CN104405366B - 一种高温高压固井水泥环力学完整性测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高压固井水泥环力学完整性测试装置及方法，所述装置包括水泥环养护模具和测试工作平台，所述方法包括：(1)将内压套管置于左、右模具连接组成的中空柱体内，充满水泥浆，其上下端密封；(2)将水泥环养护模具养护后，取出水泥环和内压套管置于测试工作平台；(3)从环压入口向环压套和承压筒的环形空间内注入水，从内压入口向套管内注入水，控制温度在目标温度，调整环压和内压至目标压力，记录转子流量计的读数变化，在流量出现明显增加的时间点，说明水泥环力学完整性已经遭受破坏；(4)取出水泥环，观察并检测。本发明适用于水泥环在油气井后期生产过程中，模拟不同管柱结构下水泥环在高温高压环境中的损伤劣化。

Description

一种高温高压固井水泥环力学完整性测试装置及方法

技术领域

本发明涉及油气井工程固井领域水泥环力学完整性测试装置及方法，特别是涉及在高温高压条件下，能模拟水泥环遭受地层、套管复杂机械载荷和热应力双重冲击，并能动态测试其力学完整性的装置及方法。

技术背景

油气井固井是指钻井作业达到一定井深后，在井眼中下入套管，把水泥浆注入套管外环形空间来预定位置，使其在预定时间内迅速凝结、硬化，形成优质、完整、具有良好层间封隔能力的水泥环的过程。水泥环的形成主要是为了悬挂和保护套管，减少和延缓地层对套管的作用，延长套管的使用年限，它和套管共同起到层间封隔的作用。

然而，水泥环在井下的工作环境是非常恶劣的。如：套管在高温高压环境下膨胀，易造成水泥环径向破裂；套管试压，大规模强化开采措施，如射孔、酸化、压裂等后期作业均会对水泥环带来严重的应力冲击，当水泥环不能承受强制性的冲击，水泥环将有可能会破坏；储气库井是两用井，在城市用气处于淡季时用于注气，在用气旺季和高峰时用于采气，储气库井运行过程中，水泥环要承受注和采时所产生的交变应力作用和温度变化。提高固井水泥环力学完整性是指油气井整个使用生命周期内，其在复杂、恶劣、持续的载荷作用和热应力冲击下，保证其层间封固的能力。

因此，开展水泥环力学完整性测试研究是必要和有意义的。但是，有关水泥石的力学性能研究集中在单轴抗压强度的检测及分析，并将其作为主要的工程指标考察。近年来，随着固井工作者的认识发生变化，关于水泥环力学完整性的数理模型和评价装置研究已屡见不鲜。斯伦贝谢水泥环完整性评价软件(CemSTRESS)、道达尔水泥环完整性评价软件(SealWell)、哈里伯顿水泥环完整性评价软件(Analysis-Software DesignTool)，3款完整性评价软件通过输入力学性能参数，就能很好地再现水泥环在井下不同工况下的工作状态，评价水泥环的层间封固性能。国内，中海油研究总院和长江大学联合攻关，研发了一套水泥环性能模拟实验装置，该装置在简化压力、温度对水泥环的作用，重点研究胶结面剪切力，采用全尺寸，能较真实地模拟固井动态变化。西安石油大学***等研发了固井水泥环完整性模拟评价试验仪，能够测定不同条件下水泥石抗窜强度变化，以此评价水泥环的抗冲击韧性和封固可靠性。另外，为模拟水泥石在井下三向受力状态，常采用美国GCTS公司的三轴岩石应力测试***，测试水泥石三轴作用下的应力-应变变化曲线。

