CN108331552B - 拉应力强化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拉应力强化装置，包括套设在套管的外表面的拉应力强化器(1)，拉应力强化器(1)包括呈圆环形的本体(15)，本体(15)上设置有开口(11)，开口的两侧分别设置有相匹配的公扣(13)和母扣(12)，通过公扣(13)与母扣(12)相扣合对开口进行封闭以将拉应力强化器(1)与套管紧密相连。本发明的拉应力强化装置，通过将水泥环绑在套管上的拉应力强化器上，以使套管与水泥环同步形变，将第一胶结面由水泥环胶结强度转换为拉应力强化器或水泥结构强度，显著提高水泥环结构、密封完整性。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井工程中的固井应用，尤其涉及一种拉应力强化装置。
背景技术
现阶段，在生产井中许多口井都出现过环空起压的问题，有些井还发生过井筒完整性失效或出过井筒完整性的问题以及井由于完整性问题彻底关井。针对井筒性能的失效相对分配情况，影响井筒完整性因素分别由管件因素、层间封隔的环空完整性、安全剂其他控制系统、腐蚀、和结垢组成，且层间封隔的环空完整性造成井筒密封时效40％会出现失控排放的风险。因此，提高环空水泥环结构、密封完整性至关重要。
由于套管与水泥环之间力学性能差异大，高压气井生产期间，井筒内压力和温度波动范围大，造成套管膨胀收缩效应明显，水泥石具有硬脆特性，抗形变能力弱。在井筒温度、压力波动下，套管与水泥环发生形变和形变恢复程度不同，尤其是套管与水泥环第一胶结面，水泥环因硬脆特征恢复能力差，与套管壁面形成微裂缝，成为油气窜流通道，造成环空带压影响油气开发。现有的解决方式有以下两种：
一是在浅部地层水泥浆体系内加入30％～45％硅粉，因高压气井开发期间，天然气将井底高温传递至井口，井筒温度升高，造成常规水泥石存在强度衰退降低了水泥环对后续作业环境的长期适应性，根据生产开发期间井筒温度分布实施抗高温水泥浆体系封隔段优化设计，保障水泥石结构完整性。
二是通过优化微膨胀、低弹性模量、高抗压强度的水泥浆体系，可以降低套管与水泥环第一胶结面的拉力，在井筒载荷变化条件下，第一界面胶结强度大于界面拉力，避免微间隙的产生，实现水泥环密封完整性。
根据模拟计算，水泥抗压强度15MPa，弹性模量从10GPa降低至8GPa时，一界面拉力由0.6MPa可降低至0.28MPa；当水泥弹性模量为8GPa，抗压强度从15MPa提高至20MPa时，一界面拉力由0.28MPa降低至0.03MPa。
水泥石弹性模量和抗压强度是一对关联参数，高抗压强度具备较高弹性模量，在提高抗压强度的同时降低弹性模量技术难度大，目前通过优选橡胶材料作为弹塑剂，优选维作为增韧剂，降低水泥石弹性模量和提高水泥石韧性，改善水泥石力学性能。
目前通过改善水泥石力学性能来提高壁面胶结力，水泥石力学性能改善后利于保障水泥石完整性，但投入成本高、效果未达到质的提高改变，在整个井筒内，水泥石因不同井深受围压条件不同而力学性能存在差异，其中中下部因较高围压，水泥石具备良好力学性能。浅部地层井筒压力波动变化造成的有效变化载荷更大，且水泥石因受到围压载荷小，具有更强的硬脆特征，通常浅部水泥环更容易发生结构、密封完整性失效。
水泥石本身性能特点和气井开发井筒压力、温度波动条件下，通过水泥浆体系本身要显著解决套管与水泥环同步变形技术难度大，随着天然气清洁能源的深入开发，超深高压气藏勘探开发逐步增加，井筒完整性日益严峻，急需解决环空气窜的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高水泥环与套管拉应力的拉应力强化装置。
