CN107167396A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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。该装置包括测试主体和工作平台，工作平台有计算机，设有压力温度控制终端，测试主体包括支架和釜体，釜体中有模拟围岩‑水泥环‑套管组合体，并设有气体进出管路。该方法包括：将水泥灌入环形空间，候凝成环，形成模拟围岩‑水泥环‑套管组合体，根据不同井下工况，改变实验温度压力，应变片测量套管径向位移，周向位移计测量模拟围岩周向位移，在水泥环端面利用高压气体评价水泥环是否发生密封失效。本发明原理可靠，操作简便，能够更加真实地模拟钻井液循环、增产作业时大量低温流体注入井筒后温度瞬时降低过程对套管水泥环的影响，为研究井筒力学完整性提供了理论基础。

Description

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

技术领域

本发明涉及石油工程固井领域基于井筒工作液变化时温度骤变对井筒力学完整性影响的评价装置及方法。

背景技术

油气井固井作业是指水泥浆注入井下套管与地层之间的环形空间，在设计时间内凝结、固化，形成具有一定强度的水泥环的过程。水泥环在井下环境不单要承受地层流体的侵蚀，还要求在不同工况所造成的载荷下保证水泥环力学完整性，保障层间封隔。

随着目前钻进越来越深，水泥环在井下的服役环境也更加恶劣，高温高压的地层条件亦对水泥环各项性能提出了更高的要求。与此同时，套管内的温度压力变化也是造成水泥环完整性丧失的主要原因。钻进过程中，套管内钻井液密度变化以及井下施工作业可能造成的温度压力骤升骤降等情况；求产增产过程中，射孔、酸化、压裂等作业带来的温度与压力的共同载荷变化，会对水泥环完整性带来进一步的挑战；生产过程中，井筒内的高温高压流体持续流向地面，也会带来载荷冲击。

近年来，国内外诸多研究人员对固井水泥环封隔能力的研究不断深入，如专利“一种模拟温度变化引起固井胶结失效的方法”（CN 103808652A）能够模拟温度压力变化，研究温度压力循环加载情况下的水泥环胶结失效情况；“水泥环密封完整性实验装置”（SPE168321）可以模拟温度压力变化，同时能够模拟偏心，检测水泥环一二界面及本体是否发生密封失效，并借助CT扫描进行后续研究；专利“一种深水固井水泥环封隔性能测试装置”（CN103174409A），采用不同类型材料模拟不同地层，仪器配有应变片，用于测量水泥环应变，借以推算应力，通过改变套管内压，测试水泥环完整性；国内许多研究厂家也针对水泥环封隔能力设计了自己的产品，主要目的也是模拟井下温度压力条件，并检测水泥环在套管内压作用下是否发生力学失效。

上述测试装置及方法存在诸多不足之处，最显著的就是井筒温度变化的还原，虽然当前模拟装置均是以达到井下温度压力条件为目的，且在实验过程中能够通过操作改变压力温度并检测水泥环套管损伤，但是目前装置均是使整个釜体降温来达到改变温度的目的，而在实际作业中，井筒内工作液进行转换时，低温流体快速泵入，井筒内温度会瞬时降低，而该瞬时降温过程至少会造成井筒内20％的温度降低，同时地层温度则不会发生改变，这样在水泥环及套管之间就会存在一个瞬时的温度差，而当前研发的装置均未涉及。目前深井超深井，井下温度往往都能达到170℃，这一过程在井筒内至少会有35℃的瞬时降温，温度瞬时降低会形成一个相对低温且高压的井筒条件，高压会使套管水泥环组合体膨胀，但相对低温又会使套管水泥环组合体产生收缩，所以该井筒条件对套管水泥环的影响不容忽视，是否因此会造成套管损伤，水泥环脆性破坏，产生裂缝及微环隙等情况，成为一个急需研究和解决的重大课题。

发明内容

本发明的目的在于提供工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的评价装置，该装置依据几何相似、力学等效理论及材料性能相似的原理，模拟水泥环在井下的实际温度及压力环境，更加真实地模拟钻井液循环、增产作业时大量低温流体注入井筒后温度瞬时降低过程对套管水泥环的影响，为研究井筒力学完整性提供了理论基础。

