CN112611641B - 一种井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体、方法及应用 - Google Patents

一种井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体、方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于石油完井的地面试验技术领域，公开了一种井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体、方法及应用，包括端帽、把手、轴向密封圈、高压釜体、气囊锁圈、试验内衬、端面密封圈、压紧螺环、破碎试验盲板、底部密封圈、压力气囊。本发明计算出不同压力体系下套管的内能储备，在高压实验釜体中储备等量级别的压缩能，在破碎试验盲板破碎后，达到等量级别的破碎冲击效果。本发明实现了地面模拟井下套管中的暂堵结构高压破碎过程，确保了破碎过程接近真实效果，且釜体设备适用于多种套管规格，也适用于不同的压力体系，达到了地面模拟井下套管中暂堵结构高压破碎过程的目的，为石油完井工作提供了可靠的参考依据。

Description

一种井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体、方法及应用
技术领域
本发明属于石油完井的地面试验技术领域，尤其涉及一种井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体、方法及应用。
背景技术
目前：随着长段水平井的开发和发展，水平段套管下入摩擦阻力增加的问题也增大，暂堵技术是主要的解决手段。暂堵结构以上的套管灌满泥浆，暂堵结构的以下的套管不灌泥浆，这样，下部套管在井眼中保持漂浮状态，从而减小摩擦阻力，套管下入到目标位置后需要破碎暂堵结构。因此，需要建立地面模拟试验平台，对暂堵结构的破碎进行试验分析。为了地面压力安全，现在地面常用的压力釜体装置壁厚较大，相对于固井套管尺寸，同等级的压力下应力水平和位移形变上就会小一个数量级。因此地面压力釜体装置的压力能量就会比套管内的能量小一个数量级，地面压力釜体装置就不能有效模拟出井下暂堵结构的破碎效果。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的地面试验设备在同等级的压力下，釜体装置的压力能量比井下套管中的能量小一个数量级。
解决以上问题及缺陷的难度为：地面设备尺寸规格较小，且为了地面压力安全，釜体装置壁厚较大。在同等级的压力下，釜体装置存储的压力能量小。
解决以上问题及缺陷的意义为：本发明可以在地面上实现井下暂堵结构的破碎冲击效果，在高压实验釜体中储备等量级别的压缩能，在破碎试验盲板破碎后，达到等量级别的破碎冲击效果。为石油完井的地面试验提供可靠的试验装置和方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体、方法及应用。
本发明是这样实现的，一种井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体，所述井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体设置有：端帽；
压力气囊内嵌在端帽中，下部通过螺纹连接高压釜体，并压力密封。
进一步，所述端帽内嵌压力气囊，并通过气囊锁圈固定压力气囊，下部通过螺纹连接高压釜体，并用轴向密封圈实现压力密封。
进一步，把手通过螺纹连接端帽，用于螺纹对接高压釜体。
进一步，高压釜体上部螺纹密封连接端帽，内嵌试验内衬，旁通高压管孔。
进一步，气囊锁圈通过外螺纹内嵌在端帽下部，通过内螺纹固定压力气囊。
进一步，试验内衬上部座封在高压釜体内的台阶上，底部用底部密封圈封装破碎试验盲板，并通过内螺纹用压紧螺环固定预紧破碎试验盲板。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体的井下暂堵结构的地面破碎模拟测试方法，所述井下暂堵结构的地面破碎模拟测试方法在地面模拟实现破碎试验盲板的破碎冲击过程，计算出不同压力体系下套管的内能储备，在高压实验釜体中储备等量级别的压缩能，在破碎试验盲板破碎后，达到等量级别的破碎冲击。
进一步，所述井下暂堵结构的地面破碎模拟测试方法具体包括：
1)根据井下暂堵结构破碎的井口憋压压力P0和固井套管尺寸规格，以及暂堵结构所在深度L，在弹性范围内，计算套管憋压的内能储备E0；
