CN111287731A - 一种固井水泥环完整性评价装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固井水泥环完整性评价装置及方法。主要解决了现有方法模拟过程不连续、模拟地层差异大的问题。其特征在于：上端盖、下端盖中间为模拟井筒内端；模拟井筒中部由内向外依次为内套管、胶套组件、外套管；其评价方法包括：依据实际固井配方配制水泥浆，注入胶套和内套管的环空，压紧上端盖，开启内套管注入口、胶套与内套管环空注入口、外套管与胶套环空注入口和加热管，参照养护方案进行升温升压并养护；打开验窜口，依照井下实际工况条件调整内套管压力，模拟井下实际试压、试采、压裂及注采过程中的内套压力变化，检验水泥环在全过程中的破坏导致的窜流情况。该装置及方法，通过全过程连续模拟，完成对固井水泥环的完整性评价。

Description

一种固井水泥环完整性评价装置及方法

技术领域

本发明涉及一种石油与天然气工程钻完井技术领域，特别涉及一种固井水泥环完整性评价装置及方法。

背景技术

环空窜流是影响油气井勘探和开发的关键性问题，严重的环空窜流不但会使钻完井及后续增产、开采等施工作业无法顺利实施，还会影响油气井的建井周期、安全开采及产能建设，甚至可能导致油气井的报废，从而出现巨大的经济损失。随着国内外各油田开发的不断深入，近年来环空窜流问题在国内外普遍存在，如美国墨西哥湾和加拿大部分油田，国内塔里木油田、川渝地区环空窜流问题都很严重，大庆庆深气田也相继出现多口井的环空窜流问题。

解决环空窜流的关键技术是保持水泥环完整性，防止水泥环结构完整性和密封完整性失效，从而规避或降低地层流体在油气井整个寿命期间无控制流动的风险，保证油气井的安全钻进与开采。

现阶段水泥环完整性的评价手段主要有数学软件评价与实验装置评价两种。数学软件评价是基于力学理论模拟水泥环受力建模评价水泥环完整性，尽管现有的数学软件评价能够在一定程度上满足当前工程需要,但仍无法给予直接的实验描述与评价，同时，因建模时一些力学性能假定太多，不完全符合实际，造成一定的结果偏差，从而影响了评价结果的充分描述。实验装置评价是模拟井下实际工况进行室内实验评价，更具有说服力，是当前较为推崇的方法。

实验装置也分常规评价装置和非常规评价装置两种。常规评价装置可靠度偏低，主要通过单轴抗压强度、抗拉强度、胶结强度、三轴应力、循环加载等常规试验方式从不同侧面反映水泥石的力学性能。一些非常规的评价装置虽然能直接正面测试水泥石封隔井眼环空的能力，但也存在很多弊端，主要表现在几个方面：一、将模型模拟套管水泥环的直径、厚度和长度等尺寸进行等效处理，处理后所有尺寸与井下实际尺寸相比均有较大的缩小，经过这种等效处理后的模型在受力和端面效应等方面均与井下实际情况存在较大的误差；二、整个评价过程存在非连续性，即在模拟井下温度、压力条件下养护水泥环后降温、卸压，然后重新加压在常温下进行水泥环完整性评价，不符合井下实际情况；三、采用钢管作为模拟地层，只能模拟硬地层环境，不能模拟软地层环境，且不能模拟传递地层压力，不能准确反应井下实际水泥环自身性能与其所受外力间的对应关系。

因此，需要开展水泥环完整性室内模拟评价研究，对现有水泥环性能改进前后的力学完整性能进行量化评价，为水泥环性能改进技术的实施提供理论实验支撑，继而形成可靠的水泥环完整性控制技术，解决环空窜流问题，为油气井的安全高效开发提供保障。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服背景技术中存在的现有水泥环完整性评价方法可靠度低、模拟过程不连续、模拟地层差异大的问题，而提供一种固井水泥环完整性评价装置，该固井水泥环完整性评价装置，采用全尺寸套管水泥环，将地层压力通过模拟地层传递到水泥环上，通过全过程的连续模拟，从而完成对固井水泥环的完整性评价。本发明还提供一种固井水泥环完整性评价方法。

