CN107401403B - 页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油与天然气工程井筒完整性与安全技术领域，公开了一种页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价装置和方法，模拟页岩气井多级压裂后水泥环中裂纹萌生、扩展直至连通的全过程，定量可视化评价泄漏通道，计算泄漏速率，从而为页岩气井多级压裂参数优化和水泥浆性能设计提供依据。本发明的结构简单，操作简便，可模拟测试页岩气井多级压裂水泥环内部和胶结面处裂纹萌生、扩展和连通过程并对其进行可视化描述，将可视化的泄漏通道导入CFD软件中可计算气体泄漏速度，结合检漏装置可对比验证试验结果的可靠性；可为页岩气井多级压裂参数优化和水泥浆性能设计提供理论依据，其劳动强度低，时间消耗短，工作效率高。
Description
技术领域
本发明属于石油与天然气工程井筒完整性与安全技术领域，尤其涉及一种页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价装置和方法。
背景技术
页岩气开发普遍需要采用水平井钻井结合多级压裂技术提高单井产量。多级压裂时页岩气井水泥环会连续经受套管内压和井筒温度变化的循环载荷，导致水泥环产生微裂缝或微环空。随着多级压裂作业进行，微裂缝和微环空不断产生和发展，最终可形成气体泄漏的连续通道，影响页岩气井安全。目前，主要通过理论建模和实验研究来优化压裂施工参数和水泥环力学性能，从而降低水泥环密封失效的风险。
然而，现有水泥环完整性评价实验装置和方法仅能从宏观上定性评价水泥环受载后的密封性能，而不能对多级压裂全过程中水泥环中微裂缝或微环空的产生和发展全过程进行可视化描述和评价，因此难以微观定量揭示重复压裂时水泥环密封失效力学机理，也不能更好地指导压裂施工参数和水泥环力学参数优化设计。
本发明通过公开一种页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价装置和方法，模拟页岩气井多级压裂后水泥环中裂纹萌生、扩展直至沟通的全过程，定量可视化评价泄漏通道，计算泄漏速率，可很好地解决现有技术难题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价装置和方法。
本发明是这样实现的，一种页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价方法，所述页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价方法包括以下步骤：
步骤一，按设计尺寸加工好釜体，制作好套管并预制好人造地层；
步骤二，将釜体置于实验台上，然后将加热棒安装在釜体中，下部螺栓加垫片连接，保证密封性；
步骤三，将套管和预制好的人造地层放入釜体中，并将筛网安装在高压气体腔室上部，在釜体内部和人造地层之间放置木楔，保证灌注水泥浆时人造地层不发生径向移动。
步骤四，按要求配置水泥浆，配置时采用恒速搅拌器保证水泥浆均匀混合；
步骤五，灌注水泥浆，灌注时沿着人造地层和套管之间环形空间均匀灌注至充满整个环形空间，灌注完成后在人造地层环境温度下养护5天，待进行后续试验；
步骤六，水泥浆养护达到要求后，拆除木楔，将环形密封橡胶条安装至人造地层外围，并插入釜体的凹槽中，同时检查高压气体腔室下部的连接孔，防止水泥浆液堵孔；
步骤七，将密封盖拧紧，并连接电动液压泵、围压液压泵、高压氮气瓶、温度调节装置和检漏瓶，整个装置安装完成，釜体内部应处于密封状态；
步骤八，向高压气体腔室中通入高压氮气，压力调至储层气体压力Pg，观察检漏瓶，此时检漏瓶中应无气泡产生，表明水泥环胶结良好，初始渗透性满足要求；同时，实验过程中始终保持高压气体腔室压力Pg恒定；
步骤九，将釜体在CT扫描机下进行360度扫描，通过CT成像信号处理器得到初始扫描图像F0，观察水泥环内部和胶结面处初始裂缝；
步骤十，用围压液压泵将水加满围压腔室，调节围压液压泵使其达到设计围压值Po，实验过程中始终保持围压值Po恒定；