为实现上述目的，本发明的拉应力强化装置的具体技术方案为：
一种拉应力强化装置，包括套设在套管的外表面的拉应力强化器，拉应力强化器包括呈圆环形的本体，本体上设置有开口，开口的两侧分别设置有相匹配的公扣和母扣，通过公扣与母扣相扣合对开口进行封闭以将拉应力强化器与套管紧密相连。
进一步，拉应力强化器的本体的外壁面上均匀设置有多个空心槽，用于供水泥环的水泥浆穿过。
进一步，公扣为齿条，固定端固定在开口上，自由端用于插入母扣内，母扣为用于容纳并扣合齿条的锁扣，呈齿条的公扣插入呈锁扣的母扣内。
进一步，公扣的长度大于母扣的长度，公扣的自由端位于母扣的外部。
进一步，拉应力强化装置还包括用于操控拉应力强化器的上扣装置，上扣装置包括手柄、上丝扣端和底座，手柄用于供操作人员控制，手柄与上丝扣端固定连接，上丝扣端的两侧均设置有第一弹簧，上丝扣端与底座之间设置有第二弹簧，以使上丝扣端与底座能够相互纵向移动，上丝扣端与底座用于夹持并拉伸公扣暴露在母扣外的自由端，以将母扣与公扣紧密扣合。
进一步，拉应力强化器的壁厚为3.5-4.5mm，空心槽的厚度为1.5-2.5mm。
本发明的拉应力强化装置的优点在于：
1)能够应用于测试、开发期间因套管井筒内压力、温度波动大、且水泥环受到界面拉应力大，套管与水泥环形变恢复不一致造成套管与水泥环第一胶结面形成微间隙气窜通道、容易产生微间隙导致环空带压的高压气井中，提高了套管与水泥环第一界面的拉应力，显著改善了水泥环结构完整性，解决了环空气窜的难题；
2)通过将水泥环绑在套管上的拉应力强化器上，以使套管与水泥环同步形变，将第一胶结面由水泥环胶结强度转换为拉应力强化器或水泥结构强度，显著提高水泥环结构、密封完整性；
3)采用开口式结构、卡扣连接，通过扭矩能够确定了水泥环与套管胶拉应力强度，提高水泥环与套管拉应力，并采用整体式结构，具有特制上扣工具，可记录上扣扭矩。
附图说明
图1为本发明的拉应力强化器的结构示意图；
图2为本发明的上扣装置的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的拉应力强化装置做进一步详细的描述。
如图1和图2所示，其示为本发明的一种拉应力强化装置，包括套设在套管的外表面的拉应力强化器1，拉应力强化器1包括呈圆环形的本体15，本体15上设置有开口11，开口的两侧分别设置有相匹配的公扣13和母扣12，通过公扣13与母扣12相扣合对开口进行封闭以将拉应力强化器1与套管紧密相连。
进一步，拉应力强化器1的本体15的外壁面上均匀设置有多个空心槽14，用于供水泥环的水泥浆穿过，将拉应力强化器1、水泥环和套管三者形成一个整体，通过拉应力强化器1以实现水泥环与套管同步变形，不会产生微间隙。水泥环与套管之间的连接力变为二者界面胶结力和空心槽内水泥环的抗压强度组成，水泥环与套管之间的连接力显著增加。
当套管受到内部压力、温度变化发生膨胀、收缩，本发明的拉应力强化器1能够带动空心槽14内水泥石一起膨胀收缩，变形应力低于空心槽14的截面积水泥石的抗压强度时，套管、拉应力强化器1和空心槽14中的水泥石均为一体，同步变形，不会产生微间隙。
进一步，本发明中的公扣13为齿条，固定端固定在开口上，自由端用于插入母扣12内，母扣12为用于容纳并扣合齿条的锁扣，呈齿条的公扣插入呈锁扣的母扣13内，公扣13的长度大于母扣12的长度，公扣13的自由端位于母扣12的外部。
进一步，本发明的拉应力强化装置还包括用于操控拉应力强化器1的上扣装置2，上扣装置2包括手柄21、上丝扣端22和底座23，手柄21用于供操作人员控制，手柄21与上丝扣端22固定连接，上丝扣端22的两侧均设置有第一弹簧24，上丝扣端22与底座23之间设置有第二弹簧25，以使上丝扣端22与底座23能够相互纵向移动，上丝扣端22与底座23用于夹持并拉伸公扣13暴露在母扣外的自由端，以进一步将母扣12与公扣13紧密扣合。