本发明解决其问题可通过如下技术方案来达到：该固井水泥环完整性评价装置，包括上端盖、下端盖及模拟井筒，上端盖、下端盖的中间为模拟井筒内端；所述模拟井筒外部两端焊接法兰，模拟井筒中部由内向外依次为内套管、胶套组件、外套管；外套管两端焊接法兰，胶套组件与下端盖之间设有滤网组件。

该固井水泥环完整性评价方法包括以下步骤：

一）、将下端盖固定在实验架上，实验架放置于平坦地面，依次安装组合密封圈、加热管、滤网组件、内套管、胶套、外套管、保温层；

二）、依据实际固井配方配制水泥浆，注入胶套和内套管的环空，压紧上端盖，开启内套管注压口、胶套与内套管环空注压口、外套管与胶套环空注压口和加热管，参照国标中水泥石的养护方案进行升温升压并养护；

三）、打开验窜口，依照井下实际工况条件调整内套管压力，模拟井下实际试压、试采、压裂及注采过程中的内套压力变化，检验水泥环在全过程中的破坏导致的窜流情况。

上述步骤（二）、步骤（三）中压力和温度的控制可通过控制箱或者电脑实现，同时压力、温度和窜流量数据可被电脑软件全程采集，给出从注水泥到水泥凝固成石受力全过程的连续模拟数据。

该固井水泥环完整性评价装置的技术原理为：采用现场用套管作为装置内套管模拟井下真实套管；内套管内压力模拟压、试采、压裂及注采过程中的油层套管压力；内套管与胶套组件间的环隙模拟井下实际水泥环的厚度；胶套组件包含胶套及钢制骨架，胶套硫化在钢制骨架内层，利用胶套及钢制骨架的组合模拟软地层，能够将胶套组件外面的模拟地层压力传递到水泥环上，更好地反应井下实际水泥环自身性能与其所受外力间的对应关系；胶套组件与外套管之间的环隙间通过充满带压液体模拟地层压力；在模拟井下温度、压力下养护水泥环后即进行水泥环完整性破坏实验，达到了从注水泥到水泥凝固成石受力全过程的连续模拟；实验过程中的压力、温度和窜流量数据通过电脑软件全程采集并生成曲线，直观显现实现检测评价结果。

本发明与上述背景技术相比较可具有如下有益效果：

一、实现了全尺寸井径可视化模拟，所用内套管为井下所用实际套管，水泥环的厚度也与井下一致，可直接正面测试水泥石封隔井眼环空的能力；

二、实现井下实际温度、压力、作业工况模拟，可分别设置内套管压力、水泥环空压力、地层压力和地层温度，最高模拟参数分别为120MPa、80MPa、80MPa和300℃，满足试压、试采、压裂及注采过程的模拟需要；

三、实现整个评价过程的连续性，即在模拟井下温度、压力条件下养护水泥环后不经降温、卸压，而是直接进行压力变化下的进行水泥环完整性评价，真正实现了从注水泥到水泥凝固成石受力全过程的连续模拟；

四、实现了软地层模拟，能够将地层压力传递到水泥环上，更好地反应井下实际水泥环自身性能与其所受外力间的对应关系；

五、实现检测结果的直观性，即通过电脑软件全程采集压力、温度和窜流量数据并生成曲线。

附图说明

附图1是本发明的主体结构示意图；

附图2为沿着图1中E-E线的示意图。

图中：1.热电偶，2.上端盖，3.法兰，4.模拟井筒，5.内套管，6.胶套组件，7.外套管，8.保温层，9.滤网组件，10.下端盖，11.加热管，12.验窜口，13.模拟地层液体压力注入口，14.模拟水泥环液体压力注入口，15.模拟内套管液体压力注入口，16.滤网A，17.滤网B，18.滤网骨架，19.模拟水泥环液体压力排空口，20.模拟地层液体压力排空口，21.模拟地层液体压力排出口，22.模拟水泥环液体压力排出口，23.模拟内套管液体压力排出口。