步骤十一，用电动液压泵将导热液体加满套管，同时控制温度调节装置达到设计值Tf，实验过程中始终保持温度值Tf恒定；
步骤十二，调节电动液压泵，并按Pc～t曲线施加压裂时的套管压力Pc，每200min为一级压裂周期；第1级压裂完成后，将釜体在CT扫描机下进行360度扫描，通过CT成像信号处理器得到扫描图像F1，观察并记录水泥环内部和胶结面处裂缝发展情况；同时，查看检漏瓶中是否有气泡产生；
步骤十三，重复步骤十二，继续第2级、第3级…压裂，直到观察到检漏瓶中有稳定连续的气泡产生，表明此时裂缝已发展为贯通状态，记录此时压裂级数为L，并得到水泥环开始泄漏时的扫描图像FL；
步骤十四，将扫描图像FL表征的水泥环泄漏通道导入CFD软件中计算气体泄漏速度，进一步验证水泥环发生泄漏时的最大压裂级数N；
步骤十五，整个实验完成后，将装置恢复到实验前的状态，以便下次正常使用；
步骤十六，考虑水泥环弹性模量是影响其力学性能的主要因素，设计并配置不同性能的水泥浆，重复步骤四～步骤十五，可优选弹性模量满足实际多级压裂要求的水泥浆体系。
本发明的另一目的在于提供一种所述页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价方法的页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价装置，所述页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价装置包括：实验台；釜体，即为整个装置的模型，釜体中间底部有一圆柱形，其上有螺孔，以圆心向外形成多个环，由圆心向外依次是加热棒、液体腔室、套管、水泥环、人造地层、环形密封橡胶条、围压腔室、釜体外壁，釜体放置于实验台上。加热棒，其穿过釜体圆形孔，在底部用螺栓连接，连接处添加垫片，加热棒外接温度调节装置；液体腔室，其底部外接带阀门的电动液压泵；套管，其外上部是水泥环，下部是釜体形成的高压气体腔室，其外连接高压氮气瓶，水泥环底部与高压气体腔室之间有带孔的筛网；水泥环外是人造地层；人造地层外围是围压腔室，连接带阀门的围压液压泵，在人造地层与围压腔室之间有环形密封橡胶条；整个釜体上部用密封盖采用螺纹连接的方式进行密封，密封盖外接带阀门的检漏瓶，检漏瓶中充满水；釜体外围安装CT扫描机，可扫描釜体内每层物质，通过CT成像信号处理器生成水泥环内部和胶结面处的泄漏通道。
进一步，所述套管-水泥环径向尺寸设计为实际尺寸的25％，人造地层厚度取水泥环厚度的10倍，套管、人造地层和整个装置的长度为200mm。
进一步，所述人造地层预制好后紧贴高压气体腔室外壁放置。
进一步，所述水泥环，待预制人造地层和套管放入釜体后，按要求配置好水泥浆，将水泥浆灌注到人造地层和套管形成的环形空间中，在人造地层环境温度Tf下养护5天。
进一步，所述液体腔室在实验过程中加入导热液，用以模拟压裂液，连接外接温度调节装置控制套管内的温度。
进一步，所述加热棒，中下部有螺纹，通过螺栓、垫片连接在釜体上。
进一步，所述环形密封胶条安装在釜体和密封盖对应的凹槽之中，使围压腔室形成独立的密闭空间。
进一步，所述高压气体腔室用于模拟储层气体压力Pg，测试过程中保持高压气体腔室压力Pg恒定。
进一步，所述筛网孔隙大小满足灌注水泥浆时不发生渗漏但允许高压气体分子自由通过。
本发明的优点及积极效果为：模拟页岩气井多级压裂后水泥环中裂纹萌生、扩展直至沟通的全过程，定量可视化评价泄漏通道，计算泄漏速率，从而为页岩气井多级压裂参数优化和水泥浆性能设计提供依据。本发明的结构简单，操作简便，可模拟测试页岩气井多级压裂水泥环内部和胶结面处裂纹萌生、扩展和连通过程并对其进行可视化描述，将可视化的泄漏通道导入CFD软件中可计算气体泄漏速度，结合检漏装置可对比验证试验结果的可靠性。该装置和方法可为页岩气井多级压裂参数优化和水泥浆性能设计提供理论依据，其劳动强度低，时间消耗短，工作效率高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价装置结构示意图。
图2是本发明实施例提供的图1的俯视图。
图3是本发明实施例提供的Pc～t曲线施加压裂图。
