CN114033360A - 一种全生命周期井筒密封完整性评价装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全生命周期井筒密封完整性评价装置及方法，所述评价装置包括油管温压模拟组件、油套环空温压模拟组件、地层围压模拟组件、套管水泥环地层组合体制备组件、窜漏特性检测组件、数据监控***。本发明可实现油气井生产作业过程中油管和套管温度、压力、流体相变、振动、鼓胀、变形等状态的交变模拟，可实现井周地层温度、压力以及非均匀地应力的交变模拟，可快速完成水泥浆体系的罐装、套管水泥环地层组合体的固化养护和制备，通过模拟井筒复杂交变载荷对水泥环的损伤作用，实时智能监测水泥环窜漏压力，测试油气井全生命周期各类生产作业工况水泥环临界窜漏压力曲线，对井筒密封完整性进行评价，为井筒保障措施的制订提供技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及矿业开采技术领域，特别涉及一种全生命周期井筒密封完整性评价装置及方法。
背景技术
随着油气勘探开发力度的持续加大，固井作业面临深井超深井、高温高压井、注采井、地热井等极端苛刻井筒工况，固井作业本身是一次性工程作业，水泥浆体系固化后，与套管、井壁地层岩石固结形成套管水泥环地层组合体，其目的在于提供良好的油气流通道，防止油气资源和能量散失以及套管外部油、气、水互窜，支撑保护套管，满足全生命周期生产作业及开发方案要求；具有井下不可见、出问题难补救、影响因素复杂等特点；若井筒封固质量难以满足后续酸化、压裂、分层注水、分层开采等系列生产作业要求，将引发后续开发方案无法执行，甚至面临井筒密封完整性风险和巨大经济损失。
极端苛刻井筒工况固井作业过程中井筒温度场压力场范围宽、温压波动大，极易影响水泥浆体系固化质量，复杂井眼轨迹导致水泥浆体系无法完全充满待封固的油套管环形空间，套管居中度不足、偏心导致局部井段水泥环缺失，地层吸水性较高导致水泥浆体系凝固期间失水量大而影响固井质量；同时该组合体将在全生命周期承受地层及各类生产作业工况的影响，如水泥环受到地层流体侵蚀、套管鼓胀效应、油套管环形空间压力波动等因素的直接影响，此外还受到油管温度、压力、流体相变、振动、鼓胀、变形等生产作业状态以及井周地层岩石非均匀地应力等因素的间接影响，在上述直接因素和间接因素的影响作用下，井筒密封完整性影响因素众多、各影响因素之间存在关联性，且不同生产作业工况井筒密封完整性面临风险有所不同。
综上所述，极端苛刻井筒工况全生命周期井筒密封完整性评价在理论和工程方面具有极其重要的价值，但缺乏***可靠、适用于各类作业工况的室内评价装置和方法，导致井筒密封完整性评价结果与工程实际的贴合度不够，严重影响深井超深井、高温高压井、注采井、地热井等极端苛刻井筒工况水泥浆体系的优选、固井质量提升以及井筒密封完整性保障措施的制订。
目前，将全生命周期井筒密封完整性评价方法分解为各类井筒工况的套管水泥环地层组合体封隔能力评价，实现套管压力、地层围压以及压裂、试采、注采工况条件下的套管水泥环地层组合体密封完整性评价，使用小尺寸套管试样模拟井筒套管，使用橡胶胶套、相同岩性的岩石等代替地层岩石，室内模拟评价套管水泥环地层组合体的封隔能力；或采用在套管和地层岩石中布置验窜管线的方式，分别测试套管与水泥环所形成的固井I界面、水泥环与地层岩石所形成的固井II界面的封隔能力，但上述模拟评价结果与井筒实际生产作业工况吻合度不够，未综合考虑各个作业工况条件下井筒屏障部件的关联性影响，评价结果不足以确保实际井筒在该生产作业工况条件下水泥环封隔能力满足要求，使得室内评价结果往往与实际井筒固井质量存在一定差距，导致极端苛刻井筒在全生命周期的某一个生产作业过程中易出现固井质量和水泥环封隔质量不足、井筒密封完整性面临风险的工程难题。
现有常规井筒密封完整性评价方法存在以下不足：
(A)因室内评价方法及装置结构缺陷，无法精细化模拟评价油套管、环形空间和地层温压交变，油套管鼓胀效应、振动作用、流体相变、循环交变载荷等井筒屏障的关联性对其密封完整性的***性影响；
(B)套管、水泥环和地层组合体承受载荷、循环交变温压作用等实验参数与实际井筒工况存在差异，密封完整性评价结果对极端苛刻井筒工况适用性不够；
(C)不能模拟测试井筒在各类生产作业工况条件下的窜漏压力，无法得到全生命周期井筒密封完整性及临界窜漏压力。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种全生命周期井筒密封完整性评价装置及方法。
本发明的技术方案如下：
一方面，提供一种全生命周期井筒密封完整性评价装置，包括油管温压模拟组件、油套环空温压模拟组件、地层围压模拟组件、套管水泥环地层组合体制备组件、窜漏特性检测组件、以及监控***；
