一種固井膠結失效的評價裝置製造方法
2023-05-29 23:27:11
一種固井膠結失效的評價裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種固井膠結失效的評價裝置，包括主體釜組件、循環釜組件、內循環葉片泵組件、卸油泵組件、高壓泵組件、油箱組件以及控制組件；所述主體釜組件內部設置有套管組件，所述主體釜組件外部纏繞設置有加熱結構，所述主體釜組件用於為所述套管組件提供測試所需的溫度、壓力；本實用新型可應用於水泥漿與外層套管膠結的研究【技術領域】，應用本實用新型能夠實現模擬套管內壓、圍壓的周期性變化以及氣竄流量等，能夠實現數據實時採集；能夠檢測到水泥環的氣竄，並進行精確的採集；能夠根據不同水泥環力學特性在不同溫度下對其膠結失效的影響規律，有針對性的設計適用的韌彈性水泥配方，制定合理的固井技術措施和正確選擇作業參數。
【專利說明】一種固井膠結失效的評價裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及固井技術中水泥漿與外層套管膠結的研究【技術領域】，尤其是一種固井膠結失效的評價裝置。
【背景技術】
[0002]中國南海鶯瓊盆地既存在高壓，也存在高溫，是目前世界海上三大高溫高壓地區之一。據不完全統計資料，1984年至2011年，我國南海海域共鑽高溫高壓探井25 口。從已鑽井情況看，大部分井集中在4000m-5000m之間。在已完成的25 口井中，溫度超過200°C，泥漿比重超過2.20sg以上的超高溫高壓井有4 口。1984-2004年，南海15 口高溫高壓井，中外作業者的作業過程都異常艱辛，固井成功率不高，特別是尾管固井，成功率僅47%。
[0003]據統計，東方區塊目前共有53 口在開發氣井，其中44 口帶壓，大部分是油套管帶壓，但也有表套和技套帶壓的，比較嚴重的是:DF1-1-D4 (技套帶壓)以及樂東22-1-A3井(技套帶壓)。了解水泥環井下環境下失效的力學機理，可以指導有針對性的制定固井技術措施和正確選擇後期作業參數，特別是優化水泥環變形參數和破壞參數，從而達到提高固井質量、防止水泥環水力膠結失效的目的，延長高溫高壓油氣井壽命。
[0004]在固井中，水泥環對地層的封隔性能對油氣井的生產安全、壽命和油田開發效益具有重要意義，具有較高封竄能力的水泥環是安全、環保地開發油層，實現勘探開發效益最大化的重要基礎。實際生產經驗表明，水泥漿頂替到位後，CBL/VDL測試顯示固井質量良好的井，在經歷後續的鑽進、鑽井液密度增加、地層完整性試驗、射孔、壓裂、溫度變化、求產、關井求壓等作業後，會導致水泥環與外層套管、水泥環與地層的膠結面產生微縫隙，造成油氣井井口竄流、井口環空帶壓等問題。這一問題造成安全、環保隱患，嚴重影響產能建設，大大降低勘探開發效益。
[0005]這一問題屬於固井後的長期氣竄問題，在目前技術條件下，常常發生在井下工況條件複雜的高溫高壓油氣井中。造成井口帶壓的原因主要是井下地層條件變化和後期作業引起的外層套管-水泥環-地層系統的受力狀態發生改變，導致環空水泥環應力-應變發生改變，水泥環發生了破壞喪失水力密封性，高壓氣體通過失效水泥環內部的微裂縫界面逐漸竄移至井口。
[0006]現有的模擬應力變化引起固井膠結失效的裝置存在如下特點:
[0007]I)沒有按照實際使用的外層套管加工實驗裝置；
[0008]實驗設備在外徑和壁厚上與實際外層套管的尺寸不一致。實驗設備在設計加工時，沒有採用具有實際使用外徑和壁厚的外層套管，而是在幾何尺寸上按照一定的比例縮小，這與實際工況不同；
