一種水泥環密封性及套管抬升的實驗裝置的製作方法

2023-05-19 23:40:56 2

本實用新型涉及油氣井工程領域，具體地，涉及一種水泥環密封性及套管抬升的實驗裝置。

背景技術：

高溫和高壓環境會導致水泥環性能改變，密封性失效，套管軸向熱應力過大引起井口抬升。目前，雖然某些油井在固井作業後得到不錯的測井評價，但是油井在經過高溫和高壓環境後會出現井口抬升，井口冒油、冒氣，甚至出現層間竄槽等複雜情況。因此，對水泥環密封性失效和井口抬升機理的研究具有很好的現場應用意義。

但是，目前的實驗裝置不能充分模擬高溫高壓環境對套管柱抬升和水泥環密封性的影響結果，無法為油田生產風險分析提供可靠的理論依據。

技術實現要素：

本實用新型實施例的主要目的在於提供一種水泥環密封性及套管抬升的實驗裝置，用以模擬高溫高壓環境對套管柱抬升和水泥環密封性的影響結果。為了實現上述目的，本實用新型實施例提供一種水泥環密封性及套管抬升的實驗裝置，包括：釜體，釜體內部有多個套管，包括：表層套管，與夾持器外殼之間構成圍壓腔；位於表層套管內部、與表層套管同軸相套的中間套管，並與表層套管形成第二環空；位於中間套管內部、與中間套管同軸相套的生產套管，並與中間套管形成第一環空；環空圈閉流體壓力升高實驗裝置還包括：水泥漿儲存罐，用於向第一環空與第二環空注入水泥漿；加熱棒，下入到生產套管內腔，用於加熱加熱液至設定溫度；與圍壓腔連接的自動圍壓泵，用於向表層套管施加設定圍壓；位於圍壓腔與自動圍壓泵之間的圍壓傳感器，用於採集圍壓數據；與生產套管內腔連接的內壓泵，向生產套管內腔施加設定內壓；位於生產套管內部的內壓傳感器，用於採集內壓數據；高壓氣源，用於向第一環空與第二環空輸入高壓氣體；位於高壓氣源與釜體之間的高壓氣源壓力傳感器，用於採集高壓氣源壓力數據；生產套管內腔、第一環空和第二環空均插有溫度傳感器，用於採集溫度數據；生產套管和中間套管上均連接位移傳感器，用於採集生產套管和中間套管的位移數據；氣體流量計，用於分別測量第一環空與第二環空的氣體流量。

在其中一種實施例中，還包括：分別與加熱棒、自動圍壓泵、高壓氣源、內壓泵、內壓傳感器、圍壓傳感器、高壓氣源壓力傳感器、氣體流量計、多個溫度傳感器、以及多個位移傳感器連接的控制裝置，用於控制加熱棒加熱加熱液、控制自動圍壓泵向表層套管施加設定圍壓，控制高壓氣源向第一環空與第二環空輸入高壓氣體，控制內壓泵向生產套管內腔施加設定內壓，採集來自圍壓傳感器的圍壓數據、來自內壓傳感器的內壓數據、來自高壓氣源壓力傳感器的高壓氣源壓力數據、來自氣體流量計的第一環空與第二環空的氣體流量、來自多個溫度傳感器的多個溫度數據、以及來自多個位移傳感器的生產套管和中間套管的多個位移數據。

在其中一種實施例中，還包括：水泥漿總控制閥，第一端與水泥漿儲存罐連接，第二端分別與高壓氣源總控制閥第二端、第一控制閥第一端和第二控制閥第一端連接；高壓氣源總控制閥，第一端與高壓氣源連接，第二端還分別與第一控制閥第一端和第二控制閥第一端連接；第一控制閥，第一端還與第二控制閥第一端連接，第二端與第一環空連接；第二控制閥，第二端與第二環空連接；氣體流量計第一控制閥，第一端與第一環空連接，第二端分別與氣體流量計第二控制閥第二端和氣體流量計連接；氣體流量計第二控制閥，第一端與第二環空連接，第二端還與氣體流量計連接；內壓泵控制閥，第一端與內壓泵連接，第二端與生產套管內腔連接。