所述油管温压模拟组件包括依次相连形成回路的油管、油管增压泵、升温降温循环装置，所述油管的流出口与所述油管增压泵的输入端相连；所述升温降温循环装置的输出端与所述油管的流入口相连，且相连的管道上设有由所述升温降温循环装置向所述油管方向流通的油管阀；所述油管内设有油管温压传感器；
所述油套环空温压模拟组件包括套管和增压泵，所述套管与所述油管同轴设置，且通过密封使所述套管的内表面与所述油管的外表面之间形成油套环形空间，所述增压泵通过油套环形空间压力管线与所述油套环形空间相连通，且所述油套环形空间压力管线上设有油套环形空间阀，所述油套环形空间内设有油套环形空间温压传感器；
所述地层围压模拟组件包括高压筒、加热套、高压筒堵头、地层围压管线，所述加热套套设在所述高压筒外表面，所述高压筒与所述套管同轴设置，且通过所述高压筒堵头使所述高压筒的内表面与所述套管的外表面之间形成密闭空间，所述地层围压管线的一端与所述密闭空间相连通，另一端与所述增压泵相连，且所述地层围压管线上设有地层围压阀，所述密闭空间内设有地层温压传感器；
所述套管水泥环地层组合体制备组件设置在所述密闭空间内，包括地层岩心、密封套、上岩心堵头、下岩心堵头、组合体紧固件，所述密封套套设在所述地层岩心外表面，所述地层岩心与所述套管同轴设置，且所述地层岩心的内表面与所述套管的外表面之间形成水泥环空间，通过向所述水泥环空间注入水泥浆体系固化形成水泥环，所述上岩心堵头和所述下岩心堵头的底部均设有压力槽，且所述压力槽与所述水泥环空间相通，所述下岩心堵头的压力槽通过压力检测入口管线与所述增压泵相连，且所述压力检测入口管线上依次设有验窜压力传感器和验窜阀；所述上岩心堵头的压力槽通过压力检测出口管线与窜漏压力传感器相连；所述组合体紧固件用于将水泥环、地层岩心、密封套、上岩心堵头、以及下岩心堵头形成的整体固定在所述套管上，避免所述整体在所述套管上滑动；
所述窜漏特性检测组件包括所述压力检测入口管线、压力检测出口管线、压力槽、增压泵、验窜压力传感器、窜漏压力传感器、验窜阀、监控***，实现水泥环临界窜漏压力的实时监测；
所述监控***分别与所述油管温压传感器、油套环形空间温压传感器、地层温压传感器、验窜压力传感器、窜漏压力传感器相连，实现各组件温压条件的实时监控和数据曲线记录。
作为优选，所述密封套为铜套。
作为优选，所述铜套采用紫铜制成。
作为优选，所述套管与所述油管之间、所述套管与所述高压筒堵头之间、所述高压筒堵头与所述高压筒之间、所述上岩心堵头与所述套管之间、以及所述下岩心堵头与所述套管之间均通过法兰和螺栓连接。
作为优选，通过法兰相连的各部件之间设有密封组件。
作为优选，所述组合体紧固件包括密封套固定法兰、组合体拉紧法兰、拉杆、密封套岩心堵头密封组件、拉紧法兰岩心堵头密封组件、拉紧法兰密封法兰、拉紧法兰密封法兰螺栓、组合体拉紧法兰螺栓，所述拉杆的一端穿过所述整体顶部的组合体拉紧法兰通过所述组合体拉紧法兰螺栓紧固，另一端穿过所述整体底部的组合体拉紧法兰通过所述组合体拉紧法兰螺栓紧固。
作为优选，还包括加热装置，所述加热装置设置在所述油管内。
另一方面，还提供一种全生命周期井筒密封完整性评价方法，采用上述任意一项所述的全生命周期井筒密封完整性评价装置进行评价，包括以下步骤：
S1：根据目标井的目标井段井筒参数和工况条件，设计所述评价装置的尺寸参数，得到目标井段的评价装置；根据目标井的生产作业井史资料，分析所述目标井全生命周期的作业工况，确定各作业工况作业所带来的油管、油套环形空间和地层的温度、压力大小及波动情况，确定油管和油套环形空间中流体组分、气液多相流状态、临界态的转变条件，确定地层压力及其在各作业工况条件下的波动情况；
S2：对所述评价装置进行试压，确认所述评价装置的耐温性能、承压性能、密封性能满足所述目标井段的实验要求；确定所述评价装置各组件的温压交变、流体相变和实验周期参数；
S3：根据所述目标井段的实际固井工况条件，通过加热套控制油管、套管及地层岩石温度，在油管和套管中加入井筒工作液，模拟固井工况油管、套管及地层岩石的稳态热传递状态；通过油管增压泵、升温降温循环装置、油管温压传感器控制油管内部温度和压力，通过增压泵、油套环空温压传感器、油套环形空间阀控制油套环形空间的温度和压力，通过加热套、增压泵、地层温压传感器、地层围压阀控制地层温度和压力，稳定保持各组件的平衡状态，向所述水泥环空间内注入水泥浆体系，直至所述水泥浆体系固化、固井作业周期结束，完成套管水泥环地层组合体的固化；
S4：根据步骤S1和步骤S2确定的生产作业工况条件，通过加热套控制油管、套管及地层岩石温度，在油管中通入生产作业工况下的气液相介质，在套管中通入环空保护液或井筒工作液，通过油管增压泵、升温降温循环装置、油管温压传感器、油管阀控制油管内部温度、压力、流体相变、振动、鼓胀、变形状态的交变模拟；通过增压泵、油套环空温压传感器、油套环形空间阀控制油套环形空间的温度、压力、流体相变、振动、鼓胀、变形状态的交变模拟；通过加热套、增压泵、地层温压传感器、地层围压阀控制地层温度压力以及井周地应力的交变模拟；通过监控***记录和控制各组件的数据曲线，直至生产作业周期结束，完成套管水泥环地层组合体的交变养护；