[0009]2)膠結過程與驗竄實驗過程分離；
[0010]由水泥環膠結到模擬溫度-膠結失效實驗時的環境發生了改變，具體包括水泥漿的養護環境是否為高溫高壓、在模擬溫度-膠結失效實驗時是否加了圍壓、膠結環境與實驗環境是否相互獨立。現在設備普遍不能保證水泥漿能在同一套設備內完成膠結並開展溫度-膠結失效的實驗，這與實際工況不符；
[0011]3)不能定量評價氣竄；
[0012]在模擬溫度等因素改變引起水泥環膠結失效，引起氣竄的過程中，只是定性檢驗氣竄有無發生，並沒有定量檢驗一定工況改變時造成氣竄的量；
[0013]4)水泥環長度偏小；
[0014]在模擬的水泥環長度方面，普遍小於50cm，長度偏小，在實驗中不能較為全面反映實際工況存在的問題；
[0015]5)驗竄範圍不全面；
[0016]在驗竄方法上，普遍採用的是在水泥環一端注入氣體，以另一端能否收集到氣體作為判斷水泥環與外層套管是否產生微環隙及評價水泥環膠結好壞的標準。不能檢測在水泥環高度方向的中間位置產生微環隙而兩端膠結良好的工況。
[0017]6)實驗成本高；
[0018]與水泥環膠結的內層外層套管、外層的人造地層或外層套管在一次實驗後均報廢，造成實驗研究成本過高。
[0019]7)實驗條件參數較低；
[0020]不能同時模擬高溫高壓井井底靜止溫度最高160°C，地層孔隙壓力6000psi，套管內最高壓力載荷IOOOOpsi的工況。
實用新型內容
[0021]本實用新型解決的技術問題是提供一種固井膠結失效的評價裝置，能夠模擬套管內壓、圍壓的周期性變化以及氣竄流量等，能夠實現數據實時採集；能夠檢測到水泥環的氣竄，並進行精確的採集；能夠根據不同水泥環力學特性在不同溫度下對其膠結失效的影響規律，有針對性的設計適用的韌彈性水泥配方，制定合理的固井技術措施和正確選擇作業參數。
[0022]為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種固井膠結失效的評價裝置，其特徵在於，包括主體釜組件、循環釜組件、內循環葉片泵組件、卸油泵組件、高壓泵組件、油箱組件以及控制組件；其中，
[0023]所述主體釜組件內部設置有套管組件，所述主體釜組件外部纏繞設置有加熱結構，所述主體釜組件用於為所述套管組件提供測試所需的溫度、壓力；
[0024]所述循環釜組件通過所述內循環葉片泵組件與所述主體釜組件，所述循環釜組件用於為所述套管組件提供傳熱介質；
[0025]所述高壓泵組件與所述套管組件連接，所述高壓泵組件用於為所述套管組件提供測試所需的壓力；
[0026]所述卸油泵組件與所述主體釜組件、循環釜組件連接，所述卸油泵組件用於測試完成後將所述主體釜組件、循環釜組件內的傳熱介質收集到油箱組件中；
[0027]所述控制組件與所述主體釜組件、循環釜組件、內循環葉片泵組件、卸油泵組件、高壓泵組件、油箱組件之間設置有電磁閥，所述控制組件通過控制所述電磁閥實現對所述套管組件的測試。
[0028]上述固井膠結失效的評價裝置還可具有如下特點:[0029]所述套管組件包括內層套管，所述內層套管外側依次套設有膠套、外層套管、外層釜體，所述外層套管用於支撐所述膠套；
[0030]所述內層套管與所述膠套之間的第一環空腔體用於容納水泥環，所述外層套管與所述外層釜體之間的第二環空腔體用於容納傳熱加壓介質；
[0031]所述套管組件頂部設置有釜蓋結構，所述套管組件底部設置有釜底結構，所述釜蓋結構設置有注氣孔路，所述釜底結構設置有排氣孔路；所述注氣孔路用於注入氮氣操作，將所述第一環空腔體與所述第二環空腔體形成等壓空腔；所述排氣孔路用於檢測所述水泥環的洩露情況。
