CN112253086B - 一种固井初始作用力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气井钻完井技术领域，涉及一种固井初始作用力测量装置及方法。包括中空的套管，内含导热流体；加热丝置于套管的导热流体内，通过线路与温控装置相连；套管内壁贴有耐高温应变片Ⅰ，套管外侧由内向外依次连接水泥环/浆层、模拟地层；模拟地层的外侧贴有耐高温应变片Ⅱ；所述模拟地层内设高压管线，高压管线与水泥环/浆层相连；模拟地层上端设有上盖、下端设有下盖。本发明提供了一种油气井固井作业完成时套管与水泥环之间、水泥环与地层之间初始作用力的测量装置及方法，能够测量固井作业完成时套管与水泥环之间、水泥环与地层之间的初始作用力。

Description

一种固井初始作用力测量装置及方法

技术领域：

本发明属于油气井钻完井技术领域，涉及一种固井初始作用力测量装置及方法，具体涉及一种油气井固井作业完成时套管与水泥环之间、水泥环与地层之间初始作用力的测量装置及方法。

背景技术：

目前，井口环空带压现象是油气井生产过程中遇到的突出问题，严重制约着油气藏的安全高效开发。导致井口环空带压的因素很多，其中井下温、压力变化是最常见的也是最主要的因素之一。这是因为在油气井的寿命阶段内，井筒要经历测试、生产和后续作业等多个过程，不可避免地会造成井下温度和压力变化。由于套管、水泥环和地层的机械性能不同，温压变化会造成三者的变形不协调，造成水泥环破坏或一二界面胶结失效，形成气体窜流通道，进而发生气体窜流和形成井口环空带压现象。因此，研究温度和压力变化对套管-水泥环-地层系统应力及变形的影响规律对于预防该类环空带压问题具有重要的指导意义。

现有研究方法中，有限元数值模拟是研究温压变化对套管-水泥环-地层系统应力及变形影响规律的主要方法之一。该方法主要利用数值模拟软件建立套管-水泥环-地层系统模型，然后改变井筒的温度和压力，模拟计算套管-水泥环-地层系统的应力和变形，分析不同因素对系统密封失效的影响。

而现有的有限元数值模拟中，基本以固井作业完成时为起始点，建立的套管-水泥环-地层系统模型中假设三者之间不存在初始作用力。但现场测量已经证明，固井作业完成时存在着初始作用力，且部分学者从理论上分析了初始作用力的形成机理，却并没有对初始作用力开展进一步的研究，也没有测量初始作用力的相关设备，因而更没有对地层机械性质、地层孔隙尺寸、地层孔隙压力、水泥浆体系性能和水泥浆失重速率等因素对初始作用力的影响开展研究。所以，有必要开发初始作用力测量装置和设计初始作用力测量方法。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是现有的有限元数值模拟中，基本以固井作业完成时为起始点，建立的套管-水泥环-地层系统模型中假设三者之间不存在初始作用力。但现场测量已经证明，固井作业完成时存在着初始作用力，且部分学者从理论上分析了初始作用力的形成机理，却并没有对初始作用力开展进一步的研究。

为解决上述问题，本发明提供一种油气井固井作业完成时套管与水泥环之间、水泥环与地层之间初始作用力的测量装置及方法，能够测量固井作业完成时套管与水泥环之间、水泥环与地层之间的初始作用力。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现，一种固井初始作用力测量装置，用于测量油气井固井作业完成时套管与水泥环之间、水泥环与地层之间初始作用力，包括中空的套管，为现场全尺寸套管或缩小尺寸套管，钢材级别与现场套管所用钢材级别相同，内含导热流体；加热丝置于套管的导热流体内，通过线路与温控装置相连，以控制加热丝的加热温度；套管内壁贴有耐高温应变片Ⅰ，用于测量套管变形；套管外侧由内向外依次连接水泥环/浆层、模拟地层，水泥环/浆层选用现场固井所用的水泥浆体系凝固而成；模拟地层的外侧贴有耐高温应变片Ⅱ，用于测量模拟地层的变形；所述模拟地层内设高压管线，高压管线与水泥环/浆层相连，用于模拟高压的地层孔隙及孔隙流体压力；模拟地层上端设有上盖、下端设有下盖，二者通过螺栓与模拟地层固定，以形成密闭空间；上盖上装有上部高压管线，上部高压管线与水泥环/浆层相连，用来模拟水泥浆柱压力及水泥浆凝固过程中浆柱压力变化；下盖与下部高压管线相连，用于给套管内流体施加压力，模拟套管内压力；泵与高压中间容器相连，高压中间容器通过总线路与高压管线、上部高压管线、下部高压管线相连；总线路上设有总阀门，上部高压管线上设有减压阀Ⅰ，高压管线上分别设有减压阀Ⅱ、减压阀Ⅲ，下部高压管线上设有减压阀Ⅳ，所述减压阀将高压中间容器的压力降为所需要的压力；各减压阀与压力表相连，测量减压阀减压后的压力。

