σ_r为套管外载的径向分量，可根据拉梅公式计算或通过有限元仿真模拟获得，P_in为液体突破液固表面张力进入纳米多孔材料孔道的临界渗透压，

综上(4)(5)可得K；

式中：γ_1a为气液界面张力，α为液固相界面接触角，液体及固体多孔材料选定后，γ_1a和α可查；K为套管抗外挤设计安全系数，其具体数值在设计中根据具体应用工况选取，K的取值为K＝1.5～5.0，σ_r为套管外载的径向分量，可根据拉梅公式计算或通过有限元仿真模拟获得；

根据纳米多孔材料表面硅铝比大于300，结合多孔材料最可孔径K，可以选取出相应的纳米多孔材料；

将所选择的纳米多孔材料与所选液体按照比例混合后，得到混合液2-2；所述纳米多孔材料与液体的混合比例的确定方法为：纳米多孔材料有效孔体积与液体体积比在1:2～1:4之间选取；

将混合液2-2和主体骨架组成智能弹性层2，智能弹性层2两侧设置包覆层1，得到保护套。

本发明的有益效果：

本发明可起到密闭套管与水泥石环间缝隙的作用以及保护套管的作用。当水泥石环与套管间因温度压力变化出现缝隙时，本装置通过自调节形状可以填补缝隙，减小漏油、气窜等风险；本发明在套管出现鼓胀或者水泥石环因地层压力大挤压套管时，能够起到减压作用，从而提高套管使用寿命。

附图说明

附图1为本发明结构示意图。

附图2为图1A-A处结构放大图。

附图3为混合液2-2示意图。

附图4为本发明弹性材料胶筒工作原理图。

附图5为本发明压力-体积变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

如图1图2图3所示，一种智能弹性套管保护套，包括包覆层和智能弹性层。所述包覆层采用耐介质耐高温的丁晴橡胶制作而成，起到对智能弹性层的初级保护作用；所述智能弹性层由主体骨架封装纳米多孔材料与液体的混合液构成。主体骨架采用丁晴橡胶制作；其由若干空心小体积堆聚而成，所述空心小体积可为正方体或蜂窝状或圆柱状；小体积之间联接而不连通：每个小体积骨架相互联结为一个整体作为主体骨架；每个小体积之内的包覆空间相互独立，以保证一个小体积失效破裂而不影响其他小体积功能。所述每个小体积内都封装有纳米多孔材料与液体的混合液；所述纳米多孔材料为憎水性多孔材料，其最可孔径范围控制在0.5～2nm；所述液体为非浸润性液体(如水或甘油)；所封装的纳米多孔材料与液体混合比例的确定方法为：纳米多孔材料的有效孔体积与液体体积的比在1:2～1:4之间。所述智能弹性套管保护套安置在套管与水泥石环之间，钻井施工过程中，提前将该保护套包覆在套管外围，将保护套与套管同时下入井眼中，然后再浇筑水泥石环。水泥石环浇筑以后，由于水泥的自重堆积挤压作用，保护套与套管壁面及水泥石环之间将紧密贴合。

智能弹性层由两部分组成：主体骨架与纳米多孔材料与液体的混合液主体骨架由多个空心的正方体或蜂窝状或圆柱状小体积构成，小体积之间相互联接而不连通。主体骨架起支撑定型作用及包覆纳米多孔材料与液体的混合液的作用，支撑定型作用保证套管保护套具有一定的施工强度，能够随套管完整下入井眼而不被破坏，包覆纳米多孔材料与液体的混合液的作用是指每一个小体积内独立包裹纳米多孔材料与液体的混合液，保证一个小体积破裂后不影响其他小体积功能。小体积内封装的纳米多孔材料与液体的混合液2-2为智能弹性层的主要功能材料。

