CN117307138A - 一种套管-水泥环界面应力监测装置及方法 - Google Patents
一种套管-水泥环界面应力监测装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117307138A CN117307138A CN202311297634.3A CN202311297634A CN117307138A CN 117307138 A CN117307138 A CN 117307138A CN 202311297634 A CN202311297634 A CN 202311297634A CN 117307138 A CN117307138 A CN 117307138A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- pressure
- cement sheath
- outer sleeve
- cement
- sleeve
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000004568 cement Substances 0.000 title claims abstract description 92
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 19
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 9
- 235000014121 butter Nutrition 0.000 claims description 6
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 claims description 6
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 claims description 6
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 6
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005553 drilling Methods 0.000 abstract description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 abstract description 2
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000003129 oil well Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
- E21B47/005—Monitoring or checking of cementation quality or level
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
- E21B47/007—Measuring stresses in a pipe string or casing
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
Abstract
一种套管‑水泥环界面应力监测装置及方法，其特征在于，装置包括由热电偶、加压阀门和卸压阀门形成的承压控温腔室，内套管与外套管环空形成的水泥环，压力接收装置、高精度传感器以及压力采集装置形成的套管‑水泥环界面应力监测系统组成，套管‑水泥环界面应力监测系统可直接测得水泥浆凝固期间以及水泥环形成后在不同工况变化下的套管‑水泥环界面受力情况，实现对套管‑水泥环界面在整个生命周期的应力监测。本发明适合于石油与天然气钻采工程技术领域。
Description
技术领域
本专利涉及石油与天然气钻采工程技术领域，具体是一种套管-水泥环界面应力监测装置及方法。
背景技术
随着我国勘探开发方向逐渐由深井向超深井转移，如何维持井筒完整性成为油气长期安全生产的关键。水泥环作为井筒中最为薄弱的环节，在高温高压的作用下，极易导致其完整性失效，造成水泥环连通、泄漏，引发持续的环空带压和井口抬升，严重威胁了油气井的安全生产，极大降低了油井安全服役寿命。
截止目前，国内外学者主要通过理论计算的方法计算套管-水泥环界面应力，包括初始界面应力以及后续由温度压力引发的界面附加应力等。而关于直接监测从水泥浆凝固至后续工况变化整个周期过程中套管-水泥环界面应力的实验装置及方法较为匮乏。专利CN202111261276提供了一种高温高压下水泥环界面初始接触应力测试实验装置及方法，其主要通过在套管外壁粘贴应变片的方法间接计算套管-水泥环界面应力，无法直接获得套管-水泥环界面在整个周期过程中的应力变化。