这些研究方法和手段都力图模拟水泥环在井下工况下的真实的受力状态，然而也存在大量的弊端。软件模拟数据是在大量的简化基础之上计算而得，数据的可靠性必须要通过等效物理实验来验证，各种水泥环完整性模拟器实际上只是对“石”的测定，并未实现“环”结构，但是这两者不同结构带来的受力状态有很大区别，更关键的是，基于实验设备和条件的限制，很少考虑水泥环在高温、高压和这两者变化对水泥环的应力冲击，也并未实现对水泥环力学完整性的量化评定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温高压固井水泥环力学完整性测试装置，该装置基于水泥环实际工作环境，能较真实地模拟地层温度压力和套管温度压力双重波动下对水泥环的冲击，温度上限300℃，环压(地层压力)上限70MPa，内压(套管压力)上限100MPa，克服了当前固井水泥环完整性研究的不足。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置进行高温高压固井水泥环力学完整性测试的方法，该方法可适用于水泥环在油气井后期生产过程中，模拟不同管柱结构下水泥环在高温高压环境中损伤劣化，通过高压气体穿过受伤水泥环，利用压力表“验窜”的方法来评价和量化完整性，即水泥环在试验过程中，对水泥环一端加气压，通过测定其两端的气体压差变化来评价其力学完整性。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

一种高温高压固井水泥环力学完整性测试装置，包括水泥环养护模具和测试工作平台。

所述水泥环养护模具主要由左、右模具和内压套管组成。

所述左、右模具可组成一个内部为圆形、外部为方形的中空柱体，内压套管位于中空柱体内，内压套管和中空柱体组成的环形空间内充满水泥浆，其上下端密封。

所述内压套管钢材为套管钢。将水泥环养护模具放入高温高压养护釜中养护至要求龄期，脱模，将水泥环和内压套管一同取出，得到“水泥环-内压套管”组合体。

所述测试工作平台包括测试主体和支架，测试主***于支架上，上下两端分别有上堵头和下堵头，所述测试主体主要由内压套管、水泥环、环压套、承压筒、加热带、环压泵、高压氮气瓶、内压泵组成，所述内压套管向外依次有水泥环、环压套、承压筒，所述承压筒有加热带，所述内压套管、水泥环、环压套分别有内压入口、验窜进口、环压入口，并通过下堵头，分别连接内压泵、高压氮气瓶、环压泵，所述内压泵、高压氮气瓶、环压泵均连有压力表，所述内压套管、水泥环、环压套通过上堵头，分别有内压出口、验窜出口、环压出口，所述验窜出口连接转子流量计。

所述加热带是由环形电阻丝加热元件和保温套组成，包覆于承压筒上，可对整套设备进行加温，温度控制***由数显表控制，加热速度快，拆卸方便。

所述承压筒材质为304不锈钢中空圆筒。

所述水泥环、内压套管是从水泥环养护模具中取出的“水泥环-内压套管”组合体。

所述环压套为氟橡胶套或薄金属套。其目的是模拟地层作用，与水泥环、内压套管共同构成“地层-水泥环-套管”组合体。

所述上堵头、下堵头材质为304不锈钢，尺寸与承压筒配套，目的是封闭“地层-水泥环-套管”组合体的测试***。

所述环压泵、内压泵均为加压***，可人工控制，也可计算机控制。

所述支架为是四脚梯形体不锈方钢钢架，目的是支撑和固定整个设备。

该装置还有环压管汇、内压管汇、泄压管汇、验窜管汇，均为能承压100MPa的不锈钢管线。

该装置还有连接构件和密封件，连接构件为螺纹、螺母、压环；密封件为垫片和O型圈，材质为聚四氟乙烯。

利用上述装置进行高温高压固井水泥环力学完整性测试的方法，依次包括以下步骤：

(1)将内压套管置于左、右模具连接组成的中空柱体内，将内压套管和中空柱体组成的环形空间内充满水泥浆，其上下端密封，得到水泥环养护模具；

(2)将水泥环养护模具放入高温高压养护釜中养护至要求龄期，脱模，将水泥环和内压套管一同取出，置于测试工作平台的测试主体中；

(3)用环压泵从环压入口向环压套和承压筒的环形空间内注入水，用内压泵从内压入口向套管内注入水，利用加热带加热，随温度增加，环压和内压均增加，控制温度在目标温度，通过环压泵调整环压至目标压力，利用内压泵控制内压至目标压力，持续一定时间，期间记录转子流量计的读数变化，在流量出现明显增加的时间点，说明水泥环力学完整性已经遭受破坏；

