CN114295677A - 一种基于铝热熔融效应的废弃油气井封堵实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于铝热熔融效应的废弃油气井封堵实验方法，包括：制备目标废弃油气井的岩样；计算铝热剂用量；将填充好的热电偶测量装置放置在孔眼中激活铝热反应；获得热电偶不同位置的温度数据；步骤六、对温度数据进行修正；根据修正的温度数据分别计算热电偶内部铝热剂产生的总热量和铝热熔融范围；根据铝热熔融范围计算复合材料熔化所需总热量；将复合材料熔化所需总热量E_总与热电偶内部铝热剂产生的总热量Q_总进行对比；若Q_总≥E_总，则实验是完全融化；若Q_总＜E_总，则提高铝热剂的填充量，重复上述步骤，直到Q_总≥E_总。本发明能够保证岩熔封堵现场实验的顺利完成；其次，本发明能够真实反映实验过程、精确表达温度传递的规律。

Description

一种基于铝热熔融效应的废弃油气井封堵实验方法

技术领域

本发明涉及一种基于铝热熔融效应的废弃油气井封堵实验方法，属于废弃油气井封堵技术领域。

背景技术

当一口井不再生产油气时，它必须被永久性的封堵，否则它将会成为潜在的泄漏源，直接威胁到自然环境与生命财产的安全。注入水泥塞就一直被当作首选的封堵废弃技术，但是由于早期的油气井深度浅、封堵材料并不耐久以及弃置标准含糊不清，技术并没有得到较大的发展。近年来随着导向磨铣器(Pilot mill)等一些新工具的发明，新的封堵技术也得到发展，如PWC封堵技术、无钻机封堵技术。

传统技术、PWC封堵技术以及无钻机封堵技术都采用水泥作为封堵材料，主要存在以下缺点：(1)粘度和密度的差异会使钻井液和水泥发生不利的相互作用，有可能使钻井液通过水泥流动，从而产生允许流体通过水泥的通道；(2)钻井液倾向于黏附在套管以及井下组件上，可能影响水泥的密封性能、耐久性、流变性能和机械性能，从而污染了水泥-套管-岩层组成的屏障；(3)水泥遭到破坏的可能来源有对孔内残留的钻井液以及岩屑的不正当清理；(4)水泥作为多孔介质材料，在固化过程中材料会产生收缩、断裂或者化学降解，极易产生泄露通道；(5)水泥对化学物质(H₂S、CO₂和碳氢化合物)没有很好的耐受性。

至今，石油公司不仅面临着庞大废弃井数量，同时油气井深度越来越深，井下环境逐渐向深水、高温高压、酸性等复杂情况发展，研究者们已经对一些新兴材料做了研究，其中就包括铝热剂的应用。Gabriel S.A等人提出了一种新的混合分析/数值方法对铝热剂在封堵废弃井过程中的瞬态导热做了研究。KesianyM.S等人对普通赤铁矿-铝放热反应进行建模和模拟，以预测温度在水平和径向上的燃烧传播。Vincent B等人提出了一种基于局部热力学平衡的新理论模型，可以预测铝热反应过程中的气体生成以及压力的产生。吴婉娥分析了准稳态铝颗粒在高温氧化剂中由于传热和表面的化学反应导致升温-熔化-升温-点火的过程，建立了铝颗粒点火模型，并对点火过程进行数值模拟。Elisan S.M等人对铝热反应在井下的温度传播过程进行了数值模拟。

现有的理论研究并不能为研究提供真实的反应过程与其他的研究基础，存在的问题主要有以下几点：(1)铝热反应的激活只在理论研究中被假设为特定温度激活并没有考虑真实的激活反应情况；(2)数值模拟并不能完全还原铝热反应过程中各界面的温度变化规律，目前也没有代表铝热反应能量释放规律发展方向的研究。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种基于铝热熔融效应的废弃油气井封堵实验方法。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种基于铝热熔融效应的废弃油气井封堵实验方法，包括以下步骤：