为此，为克服本发明针对目前在套管-水泥环界面应力难以直接、准确获取的技术难题，提出一种套管-水泥环界面应力监测装置及方法，该方法可直接准确获取水泥浆凝固过程以及模拟工况下的套管-水泥环界面应力演化特征，可为油气井固井力学性能、水泥环完整性及固井优化设计提供理论依据。
发明内容
本发明的目的是提供一种套管-水泥环界面应力监测装置及方法，兼顾保持测试装置完整性的同时，解决套管-水泥环界面应力直接监测的技术难题，该方法使用简单、成本低。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明提供一种套管-水泥环界面应力监测装置，其特征在于，装置包括承压控温腔室、内套管、环空、外套管、压力接收装置、高精度测力传感器、第一螺杆、挡板、压力采集装置、下端盖、密封圈、底座、上端盖、热电偶、热电偶控制系统、卸压阀门、加压阀门、水泥环、第一螺纹孔、环板、第二螺杆、环孔、第二螺纹孔、沉孔、传感器接线、圆孔、环槽、方槽；其中，承压控温腔室由内套管、下端盖、上端盖、热电偶、热电偶控制系统、卸压阀门和加压阀门组成，加压阀门用于控制承压控温腔室压力的加载，卸压阀门用于控制承压控温腔室压力的卸载，热电偶和热电偶控制系统用于承压控温腔室温度的控制；环空由内套管、外套管和密封圈组成，密封圈用于防止水泥浆泄漏。套管-水泥环界面应力监测系统由外套管、压力接收装置、高精度测力传感器、第一螺杆、挡板、第二螺杆组成，实现外套管与水泥环界面应力监测；环板与第二螺杆焊接形成压力接收装置，实现外套管与水泥环界面压力变化的实时感应；压力接收装置上的第二螺杆与高精度测力传感器内的第二螺纹孔连接，实现压力接收装置上的压力传递至高精度测力传感器；高精度测力传感器通过传感器接线与压力采集装置连接实现外套管与水泥环界面压力的显示；第一螺杆通过高精度测力传感器的沉孔与挡板上的第一螺纹孔连接实现高精度测力传感器的固定；底座含有圆孔、环槽、方槽，圆孔与环槽用于定位内套管和外套管，实现内套管在外套管内的居中；方槽用于固定挡板。
基于一种套管-水泥环界面应力监测装置，提出了一种监测套管-水泥环界面应力的方法，所述方法主要包括以下步骤：
步骤一：在环板侧面涂上黄油，保证与外套管内的环孔刚好匹配，防止注水泥浆从环板与环孔之间的间隙流出；
步骤二：组装实验设备，开启压力采集装置，校正高精度测力传感器；
步骤三：根据模拟工况，打开加压阀门和热电偶控制系统，将承压控温腔室的温度及压力升至养护温度及压力；
步骤四：根据现场实际需求，按照标准GB/T 19139-2012制备水泥浆，向环空浇筑水泥浆养护形成水泥环，实时监测水泥浆凝固过程中外套管与水泥环界面压力；
步骤五：水泥环养护成型后，根据模拟工况条件，利用卸压阀门、加压阀门和热电偶控制系统控制承压控温腔室内的温度和压力，实时监测水泥环在不同工况变化下的外套管与水泥环界面压力；
步骤六：模拟实验完成后，关闭加压阀门和热电偶控制系统，打开卸压阀门卸掉承压控温腔室的温度和压力；
步骤七：采集并保存监测数据；
步骤八：通过套管-水泥环界面压力监测数据，结合式σ＝F/A计算外套管与水泥环界面应力，公式中，σ为外套管与水泥环界面应力，Pa；F为监测的外套管与水泥环界面压力，N；A为环板的面积，m2。
本发明具有以下优点：
本发明可准确获取水泥浆在凝固过程中的套管-水泥环界面应力变化以及水泥环形成后在不同工况下的套管-水泥环界面应力演变规律；本发明测试方法简单，测试结果直接、准确，可为水泥环完整性及固井工程优化设计提供重要理论依据。
附图说明
图1是本发明的结构示意图一；
图2是本发明的结构示意图二；
图3是外套管示意图；
图4是压力接收器示意图；
图5是高精度测力传感器示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细的描述。
参见附图，本发明提供一种套管-水泥环界面应力监测装置，其特征在于，装置包括承压控温腔室1、内套管2、环空3、外套管4、压力接收装置5、高精度测力传感器6、第一螺杆7、挡板8、压力采集装置9、下端盖10、密封圈11、底座12、上端盖13、热电偶14、热电偶控制系统15、卸压阀门16、加压阀门17、水泥环18、第一螺纹孔19、环板20、第二螺杆21、环孔22、第二螺纹孔23、沉孔24、传感器接线25、圆孔26、环槽27、方槽28；其中，承压控温腔室1由内套管2、下端盖10、上端盖13、热电偶14、热电偶控制系统15、卸压阀门16和加压阀门17组成，加压阀门17用于控制承压控温腔室1压力的加载，卸压阀门14用于控制承压控温腔室1压力的卸载，热电偶14和热电偶控制系统15用于承压控温腔室1温度的控制；环空3由内套管2、外套管4和密封圈11组成，密封圈11用于防止水泥浆泄漏。套管-水泥环界面应力监测系统由外套管4、压力接收装置5、高精度测力传感器6、第一螺杆7、挡板8、第二螺杆21组成，实现外套管4与水泥环18界面应力监测；环板20与第二螺杆21焊接形成压力接收装置5，实现外套管4与水泥环18界面压力变化的实时感应；压力接收装置5上的第二螺杆21与高精度测力传感器6内的第二螺纹孔23连接，实现压力接收装置5上的压力传递至高精度测力传感器6；高精度测力传感器6通过传感器接线25与压力采集装置9连接实现外套管4与水泥环18界面压力的显示；第一螺杆7通过高精度测力传感器6内的沉孔24与挡板8上的第一螺纹孔19连接实现高精度测力传感器6的固定；底座12含有圆孔26、环槽27、方槽28，圆孔26与环槽27用于定位内套管2和外套管4，实现内套管2在外套管4内的居中；方槽28用于固定挡板8。