如图4、图5所示；纳米多孔材料与液体的混合液2-2封装在一个密闭空间内，在一个完整的压力升高然后降低的循环内的加压初期，所施加压力比较低时，由于表面张力的作用，液体无法进入到小孔内部，此时整个智能弹性层对外所表现的压力-体积特性基本呈线性，为主体骨架、纳米多孔材料与液体的混合液中所采用的液体的弹性变形的总和。随着所施加压力的增大，液体会突破多孔材料孔口的表面张力作用，进入到多孔材料内部，此时的压力容积特性为图5中曲线的进孔平台期，这一进孔平台期即是智能弹性层的第一工作区间，在该区间内，随着压力的继续增大，液体会源源不断的进入到多孔材料的孔道当中去，对外表现的压力变化十分微小，即：在进孔平台期(智能弹性层的第一工作区间)，外界压力增大后，液体流入多孔材料孔道，智能弹性层对内侧套管、外围水泥石环的压力均维持不变。若外界压力继续增大，液体填满多孔材料孔道之后，整个智能弹性层对外表现的压力体积特性曲线恢复斜率较大的线性增长趋势，为主体骨架、纳米多孔材料与液体的混合液中所采用的液体的弹性变形的总和，此范围已超出该发明所设计的工作范围，在此列出只为表述一个完整的纳米多孔材料与液体混合液封装后受压的压力体积特性变化过程。减小外界压力到达一定值后，由于所述纳米多孔材料为憎水性材料，液体会自发流出多孔材料孔道，体现为图2中压力-体积特性曲线的出孔平台期，这是该智能弹性层的第二工作区间。如上所述，在该区间(出孔平台期)内，随着外界压力的减小，液体会自发流出多孔材料孔道，对外表现的压力变化也十分微小，即：在出孔平台期(智能弹性层的第二工作区间)，外界压力减小后，液体流出多孔材料孔道，智能弹性层对内侧套管、外围水泥石环的压力均维持不变。综上所述，在所述进孔平台期与出孔平台期，即智能弹性层的第一工作区间与第二工作区间内，当外界压力变化时，液体会自发的流入或流出多孔材料孔道，而对外体现的压力变化十分微小。因此该智能弹性套管保护套可以平衡套管与水泥石环之间的压力。当外界温度发生变化时，会引发材料体积发生热胀冷缩的变化从而引发压力的变化，在所述工作区间内，这些压力变化会引发流体流入或流出多孔材料孔道，从而实现智能调节，实现对外体现压力不变或变化微小，提高套管抗外挤与抗内压能力。智能弹性层体积的自适应调节则可对温度与压力的波动做出实时响应，始终密封套管与水泥石环间的间隙，杜绝此处漏油或气窜。该保护套的独立分装骨架结构增加了该装置的安全使用寿命，当某一独立小体积破损或失效后，智能弹性层的其余部位会迅速做出反应，各个封装小体积内的液体感应到压力变化，自发流入或流出多孔材料孔道，智能弹性层形状自适应调节，压力均匀分散至各个部位，提高套管在高温高压下的使用寿命。另外，针对不同深度与不同地质环境段的套管保护套，内部填充多孔材料与液体的混合液配方可以根据具体情况分别选取，个性设计。可将不同孔径的纳米多孔材料与液体的混合液封装于不同单元体中，也可将不同孔径的纳米多孔材料与液体混合后封装于同一单元体内，设计两个或多个不同压力下的工作区间，用以平衡同一位置出现的不同等级的压力值。

所述主体骨架之间包覆有混合液2-2，所述混合液的配方可针对不同深度与不同地质环境段的套管保护套的具体工作环境分别选取，个性设计。

所述混合液2-2中的纳米多孔材料即可以为孔径相同的同种材料，也可以为孔径不同的纳米多孔材料。若将不同孔径的纳米多孔材料与液体混合后封装于同一单元体内，设计两个或多个不同压力下的工作区间，则可以平衡同一位置出现的不同等级的压力值。

所述套管保护套的内径与所要保护的套管外径一致，两者为过盈配合关系。所述套管保护套长度与两接箍间套管段长度一致。主体骨架结构在空心的立方体、空心蜂窝体或空心圆柱体的小体积中选择，小体积尺寸不宜过大，沿径向平面切割后每层至少包覆有5个小体积单元。

所述混合液2-2中的液体为水或甘油等非浸润性液体。所述纳米多孔材料为憎水性纳米多孔材料，其表面硅铝比大于300，其最可孔径按照公式

计算。所述混合液中纳米多孔材料与液体混合比例的确定方法为：纳米多孔材料的有效孔体积与液体体积的比为1:2～1:4之间。

本发明的工作原理：

在油田作业过程中，套管内外温度与压力会发生变化，引起套管臌胀或挤毁，也会导致套管与水泥石环之间形成微间隙，造成气窜或漏油。本发明套在套管外壁上，当环境压力变化时就会智能调节自身体积和形状，起到平衡套管外壁压力和密封套管与水泥石环之间微缝隙的作用。包覆层采用耐介质耐高温的丁晴橡胶制作而成，起到对智能弹性层的初级保护作用。智能弹性层在压力变化过程中起主要的压力分散作用；当压力与温度发生变化时，智能弹性层自动调节形状，重新分配压力，体现出极优的耐温变与抗压变性能。

