CN203299058U - 固井后期防气窜模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种固井后期防气窜模拟试验装置，包括承力拉杆、水泥环内管、水泥环外管和外壳，承力拉杆、水泥环内管、水泥环外管和外壳从内向外依次设置，承力拉杆与水泥环内管之间形成第一密封腔，承力拉杆内腔与第一密封腔连通，承力拉杆内腔与用于注入介质的第一连接孔连通；水泥环内管与水泥环外管之间形成第二密封腔，第二密封腔与用于注入介质的第二连接孔连通；水泥环外管与外壳之间形成第三密封腔，第三密封腔与用于注入介质的第三连接孔连通。本实用新型能全尺寸模拟水泥石的尺寸，全方位模拟水泥石受载荷情况，研究水泥石的密封完整性，便于采取针对性措施，改善水泥浆体系，有利于提高水泥石后期防气窜性能，从而提高固井质量。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种固井后期防气窜模拟试验装置，属于油气田固井作业工程模拟试验领域。
背景技术
固井探讨的气窜是指固井后因环空封固缺陷，气体从地层中穿过滤饼，侵入环空，窜至井口的一种现象。国内外资料统计表明，气窜是几乎所有天然气井都将面临的棘手难题。伴随天然气井开采时间的延长，国内天然气井环空气窜并带压日益严重。在塔里木、川渝、大庆庆深、吉林长深四大气区均出现了天然气井环空气窜并带压，其中以塔里木气区和川渝地区的环空带压尤为突出。固井后的环空气窜将破坏层间封隔，造成环空封固失效，导致气体窜至井口，严重时甚至可能发生井喷，对油气井安全生产造成巨大损害。
研究表明，发生气体泄漏的主要原因是后续施工作业过程中，水泥环密封完整性失效。开发水泥石后期防窜模拟试验装置成为解决气窜问题的关键。美国千得乐公司研发了FMA7150气窜评价仪，可模拟水泥浆失水与气窜过程，但仪器受结构（圆形筒非环形筒，不能真实模拟水泥石受管内压力及地层围压）及最高工作压力限制（最高工作压力10MPa）无法开展水泥石在高压力工况作用下防窜模拟试验。国内研制出了以OWC-0480型油井水泥失重与气窜评价仪为代表的模拟装置，主要通过同步试验分析水泥浆失重与气窜，结构与FMA7150气窜评价仪类似，同样无法分析水泥石后期密封性能。 大庆钻探公司2011年研制了套管水泥环结构完整性试验装置，可分析管内压力变化对水泥环完整性影响，但装置无法施加围压，不能模拟地层对水泥环的作用，无法科学评价水泥石后期防窜能力。
综上所述，国内防窜模拟仪器大部分是用于评价水泥浆防窜能力，而不能进行水泥石后期防窜模拟，其余装置虽可分析水泥石后期防窜能力，但井筒结构简单，不能施加围压，无法模拟地层对水泥石的作用，不能科学模拟水泥石后期防窜性能。
发明内容
本实用新型的目的在于针对现有水泥石密封完整性存在的上述不足，提供一种固井后期防气窜模拟试验装置，本实用新型能全尺寸模拟水泥石的尺寸，全方位模拟水泥石受载荷情况（包括管内压力及地层围压），研究水泥石的密封完整性，便于采取针对性措施，改善水泥浆体系，有利于提高水泥石后期防气窜性能，从而提高固井质量。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种固井后期防气窜模拟试验装置，其特征在于：包括承力拉杆、水泥环内管、水泥环外管和外壳，承力拉杆、水泥环内管、水泥环外管和外壳从内向外依次设置，承力拉杆与水泥环内管之间形成第一密封腔，承力拉杆内腔与第一密封腔连通，承力拉杆内腔与用于注入介质的第一连接孔连通；水泥环内管与水泥环外管之间形成第二密封腔，第二密封腔与用于注入介质的第二连接孔连通；水泥环外管与外壳之间形成第三密封腔，第三密封腔与用于注入介质的第三连接孔连通。
