CN113376030A - 一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种油气井水泥环压力传递演化规律的测试装置及方法，其特征在于，装置主要包括：直角台肩、上腔体、第一锥形台肩、下腔体、水泥环、内螺纹、下组合垫圈、承压腔室、上组合垫圈、高精度应变计、第二锥形台肩、定位孔、凹槽、盲孔，基于该装置及方法可有效模拟套管外水泥环对深井及超深井地层压力的传递及演化过程，开展不同地层压力作用下，套管外水泥环压力传递演化规律测试，并准确获取地层压力作用下水泥环套管受到的外压/背压及其随时间的演变规律、套管外水泥环对地层压力的传递效率、水泥浆体系及水泥环厚度对管外水泥环压力传递的影响规律，全面反应水泥环压力传递特性及演化规律，为深井及超深井套管选材及强度设计提供理论支撑。
Description
技术领域
本发明涉及油气井钻采工程技术领域，具体是一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置及方法。
技术背景
随着油气勘探开发的不断深入，因地质、工程和腐蚀等因素的影响，套管损坏的现象时有发生，尤其是在深井、超深井及大规模压裂的页岩气井中，该现象严重影响了油气田开发。套管若受到压裂产生的内压过大，可能发生爆裂失效；套管若受到来自地层的外压过大，可能发生挤毁失效，上述事故都将导致油气井报废。因此，要想防止套管发生爆裂或挤毁及其导致的井筒完整性失效，尤其深井及超深井，必须弄清含水泥环套管在服役工况下的受力状态及力学行为，合理设计套管强度，优选套管材质。
水泥浆被注入套管与地层之间的环空，形成水泥环。研究表明，水泥环对套管起到一定的卸载/削减和保护作用：当套管受到压裂产生的高内压时，地层压力传递至套管，此时套管外壁受到一个来自地层的压力，即背压，该压力可在一定程度上提高套管抗内压强度；当套管受到来自地层的高外压时，水泥环具有一定的卸载/削减作用，降低传递到套管上的地层压力，对套管起到一定的保护作用，提高了套管的抗外挤强度。因此，在未弄清套管强度设计及选材的情况下，若选择价格昂贵的高钢级厚壁套管，会因套管强度裕量过大，造成材料过度浪费；若选择普通材质的低钢级套管，常常会因套管选材及强度设计不合理，造成套管强度失效。因此，研究水泥环对地层压力的传递特性及演化规律，能对深井、超深井套管进行全生命周期的强度设计和选材提供重要理论依据。
目前，国内外还没有模拟油气井管外水泥环压力传递特性及演化规律的测试装置及方法，无法对水泥环压力传递特性及演化规律进行系统的评价。本发明提出一种水泥环压力传递演化规律的测试装置及方法，该装置既可以模拟不同地层压力通过水泥环作用于套管外壁的外压/背压及其随时间的演变规律及套管外水泥环对地层压力的传递效率，又能模拟不同水泥浆体系及水泥环厚度对管外水泥环压力传递的影响规律，实现对水泥环压力传递特性及演化规律的测试，为深井及超深井套管选材及强度设计提供理论支撑。该装置及方法既能减少材料不必要的浪费，又能防止因套管强度不够而造成井筒完整性失效。
发明内容
本发明的目的在于提出一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置及方法，以解决实际油气井套管外水泥环压力传递演化规律不能准确测量的技术难题及其导致套管选材及强度设计问题，尤其针对深井及超深井，并在达到上述目的的同时，最大限度的降低了测试装置及实验成本。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置，其特征在于，主要包括：压力表、进液管线及阀门、导线、套管、螺母、直角台肩、上腔体、第一锥形台肩、下腔体、水泥环、地基、内螺纹、下组合垫圈、排液管线及阀门、承压腔室、上组合垫圈、橡胶密封圈、高精度应变计、第二锥形台肩、定位孔、凹槽、盲孔，其中，套管、螺母、上腔体和下腔体均为金属材料；上腔体、下腔体、带水泥环的套管、螺母及起密封作用的上组合垫圈、下组合垫圈和橡胶密封圈组成承压腔室，螺母通过带水泥环的套管将上腔体固定在下腔体上；上腔体由直角台肩、第二锥形台肩、定位孔和凹槽组成，其中直角台肩的宽度大于水泥环的厚度；固定在地基上的下腔体由第一锥形台肩和带内螺纹的盲孔组成；带水泥环的套管通过内螺纹及下组合垫圈固定在盲孔内，同时封隔承压腔室内的高压流体；位于直角台肩的上组合垫圈用于封隔承压腔室内的高压流体；定位孔和位于凹槽内的橡胶密封圈用于对套管的上部段进行环向封隔和径向定位；第一锥形台肩和第二锥形台肩在螺母紧固作用下产生高接触应力，实现金属-金属的锥形密封，用于封隔承压腔室内的高压流体；带内螺纹的盲孔用于对套管的下部段进行轴向和径向定位；高精度应变计用于动态测试承压腔室压力传递演化规律；导线一端与高精度应变计连接，另一端与动态应变测试系统连接；压力表用于显示承压腔室的压力；进液管线及阀门用于控制向承压腔室泵注高压流体，排液管线及阀门用于控制承压腔室的泄压。