具体实施方式：

下面结合附图将对本发明作进一步说明：

如附图1、图2所示，该固井水泥环完整性评价装置，包括上端盖2、下端盖10及模拟井筒4，所述上端盖2上通孔内插有热电偶1，热电偶1位于上端盖2中心附近，用于测量内套管5温度，热电偶1密封方式为反丝压冒锥面密封；上端盖2、下端盖10的中间为模拟井筒4内端；所述模拟井筒4外部两端焊接法兰3，模拟井筒4中部由内向外依次为内套管5、胶套组件6、外套管7及保温层8；内套管5、胶套组件6各层空间通过其与上端盖2、下端盖10之间的各层密封圈密封；内套管5为油田固井所用油层套管，与上端盖2、下端盖10之间的密封方式为包含O型密封圈和密封挡圈的组合密封圈，其内压采用气驱液增压泵增压，最高模拟压力为120MPa；胶套组件6包含胶套及钢制骨架，胶套硫化在钢制骨架内层，胶套组件6与内套管5之间为模拟水泥环，采用气驱液增压泵增压，最高模拟压力为80MPa；外套管7外部为保温层8，外套管7两端与法兰3采用焊接方式，外套管7与胶套组件6之间可施加模拟地层压力，采用气驱液增压泵增压，最高模拟压力为80MPa；胶套组件6与下端盖10之间设有滤网组件9，滤网组件9为复合环状结构，从上往下依次为滤网A16、滤网B17，滤网A16、滤网B17装于凹槽型滤网骨架18上, 所述滤网A16为325目滤网、滤网B17为60目滤网；下端盖10上开有连接加热管11和验窜口12连接管的通孔，加热管11位于下端盖10中心附近，与下端盖10的密封方式为紫铜垫端面密封，加热管11功率为8kW，最高模拟温度300℃；验窜口12位于下端盖10外端端口上方，验窜口12下方放置电子天平，整个装置的控制系统包括控制箱和电脑。

所述上端盖2对应内套管5腔体空间处开有连接模拟内套管液体压力注入口15连接管的通孔，上端盖2对应胶套与内套管环空处开有连接模拟水泥环液体压力注入口14与模拟水泥环液体压力排空口19连接管的通孔；外套管7与胶套组件6环空处上下端口对应模拟井筒4侧壁处开有连接模拟地层液体压力注入口13、模拟地层液体压力排空口20与模拟地层液体压力排出口21连接管的通孔，外套管7与胶套组件6环空处下端口为验窜口12，下端盖10外端端口处开有连接验窜口12、模拟水泥环液体压力排出口22连接管的通孔；下端盖10中部对应内套管5腔体空间处开有连接加热管11和模拟内套管液体压力排出口23连接管的通孔。

该固井水泥环完整性评价方法包括以下步骤：

一、将下端盖固定在实验架上，实验架放置于平坦地面，依次安装组合密封圈、加热管、滤网组件、内套管、胶套、外套管、保温层；

二、依据实际固井配方配制水泥浆，注入胶套和内套管的环空，压紧上端盖，通过模拟内套管液体压力注入口15、模拟水泥环液体压力注入口14和模拟地层液体压力注入口13注入液体，待各层液体注满后拧紧热电偶1螺栓，关闭模拟水泥环液体压力排空口19和模拟地层液体压力排空口20，打开加热管11，参照国标中水泥石的养护方案进行升温升压并养护；

三、养护一定时间后，打开验窜口，依照井下实际工况条件调整内套管压力，模拟井下实际试压、试采、压裂及注采过程中的内套压力变化，检验水泥环在全过程中的破坏导致的窜流情况；

四、实验全过程中压力和温度的控制可通过控制箱或者电脑实现，同时压力、温度和窜流量数据可被电脑软件全程采集，给出从注水泥到水泥凝固成石受力全过程的连续模拟数据；

五、实验结束后，通过模拟内套管液体压力排出口23和模拟地层液体压力排出口21排出各层液体，按照与第一步相反的顺序依次拆卸并清洗保养。

采用现场用套管作为装置内套管模拟井下真实套管；内套管内压力模拟试压、试采、压裂及注采过程中的油层套管压力；内套管与胶套组件间的环隙模拟井下实际水泥环的厚度；胶套组件包含胶套及钢制骨架，胶套硫化在钢制骨架内层，利用胶套及钢制骨架的组合模拟软地层，能够将胶套组件外面的模拟地层压力传递到水泥环上，更好地反应井下实际水泥环自身性能与其所受外力间的对应关系；胶套组件与外套管之间的环隙间通过充满带压液体模拟地层压力；在模拟井下温度、压力下养护水泥环后即进行水泥环完整性破坏实验，达到了从注水泥到水泥凝固成石受力全过程的连续模拟；实验过程中的压力、温度和窜流量数据通过电脑软件全程采集并生成曲线，直观显现实现检测评价结果。

