CN114427440A - 模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置，包括：外筒；内筒，所述内筒套设在所述外筒内，在所述外筒与内筒之间形成环形空间，所述内筒包括压裂滑套组件，所述压裂滑套组件包括沿径向方向贯穿所述内筒的压裂孔；水泥环，所述水泥环填充在所述环形空间内，其中，所述压裂滑套组件构造为能通过所述压裂孔向所述水泥环喷射压裂流体；以及检测机构，所述检测机构构造为用于在所述压裂滑套组件打开并向所述水泥环喷射压裂流体之时和/或之后检测所述水泥环的密封性。

Description

模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置和方法

技术领域

本发明涉及石油勘探实验技术领域，特别是涉及一种模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置。本发明还涉及一种使用该装置来进行检测的方法。

背景技术

在石油工业中，固井作业的主要目的是在套管与裸眼岩层之间的环空内形成一个完整的水泥环密封系统，从而封隔井眼内的油、气、水层，达到支撑套管、保持井眼稳定的目标。因此，固井水泥环密封能力对油气井建井寿命具有至关重要的影响。

目前已经有对固井水泥环的密封能力进行检测评价的装置。该装置包括用于模拟地层的外筒，用于模拟套管的内筒，以及浇注在内筒和外筒之间的水泥环。通过向内管中打压，来使得整个装置发生压力振荡。通过检测振荡过后水泥环与内筒和/或外筒之间是否存在间隙或水泥环是否开裂等来进行水泥环的宏观裂化评价。

然而，在现有技术中，并未关注套管滑套开启所产生的的激动压力以及压裂产生的应力扰动对水泥环的密封性的影响。现有的装置也无法针对这些因素进行有效的模拟实验。尤其是，对于多级套管滑套的压裂情况来说，目前的装置无法进行多重高压应力作用的情况。

因此，水泥环在多重高压应力作用下的劣化机理缺乏有效的实验数据支持。这在一定程度上限制了大型水力压裂工况下的水泥环完整性研究。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置和方法，以用于消除或至少减弱上述问题中的至少一项。

根据本发明的第一方面，提出了一种模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置，包括：外筒；内筒，所述内筒套设在所述外筒内，在所述外筒与内筒之间形成环形空间，所述内筒包括压裂滑套组件，所述压裂滑套组件包括沿径向方向贯穿所述内筒的压裂孔；水泥环，所述水泥环填充在所述环形空间内，其中，所述压裂滑套组件构造为能通过所述压裂孔向所述水泥环喷射压裂流体；以及检测机构，所述检测机构构造为用于在所述压裂滑套组件打开并向所述水泥环喷射压裂流体之时和/或之后检测所述水泥环的密封性。

通过上述装置，能够针对压裂滑套组件开启所产生的的激动压力以及压裂产生的应力扰动对水泥环的密封性的影响进行检测。

在一个实施例中，所述内筒包括多个压裂滑套组件，所述多个压裂滑套组件构造为用于模拟多级滑套压裂的情况。

在一个实施例中，所述压裂滑套组件包括：管状壳体，在所述管状壳体上设置有所述压裂孔；滑套件，所述滑套件设置在所述管状壳体内；其中，在第一状态下，所述滑套件通过第一剪切销钉与所述管状壳体相连，以将所述滑套件保持在封堵所述压裂孔的位置；在第二状态下，所述第一剪切销钉剪断，所述滑套件相对于所述管状壳体向下移动至将所述压裂孔暴露出来，压裂流体能通过所述压裂孔而射向水泥环。

在一个实施例中，该装置还包括：上堵头，所述上堵头设置在所述外筒、环形空间和内筒的顶端，以用于封闭所述环形空间和内筒内通道的顶端；以及压裂流体注入泵及压裂流体注入管道，所述压裂流体注入管道的一端与所述压裂流体注入泵相连通，另一端穿过所述上堵头而连通到所述内筒内通道中，以用于向所述内筒中注入压裂流体。

在一个实施例中，所述检测机构包括声波检测组件，所述声波检测组件包括沿所述外筒的纵向方向彼此间隔开地设置在所述外筒外侧的至少一个接收探头和至少一个发射探头，所述至少一个接收探头和所述至少一个发射探头构造为用于通过声波反射来检测所述水泥环的状态。

在一个实施例中，所述至少一个接收探头和至少一个发射探头安装在连接架上，所述连接架连接到所述外筒的上端处，或连接到位于所述外筒顶端的上堵头处，以使所述至少一个接收探头和至少一个发射探头紧贴在所述外筒的外壁上。