图4是本发明实施例提供的具体实例Pc～t曲线施加压裂图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1～图4所示，本发明实施例提供的页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价装置和方法，其结构包括：实验台24，釜体1，即为整个装置的模型，釜体1中间底部有一圆柱形，其上有螺孔，以圆心向外形成多个环，由圆心向外依次是加热棒3、液体腔室22、套管10、水泥环8、人造地层2、环形密封橡胶条11、围压腔室20、釜体1外壁，釜体1放置于实验台24上。液体腔室22，其底部外接带阀门6的电动液压泵15。加热棒3，中下部有螺纹，其穿过釜体1圆形螺孔，在底部用螺栓5连接，连接处添加垫片4，保证导热液体密封，加热棒3外接温度调节装置16，控制套管10内压裂液的温度。套管10，其外上部是水泥环8，待预制人造地层2和套管10放入釜体1后，按要求配置好水泥浆，将水泥浆灌注到人造地层2和套管10形成的环形空间中，在人造地层2环境温度Tf下养护5天左右。套管10-水泥环8径向尺寸设计为实际尺寸的25％，套管10、人造地层2和整个装置的长度为200mm。下部是釜体1形成的高压气体腔室21，高压气体腔室21用于模拟储层气体压力Pg，测试过程中保持高压气体腔室21压力Pg恒定，其外连接高压氮气瓶14，水泥环8底部与高压气体腔室21之间有带孔的筛网9，其孔隙大小满足灌注水泥浆时不发生渗漏但允许高压气体分子自由通过。水泥环8外是人造地层2，人造地层2厚度取水泥环8厚度的10倍，按尺寸进行预制，其弹性模量、泊松比和孔隙率与实际人造地层2接近，预制好后紧贴高压气体腔室21外壁放置。人造地层2外围是围压腔室20，用于模拟人造地层2压力Po，测试过程中保持围压腔室20压力Po恒定，其连接带阀门6的围压液压泵13，在人造地层2与围压腔室20之间有环形密封橡胶条11，安装在釜体1和密封盖12对应的凹槽之中，使围压腔室20形成独立的密闭空间。整个釜体1上部用密封盖12采用气密封螺纹连接23方式，密封盖12外接带阀门6的检漏瓶19，检漏瓶19中充满水。釜体1外围安装CT扫描机7，可扫描釜体1内每层物质，通过CT成像信号处理器17生成水泥环8内部和胶结面处的泄漏通道。
本发明实施例提供的页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价方法，包括以下步骤：
步骤一：按设计尺寸加工好釜体1，制作好套管10并预制好人造地层2。
步骤二：将釜体1置于实验台24上，然后将加热棒3安装在釜体1中，下部螺栓5加垫片4连接，保证密封性。
步骤三：将套管10和预制好的人造地层2放入釜体1中，并将筛网9安装在高压气体腔室21上部，在釜体1内部和人造地层2之间放置木楔，保证灌注水泥浆时人造地层2不发生径向移动。
步骤四：按要求配置水泥浆，配置时采用恒速搅拌器保证水泥浆均匀混合。
步骤五：灌注水泥浆，灌注时沿着人造地层2和套管10之间环形空间均匀灌注至充满整个环形空间，灌注完成后在人造地层2环境温度下养护5天左右，待进行后续试验。
步骤六：水泥浆养护达到要求后，拆除木楔，将环形密封橡胶条11安装至人造地层2外围，并插入釜体1的凹槽中，同时检查高压气体腔室21下部的连接孔，防止水泥浆液堵孔。
步骤七：将密封盖12拧紧，并连接电动液压泵15、围压液压泵13、高压氮气瓶14、温度调节装置16和检漏瓶19，整个装置安装完成，釜体1内部应处于密封状态。
步骤八：向高压气体腔室21中通入高压氮气，压力调至储层气体压力Pg，观察检漏瓶19，此时检漏瓶19中应无气泡产生，表明水泥环8胶结良好，初始渗透性满足要求。同时，实验过程中始终保持高压气体腔室21压力Pg恒定。
步骤九：将釜体1在CT扫描机7下进行360度扫描，通过CT成像信号处理器17得到初始扫描图像F0，观察水泥环8内部和胶结面处初始裂缝。
步骤十：用围压液压泵13将水加满围压腔室20，调节围压液压泵13使其达到设计围压值Po，实验过程中始终保持围压值Po恒定。
步骤十一：用电动液压泵15将导热液体加满套管10，同时控制温度调节装置16达到设计值Tf，实验过程中始终保持温度值Tf恒定。