进一步的，所述导热流体为油或水。

进一步的，所述模拟地层由金属材料制成，弹性模量范围为30～210GPa，与现场模拟地层弹性模量相同，耐压能力不低于80MPa。

一种利用上述装置测量油气井固井作业完成时套管与水泥环之间、水泥环与地层之间初始作用力的方法，包括以下步骤：

(1)结合现场资料确定水泥浆凝固的井下环境条件、固井作业参数、套管参数、水泥环(浆)参数和地层参数等基本参数，包括井下温度和压力，水泥浆柱高度、候凝时间，套管尺寸及钢级，水泥浆配方、密度和静胶凝强度变化，地层弹性模量、孔隙压力，等；

(2)根据水泥浆柱底端和顶端静胶凝强度随时间的变化来确定水泥浆柱平均胶凝强度随时间的变化，然后根据水泥浆密度和平均静胶凝强度随时间的变化来确定水泥浆凝固过程中水泥浆柱压力随时间的变化；

(3)根据套管参数来选择相同的全尺寸套管或制作相同钢级的缩小尺寸套管；根据地层杨氏模量，选择具有相同杨氏模量的金属材料来制作模拟地层，并在其内部径向上钻孔布下高压管线，用来模拟地层孔隙和孔隙流体压力；

(4)组装下盖(及高压管线)、套管(及应变片)和模拟地层(及高压管线和应变片)，按照现场配方配制水泥浆，并将水泥浆浇入套管和模拟地层中间的环形空间，然后组装上盖，接上上盖的高压管线；

(5)根据(1)中的参数，先将套管内压力升至井下压力，然后将模拟地层孔隙流体压力升至井下孔隙流体压力，接着将水泥浆上部压力升至水泥浆柱压力，最后将温度升至井下温度；

(6)在候凝过程中，利用上盖高压管线的压力变化来模拟水泥浆凝固过程中水泥浆柱压力的变化，变化规律参照p_t-p随时间的变化，直至水泥浆凝固；

(7)在水泥浆凝固后，采集套管和模拟地层变形数据，计算套管与水泥环之间、水泥与地层之间的作用力，即为初始作用力。

进一步的，步骤(2)利用千德乐超声波静胶凝强度测试仪测定水泥浆柱在浆柱底端位置处温度和压力、浆柱顶端位置处温度和压力条件下的静胶凝强度参数随时间的变化，取底端和顶端静胶凝强度参数的平均值作为该水泥浆柱的平均静胶凝强度变化：

式中，GS_up为t时刻水泥浆柱顶端的静胶凝强度，Pa；GS_low为t时刻水泥浆柱底端的静胶凝强度，Pa；GS_t-p为t时刻水泥浆柱的平均静胶凝强度，Pa

根据水泥浆柱的密度和平均静胶凝强度变化来计算水泥浆柱压力的变化：

式中，p_t-p为t时刻的水泥浆柱压力，Pa；ρ为水泥浆密度，kg/m³；g为重力加速度，9.8kg·m/s²；L为水泥柱高度，m；D为井眼直径，mm；d为套管外径，mm。

进一步的，步骤(7)对于套管与水泥环之间的初始作用力，计算公式如下：

式中，p_c为水泥环对套管的作用力，Pa；E_c为套管的杨氏模量，Pa；ε_c为测量的套管周向应变；K_c为套管外径与内径之比。

对于水泥环与模拟地层之间的初始作用力，计算公式如下：

式中，p_F为水泥环对模拟地层的作用力，Pa；E_F为模拟地层的杨氏模量，Pa；ε_F为测量的模拟地层周向应变；K_F为模拟地层外径与内径之比。

本发明相比于现有技术，其有益效果在于：

(1)本发明具有一整套的油气井固井作业完成时套管与水泥环之间、水泥环与地层之间初始作用力的测量装置，使用时方便组装，操作简单。

(2)提供了一种可以测量油气井固井作业完成时套管与水泥环之间、水泥环与地层之间初始作用力的方法，弥补了现有研究中的不足，为进一步的研究井口环空带压现象提供了研究基础。