在一个实施例中，该装置还包括下堵头，所述下堵头设置在所述外筒、环形空间和内筒的底端，以用于封闭所述环形空间和内筒内通道的底端；在所述下堵头上设置有延伸到所述内筒内通道中的加热器，所述加热器构造为用于对所述装置进行加热。

在一个实施例中，所述检测机构还包括地层流体注入泵以及地层流体注入管道，所述地层流体注入管道的一端与所述地层流体注入泵相连通，另一端从所述环形空间的下端连通到所述环形空间内；所述检测机构还包括气体供应器以及气体注入管道，所述气体注入管道的一端与所述气体供应器相连通，另一端从所述环形空间的下端连通到所述环形空间内；所述检测机构还包括流量计、收集器和收集管道，所述收集管道的一端与所述收集器相连通，另一端从所述环形空间的上端连通到所述环形空间内，所述流量计设置在所述收集管道上。

在一个实施例中，所述检测机构还包括沿径向方向贯穿所述外筒的检测孔，在所述检测孔内设置有贴合在所述水泥环上并用于检测水泥环的应力变化状态的应变片，和/或通过所述检测孔能获取所述水泥环的水泥样品。

根据本发明的第二方面，提出了一种固井水泥环密封检测方法，包括以下步骤：向内筒与外筒之间的环形空间内灌注水泥，以形成水泥环；使所述内筒中的至少一个压裂滑套组件打开，以通过所述至少一个压裂滑套组件上的压裂孔来向所述水泥环喷射压裂流体；在使所述内筒中的至少一个压裂滑套组件打开并喷射压裂流体的过程中以及过程之后，通过检测机构对所述水泥环的密封性进行检测。

通过上述装置可以借由至少一个压裂滑套组件来有效地模拟井下滑套打开和压裂的过程。该过程所产生的压力振荡和扰动、尤其是多重压力振荡和扰动对水泥环的影响可借由检测机构来得到。例如，可进行声波反射检测，应力监测、窜流检测、采样检测等。

附图说明

在下文中参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明的一个实施方案的模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置的示意图；

图2显示了图1中的装置的一个压裂滑套组件。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置100的一个实施例。装置100包括沿纵向方向设置的外筒110和套设在外筒110内的内筒120。内筒120相对于外筒110对中设置，以在它们之间形成环形空间。在该环形空间内填充有水泥环130。在内管120中形成有沿纵向方向延伸的内管内通道。外筒110和内筒120优选地为钢制的(优选为P110钢)，例如可由API短节加工而成。

内筒120包括至少一个压裂滑套组件20。图2显示了一个压裂滑套组件20的具体结构。如图2所示，压裂滑套组件20包括管状壳体21。管状壳体21可由API套管短节加工而成。管状壳体21可通过公扣和/或母扣与上方和/或下方的其他压裂滑套组件的管状壳体相连，或与形成内筒120的其他结构相连。管状壳体21内的空间形成内管内通道的一部分。在管状壳体21内设置有滑套件22。在第一状态下，该滑套件22通过第一剪切销钉23而与管状壳体21连接，使得滑套件22能覆盖设置在管状壳体21的侧壁上的压裂孔21A。在管状壳体21上可设置有一个或多个压裂孔21A，各个压裂孔21A均沿径向方向管串管状壳体21。多个压裂孔21A可在周向上彼此间隔开布置，例如间隔开60°、90°或120°。在各个压裂孔21A内优选地粘贴覆盖有塑料薄膜。

在第二状态下，第一剪切销钉23剪断，使得管状壳体21与滑套件22之间的连接断开。此时，滑套件22可向下移动，以将管状壳体21上的压裂孔21A暴露出来。在一个优选的实施例中，作业人员可通过向内筒120中投入憋压球、使得该憋压球坐封在相应的滑套件22上来憋压剪断第一剪切销钉23。

还如图2所示，压裂滑套组件20还包括通过第二剪切销钉25连接在管状壳体21内侧的承座24。在第二状态下，憋压球和滑套件22一起向下移动至滑套件22落在承座24上。此时，向内筒中注射的高压压裂流体无法穿过管状壳体21向下流动，而是会通过压裂孔21A径向向外喷射向水泥环130。由此来模拟井下压裂的过程，在水泥环上形成压裂裂缝。

