CN114060006A - 一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置,该装置包括:水泥环固化养护模拟组件、射孔作业模拟组件、水泥环性能测试组件,通过模拟射孔作业参数下爆轰效应、流固耦合作用对套管‑水泥环‑地层的损伤,定量测试水泥环内部横向裂纹和纵向裂纹扩展尺寸、抗压强度和抗拉强度、渗透率、窜漏压力、窜漏速度等参数大小,绘制不同射孔距离与水泥环最大窜漏压力、渗透率之间的关系曲线,根据目标地层压力Pp确定水泥环不发生窜漏的射孔距离Hp,根据环空压力PA确定保障水泥环密封的射孔距离HK,采用min(Hp,HK)即可确定水泥环具备足够强度不发生窜漏、符合密封要求的临界射孔距离,为复杂工况水泥浆助剂优化、射孔参数设计提供数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及矿业开采技术领域,特别涉及一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置,还涉及使用该装置模拟测试射孔后水泥环强度性能、内部裂纹尺寸、密封封隔性能的评价方法。
背景技术
射孔完井是最广泛、最实用的完井方法,即钻穿油气层后,下入油层套管至油层底部,在油层套管与井眼环形空间中注水泥固井并形成水泥环,下入射孔枪,引爆射孔弹爆炸产生高速能量流,依次穿透油层套管、水泥环并穿进油层一定深度,建立油气流进入井筒的通道。合理的射孔作业参数有利于保护油气层,保障分层开采、注水、酸化压裂等增产措施的实施,同时对增加产能、提高油气田开发效益以及减少修井作业意义重大。但固井水泥环是一种脆性材料,其实质是骨架-孔隙连续相分布的多孔结构体系,当受到射孔爆轰能量流冲击时,水泥环内部裂纹形核并急速扩展,导致水泥环本体丧失密封能力、水泥环与套管之间的固井I界面出现微环隙、水泥环与岩石之间的固井II界面失效,而射孔井段井筒丧失密封封隔能力,将严重影响深井超深井井筒安全,同时可能引发一系列井筒完整性风险事故。
当前解决上述问题的方法主要是研发高性能水泥浆体系、优化射孔作业参数,但无法切实掌握不同射孔作业参数对水泥环性能影响,唯有通过模拟测试射孔后水泥环强度性能变化规律,为水泥浆体系助剂优化设计提供强度力学参数;模拟测试射孔后水泥环密封封隔能力大小,为射孔参数调整提供密封完整性依据;从而有效指导水泥浆体系固化后的综合性能与射孔作业参数协调匹配,因此,射孔后水泥环强度和密封性能测试在理论和工程方面具有极其重要的价值。
针对射孔后水泥环密封封隔性能测试问题,多采用数值仿真模拟方法计算和预测,而物理模拟方法常按照射孔作业参数采用预制射孔孔眼、爆轰形成射孔孔眼两种方法。
采用预制射孔孔眼的方法,即套管-水泥环不经历射孔爆轰、直接加工预制射孔孔眼的方法,如CN113107467A采用在套管壁预制射孔孔眼的方法,模拟进行射孔后套管-水泥环-地层组合体的密封性能测试,预制孔眼的孔径、孔密、相位等参数与射孔作业参数保持一致,使用流体模拟测试水泥环及固井界面的封隔性能;CN108982225A采用物理模拟地层水平、垂直方向的非均布载荷,根据射孔参数在套管-水泥环相应部位开圆孔,测量分析套管-水泥环应变大小,为射孔后套管-水泥环破坏机理分析提供实验依据;CN106483045A采用物理模拟套管内压,通过在套管-水泥环-地层围岩设置模拟射孔通道,端面安装流量计测定通入油、气或水的流量,判定水泥环射孔后的层间封隔能力。
直接采用射孔作业的物理模拟方法,即采用射孔作业一致的射孔弹、装药量、孔径、相位、穿深等参数,爆轰能量流冲击套管-水泥环形成射孔孔眼的方法,如CN113482581A采用双层套管,中间固化水泥环,外侧包裹混凝土靶,具体测试射孔孔径、最大穿深是否满足射孔工艺,提出了双层套管射孔穿透与否的临界判据,为高温高压工况射孔枪和射孔弹优选提供实验数据支撑;此类实验所涉及射孔参数复杂、射孔爆炸风险高、安全资质要求严,缺乏风险可控、安全可靠的物理模拟方法,且无法定量评价不同射孔参数对深井超深井套管-水泥环-地层组合体的综合影响,严重影响深井超深井水泥浆体系性能优选和射孔工艺参数优化调整,阻碍了射孔作业井筒完整性管控技术的发展。