附图说明

图1是油气井固井作业完成时套管与水泥环之间、水泥环与地层之间初始作用力测量装置的原理图；

其中，温控装置1、上盖2、加热丝3、套管4、水泥环/浆层5、耐高温应变片Ⅱ6、导热流体7、模拟地层8、高压管线9、下盖10、下部高压管线11、上部高压管线12、减压阀Ⅰ13、耐高温应变片Ⅰ14、减压阀Ⅱ15、减压阀Ⅳ16、泵17、高压中间容器18、总阀门19、减压阀Ⅲ20、螺栓21、压力表22。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种固井初始作用力测量装置，用于测量油气井固井作业完成时套管与水泥环之间、水泥环与地层之间初始作用力，包括中空的套管4，为现场全尺寸套管或缩小尺寸套管，钢材级别与现场套管所用钢材级别相同，内含导热流体7；加热丝3置于套管4的导热流体内，通过线路与温控装置1相连，以控制加热丝的加热温度；套管4内壁贴有耐高温应变片Ⅰ14，用于测量套管变形；套管外侧由内向外依次连接水泥环/浆层5、模拟地层8，水泥环/浆层5选用现场固井所用的水泥浆体系凝固而成的；模拟地层8的外侧贴有耐高温应变片Ⅱ6，用于测量模拟地层的变形；所述模拟地层内设高压管线9，高压管线与水泥环/浆层5相连，用于模拟高压的地层孔隙及孔隙流体压力；模拟地层上端设有上盖2、下端设有下盖10，二者通过螺栓21与模拟地层固定，以形成密闭空间；上盖2上装有上部高压管线12，上部高压管线12与水泥环/浆层5相连，用来模拟水泥浆柱压力及水泥浆凝固过程中浆柱压力变化；下盖10与下部高压管线11相连，用于给套管4内流体施加压力，模拟套管内压力；泵17与高压中间容器18相连，高压中间容器18通过总线路与高压管线9、上部高压管线12、下部高压管线11相连；总线路上设有总阀门19，上部高压管线12上设有减压阀Ⅰ13，高压管线9上分别设有减压阀Ⅱ15、减压阀Ⅲ20，下部高压管线11上设有减压阀Ⅳ16，所述减压阀将高压中间容器的压力降为所需要的压力；各减压阀与压力表22相连，测量减压阀减压后的压力。

所述导热流体为油或水。

所述模拟地层8由金属材料制成，弹性模量范围为30～210GPa，与现场模拟地层弹性模量相同，耐压能力不低于80MPa。

所述加热丝3加热温度范围为室温～250℃。

所述泵17最高加压压力不低于80MPa。

实施例2：

一种利用实施例1中装置测量油气井固井作业完成时套管与水泥环之间、水泥环与地层之间初始作用力的方法，包括以下步骤：

(1)确定水泥浆凝固的井下环境条件、固井作业参数、套管参数、水泥环(浆)参数和地层参数等基本参数

结合现场资料(所关注的井段)，确定水泥浆凝固的井下环境条件、作业参数、套管参数、水泥环(浆)参数和地层参数等基本参数，包括：地温梯度约3℃/100m，井底静止温度为69℃，循环温度为45℃，井口温度20℃；水泥浆柱高度为2300m，候凝时间为24h；套管尺寸及钢级分别为7in和N80，套管厚度为12.65mm，井眼尺寸为8.5in；水泥浆配方为：100％嘉华G级水泥+0.1％F-2消泡剂+0.4％C-33分散剂+3％J-45降失水剂+0.4％H-3缓凝剂，密度为1.87g/cm³，水泥石弹性模量为7.6GPa；地层弹性模量为40GPa，孔隙压力为30MPa。

(2)利用千德乐超声波静胶凝强度测试仪测定水泥浆柱在浆柱底端位置处温度和压力、浆柱顶端位置处温度和压力条件下的静胶凝强度参数随时间的变化，分别如表1和表2所示，取底端和顶端静胶凝强度参数的平均值作为该水泥浆柱的平均静胶凝强度变化，计算公式如下所示，计算结果如下表3所示：