在压裂结束后，可通过憋压剪断第二剪切销钉25来憋通管状壳体21。

在本发明的装置100中，优选的是，内筒120包括多个压裂滑套组件20。由此，可通过依次憋压打开各个压裂滑套组件20来模拟多级套管滑套压裂的情况。井下的套管滑套压裂(尤其是多级套管滑套压裂)具有施工压力高、排量大、时间长的特点。连续注入的压裂流体会导致井筒温度压力发生剧烈变化，温度-压力耦合作用明显，极易导致水泥环完整性失效，造成压裂后气井环空带压现象。

在设计有多级压裂滑套组件20的情况下，各级压裂滑套组件20所对应的的憋压球和滑套件22的尺寸例如如下。应理解的是，1级指的是最下方的一级，随着级数越大，压裂滑套组件20的位置越靠上。应当理解的是，压裂滑套组件20的级数可以多于8级或少于8级。

表1多级滑套压裂组件中的滑套件与憋压球的尺寸关系

级数	1	2	3	4	5	6	7	8
									憋压球直径(mm)	13	19	25	31	37	43	49	55
滑套件内径(mm)	10	16	22	28	34	40	46	52

另外，如图1所示，装置100还包括上堵头140和下堵头160。它们分别覆盖外筒110、环形空间和内筒120的上端和下端，以用于密封式封闭环形空间和内筒内通道。

在下堵头160上设置有延伸到内筒内通道中的加热器171。加热器171构造为用于对装置100进行加热，以在检测过程中模拟地层中的温度。如图1所示，装饰100还包括用于控制加热器171以调节模拟温度的温度控制器172。加热器171的加热温度最高例如可达到200℃。温度控制器172优选地采用人工智能显示控制仪表，具有PID调节功能，显示精度为0.1℃。这有利于控制热惯性。

此外，装置100还包括压裂流体注入泵191，以及压裂流体注入管道192。在该压裂流体注入管道192上设置有压裂流体注入阀V4。压裂流体注入管道192的一端与压裂流体注入泵191相连通，另一端穿过上堵头140而连通到内筒内通道中。在需要打开压裂滑套组件20和进行压裂操作时，可打开压裂流体注入阀V4和压裂流体注入泵191。由此，可向内管内通道中注入高压的压裂流体，以此来进行上述打开压裂滑套组件20和进行压裂的操作。

压裂流体注入泵191例如可以是无蠕动、压力跟踪稳定的双杠恒速恒压泵。泵的精度约为0.25％，压力范围在0至120MPa之间。该泵可配置RS232通讯口，以通过计算机或人工来对其操作。这种泵具有跟踪压差、压力等不同功能，性能稳定，同时还具有恒压效果。

装置100还包括检测机构。如图1所示，该检测机构包括声波检测组件。声波检测组件包括沿外筒110的纵向方向彼此间隔开地设置在外筒110的外侧的多个探头152A、152B、152C、152D和152E。这些探头中的一部分可以是发射探头，另一部分为接收探头。例如，152C可以是发射探头而152A、152B、152D和152E为接收探头。根据需要，也可按照其他方式来布置发射探头和接收探头。

在一个优选的实施例中，针对各个滑套压裂组件20的压裂孔21A在上下两侧均设置有接收探头。探头之间的轴向间距约为15cm。

通过接收探头和发射探头能借由声波反射来检测水泥环的状态，例如其中出现空隙的大小和位置等。在进行窜流检测(在下文中，将对其进行详细说明)时，也可通过接收探头和发射探头来确定窜流的流体(包括气体)所到达的位置。

各个探头152A、152B、152C、152D和152E均与信号放大器153相连，再连接到示波器154，最终连接到声波分析仪155，以实现对所检测到的声波进行分析。

在如图1所示的优选实施例中，多个探头152A、152B、152C、152D和152E均安装在连接架151上。该连接架151的上端连接在上堵头140上。应当理解的是，该连接架151也可以连接在外筒110的上端。通过这种设置，在重力作用下，各个探头能更加紧密地贴在外筒110的外壁上这对于提高检测结果的准确性来说是非常有益的。

另外，如图1所示，在外筒110的侧壁上还构造有一个或多个检测孔111。一个或多个检测孔111可分为多组。各组之间在周向上彼此间隔开。每组中有多个检测孔111沿纵向方向彼此间隔开布置。在如图1所示的优选实施例中，各个检测孔111与滑套压裂组件20的压裂孔21A的位置相对设置。在各个检测孔111内科设置有贴在水泥环上的应变片，以用于检测水泥环的应力变化状态。在进行压裂、窜流等操作时，可通过另外的堵头来封闭这些检测孔111。例如在压裂或气窜操作之后，可将堵头拆卸下来，并通过检测孔111来获取(例如，刮取)水泥环的水泥样品。可通过扫描电镜、压汞分析等技术措施来分析水泥样品的微观结构。

