CN114518294A - 一种水泥环密封能力评价装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种水泥环密封能力评价装置，尤其是一种大尺寸可加载围压水泥环密封能力评价装置，属于石油工程领域，包括模拟井筒；温控系统，其能够控制所述模拟井筒的温度；压力控制系统，其能够对所述模拟井筒施加围压和内压；密封检测系统，其能够检测密封井筒水泥环的密封性；应力应变测试系统，其预埋在水泥环空中，测试水泥环和模拟井筒套管的应力应变；以及声波检测系统，测试试验过程界面胶凝性能的变化情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种水泥环密封能力评价装置，尤其是一种大尺寸可加载围压水泥环密封能力评价装置，属于石油工程领域。
背景技术
近年来非常规油气的开发成为了国内石油行业开发的热点，由于非常规油气(页岩油、页岩气、致密砂岩油、致密砂岩气等)属于低孔低渗储层，需要采用大型水力压裂才能实现经济有效开采。压裂施工荷载使得水泥环承受交变应力，可能造成水泥环密封失效，导致层间气窜和环空带压等现象，从而影响油气的安全和高效生产。储气库在天然气用量调峰中起到重要作用，而储气库周期性的强注强采也给储气库水泥环带来的循环荷载以及温度变化引起的温度应力，可能破坏水泥环的密封性，导致采出率降低。因此真实的模拟油气井筒条件以及承受的荷载作用，开展水泥环实际井况条件下的密封性评价，对研究水泥环在复杂应力下的密封失效机理，提出改善水泥环密封措施提供科学的依据和指导。
长期以来，对于油气井水泥环密封性的评价，通常采用水泥石的力学性能评价，如单轴力学试验和三轴力学试验下的抗压强度、弹性模量、泊松比，三点抗折试验、轴心拉伸试验、巴西劈裂试验等。而水泥环的受力状态与水泥石有较大的的区别，因此，单纯对水泥石力学性能评价，难以准备评定水泥环的受力状态，尤其是密封完整性。近年来，有文献报道利用模拟井筒开展水泥环密封性的定性分析，但一方面井筒的尺寸较小，尺寸受限后得出的结论不够准确，另一方面不能进行实际现场井下地应力的模拟以及复杂荷载下水泥环的应力应变测量。因此，目前针对水泥环在复杂应力条件下的准确模拟和密封性精确测试和评价方法手段缺乏。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种水泥环密封能力评价装置，水泥浆候凝后释放预应力对水泥环施加围压，真实模拟井下水泥环的边界条件和受力状况。主要用于测试评价井下复杂应力下水泥环的密封性，形成水泥环在复杂应力作用下的破坏规律，揭示水泥环的失效机理，建立水泥环的密封破坏定量判定准则。
本发明提出了一种水泥环密封能力评价装置，包括：
模拟井筒；
温控系统，其能够控制所述模拟井筒内的温度；
压力控制系统，其能够对所述模拟井筒施加内压和围压；
密封检测系统，其能够检测密封井筒内水泥环的密封性；
压力应变测试系统，其预埋在水泥环空中，测试水泥环和模拟井筒的套管的应力应变；以及
声波检测系统，测试试验过程界面胶凝性能的变化情况。
本发明的进一步改进在于，还包括数据控制和采集系统，用于控制压力、温度的变化，并实时采集压力、温度和气窜的数据情况。
本发明的进一步改进在于，所述模拟井筒包括套管，所述套管的外侧设有外筒，所述套管和所述外筒的上端通过上密封端盖密封，下端通过下密封端盖密封；
其中，所述上密封端盖上设置有气窜检测口，所述下密封端盖上设置有环空加压口、套管内加压口以及注气口。
本发明的进一步改进在于，所述温控系统包括设置在所述下密封端盖上的加热装置和冷却装置。
本发明的进一步改进在于，所述加热装置包括若干加热管，所述冷却装置包括设置在所述套管内的冷却盘管，所述冷却盘管通过循环管连接外部的高低温浴槽。
本发明的进一步改进在于，所述压力控制系统包括为所述套管和所述外筒的环空之间施加压力的第一压力控制机构，以及为所述套管内加压和卸载，实现循环加压的第二压力控制机构。
