CN114878448A - 一种全尺寸模拟井下真实工况的固井水泥环腐蚀试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种全尺寸模拟井下真实工况的固井水泥环腐蚀试验装置及方法，该装置由承压腔室、内套管、环空、外套管、加热套、上盖、下盖、第一橡胶密封圈、第一进气管、第一阀门、第二进气管、第二阀门、螺母、螺纹、通孔、螺杆、第一环槽、第二环槽、第二橡胶密封圈、排气管、第三阀门、水泥环、台阶、检测腔室组成。利用该腐蚀装置及方法可以模拟井下真实腐蚀环境，开展全尺寸固井水泥环在不同状态腐蚀介质中的单向动态腐蚀实验。本发明能够根据实验结果较为准确的评估固井水泥环的腐蚀完整性，也对在具体工况下水泥环的设计有一定借鉴意义，适用于油气井固井材料腐蚀技术领域。

Description

一种全尺寸模拟井下真实工况的固井水泥环腐蚀试验装置及 方法

技术领域

本发明涉及油气固井材料的腐蚀装置及评价，具体是一种全尺寸模拟井下真实工况的固井水泥环腐蚀试验装置及方法。

背景技术

腐蚀问题一直是油气井工程领域面临的重大挑战和难题，准确地评价和分析油气井材料的腐蚀特点和腐蚀规律是评价油气井安全状况、指导油气井材料防腐性能设计的重要前提。其中，固井水泥环作为套管的包被层，主要起着封隔流体层间流动支撑地层和套管，以防止套管的腐蚀，延长油井寿命的作用。水泥环的腐蚀是一个普遍性的问题，尤其是在高含CO₂和H₂S等酸性气体环境中，对水泥造成碳化，深入水泥环并腐蚀套管，影响固井系统的完整性，造成重大的损失。因此对固井水泥环的腐蚀研究至关重要。

目前国内外固井水泥环的腐蚀研究已经取得了一定的进展，一般而言主要是通过利用金属模具制作水泥石试样，试样脱模后置于模拟的井下环境进行全接触的腐蚀实验，然后对腐蚀后的水泥石进行各种性能参数的对比测评。然而，这并不能模拟出井下全尺寸的套管/水泥环系统的真实情况，模具过于单一，不具有代表性。同时，井下酸性腐蚀气体沿着固井水泥环的孔隙或裂缝从井底往井口运移，对水泥石的腐蚀应是单向接触的动态腐蚀，而非与酸性气体全接触的腐蚀。所以，简单的运用以上方法进行水泥环的腐蚀实验是不可取的，也与井下工况并不符合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全尺寸模拟井下真实工况的固井水泥环腐蚀试验装置，其操作方便，能够模拟井下全尺寸的套管/水泥环系统，并用于开展全尺寸的水泥环腐蚀实验，克服了现有技术的不足。

本发明的另一目的在于利用上述装置提供一种全尺寸水泥环在真实工况下的腐蚀试验方法，能够模拟进行全尺寸水泥环的单向动态腐蚀实验，并可模拟不同状态(气相，液相)的腐蚀介质对全尺寸水泥环的腐蚀。该方法能够较真实的反应全尺寸水泥环的腐蚀情况，并根据得到的结果对水泥环的腐蚀完整性进行较为准确的评价。