(4)取出水泥环，观察是否有裂纹及裂纹形式，并作微观检测。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)实现真正意义的高温高压。可模拟最高地层压力70MPa，最高内压100MPa，最高温度300℃时水泥环的受力状态。环压、内压、温度均可变化，真实再现油气井从钻井、开采、报废整个过程中试压、试采、压裂甚至循环注采等实际工况对水泥环的单独或综合应力作用的模拟，工艺范围涵盖整个井史。

(2)“环”结构的实现。利用水泥环预先养护成型模具，实现了水泥环结构，改变了常规测试中采用的水泥“石”结构，更加真实地反映了其受力状态，可探索水泥环的抗应力损伤失效机理。

(3)“验窜”检测手段的实现。水泥环的目的是层间封固，利用转子流量计测定水泥环两端的压力差，可实现定量分析水泥环的层间封固能力。

附图说明：

图1为高温高压固井水泥环力学完整性测试装置的测试工作平台结构示意图。

图中：1-上堵头 2-内压出口 3-验窜出口 4-环压出口 5-内压套管 6-水泥环 7-环压套 8-承压筒 9-加热带 10-下堵头 11-环压入口 12-验窜进口 13-内压入口 14-支架 15-环压泵 16-高压氮气瓶 17-内压泵 18-压力表一 19-压力表二 20-压力表三 21-转子流量计。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参看图1。

一种高温高压固井水泥环力学完整性测试装置，包括水泥环养护模具和测试工作平台。

所述水泥环养护模具由左、右模具和内压套管组成，所述左、右模具组成一个内部为圆形、外部为方形的中空柱体，内压套管位于中空柱体内，内压套管和中空柱体组成的环形空间内充满水泥浆，其上下端密封。

所述测试工作平台包括测试主体和支架，测试主***于支架14上，上下两端分别有上堵头1和下堵头10，所述测试主体主要由内压套管5、水泥环6、环压套7、承压筒8、加热带9、环压泵15、高压氮气瓶16、内压泵17组成，所述内压套管5向外依次有水泥环6、环压套7、承压筒8，所述承压筒有加热带9，所述内压套管、水泥环、环压套分别有内压入口13、验窜进口12、环压入口11，并通过下堵头10分别连接内压泵17、高压氮气瓶16、环压泵15，所述内压泵、高压氮气瓶、环压泵分别连有压力表三20、压力表二19、压力表一18，所述内压套管、水泥环、环压套通过上堵头1，分别有内压出口2、验窜出口3、环压出口4，所述验窜出口3连接转子流量计21。

(1)套管试压、试采、压裂对水泥环单一条件作用下水泥环的力学完整性测试：

套管试压、试采、压裂单一条件作用下的水泥环力学完整性测试，实验条件为独立事件，选取压裂条件进行测试，其他条件下的测试同理。

假设对应井段地层条件(温度110℃，压力65MPa)，压裂条件(温度150℃，压力100MPa)，管柱尺寸＝设备尺寸，固井后28d压裂。取现场水泥浆体系，按API规范配浆，倒入图1水泥环养护模具，置入高温高压养护釜养护28d，取出“水泥环-套管”组合体，置入高温高压固井水泥环力学完整性测试工作平台，环压套7为氟橡胶套。验窜进口12连入氮气，通气5MPa，验窜出口3连入转子流量计21监测流量变化；从环压入口11注入水，用泵打压5MPa，从内压入口13向套管内注水，用泵打压5MPa，利用加热带9加热，随温度增加，压力增加，通过温度控制器控制温度恒温110℃，通过环压泵15调整地层压力至65MPa；利用内压泵17控制套内压力至100MPa，持续3h。期间记录转子流量计21的读数变化，在流量出现明显增加的时间点，说明水泥环力学完整性已不同程度破坏，实验结束后，取出水泥环，观察是否有裂纹及裂纹形式，并作微观检测。