其中，本发明中通过对弹簧的参数进行优选，可以确定手柄21的变形量与上扣力的对应关系，计算上扣扭矩，根据上扣扭矩以确定拉应力强化器1与套管的连接强度，提高水泥环结构、密封完整性，保障了水泥环界面密封完整性。
根据上层套管与本开次套管环空间隙大小，优化设计拉应力强化器1上空心槽的大小，固井后水泥环的水泥浆充填在空心槽14内。
此外，根据受力特征分析，拉应力强化器1的壁厚为3.5-4.5mm(优选为4mm)，空心槽14的厚度为1.5-2.5mm(优选为2mm)。上扣装置2的上丝扣端的高度为2mm。
本发明中通过将水泥环绑定在套管上，提高了水泥环与套管的胶结强度，上扣扭矩可转换为将本发明绑定在套管的连接强度，实现将水泥浆与套管连接起来，连接部分水泥环的胶结强度转变为抗压强度，可提高数十倍以上。
具体举例来说，当215.9mm井眼下入177.8mm套管间隙，应力片高度为10mm，局部井段第一界面的胶结强度由低于0.1MPa提至大于20MPa，优化拉应力强化器的间距设计(加量设计)，实现将第一界面抗拉应力提高两倍以上，显著提高了水泥环的抗形变能力，保障水泥环随套管同步形变，实现了水泥环的结构密封完整性。
本发明的拉应力强化装置，能够应用于测试、开发期间因套管井筒内压力、温度波动大，且水泥环受到界面拉应力大，套管与水泥环形变恢复不一致，造成套管与水泥环第一胶结面形成微间隙气窜通道，容易产生微间隙导致环空带压的高压气井中，提高了套管与水泥环第一界面的拉应力，显著改善了水泥环结构完整性，解决了环空气窜的难题。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
Claims (3)
1.一种拉应力强化装置，其特征在于，包括套设在套管的外表面的拉应力强化器(1)，拉应力强化器(1)包括呈圆环形的本体(15)，本体(15)上设置有开口(11)，开口的两侧分别设置有相匹配的公扣(13)和母扣(12)，通过公扣(13)与母扣(12)相扣合对开口进行封闭以将拉应力强化器(1)与套管紧密相连；
拉应力强化器(1)的本体(15)的外壁面上均匀设置有多个空心槽(14)，用于供水泥环的水泥浆穿过；
公扣(13)为齿条，固定端固定在开口上，自由端用于插入母扣(12)内，母扣(12)为用于容纳并扣合齿条的锁扣，呈齿条的公扣插入呈锁扣的母扣(12)内；
拉应力强化装置还包括用于操控拉应力强化器(1)的上扣装置(2)，上扣装置(2)包括手柄(21)、上丝扣端(22)和底座(23)，手柄(21)用于供操作人员控制，手柄(21)与上丝扣端(22)固定连接，上丝扣端(22)的两侧均设置有第一弹簧(24)，上丝扣端(22)与底座(23)之间设置有第二弹簧(25)，以使上丝扣端(22)与底座(23)能够相互纵向移动，上丝扣端(22)与底座(23)用于夹持并拉伸公扣(13)暴露在母扣(12)外的自由端，以将母扣(12)与公扣(13)紧密扣合。
2.根据权利要求1所述的拉应力强化装置，其特征在于，公扣(13)的长度大于母扣(12)的长度，公扣(13)的自由端位于母扣(12)的外部。
3.根据权利要求1所述的拉应力强化装置，其特征在于，拉应力强化器(1)的壁厚为3.5-4.5mm，空心槽(14)的厚度为1.5-2.5mm。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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