CN111927435A - 一种高温高压套管水泥环地层密封完整性评价装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温高压套管水泥环地层密封完整性评价装置及方法，该装置包括：高温高压釜、温度压力控制系统和组合体，高温高压釜实现组合体密封完整性评价的交变温度压力实验条件；温度压力控制系统实现组合体密封完整性评价期间温度压力的调控、实验数据监控及记录；组合体实现高温高压油气井目标井段全尺寸或紧凑尺寸套管水泥环地层的模拟。通过模拟高温高压油气井目标井段交变温度、压力、套管内压工况，设计并制备套管/水泥环/地层组合体样品，测试组合体本体、固井一界面和固井二界面之间的窜漏压差，分析内部缺陷形貌尺寸及其抗压强度变化规律，为固井水泥环封隔能力检测、密封完整性评价提供更加稳定、可靠的实验方法和数据支撑。

Description

一种高温高压套管水泥环地层密封完整性评价装置及方法
技术领域
本发明涉及矿业开采技术领域，特别涉及一种用于高温高压油气井固井过程中套管/水泥环/地层组合体密封完整性评价方法，还涉及使用该方法进行高温高压油气井套管/水泥环/地层密封完整性评价的装置。
背景技术
能源是经济和社会发展的重要物质基础和动力来源，世界经济的持续发展对能源需求提出了更高要求，固井工程是保障油气安全、高效开发的重要环节，固井质量是封隔井眼内的油层、气层和水层，保护油气井套管、延长油气井寿命、提高采收率以及科学合理开发油气资源的关键。随着油气勘探开发力度的持续加大，固井技术面临超深、超高温超高压、复杂储层和复杂地质条件，高温高压对水泥浆顶替效率和界面胶结强度的影响，环空气窜、易压漏地层对水泥环渗透率、抗压强度的影响，CO2、H2S等腐蚀性气体与地层水的协同作用导致水泥环的力学性质和相关物性发生改变等，易引发套管/水泥环/地层密封完整性失效，导致油气井使用寿命、井筒完整性以及人员安全和经济效益面临巨大风险。
固井过程是指在地面上将水泥浆通过套管柱注入到井眼与套管柱之间的环空中，随着水泥的固化，形成水泥环并将套管柱与井壁岩石牢固地固结在一起，套管柱所受应力、形变以及地层岩石的地应力均直接作用在水泥环上，水泥环同时受到外部液柱压力的影响，因此，套管/水泥环/地层组合体的验窜、漏失性、水泥石力学性能及其内部缺陷的分析评价，是高温高压油气井选择和评定水泥浆体系的重要依据。
综上所述，高温高压油气井套管/水泥环/地层组合体密封完整性评价在理论和工程上具有极其重要的价值，但由于缺乏科学合理、贴近现场的评价装置和方法，导致水泥浆体系性能评价结果偏离工程实际，严重影响高温高压油气井固井质量的提升以及井筒完整性的发展。
常规的水泥环完整性评价方法，借助模拟套管试样与水泥环形成固井一界面，评价固井一界面的封固能力及其密封性，或者使用橡胶材料模拟地层岩石，实现一定围压下水泥环密封失效性能的评价，模拟评价结果与油气井工程实际相差甚远，评价装置结构复杂、体积大、成本高，不易于小型化、低成本室内实验的开展以及水泥环密封失效机理的研究，同时采用常规方法对超深超高温超高压井筒所需水泥浆体系选择和适用性评价时，因无法模拟水泥环与地层形成的固井二界面、交变温度压力、内压和围压等综合作用而出现评价环境与现场不一致，使得评价结果不适用于现场工况造成水泥浆体系固井质量差，导致高温高压油气井作业过程中的巨大经济损失甚至引发井筒完整性风险。
目前，常规的套管/水泥环/地层组合体密封完整性评价方法存在以下不足：
(A)套管/水泥环/地层岩石的固化方式受限，无法精细化模拟固井一界面、固井二界面以及油气井交变高温、内压、围压及介质复杂工况；
(B)套管/水泥环/地层组合体样品结构、材质及其实验条件与高温高压油气井工程实际存在差异，不能为现场水泥浆体系优选和适用性评价提供可靠保证；
(C)不能同时检测套管与水泥环之间的固井一界面、水泥环与地层岩石之间的固井二界面胶结情况及其封隔能力，无法真实评价套管/水泥环/地层组合体在超深超高温超高压环境中的密封完整性。
