CN117990522A - 一种井筒完整度测试装置及其测试工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用于气井工程领域的一种井筒完整度测试装置及其测试工艺，一号密封套、二号密封套和密封箍圈的配合，能够对水泥环体和套管管体的两端予以有效的封堵处理，避免后续气体转移时发生端部泄漏，影响测试数据的可靠性，同时通过液压设备、填充液盘和测试框的配合，对水泥环体和套管管体之间粘接作用破坏后间隙的破坏程度和气体的转移通过速率进行测试，以此测试压力值与粘接破坏作用的相关关系，在检测井筒抗压能力的测试基础上，检测井筒中水泥环体和内侧的套管管体在不同压力下水泥环体和套管管体两者间粘接破坏作用与压力的相关关系，进而完善井筒完整性的测试结果。

Description

一种井筒完整度测试装置及其测试工艺

技术领域

本发明涉及一种井筒完整度测试装置及其测试工艺，特别是涉及应用于气井工程领域的一种井筒完整度测试装置及其测试工艺。

背景技术

井筒是一种有利于地层流体安全可靠地从地下向地面流动的空间结构，通常由套管和外侧的水泥环组成，在钻井时用于封隔复杂地层，在生产时提供油气流通通道。井筒完整性，多指井筒抵抗结构破坏性和维持井筒功能的重要属性，同时这也是钻井作业和生产作业安全的重要保障。

中国发明专利CN201710015784.9说明书公开了一种测试水泥环与套管胶结强度的实验装置及方法，测试水泥环与套管胶结强度的实验装置包括：釜体，釜体内部包括：模拟地层，与夹持器外壳之间构成围压腔；位于模拟地层内部、与模拟地层同轴相套的套管，并与模拟地层形成水泥环环空；还包括：水泥浆储存罐；加热棒，下入到套管内腔；与围压腔连接的自动围压泵；位于围压腔与自动围压泵之间的围压传感器；高压泵；位于与高压泵与活塞之间的高压泵压力传感器；位于活塞与套管之间的承压块；套管内腔和水泥环环空均插有温度传感器；套管内腔插有内压传感器；水泥环环空插有压力传感器。

上述设备在测试水泥环和套管胶接强度时，通过模拟不同工况温度和压力条件来测试水泥环与套管胶结强度的变化，但是在实际操作过程中，仅能检测到不同条件下水泥环与套管胶结强度的数据临界点，但是无法得出在不同条件下水泥环和套管胶接失效的相关关系。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是对不同条件下水泥环和套管胶接作用失效的相关关系进行测试不便，测试过程数据可靠性不高。

为解决上述问题，本发明提供了一种井筒完整度测试装置，包括有水泥环体和位于水泥环体内侧的套管管体，且套管管体的外侧表面与水泥环体的内侧表面贴合接触，套管管体的内部布置有加热管，水泥环体的表面覆盖有防渗涂层，水泥环体的两端分别套接有一号密封套和二号密封套，一号密封套和二号密封套的内侧均安装有与套管管体内壁相嵌合的密封堵板，一号密封套的内部贯穿安装有输送管，输送管的输入端连接有流体，水泥环体的外侧环绕布置有多个液压设备，二号密封套背离一号密封套的一侧表面固定安装有测试框，二号密封套内布置有填充液盘，且填充液盘的内底壁与测试框的底壁通过单向管贯通连接，测试框和填充液盘的内部均安装有液位传感器，水泥环体与一号密封套以及二号密封套接触的位置处均连接有密封检测器，填充液盘的表面与水泥环体的端部嵌合贯穿密封连接，密封检测器包括有透明的弹性材料制成的显示圈，且显示圈的直径大于水泥环体的外径，显示圈靠近水泥环体的表面涂覆有遇水变色油墨，显示圈的表面与水泥环体、一号密封套和二号密封套的表面均通过密封圈连接。

在上述井筒完整度测试装置中，能够在检测井筒抗压能力的测试基础上，检测井筒中水泥环体和内侧的套管管体在不同压力下两者间粘接破坏作用与压力的相关关系，进而完善井筒完整性的测试结果。