2)根据套管憋压的内能储备E0和地面模拟试验釜体气囊空间的体积Vf，应用等量级的能量换算和伯努利方程，计算等温条件下的气囊初始压力q0；
3)向封装在压帽中的压力气囊内充气，保证充气压力达到q0；
4)在试验内衬中安装破碎试验盲板，用压紧螺环预紧密封破碎试验盲板；
5)将装配好的试验内衬嵌入高压釜体内，通过台阶端面密封；再旋进盖上端帽；
6)通过高压釜体旁通孔的高压管，提供水压到高压釜体内腔；同时自动化记录高压釜体内腔的压力与时间曲线；
7)持续加压，直到破碎试验盲板破坏，内腔压力释放到零，再旋开端帽；
8)查验试样的破碎状况和密封状态，保存高压釜体内腔压力与时间曲线；
9)清理试验试样碎片，结束试验。
本发明的另一目的在于提供一种长段水平井地面模拟试验平台，所述长段水平井地面模拟试验平台使用所述井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体。
本发明的另一目的在于提供一种长段水平井对暂堵结构的破碎试验分析方法，所述长段水平井对暂堵结构的破碎试验分析方法使用所述井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体的结构示意图；
图1中：1、端帽；2、把手；3、轴向密封圈；4、高压釜体；5、气囊锁圈；6、试验内衬；7、端面密封圈；8、压紧螺环；9、破碎试验盲板；10、底部密封圈；11、压力气囊。
图2是本发明实施例提供的端帽的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的把手的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的高压釜体的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的气囊锁圈的结构示意图。
图6是本发明实施例提供的试验内衬的结构示意图。
图7是本发明实施例提供的压紧螺环的结构示意图。
图8是本发明实施例提供的地面模拟暂堵结构破碎的测试方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体、方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1-图7所示，本发明提供的井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体包括：端帽1、把手2、轴向密封圈3、高压釜体4、气囊锁圈5、试验内衬6、端面密封圈7、压紧螺环8、破碎试验盲板9、底部密封圈10、压力气囊11。
端帽1内嵌压力气囊11，并通过气囊锁圈5固定压力气囊11，下部通过螺纹连接高压釜体4，并用轴向密封圈3实现压力密封；把手2通过螺纹连接端帽1，用于螺纹对接高压釜体4；高压釜体4上部螺纹密封连接端帽1，内嵌试验内衬，旁通高压管孔；气囊锁圈5通过外螺纹内嵌在端帽1下部，通过内螺纹固定压力气囊11；试验内衬6上部座封在高压釜体4内的台阶上，底部用底部密封圈10封装破碎试验盲板9，并通过内螺纹用压紧螺环8固定预紧破碎试验盲板9。
压紧螺环8用于预紧破碎试验盲板；压力气囊11是标准件，封装在端帽1中，是井下暂堵结构破碎的地面模拟试验方法的关键点。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
针对API标准的5-1/2吋套管，套管外径Φ139.7mm，内直径124.3mm，钢套管弹性模量E＝210GPa，暂堵结构所在深度L＝2000m，井口憋压破碎压力P0＝12MPa，釜体内压力气囊11的体积Vf＝200mm3，估算地面高压釜体4打压破碎压力P1＝35MPa。
1)根据井下暂堵结构破碎的井口憋压压力P0和固井套管尺寸规格，以及暂堵结构所在深度L，在弹性范围内计算套管憋压的内能储备E0为：
E0＝P0×ΔV＝δ×πa2LP0÷E＝6870(N·mm)
式中：ΔV高压下的套管容积增量；a是套管内半径；E材料弹性模量；δ是套管尺寸压力系数。
其中：δ是套管尺寸压力系数为：
式中：b是套管外半径。
2)根据套管憋压的内能储能E0和釜体的气囊空间体积Vf，计算等温条件下气囊试验测试的初始压力q0为：
3)向封装在端帽1中的压力气囊11内充气压力达到0.65MPa；
4)在试验内衬6中安装破碎试验盲板9，用压紧螺环8预紧密封破碎试验盲板9；
5)将装配好的试验内衬6嵌入高压釜体4内，通过台阶端面密封。再旋进盖上端帽1，保证端帽1与高压釜体4的装配到位；