S5：在生产作业过程中的任意时间，通过压力检测入口管线、增压泵、验窜压力传感器、验窜阀沿套管水泥环地层组合体下部施加设定压力，同时通过压力检测出口管线、窜漏压力传感器、监控***实时监控套管水泥环地层组合体上部的窜漏压力曲线，测得固井完成后对应生产作业工况条件下套管水泥环地层组合体的实时窜漏压力曲线；
S6：重复步骤S3-S5，获得所述目标井各类生产作业工况下套管水泥环地层组合体的窜漏压力曲线；
S7：综合各生产作业工况条件下的套管水泥环地层组合体窜漏压力曲线，结合套管水泥环地层组合体下部验窜压力大小、窜漏至上部的压力大小及其内部窜漏通道情况，分析判断步骤S3中注入的水泥浆体系是否满足所述目标井全生命周期各个生产作业工况的密封完整性和临界窜漏压力要求：
若满足，则该井水泥浆体系、固井工况、生产作业工况符合全生命周期井筒密封完整性要求；
若不满足，则优化井筒密封完整性设计参数，重复步骤S1-S7，直至水泥环临界窜漏压力满足全生命周期井筒密封完整性的要求。
作为优选，对以热采井、地热井或高温高压井作为目标井进行评价时，步骤S4中，对所述油管进行加热时，可在油管中***加热装置，模拟油管、套管及地层岩石处于非稳态热传递状态。
作为优选，步骤S7中，优化井筒密封完整性设计参数的方式通过优化水泥浆体系、优化设计固井工况、优化调整生产作业参数中的任意一种或多种实现。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明可精细化模拟极端苛刻井筒油管、套管、环形空间和地层温压循环交变，油套管鼓胀效应、振动作用、流体相变、循环交变载荷等井筒屏障的关联性对其密封完整性的***性影响；
2、本发明可根据实际井筒工况套管水泥环地层组合体承受载荷、循环交变温压作用调整实验参数，更适用于模拟极端苛刻井筒工况；
3、本发明可通过模拟测试油气井在全生命周期各类生产作业工况条件下的窜漏压力曲线，分析评价全生命周期范围内井筒密封完整性及临界窜漏压力，为水泥浆体系优选、固井参数优化和井筒密封完整性保障措施制订提供实验方法和数据支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明全生命周期井筒密封完整性评价装置的一个具体实施例结构示意图；
图2为图1的A-A截面剖视示意图。
图中标号：1-油管、2-套管、3-水泥环、4-地层岩石、5-密封套、6-岩心堵头、7-套管岩心堵头密封组件、8-铜套固定法兰、9-组合体拉紧法兰、10-拉杆、11-密封套岩心堵头密封组件、12-拉紧法兰岩心堵头密封组件、13-拉紧法兰密封法兰、14-拉紧法兰密封法兰螺栓、15-组合体拉紧法兰螺栓、16-套管岩心堵头密封法兰、17-套管岩心堵头密封法兰螺栓、18-高压筒、19-高压筒堵头、20-高压筒堵头密封组件、21-高压筒堵头法兰、22-高压筒堵头螺栓、23-高压筒堵头法兰密封组件、24-高压筒堵头法兰密封法兰、25-高压筒堵头法兰密封法兰螺栓、26-高压筒堵头岩心堵头密封组件、27-高压筒堵头岩心堵头密封法兰、28-高压筒堵头岩心堵头密封螺栓、29-套管密封组件、30-套管法兰、31-套管法兰螺栓、32-套管法兰密封组件、33-套管法兰密封法兰、34-套管法兰密封法兰螺栓、35-油管流体入口、36-油管流体出口、37-油套环形空间、38-加热套、39-压力检测入口管线、40-压力检测出口管线、41-压力槽、42-油管增压泵、43-升温降温循环装置、44-增压泵、45-地层围压管线、46-油管温压传感器、47-油套环空温压传感器、48-地层温压传感器、49-验窜压力传感器、50-窜漏压力传感器、51-油套环形空间压力管线、52-监控***、53-油套环形空间阀、54-验窜阀、55-地层围压阀、56-油管阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
在本发明中，使用的术语中“上”、“下”等通常是针对附图所示的方向而言，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言；同样地，为便于理解和描述，“内”、“外”等是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。但上述方位词并不用于限制本发明。