[0032]上述固井膠結失效的評價裝置還可具有如下特點:
[0033]還包括天平組件，所述排氣孔路排出的氣體通過所述天平組件實現定量測量所述水泥環中發生的氣竄量；
[0034]所述天平組件採用排水法定量測量所述水泥環中發生的氣竄量。
[0035]上述固井膠結失效的評價裝置還可具有如下特點:
[0036]還包括承載板，所述承載板設置在所述油箱組件與所述高壓泵組件的下方。
[0037]上述固井膠結失效的評價裝置還可具有如下特點:
[0038]所述外層套管為對稱設置有兩個半圓管件，所述半圓管件設置有小孔，所述小孔用於將圍壓施加在所述膠套上。
[0039]上述固井膠結失效的評價裝置還可具有如下特點:
[0040]所述釜蓋結構底部與所述外層套管之間設置有壓蓋，所述釜蓋結構外側對稱設置有兩個釜柄，所述釜蓋結構頂部設置有長轉接頭、短轉接頭。
[0041]上述固井膠結失效的評價裝置還可具有如下特點:
[0042]所述外層套管與所述外層釜體之間設置有扶正管夾。
[0043]上述固井膠結失效的評價裝置還可具有如下特點:
[0044]所述排氣孔路處填充有工業毛氈。
[0045]上述固井膠結失效的評價裝置還可具有如下特點:
[0046]所述水泥環高度為1000mm。
[0047]上述固井膠結失效的評價裝置還可具有如下特點:
[0048]所述內層套管為4-1/2"套管。
[0049]本實用新型上述技術方案具有如下有益效果:
[0050]本實用新型通過用於為套管組件提供測試所需的溫度、壓力的主體釜組件；通過用於為套管組件提供傳熱介質循環釜組件；通過用於為套管組件提供測試所需的壓力的高壓泵組件；通過用於測試完成後將主體釜組件、循環釜組件內的傳熱介質收集到油箱組件中的卸油泵組件；通過控制電磁閥實現對套管組件的測試的控制組件，能夠實現根據不同水泥環力學特性在不同溫度下對其膠結失效的影響規律，有針對性的設計適用的韌彈性水泥配方，制定合理的固井技術措施和正確選擇作業參數；能夠滿足井底靜止溫度最高160°C，地層孔隙壓力6000psi，套管內最高壓力載荷IOOOOpsi的工況；能夠模擬現場固井作業後的試壓、地應力變化等作業情況，檢驗井底水泥環韌彈性及層間封隔性能，為現場試壓作業提供可靠參數，如此類水泥石耐壓的大小、試壓的次數多少時，水泥石的層間封隔失效。[0051]本實用新型的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本實用新型而了解。本實用新型的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0052]附圖用來提供對本實用新型技術方案的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本申請的實施例一起用於解釋本實用新型的技術方案，並不構成對本實用新型技術方案的限制。
[0053]圖1為本實用新型實施例的第一結構示意圖；
[0054]圖2為本實用新型實施例的第二結構示意圖；
[0055]圖3為本實用新型實施例中套管組件的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0056]為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下文中將結合附圖對本實用新型的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互任意組合。