本发明的另一目的在于提供利用上述装置评价工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的方法，该方法原理可靠，操作简便，实验过程一体化养护，可以动态测试水泥环及套管在实验周期内的变化，弥补了当前研究测试手段的不足，为固井水泥环封隔能力的研究提供了更多的数据支撑和理论依据。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的评价装置，将液态水泥灌入模拟围岩-套管间的环形空间，将养护温度压力调节至实验条件，候凝成环，从而形成模拟围岩-水泥环-套管组合体，根据不同井下工况，改变实验温度压力，同时选用应变片测量套管径向位移，采用周向位移计测量模拟围岩周向位移，在水泥环端面利用高压气体评价水泥环是否发生密封失效，该装置能够测试在高温高压条件下，套管内温度瞬时降低对套管变形的影响，同时还能在降温过程中改变套管内压，实时检测套管是否会发生损伤，检测水泥环在何种工况发生密封失效，判断实际作业中的温度压力载荷变化对套管水泥环的影响。

本发明更加真实地模拟钻井液循环、增产作业时大量低温流体注入井筒后温度瞬时降低过程对套管水泥环的影响，温度上限200℃，同时能够在短时间内使套管内温度下降至设定值，模拟温度瞬变。模拟围岩压力上限100MPa，模拟套管内压上限120MPa。

工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的评价装置，包括测试主体和工作平台。

所述工作平台有计算机，用于采集、整理、分析实验数据，计算机设有压力温度控制终端，用于增减压和升降温操作，可实时检测温度压力，自动恒温稳压。

所述测试主体包括支架、位于支架上的釜体，所述釜体为钢质中空圆筒，釜体壁外有金属外罩、保温层，釜体壁内有加热丝，釜体中从外向内依次为模拟围岩、环形空间、套管，模拟围岩连有周向位移计，向环形空间置入水泥浆，水泥浆养护形成水泥环后，釜体中形成模拟围岩-水泥环-套管组合体，套管内有应变片、温度传感器和冷凝管，所述周向位移计、应变片、温度传感器均连接计算机。

所述釜体有上釜盖、下釜盖：上釜盖、下釜盖与模拟围岩-水泥环-套管组合体端面接触部分为滤网、密封垫圈及偏心座，并设有气体进出管路，气体进出管路有气体进入通道和气体出口通道；釜体下部设有围压增降压阀门，上釜盖设有内压增降压阀门；气体进出管路、围压增降压阀门及内压增降压阀门均连接由计算机控制的压力泵；气体进入通道和气体出口通道分别连通水泥环上、下端面，气体进入通道连接氮气瓶，气体出口通道连接转子流量计，上釜盖还开有引线接口，温度传感器通过上釜盖的引线接口接出并连接计算机。

所述气体进出管路，在水泥环养护阶段用于施加水泥环上下端面养护压力，养护结束，实验工况改变之前，气体进入通道连接氮气瓶，气体出口通道连接气体流量计，用于测试水泥环发生密封失效后的气体窜通压力。

所述釜体壁内有加热丝，外部有保温层，实验时可由釜体加热，加热全程由计算机控制及检测，避免误差。

所述套管内部绕有冷凝管，并配有温度传感器，能够耐受低温，使套管内温度瞬时降低，达到实验要求。

所述冷凝管内流体可以选择冷凝水或液氮，根据实际施工时不同工作液的泵注速度，计算不同降温速率，选择不同冷凝液体，达到瞬时降温的目的。

所述上下釜盖采用不锈钢材质，尺寸与釜体匹配，达到密封“模拟围岩-水泥环-套管”组合体的目的。

所述模拟围岩为铝制合金，并镀有惰性金属层，可在还原实际地层地质参数的基础上避免铝与水泥的化学反应。

所述支架为四角梯形不锈钢钢架，目的是支撑测试主体。

所述装置的所有压力管汇均为能承受140MPa的不锈钢管线。

所述装置备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，材料为聚四氟乙烯。

本发明不仅可以模拟套管居中时高温高压条件下套管内温度骤降对水泥环完整性的影响，还可以在大肚子井眼、椭圆井眼、偏心、混浆、充填不均等模拟条件下进行实验，可根据实际情况调整装置内部结构，丰富了测试结构，研究的条件更加广泛。

本发明也可通过改变水泥环端面注入流体，分析腐蚀条件下温度瞬变对套管水泥环组合体的影响。

利用上述装置评价工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的方法，依次包括以下步骤：

(1)按照API规定配制所需水泥浆，灌入模拟围岩与套管的环形空间内，密封上釜盖，根据井下固井施工作业时的温度压力，通过相应等效模型换算成实验装置内的温度压力，确定养护条件及一系列实验工况；

(2)将水泥环上下端面的气体进入通道、气体出口通道连接至压力泵，通过计算机将釜体内的温度、套管内压、模拟围岩的围压以及水泥环端面压力调整至养护条件的温度压力，根据现场施工要求，在规定时间内候凝，养护硬化成环，形成模拟围岩-水泥环-套管组合体；