步骤一、制备目标废弃油气井的岩样，在岩样中心进行钻孔，孔眼的深度为岩样高度的3/5～4/5，同时准备热电偶测量装置；

步骤二、根据热电偶测量装置的内径以及高度计算铝热剂用量，并保证Al粉与Fe₂O₃粉末质量之比为1:3；

步骤三、根据铝热剂的用量在热电偶测量装置内填充铝热剂，并将填充好的热电偶测量装置放置在孔眼中；

步骤四、激活铝热反应，并实时记录热电偶不同位置的温度变化；

步骤五、等待岩样熔封堵冷却完成后，获得热电偶不同位置的温度数据；

步骤六、对热电偶不同位置的温度数据进行修正，得到修正的温度数据；

步骤七、根据修正的温度数据分别计算热电偶内部铝热剂产生的总热量Q_总和铝热熔融范围；

步骤八、根据铝热熔融范围计算目标废弃油气井的复合材料熔化所需总热量E_总；

步骤九、将复合材料熔化所需总热量E_总与热电偶内部铝热剂产生的总热量Q_总进行对比；若Q_总≥E_总，则实验是完全融化，即结束实验；若Q_总＜E_总，则提高铝热剂的填充量，重复步骤三至步骤九，直到Q_总≥E_总，结束实验。

进一步的技术方案是，所述岩样的尺寸为：500mm×500mm×500mm。

进一步的技术方案是，所述激活铝热反应的过程为：首先在最顶端铝热剂的凹陷处放置强氧化剂，然后将长度为5m以上的电阻丝插入强氧化剂与铝热剂中，最后通过电打火的方式激活铝热反应进行熔融实验。

进一步的技术方案是，所述铝热剂用量的计算公式为：

m_铝热剂＝πr_内 ²h_热电偶ρ_铝热剂

m₁:m₂＝1:3

m₁+m₂＝m_铝热剂

h_热电偶＝h_孔眼

式中：r_内表示直热电偶测量装置的内径，m；h_热电偶为热电偶测量装置的高度，m；h_孔眼为孔眼的深度，m；ρ_铝热剂表示铝热剂的密度，经测量计算值为1000kg/m³；m₁、m₂分别表示铝热剂中Al粉、Fe₂O₃的质量，kg；m_铝热剂表示热电偶中铝热剂的质量，kg。

进一步的技术方案是，所述步骤六中采用高斯卷积函数对热电偶不同位置的温度数据进行拟合，得到修正的温度数据。

进一步的技术方案是，所述热电偶内部铝热剂产生的总热量Q_总的计算公式为：

式中：r_热电偶表示热电偶的直径，m；k₁表示热电偶测量装置导热系数，W/(m·K)；A_空气表示空气的换热系数，W/(m²·℃)；T_内、T_外、T_空气分别表示的是热电偶测量装置内外温度值以及环境温度，℃；r_内、r_外分别表示的是热电偶测量装置内外半径，℃；q_内表示热电偶内部热通量变化的规律；Q_总表示的是热电偶内部铝热剂产生的总热量；t_f表示的温度传递不在进行的时刻。

进一步的技术方案是，所述铝热熔融范围的计算公式为：

t＝0,x＝0,U＝T_内

t＝0,U＝T_岩石

y＝0,U＝T_绝缘

y＝h_岩石,U＝T_绝缘

式中：k_岩石表示热电偶测量装置导热系数，W/(m·K)；T_岩石表示岩石的初始温度，℃；T_绝缘表示边界的绝缘温度，设置为环境温度23℃；x表示二维截面上的横坐标即径向距离，m；y表示二维截面上的纵坐标即轴向距离，m；其中x、y所处的二维截面是以孔眼内壁最底端处为坐标原点；t表示时间，s；U是关于x,y,t的函数；U(x,y,t)代表的是某一时刻某一位置处的具体温度，℃。

进一步的技术方案是，所述复合材料熔化所需总热量E_总的计算公式为：

E_总＝E_岩石+E_水泥+E_套管

E_岩石＝π×(r₃ ²-r₂ ²)hρ_岩石(T_{岩石,熔点}-T_岩样温度)c_岩石

E_水泥＝π×(r₂ ²-r₁ ²)hρ_水泥(T_{水泥,熔点}-T_水泥温度)c_水泥

E_套管＝π×(r₃ ²-r₂ ²)hρ_套管(T_{套管,熔点}-T_套管温度)c_套管

式中：r₁、r₂、r₃分别表示孔眼中心点到套管、水泥以及岩石最外部的距离，m；ρ_套管、ρ_水泥、ρ_岩石分别表示套管、水泥以及岩石的密度，kg/m³；h表示高度，m；c_套管、c_水泥、c_岩石分别表示套管、水泥以及岩石的比热容，J/kg·℃；T_{套管，熔点}、T_{水泥，熔点}、T_{岩石，熔点}分别表示套管、水泥以及岩石的熔点，℃；T_岩样温度、T_水泥温度、T_套管温度分别表示岩样、水泥、套管的初始温度，℃。