本发明的进一步改进在于，所述第一压力控制机构包括第一水箱，所述水箱通过第一加压管连接所述环空加压口；所述第一加压管上设置有恒速恒压泵；
所述第一加压管上设置有环腔注入阀，所述第一加压管上还设置有分支管，所述分支管上设置有环腔排空阀。
本发明的进一步改进在于，所述第二压力控制机构包括第二水箱，所述第二水箱通过第二加压管连接所述套管加压口；所述第二加压管上设置有压力跟踪泵，所述压力跟踪泵与所述套管加压口之间设置有缓冲罐。
本发明的进一步改进在于，所述密封检测系统包括连接在所述下密封端盖上的注气机构，以及设置在所述上密封端盖上的气窜检测机构；
其中，所述注气机构向环空中注入气体，所述气窜检测机构监测并记录气窜流量和总量。
本发明的进一步改进在于，所述注气机构包括气源，所述气源通过导气管连接所述注气口，所述导气管上依次设置有进气阀、调压阀、气体流量控制器以及气源压力泵；所述导气管上还设置有放空气管，所述放空气管上设置有放空阀。
本发明的进一步改进在于，所述气窜检测机构包括气窜检测仪和气体流量计。
本发明的进一步改进在于，所述应力应变测试系统包括预埋在水泥环中的光栅支架，所述光栅支架上安装光栅传感器；所述光栅传感器通过管线连接所述模拟井筒外部的数据采集机构；所述数据采集机构连接所述数据控制和采集系统。
本发明的进一步改进在于，声波检测系统包括通过快速接头连接在上密封端盖上的声波探头和接收器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的一种水泥环密封能力评价装置。利用平面应变理论设计模拟井筒，通过在环空中施加预应力，水泥浆候凝后释放预应力对水泥环施加围压，真实模拟井下水泥环的边界条件和受力状况。主要用于测试评价井下复杂应力下水泥环的密封性，形成水泥环在复杂应力作用下的破坏规律，揭示水泥环的失效机理，建立水泥环的密封破坏定量判定准则，为改善油气井水泥环密封性提供科学的依据和指导。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
图1所示为本发明的一个实施例的水泥环密封能力评价装置的结构示意图。
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。
在附图中各附图标记的含义如下：1、模拟井筒，2、温控系统，3、压力控制系统，4、密封检测系统，5、压力应变测试系统，6、声波检测系统，7、数据控制和采集系统，8、外筒，9、环空，10、套管11、加热器，12、冷却管，13、上密封端盖，14、下密封端盖，15、顶部排空，16、高低温浴槽，17、第一压力控制机构，18、第二压力控制机构，19、第一加压管，20、第一水箱，21、恒速恒压泵，22、环腔注入阀，23、环腔排空阀，24、第二加压管，25、压力跟踪泵，26、缓冲罐，27、第二水箱，28、注气机构，29、气窜检测机构，30、气源，31、进气阀，32、调压阀，33、气体流量控制器，34、气源压力泵，35、气体流量计，36、干燥器。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。
图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的一种水泥环密封能力评价装置，包括模拟井筒1。所述模拟井筒1内部设置水泥环，用于模拟实际井筒的结构和环境，对水泥环密封能力进行检测。模拟井筒1上连接有温控系统2，温控系统2能够控制模拟井筒1内的温度。模拟井筒1上还连接有压力控制系统3，压力控制系统3能够对模拟井筒1施加围压以及控制模拟井筒1内部的压力。
模拟井筒1上设置有多组检测系统，其中包括密封检测系统4，其能够检测密封井筒内水泥环的密封性；还包括压力应变测试系统5，预埋在水泥环空中，测试水泥环和模拟井筒1的套管11的应力应变；还包括声波检测系统6，测试试验过程界面胶凝性能的变化情况。