基于一种套管-水泥环界面应力监测装置，提出了一种监测套管-水泥环界面应力的方法，所述方法主要包括以下步骤：
步骤一：在环板20侧面涂上黄油，保证与外套管4内的环孔22刚好匹配，防止注水泥浆从环板20与环孔22之间的间隙流出；
步骤二：组装实验设备，开启压力采集装置9，校正高精度测力传感器6；
步骤三：根据模拟工况，打开加压阀门17和热电偶控制系统15，将承压控温腔室1的温度及压力升至养护温度及压力；
步骤四：根据现场实际需求，按照标准GB/T 19139-2012制备水泥浆，向环空3浇筑水泥浆养护形成水泥环18，实时监测水泥浆凝固过程中外套管4与水泥环18界面压力；
步骤五：水泥环18养护成型后，根据模拟工况条件，利用卸压阀门16、加压阀门17和热电偶控制系统15控制承压控温腔室1内的温度和压力，实时监测水泥环18在不同工况变化下的外套管4与水泥环18界面压力；
步骤六：模拟实验完成后，关闭加压阀门17和热电偶控制系统15，打开卸压阀门16卸掉承压控温腔室1的温度和压力；
步骤七：采集并保存监测数据；
步骤八：通过套管-水泥环界面压力监测数据，结合式σ＝F/A计算外套管4与水泥环18界面应力，公式中，σ为外套管4与水泥环18界面应力，Pa；F为监测的外套管4与水泥环18界面压力，N；A为环板20的面积，m2。
Claims (2)
1.本发明提供一种套管-水泥环界面应力监测装置，其特征在于，装置包括承压控温腔室(1)、内套管(2)、环空(3)、外套管(4)、压力接收装置(5)、高精度测力传感器(6)、第一螺杆(7)、挡板(8)、压力采集装置(9)、下端盖(10)、密封圈(11)、底座(12)、上端盖(13)、热电偶(14)、热电偶控制系统(15)、卸压阀门(16)、加压阀门(17)、水泥环(18)、第一螺纹孔(19)、环板(20)、第二螺杆(21)、环孔(22)、第二螺纹孔(23)、沉孔(24)、传感器接线(25)、圆孔(26)、环槽(27)、方槽(28)；其中，承压控温腔室(1)由内套管(2)、下端盖(10)、上端盖(13)、热电偶(14)、热电偶控制系统(15)、卸压阀门(16)和加压阀门(17)组成，加压阀门(17)用于控制承压控温腔室(1)压力的加载，卸压阀门(14)用于控制承压控温腔室(1)压力的卸载，热电偶(14)和热电偶控制系统(15)用于承压控温腔室(1)温度的控制；环空(3)由内套管(2)、外套管(4)和密封圈(11)组成，密封圈(11)用于防止水泥浆泄漏。套管-水泥环界面应力监测系统由外套管(4)、压力接收装置(5)、高精度测力传感器(6)、第一螺杆(7)、挡板(8)、第二螺杆(21)组成，实现外套管(4)与水泥环(18)界面应力监测；环板(20)与第二螺杆(21)焊接形成压力接收装置(5)，实现外套管(4)与水泥环(18)界面压力变化的实时感应；压力接收装置(5)上的第二螺杆(21)与高精度测力传感器(6)内的第二螺纹孔(23)连接，实现压力接收装置(5)上的压力传递至高精度测力传感器(6)；高精度测力传感器(6)通过传感器接线(25)与压力采集装置(9)连接实现外套管(4)与水泥环(18)界面压力的显示；第一螺杆(7)通过高精度测力传感器(6)内的沉孔(24)与挡板(8)上的第一螺纹孔(19)连接实现高精度测力传感器(6)的固定；底座(12)含有圆孔(26)、环槽(27)、方槽(28)，圆孔(26)与环槽(27)用于定位内套管(2)和外套管(4)，实现内套管(2)在外套管(4)内的居中；方槽(28)用于固定挡板(8)。
2.根据权利要求1所述的装置而提出一种监测套管-水泥环界面应力的方法，所述方法主要包括以下步骤：
步骤一：在环板(20)侧面涂上黄油，保证与外套管(4)内的环孔(22)刚好匹配，防止注水泥浆从环板(20)与环孔(22)之间的间隙流出；
步骤二：组装实验设备，开启压力采集装置(9)，校正高精度测力传感器(6)；
步骤三：根据模拟工况，打开加压阀门(17)和热电偶控制系统(15)，将承压控温腔室(1)的温度及压力升至养护温度及压力；
步骤四：根据现场实际需求，按照标准GB/T 19139-2012制备水泥浆，向环空(3)浇筑水泥浆养护形成水泥环(18)，实时监测水泥浆凝固过程中外套管(4)与水泥环(18)界面压力；
步骤五：水泥环(18)养护成型后，根据模拟工况条件，利用卸压阀门(16)、加压阀门(17)和热电偶控制系统(15)控制承压控温腔室(1)内的温度和压力，实时监测水泥环(18)在不同工况变化下的外套管(4)与水泥环(18)界面压力；
步骤六：模拟实验完成后，关闭加压阀门(17)和热电偶控制系统(15)，打开卸压阀门(16)卸掉承压控温腔室(1)的温度和压力；
步骤七：采集并保存监测数据；