进一步的技术方案是，所述复合材料熔化所需总热量E_总的计算公式为：

E_总＝E_岩石+E_水泥+E_套管

E_岩石＝π×(r₃ ²-r₂ ²)hρ_岩石(T_{岩石,熔点}-T_岩样温度)c_岩石

E_水泥＝π×(r₂ ²-r₁ ²)hρ_水泥(T_{水泥,熔点}-T_岩样温度)c_水泥

E_岩石＝π×(r₃ ²-r₂ ²)hρ_岩石(T_{岩石,熔点}-T_岩样温度)c_岩石

式中：r₁、r₂、r₃分别表示孔眼中心点到套管、水泥以及岩石最外部的距离，m；ρ_套管、ρ_水泥、ρ_岩石分别表示套管、水泥以及岩石的密度，kg/m³；h表示的是岩石、水泥、套管的高度，m；c_套管、c_水泥、c_岩石分别表示套管、水泥以及岩石的比热容，J/kg·℃；T_{套管，熔点}、T_{水泥，熔点}、T_{岩石，熔点}分别表示套管、水泥以及岩石的熔点，℃；T_岩样温度、T_水泥温度、T_套管温度分别表示岩样、水泥、套管的初始温度，℃。

本发明具有以下有益效果：本发明能够保证岩熔封堵现场实验的顺利完成；其次，本发明能够真实反映实验过程、精确表达温度传递的规律；最后，本发明在应用后可以对实验结果进行物理、化学性能检验，对铝热剂封堵弃井技术提供真实、可靠的研究数据。

附图说明

图1为本发明岩样的内部示意图；

图2为目标井的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。

本发明的一种基于铝热熔融效应的废弃油气井封堵实验方法，包括以下步骤：

步骤一、制备废弃油气井的岩样，在岩样中心进行钻孔，孔眼的深度为岩样高度的3/5～4/5，同时准备热电偶测量装置；其中热电偶测量装置壁厚为孔眼直径的1/10，热电偶装置上每隔5cm处设置一个温度测试点；

步骤二、根据热电偶测量装置的内径以及高度计算铝热剂用量，并保证Al粉与Fe₂O₃粉末质量之比为1:3；

m_铝热剂＝πr_内 ²h_热电偶ρ_铝热剂

m₁:m₂＝1:3

m₁+m₂＝m_铝热剂

h_热电偶＝h_孔眼

式中：r_内表示直热电偶测量装置的内径，m；h_热电偶为热电偶测量装置的高度，m；h_孔眼为孔眼的深度，m；ρ_铝热剂表示铝热剂的密度，经测量计算值为1000kg/m³；m₁、m₂分别表示铝热剂中Al粉、Fe₂O₃的质量，kg；m_铝热剂表示热电偶中铝热剂的质量，kg；

步骤三、根据铝热剂的用量在热电偶测量装置内填充铝热剂，并将填充好的热电偶测量装置放置在孔眼中；

步骤四、激活铝热反应，并实时记录热电偶不同位置的温度变化；

步骤五、等待岩样熔封堵冷却完成后，获得热电偶不同位置的温度数据；

步骤六、对热电偶不同位置的温度数据进行修正，得到修正的温度数据；

首先将不同位置的温度变化划分为若干部分，分别对每一部分的热电偶内部温度数据进行拟合，得到更规范、更具有预测性和代表性的温度函数。

表1热电偶内部温度数据

采用高斯卷积函数对数据进行拟合，得到修正完成的温度函数：

通过上述方法依次对不同位置的温度数据进行修正，进而得到修正后随时间；

步骤七、根据修正的温度数据分别计算热电偶内部铝热剂产生的总热量Q_总和铝热熔融范围；

式中：r_热电偶表示热电偶的直径，m；k₁表示热电偶测量装置导热系数，W/(m·K)；T、T_内、T_外均是关于时间t和半径r的的函数；A_空气表示空气的换热系数，W/(m²·℃)；T_内、T_外、T_空气分别表示的是热电偶测量装置内外温度值以及环境温度，℃；r_内、r_外分别表示的是热电偶测量装置内外半径，℃；q_内表示热电偶内部热通量变化的规律；Q_总表示的是热电偶内部产生的总热量；t_f表示的温度传递不在进行的时刻；