综上所述,常规的井筒密封完整性评价方法存在以下不足:
(A)套管-水泥环-地层组合体上的射孔孔眼非爆轰能量流冲击形成,物理模拟水泥环密封封隔能力测试结果无法适用于现场射孔作业工况。
(B)水泥环作为一种骨架-孔隙连续相分布的多孔结构脆性材料,受到射孔爆轰能量流冲击时极易开裂,无法测试其内部裂纹形核扩展特征。
(C)射孔后孔眼及其附近套管-水泥环-地层组合体发生变化,与水泥环固化养护后力学性能差异较大,无法测试射孔后水泥环力学性能大小。
发明内容
基于此,有必要针对上述背景技术中的技术问题,提供一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置及其使用方法。
本发明实施例提供一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置,包括:水泥环固化养护模拟组件、射孔作业模拟组件和水泥环性能测试组件;
所述水泥环固化养护模拟组件,包括:
套管;
地层岩石,围设于所述套管外部,且所述套管和所述地层岩石围成密闭环形空间,所述密闭环形空间内固化养护有水泥环;
所述射孔作业模拟组件,包括:
射孔枪,其枪体设于所述套管内部;且所述枪体内设有多个射孔弹,多个所述射孔弹通过引爆索串联、并穿出所述套管顶部;
压井液,罐装于所述套管和所述枪体之间;
所述水泥环性能测试组件,包括:
验窜增压泵,通过验窜管线和可透气水泥隔离环将验窜压力施加在水泥环的下部端面;
验窜压力传感器,设于所述验窜管线上;
温压控制系统,其与所述验窜压力传感器电连接;用于通过绘制射孔参数、射孔距离下的窜漏压力曲线,以实现射孔后水泥环强度和密封性能测试。
进一步地,所述套管和所述地层岩石底部之间从内到外依次设有套管密封圈和下堵头,所述套管和所述地层岩石顶部之间从内到外依次设有上部密封头和上堵头。
进一步地,所述水泥环固化养护模拟组件,还包括:
套管增压泵,其通过套管压力管线与所述套管连通;
套管内压控制阀,靠近所述套管增压泵设于所述套管压力管线上。
进一步地,所述水泥环固化养护模拟组件,还包括:
套管加热装置,设于所述套管内;
套管温压传感器,设于所述套管内,且与所述温压控制系统电连接。
进一步地,所述水泥环固化养护模拟组件,还包括:
胶筒,围设于所述套管地层岩石外部;
液压腔,围设于所述胶筒外部;
液压筒,围设于所述液压腔外部;
地层加热套,围设于所述液压筒外部;
围压增压泵,其通过围压增压管线与所述液压腔顶部连通;
围压传感器,设于所述围压增压管线上,且与所述温压控制系统电连接;
围压卸压阀,其通过围压卸压管线连通于所述液压腔底部。
进一步地,所述射孔枪,包括:
枪体;
枪头,设于枪体顶部,且位于所述套管内;
枪尾,设于枪体底部,且位于所述套管内;
枪体上堵头,设于所述套管外部,且位于所述枪体正上方;用于引导所述引爆索;
枪体下堵头,设于所述枪尾底部,且位于所述套管内;
枪体提手,设于所述枪体上堵头顶部。
进一步地,所述射孔作业模拟组件,还包括:
内铁套,围设于所述套管地层岩石外部;
外铁套,围设于所述内铁套外部,且所述内铁套和所述外铁套围成空间之间固化有混凝土。
一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置的使用方法,包括:
根据固化养护参数,在套管和地层岩石围成密闭环形空间内固化养护有水泥环;
根据射孔作业参数,通过设有射孔弹和引爆索的射孔枪、及引爆器进行爆轰能量流射孔;