为解决常规的套管/水泥环/地层组合体密封完整性评价方法，不能优选出适用于油气井工程实际的水泥浆体系，本发明提出了高温高压油气井套管/水泥环/地层组合体模拟装置的设计方法，提出了根据待评价油气井工况条件计算并确定装置尺寸大小、实验测试及分析评价方法，形成了适用于高温高压套管/水泥环/地层密封完整性评价装置及方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种高温高压套管水泥环地层密封完整性评价装置及方法，解决了现有技术中存在的缺陷。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种高温高压套管水泥环地层密封完整性评价装置，包括：高温高压釜、温度压力控制系统和组合体12；
所述高温高压釜包括：釜盖1、釜体2、进气单向阀7、进气管线8、出气管线9、支架11、排气阀13，实现套管/水泥环/地层组合体密封完整性评价的交变高温高压实验条件。
所述温度压力控制系统包括：加热套3、保温层4、温度压力探针5和温度压力监控系统10、增压泵6，实现套管/水泥环/地层组合体密封完整性评价期间温度、压力的调控、实验数据监控及记录。
釜盖1和釜体2通过密封组成密闭系统，进气管线8和出气管线9与密闭系统连通，增压泵6连接进气管线8，进气管线8上安装进气单向阀7控制进气，出气管线9上安装排气阀13控制排气，密闭系统内设置支架11用于支撑组合体12。评价实验期间可使用增压泵6、进气单向阀7和排气阀13升高或降低高温高压釜压力。
釜体2表面包裹一层加热套3，加热套3表面包裹保温层4，温度压力探针5贯穿加热套3、保温层4和釜体2。评价实验期间可使用加热套3、保温层4升高或降低高温高压釜温度，通过温度压力探针5实时监测温度和压力的变化，通过温度压力监控系统10实时调整釜体2内部温度、压力，实现高温高压油气井目标井段交变温度、压力工况的模拟。
所述组合体12包括：地层岩石14、水泥环15、套管16、组合体上盖板17、组合体下盖板18、组合体密封圈19、套管密封圈20、组合体上盖板把手21、组合体上盖板堵头22、验窜管线23、验窜管汇24、套管阀门25、组合体下盖板堵头26、套管内腔27、组合体下盖板把手28、直通接头29和钢丝，实现高温高压油气井目标井段全尺寸或紧凑尺寸套管/水泥环/地层组合体的模拟。
所述组合体12是由套管16、水泥环15、地层岩石14组成的由内至外三层圆柱体，组合体上盖板17安装在三层圆柱体上表面，组合体下盖板18安装在三层圆柱体下表面，套管16与水泥环15之间为固井一界面，水泥环15与地层岩石14之间为固井二界面。
所述组合体上盖板17左右对称设置有两个组合体上盖板把手21，组合体上盖板17的上部设置有六个组合体上盖板堵头22，每一个组合体上盖板堵头22插入一条验窜管线23，验窜管线23的一端贯穿组合体上盖板堵头22和组合体上盖板17穿入水泥环15内，所有验窜管线23的另一端通过直通接头29汇集于验窜管汇24，直通接头29一端连接验窜管线23，一端连接验窜管汇24，验窜管汇24保障整体试压。
通过组合体密封圈19、组合体上盖板堵头22和套管密封圈20将三层圆柱体上部密封，通过验窜管汇24对水泥环15施加验窜压力。组合体下盖板18左右对称设置有两个组合体下盖板把手28，组合体下盖板18表面设置有六个组合体下盖板堵头26和套管阀门25，通过组合体密封圈19、组合体下盖板堵头26和套管密封圈20密封三层圆柱体下部，通过套管阀门25连接套管阀门管道，套管阀门管道贯穿组合体下盖板18直通三层圆柱体内，可升高或降低套管内腔27的内压力。
组合体上盖板堵头22通过螺纹与组合体上盖板17连接并保持密封，组合体下盖板堵头26通过螺纹与组合体下盖板18连接并保持密封，组合体上盖板把手21、组合体下盖板把手28分别通过螺纹与组合体上盖板17、组合体下盖板26连接。
进一步地，所设置的六条验窜管线23根据评价需求将验窜管线23端部弯向固井一界面或二界面，该验窜管线23直径为3mm，在其内部插入直径为1mm的钢丝，钢丝一端凝固在水泥环15之中，另一端通过组合体上盖板堵头22固定于组合体上盖板17，经直通接头29连接并汇集于验窜管汇24，钢丝可以从验窜管线23内拔出；
进一步地，地层岩石14为根据高温高压油气井目标井段井眼尺寸大小所取地层岩石或根据相似性原理加工的模拟岩石，水泥环15为高温高压油气井目标井段所用水泥浆体系凝固而成，套管16为高温高压油气井目标井段所用全尺寸套管或按相似性原理设计的紧凑型小尺寸套管。