所述水泥环外管与外壳之间的两端分别设置有第一密封环，水泥环内管与水泥环外管之间的两端分别设置有第二密封环，水泥环内管与承力拉杆之间的两端分别设置有第三密封环，上端的第二密封环上设置有两个用于注入介质的第二连接孔，下端的第二密封环上设置有一个用于注入介质的第二连接孔。
所述水泥环内管、水泥环外管和外壳的长度相同，上端设置有上盖板，下端设置有下底板。
所述承力拉杆的长度大于水泥环内管，承力拉杆两端分别穿过上盖板和下底板，承力拉杆上端设置有上堵头，下端设置有下堵头，第一连接孔为两个，且设置在上堵头上。
所述承力拉杆为空心管，承力拉杆上设置有旁通孔，承力拉杆内腔通过旁通孔与第一密封腔连通。
所述第三连接孔为两个，分别设置在外壳上端和下端。
采用本实用新型的优点在于：
一、本实用新型的水泥环内管能全尺寸模拟固井套管，水泥环外管能全尺寸模拟固井上层套管或岩层，实现水泥环全尺寸模拟固井水泥环。
二、本实用新型中，水泥环内管与水泥环外管之间的上下两端分别设置有第二密封环，形成第二密封腔，第二密封环上分别设置有螺纹连接孔即的第二连接孔，可通过第二连接孔给密封腔内注水泥，实现模拟憋压侯凝，注液体或气体，检验水泥石后期防窜性能。
三、本实用新型中，承力拉杆与水泥环内管之间的上下两端设置有第三密封环形成第一密封腔，承力拉杆上开有旁通孔，沟通与承力拉杆与水泥环内管之间的第一密封腔；上堵头上设置有螺纹连接孔即第一连接孔，可通过第一连接孔给腔体内打压，实现模拟固井后期试压及其它生产作业造成的管内液压变化。
四、本实用新型中，水泥环外管与外壳之间的上下两端分别设置有第一密封环，形成第三密封腔，外壳上设置有一个螺纹连接孔即第三连接孔，可通过第三连接孔给腔体内打压，实现模拟地层的围压。
五、本实用新型中，在注入的水泥浆凝固后、模拟试压后、模拟完井作业后的各个时期，水泥环内管与水泥环外管可整体取出，剖开，直观察看水泥石的详细情况。
六、本实用新型中，水泥环内管与水泥环外管之间形成密封腔，上下两端有第二密封环，并分别设置有两个和一个螺纹连接孔，通过上部两个螺纹连接孔可以注入水泥，模拟憋压侯凝，通过下部螺纹连接孔可注气体验窜。
七、本实用新型中，承力拉杆中部有旁通孔，可沟通水泥环内管，形成密封腔，通过上堵头的螺纹连接孔，可给腔体内打压、泄压及循环打压，模拟管内憋压候凝、固井后期试压、钻井液密度降低、交变载荷等工况。
八、本实用新型可通过上堵头的螺纹连接孔、第二密封环顶部螺纹连接孔、外壳上螺纹连接孔施加液压并可改变加载方式，模拟憋压候凝、管柱试压、井内钻井液密度降低、环空试压、交变载荷等工况，并在模拟结束后开展气窜实验，实验结束后，将水泥环整体进行解剖，分析截面处水泥环是否形成裂缝。
综上所述，该装置结构简单，操作方便，能全尺寸模拟固井井筒，全面模拟固井侯凝、后期试压和完井作业水泥石承受的载荷，能检验水泥石的后期防窜性能，剖开能观看水泥石的结构，真实模拟井下工况，方法科学，结论准确，能有效指导水泥浆体系设计，对提高固井质量具有重要意义。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图
图中标记为：1、上堵头，2、承力拉杆，3、上盖板，4、第一密封环，5、第二密封环6、第三密封环，7、水泥环内管，8、水泥环外管，9、外壳，10、下底板，11、下堵头。
具体实施方式
实施例1：