本实施例所述的装置，其利用平面应变理论设计模拟井筒1，通过在环空中施加预应力，水泥浆候凝后释放预应力对水泥环施加内压和围压，真实模拟井下水泥环的边界条件和受力状况。主要用于测试评价井下复杂应力水泥环的密封性，形成水泥环在复杂应力作用下的破坏规律，揭示水泥环的失效机理，建立水泥环的密封破坏定量判定准则，为改善油气井水泥环密封性提供科学的依据和指导。
在一个实施例中，所述水泥环密封能力评价装置还包括数据控制和采集系统7，用于控制压力、温度的变化，并实时采集压力、温度和气窜的数据情况。数据控制和采集系统7连接所述温控系统2、压力控制系统3、密封检测系统4、压力应变测试系统5以及声波检测系统6。
数据控制和采集系统7通过控制温控系统2和压力控制系统3的运行来控制试验过程中模拟井筒1内的压力和温度，使其调节到试验所需的压力、温度条件的范围内。并且数据控制和采集系统7还接收并记录密封检测系统4、压力应变测试系统5以及声波检测系统6的检测数据。
在一个实施例中，所述模拟井筒1包括套管10，所述套管10的外侧套设有外筒8，所述套管10和所述外筒8的上端通过上密封端盖13密封，下端通过下密封端盖14密封。如图所示的一个优选的实施例中，所述外筒12的外径为316mm，厚度为53mm，套管10为现场常用的7英寸套管11177.8mm，外筒8和套管10之间形成环空。
优选地，所述模拟井筒的顶部设置有顶部排空15、底部设置有排水阀。
所述上密封端盖13上设置有气窜检测口，用于连接密封检测系统4来检测密封和气窜情况。下密封端盖14上设置有环空加压口和套管内加压口，用于连接压力控制系统3；环空加压口设置在套管10和外筒8之间的环空的底部，套管内加压口设置在套管10内的底部。
在一个实施例中，所述温控系统2包括加热装置和冷却装置，加热装置设置在下密封端盖14上。其中，加热装置为模拟井筒1进行加热，冷却装置为模拟井筒1进行冷却。当模拟井筒1内的温度超过试验设定的温度时温控系统2对模拟井筒1进行降温，这时，加热装置处于关闭的状态，冷却装置处于开启的状态；当模拟井筒1内的温度低于试验设定的温度时，温控系统2对模拟井筒1进行升温，这时，加热装置处于开启的状态，冷却装置处于关闭的状态。
在一个优选的实施例中，所述加热装置包括若干加热管，优选为两个加热管，两个加热管设置在下密封端盖14上。冷却装置包括设置在套管10上的冷却盘管，冷却盘管通过循环管连接外部的高低温浴槽16，冷却盘管在套管10上吸热并通过循环管将热水传递到高低温浴槽16内，高低温浴槽16内的冷水通过另一路循环管进入到冷却盘管的另一端。
在一个实施例中，所述压力控制系统3包括为所述套管10和所述外筒8的环空之间施加压力的第一压力控制机构17，以及为所述套管10内加压和卸载，实现循环加压的第二压力控制机构18。
在一个实施例中，所述第一压力控制机构17包括第一水箱20，所述水箱通过第一加压管19连接所述环空加压口；所述第一加压管19上设置有恒速恒压泵21。所述第一加压管19上设置有环腔注入阀22，所述第一加压管19上还设置有分支管，分支管设置在第一加压管19上位于环腔注入阀22和环空加压口之间的部分。并且，所述分支管上设置有环腔排空阀23。
在使用根据本实施例所述装置时，当需要增加压力时，通过恒速恒压泵21将第一水箱20内的水泵入到环空中，使环空内的压力增加。当需要减少压力时，关闭所述环腔注入阀22，并开启环腔排空阀23，环空内的水通过分支管流出，从而减小压力。
在一个实施例中，所述第二压力控制机构18包括第二水箱27，所述第二水箱27通过第二加压管24连接所述套管内加压口；所述第二加压管24上设置有压力跟踪泵25，所述压力跟踪泵25与所述套管内加压口之间设置有缓冲罐26，起到缓冲的作用，使流出水的流量更加稳定。
在一个实施例中，所述密封检测系统4包括连接在所述下密封端盖14上的注气机构28，以及设置在所述上密封端盖13上的气窜检测机构29。其中，所述注气机构28向环空中注入气体，所述气窜检测机构29监测并记录气窜流量和总量。