进一步地，所述釜盖1、釜体2、进气单向阀7、进气管线8、出气管线9和排气阀13的材料均为哈氏合金C276；
水泥环15为高温高压油气井目标井段所用水泥浆体系凝固而成；
套管16材质与高温高压油气井目标井段所用套管材质一致；
组合体上盖板17、组合体下盖板18、组合体上盖板把手21、组合体上盖板堵头22和组合体下盖板堵头26的材质均与套管16材质保持一致，
组合体密封圈19、套管密封圈20材质为聚四氟乙烯；
验窜管线23、验窜管汇24、钢丝材质为哈氏合金C276。
本发明还公开了基于上述装置的高温高压套管水泥环地层密封完整性评价方法，包括以下步骤：
S1：根据高温高压油气井目标井段井眼尺寸、套管尺寸、井筒温度和压力工况参数，选择使用全尺寸或紧凑型尺寸设计套管水泥环地层密封完整性评价装置，其中全尺寸即各部件尺寸参数与高温高压井目标井段保持一致的评价装置，紧凑型尺寸是根据高温高压井目标井段各部件尺寸参数，采用相似性原理设计的小型化评价装置，然后使用全尺寸或根据相似性原理计算地层岩石14、水泥环15、套管16的外径、内径和壁厚等各部件的尺寸大小，确定水泥石养护温度、养护压力和养护时间，同时确定套管16、地层岩石14分别承受的内压、围压、环境介质以及验窜压力大小，根据实验条件设置合理的安全系数，设计并加工套管水泥环地层密封完整性评价装置。
S2：分别对高温高压釜、组合体12进行试压，确认密封性满足高温高压油气井目标井段工况条件要求，配制待评价高温高压油气井所用水泥浆。
S3：组装组合体12，安装组合体上盖板17和组合体上盖板堵头22及验窜管线23，该管线直径为3mm，在其内部插入直径为1mm的钢丝，端部凸出长度大于3mm以便水泥环固化完成后拔出拨出是为了验窜。拔出后即可通入气体，根据压力是否降低判断水泥环是否窜漏；拨出的作用是避免水泥奖未固化即进入验窜管线，把验窜管线堵住了，固化后就没法验窜了，将组合体12上下翻转过来，打开组合体下盖板18，将配制好的水泥浆连续、平稳地灌入地层岩石14与套管16所形成的环形空间之中，振动以消除水泥浆中的气泡，安装组合体下盖板18及组合体下盖板堵头26。
S4：打开套管阀门25，向套管16中注入水或氮气，直至压力达到步骤S1所确定的内压，关闭套管阀门25使套管内腔27在评价期间保持该内压。
S5：卸下组合体上盖板把手21和组合体下盖板把手28，将灌入水泥浆的组合体12放入高温高压釜中，向釜体2中加入步骤S1所确定的环境介质，以步骤S1所确定的温度、压力和时间以及交变温度压力等条件进行养护，养护期间实时监控高温高压釜温度、压力曲线，确保水泥环固化和养护条件与高温高压油气井目标井段一致。
S6：养护完成后，将组合体12取出，拔出验窜管线23内部插入的钢丝，使用直通接头29将验窜管汇24、压力表连接在验窜管线23上，卸下组合体下盖板堵头26，将组合体12侵入水中，对验窜管汇24进行增压直至达到步骤S1所确定的验窜压力，保持压力30分钟，观察是否有气泡冒出，同时记录压力变化情况，对验窜管线23进行逐一验窜，判定固井一界面、二界面的胶结情况以及水泥环的封隔能力。
S7：打开组合体12，截取验窜管线23至组合体下盖板26的部分，整体进行显微形貌和工业CT分析，同时检测水泥环内部的微裂缝、气泡等缺陷形貌及尺寸大小。
S8：通过在水泥环15截取试样，检测高温、内压、围压及介质综合作用后的抗压强度、抗张强度以及三轴压缩强度等力学性能参数。
S9：综合水泥环在高温、内压、围压及介质综合作用后的验窜结果，内部微裂缝、气泡等缺陷形貌及尺寸大小及其抗压强度、抗张强度以及三轴压缩强度等力学性能参数，分析套管与水泥环之间的固井一界面、水泥环与地层岩石之间的固井二界面胶结情况及其封固能力，综合分析评价高温、内压、围压及介质综合作用下高温高压油气井套管/水泥环/地层组合体的密封完整性，为高温高压油气井水泥浆体系配方优化、性能提升以及固井设计提供数据支撑。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(A)能够根据高温高压油气井目标井段井眼尺寸、套管尺寸及其工况参数，根据室内实验需求设计、加工全尺寸或紧凑型套管水泥环地层密封完整性评价装置开展评价实验；
(B)实现了在交变温度、交变压力以及交变内压环境条件下，评价套管/水泥环/地层组合体是否发生窜漏、内部缺陷形貌及尺寸以及抗压强度、抗张强度以及三轴压缩强度等力学性能的变化规律；