(3)将水泥环端面的气体进入通道连接氮气瓶，气体出口通道连接气体流量计，保持围压一定，根据实验工况改变套管内温度压力，当模拟的工况需要降温操作时，开启冷凝管，在计算机上设置参数，调节套管内温度，稳定一定时间后修改参数，继续实验，同时计算机实时采集套管内应变片测试的套管径向位移数据，以及周向位移计测试的模拟围岩周向位移数据，在计算机处理界面显示随套管内压力变化而造成的套管径向位移曲线、发生密封失效前水泥环的应力及应变曲线，通过气体流量计监测水泥环密封失效情况；

(4)取出模拟围岩-水泥环-套管组合体，做微观检测，检测水泥环内产生的微裂缝、一二界面处产生的微环隙，分析水泥环密封失效形式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)检测数据丰富，以往水泥环密封实验监测手段单一，以直观监测是否发生“气窜”为主，没有数据作为支撑，而本发明能够动态监测，随着压力变化、套管及模拟围岩的变形，得到套管内壁的径向位移后，依据理论模型可以得到在水泥环发生密封失效前的水泥环的应力及应变曲线，得到水泥环在井下条件下的本构方程，而以往曲线均是直接测试水泥石，与水泥石在井下环境的形态及服役环境不尽相同。

(2)能够模拟套管内工作液转换时的瞬时降温过程，以往测试装置虽然能够模拟高温高压环境，但是降温过程往往是釜体全部降温，与井下工况不符，在实际井下环境中，当一个施工工序完成，进行下一步施工时往往需要循环其他密度的工作液，而循环的工作液由井口泵入井底时会产生井底套管内的瞬间温度降落，套管水泥环骤冷，意味着套管及水泥环将面临高压下的收缩过程，本发明可模拟该过程并测试其对套管水泥环组合体的影响。

附图说明

图1为井筒工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的评价装置的釜体结构示意图。

图2为釜体内部的结构示意图。

图中：1-金属外罩；2-保温层；3-釜体；4-加热丝；5-围压增降压阀门；6-支架；7-温度传感器；8-引线接口；9-冷凝管；10-内压增降压阀门；11、13-气体进出管路；12-密封垫圈；14-模拟围岩；15-水泥环；16-周向位移计；17-套管；18-下釜盖；19-上釜盖；20-应变片；21-偏心座；22-计算机；23-压力泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

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。

参看图1、图2。

工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的评价装置，包括测试主体和工作平台，所述工作平台有计算机22，设有压力温度控制终端。

所述测试主体包括支架6、位于支架上的釜体3，所述釜体3为钢质中空圆筒，釜体壁外有金属外罩1、保温层2，釜体壁内有加热丝4，釜体中从外向内依次为模拟围岩14、环形空间、套管17，模拟围岩连有周向位移计16，向环形空间置入水泥浆，水泥浆养护形成水泥环15后，釜体中形成模拟围岩-水泥环-套管组合体，套管内有应变片20、温度传感器7和冷凝管9，所述周向位移计16、应变片20、温度传感器7均连接计算机22。

所述釜体有上釜盖19、下釜盖18，上釜盖、下釜盖与模拟围岩-水泥环-套管组合体端面接触部分为密封垫圈12及偏心座21，并设有气体进出管路11、13，气体进出管路有气体进入通道和气体出口通道；釜体下部设有围压增降压阀门5，上釜盖设有内压增降压阀门10；气体进出管路、围压增降压阀门及内压增降压阀门均连接由计算机控制的压力泵23；气体进入通道和气体出口通道分别连通水泥环15的上、下端面，气体进入通道连接氮气瓶，气体出口通道连接气体流量计，上釜盖还开有引线接口8，温度传感器7通过上釜盖的引线接口接出并连接计算机22。