(2)储气库循环注采对水泥环的应力作用下力学完整性测试：

假设对应井段地层条件(温度70℃，压力50MPa)，固井14d后注气60MPa，温度70℃，半年后采气40MPa，温度70℃，循环30年，管柱尺寸＝设备尺寸。倒入水泥环养护模具，置入高温高压养护釜养护14d，取出“水泥环-套管”组合体，置入高温高压固井水泥环力学完整性测试工作平台，环压套7为氟橡胶套。验窜进口12连入氮气，通气5MPa，验窜出口3连入转子流量计监测流量变化；从环压入口11向釜体注入水，用泵打压5MPa，从内压入口13向套管内注水，用泵打压5MPa，利用加热带9加热，随温度增加，压力增加，通过温度控制器控制温度恒温70℃，通过环压泵15调整地层压力至60MPa；利用内压泵17控制套内压力至60MPa，持续3h，释放内压至0，模拟注气过程；3h后，利用内压泵将套内压力升至40MPa，持续3h，释放内压至0，模拟采气；注气、采气过程循环30次。整个过程，实验仪器不停机，持续实验，期间记录转子流量计的读数变化，在流量出现明显增加的时间点，说明水泥环力学完整性已不同程度破坏，实验结束后，取出水泥环，观察是否有裂纹及裂纹形式。

以上所述仅是本发明的几种实施方式而已，应当指出的是：相关技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高温高压固井水泥环力学完整性测试装置，包括水泥环养护模具和测试工作平台，其特征在于，所述水泥环养护模具由左、右模具和内压套管组成，所述左、右模具组成一个内部为圆形、外部为方形的中空柱体，内压套管位于中空柱体内，内压套管和中空柱体组成的环形空间内充满水泥浆，其上下端密封；所述测试工作平台包括测试主体和支架，测试主***于支架(14)上，上下两端分别有上堵头(1)和下堵头(10)，所述测试主体主要由内压套管(5)、水泥环(6)、环压套(7)、承压筒(8)、加热带(9)、环压泵(15)、高压氮气瓶(16)、内压泵(17)组成，所述内压套管(5)向外依次有水泥环(6)、环压套(7)、承压筒(8)，所述承压筒有加热带(9)，所述内压套管、水泥环、环压套分别有内压入口(13)、验窜进口(12)、环压入口(11)，并通过下堵头(10)分别连接内压泵(17)、高压氮气瓶(16)、环压泵(15)，所述内压套管、水泥环、环压套通过上堵头(1)，分别有内压出口(2)、验窜出口(3)、环压出口(4)，所述验窜出口(3)连接转子流量计(21)。

2.利用权利要求1所述的装置进行高温高压固井水泥环力学完整性测试的方法，依次包括以下步骤：

(1)将内压套管置于左、右模具连接组成的中空柱体内，将内压套管和中空柱体组成的环形空间内充满水泥浆，其上下端密封，得到水泥环养护模具；

(2)将水泥环养护模具放入高温高压养护釜中养护至要求龄期，脱模，将水泥环和内压套管一同取出，置于测试工作平台的测试主体中；

(3)用环压泵从环压入口向环压套和承压筒的环形空间内注入水，用内压泵从内压入口向套管内注入水，利用加热带加热，随温度增加，环压和内压均增加，控制温度在目标温度，通过环压泵调整环压至目标压力，利用内压泵控制内压至目标压力，持续一定时间，期间记录转子流量计的读数变化，在流量出现明显增加的时间点，说明水泥环力学完整性已经遭受破坏；

(4)取出水泥环，观察是否有裂纹及裂纹形式，并作微观检测。