在其中一種實施例中，還包括：釜體包括上釜蓋與下釜座；上釜蓋與下釜座上均有兩兩相對的多個凹槽，用於分別插入表層套管、中間套管和生產套管。

在其中一種實施例中，還包括：多個密封圈，用於密封多個凹槽。

在其中一種實施例中，還包括：位於上釜蓋的上流道；上流道與冷凝泵連接，冷凝泵用於輸送冷凝水冷卻上釜蓋；冷凝泵控制閥，第一端與上流道連接，第二端與冷凝泵連接。

在其中一種實施例中，加熱液為油或水。

因為本實用新型的水泥環密封性及套管抬升的實驗裝置通過水泥漿儲存罐向第一環空以及第二環空注入水泥漿模擬地層地質環境，通過加熱棒加熱加熱液至設定溫度，通過自動圍壓泵向表層套管施加設定圍壓，通過內壓泵向生產套管內腔施加設定內壓，通過高壓氣源向第一環空與第二環空輸入高壓氣體，通過圍壓傳感器、內壓傳感器、高壓氣源壓力傳感器、氣體流量計、溫度傳感器和位移傳感器進行數據採集，從而模擬高溫高壓對井口抬升和水泥環密封性影響結果。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實用新型實施例中水泥環密封性及套管抬升的實驗裝置的結構圖。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

鑑於現有技術不能充分模擬高溫高壓環境對套管柱抬升和水泥環密封性的影響結果，本實用新型實施例提供一種水泥環密封性及套管抬升的實驗裝置，通過水泥漿儲存罐向第一環空以及第二環空注入水泥漿模擬地層地質環境，通過加熱棒加熱加熱液至設定溫度，通過自動圍壓泵向表層套管施加設定圍壓，通過內壓泵向生產套管內腔施加設定內壓，通過高壓氣源向第一環空與第二環空輸入高壓氣體，通過圍壓傳感器、內壓傳感器、高壓氣源壓力傳感器、氣體流量計、溫度傳感器和位移傳感器進行數據採集，從而模擬高溫高壓對井口抬升和水泥環密封性影響結果。以下結合附圖對本實用新型進行詳細說明。

圖1是本實用新型實施例中水泥環密封性及套管抬升的實驗裝置的結構圖。如圖1所示，水泥環密封性及套管抬升的實驗裝置包括：釜體，釜體內部有多個套管，包括：表層套管5，與夾持器外殼39之間構成圍壓腔2；位於表層套管5內部、與表層套管5同軸相套的中間套管27，並與表層套管5形成第二環空6；位於中間套管27內部、與中間套管27同軸相套的生產套管29，並與中間套管27形成第一環空28；環空圈閉流體壓力升高實驗裝置還包括：水泥漿儲存罐10，用於向第一環空28與第二環空6注入水泥漿；加熱棒19，下入到生產套管內腔30，用於加熱加熱液至設定溫度；與圍壓腔2連接的自動圍壓泵3，用於向表層套管5施加設定圍壓；位於圍壓腔2與自動圍壓泵3之間的圍壓傳感器4，用於採集圍壓數據；與生產套管內腔30連接的內壓泵38，向生產套管內腔30施加設定內壓；位於生產套管29內部的內壓傳感器18，用於採集內壓數據；高壓氣源11，用於向第一環空28與第二環空6輸入高壓氣體；位於高壓氣源11與釜體之間的高壓氣源壓力傳感器14，用於採集高壓氣源壓力數據；生產套管內腔30、第一環空28和第二環空6均插有溫度傳感器20，用於採集溫度數據；生產套管29和中間套管27上均連接位移傳感器16，用於採集生產套管29和中間套管27的位移數據；氣體流量計31，用於分別測量第一環空28與第二環空6的氣體流量。

具體實施時，釜體可以包括上釜蓋8與下釜座35，上釜蓋8頂部設有密封殼蓋，用於隔熱。上釜蓋8與下釜座35上均有兩兩相對的多個凹槽，用於分別插入表層套管5、中間套管27和生產套管29，其中，凹槽可以為多個不同尺寸的同心圓。水泥環密封性及套管抬升的實驗裝置還可以包括多個密封圈，用於密封多個凹槽。

實施例中，水泥漿儲存罐10、高壓氣源11、內壓泵38和自動圍壓泵3均可以通過輸入管匯與釜體連接。水泥漿儲存罐10通過注液孔7和17向第一環空28與第二環空6注入一定體積的水泥漿模擬地層地質環境。其中，水泥漿各成分的配比可以按照實驗需要任意調整。加熱棒9可以採用電加熱的方式加熱加熱液至設定溫度，令熱量向外傳遞，模擬高溫流體和井中的溫度環境。其中，加熱液可以為油或水。自動圍壓泵3向表層套管5施加設定圍壓模擬地層圍壓，高壓氣源11向第一環空28與第二環空6輸入高壓氣體，內壓泵38通過內壓口34向生產套管內腔30施加設定內壓，以模擬井中的壓力環境。圍壓傳感器4、內壓傳感器18、高壓氣源壓力傳感器14、氣體流量計31和各個套管內部的溫度溫度傳感器20進行數據採集，根據數據的變化模擬高溫高壓對井口抬升和水泥環密封性影響結果。