将验窜压力传感器、验窜增压泵与验窜管线连接,选择一个初始压力P0开始验窜,观察温压控制系统验窜曲线,若30min内温压在P0×(1±10%)范围内,则选择下一个压力P1、P2、P3……进行验窜,监测并绘制窜漏压力曲线与时间的关系,压力增大直至水泥环发生窜漏,记录发生窜漏前的最大压力为PC0,计算窜漏速度v0;
取出水泥环,分别测量距离射孔孔眼不同位置处,裂纹的扩展方向、裂纹尺寸大小,绘制射孔孔眼距离与裂纹尺寸关系曲线;
在距离射孔孔眼不同位置处,加工水泥石抗拉试样、抗压试样和渗透率测试试样,测试射孔后水泥石的抗压强度、抗拉强度σt0和渗透率K0,绘制射孔孔眼距离与抗拉强度σt0、抗压强度σR0、渗透率K0之间的关系曲线;
选择下一个射孔距离H1,且H1<H0,测得该射孔距离下的最大压力为PC1、窜漏速度v1;直至H2、H3……所设计射孔距离全部实验完毕;
绘制不同射孔距离下的压力窜漏曲线,绘制不同射孔距离H0、H1、H2、H3……与最大窜漏压力PC0、PC1、PC2、PC3……、渗透率K0、K1、K2、K3……之间的关系曲线;
根据目标地层压力Pp,确定水泥环临界窜漏压力PC,设置目标地层压力Pp时,保障水泥环不发生窜漏的射孔距离大于等于Hp;
根据环空压力PA管控要求,确定水泥环临界渗透率KC,设置环空压力PA管控要求下,水泥环保障密封的射孔距离大于等于HK;
选取射孔距离的最小值min(Hp,HK),作为保障水泥环强度和密封性能的临界射孔距离。
9、如权利要求8所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置的使用方法,其特征在于,所述固化养护参数,包括:
根据目标井固井、射孔作业工况,确定固井作业时所用水泥浆体系、套管温度和内压、地层温度和围压、固井期间温度压力交变、候凝时间。
如权利要求8所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置的使用方法,其特征在于,所述射孔作业参数,包括:射孔作业时的孔径、相位、孔密、穿深、装药量。
本发明实施例提供的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置,与现有技术相比,其有益效果如下:
为解决常规射孔后水泥环密封性能评价方法不适用于射孔完井工况的室内评价需求,本发明提出了一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置及方法,通过模拟射孔作业爆轰效应,爆轰高速能量流冲击套管-水泥环-地层组合体并形成射孔孔眼,模拟射孔作业对组合体的损伤作用,测试水泥环的密封封隔能力、内部裂纹尺寸及其强度性能,绘制水泥环窜漏压力、渗透率与射孔距离之间的关系曲线,并为水泥浆体系、射孔参数优化设计提供实验方法和数据支撑。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置结构示意图;
图2是本发明实施例提供的射孔装置结构示意图;
图3是本发明实施例提供的测试曲线及临界射孔距离的确定方法。
附图标记说明:
1-套管、2-套管密封圈、3-上堵头、4-下堵头、5-上部密封头、6-套管温压传感器、7-水泥环、8-地层岩石、9-胶筒、10-液压腔、11-液压筒、12-地层加热套、13-套管加热装置、14-可透气水泥隔离环、15-验窜管线、16-验窜压力传感器、17-验窜增压泵、18-套管压力管线、19-套管内压控制阀、20-套管增压泵、21-验窜装置吊环、22-围压增压管线、23-围压传感器、24-围压增压泵、25-围压卸压管线、26-围压卸压阀、27-温压控制系统、28-枪头、29-枪体、30-射孔弹、31-引爆索、32-枪尾、33-枪体上堵头、34-枪体下堵头、35-枪体提手、36-压井液、37-内铁套、38-混凝土、39-外铁套。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