一种固井后期防气窜模拟试验装置，包括承力拉杆2、水泥环内管7、水泥环外管8和外壳9，承力拉杆2、水泥环内管7、水泥环外管8和外壳9从内向外依次设置，承力拉杆2与水泥环内管7之间形成第一密封腔，承力拉杆内腔与第一密封腔连通，承力拉杆内腔与用于注入介质的第一连接孔连通；水泥环内管与水泥环外管之间形成第二密封腔，第二密封腔与用于注入介质的第二连接孔连通；水泥环外管与外壳之间形成第三密封腔，第三密封腔与用于注入介质的第三连接孔连通；前述连接孔均为螺纹连接孔。
所述水泥环内管7、水泥环外管8和外壳9的长度相同，上端设置有上盖板3，下端设置有下底板10。
所述承力拉杆2的长度大于水泥环内管7，承力拉杆2两端分别穿过上盖板3和下底板10，承力拉杆2上端设置有上堵头1，下端设置有下堵头11，第一连接孔为两个，且设置在上堵头1上。
以下对本实用新型做进一步说明：
作为本实用新型的较佳实施方式，本实用新型主要包括：上堵头1、承力拉杆2、上盖板3、第一密封环4、第二密封环5、第三密封环6、水泥环内管7、水泥环外管8、外壳9、下底板10、下堵头11。
本实用新型中，承力拉杆2、水泥环内管7、水泥环外管8、外壳9从内向外依次安装。所述承力拉杆2与水泥环内管7之间的上下两端、水泥环内管7与水泥环外管8之间的上下两端、水泥环外管8与外壳9之间的上下两端分别设置有第三密封环6、第二密封环5、第一密封环4。
所述上盖板3位于承力拉杆2上部，且位于水泥环内管7、水泥环外管8、外壳9的上端，上堵头1通过螺纹连接在承力拉杆2的上端。
所述下底板10位于承力拉杆2的下部，且位于水泥环内管7、水泥环外管8、外壳9的下端，下堵头11通过螺纹连接在承力拉杆2的下端。
所述承力拉杆2为空心管，管体上开有旁通孔。所述上堵头1上设置有两个螺纹连接孔。所述两个第二密封环5上分别设置有螺纹连接孔。所述外壳9上设置有螺纹连接孔。
这样的结构形式，水泥环内管7能全尺寸模拟固井套管，水泥环外管8能全尺寸模拟固井上层套管或岩层，从而准确模拟固井井筒和固井水泥环。水泥环内管7与水泥环外管8之间形成密封腔，通过第二密封环5上的螺纹连接孔可以注入水泥，模拟憋压侯凝，注气体验窜。承力拉杆2与水泥环内管7之间密封腔，通过上堵头1的螺纹连接孔，可给腔体内打压，模拟固井后期试压。水泥环外管8与外壳9之间的密封腔，可通过外壳9上螺纹连接孔给腔体内打压，模拟地层围压。同时，在注入的水泥凝固后、模拟试压后、模拟完井作业后的各个时期，水泥环内管与水泥环外管可整体取出，剖开，直观察看水泥石的详细情况。
实施例2
本实用新型的另一较佳实施方式，模拟水泥环憋压候凝。按图1将本实用新型组装好，然后堵住下部第二密封环5上的螺纹连接孔，通过上部第二密封环5上的螺纹连接孔注入水泥浆，注满水泥环内管7和水泥环外管8的环空，再通过上部第二密封环5上的螺纹连接孔憋压，进行模拟水泥环憋压候凝。
实施例3
本实用新型的另一较佳实施方式，模拟水泥环管内憋压候凝。按图1将本实用新型组装好，然后堵住下部第二密封环5上的螺纹连接孔，通过上部第二密封环5上的螺纹连接孔注入水泥浆，注满水泥环内管7和水泥环外管8的环空，再通过上部第二密封环5上的螺纹连接孔憋压，通过上堵头1的螺纹连接孔向水泥环内管7内憋压，从而进行模拟水泥环内管憋压候凝。
实施例4
本实用新型的另一较佳实施方式，模拟管柱试压。水泥凝固后，可根据需求通过外壳9上螺纹连接孔对水泥环外管8与外壳9的环空憋压，模拟地层围压，然后通过上堵头1的螺纹连接孔给水泥环内管7憋压，压力逐步升高至设定值，模拟试压过程管内液压。模拟结束后，通过第二密封环5上的螺纹连接孔给水泥环内管7和水泥环外管8环空底部施加气压，气压逐步升高，若发生气窜则结束实验。