为达到上述目的，本发明提供一下技术方案。

一种全尺寸模拟井下真实工况的固井水泥环腐蚀试验装置，其特征在于，由承压腔室、内套管、环空、外套管、加热套、上盖、下盖、第一橡胶密封圈、第一进气管、第一阀门、第二进气管、第二阀门、螺母、螺纹、通孔、螺杆、第一环槽、第二环槽、第二橡胶密封圈、排气管、第三阀门、水泥环、台阶、检测腔室组成，所述承压腔室由内套管、上盖、下盖、第一环槽、第二橡胶密封圈组成，用于养护水泥环形成的环空由内套管、外套管、上盖、下盖、第一环槽、第二环槽、第一橡胶密封圈、第二橡胶密封圈组成，螺杆通过通孔连接上盖、下盖、螺纹，并用螺母固定内套管、外套管用于实现对承压腔室、环空的密封；第一橡胶密封圈配合台阶用于防止养护水泥浆时腐蚀介质向排气管渗漏，水泥环养护成型后取掉第一橡胶密封圈形成检测腔室；第二橡胶密封圈用于防止水泥浆养护时向第一环槽、第二环槽渗漏以及腐蚀试验时腐蚀介质向承压腔室中泄露；加热套包覆于外套管外，用于养护水泥浆和腐蚀试验时的温度控制；第一进气管、第一阀门用于控制承压腔室的压力加载与卸载；第二进气管、第二阀门用于控制腐蚀介质(CO₂、H₂S、地层水等)的进出；排气管、第三阀门用于水泥环养护后的密封完整性检测。

所述装置全尺寸套管基于标准GB/T19830-2017《石油天然气油气井套管或油管用钢管》，并根据实验条件利用相似性原理进行等比例缩小进行试验。

利用上述装置模拟进行全尺寸水泥环真实工况下的腐蚀试验的方法，依次包括以下步骤：

步骤一：将第一橡胶密封圈置于下盖上，把内套管、外套管分别插入下盖并配合台阶实现对环空底部的密封，配合第二橡胶密封圈实现对第一环槽、第二环槽的密封；

步骤二：根据标准SY/T 6544-2017《油井水泥浆性能要求》进行水泥浆的制备以及性能测试；

步骤三：关闭第三阀门，将制备好的水泥浆灌入环空中，盖好上盖并拧紧螺母实现环空、承压腔室固定及密封，打开第一阀门加载压力置养护预定值并关闭所有阀门，启动加热套加热至预定温度养护水泥浆，完成水泥环的制备；

步骤四：水泥环养护成型后，关闭加热套，打开第一阀门卸掉压力后关闭，松掉螺母打开下盖取出第一橡胶密封圈形成检测腔室；

步骤五：重新密封装置，打开第二阀门加入地层水，再通入酸性气体至设定压力值后关闭，再打开第三阀门，检测腔室连接软管，将软管深入装满去离子水的烧杯中检测是否气窜，检测完成通入酸性气体至设定压力值并关闭第三阀门；