作为本申请的进一步改进，还包括有反馈处理***，反馈处理***包括报警模块和控制模块，水泥环体的一侧连接有与控制模块信号连接的处理器，且处理器与液压设备和两个液位传感器信号连接。

作为本申请的再进一步改进，一号密封套和二号密封套的内部均设有密封箍圈，一号密封套内的密封堵板的表面连接有锥形块，且锥形块靠近密封堵板一端的直径与套管管体的直径相同，锥形块的另一端的直径小于输送管的管径且锥形块的表面安装有位移传感器，且位移传感器和两个液位传感器均与报警模块信号连接。

作为本申请的更进一步改进，输送管的内部布置有加热线圈，且加热线圈与加热管信号连接。

作为本申请的更进一步改进，两个密封堵板相互背离的表面均固定贯穿安装有尾端延伸至一号密封套和二号密封套外部的送气管，两个密封堵板的表面均镶嵌安装有多个压力感应器，且压力感应器均与处理器信号连接。

作为本申请的又一种改进，测试框的内壁嵌合滑动连接有防水浮板，且防水浮板的顶部安装有与控制器信号连接的位移感应器。

作为本申请的又一种改进的补充，一种井筒完整度测试装置的测试工艺，该工艺包括以下工作步骤：

S1、将密封堵板对齐塞进套管管体后，再将一号密封套和二号密封套分别套接在水泥环体的两端，之后利用送气管向密封堵板内部充气，直至每个密封堵板表面的压力感应器受到的压力值相同，并利用密封箍圈对一号密封套和二号密封套的端部与水泥环体的表面予以密封防漏处理；

S2、利用液压设备向水泥环体的表面施加压力，检测挤压破坏水泥环体与内侧套管管体间的粘接作用破坏的力值；

S3、继续加大液压设备施加于水泥环体表面的压力，同时利用输送管以设定的流速向一号密封套与密封堵板之间的空隙中输送加热至与加热管加热温度值相同的流体；

S4、流体通过水泥环体和套管管体表面的间隙传递至填充液盘中，造成填充液盘内液面发生变化；

S5、利用填充液盘测试框内的液位传感器综合判断填充液盘和测试框内的液面变化，并利用处理器结合水泥环体长度、液面变化数据和流体流速进行数据拟合处理，得出不同压力值与水泥环体和套管管体之间粘接度的破坏度相关关系；

S6、在此过程中，若密封堵块受到流体冲击发生位移则会影响S5中数据拟合的准确性，报警模块启动。

综上所述，本申请通过一号密封套、二号密封套和密封箍圈的配合，能够对水泥环体和套管管体的两端予以有效的封堵处理，避免后续气体转移时发生端部泄漏，影响测试数据的可靠性，同时通过液压设备、填充液盘和测试框的配合，对水泥环体和套管管体之间粘接作用破坏后间隙的破坏程度和气体的转移通过速率进行测试，以此测试压力值与粘接破坏作用的相关关系，在检测井筒抗压能力的测试基础上，检测井筒中水泥环体和内侧的套管管体在不同压力下两者间粘接破坏作用与压力的相关关系，进而完善井筒完整性的测试结果，并能够通过密封检测器以及报警模块对测试装置的密封性进行实时监测，保证实验数据可靠，以保证测试结果的可靠性。

附图说明

图1为本申请第一至三种实施方式的整体结构图。

图2为本申请第一至三种实施方式的套管管体内部结构图。

图3为本申请图2中的A处放大示意图。

图4为本申请第一至三种实施方式的测试框内部结构图。

图5为本申请第一至三种实施方式的水泥环体和套管管体件粘接作用破坏后一号密封套内的气体转移至二号密封套的示意图。

图6为本申请图5中的B处放大示意图。

图7为本申请第一种实施方式的在流体为气体时密封检测器检测到密封箍圈失效时的状态示意图。

图8为本申请第三种实施方式的在流体为液体时密封检测器检测到密封箍圈失效时的状态示意图。

图9为本申请第一至三种实施方式的锥形块的结构示意图。

图10为本申请第三种实施方式的测试框内部防水浮板和位移感应器安装图。

图11为本申请第三种实施方式的测试框内进入气液混合物且气体浮于水面的状态图。

图中标号说明：

1、水泥环体；101、套管管体；2、一号密封套；3、二号密封套；31、填充液盘；4、液压设备；5、输送管；6、送气管；7、测试框；71、液位传感器；72、防水浮板；73、位移感应器；8、密封堵板；9、密封箍圈；10、加热管；11、密封检测器。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的三种实施方式作详细说明。