如圖1所示，水泥環密封性及套管抬升的實驗裝置還可以包括：分別與加熱棒19、自動圍壓泵3、內壓傳感器18、高壓氣源11、內壓泵38、圍壓傳感器4、高壓氣源壓力傳感器14、氣體流量計31、多個溫度傳感器20、以及多個位移傳感器16連接的控制裝置1，用於控制加熱棒19加熱加熱液、控制自動圍壓泵3向表層套管5施加設定圍壓，控制高壓氣源11向第一環空28與第二環空6輸入高壓氣體，控制內壓泵38向生產套管內腔30施加設定內壓，採集來自圍壓傳感器4的圍壓數據、來自內壓傳感器18的內壓數據、來自高壓氣源壓力傳感器14的高壓氣源壓力數據、來自氣體流量計31的第一環空28與第二環空6的氣體流量、來自多個溫度傳感器20的多個溫度數據、以及來自多個位移傳感器16的生產套管29和中間套管27的位移數據。加熱棒19、自動圍壓泵3、高壓氣源11、內壓泵38、圍壓傳感器4、內壓傳感器18、壓氣源壓力傳感器14、氣體流量計31、多個溫度傳感器20、以及多個位移傳感器16可以通過數據採集線路與控制裝置1相連，也可以通過藍牙、GPRS等無線通信設備與控制裝置1相連。

實施例中，水泥環密封性及套管抬升的實驗裝置還可以包括：水泥漿總控制閥12，第一端與水泥漿儲存罐10連接，第二端分別與高壓氣源總控制閥13第二端、第一控制閥15第一端和第二控制閥9第一端連接；高壓氣源總控制閥13，第一端與高壓氣源11連接，第二端還分別與第一控制閥15第一端和第二控制閥9第一端連接；第一控制閥15，第一端還與第二控制閥9第一端連接，第二端與第一環空28連接；第二控制閥9，第二端與第二環空6連接；氣體流量計第一控制閥32，第一端與第一環空28連接，第二端分別與氣體流量計第二控制閥33第二端和氣體流量計31連接；氣體流量計第二控制閥33，第一端與第二環空6連接，第二端還與氣體流量計31連接；內壓泵控制閥36，第一端與內壓泵38連接，第二端與生產套管內腔30連接。

具體實施時，還可以通過控制裝置1控制上述閥門的打開與關閉，以控制高壓氣源11向第一環空28與第二環空6輸入高壓氣體、控制自動圍壓泵3向表層套管5施加設定圍壓，控制內壓泵38向生產套管內腔30施加設定內壓。

如圖1所示，水泥環密封性及套管抬升的實驗裝置還可以包括：位於上釜蓋8的上流道22；上流道22與冷凝泵26連接，冷凝泵26用於輸送冷凝水冷卻上釜蓋8；冷凝泵控制閥25，第一端與上流道22連接，第二端與冷凝泵26連接。通過冷卻釜體的冷凝泵26，可以防止釜體溫度過高引起O型密封圈失效。

本實用新型的具體工作過程為：

1.向生產套管內腔30注入加熱液，水泥漿儲存罐10向第一環空28與第二環空6注滿水泥漿，加熱棒19加熱加熱液至設定溫度；

2.自動圍壓泵3向表層套管5施加設定圍壓，內壓泵38向生產套管內腔30施加設定內壓；

3.設定養護水泥環密封性及套管抬升的實驗裝置的第一時間，直至水泥漿膠結成的水泥環與表層套管5、中間套管27和生產套管29膠結成一個整體；

4.多個位移傳感器16採集生產套管29和中間套管27的位移數據；

5.關閉加熱棒9令加熱液溫度降至常溫，在此過程中，多個位移傳感器16採集生產套管29和中間套管27的位移數據、多個溫度傳感器20採集多個溫度數據，直至生產套管29和中間套管27的位移數據不變；