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本测试装置可有效模拟套管外水泥环对深井及超深井地层压力的传递及演化过程，开展不同地层压力作用下，套管外水泥环压力传递演化规律测试，并准确获取地层压力作用下水泥环套管受到的外压/背压及其随时间的演变规律、套管外水泥环对地层压力的传递效率、水泥浆体系及水泥环厚度对管外水泥环压力传递的影响规律，全面反应水泥环压力传递特性及演化规律，为深井及超深井全生命周期的套管选材及强度设计提供理论支撑。
(2)装置结构简单，操作方便，成本低廉，且测试结果能对深井及超深井全生命周期的井筒完整进行系统评价。
附图说明
图1为管外水泥环压力传递演化规律的测试装置示意图。
图2为测试装置之上腔体示意图。
图3为测试装置之下腔体示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
如附图所示，本发明提出的一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置，其特征在于，装置主要包括：压力表1、进液管线及阀门2、导线3、套管4、螺母5、直角台肩6、上腔体7、第一锥形台肩8、下腔体9、水泥环10、地基11、内螺纹12、下组合垫圈13、排液管线及阀门14、承压腔室15、上组合垫圈16、橡胶密封圈17、高精度应变计18、第二锥形台肩19、定位孔20、凹槽21、盲孔22，其中，套管4、螺母5、上腔体7和下腔体9均为金属材料；上腔体7、下腔体9、带水泥环10的套管4、螺母5及起密封作用的上组合垫圈16、下组合垫圈13和橡胶密封圈17组成承压腔室15，螺母5通过带水泥环10的套管4将上腔体7固定在下腔体9上；上腔体7由直角台肩6、第二锥形台肩19、定位孔20和凹槽21组成，其中直角台肩6的宽度大于水泥环10的厚度；固定在地基11上的下腔体9由第一锥形台肩8和带内螺纹12的盲孔22组成；带水泥环10的套管4通过内螺纹12及下组合垫圈13固定在盲孔22内，同时封隔承压腔室15内的高压流体；位于直角台肩6的上组合垫圈16用于封隔承压腔室15内的高压流体；定位孔20和位于凹槽21内的橡胶密封圈17用于对套管4的上部段进行环向封隔和径向定位；第一锥形台肩8和第二锥形台肩19在螺母5紧固作用下产生高接触应力，实现金属-金属的锥形密封，用于封隔承压腔室15内的高压流体；带内螺纹12的盲孔22用于对套管4的下部段进行轴向和径向定位；高精度应变计18用于动态测试承压腔室15压力传递演化规律；导线3一端与高精度应变计18连接，另一端与动态应变测试系统连接；压力表1用于显示承压腔室15的压力；进液管线及阀门2用于控制向承压腔室15泵注高压流体，排液管线及阀门14用于控制承压腔室15的泄压。
为使本发明的发明目的、技术方案及优点更加清晰，下面结合附图1、附图2和附图3对本发明提出的一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试方法及其具体实施方式进行阐述，其详细步骤如下：
步骤一：制备带水泥环10的套管4，其中套管4上端加工与螺母5匹配的外螺纹，套管4下端加工与内螺纹12匹配的外螺纹，套管4中部养护形成水泥环10；
步骤二：在套管4内壁布置高精度应变计18，高精度应变计18环向间隔为180°，轴向间隔为50mm，共3对；
步骤三：将步骤二得到的套管4通过内螺纹12和下组合垫圈13固定在下腔体9的盲孔22内，对套管4的下部进行轴向和径向定位，同时封隔承压腔室15内的高压流体；
步骤四：通过螺母5、套管4上端外螺纹、橡胶密封圈17和上组合垫圈16将上腔体7固定于下腔体9的第一锥形台肩8上，同时封隔承压腔室15内的高压流体；
步骤五：将导线3一端与高精度应变计18连接，另一端与动态应变测试系统连接；
步骤六：通过进液管线及阀门2向承压腔室15泵注高压流体，直到达到模拟地层压力P1，关闭进液管线及阀门2；
步骤七：启动动态应变测试系统，记录P1压力下套管4内壁环向应变ε1i及其随时间t1的演变规律，得到f(t1)＝ε1i；
步骤八：根据应力-应变本构关系，计算套管内壁环向应力σ1i及其随时间的演变规律，得到f(t1)＝σ1i；
步骤九：基于厚壁筒理论及拉梅公式，反演计算套管4外壁受到的外压P1i及其随时间的演变规律，得到f(t1)＝P1i；
步骤十：对比分析不同时间下的P1i与模拟地层压力P1，得到套管4外水泥环10压力传递演化规律；