第一种实施方式：

图1-5示出一种井筒完整度测试装置，包括有水泥环体1和位于水泥环体1内侧的套管管体101，且套管管体101的外侧表面与水泥环体1的内侧表面贴合接触，套管管体101的内部布置有加热管10，水泥环体1的表面覆盖有防渗涂层，水泥环体1的两端分别套接有一号密封套2和二号密封套3，一号密封套2和二号密封套3的内侧均安装有与套管管体101内壁相嵌合的密封堵板8，一号密封套2的内部贯穿安装有输送管5，输送管5的输入端连接有流体，水泥环体1的外侧环绕布置有多个液压设备4，二号密封套3背离一号密封套2的一侧表面固定安装有测试框7，二号密封套3内布置有填充液盘31，且填充液盘31的内底壁与测试框7的底壁通过单向管贯通连接，测试框7和填充液盘31的内部均安装有液位传感器71，水泥环体1与一号密封套2以及二号密封套3接触的位置处均连接有密封检测器11，填充液盘31的表面与水泥环体1的端部嵌合贯穿密封连接。

还包括有反馈处理***，反馈处理***包括报警模块和控制模块，水泥环体1的一侧连接有与控制模块信号连接的处理器，且处理器与液压设备4和两个液位传感器71信号连接。

具体的，本实施方式中流体采用气体，即不溶于水且不与水反应的气体，包括但不限制为氢气、氮气等，且水泥环体1为横向放置状态，输送管5内部输送气体时填充液盘31的内部填满有液体；

本实施方式中通过查看密封检测器11位置处的显示圈是否***膨胀，以便在密封箍圈9失效后快速判断密封箍圈9是否失效（如图7所示）；

在进行测试前，先将一号密封套2和二号密封套3套接至水泥环体1的表面将实现两个密封堵板8塞进套管管体101内的目的，并利用密封箍圈9对水泥环体1和一号密封套2和二号密封套3的连接处进行密封处理；

之后利用液压设备4挤压水泥环体1的表面，不断加大液压设备4的压力，检测液压设备4破坏水泥环体1和套管管体101之间的粘接情况（此时一号密封套2内部的气体得以通过粘接作用被破坏的间隙，转移至填充液盘31中，进行排水处理，使得原本填充液盘31中排出的液体得以转移至测试框7中，即测试框7内部液体液位出现变化，如图5-6所示），随着气体通过间隙转移至填充液盘31中，填充液盘31中的液体被挤压排放至测试框7中，根据单位时间内测试框7内液体液位的变化，判断单位时间内进入填充液盘31内气体的体积，与输送管5内设定流量的气体流速相比，即可间接判断水泥环体1和套管管体101之间粘接破坏的程度，进而获得不同压力下粘接作用破坏程度的相关关系；

之后将上述的压力值记录，并逐步加大液压设备4的压力值，判断压力与粘接作用破坏的相关关系，以此判断粘接作用破坏后套管管体101和水泥环体1之间密封作用的维护情况，以此完整井筒完整度的测试结果，并在之后继续加压，检测水泥环体1的抗压能力；

在上述过程中，检测填充液盘31内单位时间内下降液面值与测试框7内单位时间内液面上升值，判断两者的数据差值是否在规定阈值范围内（因为存在有部分液体残留在单向管内，因此液体排放量之间允许存在差距），若两者液面变化数据的差值超过设定值范围，则表示填充液盘31存在泄漏现象，此时报警模块启动。

图9示出，一号密封套2和二号密封套3的内部均设有密封箍圈9，一号密封套2内的密封堵板8的表面连接有锥形块，且锥形块靠近密封堵板8一端的直径与套管管体101的直径相同，锥形块的另一端的直径小于输送管5的管径且锥形块的表面安装有位移传感器，且位移传感器和两个液位传感器71均与报警模块信号连接。