步骤六：打开第一阀门，向承压腔室加载压力至预定值后关闭第一阀门，启动加热套同时进行水泥环在不同状态腐蚀介质的单向动态腐蚀试验；

步骤七：待试验结束，关闭加热套，打开第一阀门卸掉压力，松开螺母并取掉上盖利用钻芯机钻出芯样进行水泥环的抗压强度、渗透率、腐蚀深度等指标测试；

步骤八：将取出的芯样利用SEM,XRD等进行微观形貌分析用于评价水泥石腐蚀完整性。

本发明具有如下优点和有益效果：

(1)此腐蚀装置能模拟井下全尺寸套管/水泥环系统，模拟真实工况。

(2)此腐蚀装置操作方便，便于进行试验和测试。

(3)本发明提供的腐蚀方法能够模拟腐蚀介质对全尺寸水泥环的单向动态腐蚀，较为真实的反应井下工况。

(4)本发明提供的腐蚀方法能够同时模拟进行不同状态的腐蚀介质对全尺寸水泥环的腐蚀状况，得到的腐蚀结果能较好的评价水泥环的腐蚀完整性。

附图说明

图1是未灌注水泥浆前全尺寸水泥环腐蚀装置示意图。

图2是水泥浆养护成形后全尺寸水泥环腐蚀装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细的描述。

见图1图2。

一种全尺寸模拟井下真实工况的固井水泥环腐蚀试验装置，其特征在于，由承压腔室1、内套管2、环空3、外套管4、加热套5、上盖6、下盖7、第一橡胶密封圈8、第一进气管9、第一阀门10、第二进气管11、第二阀门12、螺母13、螺纹14、通孔15、螺杆16第一环槽17、第二环槽18、第二橡胶密封圈19、排气管20、第三阀门21、水泥环22、台阶23、检测腔室24组成，所述承压腔室1由内套管2、上盖6、下盖7、第一环槽17、第二橡胶密封圈19组成，用于养护水泥环22形成的环空3由内套管2、外套管4、上盖6、下盖7、第一环槽17、第二环槽18、第一橡胶密封圈8、第二橡胶密封圈19组成，螺杆16通过通孔15连接上盖6、下盖7、螺纹14，并用螺母13固定内套管2、外套管4用于实现对承压腔室1、环空3的密封；第一橡胶密封圈8配合台阶23用于防止养护水泥浆时腐蚀介质向排气管20渗漏，水泥环22养护成型后取掉第一橡胶密封圈8形成检测腔室24；第二橡胶密封圈19用于防止水泥浆养护时向第一环槽16、第二环槽17渗漏以及腐蚀试验时腐蚀介质向承压腔室1中泄露；加热套5包覆于外套管4外，用于养护水泥浆和腐蚀试验时的温度控制；第一进气管9、第一阀门10用于控制承压腔室1的压力加载与卸载；第二进气管11、第二阀门12用于控制腐蚀介质(CO₂、H₂S、地层水等)的进出；排气管19、第三阀门21用于水泥环22养护后的密封完整性检测。

利用上述装置进行全尺寸水泥环真实工况下的腐蚀试验的方法，依次包括以下步骤：

步骤一：将第一橡胶密封圈8置于下盖7上，把内套管2、外套管4分别插入下盖7并配合台阶23实现对环空3底部的密封，配合第二橡胶密封圈19实现对第一环槽17、第二环槽18的密封；

步骤二：根据标准SY/T 6544-2017《油井水泥浆性能要求》进行水泥浆的制备以及性能测试；

步骤三：关闭第三阀门21，将制备好的水泥浆灌入环空3中，盖好上盖6并拧紧螺母13实现环空3、承压腔室1固定及密封，打开第一阀门10加载压力置养护预定值并关闭所有阀门，启动加热套5加热至预定温度养护水泥浆，完成水泥环2的制备；

步骤四：水泥环22养护成型后，关闭加热套5，打开第一阀门10卸掉压力后关闭，松掉螺母13打开下盖7取出第一橡胶密封圈8形成检测腔室24；

步骤五：重新密封装置，打开第二阀门12加入地层水，再通入酸性气体至设定压力值后关闭，再打开第三阀门21，检测腔室24连接软管，将软管深入装满去离子水的烧杯中检测是否气窜，检测完成通入酸性气体至设定压力值并关闭第三阀门21；

步骤六：打开第一阀门10，向承压腔室1加载压力至预定值后关闭第一阀门10，启动加热套5同时进行水泥环22在不同状态腐蚀介质的单向动态腐蚀试验；

步骤七：待试验结束，关闭加热套5，打开第一阀门10卸掉压力，松开螺母13并取掉上盖6利用钻芯机钻出芯样进行水泥环22的抗压强度、渗透率、腐蚀深度等指标测试；

步骤八：将取出的芯样利用SEM,XRD等进行微观形貌分析用于评价水泥石腐蚀完整性。

Claims (3)