还如图1所示，检测机构还包括窜流检测组件。该窜流检测组件包括地层流体注入泵183及地层流体注入管道184。在地层流体注入管道184上设置有地层流体注入阀V2。地层流体注入管道184的一端与地层流体注入泵183相连通，另一端穿过下堵头160而从环形空间的下端连通到环形空间内。地层流体注入泵183例如为单缸恒速恒压泵，压力范围在0至30MPa之间。

窜流检测组件还包括气体供应器181以及气体注入管道182。在气体注入管道182上设置有气体注入阀V1。气体注入管道182的一端与气体供应器181相连通，另一端穿过下渡头160而从环形空间的下端连通到环形空间内。气体供应器181例如为高压气瓶，优选为高压氮气瓶。高压氮气瓶的压力范围在0至20MPa之间。

窜流检测组件还包括流量计185、收集器186和收集管道188。在收集管道188上设置有收集阀V3。收集管道181的一端通过流量计185而与收集器186相连通，另一端穿过上堵头140从环形空间的上端连通到环形空间内。在收集器186与流量计185之间还设置有干燥器187。

在进行窜流检测时，可打开收集阀V3以及气体注入阀V1或地层流体注入阀V2，以向环形空间内通入气体或地层流体。通过应力检测或声波检测，可以确定气体或地层流体所到达的位置。通过增大气体或地层流体注入的压力、使得有流体通过收集管道188流向收集器186可以确定水泥环所能承受的最大窜流压力。在有地层流体或气体流体通过收集管道188流向收集器186时，说明水泥环的密封完全失效。

可以通过压力控制器193来控制压裂流体注入泵191和地层流体注入泵183所提供的流体的压力。

本发明的固井水泥环密封检测方法例如可通过以上装置100来进行。该方法的具体过程如下。

首先，设置内筒120和外筒110，然后在它们之间灌注水泥浆而形成水泥环130。灌注水泥浆的压力例如约为21MPa。在灌注完成后，在约150℃的温度下养护约48h。

然后，打开检测孔111处的堵头，以通过检测孔111向水泥环130的外侧壁上粘贴应变片，以开始进行应力变化状态的检测。另外，作为替代或附加，可打开各个探头152A、152B、152C、152D和152E，以开始进行声波检测。

再然后，打开上堵头140，向内筒内通道中投入憋压球。根据内筒120所设置的滑套压裂组件20的级数而依次投入多个尺寸的憋压球而分别打开各个滑套压裂组件20并进行压裂。针对其中一级滑套压裂组件20，在投入憋压球之后，关闭上堵头140。通过压裂流体注入泵191向内筒内通道中注入压裂流体。注入压裂流体的压力逐级提高(例如每提高5MPa稳压5min)，直到发生压裂突降。此时，该滑套压裂组件20的第一剪切销钉23剪断，滑套件22向下移动，使得压裂孔21A暴露出来。此时，滑套压裂组件20打开，开始对水泥环喷射压裂流体。在喷射压裂流体时，例如可将压力升高至70MPa并稳压60min，以模拟井下压裂的施工压力。然后，逐步降低压力，直到内筒内通道中的压力完全释放。此后，可再次打开上堵头140投入第2级的憋压球，以进行第2级滑套压裂组件20的打开和压裂。以此类推，直到所有的压裂滑套组件20均打开并进行压裂。

在压裂结束后，通过气体供应器181和/或地层流体注入泵183来进行窜流检测。由此，可测试水泥环在多级压裂后的防窜流能力。

此后，可通过以更高的压力向内筒内通道中打压压裂流体而剪断各级滑套压裂组件20中的第二剪切销钉25，以憋通整个内筒120。

在粘贴应变片和打开探头之后的整个过程中，均保持对应力和声波的检测，以有效地收集水泥环的状态变化。

另外，在上述过程后，还可打开检测孔111，并从水泥环130上刮取水泥样品。通过扫描电镜、压汞分析等技术措施来分析水泥样品的微观结构。

通过上述方法和装置100有利于针对滑套压裂组件的开启和压裂的过程(尤其是多级滑套压裂组件的开启和压裂过程)综合评价分析水泥环的密封能力、声波响应、应力响应与微观结构劣化机制，从而进一步揭示大型多级水力压裂工况下的水泥环长效密封机理。这能为相关的固井工艺优化提供指导与参考。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置，包括：