具体的，密封箍圈9用于实现水泥环体1和端部的一号密封套2以及二号密封套3之间的密封处理，并利用锥形块对进入一号密封套2内的气体进行引流，降低对该处密封堵板8的冲击作用，同时还可借助位移传感器检测密封堵板8在监测过程中是否发生位移，以此来检测一号密封套2内充气空间是否加大（若密封堵板8发生位移，则在气流作用下会背离一号密封套2，使得一号密封套2内充气的空间体积加大，在源头形成分流效果，进而降低后续相关度检测的准确性）。

输送管5的内部布置有加热线圈，且加热线圈与加热管10信号连接。

具体的，加热线圈与加热管10的加热温度相同，可与液压设备配合，模拟不同温度压力条件下，水泥环体1粘接作用破坏时的临界点。

两个密封堵板8相互背离的表面均固定贯穿安装有尾端延伸至一号密封套2和二号密封套3外部的送气管6，两个密封堵板8的表面均镶嵌安装有多个压力感应器，且压力感应器均与处理器信号连接。

具体的，在密封堵板8插接至套管管体101内后，利用送气管6向橡胶材质的密封堵板8内侧充气，直至密封堵板8表面的压力感应器检测到压力感应器受到的挤压值相同，此时密封堵板8的表面与套管管体101处于紧密接触的封堵状态，则表明此时密封堵板8的表面与套管管体101的内壁处于均匀封闭的状态。

图6示出，密封检测器11包括有透明的弹性材料制成的显示圈，且显示圈的直径大于水泥环体1的外径，显示圈靠近水泥环体1的表面涂覆有遇水变色油墨，显示圈的表面与水泥环体1、一号密封套2和二号密封套3的表面均通过密封圈连接，密封圈与一号密封套2和二号密封套3通过防水胶粘接。

具体的，通过密封圈连接使得显示圈与水泥环体1的表面形成一段空腔，以便在气体泄漏后，使显示圈部分充气膨胀，进而形成胀包现象，通过观察密封检测器11上是否出现胀包，以便及时了解到密封箍圈9的失效信息。

一种井筒完整度测试装置的测试工艺，该工艺包括以下工作步骤：

S1、将密封堵板8对齐塞进套管管体101后，再将一号密封套2和二号密封套3分别套接在水泥环体1的两端，之后利用送气管6向密封堵板8内部充气，直至每个密封堵板8表面的压力感应器受到的压力值相同，并利用密封箍圈9对一号密封套2和二号密封套3的端部与水泥环体1的表面予以密封防漏处理；

S2、利用液压设备4向水泥环体1的表面施加压力，检测挤压破坏水泥环体1与内侧套管管体101间的粘接作用破坏的力值；

S3、继续加大液压设备4施加于水泥环体1表面的压力，同时利用输送管5以设定的流速向一号密封套2与密封堵板8之间的空隙中输送加热至与加热管10加热温度值相同的流体；

S4、流体通过水泥环体1和套管管体101表面的间隙传递至填充液盘31中，造成填充液盘31内液面发生变化；

S5、利用填充液盘31测试框7内的液位传感器71综合判断填充液盘31和测试框7内的液面变化，并利用处理器结合水泥环体1长度、液面变化数据和流体流速进行数据拟合处理，得出不同压力值与水泥环体1和套管管体101之间粘接度的破坏度相关关系；

S6、在此过程中，若密封堵板8受到流体冲击发生位移则会影响S5中数据拟合的准确性，报警模块启动。

第二种实施方式：

与第一种实施方式不同的是，本实施方式中输送管5内部输送流体为液体且不与填充液盘31内的液体发生反应，输送管5内部输送液体时填充液盘31内液体为未充满状态，且水泥环体1为竖直放置状态并填充液盘31内的液位传感器71同样为竖直放置状态。