一个实施例中,提供的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置,该装置具体包括:
水泥环固化养护模拟组件、射孔作业模拟组件、水泥环性能测试组件,可模拟固井作业过程中套管温度、套管内压、地层温度、地层围压循环交变条件,实现水泥环的固化和养护;可模拟射孔作业过程中孔径、相位、孔密、穿深、装药量等参数,实现爆轰能量流对套管-水泥环-地层的冲击并完成射孔;通过定量评价不同射孔参数下水泥环内部裂纹尺寸、强度和密封性能大小,为水泥浆体系设计和射孔参数优化提供可靠的实验装置和数据支撑。
参见图1,具体地,水泥环固化养护模拟组件包括:套管1、套管密封圈2、上堵头3、下堵头4、上部密封头5、套管温压传感器6、水泥环7、地层岩石8、胶筒9、液压腔10、液压筒11、地层加热套12、套管加热装置13、套管压力管线18、套管内压控制阀19、套管增压泵20、围压增压管线22、围压传感器23、围压增压泵24、围压卸压管线25、围压卸压阀26、温压控制系统27,模拟固井作业过程中套管温度、套管内压、地层温度、地层围压循环交变条件,实现水泥环的固化和养护。
进一步,水泥环固化养护模拟组件由套管1、套管密封圈2、上堵头3、下堵头4、地层岩石8组成密闭环形空间,套管1与上堵头3和下堵头4之间采用螺纹连接,采用上部密封头5、套管密封圈2密封,套管1内部设有套管加热装置13,可对套管进行加热,模拟目标井筒套管温度。
进一步,上堵头3设置有上部密封头5和套管压力管线18,连接套管内压控制阀19和套管增压泵20,可对套管内部进行增压,模拟目标井筒套管内压。
进一步,套管1内部设有套管温压传感器6可实时监测和记录温度压力,地层岩石8外部设置有地层加热套12,胶筒9、液压腔10、液压筒11、围压增压管线22、围压传感器23、围压增压泵24、围压卸压管线25、围压卸压阀26,可对地层岩石8进行加热增压,模拟目标井筒附近地层温度压力。
进一步,将待评价的水泥浆体系罐装在密闭环形空间,使用温压控制系统27分别控制套管、地层的温度和压力,模拟固井作业过程中套管温度、套管内压、地层温度、地层围压循环交变条件,候凝直至水泥环7固化养护完成。
还有,套管水泥环地层组合体制备组件包括:套管2、水泥环3、地层岩石4、紫铜套5、岩心堵头6、套管岩心堵头密封组件7、铜套固定法兰8、组合体拉紧法兰9、拉杆10、铜套岩心堵头密封组件11、拉紧法兰岩心堵头密封组件12、拉紧法兰密封法兰13、拉紧法兰密封法兰螺栓14、组合体拉紧法兰拉杆15,实现水泥浆体系的罐装、套管水泥环地层组合体的固化养护和制备。
参见图2,具体地,射孔作业模拟组件包括:枪头28、枪体29、射孔弹30、引爆索31、枪尾32、枪体上堵头33、枪体下堵头34、枪体提手35、压井液36、内铁套37和外铁套38,模拟射孔作业过程中孔径、相位、孔密、穿深、装药量等参数,实现爆轰能量流对套管-水泥环-地层的冲击并完成射孔。
即,射孔作业模拟组件由枪头28、枪体29、枪尾32、枪体上堵头33、枪体下堵头34、枪体提手35组成,枪体29内部设有射孔弹30,其装药量、排列相位、孔径、孔密、穿深与目标井射孔参数保持一致,引爆索31串联所有射孔弹,经由枪体上堵头33穿出,射孔枪枪体29与套管1之间罐装压井液36,内铁套37和外铁套39之间固化一定厚度的混凝土38,模拟射孔作业爆轰效应下流固耦合作用对水泥环7的损伤。
具体地,水泥环性能测试组件包括:可透气水泥隔离环14、验窜管线15、验窜压力传感器16、验窜增压泵17、验窜装置吊环21,定量评价不同射孔参数下水泥环内部裂纹尺寸、强度和密封性能大小,为水泥浆体系设计和射孔参数优化提供数据支撑。