一方面，如图1-2所示，本发明提供一种全生命周期井筒密封完整性评价装置，包括油管温压模拟组件、油套环空温压模拟组件、地层围压模拟组件、套管水泥环地层组合体制备组件、窜漏特性检测组件、以及监控***52；所述油管温压模拟组件用于实现油气井生产作业过程中油管温度、压力、流体相变、振动、鼓胀、变形等状态的交变模拟；所述油套环空温压模拟组件用于实现油气井生产作业过程中油套环形空间温度、压力、流体相变、振动、鼓胀、变形等状态的交变模拟；所述地层围压模拟组件用于实现井筒周围地层温度、压力以及井筒附近非均匀地应力的交变模拟；所述窜漏特性检测组件用于实现水泥环临界窜漏压力的实时监测；所述监控***用于监控各组件中的温压条件，并对数据曲线进行记录。
在一个具体的实施例中，所述油管温压模拟组件包括依次相连形成回路的油管1、油管增压泵42、升温降温循环装置43，所述油管1的流出口36与所述油管增压泵42的输入端相连；所述升温降温循环装置43的输出端与所述油管1的流入口35相连，且相连的管道上设有由所述升温降温循环装置43向所述油管1方向流通的油管阀56；所述油管1内设有油管温压传感器46；
所述油套环空温压模拟组件包括套管2和增压泵44，所述套管2与所述油管1同轴设置，且通过密封使所述套管2的内表面与所述油管1的外表面之间形成油套环形空间37，所述增压泵44通过油套环形空间压力管线51与所述油套环形空间37相连通，且所述油套环形空间压力管线51上设有油套环形空间阀53，所述油套环形空间37内设有油套环形空间温压传感器47；
所述地层围压模拟组件包括高压筒18、加热套38、高压筒堵头19、地层围压管线45，所述加热套38套设在所述高压筒18外表面，所述高压筒18与所述套管2同轴设置，且通过所述高压筒堵头19使所述高压筒18的内表面与所述套管2的外表面之间形成密闭空间，所述地层围压管线45的一端与所述密闭空间相连通，另一端与所述增压泵44相连，且所述地层围压管线45上设有地层围压阀55，所述密闭空间内设有地层温压传感器48；
所述套管水泥环地层组合体制备组件设置在所述密闭空间内，包括地层岩心4、密封套5、上岩心堵头6、下岩心堵头、组合体紧固件，所述密封套套5设在所述地层岩心4外表面，所述地层岩心4与所述套管2同轴设置，且所述地层岩心4的内表面与所述套管2的外表面之间形成水泥环空间，通过向所述水泥环空间注入水泥浆体系固化形成水泥环3，所述上岩心堵头6和所述下岩心堵头的底部均设有压力槽41，且所述压力槽41与所述水泥环空间相通，所述下岩心堵头的压力槽41通过压力检测入口管线39与所述增压泵44相连，且所述压力检测入口管线39上依次设有验窜压力传感器49和验窜阀54；所述上岩心堵头6的压力槽41通过压力检测出口管线40与窜漏压力传感器50相连；所述组合体紧固件用于将水泥环3、地层岩心4、密封套5、上岩心堵头6、以及下岩心堵头形成的整体固定在所述套管2上，避免所述整体在所述套管2上滑动；
所述监控***52分别与所述油管温压传感器46、油套环形空间温压47、地层温压传感器48、验窜压力传感器49、窜漏压力传感器50相连；可选地，所述监控***52为计算机。
在上述实施例中，所述油管温压模拟组件可通过油管增压泵42、油管阀56对循环***进行增压卸压，可通过升温降温循环装置43对循环流体进行升温降温，可通过油管温压传感器46、监控***52实时监控和记录油管温压曲线，通过模拟油气井各类生产作业工况中油管所出现的温度、压力、流体相变、振动、鼓胀、变形等复杂交变载荷状态，测试该作业工况下套管水泥环地层组合体的临界窜漏压力大小，评价生产作业过程中油管温压波动对组合体密封完整性的影响。
所述油套环空温压模拟组件可模拟油气井在油套环形空间37中通入气液流体，可通过油套环形空间压力管线51、增压泵44、油套环形空间阀53对油套环形空间37进行增压卸压，可通过加热套38对油套环形空间37进行升温降温，可通过油套环空温压传感器47、监控***52实时监控和记录油套环形空间37的温压曲线，通过模拟油气井各类生产作业工况及井筒各组件的关联性影响所导致的套管2及油套环形空间37出现温度、压力、流体相变、振动、鼓胀、变形等复杂交变载荷状态，测试该生产作业工况下套管水泥环地层组合体临界窜漏压力大小，评价生产作业过程中所导致的油管、套管及环形空间工况波动对组合体密封完整性的影响。
所述的地层围压模拟组件可加入气液流体模拟井周地层岩心，可通过加热套38对封闭***进行升温降温，可通过增压泵44、地层围压管线45、地层围压阀55对封闭***进行增压卸压，可通过地层温压传感器48、监控***52实时监控和记录封闭***温压曲线，通过模拟油气井各类生产作业工况及井筒周围温度、压力及地应力的关联性影响所导致的井周地层非均匀地应力复杂交变载荷状态，测试该生产作业工况下套管水泥环地层组合体临界窜漏压力大小，评价生产作业过程中所导致的油管、套管、环形空间以及井周地层工况条件波动对组合体密封完整性的影响。