具体的，在密封箍圈9失效后，泄漏的液体会从密封箍圈9和一号密封套2或者二号密封套3的连接处泄漏（容易造成后续数据真实性的降低），显示圈靠近水泥环体1的表面会发生变色（如图8所示），此时需停止测试，并更换密封箍圈9和水泥环体1重新进行实验，以保证测试结果的准确性；

同时填充液盘31内部液体为未充满状态，使得从破裂间隙中传送的液体得以转移至填充液盘31内进行液位变化判断，此时填充液盘31内液位传感器71的放置状态为竖直放置，方便检测填充液盘31内的液位变化且此时单向管关闭，避免填充液盘31内液体在重力作用下转移至测试框7中，干扰填充液盘31内液位传感器71检测数据；

当填充液盘31内液体充满时，可将单向管与抽液装置连接，此时暂停实验，停止设备加压、流体输入和加热，此时通过抽液装置将填充液盘31内部分液体抽出，使填充液盘31内液位下降至设定值，然后再继续测试；

由此使得本装置能适用于不同的气体和液体两种流体的测试，加强测试装置的适用性。

第三种实施方式：

图10-11示出测试框7的内壁嵌合滑动连接有防水浮板72，且防水浮板72的顶部安装有与控制器信号连接的位移感应器73。

具体的，气源的气体均为不溶于水且在常温常压下不与水发生反应的物质，在转移至测试框7中时，会浮在水面之上并位于防水浮板72的下方，如图9所示，b表示气体，a表示液体，可有效被防水防气材料制成的防水浮板72拦截在测试框7中且防水浮板72与测试框7的内壁处于密封滑动状态（防水浮板72与单向管为贯通的密封滑动连接关系），利用位移感应器73，对防水浮板72在测试框7内的上升速度进行检测，可判断水泥环体1和套管管体101间粘接封闭作用的破坏程度（若破坏程度越大，单位时间内气体通过量越大，则进入测试框7内的气液混合排放量越大，则单位时间内防水浮板72的上移速度越大），由此可检测在不同压力下水泥环体1和套管管体101间粘接封闭作用的破坏相关关系。

与第一种实施方式不同的是，本实施方式采用防水浮板72和位移感应器73来替换第一种实施方式中的液位传感器71，在第一种实施方式中，部分进入填充液盘31中的气体会跟随进入测试框7中，因为气体的密度小于水则会造成气体覆于水面之上，造成的液面变化难以被液位传感器71检测到，则会影响液位传感器71检测到的实际转移至填充液盘31中的气体量值，造成测试数据的可靠性降低，为此采用本实施方式，利用防水浮板72和位移感应器73，对进入测试框7内的气液混合液予以拦截并进行相关数值的有效测试。

综上，通过一号密封套2、二号密封套3和密封箍圈9的配合，能够对水泥环体1和套管管体101的两端予以有效的封堵处理，避免后续气体转移时发生端部泄漏，影响测试数据的可靠性，同时通过液压设备4、填充液盘31和测试框7的配合，对水泥环体1和套管管体101之间粘接作用破坏后间隙的破坏程度和气体的转移通过速率进行测试，以此测试压力值与粘接破坏作用的相关关系，在检测井筒抗压能力的测试基础上，检测井筒中水泥环体1和内侧的套管管体101在不同压力下两者间粘接破坏作用与压力的相关关系，进而完善井筒完整性的测试结果。

结合当前实际需求，本申请采用的上述实施方式，保护范围并不局限于此，在本领域技术人员所具备的知识范围内，不脱离本申请构思作出的各种变化，仍落在本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种井筒完整度测试装置，包括有水泥环体（1）和位于水泥环体（1）内侧的套管管体（101），且套管管体（101）的外侧表面与水泥环体（1）的内侧表面贴合接触，其特征在于：所述套管管体（101）的内部布置有加热管（10），所述水泥环体（1）的表面覆盖有防渗涂层，所述水泥环体（1）的两端分别套接有一号密封套（2）和二号密封套（3），所述一号密封套（2）和二号密封套（3）的内侧均安装有与套管管体（101）内壁相嵌合的密封堵板（8），所述一号密封套（2）的内部贯穿安装有输送管（5），所述输送管（5）的输入端连接有流体，所述水泥环体（1）的外侧环绕布置有多个液压设备（4），所述二号密封套（3）背离一号密封套（2）的一侧表面固定安装有测试框（7），所述二号密封套（3）内布置有填充液盘（31），且填充液盘（31）的内底壁与测试框（7）的底壁通过单向管贯通连接，所述测试框（7）和填充液盘（31）的内部均安装有液位传感器（71），所述水泥环体（1）与一号密封套（2）以及二号密封套（3）接触的位置处均连接有密封检测器（11），所述填充液盘（31）的表面与水泥环体（1）的端部嵌合贯穿密封连接，所述密封检测器（11）包括有透明的弹性材料制成的显示圈，且显示圈的直径大于水泥环体（1）的外径，所述显示圈靠近水泥环体（1）的表面涂覆有遇水变色油墨，所述显示圈的表面与水泥环体（1）、一号密封套（2）和二号密封套（3）的表面均通过密封圈连接。

2.根据权利要求1所述的一种井筒完整度测试装置，其特征在于：还包括有反馈处理***，所述反馈处理***包括报警模块和控制模块，所述水泥环体（1）的一侧连接有与控制模块信号连接的处理器，且处理器与液压设备（4）和两个液位传感器（71）信号连接。

3.根据权利要求2所述的一种井筒完整度测试装置，其特征在于：所述一号密封套（2）和二号密封套（3）的内部均设有密封箍圈（9），所述一号密封套（2）内的密封堵板（8）的表面连接有锥形块，且锥形块靠近密封堵板（8）一端的直径与套管管体（101）的直径相同，所述锥形块的另一端的直径小于输送管（5）的管径且锥形块的表面安装有位移传感器，且位移传感器和两个液位传感器（71）均与报警模块信号连接。

4.根据权利要求3所述的一种井筒完整度测试装置，其特征在于：所述输送管（5）的内部布置有加热线圈，且加热线圈与加热管（10）信号连接。

5.根据权利要求2所述的一种井筒完整度测试装置，其特征在于：两个密封堵板（8）相互背离的表面均固定贯穿安装有尾端延伸至一号密封套（2）和二号密封套（3）外部的送气管（6），两个所述密封堵板（8）的表面均镶嵌安装有多个压力感应器，且压力感应器均与处理器信号连接。

6.根据权利要求2所述的一种井筒完整度测试装置，其特征在于：所述测试框（7）的内壁嵌合滑动连接有防水浮板（72），且防水浮板（72）的顶部安装有与控制器信号连接的位移感应器（73）。

7.一种根据权利要求1-6任意一项所述的井筒完整度测试装置的测试工艺，其特征在于，该工艺包括以下工作步骤：

S1、将密封堵板（8）对齐塞进套管管体（101）后，再将一号密封套（2）和二号密封套（3）分别套接在水泥环体（1）的两端，之后利用送气管（6）向密封堵板（8）内部充气，直至每个密封堵板（8）表面的压力感应器受到的压力值相同，并利用密封箍圈（9）对一号密封套（2）和二号密封套（3）的端部与水泥环体（1）的表面予以密封防漏处理；

S2、利用液压设备（4）向水泥环体（1）的表面施加压力，检测挤压破坏水泥环体（1）与内侧套管管体（101）间的粘接作用破坏的力值；

S3、继续加大液压设备（4）施加于水泥环体（1）表面的压力，同时利用输送管（5）以设定的流速向一号密封套（2）与密封堵板（8）之间的空隙中输送加热至与加热管（10）加热温度值相同的流体；

S4、流体通过水泥环体（1）和套管管体（101）表面的间隙传递至填充液盘（31）中，造成填充液盘（31）内液面发生变化；

S5、利用填充液盘（31）测试框（7）内的液位传感器（71）综合判断填充液盘（31）和测试框（7）内的液面变化，并利用处理器结合水泥环体（1）长度、液面变化数据和流体流速进行数据拟合处理，得出不同压力值与水泥环体（1）和套管管体（101）之间粘接度的破坏度相关关系；

S6、在此过程中，若密封堵板（8）受到流体冲击发生位移则会影响S5中数据拟合的准确性，报警模块启动。