式中，GS_up为t时刻水泥浆柱顶端的静胶凝强度，Pa；GS_low为t时刻水泥浆柱底端的静胶凝强度，Pa；GS_t-p为t时刻水泥浆柱的平均静胶凝强度，Pa。

表1 69℃、42.2MPa条件下水泥浆静胶凝强度变化

表2 20℃、1atm条件下静胶凝强度变化

表3平均静胶凝强度变化

根据水泥浆柱的密度和平均静胶凝强度变化来计算水泥浆柱压力的变化，计算公式如下所示，计算结果如表4所示：

式中，p_t-p为t时刻的水泥浆柱压力，Pa；ρ为水泥浆密度，kg/m³；g为重力加速度，9.8kg·m/s²；L为水泥柱高度，m；D为井眼直径，mm；d为套管外径，mm。

表4不同时刻的水泥浆柱压力

(3)根据套管参数来选择相同的7in、N80钢级全尺寸套管4；根据地层杨氏模量，选择具有相同杨氏模量(40GPa)的合金材料来制作模拟地层8，在地层径向上钻6个孔，在这些孔内安装高压管线9，用来模拟地层孔隙和孔隙流体压力。

(4)在下盖上连接高压管线11，然后用螺栓21将下盖与模拟地层8(带高压管线9)连接，在模拟地层8外部贴上耐高温应变片II6，在套管4内部贴上耐高温应变片I14，然后将套管4安装在下盖10上。按照API标准配制水泥浆，并将水泥浆浇入套管4和模拟地层8中间的环形空间，然后在上盖2上装上加热丝3和高压管线12，将上盖2用螺栓21与模拟地层8组装到一起。将高压管线装与压力表22相连，然后用高压管线连接减压阀I13、II15、IV16、III20，并与总阀门19、高压中间容器18和泵17连接。

(5)按照水泥浆柱底端的温度(69℃)和水泥浆柱初始压力参数(42.2MPa)，先将套管4内导热流体压力升至水泥浆柱底端压力，然后将模拟地层孔隙流体压力升至井下孔隙流体压力(30MPa)，接着将水泥浆上部压力升至水泥浆柱压力(42.2MPa)，最后将温度升至井下温度(69℃)。

(6)在候凝过程中，通过改变上盖高压管线的压力来模拟水泥浆凝固过程中水泥浆柱压力的变化，变化规律参照p_t-p随时间的变化(即表4中压力随时间变化的数据)，直至水泥浆凝固。

(7)在水泥浆凝固后，采集套管和模拟地层变形数据，利用厚壁筒理论计算套管与水泥环之间、水泥与地层之间的作用力，即为初始作用力。

对于套管与水泥环之间的初始作用力，计算公式如下：

式中，p_c为水泥环对套管的作用力，Pa；E_c为套管的杨氏模量，Pa；ε_c为测量的套管周向应变；K_c为套管外径与内径之比。

利用测得的套管变形数据计算水泥环对套管的作用力，如下所示，其中负号表示压应力：

对于水泥环与模拟地层之间的初始作用力，计算公式如下：

式中，p_F为水泥环对模拟地层的作用力，Pa；E_F为模拟地层的杨氏模量，Pa；ε_F为测量的模拟地层周向应变；K_F为模拟地层外径与内径之比。

利用测得的地层变形数据计算水泥环对地层的作用力，如下所示，其中负号表示压应力：

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种固井初始作用力测量方法，其特征在于：所述的测量方法采用一种固井初始作用力测量装置实施，所述的一种固井初始作用力测量装置包括中空的套管，内含导热流体；加热丝置于套管的导热流体内，通过线路与温控装置相连；套管内壁贴有耐高温应变片Ⅰ，套管外侧由内向外依次连接水泥环/浆层、模拟地层；模拟地层的外侧贴有耐高温应变片Ⅱ；所述模拟地层内设高压管线，高压管线与水泥环/浆层相连；模拟地层上端设有上盖、下端设有下盖，二者通过螺栓与模拟地层固定；上盖上装有上部高压管线，上部高压管线与水泥环/浆层相连；下盖与下部高压管线相连；泵与高压中间容器相连，高压中间容器通过总线路与高压管线、上部高压管线、下部高压管线相连；总线路上设有总阀门，上部高压管线上设有减压阀Ⅰ，高压管线上分别设有减压阀Ⅱ、减压阀Ⅲ，下部高压管线上设有减压阀Ⅳ；各减压阀与压力表相连；所述导热流体为油或水；所述模拟地层由金属材料制成，弹性模量范围为30~210GPa，与现场模拟地层弹性模量相同，耐压能力不低于80MPa；所述的一种固井初始作用力测量方法包括以下步骤：