所述铝热熔融范围的计算公式为：

t＝0,x＝0,U＝T_内

t＝0,U＝T_岩石

y＝0,U＝T_绝缘

y＝h_岩石,U＝T_绝缘

步骤八、根据铝热熔融范围计算目标废弃油气井的复合材料熔化所需总热量E_总；

(1)热电偶测量装置套管部分完全熔化所需热量：

E_合金管＝π×(r_外 ²-r_内 ²)hρ_合金管(T_{合金管,熔点}-T_{合金管温度})c_合金管

(2)一定厚度的套管完全熔化所需热量：

E_套管＝π×(r₁ ²-r_外 ²)hρ_套管(T_{套管,熔点}-T_套管温度)c_套管

(3)一定厚度的水泥环完全熔化所需热量：

E_水泥＝π×(r₂ ²-r₁ ²)hρ_水泥(T_{水泥,熔点}-T_水泥温度)c_水泥

(4)一定厚度的地层完全熔化所需热量：

E_岩石＝π×(r₃ ²-r₂ ²)hρ_岩石(T_{岩石,熔点}-T_岩样温度)c_岩石

(5)复合材料熔化所需总热量：

E_总＝E_岩石+E_水泥+E_套管

(6)复合材料熔化判别公式：

Q_总≥E_总

式中：r₁、r₂、r₃分别表示孔眼中心点到套管、水泥以及岩石最外部的距离，m；ρ_套管、ρ_水泥、ρ_岩石分别表示套管、水泥以及岩石的密度，kg/m³；h表示的是岩石、水泥、套管的高度，m；c_套管、c_水泥、c_岩石分别表示套管、水泥以及岩石的比热容，J/kg·℃；T_{套管，熔点}、T_{水泥，熔点}、T_{岩石，熔点}分别表示套管、水泥以及岩石的熔点，℃；T_岩样温度、T_水泥温度、T_套管温度分别表示岩样、水泥、套管的初始温度，℃。

步骤九、将复合材料熔化所需总热量E_总与热电偶内部铝热剂产生的总热量Q_总进行对比；若Q_总≥E_总，则实验是完全融化，即结束实验；若Q_总＜E_总，则提高铝热剂的填充量，重复步骤三至步骤九，直到Q_总≥E_总，结束实验。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于铝热熔融效应的废弃油气井封堵实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、制备目标废弃油气井的岩样，在岩样中心进行钻孔，孔眼的深度为岩样高度的3/5～4/5，同时准备热电偶测量装置；

步骤二、根据热电偶测量装置的内径以及高度计算铝热剂用量，并保证Al粉与Fe₂O₃粉末质量之比为1:3；

步骤三、根据铝热剂的用量在热电偶测量装置内填充铝热剂，并将填充好的热电偶测量装置放置在孔眼中；

步骤四、激活铝热反应，并实时记录热电偶不同位置的温度变化；

步骤五、等待岩样熔封堵冷却完成后，获得热电偶不同位置的温度数据；

步骤六、对热电偶不同位置的温度数据进行修正，得到修正的温度数据；

步骤七、根据修正的温度数据分别计算热电偶内部铝热剂产生的总热量Q_总和铝热熔融范围；

步骤八、根据铝热熔融范围计算目标废弃油气井的复合材料熔化所需总热量E_总；

步骤九、将复合材料熔化所需总热量E_总与热电偶内部铝热剂产生的总热量Q_总进行对比；若Q_总≥E_总，则实验是完全融化，即结束实验；若Q_总＜E_总，则提高铝热剂的填充量，重复步骤三至步骤九，直到Q_总≥E_总，结束实验。