6.高壓氣源11向第一環空28與第二環空6輸入高壓氣體；

7.高壓氣源壓力傳感器14採集高壓氣源壓力數據，氣體流量計31分別測量第一環空28與第二環空6的氣體流量數據。

實施例中，可以用O型密封橡膠圈密封凹槽，將生產套管29、中間套管27和模擬地層5插入下釜座35對應的凹槽內，與上釜蓋8配合組裝。在套管內腔30注入加熱液，加熱液可以為水或油。從上釜蓋8中央下入加熱棒19，固定密封。在水泥漿儲存罐10中按照一定的配比配置水泥漿。其中，水泥漿各成分的配比可以按照實驗需要任意調整。打開水泥漿總控制閥12、第一控制閥15和第二控制閥9，通過水泥漿儲存罐10向第一環空28與第二環空6注入配置好的水泥漿，待有水泥漿從儲液溢出管線中溢出時表明水泥漿已經注滿，關閉水泥漿總控制閥12。

具體實施時，加熱棒19加熱至生產套管29內的溫度傳感器20的溫度數據可以為122℃，用以模擬地層溫度；自動圍壓泵3可以向表層套管5施加60Mpa的圍壓；打開內壓泵控制閥36令內壓泵38向生產套管內腔30施加設定內壓。通過工作過程5與工作過程6，得出高溫高壓對井口抬升影響結果。

具體實施時，可以先打開高壓氣源總控制閥13和氣體流量計第一控制閥32，通過氣體流量計31記錄此時第一環空28的氣體流量。然後關閉氣體流量計第一控制閥32，打開氣體流量計第二控制閥33，通過氣體流量計31記錄此時第二環空6的氣體流量。通過工作過程7，得出高溫高壓對水泥環密封性影響結果。

本實用新型的具體工作過程還可以包括：

8.加熱棒9加熱加熱液至設定溫度後，持續加熱第二設定時間。

9.關閉加熱棒9令加熱液溫度降至常溫，在此過程中，多個位移傳感器16採集生產套管29和中間套管27的位移數據、多個溫度傳感器20採集多個溫度數據，直至生產套管29和中間套管27的位移數據不變；

10.高壓氣源11向第一環空28與第二環空6輸入高壓氣體；

11.高壓氣源壓力傳感器14採集高壓氣源壓力數據，氣體流量計31分別測量第一環空28與第二環空6的氣體流量數據。

12.循環工作過程8-工作過程11，直至第一環空28的氣體流量數據、第二環空6的氣體流量數據、生產套管29的位移數據和中間套管27的位移數據不再發生變化。

當第一環空28的氣體流量數據、第二環空6的氣體流量數據、生產套管29的位移數據和中間套管27的位移數據不再發生變化時，表明水泥環已經完全脫離表層套管5、中間套管27和生產套管29，水泥環密封失效。

通過實施本實用新型，可以得到多組第一環空28的氣體流量數據、第二環空6的氣體流量數據、生產套管29的位移數據和中間套管27的位移數據。比較上述多組數據，可以得到蒸汽吞吐對井口抬升和水泥環密封性影響結果，得出水泥環密封性和井口抬升變化規律。

本實用新型的主要技術指標如下：

1)實驗溫度：常溫-220℃；

2)內壓：0-15Mpa；

3)圍壓：0-60Mpa；

4)生產套管尺寸：7英寸，壁厚8.05mm，長度500mm；

6)中間套管尺寸：9.625英寸，壁厚9.19mm，長度500mm；

7)表層套管尺寸：13.375英寸，壁厚12.09mm，長度500mm；

8)壓力傳感器：環空流體壓力傳感器、圍壓傳感器和高壓氣源壓力傳感器的量程是70MPa，內壓傳感器的量程是20MPa；傳感器敏感度為0.27％FS；

9)套管表面粗糙度：0.2。

其中，常溫可以為25℃。

綜上，本實用新型的水泥環密封性及套管抬升的實驗裝置通過水泥漿儲存罐向第一環空以及第二環空注入水泥漿模擬地層地質環境，通過加熱棒加熱加熱液至設定溫度，通過自動圍壓泵向表層套管施加設定圍壓，通過內壓泵向生產套管內腔施加設定內壓，通過高壓氣源向第一環空與第二環空輸入高壓氣體，通過圍壓傳感器、內壓傳感器、高壓氣源壓力傳感器、氣體流量計、溫度傳感器和位移傳感器進行數據採集，從而模擬高溫高壓對井口抬升和水泥環密封性影響結果。本實用新型實施例還可以通過冷凝泵冷卻釜體，防止釜體溫度過高引起O型密封圈失效。

以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，並不用於限定本實用新型的保護範圍，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。