1.一种全尺寸模拟井下真实工况的固井水泥环腐蚀试验装置，其特征在于，由承压腔室(1)、内套管(2)、环空(3)、外套管(4)、加热套(5)、上盖(6)、下盖(7)、第一橡胶密封圈(8)、第一进气管(9)、第一阀门(10)、第二进气管(11)、第二阀门(12)、螺母(13)、螺纹(14)、通孔(15)、螺杆(16)第一环槽(17)、第二环槽(18)、第二橡胶密封圈(19)、排气管(20)、第三阀门(21)、水泥环(22)、台阶(23)、检测腔室(24)组成，所述承压腔室(1)由内套管(2)、上盖(6)、下盖(7)、第一环槽(16)、第二橡胶密封圈(19)组成，用于养护水泥环(22)形成的环空(3)由内套管(2)、外套管(4)、上盖(6)、下盖(7)、第一环槽(17)、第二环槽(18)、第一橡胶密封圈(8)、第二橡胶密封圈(19)组成，螺杆(16)通过通孔(15)连接上盖(6)、下盖(7)、螺纹(14)，并用螺母(13)固定内套管(2)、外套管(4)用于实现对承压腔室(1)、环空(3)的密封；第一橡胶密封圈(8)配合台阶(23)用于防止养护水泥浆时腐蚀介质向排气管(20)渗漏，水泥环(22)养护成型后取掉第一橡胶密封圈(8)形成检测腔室(24)；第二橡胶密封圈(19)用于防止水泥浆养护时向第一环槽(17)、第二环槽(18)渗漏以及腐蚀试验时腐蚀介质向承压腔室(1)中泄露；加热套(5)包覆于外套管(4)外，用于养护水泥浆和腐蚀试验时的温度控制；第一进气管(9)、第一阀门(10)用于控制承压腔室(1)的压力加载与卸载；第二进气管(11)、第二阀门(12)用于控制腐蚀介质(CO₂、H₂S、地层水等)的进出；排气管(19)、第三阀门(21)用于水泥环(22)养护后的密封完整性检测。

2.如权利1要求所述的一种全尺寸模拟井下真实工况的固井水泥环腐蚀装置，其特征在于，所述装置全尺寸套管基于标准GB/T19830-2017《石油天然气油气井套管或油管用钢管》。

3.根据权利要求1、2所述的装置进行全尺寸模拟井下真实工况的固井水泥环腐蚀方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

步骤一：将第一橡胶密封圈(8)置于下盖(7)上，把内套管(2)、外套管(4)分别插入下盖(7)并配合台阶(23)实现对环空(3)底部的密封，配合第二橡胶密封圈(19)实现对第一环槽(17)、第二环槽(18)的密封；

步骤二：根据标准SY/T 6544-2017《油井水泥浆性能要求》进行水泥浆的制备以及性能测试；

步骤三：关闭第三阀门(21)，将制备好的水泥浆灌入环空(3)中，盖好上盖(6)并拧紧螺母(13)实现环空(3)、承压腔室(1)固定及密封，打开第一阀门(10)加载压力置养护预定值并关闭所有阀门，启动加热套(5)加热至预定温度养护水泥浆，完成水泥环(22)的制备；

步骤四：水泥环(22)养护成型后，关闭加热套(5)，打开第一阀门(10)卸掉压力后关闭，松掉螺母(13)打开下盖(7)取出第一橡胶密封圈(8)形成检测腔室(24)；

步骤五：重新密封装置，打开第二阀门(12)加入地层水，再通入酸性气体至设定压力值后关闭，再打开第三阀门(21)，检测腔室(24)连接软管，将软管深入装满去离子水的烧杯中检测是否气窜，检测完成通入酸性气体至设定压力值并关闭第三阀门(21)；

步骤六：打开第一阀门(10)，向承压腔室(1)加载压力至预定值后关闭第一阀门(10)，启动加热套(5)同时进行水泥环(22)在不同状态腐蚀介质的单向动态腐蚀试验；

步骤七：待试验结束，关闭加热套(5)，打开第一阀门(10)卸掉压力，松开螺母(13)并取掉上盖(6)利用钻芯机钻出芯样进行水泥环(22)的抗压强度、渗透率、腐蚀深度等指标测试；

步骤八：将取出的芯样利用SEM,XRD等进行微观形貌分析用于评价水泥石腐蚀完整性。

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