6)通过高压釜体4旁通孔的高压管，提供水压到高压釜体内腔。同时自动化记录高压釜体内腔的压力与时间曲线；
7)持续加压，直到破碎试验盲板9破坏，内腔压力释放到零，再旋开端帽1；
8)查验试样的破碎状况和密封状态，保存高压釜体内腔压力与时间曲线。
9)清理试验试样碎片，结束试验。
总结的试验实施例结果如表1。
表1实施例结果
为验证本发明的有效性，现根据试验实施例，做30组对比实验，对比本发明的测试釜体与普通釜体，分别测得三种不同规格盲板破碎时的压力，表2为对比结果。
表2对比结果
实验结果表明：本发明设计的井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体和方法可以实现等量级别的破碎冲击效果，在破碎盲板理论破碎压力附近实现破碎盲板的破碎效果，达到了地面模拟井下暂堵结构的破碎测试。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明计算出不同压力体系下套管的内能储备，在高压实验釜体中储备等量级别的压缩能，在破碎试验盲板破碎后，达到等量级别的破碎冲击效果。本发明可以在地面上实现井下暂堵结构的破碎冲击效果，且结果接近真实效果，为石油完井工作规避暂堵结构堵塞套管提供了有效的验证方法和手段，减低工程中的技术风险。
在本发明的描述中，位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体，其特征在于，所述井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体设置有：端帽；压力气囊内嵌在端帽中，下部通过螺纹连接高压釜体，并压力密封；所述端帽内嵌压力气囊，并通过气囊锁圈固定压力气囊，下部通过螺纹连接高压釜体，并用轴向密封圈实现压力密封；
高压釜体上部螺纹密封连接端帽，内嵌试验内衬，旁通高压管孔；
气囊锁圈通过外螺纹内嵌在端帽下部，通过内螺纹固定压力气囊；
试验内衬上部座封在高压釜体内的台阶上，底部用底部密封圈封装破碎试验盲板，并通过内螺纹用压紧螺环固定预紧破碎试验盲板。
2.如权利要求1所述的井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体，其特征在于，把手通过螺纹连接端帽，用于螺纹对接高压釜体。
3.一种使用权利要求1～2任意一项所述井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体的井下暂堵结构的地面破碎模拟测试方法，其特征在于，所述井下暂堵结构的地面破碎模拟测试方法在地面模拟实现破碎试验盲板的破碎冲击过程，计算出不同压力体系下套管的内能储备，在高压实验釜体中储备等量级别的压缩能，在破碎试验盲板破碎后，达到等量级别的破碎冲击；
所述井下暂堵结构的地面破碎模拟测试方法具体包括：
1）根据井下暂堵结构破碎的井口憋压压力P0和固井套管尺寸规格，以及暂堵结构所在深度L，在弹性范围内，计算套管憋压的内能储备E0；
；
ΔV高压下的套管容积增量，a是套管内半径，E材料弹性模量，P0是井口憋压压力，L是暂堵结构所在深度，δ是套管尺寸压力系数，计算公式如下：
；
b是套管外半径；
2）根据套管憋压的内能储备E0和地面模拟试验釜体气囊空间的体积Vf，应用等量级的能量换算和伯努利方程，计算等温条件下的气囊初始压力q0；
；
P1是地面高压釜体打压破碎压力；
3)向封装在压帽中的压力气囊内充气，保证充气压力达到q0；
4)在试验内衬中安装破碎试验盲板，用压紧螺环预紧密封破碎试验盲板；
5)将装配好的试验内衬嵌入高压釜体内，通过台阶端面密封；再旋进盖上端帽；
6)通过高压釜体旁通孔的高压管，提供水压到高压釜体内腔；同时自动化记录高压釜体内腔的压力与时间曲线；
7)持续加压，直到破碎试验盲板破坏，内腔压力释放到零，再旋开端帽；
8)查验试样的破碎状况和密封状态，保存高压釜体内腔压力与时间曲线；
9)清理试验试样碎片，结束试验。
4.一种长段水平井地面模拟试验平台，其特征在于，所述长段水平井地面模拟试验平台使用权利要求1～2任意一项所述井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体。
5.一种长段水平井对暂堵结构的破碎试验分析方法，其特征在于，所述长段水平井对暂堵结构的破碎试验分析方法使用权利要求1～2任意一项所述井下暂堵结构的地面破碎模拟测试釜体。
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