[0057]本實用新型提供了一種固井膠結失效的評價裝置，結合圖1、圖2所示，可以包括主體釜組件、循環釜組件8、內循環葉片泵組件7、卸油泵組件4、高壓泵組件5、油箱組件3以及控制組件2;其中，
[0058]主體釜組件內部設置有套管組件1，主體釜組件外部纏繞設置有加熱結構，主體釜組件用於為套管組件I提供測試所需的溫度、壓力；循環釜組件8通過內循環葉片泵組件7與主體釜組件，循環釜組件8用於為套管組件I提供傳熱介質。
[0059]高壓泵組件5與套管組件I連接，高壓泵組件5用於為套管組件I提供測試所需的壓力；卸油泵組件4與主體釜組件、循環釜組件8連接，卸油泵組件4用於測試完成後將主體釜組件、循環釜組件8內的傳熱介質收集到油箱組件3中。
[0060]控制組件2與主體釜組件、循環釜組件8、內循環葉片泵組件7、卸油泵組件4、高壓泵組件5、油箱組件3之間設置有電磁閥，控制組件2通過控制電磁閥實現對套管組件I的測試。
[0061]如圖3所示，本實用新型具體操作中，套管組件I可以包括內層套管11，內層套管11外側依次套設有膠套12、外層套管13、外層釜體14，外層套管13用於支撐膠套12 ;內層套管11與膠套12之間的第一環空腔體16用於容納水泥環，外層套管13與外層釜體14之間的第二環空腔體15用於容納傳熱加壓介質。
[0062]其中，套管組件I頂部設置有釜蓋結構18，套管組件I底部設置有釜底結構10，釜蓋結構18設置有注氣孔路，釜底結構10設置有排氣孔路；注氣孔路用於注入氮氣操作，將第一環空腔體16與第二環空腔體形成等壓空腔；排氣孔路用於檢測水泥環的洩露情況。
[0063]優選地，本實用新型具體操作中，可通過主體釜組件外部纏繞設置的加熱結構可以實現對套管組件I的外側環境模擬，具體包括溫度、壓力；可通過循環釜組件8與內循環葉片泵組件7實現對套管組件I中的內側套管提供傳熱介質。上述內側套管的加熱、加壓控制與第一環空腔體16、第二環空腔體15的加熱、加壓控制為兩個獨立的控制系統，能夠實現各自真實地層環境的模擬，能夠更加的真實的針對水泥環進行相應的性能測試。
[0064]優選地，本實用新型具體操作中，還包括天平組件，排氣孔路排出的氣體通過天平組件實現定量測量水泥環中發生的氣竄量；天平組件採用排水法定量測量水泥環中發生的氣竄量。上述天平組件能夠實現定量測量水泥環中發生的氣竄量，並能夠根據壓力、溫度不同測試環境，進行相應的氣竄量統計分析；並得出不同水泥環力學特性在不同溫度下對其膠結失效的影響規律，進而有針對性的設計適用的韌彈性水泥配方，制定合理的固井技術措施和正確選擇作業參數。
[0065]優選地，本實用新型具體操作中，還包括承載板6，承載板6設置在油箱組件3與高壓泵組件5的下方；上述承載板6的設置能夠提高高壓泵組件5與裝置整體連接的穩定性。
[0066]優選地，本實用新型具體操作中，外層套管13為對稱設置有兩個半圓管件，半圓管件設置有小孔，小孔用於將圍壓施加在膠套12上。上述膠套12通過採用具有彈性、能夠受壓密封的橡膠套12時下為水泥環膠結提供更加真實地層環境的腔室，具體並將外層套管13加工成兩半，實驗時將兩半套管合在一起並緊固；並在套管上面加工有孔，可將圍壓加在膠套12上面；使用後能夠打開，達到重複利用的效果。
[0067]優選地，釜蓋結構18底部與外層套管13之間設置有壓蓋17，釜蓋結構18外側對稱設置有兩個釜柄22，釜蓋結構18頂部設置有長轉接頭20、短轉接頭21，長轉接頭20處設置有熱電偶19。通過上述長轉接頭、短轉接頭以及與內層套管11內部連通的孔路能夠實現對內層套管11內部環境的檢測，如壓力檢測，溫度檢測等。優選地，通過在外層釜體14上設置的與第二環空腔體15連通的孔路能夠實現對第二環空腔體15內部環境的檢測，如壓力檢測、溫度檢測等；其中，第一環空腔體16與第二環空腔為等壓空腔。
