CN108412478A - 一种模拟泥岩吸水套管损坏的装置以及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟泥岩吸水套管损坏的装置以及模拟方法。主要为了模拟在向泥岩层注水过程中，泥岩吸水膨胀，会产生一个向各个方向膨胀的应力，对在地层中的井筒产生挤压，而形成套管损坏的过程。其特征在于：该装置由人造泥岩、井筒、密封钢板、压力传感器以及注水装置组成；将井筒内壁水平方向射开一螺纹孔用于固定压力传感器，压力传感器的信号输出端通过电缆连接到外部的显示电路上。用配置好的泥岩将井筒外壁胶结住，在泥岩外部环绕一层密封钢板，形成一个抗压密封的装置，在该装置的外壁呈90o角方向射开一个螺纹孔，外接注水管线与注水装置相连，泥岩吸水蠕变后，对套管产生非均匀载荷，最大水平地应力与由现场数据获得的最小水平地应力的作用下，等效破坏载荷达到套管的屈服强度时，套管发生破坏，从而模拟泥岩吸水套管损坏。
Description
技术领域
本发明是一种用于进行模拟向泥岩中注水导致泥岩吸水膨胀对套管产生压应力，而使套管产生变形或损坏的一种装置以及模拟方法。
背景技术
随着油田开发的发展，套管损坏是各个油田普遍存在的问题。目前套损速度有逐年增加的趋势，严重影响了各大油田的生产，造成人力、物力和财力的巨大损失。在采油过程中油藏结构变化打破了原地应力场的平衡，泥岩层吸水蠕变产生地层滑动是引起套管损坏的主要原因。目前实验室在研究模拟泥岩吸水套管损坏的装置以及模拟方法时，通常依据去改变套管的结构尺寸、材料性能、地层的载荷等，从而阻止套损的发生。但是这套实验设备造价昂贵，试制周期较长，难以实现模拟真实作用于套管复杂的地层应力，而且实验效果也难以估计。
发明内容
为了解决背景技术中提到的难以解决的问题。本发明提供了一种模拟泥岩吸水套管损坏的装置以及模拟方法，利用该装置可在实验室中实现套损过程的仿真模拟，探究套损机理，分析套损规律。从而解决由于压力过大而形成套损所带来的油田开发过程中的损失，并可以得到进一步的预防，带来更多的经济效益。
本发明的技术方案是：该一种模拟泥岩吸水套管损坏的装置，包括人造泥岩和井筒，此外，所述装置还包括密封钢板、螺纹孔、电缆、压力传感器以及注水装置；
井筒为从井口到井底的筒状四壁，井筒的内径规格为5cm，壁厚5mm，长度为30cm；将井筒内壁水平方向射开一压力传感器固定螺纹孔用于固定压力传感器，压力传感器的信号输出端通过电缆连接到外部的显示电路上；
人造泥岩，长为30cm、宽为20cm、高为30cm；人造泥岩为一种由泥巴及黏土固化而成的沉积岩，其成分与构造和页岩相同；泥岩位于井筒的外壁，在所述泥岩外部环绕密封钢板；
沿所述井筒的轴向方向开有一个螺纹孔，外接注水管线与注水装置相连；
所述注水装置为自动补水装置，包括电磁阀、水箱、液位探测器、水泵、注水管线以及高低液位声光报警器。
利用前述装置进行模拟套管损坏的方法包括如下步骤：
第一步，水箱中的水由水泵抽出，通过与螺纹孔相连的注水管线注入到装置中；将电磁阀一端的信号接收端连入水箱中，液面降低时，接受端与水面分离，高低液位声光报警器响起，水泵正常关闭，电磁阀开始补水，形成一个循环往复的自动补水装置；
第二步，压力传感器感应泥岩注水膨胀时对井筒产生的挤压力，压力传感器感应到的信号通过电缆输出后，在显示屏上显示最大压应力；
第三步，结合第二步获得的最大压应力和由现场数据获得的最小应力按照公式（1）、（2）和（3）计算出等效应力；
套管的等效破坏载荷：
（1）
其中：代表最大压应力；代表最小应力；代表套管的等效破坏载荷
载荷的非均匀系数：
（2）
其中：代表最大压应力；代表最小应力；代表非均匀系数
得到套压：
（3）
其中：k代表非均匀系数；代表套压；
第四步，循环第三步操作，不断地增大泥岩（2）吸水膨胀产生的压应力，进行实验。
第五步，参照公式（1）、（2）、（3）求得的和的值进行实验比较，得出套管损坏时所能承受的最大破坏力，向套管施加，从而模拟泥岩吸水后套管损坏过程。
本发明具有如下有益的效果：本发明所提供的装置结构简单，操作过程方便，解决了目前实验室研究中无法模拟泥岩吸水膨胀而发生套损过程，无法进行套损研究分析工作的问题。运用本发明能够仿真模拟套损的过程，从而能够在泥岩吸水膨胀时，精确地得出套管损坏变形时所能承受的最大应力。解决了由于在实验过程中操作过程繁琐而引起的实验误差。
附图说明：
图1套损模拟装置图。
图2套管模拟装置剖面图。
图3注水装置立体图。
图4泥岩吸水膨胀套损立体图
图中1-密封钢板，2-人造泥岩，3-井筒，4-螺纹孔，5-电缆，6-压力传感器，7-高低液位声光报警器，8-电磁阀，9-水泵，10-液位探测器，11-水箱，12-注水管线。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
由图1至图4所示，该种模拟泥岩吸水套管损坏的装置，包括人造泥岩2和井筒3，此外，所述装置还包括密封钢板1、螺纹孔4、电缆5、压力传感器6以及注水装置。