步骤十二：调节电动液压泵15，并按图4中的Pc～t曲线施加压裂时的套管10压力Pc，每200min为一级压裂周期。第1级压裂完成后，将釜体1在CT扫描机7下进行360度扫描，通过CT成像信号处理器17得到扫描图像F1，观察并记录水泥环8内部和胶结面处裂缝发展情况。同时，查看检漏瓶19中是否有气泡产生。
步骤十三：重复步骤12，继续第2级、第3级…等压裂，直到观察到检漏瓶19中有稳定连续的气泡产生，表明此时裂缝已发展为贯通状态，记录此时压裂级数为L，并得到水泥环8开始泄漏时的扫描图像FL。
步骤十四：将扫描图像FL表征的水泥环8泄漏通道导入CFD软件中计算气体泄漏速度，进一步验证水泥环8发生泄漏时的最大压裂级数N。
步骤十五：整个实验完成后，将装置恢复到实验前的状态，以便下次正常使用。
步骤十六：考虑水泥环8弹性模量是影响其力学性能的主要因素，设计并配置不同性能的水泥浆，重复步骤步骤四～步骤十五，可优选弹性模量满足实际多级压裂要求的水泥浆体系。
本发明实施例共的提供页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价装置包括：实验台。釜体，釜体中间底部有一圆柱形，其上有螺孔，以圆心向外形成多个环，由圆心向外依次是加热棒、液体腔室、套管、水泥环、人造地层、环形密封橡胶条、围压腔室、釜体外壁，釜体放置于实验台上。加热棒，其穿过釜体圆柱形孔，在底部用螺栓连接，连接处添加密封垫片，加热棒外接温度调节装置。液体腔室，其底部外接带阀门的电动液压泵。套管，其外上部是水泥环，下部是釜体形成的高压气体腔室，其外连接高压氮气瓶，水泥环底部与高压气体腔室之间有带孔的筛网。水泥环外是人造地层。人造地层外围是围压腔室，连接带阀门的围压液压泵，在人造地层与围压腔室之间有环形密封橡胶条，环形密封橡胶条与釜体底部环形凹槽和密封盖内部环形凹槽配合以密封围压腔室；整个釜体上部用密封盖采用螺纹连接的方式进行密封，密封盖外接带阀门的检漏瓶，检漏瓶中充满水。釜体外围安装CT扫描机，可扫描釜体内每层物质，通过CT成像信号处理器生成水泥环中的泄漏通道。本发明结构简单，操作简便，可模拟测试页岩气井多级压裂水泥环内部和胶结面处裂纹萌生、扩展和连通过程并对其进行可视化描述，将可视化的泄漏通道导入CFD软件中可计算气体泄漏速度，结合检漏装置可对比验证试验结果的可靠性。该装置和方法可为页岩气井多级压裂参数优化和水泥浆性能设计提供理论依据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价方法，其特征在于，所述页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价方法包括以下步骤：
步骤一，按设计尺寸加工好釜体，制作好套管并预制好人造地层；
步骤二，将釜体置于实验台上，然后将加热棒安装在釜体中，下部螺栓加垫片连接，保证密封性；
步骤三，将套管和预制好的人造地层放入釜体中，并将筛网安装在高压气体腔室上部，在釜体内部和人造地层之间放置木楔，保证灌注水泥浆时人造地层不发生径向移动；
步骤四，按要求配置水泥浆，配置时采用恒速搅拌器保证水泥浆均匀混合；
步骤五，灌注水泥浆，灌注时沿着人造地层和套管之间环形空间均匀灌注至充满整个环形空间，灌注完成后在人造地层环境温度下养护5天，待进行后续试验；
步骤六，水泥浆养护达到要求后，拆除木楔，将环形密封橡胶条安装至人造地层外围，并插入釜体的凹槽中，同时检查高压气体腔室下部的连接孔，防止水泥浆液堵孔；
步骤七，将密封盖拧紧，并连接电动液压泵、围压液压泵、高压氮气瓶、温度调节装置和检漏瓶，整个装置安装完成，釜体内部应处于密封状态；
步骤八，向高压气体腔室中通入高压氮气，压力调至储层气体压力Pg，观察检漏瓶，此时检漏瓶中应无气泡产生，表明水泥环胶结良好，初始渗透性满足要求；同时，实验过程中始终保持高压气体腔室压力Pg恒定；
步骤九，将釜体在CT扫描机下进行360度扫描，通过CT成像信号处理器得到初始扫描图像F0，观察水泥环内部和胶结面处初始裂缝；
步骤十，用围压液压泵将水加满围压腔室，调节围压液压泵使其达到设计围压值Po，实验过程中始终保持围压值Po恒定；