(C)贴近高温高压油气井工程实际，能够检测固井一界面、固井二界面胶结情况及其封固能力，分析评价高温、内压、围压及介质综合作用下油气井套管/水泥环/地层组合体的密封完整性，为油气井水泥浆体系优选、配方设计及其性能优化提供更加稳定、可靠的实验方法和数据支撑。
附图说明
图1是本发明实施例高温高压套管水泥环地层密封完整性评价装置结构示意图；
图2是本发明实施例套管水泥环地层组合体示意图；
图3是本发明实施例套管水泥环地层组合体上盖板示意图；
图4是本发明实施例套管水泥环地层组合体A-A截面示意图；
图5是本发明实施例套管水泥环地层组合体下盖板示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种高温高压套管水泥环地层密封完整性评价装置，其特征在于包括高温高压釜、温度压力控制系统、模拟套管/水泥环/地层组合体三个部分，可用于模拟评价高温、内压、围压及其交变作用下套管/水泥环/地层组合体的密封完整性。
所述高温高压釜包括：釜盖1、釜体2、进气单向阀7、进气管线8、出气管线9、支架11、排气阀13，实现套管/水泥环/地层组合体密封完整性评价的交变高温高压实验条件。
所述温度压力控制系统包括：加热套3、保温层4、温度压力探针5和温度压力监控系统10、增压泵6，实现套管/水泥环/地层组合体密封完整性评价期间温度、压力的调控、实验数据监控及记录。
釜盖1和釜体2通过密封组成密闭系统，进气管线8和出气管线9都通入密闭系统内部，增压泵6连接进气管线8，进气管线8上安装进气单向阀7，出气管线9上安装排气阀13。密闭系统内设置支架11，支架11上安装模拟套管/水泥环/地层组合体。评价实验期间可使用增压泵6通过进气单向阀7和进气管线8升高或降低高温高压釜压力，
釜体2表面包裹一层加热套3，加热套3表面包裹保温层4，温度压力探针5贯穿加热套3、保温层4和釜体2。评价实验期间可使用加热套3、保温层4升高或降低高温高压釜温度，通过温度压力探针5实时监测温度和压力的变化，通过温度压力监控系统10实时调整温度、压力实现交变温度压力环境，实现高温高压油气井目标井段温度、压力工况的模拟。
如图2至5所示，所述组合体12包括：地层岩石14、水泥环15、套管16、组合体上盖板17、组合体下盖板18、组合体密封圈19、套管密封圈20、组合体上盖板把手21、组合体上盖板堵头22、验窜管线23、验窜管汇24、套管阀门25、组合体下盖板堵头26、套管内腔27、组合体下盖板把手28、直通接头29和钢丝，实现高温高压油气井目标井段全尺寸或紧凑尺寸套管/水泥环/地层组合体的模拟。
所述套管16外包裹水泥环15，水泥环15外包裹地层岩石14，形成圆管形状的三层圆柱体，组合体上盖板17安装在三层圆柱体上表面，组合体下盖板18安装在三层圆柱体下表面，套管16与水泥环15之间为固井一界面，水泥环15与地层岩石14之间为固井二界面。
所述组合体上盖板17左右对称设置有两个组合体上盖板把手21，组合体上盖板17的上部设置有六个组合体上盖板堵头22，每一个组合体上盖板堵头22插入一条验窜管线23，验窜管线23的一端贯穿组合体上盖板堵头22和组合体上盖板17穿入水泥环15内，所有验窜管线23的另一端汇集于验窜管汇24，
通过组合体密封圈19、组合体上盖板堵头22和套管密封圈20将三层圆柱体上部密封，通过验窜管汇24对水泥环15施加验窜压力。
组合体下盖板18左右对称设置有两个组合体下盖板把手28，组合体下盖板18表面设置有六个组合体下盖板堵头26和套管阀门25，通过组合体密封圈19、组合体下盖板堵头26和套管密封圈20密封三层圆柱体下部，通过套管阀门25连接套管阀门管道，套管阀门管道贯穿组合体下盖板18直通三层圆柱体内，可升高或降低套管内腔27的内压力。
组合体上盖板堵头22通过螺纹与组合体上盖板17连接并保持密封，组合体下盖板堵头26通过螺纹与组合体下盖板18连接并保持密封，组合体上盖板把手21、组合体下盖板把手28分别通过螺纹与组合体上盖板17、组合体下盖板26连接。
所设置的六条验窜管线23根据评价需求将验窜管线23端部弯向固井一界面或二界面，其内部插入一根尺寸相符的钢丝，并可在验窜时取出，钢丝一端凝固在水泥环15之中，另一端通过组合体上盖板堵头22固定于组合体上盖板17，经直通接头29连接并汇集于验窜管汇24。