即,水泥环性能测试组件由验窜增压泵17,通过验窜管线15、可透气水泥隔离环14将验窜压力施加在水泥环7的下部端面,通过验窜压力传感器16可实时监测该窜漏压力的变化情况,绘制该射孔参数、射孔距离下的窜漏压力曲线。
一个实施例中,提供的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置的使用方法,该方法具体包括:
S1:根据目标井固井、射孔作业工况,确定固井作业时所用水泥浆体系、套管温度和内压、地层温度和围压、固井期间温度压力交变、候凝时间等固化养护参数;确定射孔作业时孔径、相位、孔密、穿深、装药量等参数。
S2:将下堵头4放置平稳,涂抹密封脂并通过套管密封圈2将套管1与下堵头4通过螺纹连接,根据地层岩石8与下堵头4所设置台阶安装定位,依次安装胶筒9、液压腔10、液压筒11、地层加热套12、可透气水泥隔离环14、围压增压管线22、围压传感器23、围压增压泵24、围压卸压管线25、围压卸压阀26,在套管内部安装套管温压传感器6、套管加热装置13。
S3:配制水泥浆体系,缓慢平稳地沿套管壁罐入套管1与地层岩石8之间的环形空间,使用验窜装置吊环21安装上堵头3,然后依次安装上部密封头5、套管压力管线18、套管内压控制阀19、套管增压泵20。
S4:将温压控制系统27依次与套管温压传感器6、围压传感器23连接,套管内压和温度、地层围压和温度达到固井作业工况时,温压控制系统27开始监控和记录水泥环7固化养护的温压曲线,可通过温压控制系统27设置温度压力交变幅度、交变时间,模拟固井作业时的井筒工况特征。
S5:水泥环7固化养护完成后,拆除上部密封头5、套管压力管线18、套管内压控制阀19、套管增压泵20、胶筒9、液压腔10、液压筒11、地层加热套12等部件,按照孔径、相位、孔密、穿深、装药量加工制造射孔枪,将射孔弹30安装在枪体29内,初步确定一个可保障水泥环密封性能的较大射孔距离H0,则枪尾32的高度即为H0,依次安装枪头28、枪体上堵头33、枪体下堵头34、枪体提手35,使用引爆索31串联所有射孔弹并从上堵头33穿出,在枪体29与套管1环形空间中注入压井液36。
S6:内铁套37和外铁套39之间固化一定厚度的混凝土38,防止地层岩石8粉碎性破坏。
S7:将引爆索31与引爆器连接,并确定好足够的安全距离,确认安全的前提下引爆射孔弹,完成射孔模拟作业。
S8:将验窜压力传感器16、验窜增压泵17与验窜管线15连接,选择一个较低的初始压力P0开始验窜,观察温压控制系统27验窜曲线,若30min内温压在P0×(1±10%)范围内,则选择下一个压力P1、P2、P3、……进行验窜,监测并绘制窜漏压力曲线与时间的关系,压力增大直至水泥环7发生窜漏,记录发生窜漏前的最大压力为PC0,计算窜漏速度v0。
S9:取出水泥环,分别测量距离射孔孔眼不同位置处,裂纹的扩展方向、裂纹尺寸大小,绘制射孔孔眼距离与裂纹尺寸关系曲线。
S10:在距离射孔孔眼不同位置处,加工水泥石抗拉试样、抗压试样和渗透率测试试样,测试射孔后水泥石的抗压强度、抗拉强度σt0和渗透率K0,绘制射孔孔眼距离与抗拉强度σt0、抗压强度σR0、渗透率K0之间的关系曲线。
S11:选择下一个射孔距离H1(H1<H0),重复S2~S10,测得该射孔距离下的最大压力为PC1、窜漏速度v1;直至H2、H3……所设计射孔距离全部实验完毕。
S12:绘制不同射孔距离下的压力窜漏曲线,绘制不同射孔距离H(H0、H1、H2、H3……)与最大窜漏压力PC(PC0、PC1、PC2、PC3……)、渗透率K(K0、K1、K2、K3……)之间的关系曲线。
S13:根据目标地层压力Pp,在S12所绘制的曲线中对应出水泥环临界窜漏压力PC,设置目标地层压力Pp时,保障水泥环不发生窜漏的射孔距离≥Hp。
S14:根据环空压力PA管控要求,在S12所绘制的曲线中对应出水泥环临界渗透率KC,设置环空压力PA管控要求下,水泥环保障密封的射孔距离≥HK。