步骤十一，用电动液压泵将导热液体加满套管，同时控制温度调节装置达到设计值Tf，实验过程中始终保持温度值Tf恒定；
步骤十二，调节电动液压泵，并按Pc～t曲线施加压裂时的套管压力Pc，每200min为一级压裂周期；第1级压裂完成后，将釜体在CT扫描机下进行360度扫描，通过CT成像信号处理器得到扫描图像F1，观察并记录水泥环内部和胶结面处裂缝发展情况；同时，查看检漏瓶中是否有气泡产生；
步骤十三，重复步骤十二，继续第2级、第3级…压裂，直到观察到检漏瓶中有稳定连续的气泡产生，表明此时裂缝已发展为贯通状态，记录此时压裂级数为L，并得到水泥环开始泄漏时的扫描图像FL；
步骤十四，将扫描图像FL表征的水泥环泄漏通道导入CFD软件中计算气体泄漏速度，进一步验证水泥环发生泄漏时的最大压裂级数N；
步骤十五，整个实验完成后，将装置恢复到实验前的状态，以便下次正常使用；
步骤十六，考虑水泥环弹性模量是影响其力学性能的主要因素，设计并配置不同性能的水泥浆，重复步骤四～步骤十五，优选弹性模量满足实际多级压裂要求的水泥浆体系；
实施所述页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价方法的页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价装置包括：实验台；釜体，即为整个装置的模型，釜体中间底部有一圆柱形，其上有螺孔，以圆心向外形成多个环，由圆心向外依次是加热棒、液体腔室、套管、水泥环、人造地层、环形密封橡胶条、围压腔室、釜体外壁，釜体放置于实验台上；加热棒穿过釜体圆形孔，加热棒在釜体底部用螺栓连接，连接处添加垫片，加热棒外接温度调节装置；液体腔室底部外接带阀门的电动液压泵；套管外上部是水泥环，下部是釜体形成的高压气体腔室，套管外连接高压氮气瓶，水泥环底部与高压气体腔室之间有带孔的筛网；水泥环外是人造地层；人造地层外围是围压腔室，连接带阀门的围压液压泵，在人造地层与围压腔室之间有环形密封橡胶条；整个釜体上部用密封盖采用螺纹连接的方式进行密封，密封盖外接带阀门的检漏瓶，检漏瓶中充满水；釜体外围安装CT扫描机，可扫描釜体内每层物质，通过CT成像信号处理器生成水泥环内部和胶结面处的泄漏通道的图像。
2.如权利要求1所述的页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价方法，其特征在于，所述人造地层预制好后紧贴高压气体腔室外壁放置。
3.如权利要求1所述的页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价方法，其特征在于，所述水泥环，待预制人造地层和套管放入釜体后，按要求配置好水泥浆，将水泥浆灌注到人造地层和套管形成的环形空间中，在人造地层环境温度Tf下养护5天。
4.如权利要求1所述的页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价方法，其特征在于，所述液体腔室在实验过程中加入导热液，用以模拟压裂液，液体腔室连接温度调节装置控制套管内的温度。
5.如权利要求1所述的页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价方法，其特征在于，所述加热棒的中下部有螺纹，通过螺栓、垫片连接在釜体上。
6.如权利要求1所述的页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价方法，其特征在于，所述环形密封橡胶条安装在釜体和密封盖对应的凹槽之中，使围压腔室形成独立的密闭空间。
7.如权利要求1所述的页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价方法，其特征在于，所述高压气体腔室用于模拟储层气体压力Pg，测试过程中保持高压气体腔室压力Pg恒定。
8.如权利要求1所述的页岩气井多级压裂水泥环气密封完整可视评价方法，其特征在于，所述筛网孔隙大小满足灌注水泥浆时不发生渗漏但允许高压气体分子自由通过。
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