利用上述装置评价工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的方法有很多种，下面逐一展开叙述：

（1）套管居中情况下井筒瞬时降温对套管水泥环组合体影响实验：

研究水泥环所处地层温度170℃，地层压力70MPa，将实际管柱尺寸按照几何模型等比例缩小至装置尺寸，组装仪器，开启计算机，准备灌入水泥浆，将现场应用水泥配方按API标准制备成浆，置入环形空间，密封仪器，按照固井时刻井筒内液柱压力通过模型换算成实验套管内压，通过PC端同时施加套管内压、围压及水泥环端面压力，调整养护温度，养护现场实际天数成环。根据后续实际工况，通过模型换算成实验工况，即保持“地层压力一定”改变“套管内压”，在计算机内输入改变的内压值以及稳压时间，并依据工况需要开启冷凝管，使套管内温度瞬时降低，同时检测套管应变，检查模拟围岩周向位移。套管内压力升高会导致套管膨胀，而套管内温度降低又会导致套管收缩，在高压低温环境下套管如何变形，可以通过应变片检测，同时若水泥环密封能力发生破坏，层间封隔失效，意味着水泥环端面的进气孔与出气孔之间会产生气体流窜通道，发生气体窜流的同时，气体流量计检测到气体读数变化。实验结束，取出“模拟围岩-水泥环-套管”组合体，进行微观检测，检测1、2界面胶结及水泥环本体损伤情况，进行下一步分析。

（2）套管偏心情况下井筒瞬时降温对套管水泥环组合体影响实验：

调整上下釜盖偏心座，根据实际情况近似选择66.7%、50%、33.3%的偏心度，同时调整套管内中空柱体内应变计的角度，配合套管偏心情况进行实验，后续实验过程与套管居中情况下相似，此处不多做赘述。

（3）大肚子井眼情况下井筒瞬时降温对套管水泥环组合体影响实验：

根据井下实际井眼构造制作模拟围岩，方法是将模拟围岩与水泥环接触壁面做成上下窄，中部宽的模式，而后按照正常工序进行试验。

（4）充填不均情况下考虑了套管-水泥环瞬时降温过程的水泥环封隔能力测试：

根据井下实际水泥环充填情况，在注水泥的环形空间内，不均匀地放入块状泡沫，而后灌入水泥浆进行试验。

（5）腐蚀条件下井筒瞬时降温对套管水泥环组合体影响实验：

按照方法（1）组装装置后，水泥环端面注气孔注入腐蚀气体继续实验，调节压力温度，模拟现场工况，检测水泥环是否发生密封失效；而后重复实验，不同的是端面注气孔注入非腐蚀性气体，检测水泥环是否发生密封失效，对比水泥环产生损伤的时刻即可判断不同流体的腐蚀对水泥环密封能力的影响。

Claims (2)

1.工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的评价装置，包括测试主体和工作平台，所述工作平台有计算机（22），设有压力温度控制终端，所述测试主体包括支架（6）、位于支架上的釜体（3），其特征在于，所述釜体（3）为钢质中空圆筒，釜体壁外有金属外罩（1）、保温层（2），釜体壁内有加热丝（4），釜体中从外向内依次为模拟围岩（14）、环形空间、套管（17），模拟围岩连有周向位移计（16），向环形空间置入水泥浆，水泥浆养护形成水泥环（15）后，釜体中形成模拟围岩-水泥环-套管组合体，套管内有应变片（20）、温度传感器（7）和冷凝管（9），所述周向位移计（16）、应变片（20）、温度传感器（7）均连接计算机（22）；所述釜体有上釜盖（19）、下釜盖（18），上釜盖、下釜盖与模拟围岩-水泥环-套管组合体端面接触部分为密封垫圈（12）及偏心座（21），并设有气体进出管路（11）、（13），气体进出管路有气体进入通道和气体出口通道；釜体下部设有围压增降压阀门（5），上釜盖设有内压增降压阀门（10）；气体进出管路、围压增降压阀门及内压增降压阀门均连接由计算机控制的压力泵（23）；气体进入通道和气体出口通道分别连通水泥环（15）的上、下端面，气体进入通道连接氮气瓶，气体出口通道连接气体流量计。

2.利用权利要求1所述的装置评价工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的方法，依次包括以下步骤：

（1）配制所需水泥浆，灌入模拟围岩与套管的环形空间内，密封上釜盖，确定养护条件；

（2）将气体进入通道、气体出口通道连接至压力泵，通过计算机将釜体内的温度、套管内压、模拟围岩的围压以及水泥环端面压力调整至养护条件的温度压力，在规定时间内候凝，养护硬化成环，形成模拟围岩-水泥环-套管组合体；

（3）将气体进入通道连接氮气瓶，气体出口通道连接气体流量计，保持围压一定，根据实验工况改变套管内温度压力，计算机实时采集套管内应变片测试的套管径向位移数据，以及周向位移计测试的模拟围岩周向位移数据，在计算机处理界面显示随套管内压力变化而造成的套管径向位移曲线、发生密封失效前水泥环的应力及应变曲线，通过气体流量计监测水泥环密封失效情况；

（4）取出模拟围岩-水泥环-套管组合体，做微观检测，检测水泥环内产生的微裂缝、一二界面处产生的微环隙，分析水泥环密封失效形式。