井筒3为从井口到井底的筒状四壁，井筒3的内径规格为5cm，壁厚5mm，长度为30cm；将井筒内壁水平方向射开一压力传感器固定螺纹孔用于固定压力传感器6，压力传感器的信号输出端通过电缆5连接到外部的显示电路上。
人造泥岩2，长为30cm、宽为20cm、高为30cm；泥岩位于井筒3的外壁，在所述泥岩外部环绕密封钢板1。人造泥岩2为一种由泥巴及黏土固化而成的沉积岩，其成分与构造和页岩相同或相似但较不易碎，是一种层理或页理不明显的粘土岩。用配置好的泥岩将井筒外壁胶结住，在泥岩外部环绕一层密封钢板，形成一个抗压密封的装置。
沿所述井筒的轴向方向开有一个螺纹孔4，外接注水管线12与注水装置相连；
所述注水装置为自动补水装置，包括电磁阀8、水箱11、液位探测器10、水泵9、注水管线12以及高低液位声光报警器7。
利用前述装置进行模拟套管损坏的方法包括如下步骤：
第一步，水箱中的水由水泵抽出，通过与螺纹孔相连的注水管线注入到装置中；将电磁阀一端的信号接收端连入水箱中，液面降低时，接受端与水面分离，高低液位声光报警器响起，水泵正常关闭，电磁阀开始补水，形成一个循环往复的自动补水装置；
第二步，压力传感器感应泥岩注水膨胀时对井筒产生的挤压力，压力传感器感应到的信号通过电缆输出后，在显示屏上显示最大压应力；
第三步，结合第二步获得的最大压应力和由现场数据获得的最小应力按照公式（1）、（2）和（3）计算出等效应力；
套管的等效破坏载荷：
（1）
其中：代表最大压应力；代表最小应力；代表套管的等效破坏载荷
载荷的非均匀系数：
（2）
其中：代表最大压应力；代表最小应力；代表非均匀系数
得到套压：
（3）
其中：k代表非均匀系数；代表套压；
第四步，循环第三步操作，不断地增大泥岩（2）吸水膨胀产生的压应力，进行实验。
第五步，参照公式（1）、（2）、（3）求得的和的值进行实验比较，得出套管损坏时所能承受的最大破坏力，向套管施加，从而模拟泥岩吸水后套管损坏过程。
下面以Φ=139.7*9.17mm套管为例，给出一个应用本发明的具体实施例。
当向泥岩层注水的压差为5MPa时，对井筒产生的压应力为38.2060 Mpa，结合第三步的公式（1）、（2）、（3）求得的等效破坏载荷为34.4038Mpa，套管承载压力为35.7155Mpa。由和的值可以得出，小于，说明还未发生套损。
增大注水压差为6MPa时，得到的结论与上述相同。
增大注水压差为7MPa时，对井筒产生的压应力为39.0538 Mpa，求得的等效破坏载荷为34.7834Mpa，套管承载压力为34.1691 Mpa。由和的值可以得出，大于，说明发生套损。
增大注水压差为8MPa时，得到的结论与注水压差为7MPa时相同。
最终得出的套管等效破坏载荷与套管承载能力对比表如表1所示：
表1
由表1可知，当注水层与泥岩层压力差大于6MPa时，泥岩吸水膨胀一定时间后，由最大最小水平地应力产生的等效破坏载荷会大于套管的承载能力，影响套管的使用寿命。此时，为了防止套管的损坏，应该控制注水层压力与泥岩层压力差值不大于6MPa。
该实验的方法和装置测得的实验数据精确可靠，从而模拟了泥岩吸水后套管损坏过程。
Claims (2)
1.一种模拟泥岩吸水套管损坏的装置，包括人造泥岩（2）和井筒（3），其特征在于：
所述装置还包括密封钢板（1）、螺纹孔（4）、电缆（5）、压力传感器（6）以及注水装置；
井筒（3）为从井口到井底的筒状四壁，井筒（3）的内径规格为5cm，壁厚5mm，长度为30cm；将井筒内壁水平方向射开一压力传感器固定螺纹孔用于固定压力传感器（6），压力传感器的信号输出端通过电缆（5）连接到外部的显示电路上；
人造泥岩（2），长为30cm、宽为20cm、高为30cm；人造泥岩（2）为一种由泥巴及黏土固化而成的沉积岩，其成分与构造和页岩相同；泥岩（2）位于井筒（3）的外壁，在所述泥岩外部环绕密封钢板（1）；
沿所述井筒的轴向方向开有一个螺纹孔（4），外接注水管线（12）与注水装置相连；
所述注水装置为自动补水装置，包括电磁阀（8）、水箱（11）、液位探测器（10）、水泵（9）、注水管线（12）以及高低液位声光报警器（7）。
2.一种利用权利要求1中所述装置进行模拟的方法，该方法包括如下步骤：
第一步，水箱（11）中的水由水泵（9）抽出，通过与螺纹孔（4）相连的注水管线（12）注入到装置中；将电磁阀（8）一端的信号接收端连入水箱中（11），液面降低时，接受端与水面分离，高低液位声光报警器（7）响起，水泵（9）正常关闭，电磁阀（8）开始补水，形成一个循环往复的自动补水装置；
第二步，压力传感器（6）感应泥岩（2）注水膨胀时对井筒（3）产生的挤压力，压力传感器（6）感应到的信号通过电缆输出后，在显示屏上显示最大压应力；
第三步，结合第二步获得的最大压应力和由现场数据获得的最小应力按照公式（1）、（2）和（3）计算出等效应力；
套管的等效破坏载荷：
（1）
其中：代表最大压应力；代表最小应力；代表套管的等效破坏载荷
载荷的非均匀系数：
（2）
其中：代表最大压应力；代表最小应力；代表非均匀系数
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