所述的套管水泥环地层组合体制备组件可在油套环形空间37中罐装水泥浆体系形成水泥环3，整体组装后，可通过向油套环形空间37施加压力模拟固井作业时的套管压力，可通过加热套38升温模拟固井作业时的地层温度，可通过向高压筒18内部施加压力模拟井周地层围压，模拟固井工况条件完成水泥浆体系的固化过程，固化后所罐装的水泥浆体系固化形成水泥环3，精细化模拟井筒固井作业工况、制备得到套管水泥环地层组合体；可通过油管1的流体入口35向油管1施加交变温压模拟生产作业过程中油管的循环交变工况，可通过油套环形空间压力管线51、油套环形空间阀53向油套环形空间37施加交变温压模拟生产作业过程中套管及环形空间的交变工况，可通过加热套38升温降温模拟生产作业时油管、套管及地层交变温度，可通过地层围压管线45、地层围压阀55向高压筒18内部施加交变温压模拟生产作业过程中井周地层围压的交变工况，可通过监控***52实时记录全生命周期生产作业工况温压交变曲线，按照生产作业顺序或设计方案依次模拟全生命周期各类生产作业工况对套管水泥环地层组合体的损伤作用，完成套管水泥环地层组合体在各类生产作业工况的养护。
所述的窜漏特性检测组件可通过增压泵44、验窜阀54向窜漏通道增压卸压，可通过验窜压力传感器49、监控***52实时监控和记录验窜压力曲线，可通过窜漏压力传感器50、监控***52实时监控和记录窜漏压力曲线，测试整个生产作业过程中套管水泥环地层组合体的临界窜漏压力大小，评价全生命周期套管水泥环地层组合体密封完整性。
所述的数据监控***可实时监测和控制各组件温度、压力等实验参数，精确模拟油气井固井及各类生产作业工况条件，准确可靠测得该工况条件下套管水泥环地层组合体的临界窜漏压力。
另外，需要说明的是，本发明中应用的温压传感器可以是温度压力一体测量的传感器，也可以是分开的温度传感器和压力传感器，三者均为现有技术，具体结构在此不在赘述。所述升温降温循环装置43是为了对所述油管内的循环流体进行升温降温，该装置也是现有技术，具体结构在此不在赘述。所述验窜压力传感器49是用于进行验窜的压力传感器，所述窜漏压力传感器50是用于进行窜漏检测的压力传感器，压力传感器为现有技术，具体结构在此不在赘述。
在一个具体的实施例中，所述密封套5为铜套，所述铜套采用紫铜制成。地层岩石为孔隙结构，在室内评价装置中，地层岩石的尺寸是有限的，检测水泥环窜漏压力时，压力会从所述地层岩石向所述密闭空间扩散，使得窜漏压力测试不准，本发明通过在所述地层岩石4外表面套设所述密封套5能够防止这种情况的发生，使测试结果更接近实际地层的结果，提高评价结果的准确性。需要说明的是，除了本实施例采用的紫铜套作为密封套外，其他耐压且能够密封所述地层岩石外表面的材质也能作为所述密封套适用于本发明。
在一个具体的实施例中，所述套管2与所述油管1之间、所述套管2与所述高压筒堵头19之间、所述高压筒堵头19与所述高压筒18之间、所述上岩心堵头6与所述套管2之间、以及所述下岩心堵头与所述套管2之间均通过法兰和螺栓连接，通过法兰相连的各部件之间设有密封组件。可选地，所述密封组件为橡胶密封圈，需要什么的是，除了橡胶密封圈外，其他能够增强密封性能的材质或结构也可作为所述密封组件。
在一个具体的实施例中，所述套管2的顶部和所述套管2的底部均通过套管法兰30和套管法兰螺栓31分别与所述油管1的上部和下部相连，所述套管法兰30与所述套管2之间设有套管法兰密封组件29；为了对所述套管2和所述套管法兰30进行进一步地密封，可选地，所述套管法兰30的顶部还设有套管法兰密封法兰33和套管法兰密封法兰螺栓34；
所述上岩心堵头6和所述下岩心堵头均通过套管岩心堵头密封法兰16和套管岩心堵头密封法兰螺栓17与所述套管2相连，所述套管岩心堵头密封法兰16与所述套管2之间设有套管岩心堵头密封组件7；
所述高压筒堵头19包括上高压筒堵头和下高压筒堵头，所述上高压筒堵头和所述上岩心堵头6之间、所述下高压筒堵头和所述下岩心堵头之间均通过高压筒堵头岩心堵头密封法兰27和高压筒堵头岩心堵头密封螺栓28相连，且高压筒堵头19与岩心堵头之间设有高压筒堵头岩心堵头密封组件26；
所述高压筒堵头19和所述高压筒18之间通过高压筒堵头法兰21和高压筒堵头螺栓22相连，且所述高压筒堵头19和所述高压筒18之间设有高压筒堵头密封组件20；为了对所述高压筒堵头19和所述高压筒堵头法兰21进行进一步密封，可选地，所述高压筒堵头法兰21顶部设有高压筒堵头法兰密封法兰24和高压筒堵头法兰密封法兰螺栓25，所述高压筒堵头法兰密封法兰24和所述高压筒堵头之间还设有高压筒堵头法兰密封组件23；
所述组合体紧固件包括密封套固定法兰8、组合体拉紧法兰9、拉杆10、密封套岩心堵头密封组件11、拉紧法兰岩心堵头密封组件12、拉紧法兰密封法兰13、拉紧法兰密封法兰螺栓14、组合体拉紧法兰螺栓15，所述拉杆10的一端穿过所述整体顶部的组合体拉紧法兰9通过所述组合体拉紧法兰螺栓15紧固，另一端穿过所述整体底部的组合体拉紧法兰9通过所述组合体拉紧法兰螺栓15紧固。