外筒；

内筒，所述内筒套设在所述外筒内，在所述外筒与内筒之间形成环形空间，所述内筒包括压裂滑套组件，所述压裂滑套组件包括沿径向方向贯穿所述内筒的压裂孔；

水泥环，所述水泥环填充在所述环形空间内，其中，所述压裂滑套组件构造为能通过所述压裂孔向所述水泥环喷射压裂流体；以及

检测机构，所述检测机构构造为用于在所述压裂滑套组件打开并向所述水泥环喷射压裂流体之时和/或之后检测所述水泥环的密封性。

2.根据权利要求1所述的模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置，其特征在于，所述内筒包括多个压裂滑套组件，所述多个压裂滑套组件构造为用于模拟多级滑套压裂的情况。

3.根据权利要求1或2所述的模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置，其特征在于，所述压裂滑套组件包括：

管状壳体，在所述管状壳体上设置有所述压裂孔；

滑套件，所述滑套件设置在所述管状壳体内；

其中，在第一状态下，所述滑套件通过第一剪切销钉与所述管状壳体相连，以将所述滑套件保持在封堵所述压裂孔的位置；

在第二状态下，所述第一剪切销钉剪断，所述滑套件相对于所述管状壳体向下移动至将所述压裂孔暴露出来，压裂流体能通过所述压裂孔而射向水泥环。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置，其特征在于，还包括：

上堵头，所述上堵头设置在所述外筒、环形空间和内筒的顶端，以用于封闭所述环形空间和内筒内通道的顶端；以及

压裂流体注入泵及压裂流体注入管道，所述压裂流体注入管道的一端与所述压裂流体注入泵相连通，另一端穿过所述上堵头而连通到所述内筒内通道中，以用于向所述内筒中注入压裂流体。

5.根据权利要求1到3中任一项所述的模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置，其特征在于，所述检测机构包括声波检测组件，所述声波检测组件包括沿所述外筒的纵向方向彼此间隔开地设置在所述外筒外侧的至少一个接收探头和至少一个发射探头，所述至少一个接收探头和所述至少一个发射探头构造为用于通过声波反射来检测所述水泥环的状态。

6.根据权利要求5所述的模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置，其特征在于，所述至少一个接收探头和至少一个发射探头安装在连接架上，所述连接架连接到所述外筒的上端处，或连接到位于所述外筒顶端的上堵头处，以使所述至少一个接收探头和至少一个发射探头紧贴在所述外筒的外壁上。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置，其特征在于，还包括下堵头，所述下堵头设置在所述外筒、环形空间和内筒的底端，以用于封闭所述环形空间和内筒内通道的底端；

在所述下堵头上设置有延伸到所述内筒内通道中的加热器，所述加热器构造为用于对所述装置进行加热。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置，其特征在于，所述检测机构还包括地层流体注入泵以及地层流体注入管道，所述地层流体注入管道的一端与所述地层流体注入泵相连通，另一端从所述环形空间的下端连通到所述环形空间内；

所述检测机构还包括气体供应器以及气体注入管道，所述气体注入管道的一端与所述气体供应器相连通，另一端从所述环形空间的下端连通到所述环形空间内；

所述检测机构还包括流量计、收集器和收集管道，所述收集管道的一端与所述收集器相连通，另一端从所述环形空间的上端连通到所述环形空间内，所述流量计设置在所述收集管道上。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的模拟套管滑套压裂的固井水泥环密封检测装置，其特征在于，所述检测机构还包括沿径向方向贯穿所述外筒的检测孔，在所述检测孔内设置有贴合在所述水泥环上并用于检测水泥环的应力变化状态的应变片，和/或通过所述检测孔能获取所述水泥环的水泥样品。

10.一种固井水泥环密封检测方法，包括以下步骤：

向内筒与外筒之间的环形空间内灌注水泥，以形成水泥环；

使所述内筒中的至少一个压裂滑套组件打开，以通过所述至少一个压裂滑套组件上的压裂孔来向所述水泥环喷射压裂流体；以及

在使所述内筒中的至少一个压裂滑套组件打开并喷射压裂流体的过程中以及过程之后，通过检测机构对所述水泥环的密封性进行检测。

Images