包括高温高压井目标井段井筒全尺寸以及紧凑型尺寸两种，其中全尺寸即各部件尺寸参数与高温高压井目标井段保持一致的评价装置，紧凑型尺寸是根据高温高压井目标井段各部件尺寸参数，采用相似性原理设计的小型化评价装置，地层岩石14为根据高温高压油气井目标井段井眼尺寸大小所取地层岩石或根据相似性原理加工的模拟岩石，水泥环15为高温高压油气井目标井段所用水泥浆体系凝固而成，套管16为高温高压油气井目标井段所用全尺寸套管或按相似性原理设计的紧凑型小尺寸套管。
通过加热套3升高组合体12的温度，通过增压泵6增大组合体12所受围压，通过套管阀门25增大组合体12所受内压，通过控制釜体2温度、压力模拟高温高压工况目标井段水泥环的固化，同时将验窜管线23通过组合体上盖板堵头22凝固于水泥环15中，根据评价适当将验窜管线23端部弯向固井一界面或二界面，水泥环固化后可对验窜管线23进行逐一验窜，判定固井一界面、二界面的胶结情况以及水泥环的封隔能力，通过显微形貌和工业CT分析水泥环15裂纹、气泡及其缺陷形貌及尺寸，通过在水泥环15截取试样，检测高温、内压、围压及介质综合作用后的抗压强度、抗张强度以及三轴压缩强度等力学性能参数，模拟评价高温高压油气井目标井段套管/水泥环/地层组合体的密封完整性，筛选水泥浆体系或优化水泥浆配方。
高温高压釜釜盖1、釜体2、进气单向阀7、进气管线8、出气管线9、排气阀13等均为哈氏合金C276，地层岩石14为高温高压井目标井段地层岩石或与之具备相同岩石力学特征的模拟岩石，水泥环15为高温高压油气井目标井段所用水泥浆体系凝固而成，套管16材质与高温高压油气井目标井段所用套管材质一致，组合体上盖板17、组合体下盖板18、组合体上盖板把手21、组合体上盖板堵头22、组合体下盖板堵头26材质均与套管16材质保持一致，组合体密封圈19、套管密封圈20材质为聚四氟乙烯，验窜管线23、验窜管汇24、钢丝材质为哈氏合金C276。
一种高温高压套管水泥环地层密封完整性评价方法，包括以下步骤：
S1：高温高压套管水泥环地层密封完整性评价装置的加工，具体子步骤如下：
S11：根据高温高压油气井目标井段井眼尺寸、套管尺寸、井筒温度、压力等工况参数，选择使用全尺寸或紧凑型尺寸设计套管水泥环地层密封完整性评价装置，然后使用全尺寸或根据相似性原理计算地层岩石14、水泥环15、套管16的外径、内径和壁厚等各部件的尺寸大小，具体计算方法如下：
分别将井筒实际尺寸(p)与模拟装置尺寸(m)记为数据集pn和mn，所涉及几何尺寸分别有套管外径(A)、内径(B)、壁厚(C)，水泥环外径(D)、内径(E)、壁厚(F)以及井眼尺寸(G)等7个关键尺寸数据，则井筒实际尺寸和模拟装置尺寸表达为：
pn＝(pA，pB，pC，pD，pE，pF，pG)
mn＝(mA，mB，mC，mD，mE，mF，mG)
根据欧几里得距离(Eucledian Distance，也称欧氏距离)计算方法，分别求取样本集井筒实际尺寸(p)与模拟装置尺寸(m)的标准差Sn：
Figure BDA0002650032130000121
式中：
Figure BDA0002650032130000122
分别为井筒实际尺寸(p)与模拟装置尺寸(m)的标准化变量；
Figure BDA0002650032130000123
分别为井筒实际尺寸(p)与模拟装置尺寸(m)对应尺寸参数的均值；sn为对应尺寸参数的标准差。
井筒实际尺寸(p)与模拟装置尺寸(m)的欧几里得距离：
Figure BDA0002650032130000131
根据上述设计方法设计模拟装置尺寸，计算所得井筒实际尺寸(p)与模拟装置尺寸(m)的欧几里得距离E(p，m)∈[0，1]时，表明井筒实际尺寸(p)与模拟装置尺寸(m)符合相似性设计要求。
S12：根据高温高压油气井目标井段工况，确定水泥环养护温度、压力和时间，同时确定套管16、地层岩石14分别承受的内压、围压、环境介质以及验窜压力大小。
S13：根据上述全尺寸或紧凑尺寸的套管/水泥环/地层组合体尺寸以及温度、压力和介质对材质的要求，根据实验条件设置合理的安全系数，设计并加工套管水泥环地层密封完整性评价装置。