在一个具体的实施例中，为了模拟油管、套管及地层岩石处于非稳态热传递状态，所述评价装置还包括设置在所述油管内的加热装置。
另一方面，还提供一种全生命周期井筒密封完整性评价方法，采用上述任意一项所述的全生命周期井筒密封完整性评价装置进行评价。
在一个具体的实施例中，采用如图1所示的评价装置进行评价，包括以下步骤：
S1：根据深井超深井、高温高压井、注采井、地热井目标井段井筒参数和工况条件，设计油管、套管、水泥环的尺寸参数与目标井段一致或尺寸相似的全生命周期井筒密封完整性评价装置，根据油气井生产作业井史数据资料，分析全生命周期该井经历的作业工况，选择一个或多个温度压力高、交变载荷大的作业工况，分别确定作业所带来的油管、油套环形空间和地层的温度、压力大小及波动情况，确定油管和油套环形空间中流体组分、气液多相流状态、临界态的转变等条件，确定地层压力及其在该作业工况条件下的波动情况；
S2：分别对油管温压模拟组件、油套环空温压模拟组件、地层围压模拟组件、窜漏特性检测组件进行试压，确认各组件耐温性能、承压性能、密封性能满足目标井段实验要求，根据井筒固井工况、生产作业工况、水泥浆体系性能确定各组件温压交变、流体相变和实验周期等实验条件参数；
S3：组装套管水泥环地层组合体制备组件，将套管2穿入地层岩石4中，安装下部的岩心堵头、套管岩心堵头密封组件7、密封套岩心堵头密封组件11，配制固井水泥浆体系，并平缓地灌入套管2与地层岩石4所形成的环形空间中，安装上部的岩心堵头6、套管岩心堵头密封组件7、密封套岩心堵头密封组件11，将密封套5紧紧包裹在地层岩石4外层、采用轴线方向收紧的方式避免间隙和变形，然后安装密封套固定法兰8、组合体拉紧法兰9、拉杆10、拉紧法兰岩心堵头密封组件12、拉紧法兰密封法兰13、拉紧法兰密封法兰螺栓14、组合体拉紧法兰螺栓15，完成水泥浆体系的罐装、套管水泥环地层组合体制备组件的组装；
需要说明的是，为了防止灌注水泥浆体系时水泥浆堵塞下岩心堵头的压力槽41，所述评价装置在所述下岩心堵漏的压力槽41处设有气体可以通过但水泥浆不能透过的防渗透布或滤网等进行阻隔。
S4：组装地层围压模拟组件，将高压筒18套在套管水泥环地层组合体制备组件外部，依次安装套管岩心堵头密封法兰16、套管岩心堵头密封法兰螺栓17、高压筒堵头19、高压筒堵头密封组件20、高压筒堵头法兰21、高压筒堵头螺栓22、高压筒堵头法兰密封组件23、高压筒堵头法兰密封法兰24、高压筒堵头法兰密封法兰螺栓25、高压筒堵头岩心堵头密封组件26、高压筒堵头岩心堵头密封法兰27、高压筒堵头岩心堵头密封螺栓28、加热套38、增压泵44、地层围压管线45、地层温压传感器48、地层围压阀55，形成地层围压封闭***，完成地层围压模拟组件的组装；
S5：组装油套环空温压模拟组件，将油管1穿入套管2中，依次安装套管密封组件29、套管法兰30、套管法兰螺栓31、套管法兰密封组件32、套管法兰密封法兰33、套管法兰密封法兰螺栓34、油套环空温压传感器47、油套环形空间压力管线51、油套环形空间阀53，形成油套环形空间封闭***，完成油套环空温压模拟组件的组装；
S6：组装油管温压模拟组件，在油管1内部安装油管温压传感器46，采用转换接头，将油管1的流体入口35和油管1的流体出口36与油管增压泵42、升温降温循环装置43、油管阀56连接，形成油管封闭***，完成油管温压模拟组件的组装；
S7：组装窜漏特性检测组件，将增压泵44、验窜压力传感器49、验窜阀54与压力检测入口管线39相连，将窜漏压力传感器50与压力检测出口管线40相连，将监控***52与验窜压力传感器49连接和窜漏压力传感器50相连，形成窜漏压力监测循环回路，完成窜漏特性检测组件的组装；
S8：连接数据监控***，除了步骤S7的验窜压力传感器49连接和窜漏压力传感器50与所述监控***52相连外，还分别将油管温压传感器46、油套环空温压传感器47、地层温压传感器48与所述监控***52连接，满足固井和生产作业工况要求的各组件温压条件实时监控和数据曲线记录功能，完成监控***的连接；
S9：按照S2所确定的固井工况条件，通过加热套38控制油管1、套管2及地层岩石4温度，在油管1、套管2中加入相应的井筒工作液，模拟固井工况油管1、套管2及地层岩石4的稳态热传递状态，通过油管增压泵42、升温降温循环装置43、油管温压传感器46控制油管1内部温度和压力，通过增压泵44、油套环空温压传感器47、油套环形空间阀53控制油套环形空间37的温度和压力，通过加热套38、增压泵44、地层温压传感器48、地层围压阀55控制地层温度和压力，稳定保持各组件的平衡状态，直至水泥浆体系固化、固井作业周期结束，完成套管水泥环地层组合体的固化；