S15:选取S13和S14所确定射孔距离H的最小值min(Hp,HK),作为保障水泥环强度和密封性能的临界射孔距离。
综上所述,通过模拟射孔作业参数下爆轰效应、流固耦合作用对套管-水泥环-地层的损伤,定量测试水泥环内部横向裂纹和纵向裂纹扩展尺寸、抗压强度和抗拉强度、渗透率、窜漏压力、窜漏速度等参数大小,绘制不同射孔距离与水泥环最大窜漏压力、渗透率之间的关系曲线,根据目标地层压力Pp确定水泥环不发生窜漏的射孔距离Hp,根据环空压力PA确定保障水泥环密封的射孔距离HK,采用min(Hp,HK)即可确定水泥环具备足够强度不发生窜漏、符合密封要求的临界射孔距离,为复杂工况水泥浆助剂优化、射孔参数设计提供数据支撑。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。还有以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置,其特征在于,包括:水泥环固化养护模拟组件、射孔作业模拟组件和水泥环性能测试组件;
所述水泥环固化养护模拟组件,包括:
套管(1);
地层岩石(8),围设于所述套管(1)外部,且所述套管(1)和所述地层岩石(8)围成密闭环形空间,所述密闭环形空间内固化养护有水泥环(7);
所述射孔作业模拟组件,包括:
射孔枪,其枪体(29)设于所述套管(1)内部;且所述枪体(29)内设有多个射孔弹(30),多个所述射孔弹(30)通过引爆索(31)串联、并穿出所述套管(1)顶部;
压井液(36),罐装于所述套管(1)和所述枪体(29)之间;
所述水泥环性能测试组件,包括:
验窜增压泵(17),通过验窜管线(15)和可透气水泥隔离环(14)将验窜压力施加在水泥环(7)的下部端面;
验窜压力传感器(16),设于所述验窜管线(15)上;
温压控制系统(27),其与所述验窜压力传感器(16)电连接;用于通过绘制射孔参数、射孔距离下的窜漏压力曲线,以实现射孔后水泥环强度和密封性能测试。
2.如权利要求1所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置,其特征在于,所述套管(1)和所述地层岩石(8)底部之间从内到外依次设有套管密封圈(2)和下堵头(4),所述套管(1)和所述地层岩石(8)顶部之间从内到外依次设有上部密封头(5)和上堵头(3)。
3.如权利要求2所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置,其特征在于,所述水泥环固化养护模拟组件,还包括:
套管增压泵(20),其通过套管压力管线(18)与所述套管(1)连通;
套管内压控制阀(19),靠近所述套管增压泵(20)设于所述套管压力管线(18)上。
4.如权利要求3所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置,其特征在于,所述水泥环固化养护模拟组件,还包括:
套管加热装置(13),设于所述套管(1)内;
套管温压传感器(6),设于所述套管(1)内,且与所述温压控制系统(27)电连接。
5.如权利要求1所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置,其特征在于,所述水泥环固化养护模拟组件,还包括:
胶筒(9),围设于所述套管地层岩石(8)外部;
液压腔(10),围设于所述胶筒(9)外部;
液压筒(11),围设于所述液压腔(10)外部;
地层加热套(12),围设于所述液压筒(11)外部;
围压增压泵(24),其通过围压增压管线(22)与所述液压腔(10)顶部连通;
围压传感器(23),设于所述围压增压管线(22)上,且与所述温压控制系统(27)电连接;
围压卸压阀(26),其通过围压卸压管线(25)连通于所述液压腔(10)底部。