实施例5
本实用新型的又一较佳实施方式，模拟井内钻井液密度降低。水泥浆凝固后，可根据需求通过外壳9上螺纹连接孔对水泥环外管8与外壳9的环空憋压，模拟地层围压，然后通过上堵头1的螺纹连接孔给水泥环内管7憋压至设定值，再通过上堵头1的螺纹连接孔逐步降低管内液压，模拟井内钻井液密度降低。
实施例6
本实用新型的又一较佳实施方式，模拟井内作业交变载荷的影响。水泥浆凝固后，可根据需求通过外壳9上螺纹连接孔对水泥环外管8与外壳9的环空憋压，模拟地层围压，可根据需求通过外壳9上螺纹连接孔对水泥环外管8与外壳9的环空憋压，模拟地层围压，然后通过上堵头1的螺纹连接孔给水泥环内管7循环加压、泄压，模拟井内作业交变载荷。
实施例7
本实用新型的又一较佳实施方式，模拟环空试压。水泥环凝固后，可根据需求通过外壳9上螺纹连接孔对水泥环外管8与外壳9的环空憋压，模拟地层围压，然后通过第二密封环5顶部螺纹连接孔憋压，模拟环空试压。
实施例8
本实用新型的再一较佳实施方式，在实施例2～实施例7的任一模拟实验过程中或结束后，可通过上部第二密封环5上的螺纹连接孔给水泥环内管7和水泥环外管8环空底部施加气压，气压逐步升高，通过下部第二密封环5上的螺纹连接孔进行气体检测，若检测到气体溢出，说明水泥环发生了气窜，从而采取针对性措施，提高水泥环后期防窜性能。
实施例9
本实用新型的再一较佳实施方式，在实施例2～实施例8的任一模拟实验结束后，可拆开装置，整体取出水泥环内管7、水泥环外管8及水泥环剖开，直观研究水泥环的内部缺陷、破坏形式，便于采取针对性措施，增强水泥石的完整性，提高水泥环后期防窜性能。
Claims (5)
1.一种固井后期防气窜模拟试验装置，其特征在于：包括承力拉杆（2）、水泥环内管（7）、水泥环外管（8）和外壳（9），承力拉杆（2）、水泥环内管（7）、水泥环外管（8）和外壳（9）从内向外依次设置，承力拉杆（2）与水泥环内管（7）之间形成第一密封腔，承力拉杆内腔与第一密封腔连通，承力拉杆内腔与用于注入介质的第一连接孔连通；水泥环内管（7）与水泥环外管（8）之间形成第二密封腔，第二密封腔与用于注入介质的第二连接孔连通；水泥环外管（8）与外壳（9）之间形成第三密封腔，第三密封腔与用于注入介质的第三连接孔连通。
2.根据权利要求1所述的固井后期防气窜模拟试验装置，其特征在于：所述水泥环外管（8）与外壳（9）之间的两端分别设置有第一密封环（4），水泥环内管（7）与水泥环外管（8）之间的两端分别设置有第二密封环（5），水泥环内管（7）与承力拉杆（2）之间的两端分别设置有第三密封环（6），上端的第二密封环上设置有两个用于注入介质的第二连接孔，下端的第二密封环上设置有一个用于注入介质的第二连接孔。
3.根据权利要求1或2所述的固井后期防气窜模拟试验装置，其特征在于：所述水泥环内管（7）、水泥环外管（8）和外壳（9）的长度相同，上端设置有上盖板（3），下端设置有下底板（10）。
4.根据权利要求3所述的固井后期防气窜模拟试验装置，其特征在于：所述承力拉杆（2）的长度大于水泥环内管（7），承力拉杆（2）两端分别穿过上盖板（3）和下底板（10），承力拉杆（2）上端设置有上堵头（1），下端设置有下堵头（11），第一连接孔为两个，且设置在上堵头（1）上。
5.根据权利要求1、2或4所述的固井后期防气窜模拟试验装置，其特征在于：所述承力拉杆（2）为空心管，承力拉杆（2）上设置有旁通孔，承力拉杆内腔通过旁通孔与第一密封腔连通。
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