S10：按照S1和S2所确定的生产作业工况条件，通过加热套38控制油管1、套管2及地层岩石4温度(对于热采井、地热井或高温高压井，可在油管1中***加热装置，以便模拟油管1、套管2及地层岩石4处于非稳态热传递状态)，在油管1中通入生产作业工况气液相介质，在套管2中通入环空保护液或相应井筒工作液，通过油管增压泵42、升温降温循环装置43、油管温压传感器46、油管阀56控制油管1内部温度、压力、流体相变、振动、鼓胀、变形等状态的交变模拟，通过增压泵44、油套环空温压传感器47、油套环形空间阀53控制油套环形空间37的温度、压力、流体相变、振动、鼓胀、变形等状态的交变模拟，通过加热套38、增压泵44、地层温压传感器48、地层围压阀55控制地层温度压力以及井周地应力的交变模拟，通过监控***52记录和控制各组件的数据曲线，直至生产作业周期结束，完成套管水泥环地层组合体的交变养护；
S11：在生产作业过程中的任意时间，可实时通过压力检测入口管线39、增压泵44、验窜压力传感器49、验窜阀54沿套管水泥环地层组合体下部施加特定压力，同时通过压力检测出口管线40、窜漏压力传感器50、监控***52实时监控套管水泥环地层组合体上部的窜漏压力曲线，测得固井完成后该生产作业工况条件下套管水泥环地层组合体的实时窜漏压力曲线；
S12：根据该井实际生产作业或设计方案所包括的其他生产作业工况条件，重新按照S1-S11的步骤进行评价，直至得到该井各类生产作业工况下套管水泥环地层组合体的窜漏压力曲线；
S13：综合各生产作业工况条件下水泥环窜漏压力曲线，结合套管水泥环地层组合体下部验窜压力大小、窜漏至上部的压力大小及其内部窜漏通道情况，分析判断该水泥浆体系是否满足该井全生命周期各个生产作业工况的密封完整性和临界窜漏压力要求：
若满足，则该井水泥浆体系、固井工况、生产作业工况符合全生命周期井筒密封完整性要求；
若不满足，则通过采取优化水泥浆体系、优化设计固井工况、优化调整生产作业参数等方式优化井筒密封完整性设计参数，提高井筒密封完整性，重复步骤S1-S13，直至水泥环临界窜漏压力满足全生命周期井筒密封完整性的要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种全生命周期井筒密封完整性评价装置，其特征在于，包括油管温压模拟组件、油套环空温压模拟组件、地层围压模拟组件、套管水泥环地层组合体制备组件、窜漏特性检测组件、以及监控***；
所述油管温压模拟组件包括依次相连形成回路的油管、油管增压泵、升温降温循环装置，所述油管的流出口与所述油管增压泵的输入端相连；所述升温降温循环装置的输出端与所述油管的流入口相连，且相连的管道上设有由所述升温降温循环装置向所述油管方向流通的油管阀；所述油管内设有油管温压传感器；
所述油套环空温压模拟组件包括套管和增压泵，所述套管与所述油管同轴设置，且通过密封使所述套管的内表面与所述油管的外表面之间形成油套环形空间，所述增压泵通过油套环形空间压力管线与所述油套环形空间相连通，且所述油套环形空间压力管线上设有油套环形空间阀，所述油套环形空间内设有油套环形空间温压传感器；
所述地层围压模拟组件包括高压筒、加热套、高压筒堵头、地层围压管线，所述加热套套设在所述高压筒外表面，所述高压筒与所述套管同轴设置，且通过所述高压筒堵头使所述高压筒的内表面与所述套管的外表面之间形成密闭空间，所述地层围压管线的一端与所述密闭空间相连通，另一端与所述增压泵相连，且所述地层围压管线上设有地层围压阀，所述密闭空间内设有地层温压传感器；
所述套管水泥环地层组合体制备组件设置在所述密闭空间内，包括地层岩心、密封套、上岩心堵头、下岩心堵头、组合体紧固件，所述密封套套设在所述地层岩心外表面，所述地层岩心与所述套管同轴设置，且所述地层岩心的内表面与所述套管的外表面之间形成水泥环空间，通过向所述水泥环空间注入水泥浆体系固化形成水泥环，所述上岩心堵头和所述下岩心堵头的底部均设有压力槽，且所述压力槽与所述水泥环空间相通，所述下岩心堵头的压力槽通过压力检测入口管线与所述增压泵相连，且所述压力检测入口管线上依次设有验窜压力传感器和验窜阀；所述上岩心堵头的压力槽通过压力检测出口管线与窜漏压力传感器相连；所述组合体紧固件用于将水泥环、地层岩心、密封套、上岩心堵头、以及下岩心堵头形成的整体固定在所述套管上，避免所述整体在所述套管上滑动；
所述窜漏特性检测组件包括所述压力检测入口管线、压力检测出口管线、压力槽、增压泵、验窜压力传感器、窜漏压力传感器、验窜阀、监控***，实现水泥环临界窜漏压力的实时监测；
所述监控***分别与所述油管温压传感器、油套环形空间温压传感器、地层温压传感器、验窜压力传感器、窜漏压力传感器相连，实现各组件温压条件的实时监控和数据曲线记录。
2.根据权利要求1所述的全生命周期井筒密封完整性评价装置，其特征在于，所述密封套为铜套。
3.根据权利要求2所述的全生命周期井筒密封完整性评价装置，其特征在于，所述铜套采用紫铜制成。