步骤八：通过套管-水泥环界面压力监测数据，结合式σ＝F/A计算外套管(4)与水泥环(18)界面应力，公式中，σ为外套管(4)与水泥环(18)界面应力，Pa；F为监测的外套管(4)与水泥环(18)界面压力，N；A为环板20的面积，m2。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311297634.3A CN117307138A (zh) | 2023-10-09 | 2023-10-09 | 一种套管-水泥环界面应力监测装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311297634.3A CN117307138A (zh) | 2023-10-09 | 2023-10-09 | 一种套管-水泥环界面应力监测装置及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117307138A true CN117307138A (zh) | 2023-12-29 |
Family
ID=89249600
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311297634.3A Pending CN117307138A (zh) | 2023-10-09 | 2023-10-09 | 一种套管-水泥环界面应力监测装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117307138A (zh) |
-
2023
- 2023-10-09 CN CN202311297634.3A patent/CN117307138A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111504898B (zh) | 评价高温高压条件下水泥环界面胶结强度实验装置及方法 | |
| CN206233918U (zh) | 油气井水泥环密封完整性测试装置 | |
| CN107725030B (zh) | 地层水扰动下固井二界面养护及胶结质量评价装置及方法 | |
| CN2884196Y (zh) | 高温高压钻井液密度测量装置 | |
| CN203756119U (zh) | 一种用于模拟胶结测试的套管组件 | |
| CN106522923A (zh) | 油气井水泥环密封完整性测试装置及利用此装置进行评价的方法 | |
| CN204024635U (zh) | 一种油气井水泥环密封特性模拟测试装置 | |
| CN107167396A (zh) | 工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的评价装置及方法 | |
| CN201273190Y (zh) | 三轴应力多测压点岩心油藏模拟装置 | |
| CN111307690A (zh) | 一种油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置及其方法 | |
| CN114215505B (zh) | 一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法 | |
| CN210660065U (zh) | 一种高仿真固井胶结强度联合测试辅助装置 | |
| CN111795788A (zh) | 一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验装置及方法 | |
| CN210105843U (zh) | 高温高压气井水泥环密封完整性评价系统 | |
| CN203756155U (zh) | 一种固井胶结失效的评价装置 | |
| CN112832743A (zh) | 一种快测式水泥环完整性实验装置及评价方法 | |
| CN113756743B (zh) | 一种复杂温度压力条件下水泥环微观结构实验装置及测试方法 | |
| CN215339309U (zh) | 一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置 | |
| CN112878986B (zh) | 一种测试油气井水泥环-地层界面力学性能和密封性能的装置及方法 | |
| CN117307138A (zh) | 一种套管-水泥环界面应力监测装置及方法 | |
| CN111287732B (zh) | 一种油气井水泥环密封性能检测评价装置及评价方法 | |
| CN111300617B (zh) | 一种高温高压水泥石养护装置及水泥石的制备方法 | |
| CN114109362A (zh) | 油气井多开多胶结面固井水泥环性能评价装置及方法 | |
| CN215598651U (zh) | 一种油气井封隔器密封性能参数的测试装置 | |
| CN210243392U (zh) | 一种压缩式封隔器胶筒接触应力试验装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |