工作液溫度驟變對井筒力學完整性影響的評價裝置及方法與流程

本發明涉及石油工程固井領域基于井筒工作液變化時溫度驟變對井筒力學完整性影響的評價裝置及方法。

背景技術：

油氣井固井作業是指水泥漿注入井下套管與地層之間的環形空間，在設計時間內凝結、固化，形成具有一定強度的水泥環的過程。水泥環在井下環境不單要承受地層流體的侵蝕，還要求在不同工況所造成的載荷下保證水泥環力學完整性，保障層間封隔。

隨著目前鉆進越來越深，水泥環在井下的服役環境也更加惡劣，高溫高壓的地層條件亦對水泥環各項性能提出了更高的要求。與此同時，套管內的溫度壓力變化也是造成水泥環完整性喪失的主要原因。鉆進過程中，套管內鉆井液密度變化以及井下施工作業可能造成的溫度壓力驟升驟降等情況；求產增產過程中，射孔、酸化、壓裂等作業帶來的溫度與壓力的共同載荷變化，會對水泥環完整性帶來進一步的挑戰；生產過程中，井筒內的高溫高壓流體持續流向地面，也會帶來載荷沖擊。

近年來，國內外諸多研究人員對固井水泥環封隔能力的研究不斷深入，如專利“一種模擬溫度變化引起固井膠結失效的方法”（cn103808652a）能夠模擬溫度壓力變化，研究溫度壓力循環加載情況下的水泥環膠結失效情況；“水泥環密封完整性實驗裝置”（spe168321）可以模擬溫度壓力變化，同時能夠模擬偏心，檢測水泥環一二界面及本體是否發生密封失效，并借助ct掃描進行后續研究；專利“一種深水固井水泥環封隔性能測試裝置”（cn103174409a），采用不同類型材料模擬不同地層，儀器配有應變片，用于測量水泥環應變，借以推算應力，通過改變套管內壓，測試水泥環完整性；國內許多研究廠家也針對水泥環封隔能力設計了自己的產品，主要目的也是模擬井下溫度壓力條件，并檢測水泥環在套管內壓作用下是否發生力學失效。

上述測試裝置及方法存在諸多不足之處，最顯著的就是井筒溫度變化的還原，雖然當前模擬裝置均是以達到井下溫度壓力條件為目的，且在實驗過程中能夠通過操作改變壓力溫度并檢測水泥環套管損傷，但是目前裝置均是使整個釜體降溫來達到改變溫度的目的，而在實際作業中，井筒內工作液進行轉換時，低溫流體快速泵入，井筒內溫度會瞬時降低，而該瞬時降溫過程至少會造成井筒內20％的溫度降低，同時地層溫度則不會發生改變，這樣在水泥環及套管之間就會存在一個瞬時的溫度差，而當前研發的裝置均未涉及。目前深井超深井，井下溫度往往都能達到170℃，這一過程在井筒內至少會有35℃的瞬時降溫，溫度瞬時降低會形成一個相對低溫且高壓的井筒條件，高壓會使套管水泥環組合體膨脹，但相對低溫又會使套管水泥環組合體產生收縮，所以該井筒條件對套管水泥環的影響不容忽視，是否因此會造成套管損傷，水泥環脆性破壞，產生裂縫及微環隙等情況，成為一個急需研究和解決的重大課題。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供工作液溫度驟變對井筒力學完整性影響的評價裝置，該裝置依據幾何相似、力學等效理論及材料性能相似的原理，模擬水泥環在井下的實際溫度及壓力環境，更加真實地模擬鉆井液循環、增產作業時大量低溫流體注入井筒后溫度瞬時降低過程對套管水泥環的影響，為研究井筒力學完整性提供了理論基礎。

本發明的另一目的在于提供利用上述裝置評價工作液溫度驟變對井筒力學完整性影響的方法，該方法原理可靠，操作簡便，實驗過程一體化養護，可以動態測試水泥環及套管在實驗周期內的變化，彌補了當前研究測試手段的不足，為固井水泥環封隔能力的研究提供了更多的數據支撐和理論依據。

為達到以上技術目的，本發明采用以下技術方案。

工作液溫度驟變對井筒力學完整性影響的評價裝置，將液態水泥灌入模擬圍巖-套管間的環形空間，將養護溫度壓力調節至實驗條件，候凝成環，從而形成模擬圍巖-水泥環-套管組合體，根據不同井下工況，改變實驗溫度壓力，同時選用應變片測量套管徑向位移，采用周向位移計測量模擬圍巖周向位移，在水泥環端面利用高壓氣體評價水泥環是否發生密封失效，該裝置能夠測試在高溫高壓條件下，套管內溫度瞬時降低對套管變形的影響，同時還能在降溫過程中改變套管內壓，實時檢測套管是否會發生損傷，檢測水泥環在何種工況發生密封失效，判斷實際作業中的溫度壓力載荷變化對套管水泥環的影響。

本發明更加真實地模擬鉆井液循環、增產作業時大量低溫流體注入井筒后溫度瞬時降低過程對套管水泥環的影響，溫度上限200℃，同時能夠在短時間內使套管內溫度下降至設定值，模擬溫度瞬變。模擬圍巖壓力上限100mpa，模擬套管內壓上限120mpa。

工作液溫度驟變對井筒力學完整性影響的評價裝置，包括測試主體和工作平臺。

所述工作平臺有計算機，用于采集、整理、分析實驗數據，計算機設有壓力溫度控制終端，用于增減壓和升降溫操作，可實時檢測溫度壓力，自動恒溫穩壓。

所述測試主體包括支架、位于支架上的釜體，所述釜體為鋼質中空圓筒，釜體壁外有金屬外罩、保溫層，釜體壁內有加熱絲，釜體中從外向內依次為模擬圍巖、環形空間、套管，模擬圍巖連有周向位移計，向環形空間置入水泥漿，水泥漿養護形成水泥環后，釜體中形成模擬圍巖-水泥環-套管組合體，套管內有應變片、溫度傳感器和冷凝管，所述周向位移計、應變片、溫度傳感器均連接計算機。

所述釜體有上釜蓋、下釜蓋：上釜蓋、下釜蓋與模擬圍巖-水泥環-套管組合體端面接觸部分為濾網、密封墊圈及偏心座，并設有氣體進出管路，氣體進出管路有氣體進入通道和氣體出口通道；釜體下部設有圍壓增降壓閥門，上釜蓋設有內壓增降壓閥門；氣體進出管路、圍壓增降壓閥門及內壓增降壓閥門均連接由計算機控制的壓力泵；氣體進入通道和氣體出口通道分別連通水泥環上、下端面，氣體進入通道連接氮氣瓶，氣體出口通道連接轉子流量計，上釜蓋還開有引線接口，溫度傳感器通過上釜蓋的引線接口接出并連接計算機。

所述氣體進出管路，在水泥環養護階段用于施加水泥環上下端面養護壓力，養護結束，實驗工況改變之前，氣體進入通道連接氮氣瓶，氣體出口通道連接氣體流量計，用于測試水泥環發生密封失效后的氣體竄通壓力。

所述釜體壁內有加熱絲，外部有保溫層，實驗時可由釜體加熱，加熱全程由計算機控制及檢測，避免誤差。

所述套管內部繞有冷凝管，并配有溫度傳感器，能夠耐受低溫，使套管內溫度瞬時降低，達到實驗要求。

所述冷凝管內流體可以選擇冷凝水或液氮，根據實際施工時不同工作液的泵注速度，計算不同降溫速率，選擇不同冷凝液體，達到瞬時降溫的目的。

所述上下釜蓋采用不銹鋼材質，尺寸與釜體匹配，達到密封“模擬圍巖-水泥環-套管”組合體的目的。

所述模擬圍巖為鋁制合金，并鍍有惰性金屬層，可在還原實際地層地質參數的基礎上避免鋁與水泥的化學反應。

所述支架為四角梯形不銹鋼鋼架，目的是支撐測試主體。

所述裝置的所有壓力管匯均為能承受140mpa的不銹鋼管線。

所述裝置備有連接構件和密封件，連接構件為螺紋、螺母、壓環；密封件為墊片和o型圈，材料為聚四氟乙烯。

本發明不僅可以模擬套管居中時高溫高壓條件下套管內溫度驟降對水泥環完整性的影響，還可以在大肚子井眼、橢圓井眼、偏心、混漿、充填不均等模擬條件下進行實驗，可根據實際情況調整裝置內部結構，豐富了測試結構，研究的條件更加廣泛。

本發明也可通過改變水泥環端面注入流體，分析腐蝕條件下溫度瞬變對套管水泥環組合體的影響。

利用上述裝置評價工作液溫度驟變對井筒力學完整性影響的方法，依次包括以下步驟：

(1)按照api規定配制所需水泥漿，灌入模擬圍巖與套管的環形空間內，密封上釜蓋，根據井下固井施工作業時的溫度壓力，通過相應等效模型換算成實驗裝置內的溫度壓力，確定養護條件及一系列實驗工況；

(2)將水泥環上下端面的氣體進入通道、氣體出口通道連接至壓力泵，通過計算機將釜體內的溫度、套管內壓、模擬圍巖的圍壓以及水泥環端面壓力調整至養護條件的溫度壓力，根據現場施工要求，在規定時間內候凝，養護硬化成環，形成模擬圍巖-水泥環-套管組合體；

(3)將水泥環端面的氣體進入通道連接氮氣瓶，氣體出口通道連接氣體流量計，保持圍壓一定，根據實驗工況改變套管內溫度壓力，當模擬的工況需要降溫操作時，開啟冷凝管，在計算機上設置參數，調節套管內溫度，穩定一定時間后修改參數，繼續實驗，同時計算機實時采集套管內應變片測試的套管徑向位移數據，以及周向位移計測試的模擬圍巖周向位移數據，在計算機處理界面顯示隨套管內壓力變化而造成的套管徑向位移曲線、發生密封失效前水泥環的應力及應變曲線，通過氣體流量計監測水泥環密封失效情況；

(4)取出模擬圍巖-水泥環-套管組合體，做微觀檢測，檢測水泥環內產生的微裂縫、一二界面處產生的微環隙，分析水泥環密封失效形式。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

(1)檢測數據豐富，以往水泥環密封實驗監測手段單一，以直觀監測是否發生“氣竄”為主，沒有數據作為支撐，而本發明能夠動態監測，隨著壓力變化、套管及模擬圍巖的變形，得到套管內壁的徑向位移后，依據理論模型可以得到在水泥環發生密封失效前的水泥環的應力及應變曲線，得到水泥環在井下條件下的本構方程，而以往曲線均是直接測試水泥石，與水泥石在井下環境的形態及服役環境不盡相同。

(2)能夠模擬套管內工作液轉換時的瞬時降溫過程，以往測試裝置雖然能夠模擬高溫高壓環境，但是降溫過程往往是釜體全部降溫，與井下工況不符，在實際井下環境中，當一個施工工序完成，進行下一步施工時往往需要循環其他密度的工作液，而循環的工作液由井口泵入井底時會產生井底套管內的瞬間溫度降落，套管水泥環驟冷，意味著套管及水泥環將面臨高壓下的收縮過程，本發明可模擬該過程并測試其對套管水泥環組合體的影響。

附圖說明

圖1為井筒工作液溫度驟變對井筒力學完整性影響的評價裝置的釜體結構示意圖。

圖2為釜體內部的結構示意圖。

圖中：1-金屬外罩；2-保溫層；3-釜體；4-加熱絲；5-圍壓增降壓閥門；6-支架；7-溫度傳感器；8-引線接口；9-冷凝管；10-內壓增降壓閥門；11、13-氣體進出管路；12-密封墊圈；14-模擬圍巖；15-水泥環；16-周向位移計；17-套管；18-下釜蓋；19-上釜蓋；20-應變片；21-偏心座；22-計算機；23-壓力泵。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

應當指出的是：相關技術人員在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾均屬于本發明權利要求的保護范圍之內。

參看圖1、圖2。

工作液溫度驟變對井筒力學完整性影響的評價裝置，包括測試主體和工作平臺，所述工作平臺有計算機22，設有壓力溫度控制終端。

所述測試主體包括支架6、位于支架上的釜體3，所述釜體3為鋼質中空圓筒，釜體壁外有金屬外罩1、保溫層2，釜體壁內有加熱絲4，釜體中從外向內依次為模擬圍巖14、環形空間、套管17，模擬圍巖連有周向位移計16，向環形空間置入水泥漿，水泥漿養護形成水泥環15后，釜體中形成模擬圍巖-水泥環-套管組合體，套管內有應變片20、溫度傳感器7和冷凝管9，所述周向位移計16、應變片20、溫度傳感器7均連接計算機22。

所述釜體有上釜蓋19、下釜蓋18，上釜蓋、下釜蓋與模擬圍巖-水泥環-套管組合體端面接觸部分為密封墊圈12及偏心座21，并設有氣體進出管路11、13，氣體進出管路有氣體進入通道和氣體出口通道；釜體下部設有圍壓增降壓閥門5，上釜蓋設有內壓增降壓閥門10；氣體進出管路、圍壓增降壓閥門及內壓增降壓閥門均連接由計算機控制的壓力泵23；氣體進入通道和氣體出口通道分別連通水泥環15的上、下端面，氣體進入通道連接氮氣瓶，氣體出口通道連接氣體流量計，上釜蓋還開有引線接口8，溫度傳感器7通過上釜蓋的引線接口接出并連接計算機22。

利用上述裝置評價工作液溫度驟變對井筒力學完整性影響的方法有很多種，下面逐一展開敘述：

（1）套管居中情況下井筒瞬時降溫對套管水泥環組合體影響實驗：

研究水泥環所處地層溫度170℃，地層壓力70mpa，將實際管柱尺寸按照幾何模型等比例縮小至裝置尺寸，組裝儀器，開啟計算機，準備灌入水泥漿，將現場應用水泥配方按api標準制備成漿，置入環形空間，密封儀器，按照固井時刻井筒內液柱壓力通過模型換算成實驗套管內壓，通過pc端同時施加套管內壓、圍壓及水泥環端面壓力，調整養護溫度，養護現場實際天數成環。根據后續實際工況，通過模型換算成實驗工況，即保持“地層壓力一定”改變“套管內壓”，在計算機內輸入改變的內壓值以及穩壓時間，并依據工況需要開啟冷凝管，使套管內溫度瞬時降低，同時檢測套管應變，檢查模擬圍巖周向位移。套管內壓力升高會導致套管膨脹，而套管內溫度降低又會導致套管收縮，在高壓低溫環境下套管如何變形，可以通過應變片檢測，同時若水泥環密封能力發生破壞，層間封隔失效，意味著水泥環端面的進氣孔與出氣孔之間會產生氣體流竄通道，發生氣體竄流的同時，氣體流量計檢測到氣體讀數變化。實驗結束，取出“模擬圍巖-水泥環-套管”組合體，進行微觀檢測，檢測1、2界面膠結及水泥環本體損傷情況，進行下一步分析。

（2）套管偏心情況下井筒瞬時降溫對套管水泥環組合體影響實驗：

調整上下釜蓋偏心座，根據實際情況近似選擇66.7%、50%、33.3%的偏心度，同時調整套管內中空柱體內應變計的角度，配合套管偏心情況進行實驗，后續實驗過程與套管居中情況下相似，此處不多做贅述。

（3）大肚子井眼情況下井筒瞬時降溫對套管水泥環組合體影響實驗：

根據井下實際井眼構造制作模擬圍巖，方法是將模擬圍巖與水泥環接觸壁面做成上下窄，中部寬的模式，而后按照正常工序進行試驗。

（4）充填不均情況下考慮了套管-水泥環瞬時降溫過程的水泥環封隔能力測試：

根據井下實際水泥環充填情況，在注水泥的環形空間內，不均勻地放入塊狀泡沫，而后灌入水泥漿進行試驗。

（5）腐蝕條件下井筒瞬時降溫對套管水泥環組合體影響實驗：

按照方法（1）組裝裝置后，水泥環端面注氣孔注入腐蝕氣體繼續實驗，調節壓力溫度，模擬現場工況，檢測水泥環是否發生密封失效；而后重復實驗，不同的是端面注氣孔注入非腐蝕性氣體，檢測水泥環是否發生密封失效，對比水泥環產生損傷的時刻即可判斷不同流體的腐蝕對水泥環密封能力的影響。