2.根据权利要求1所述的一种基于铝热熔融效应的废弃油气井封堵实验方法，其特征在于，所述岩样的尺寸为：500mm×500mm×500mm。

3.根据权利要求2所述的一种基于铝热熔融效应的废弃油气井封堵实验方法，其特征在于，所述激活铝热反应的过程为：首先在最顶端铝热剂的凹陷处放置强氧化剂，然后将长度为5m以上的电阻丝插入强氧化剂与铝热剂中，最后通过电打火的方式激活铝热反应进行熔融实验。

4.根据权利要求1所述的一种基于铝热熔融效应的废弃油气井封堵实验方法，其特征在于，所述铝热剂用量的计算公式为：

m_铝热剂＝πr_内 ²h_热电偶ρ_铝热剂

m₁:m₂＝1:3

m₁+m₂＝m_铝热剂

h_热电偶＝h_孔眼

式中：r_内表示直热电偶测量装置的内径，m；h_热电偶为热电偶测量装置的高度，m；h_孔眼为孔眼的深度，m；ρ_铝热剂表示铝热剂的密度，经测量计算值为1000kg/m³；m₁、m₂分别表示铝热剂中Al粉、Fe₂O₃的质量，kg；m_铝热剂表示热电偶中铝热剂的质量，kg。

5.根据权利要求1所述的一种基于铝热熔融效应的废弃油气井封堵实验方法，其特征在于，所述步骤六中采用高斯卷积函数对热电偶不同位置的温度数据进行拟合，得到修正的温度数据。

6.根据权利要求5所述的一种基于铝热熔融效应的废弃油气井封堵实验方法，其特征在于，所述热电偶内部铝热剂产生的总热量Q_总的计算公式为：

式中：r_热电偶表示热电偶的直径，m；k₁表示热电偶测量装置导热系数，W/(m·K)；A_空气表示空气的换热系数，W/(m²·℃)；T_内、T_外、T_空气分别表示的是热电偶测量装置内外温度值以及环境温度，℃；r_内、r_外分别表示的是热电偶测量装置内外半径，℃；q_内表示热电偶内部热通量变化的规律；Q_总表示的是热电偶内部铝热剂产生的总热量；t_f表示的温度传递不在进行的时刻。

7.根据权利要求1所述的一种基于铝热熔融效应的废弃油气井封堵实验方法，其特征在于，所述铝热熔融范围的计算公式为：

t＝0,x＝0,U＝T_内

t＝0,U＝T_岩石

y＝0,U＝T_绝缘

y＝h_岩石,U＝T_绝缘

式中：k_岩石表示热电偶测量装置导热系数，W/(m·K)；T_岩石表示岩石的初始温度，℃；T_绝缘表示边界的绝缘温度，设置为环境温度23℃；x表示二维截面上的横坐标即径向距离，m；y表示二维截面上的纵坐标即轴向距离，m；其中x、y所处的二维截面是以孔眼内壁最底端处为坐标原点；t表示时间，s；U是关于x,y,t的函数；U(x,y,t)代表的是某一时刻某一位置处的具体温度，℃。

8.根据权利要求1所述的一种基于铝热熔融效应的废弃油气井封堵实验方法，其特征在于，所述复合材料熔化所需总热量E_总的计算公式为：

E_总＝E_岩石+E_水泥+E_套管

E_岩石＝π×(r₃ ²-r₂ ²)hρ_岩石(T_{岩石,熔点}-T_岩样温度)c_岩石

E_水泥＝π×(r₂ ²-r₁ ²)hρ_水泥(T_{水泥,熔点}-T_水泥温度)c_水泥

E_套管＝π×(r₃ ²-r₂ ²)hρ_套管(T_{套管,熔点}-T_套管温度)c_套管

式中：r₁、r₂、r₃分别表示孔眼中心点到套管、水泥以及岩石最外部的距离，m；ρ_套管、ρ_水泥、ρ_岩石分别表示套管、水泥以及岩石的密度，kg/m³；h表示高度，m；c_套管、c_水泥、c_岩石分别表示套管、水泥以及岩石的比热容，J/kg·℃；T_{套管，熔点}、T_{水泥，熔点}、T_{岩石，熔点}分别表示套管、水泥以及岩石的熔点，℃；T_岩样温度、T_水泥温度、T_套管温度分别表示岩样、水泥、套管的初始温度，℃。

Images