在一个优选的实施例中，所述注气机构28包括气源30，气源30优选为氮气源30，氮气为保护气体，不容易发生反应影响试验结果。气源30通过导气管连接所述注气口，所述导气管上依次设置有进气阀31、调压阀32、气体流量控制器33以及气源压力泵34；所述导气管上还设置有放空气管，所述放空气管上设置有放空阀。
在使用根据本实施例所述装置时，打开进气阀31能够使气源30内的氮气进入到模拟井筒1内。氮气在通过导气管进入模拟井筒1的过程中可通过气源压力泵34检测进入的压力，并通过调压阀32、气体流量控制器33和气源压力泵34控制进入模拟井筒1内的气体的压力、流量。当试验结束后通过放空阀排出模拟井筒1内的压力。
在一个实施例中，所述气窜检测机构29包括气窜检测仪和气体流量计35。所述气体流量计35的上游通过快速接头连接模拟井筒1的出口，并且气体流量计35的上游还设置有干燥器36、缓冲罐26。干燥器36能够吸收水分，避免水分影响气体流量计35的测量结果，气体经过缓冲罐26排出会更为平稳。
密封检测模拟通过井筒下密封端盖14往环空水泥环注入一定压力的氮气，通过上密封盖13上安置的气体流量计35检测气窜流量，监测水泥环的密封性。
在一个实施例中，所述应力应变测试系统包括预埋在水泥环中的光栅支架，所述光栅支架上安装光栅传感器；所述光栅传感器通过管线连接所述模拟井筒1外部的数据采集机构；所述数据采集机构连接所述数据控制和采集系统7。通过所述应力应变测试装置测试凝固后的水泥环和套管10的应力应变。
在一个实施例中，声波检测系统6包括通过快速接头连接在上密封端盖13上的声波探头和接收器。通过声波探头和接收器测量水泥环界面的胶结情况。
根据上述实施例所述的水泥环密封能力评价装置进行以下的试验，得到如下具体的实施例：
实施例1
在环空中预埋光纤光栅，按配方100％油井水泥+40％水+4％降失水剂配置水泥浆，注入井筒环空中，井筒置于压机上，上、下密封盖压紧。加热80℃、环空预应力10MPa养护72h。底部环空段注入5MPa气体，维持气体稳定。利用压力系统往套管内施加最高70MPa的循环压力。循环5次后，密封检测体系发现气窜现象发生，同时测量水泥环的径向最大应力13.5MPa，周向应力为0.46MPa；声波检测显示界面的声波信号强度逐渐减弱，界面胶结性能劣化。水泥环的应力没有达到其强度极限，没有发生强度破坏，水泥环发生了界面胶结破坏而密封失效。
实施例2
在环空中预埋光纤光栅，按配方100％油井水泥+40％水+4％降失水剂配置水泥浆，注入井筒环空中，井筒置于压机上，上、下密封盖压紧。加热80℃养护72h。底部环空段注入1MPa气体，维持气体稳定。利用温度系统加热井筒系统至150℃。密封检测体系发现气窜现象发生，同时测量水泥环的径向最大应力13.7MPa，周向应力为1.26MPa。水泥环的周向应力超过其抗拉强度极限，发生拉伸强度破坏，由于温度升高引起的温度应力导致水泥环发生了强度破坏而使得水泥环密封失效。
实施例3
在环空中预埋光纤光栅，按配方100％油井水泥+40％水+5％弹性材料+4％降失水剂配置水泥浆，注入井筒环空中，井筒置于压机上，上、下密封盖压紧。加热80℃、环空预应力10MPa养护72h。底部环空段注入5MPa气体，维持气体稳定。利用压力系统往套管内施加最高70MPa的循环压力。循环30次后，密封检测体系没有发现气窜现象发生，同时测量水泥环的径向最大应力7.6MPa，周向应力为0.32MPa；声波检测显示界面的声波信号强度稍有减弱。由于加入了弹性材料，降低了水泥石的弹性模量，使得水泥环中产生的各向应力较低，一方面水泥环的应力没有达到其强度极限，没有发生强度破坏，另一方面水泥环也没有发生界面胶结破坏。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种水泥环密封能力评价装置，其特征在于，包括：
模拟井筒(1)；
温控系统(2)，其能够控制所述模拟井筒(1)内的温度；
压力控制系统(3)，其能够对所述模拟井筒(1)施加内压和围压；
密封检测系统(4)，其能够检测密封井筒内水泥环的密封性；