4.根据权利要求1所述的全生命周期井筒密封完整性评价装置，其特征在于，所述套管与所述油管之间、所述套管与所述高压筒堵头之间、所述高压筒堵头与所述高压筒之间、所述上岩心堵头与所述套管之间、以及所述下岩心堵头与所述套管之间均通过法兰和螺栓连接。
5.根据权利要求1所述的全生命周期井筒密封完整性评价装置，其特征在于，通过法兰相连的各部件之间设有密封组件。
6.根据权利要求1所述的全生命周期井筒密封完整性评价装置，其特征在于，所述组合体紧固件包括密封套固定法兰、组合体拉紧法兰、拉杆、密封套岩心堵头密封组件、拉紧法兰岩心堵头密封组件、拉紧法兰密封法兰、拉紧法兰密封法兰螺栓、组合体拉紧法兰螺栓，所述拉杆的一端穿过所述整体顶部的组合体拉紧法兰通过所述组合体拉紧法兰螺栓紧固，另一端穿过所述整体底部的组合体拉紧法兰通过所述组合体拉紧法兰螺栓紧固。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的全生命周期井筒密封完整性评价装置，其特征在于，还包括加热装置，所述加热装置设置在所述油管内。
8.一种全生命周期井筒密封完整性评价方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任意一项所述的全生命周期井筒密封完整性评价装置进行评价，包括以下步骤：
S1：根据目标井的目标井段井筒参数和工况条件，设计所述评价装置的尺寸参数，得到目标井段的评价装置；根据目标井的生产作业井史资料，分析所述目标井全生命周期的作业工况，确定各作业工况作业所带来的油管、油套环形空间和地层的温度、压力大小及波动情况，确定油管和油套环形空间中流体组分、气液多相流状态、临界态的转变条件，确定地层压力及其在各作业工况条件下的波动情况；
S2：对所述评价装置进行试压，确认所述评价装置的耐温性能、承压性能、密封性能满足所述目标井段的实验要求；确定所述评价装置各组件的温压交变、流体相变和实验周期参数；
S3：根据所述目标井段的实际固井工况条件，通过加热套控制油管、套管及地层岩石温度，在油管和套管中加入井筒工作液，模拟固井工况油管、套管及地层岩石的稳态热传递状态；通过油管增压泵、升温降温循环装置、油管温压传感器控制油管内部温度和压力，通过增压泵、油套环空温压传感器、油套环形空间阀控制油套环形空间的温度和压力，通过加热套、增压泵、地层温压传感器、地层围压阀控制地层温度和压力，稳定保持各组件的平衡状态，向所述水泥环空间内注入水泥浆体系，直至所述水泥浆体系固化、固井作业周期结束，完成套管水泥环地层组合体的固化；
S4：根据步骤S1和步骤S2确定的生产作业工况条件，通过加热套控制油管、套管及地层岩石温度，在油管中通入生产作业工况下的气液相介质，在套管中通入环空保护液或井筒工作液，通过油管增压泵、升温降温循环装置、油管温压传感器、油管阀控制油管内部温度、压力、流体相变、振动、鼓胀、变形状态的交变模拟；通过增压泵、油套环空温压传感器、油套环形空间阀控制油套环形空间的温度、压力、流体相变、振动、鼓胀、变形状态的交变模拟；通过加热套、增压泵、地层温压传感器、地层围压阀控制地层温度压力以及井周地应力的交变模拟；通过监控***记录和控制各组件的数据曲线，直至生产作业周期结束，完成套管水泥环地层组合体的交变养护；
S5：在生产作业过程中的任意时间，通过压力检测入口管线、增压泵、验窜压力传感器、验窜阀沿套管水泥环地层组合体下部施加设定压力，同时通过压力检测出口管线、窜漏压力传感器、监控***实时监控套管水泥环地层组合体上部的窜漏压力曲线，测得固井完成后对应生产作业工况条件下套管水泥环地层组合体的实时窜漏压力曲线；
S6：重复步骤S3-S5，获得所述目标井各类生产作业工况下套管水泥环地层组合体的窜漏压力曲线；
S7：综合各生产作业工况条件下的套管水泥环地层组合体窜漏压力曲线，结合套管水泥环地层组合体下部验窜压力大小、窜漏至上部的压力大小及其内部窜漏通道情况，分析判断步骤S3中注入的水泥浆体系是否满足所述目标井全生命周期各个生产作业工况的密封完整性和临界窜漏压力要求：
若满足，则该井水泥浆体系、固井工况、生产作业工况符合全生命周期井筒密封完整性要求；
若不满足，则优化井筒密封完整性设计参数，重复步骤S1-S7，直至水泥环临界窜漏压力满足全生命周期井筒密封完整性的要求。
9.根据权利要求8所述的全生命周期井筒密封完整性评价方法，其特征在于，对以热采井、地热井或高温高压井作为目标井进行评价时，步骤S4中，对所述油管进行加热时，可在油管中***加热装置，模拟油管、套管及地层岩石处于非稳态热传递状态。
10.根据权利要求8所述的全生命周期井筒密封完整性评价方法，其特征在于，步骤S7中，优化井筒密封完整性设计参数的方式通过优化水泥浆体系、优化设计固井工况、优化调整生产作业参数中的任意一种或多种实现。
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