Claims (10)

1.一种固井水泥环完整性评价装置，包括上端盖（2）、下端盖（10）及模拟井筒（4），其特征在于：上端盖（2）、下端盖（10）的中间为模拟井筒（4）；所述模拟井筒（4）外部两端焊接法兰（3），模拟井筒（4）中部由内向外依次为内套管（5）、胶套组件（6）、外套管（7）；外套管（7）两端焊接法兰（3），胶套组件（6）与下端盖（10）之间设有滤网组件（9）。

2.根据权利要求1所述的一种固井水泥环完整性评价装置，其特征在于：胶套组件（6）包含胶套及钢制骨架，胶套硫化在钢制骨架内层，胶套组件（6）与内套管（5）之间为模拟水泥环；外套管（7）外部为保温层（8）。

3.根据权利要求1所述的一种固井水泥环完整性评价装置，其特征在于：滤网组件（9）为复合环状结构，从上往下依次为滤网A（16）、滤网B（17），滤网A（16）、滤网B（17）装于凹槽型滤网骨架（18）上。

4.根据权利要求1所述的一种固井水泥环完整性评价装置，其特征在于：上端盖（2）上分别开有连接热电偶（1）、模拟内套管液体压力注入口（15）连接管、模拟水泥环液体压力注入口（14）与排空口（19）连接管的通孔；下端盖（10）上开有连接加热管（11）、验窜口（12）、模拟水泥环液体压力排出口（22）与模拟内套管液体压力排出口（23）连接管的通孔。

5.根据权利要求1所述的一种固井水泥环完整性评价装置，其特征在于：所述上端盖（2）上中心通孔内插有热电偶（1），上端盖（2）对应内套管（5）腔体处插接有模拟内套管液体压力注入口（15）连接管的通孔，上端盖（2）对应胶套与内套管环空处插接有连接模拟水泥环液体压力注入口（14）与模拟水泥环液体压力排空口（19）连接管的通孔；外套管（7）与胶套组件（6）环空处上端口对应模拟井筒（4）侧壁处开有连接模拟地层液体压力注入口（13）、模拟地层液体压力排空口（20）与模拟地层液体压力排出口（21）连接管的通孔，外套管（7）与胶套组件（6）环空处下端口为验窜口（12）。

6.根据权利要求1所述的一种固井水泥环完整性评价装置，其特征在于：内套管（5）与上端盖（2）、下端盖（10）之间采用O型密封圈和密封挡圈的组合密封；内套管（5）、胶套组件（6）各层空间通过其与上端盖（2）、下端盖（10）之间的各层密封圈密封。

7.根据权利要求1所述的固井水泥环完整性评价装置，其特征在于：加热管（11）位于下端盖（10）中心，与下端盖（10）的密封方式为紫铜垫端面密封；验窜口（12）下方放置电子天平。

8.根据权利要求1所述的一种固井水泥环完整性评价装置，其特征在于：所述整个装置连接控制系统，控制系统包括控制箱和电脑。

9.一种利用权利要求1所述装置的固井水泥环完整性评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

一）、将下端盖固定在实验架上，实验架放置于平坦地面，依次安装组合密封圈、加热管、滤网组件、内套管、胶套、外套管、保温层；

二）、依据实际固井配方配制水泥浆，注入胶套和内套管的环空，压紧上端盖，开启内套管注压口、胶套与内套管环空注压口、外套管与胶套环空注压口和加热管，参照国标中水泥石的养护方案进行升温升压并养护；

三）、打开验窜口，依照井下实际工况条件调整内套管压力，模拟井下实际试压、试采、压裂及注采过程中的内套压力变化，检验水泥环在全过程中的破坏导致的窜流情况。

10.根据权利要求9所述的一种固井水泥环完整性评价方法，其特征在于：压力和温度的控制可通过控制箱或者电脑实现，同时压力、温度和窜流量数据可被电脑软件全程采集，给出从注水泥到水泥凝固成石受力全过程的连续模拟数据。

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