[0068]優選地，為了提高本實用新型具體操作中套管組件I安裝的精確度；可在外層套管13與外層釜體14之間設置扶正管夾23 ;通過上述扶正管夾23，能夠有效確保外層套管13等結構在套管組件I中安裝的精確度。優選地，本實用新型具體操作中，排氣孔路處可填充有工業毛氈；針對釜底驗竄出氣孔，採用工業毛氈填充，既能確保不被水泥漿封堵，又可以使氣體通過，不影響驗竄；同時，本實用新型能夠測試水泥環中部膠結狀況的裝置，掃除水泥環兩端膠結良好、中間段膠結較差而無法檢測的盲區。優選地，本實用新型能夠實現固井、測試操作採用同一管柱，能夠有效保證固井過程中水泥環外側的圍壓與測試環境中的圍壓相同；能夠有效避免現有技術中，水泥漿成型操作與測試操作採用不同管柱的情況，上述採用統一管柱的成型操作、測試操作，能夠有效保證測試所需的壓力環境，能夠有效保證測試的準確性。
[0069]優選地，為了進一步的提高測試工況與真實地層環境的相近，本實用新型具體操作中，水泥環高度為1000mm，內層套管為4-1/2"套管。
[0070]本實用新型以模擬高溫高壓井井下工況，開展溫度變化引起固井水泥環膠結失效實驗、分析固井水泥環失效原因、研究水泥環膠結失效的機理為目的，針對目前國內外固井膠結失效模擬實驗裝置不能模擬高溫高壓井井下實際工況、缺乏定量測試水泥環氣竄流量、缺乏檢測水泥環中間段的膠結情況、不能在一臺設備內完成水泥漿膠結並開展溫度-水泥環膠結失效實驗等問題，設計了一種針對6"井眼、4-1/2"尾管，能夠模擬井底靜止溫度最高160°C，地層孔隙壓力6000psi，套管內最高壓力載荷IOOOOpsi的工況，能夠模擬套管內壓、水泥環溫度周期性變化並定量測試氣竄流量、檢測水泥環中間段的膠結情況、能夠供水泥環膠結並實現溫度-膠結失效測試、內層套管等試驗部件可以重複利用、實現數據實時採集的裝置。
[0071]優選地，本實用新型具體操作中，可通過如下方式實現:
[0072]1.在工作檯上將4-1/2"內層套管、膠套安裝；
[0073]2.將兩半外層套管安裝在膠套外，將此兩半套管合在一起、緊固，此時需要注意橡膠套上段部與套管的配合；
[0074]3.注入配置好的水泥漿，在注入過程中攪拌，防止水泥環膠結過程中存在空腔；
[0075]4.將水泥漿注入到預定位置後，在4-1/2"上端部安裝輔助聯接裝置，通過吊升裝置將套管組件由工作檯，安放在主體釜組件內；
[0076]5.取下4-1/2"套管上端部的輔助聯接裝置，安裝套管密度端蓋和高壓釜的密封端蓋;
[0077]6.接通聞壓輸氣、輸油管路；
[0078]7.通過伺服控制裝置，將高壓釜內溫度、壓力升至與實際井下工況一致，按照實際時間養護水泥石，使水泥環膠結；
[0079]8.膠結時間結束後，調整套管組件所受圍壓和測量氣竄壓力；通過設備的加溫和冷卻裝置快速、準確地模擬井下工況溫差大的特點；
[0080]9.實驗過程中，利用天平排水法，檢測隨溫度改變水泥環膠結的狀態，並用計算機完成信號採集。
[0081]本實用新型提供的上述技術方案能夠模擬套管內壓、圍壓的周期性變化以及氣竄流量等，能夠實現數據實時採集；能夠檢測到水泥環的氣竄，並進行精確的採集；能夠根據不同水泥環力學特性在不同溫度下對其膠結失效的影響規律，有針對性的設計適用的韌彈性水泥配方，制定合理的固井技術措施和正確選擇作業參數；同時，上述技術方案組成合理，易於推聞和實施。