压力应变测试系统(5)，其预埋在水泥环空中，测试水泥环和模拟井筒(1)的套管(11)的应力应变；以及
声波检测系统(6)，测试试验过程界面胶凝性能的变化情况。
2.根据权利要求1所述的水泥环密封能力评价装置，其特征在于，还包括数据控制和采集系统(7)，用于控制压力、温度的变化，并实时采集压力、温度和气窜的数据情况。
3.根据权利要求2所述的水泥环密封能力评价装置，其特征在于，所述模拟井筒(1)包括套管(10)，所述套管(10)的外侧设有外筒(8)，所述套管(10)和所述外筒(8)之间为环空(9)，所述套管(10)和所述外筒(8)的上端通过上密封端盖(13)密封，下端通过下密封端盖(14)密封；
其中，所述上密封端盖(13)上设置有气窜检测口，所述下密封端盖(14)上设置有环空加压口、套管内加压口以及注气口。
4.根据权利要求3所述的水泥环密封能力评价装置，其特征在于，所述温控系统(2)包括设置在所述下密封端盖(14)上的加热装置和冷却装置。
5.根据权利要求4所述的水泥环密封能力评价装置，其特征在于，所述加热装置包括若干加热管，所述冷却装置包括设置在所述套管(10)内的冷却盘管，所述冷却盘管通过循环管连接外部的高低温浴槽(16)。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的水泥环密封能力评价装置，其特征在于，所述压力控制系统(3)包括为所述套管(10)和所述外筒(8)的环空(9)之间施加压力的第一压力控制机构(17)，以及为所述套管(10)内加压和卸载，实现循环加压的第二压力控制机构(18)。
7.根据权利要求6所述的水泥环密封能力评价装置，其特征在于，所述第一压力控制机构(17)包括第一水箱(20)，所述水箱通过第一加压管(19)连接所述环空加压口；所述第一加压管(19)上设置有恒速恒压泵(21)；
所述第一加压管(19)上设置有环腔注入阀(22)，所述第一加压管(19)上还设置有分支管，所述分支管上设置有环腔排空阀(23)。
8.根据权利要求6或7所述的水泥环密封能力评价装置，其特征在于，所述第二压力控制机构(18)包括第二水箱(27)，所述第二水箱(27)通过第二加压管(24)连接所述套管内加压口；所述第二加压管(24)上设置有压力跟踪泵(25)，所述压力跟踪泵(25)与所述套管内加压口之间设置有缓冲罐(26)。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的水泥环密封能力评价装置，其特征在于，所述密封检测系统(4)包括连接在所述下密封端盖(14)上的注气机构(28)，以及设置在所述上密封端盖(13)上的气窜检测机构(29)；
其中，所述注气机构(28)向环空中注入气体，所述气窜检测机构(29)监测并记录气窜流量和总量。
10.根据权利要求9所述的水泥环密封能力评价装置，其特征在于，所述注气机构(28)包括气源(31)，所述气源(31)通过导气管连接所述注气口，所述导气管上依次设置有进气阀(32)、调压阀(33)、气体流量控制器(34)以及气源压力泵(35)；所述导气管上还设置有放空气管，所述放空气管上设置有放空阀。
11.根据权利要求9所述的水泥环密封能力评价装置，其特征在于，所述气窜检测机构(29)包括气窜检测仪和气体流量计(35)。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的水泥环密封能力评价装置，其特征在于，所述应力应变测试系统包括预埋在水泥环中的光栅支架，所述光栅支架上安装光栅传感器；所述光栅传感器通过管线连接所述模拟井筒(1)外部的数据采集机构；所述数据采集机构连接所述数据控制和采集系统(7)。
13.根据权利要求12所述的水泥环密封能力评价装置，其特征在于，声波检测系统(6)包括通过快速接头连接在上密封端盖(13)上的声波探头和接收器。
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