S14：分别对高温高压釜、组合体12进行试压，验证所设计评价装置性能可靠且其密封性满足高温高压油气井目标井段工况温度压力需求。
S2：套管水泥环地层组合体的制备，具体子步骤如下：
S21：配制待评价高温高压油气井所用水泥浆；
S22：组装组合体12，安装组合体上盖板17和组合体上盖板堵头22、组合体密封圈19、套管密封圈20及验窜管线23，根据评价需求可适当将验窜管线23端部弯向固井一界面或二界面，确保固化后可分别验证固井一界面、固井二界面的胶结情况和封隔能力，在验窜管线23内部插入尺寸相符的钢丝，端部留有一定尺寸以便于养护完成时拔出，将其上下翻转过来；
S23：把步骤S21：所配制的水泥浆连续、平稳地灌入组合体12的环形空间中，振动以消除水泥中的气泡，安装组合体下盖板18、组合体下盖板堵头26、组合体密封圈19、套管密封圈20及套管阀门25。
S3：内压的施加，具体子步骤如下：
S31：将增压泵与套管/水泥环/地层组合体下盖板18连接；
S32：打开套管阀门25，对套管16进行增压，直至套管内腔27中的压力达到步骤S1所确定的内压。
S33：关闭套管阀门25，断开增压泵与套管/水泥环/地层组合体下盖板18之间的连接，使套管内腔27在评价实验期间保持该内压。
S4：交变高温、内压、围压及介质对套管水泥环地层组合体的综合作用，具体方法如下：
S41：将组合体12缓慢、平稳地置于高温高压釜釜体2中，向釜中添加步骤S1所确定的环境介质，安装釜盖1并使其保持密封；
S42：升温增压，使高温高压釜釜体2温度压力达到步骤S1所确定的水泥环养护温度、养护压力后，记录实验开始时间；
S43：水泥环养护期间，使用温度压力控制系统实时调整、监控高温高压釜温度、压力的变化，交变温度、压力及水泥环养护时间按照步骤S1所确定的参数执行。
S44：水泥环养护结束后，从高温高压釜中取出组合体12，准备开展后续实验。
S5：交变高温、内压、围压及介质综合作用后，套管水泥环地层组合体的验窜实验，具体方法如下：
S51：水泥环养护结束后，从高温高压釜中取出组合体12，拔出验窜管线23内部插入的钢丝；
S52：使用直通接头29将验窜管汇24、压力表连接在验窜管线23上，卸下组合体下盖板堵头26，将组合体12侵入水中；
S53：对验窜管汇24进行增压直至达到步骤S1所确定的验窜压力，保持压力30分钟，观察是否有气泡冒出，按顺时针方向逐个评价并记录每一个验窜管线23的压力变化情况，判定固井一界面、二界面以及水泥环整体的密封性能。
S6：交变高温、内压、围压及介质综合作用后，套管水泥环地层组合体中水泥环微观结构观察，具体方法如下：
S61：打开组合体12，截取验窜管线23至组合体下盖板26的部分，整体进行工业CT扫描；
S62：检测水泥环内部的微裂缝、气泡等缺陷形貌及尺寸大小。
S63：分析套管与水泥环之间的固井一界面、水泥环与地层岩石之间的固井二界面胶结情况及其封固能力。
S7：交变高温、内压、围压及介质综合作用后，套管水泥环地层组合体中水泥环力学性能测试，具体方法如下：
S71：打开组合体12，在验窜管线23至组合体下盖板26的部分截取单轴抗压强度、抗拉强度以及三轴抗压强度测试试样，其中单轴抗压强度测试试样、三轴抗压强度测试试样为直径25.4mm、高度50.8mm的圆柱形试样，抗拉强度测试试样为直径50.8mm、高度25.4mm的圆柱形试样；
S72：检测高温、内压、围压及介质综合作用后的抗压强度、抗张强度以及三轴压缩强度等力学性能参数，其强度计算公式分别如下：
抗压强度：
Figure BDA0002650032130000151
式中：P为水泥石试样破裂的最大力，S为最小横截面积。
抗拉强度：
Figure BDA0002650032130000161
式中：P为试样破坏时的载荷，MPa；D为立方体试样高度或圆柱体试样直径，mm；t为立方体试样宽度或圆柱体试样厚度，mm。
S73：通过对比高温、内压、围压及介质综合作用前后，水泥环力学性能的变化得到水泥环对高温、内压、围压及介质的承受能力及其在该工况环境中的力学性能变化规律。