6.如权利要求1所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置,其特征在于,所述射孔枪,包括:
枪体(29);
枪头(28),设于枪体(29)顶部,且位于所述套管(1)内;
枪尾(32),设于枪体(29)底部,且位于所述套管(1)内;
枪体上堵头(33),设于所述套管(1)外部,且位于所述枪体(29)正上方;用于引导所述引爆索(31);
枪体下堵头(34),设于所述枪尾(32)底部,且位于所述套管(1)内;
枪体提手(35),设于所述枪体上堵头(33)顶部。
7.如权利要求1所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置,其特征在于,所述射孔作业模拟组件,还包括:
内铁套(37),围设于所述套管地层岩石(8)外部;
外铁套(39),围设于所述内铁套(37)外部,且所述内铁套(37)和所述外铁套(39)围成空间之间固化有混凝土(38)。
8.一种如权利要求1所述的射孔后水泥环强度和密封性能测试装置的使用方法,其特征在于,包括:
根据固化养护参数,在套管(1)和地层岩石(8)围成密闭环形空间内固化养护有水泥环(7);
根据射孔作业参数,通过设有射孔弹(30)和引爆索(31)的射孔枪、及引爆器进行爆轰能量流射孔;
将验窜压力传感器(16)、验窜增压泵(17)与验窜管线(15)连接,选择一个初始压力P0开始验窜,观察温压控制系统(27)验窜曲线,若30min内温压在P0×(1±10%)范围内,则选择下一个压力P1、P2、P3……进行验窜,监测并绘制窜漏压力曲线与时间的关系,压力增大直至水泥环(7)发生窜漏,记录发生窜漏前的最大压力为PC0,计算窜漏速度v0;
取出水泥环,分别测量距离射孔孔眼不同位置处,裂纹的扩展方向、裂纹尺寸大小,绘制射孔孔眼距离与裂纹尺寸关系曲线;
在距离射孔孔眼不同位置处,加工水泥石抗拉试样、抗压试样和渗透率测试试样,测试射孔后水泥石的抗压强度、抗拉强度σt0和渗透率K0,绘制射孔孔眼距离与抗拉强度σt0、抗压强度σR0、渗透率K0之间的关系曲线;
选择下一个射孔距离H1,且H1<H0,测得该射孔距离下的最大压力为PC1、窜漏速度v1;直至H2、H3……所设计射孔距离全部实验完毕;
绘制不同射孔距离下的压力窜漏曲线,绘制不同射孔距离H0、H1、H2、H3……与最大窜漏压力PC0、PC1、PC2、PC3……、渗透率K0、K1、K2、K3……之间的关系曲线;
根据目标地层压力Pp,确定水泥环临界窜漏压力PC,设置目标地层压力Pp时,保障水泥环不发生窜漏的射孔距离大于等于Hp;
根据环空压力PA管控要求,确定水泥环临界渗透率KC,设置环空压力PA管控要求下,水泥环保障密封的射孔距离大于等于HK;
选取射孔距离的最小值min(Hp,HK),作为保障水泥环强度和密封性能的临界射孔距离。
9.如权利要求8所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置的使用方法,其特征在于,所述固化养护参数,包括:
根据目标井固井、射孔作业工况,确定固井作业时所用水泥浆体系、套管温度和内压、地层温度和围压、固井期间温度压力交变、候凝时间。
10.如权利要求8所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置的使用方法,其特征在于,所述射孔作业参数,包括:射孔作业时的孔径、相位、孔密、穿深、装药量。
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GR01 | Patent grant | ||
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