Claims (8)

1.一种智能弹性套管保护套的设计方法，其特征在于：所述的纳米多孔材料表面硅铝比大于300，根据以下计算获得纳米多孔材料最可孔径K，结合K与表面硅铝比的范围限制，选定纳米多孔材料；所述的液体为水或甘油非浸润性液体；将所选纳米多孔材料与液体按照纳米多孔材料的有效孔体积与液体体积的比为1:2～1:4混合后得到混合液；

纳米多孔材料最可孔径K的确定方法为：

设纳米多孔材料最可孔径为K，

根据杨氏方程：

式中：P_in为液体突破液固表面张力进入纳米多孔材料孔道的临界渗透压，

为气液界面的等效张力，K为多孔材料孔道的有效特征直径；

式中：γ_la为气液界面张力，α为液固相界面接触角，液体及固体多孔材料选定后，γ_la和α可查；

d＝D-2h (3)

式中：D为多孔材料最可孔径，h＝0.14nm，

将(2)(3)带入(1)中可得：

根据套管工作深度及围岩地质环境，可估算智能弹性层的预期工作区间起始压力值P，也即临界渗透压P_in，

P＝Kσ_r＝P_in (5)；

式中：P为能弹性层预期工作区间的起始压力值，K为套管抗外挤设计安全系数，其具体数值在设计中根据具体应用工况选取，其中K＝1.5～5.0，σ_r为套管外载的径向分量，可根据拉梅公式计算或通过有限元仿真模拟获得，P_in为液体突破液固表面张力进入纳米多孔材料孔道的临界渗透压，

综上(4)(5)可得K；

式中：γ_la为气液界面张力，α为液固相界面接触角，液体及固体多孔材料选定后，γ_la和α可查；K为套管抗外挤设计安全系数，其具体数值在设计中根据具体应用工况选取，其中K＝1.5～5.0，σ_r为套管外载的径向分量，可根据拉梅公式计算或通过有限元仿真模拟获得；

根据纳米多孔材料表面硅铝比大于300，结合多孔材料最可孔径K，选取出相应的纳米多孔材料；

将所选择的纳米多孔材料与所选液体按照比例混合后，得到混合液(2-2)；所述纳米多孔材料与液体的混合比例的确定方法为：纳米多孔材料有效孔体积与液体体积比在1:2～1:4之间选取；

将混合液(2-2)和主体骨架组成智能弹性层(2)，智能弹性层(2)两侧设置包覆层(1)，得到保护套；

智能弹性套管保护套，包括在套管外侧环绕设置的双层密闭包覆层(1)，所述的包覆层(1)之间设置有智能弹性层(2)，智能弹性层(2)内部通过主体骨架进行支撑分隔，主体骨架之间包覆有混合液(2-2)；

所述的混合液(2-2)为纳米多孔材料与液体的混合液，所述液体为非浸润性液体，所述的纳米多孔材料为憎水性纳米多孔材料。

2.根据权利要求1所述的一种智能弹性套管保护套的设计方法，其特征在于，所述的主体骨架为空心的立方体(2-1a)、空心蜂窝体(2-1b)或空心圆柱体(2-1c)圆柱体的小分格组成，且小分格之间相互联接。

3.根据权利要求2所述的一种智能弹性套管保护套的设计方法，其特征在于，所述的小分格与小分格之间联接而不连通。

4.根据权利要求1所述的一种智能弹性套管保护套的设计方法，其特征在于，所述的智能弹性层(2)为空心小体积骨架堆聚而成。

5.根据权利要求4所述的一种智能弹性套管保护套的设计方法，其特征在于，所述的智能弹性层(2)沿径向平面切割后每层至少包覆有5个小体积骨架。

6.根据权利要求1所述的一种智能弹性套管保护套的设计方法，其特征在于，所述包覆层(1)为耐介质耐高温的丁晴橡胶，所述的主体骨架为丁晴橡胶。

7.根据权利要求1所述的一种智能弹性套管保护套的设计方法，其特征在于，所述的纳米多孔材料表面硅铝比大于300。

8.根据权利要求1所述的一种智能弹性套管保护套的设计方法，其特征在于，所述的包覆层(1)的内径与套管外径相同。

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