S8：综合水泥环在高温、内压、围压及介质综合作用后的验窜结果，内部微裂缝、气泡等缺陷形貌及尺寸大小及其抗压强度、抗张强度以及三轴压缩强度等力学性能参数，综合分析评价高温、内压、围压及介质综合作用下油气井套管/水泥环/地层组合体的密封完整性，为水泥浆体系配方优化、性能提升以及固井设计提供数据支撑。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高温高压套管水泥环地层密封完整性评价装置，其特征在于，包括：高温高压釜、温度压力控制系统和组合体(12)；
所述高温高压釜包括：釜盖(1)、釜体(2)、进气单向阀(7)、进气管线(8)、出气管线(9)、支架(11)、排气阀(13)，实现套管/水泥环/地层组合体密封完整性评价的交变高温高压实验条件；
所述温度压力控制系统包括：加热套(3)、保温层(4)、温度压力探针(5)和温度压力监控系统(10)、增压泵(6)，实现套管/水泥环/地层组合体密封完整性评价期间温度、压力的调控、实验数据监控及记录；
釜盖(1)和釜体(2)通过密封组成密闭系统，进气管线(8)和出气管线(9)与密闭系统连通，增压泵(6)连接进气管线(8)，进气管线(8)上安装进气单向阀(7)控制进气，出气管线(9)上安装排气阀(13)控制排气，密闭系统内设置支架(11)用于支撑组合体(12)；
釜体(2)表面包裹一层加热套(3)，加热套(3)表面包裹保温层(4)，温度压力探针(5)贯穿加热套(3)、保温层(4)和釜体(2)；
所述组合体(12)包括：地层岩石(14)、水泥环(15)、套管(16)、组合体上盖板(17)、组合体下盖板(18)、组合体密封圈(19)、套管密封圈(20)、组合体上盖板把手(21)、组合体上盖板堵头(22)、验窜管线(23)、验窜管汇(24)、套管阀门(25)、组合体下盖板堵头(26)、套管内腔(27)、组合体下盖板把手(28)、直通接头(29)和钢丝，实现高温高压油气井目标井段全尺寸或紧凑尺寸套管/水泥环/地层组合体的模拟；
所述组合体(12)是由套管(16)、水泥环(15)、地层岩石(14)组成的由内至外三层圆柱体，组合体上盖板(17)安装在三层圆柱体上表面，组合体下盖板(18)安装在三层圆柱体下表面，套管(16)与水泥环(15)之间为固井一界面，水泥环(15)与地层岩石(14)之间为固井二界面；
所述组合体上盖板(17)左右对称设置有两个组合体上盖板把手(21)，组合体上盖板(17)的上部设置有六个组合体上盖板堵头(22)，每一个组合体上盖板堵头(22)插入一条验窜管线(23)，验窜管线(23)的一端贯穿组合体上盖板堵头(22)和组合体上盖板(17)穿入水泥环(15)内，所有验窜管线(23)的另一端通过直通接头(29)汇集于验窜管汇(24)，直通接头(29)一端连接验窜管线(23)一端连接验窜管汇(24)；
通过组合体密封圈(19)、组合体上盖板堵头(22)和套管密封圈(20)将三层圆柱体上部密封，通过验窜管汇(24)对水泥环(15)施加验窜压力；组合体下盖板(18)左右对称设置有两个组合体下盖板把手(28)，组合体下盖板(18)表面设置有六个组合体下盖板堵头(26)和套管阀门(25)，通过组合体密封圈(19)、组合体下盖板堵头(26)和套管密封圈(20)密封三层圆柱体下部，通过套管阀门(25)连接套管阀门管道，套管阀门管道贯穿组合体下盖板(18)直通三层圆柱体内，可升高或降低套管内腔(27)的内压力；
组合体上盖板堵头(22)通过螺纹与组合体上盖板(17)连接并保持密封，组合体下盖板堵头(26)通过螺纹与组合体下盖板(18)连接并保持密封，组合体上盖板把手(21)、组合体下盖板把手(28)分别通过螺纹与组合体上盖板(17)、组合体下盖板(26)连接。
2.根据权利要求1所述的一种高温高压套管水泥环地层密封完整性评价装置，其特征在于：所设置的六条验窜管线(23)端部分别垂直插入水泥环、弯向固井一界面或弯向固井二界面，该验窜管线(23)直径为3mm，在其内部插入直径为1mm的钢丝，钢丝一端凝固在水泥环(15)之中，另一端通过组合体上盖板堵头(22)固定于组合体上盖板(17)，经直通接头(29)连接并汇集于验窜管汇(24)，验窜时钢丝可从验窜管线(23)内拔出。
3.根据权利要求2所述的一种高温高压套管水泥环地层密封完整性评价装置，其特征在于：地层岩石(14)为根据高温高压油气井目标井段井眼尺寸大小所取地层岩石或根据相似性原理加工的模拟岩石，水泥环(15)为高温高压油气井目标井段所用水泥浆体系凝固而成，套管(16)为高温高压油气井目标井段所用全尺寸套管或按相似性原理设计的紧凑型小尺寸套管。