[0082]本領域的技術人員應該明白，雖然本實用新型所揭露的實施方式如上，但的內容僅為便於理解本實用新型而採用的實施方式，並非用以限定本實用新型。任何本實用新型所屬領域內的技術人員，在不脫離本實用新型所揭露的精神和範圍的前提下，可以在實施的形式及細節上進行任何的修改與變化，但本實用新型的專利保護範圍，仍須以所附的權利要求書所界定的範圍為準。
【權利要求】
1.一種固井膠結失效的評價裝置，其特徵在於，包括主體釜組件、循環釜組件、內循環葉片泵組件、卸油泵組件、高壓泵組件、油箱組件以及控制組件；其中， 所述主體釜組件內部設置有套管組件，所述主體釜組件外部纏繞設置有加熱結構，所述主體釜組件用於為所述套管組件提供測試所需的溫度、壓力； 所述循環釜組件通過所述內循環葉片泵組件與所述主體釜組件，所述循環釜組件用於為所述套管組件提供傳熱介質； 所述高壓泵組件與所述套管組件連接，所述高壓泵組件用於為所述套管組件提供測試所需的壓力； 所述卸油泵組件與所述主體釜組件、循環釜組件連接，所述卸油泵組件用於測試完成後將所述主體釜組件、循環釜組件內的傳熱介質收集到油箱組件中； 所述控制組件與所述主體釜組件、循環釜組件、內循環葉片泵組件、卸油泵組件、高壓泵組件、油箱組件之間設置有電磁閥，所述控制組件通過控制所述電磁閥實現對所述套管組件的測試。
2.根據權利要求1所述的固井膠結失效的評價裝置，其特徵在於，所述套管組件包括內層套管，所述內層套管外側依次套設有膠套、外層套管、外層釜體，所述外層套管用於支撐所述膠套； 所述內層套管與所述膠套之間的第一環空腔體用於容納水泥環，所述外層套管與所述外層釜體之間的第二環空腔體用於容納傳熱加壓介質； 所述套管組件頂部設置有釜蓋結構，所述套管組件底部設置有釜底結構，所述釜蓋結構設置有注氣孔路，所述釜底結構設置有排氣孔路；所述注氣孔路用於注入氮氣操作，將所述第一環空腔體與所述第二環空腔體形成等壓空腔；所述排氣孔路用於檢測所述水泥環的洩露情況。
3.根據權利要求2所述的固井膠結失效的評價裝置，其特徵在於，還包括天平組件，所述排氣孔路排出的氣體通過所述天平組件實現定量測量所述水泥環中發生的氣竄量； 所述天平組件採用排水法定量測量所述水泥環中發生的氣竄量。
4.根據權利要求2所述的固井膠結失效的評價裝置，其特徵在於，還包括承載板，所述承載板設置在所述油箱組件與所述高壓泵組件的下方。
5.根據權利要求2或3或4所述的固井膠結失效的評價裝置，其特徵在於，所述外層套管為對稱設置有兩個半圓管件，所述半圓管件設置有小孔，所述小孔用於將圍壓施加在所述膠套上。
6.根據權利要求2或3或4所述的固井膠結失效的評價裝置，其特徵在於，所述釜蓋結構底部與所述外層套管之間設置有壓蓋，所述釜蓋結構外側對稱設置有兩個釜柄，所述釜蓋結構頂部設置有長轉接頭、短轉接頭。
7.根據權利要求2或3或4所述的固井膠結失效的評價裝置，其特徵在於，所述外層套管與所述外層釜體之間設置有扶正管夾。
8.根據權利要求2或3或4所述的固井膠結失效的評價裝置，其特徵在於，所述排氣孔路處填充有工業毛氈。
9.根據權利要求2或3或4所述的固井膠結失效的評價裝置，其特徵在於，所述水泥環高度為1000mm。
10.根據 權利要求2或3或4所述的固井膠結失效的評價裝置，其特徵在於，所述內層套管為4-1/2"套管。
【文檔編號】E21B47/005GK203756155SQ201420067370
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年2月14日 優先權日:2014年2月14日
【發明者】朱江林, 羅宇維, 趙琥, 王永松, 羅東輝, 楊振宇, 呂維軍, 許前富, 趙軍 申請人:中國海洋石油總公司, 中海油田服務股份有限公司