（1）结合现场资料确定水泥浆凝固的基本参数，包括井下温度和压力，水泥浆柱高度、候凝时间，套管尺寸及钢级，水泥浆配方、密度和静胶凝强度变化，地层弹性模量、孔隙压力；

（2）根据水泥浆柱底端和顶端静胶凝强度随时间的变化来确定水泥浆柱平均胶凝强度随时间的变化，然后根据水泥浆密度和平均静胶凝强度随时间的变化来确定水泥浆凝固过程中水泥浆柱压力随时间的变化；

（3）根据套管参数来选择相同的全尺寸套管或制作相同钢级的缩小尺寸套管；根据地层杨氏模量，选择具有相同杨氏模量的金属材料来制作模拟地层，并在其内部径向上钻孔布下高压管线，用来模拟孔隙和孔隙流体压力；

（4）在下盖上连接下部高压管线，然后用螺栓将下盖与带有高压管线的模拟地层连接，在模拟地层外部贴上耐高温应变片Ⅱ，在套管内部贴上耐高温应变片Ⅰ，然后将套管安装在下盖上；按照API标准配制水泥浆，并将水泥浆浇入套管和模拟地层中间的环形空间，然后在上盖上装上加热丝和上部高压管线，将上盖用螺栓与模拟地层组装到一起；将上部高压管线、下部高压管线、高压管线分别与压力表相连，然后在上部高压管线连接减压阀Ⅰ，下部高压管线连接减压阀Ⅳ，高压管线连接减压阀Ⅱ和减压阀Ⅲ，将上部高压管线、下部高压管线、高压管线共同通过总阀门、高压中间容器和泵连接；

（5）根据（1）中的参数，先将套管内压力升至井下压力，然后将模拟地层孔隙流体压力升至井下孔隙流体压力，接着将水泥浆上部压力升至水泥浆柱压力，最后将温度升至井下温度；

（6）在候凝过程中，利用上盖高压管线的压力变化来模拟水泥浆凝固过程中水泥浆柱压力的变化，变化规律参照水泥浆柱压力随时间的变化，直至水泥浆凝固；

（7）在水泥浆凝固后，采集套管和模拟地层变形数据，计算套管与水泥环之间、水泥与地层之间的作用力，即为初始作用力。

2.如权利要求1所述的一种固井初始作用力测量方法，其特征在于：步骤（2）利用千德乐超声波静胶凝强度测试仪测定水泥浆柱在浆柱底端位置处温度和压力、浆柱顶端位置处温度和压力条件下的静胶凝强度参数随时间的变化，取底端和顶端静胶凝强度参数的平均值作为该水泥浆柱的平均静胶凝强度变化：

式中，

为

时刻水泥浆柱顶端的静胶凝强度，Pa；

为

时刻水泥浆柱底端的静胶凝强度，Pa；

为

时刻水泥浆柱的平均静胶凝强度，Pa

根据水泥浆柱的密度和平均静胶凝强度变化来计算水泥浆柱压力的变化：

式中，

为

时刻的水泥浆柱压力，Pa；

为水泥浆密度，kg/m³；

为重力加速度，9.8kg·m/s²；

为水泥柱高度，m；

为井眼直径，mm；

为套管外径，mm。

3.如权利要求2所述的一种固井初始作用力测量方法，其特征在于：步骤（7）对于套管与水泥环之间的初始作用力，计算公式如下：

式中，

为水泥环对套管的作用力，Pa；

为套管的杨氏模量，Pa；

为测量的套管周向应变；

为套管外径与内径之比；

对于水泥环与模拟地层之间的初始作用力，计算公式如下：

式中，

为水泥环对模拟地层的作用力，Pa；

为模拟地层的杨氏模量，Pa；

为测量的模拟地层周向应变；

为模拟地层外径与内径之比。

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