4.根据权利要求3所述的一种高温高压套管水泥环地层密封完整性评价装置，其特征在于：所述釜盖(1)、釜体(2)、进气单向阀(7)、进气管线(8)、出气管线(9)和排气阀(13)的材料均为哈氏合金C276；
水泥环(15)为高温高压油气井目标井段所用水泥浆体系凝固而成；
套管(16)材质与高温高压油气井目标井段所用套管材质一致；
组合体上盖板(17)、组合体下盖板(18)、组合体上盖板把手(21)、组合体上盖板堵头(22)和组合体下盖板堵头(26)的材质均与套管(16)材质保持一致；
组合体密封圈(19)、套管密封圈(20)材质为聚四氟乙烯；
验窜管线(23)、验窜管汇(24)、钢丝材质为哈氏合金C276。
5.根据权利要求4所述的一种高温高压套管水泥环地层密封完整性评价装置的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据高温高压油气井目标井段井眼尺寸、套管尺寸、井筒温度和压力工况参数，选择使用全尺寸或紧凑型尺寸设计套管水泥环地层密封完整性评价装置，其中全尺寸即各部件尺寸参数与高温高压井目标井段保持一致的评价装置，紧凑型尺寸是根据高温高压井目标井段各部件尺寸参数，采用相似性原理设计的小型化评价装置，然后使用全尺寸或根据相似性原理计算地层岩石(14)、水泥环(15)、套管(16)的外径、内径和壁厚等各部件的尺寸大小，确定水泥石养护温度、养护压力和养护时间，同时确定套管(16)、地层岩石(14)分别承受的内压、围压、环境介质以及验窜压力大小，根据实验条件设置合理的安全系数，设计并加工套管水泥环地层密封完整性评价装置；
S2：分别对高温高压釜、组合体(12)进行试压，确认密封性满足高温高压油气井目标井段工况条件要求，配制待评价高温高压油气井所用水泥浆；
S3：组装组合体(12)，安装组合体上盖板(17)和组合体上盖板堵头(22)及验窜管线(23)，该管线直径为3mm，在其内部插入直径为1mm的钢丝，端部凸出长度大于3mm以便水泥环固化完成后拔出，将组合体(12)上下翻转过来，打开组合体下盖板(18)，将配制好的水泥浆连续、平稳地灌入地层岩石(14)与套管(16)所形成的环形空间之中，振动以消除水泥浆中的气泡，安装组合体下盖板(18)及组合体下盖板堵头(26)；
S4：打开套管阀门(25)，向套管(16)中注入水或氮气，直至压力达到步骤S1所确定的内压，关闭套管阀门(25)使套管内腔(27)在评价期间保持该内压；
S5：卸下组合体上盖板把手(21)和组合体下盖板把手(28)，将灌入水泥浆的组合体(12)放入高温高压釜中，向釜体(2)中加入步骤S1所确定的环境介质，以步骤S1所确定的温度、压力和时间以及交变温度压力等条件进行养护，养护期间实时监控高温高压釜温度、压力曲线，确保水泥环固化和养护条件与高温高压油气井目标井段一致；
S6：养护完成后，将组合体(12)取出，拔出验窜管线(23)内部插入的钢丝，使用直通接头(29)将验窜管汇(24)、压力表连接在验窜管线(23)上，卸下组合体下盖板堵头(26)，将组合体(12)侵入水中，对验窜管汇(24)进行增压直至达到步骤S1所确定的验窜压力，保持压力30分钟，观察是否有气泡冒出，同时记录压力变化情况，对验窜管线(23)进行逐一验窜，判定固井一界面、固井二界面的胶结情况以及水泥环的封隔能力；
S7：打开组合体(12)，截取验窜管线(23)至组合体下盖板(26)的部分，整体进行显微形貌和工业CT分析，同时检测水泥环内部的微裂缝、气泡等缺陷形貌及尺寸大小；
S8：通过在水泥环(15)截取试样，检测高温、内压、围压及介质综合作用后的抗压强度、抗张强度以及三轴压缩强度等力学性能参数；
S9：综合水泥环在高温、内压、围压及介质综合作用后的验窜结果，内部微裂缝、气泡等缺陷形貌及尺寸大小及其抗压强度、抗张强度以及三轴压缩强度等力学性能参数，分析固井一界面、固井二界面胶结情况及其封固能力，综合分析评价高温、内压、围压及介质综合作用下高温高压油气井套管/水泥环/地层组合体的密封完整性，为高温高压油气井水泥浆体系配方优化、性能提升以及固井设计提供数据支撑。
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