步骤十一：采用相同水泥浆体系，重新制备带相同厚度水泥环10的套管4，通过进液管线及阀门2向承压腔室15泵注高压流体，直到达到模拟地层压力P2，重复步骤二至步骤十，可得到模拟地层压力P2作用下，套管4外水泥环10压力传递演化规律；
步骤十二：依次类推，采用相同水泥浆体系，重新制备带相同厚度水泥环10的套管4，通过进液管线及阀门2向承压腔室15泵注高压流体，直到达到模拟地层压力Pn，重复步骤二至步骤十，可得到模拟地层压力Pn作用下，套管4外水泥环10压力传递演化规律，从而得到模拟地层压力对水泥环10压力传递的影响规律；
步骤十三：同理，采用相同水泥浆体系，重新制备带不同厚度水泥环10的套管4，重复步骤二至步骤十，可得到水泥环厚度对水泥环10压力传递的影响规律；
步骤十四：同理，采用不同水泥浆体系，重新制备带相同厚度水泥环10的套管4，重复步骤二至步骤十，可得到水泥浆体系对水泥环10压力传递的影响规律。
Claims (2)
1.一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置，其特征在于，装置主要包括：套管(4)、直角台肩(6)、上腔体(7)、第一锥形台肩(8)、下腔体(9)、水泥环(10)、内螺纹(12)、下组合垫圈(13)、承压腔室(15)、上组合垫圈(16)、橡胶密封圈(17)、高精度应变计(18)、第二锥形台肩(19)、定位孔(20)、凹槽(21)、盲孔(22)，其中，套管(4)、螺母(5)、上腔体(7)和下腔体(9)均为金属材料；上腔体(7)、下腔体(9)、带水泥环(10)的套管(4)、螺母(5)及起密封作用的上组合垫圈(16)、下组合垫圈(13)和橡胶密封圈(17)组成承压腔室(15)，螺母(5)通过带水泥环(10)的套管(4)将上腔体(7)固定在下腔体(9)上；上腔体(7)由直角台肩(6)、第二锥形台肩(19)、定位孔(20)和凹槽(21)组成，其中直角台肩(6)的宽度大于水泥环(10)的厚度；固定在地基(11)上的下腔体(9)由第一锥形台肩(8)和带内螺纹(12)的盲孔(22)组成；带水泥环(10)的套管(4)通过内螺纹(12)及下组合垫圈(13)固定在盲孔(22)内，同时封隔承压腔室(15)内的高压流体；位于直角台肩(6)的上组合垫圈(16)用于封隔承压腔室(15)内的高压流体；定位孔(20)和位于凹槽(21)内的橡胶密封圈(17)用于对套管(4)的上部段进行环向封隔和径向定位；第一锥形台肩(8)和第二锥形台肩(19)在螺母(5)紧固作用下产生高接触应力，实现金属-金属的锥形密封，用于封隔承压腔室(15)内的高压流体；带内螺纹(12)的盲孔(22)用于对套管(4)的下部段进行轴向和径向定位；高精度应变计(18)用于动态测试承压腔室(15)压力传递演化规律；导线(3)一端与高精度应变计(18)连接，另一端与动态应变测试系统连接；压力表(1)用于显示承压腔室(15)的压力；进液管线及阀门(2)用于控制向承压腔室(15)泵注高压流体，排液管线及阀门(14)用于控制承压腔室(15)的泄压。
2.一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试方法，其特征在于，所述的油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试方法包括以下步骤：
步骤一：制备带水泥环(10)的套管(4)，其中套管(4)上端加工与螺母(5)匹配的外螺纹，套管(4)下端加工与内螺纹(12)匹配的外螺纹，套管(4)中部养护形成水泥环(10)；
步骤二：在套管(4)内壁布置高精度应变计(18)，高精度应变计(18)环向间隔为180°，轴向间隔为50mm，共3对；
步骤三：将步骤二得到的套管(4)通过内螺纹(12)和下组合垫圈(13)固定在下腔体(9)的盲孔(22)内，对套管(4)的下部进行轴向和径向定位，同时封隔承压腔室(15)内的高压流体；
步骤四：通过螺母(5)、套管(4)上端外螺纹、橡胶密封圈(17)和上组合垫圈(16)将上腔体(7)固定于下腔体(9)的第一锥形台肩(8)上，同时封隔承压腔室(15)内的高压流体；
步骤五：将导线(3)一端与高精度应变计(18)连接，另一端与动态应变测试系统连接；
步骤六：通过进液管线及阀门(2)向承压腔室(15)泵注高压流体，直到达到模拟地层压力P1，关闭进液管线及阀门(2)；
步骤七：启动动态应变测试系统，记录P1压力下套管(4)内壁环向应变ε1i及其随时间t1的演变规律，得到f(t1)＝ε1i；
步骤八：根据应力-应变本构关系，计算套管内壁环向应力σ1i及其随时间的演变规律，得到f(t1)＝σ1i；
步骤九：基于厚壁筒理论及拉梅公式，反演计算套管(4)外壁受到的外压P1i及其随时间的演变规律，得到f(t1)＝P1i；
步骤十：对比分析不同时间下的P1i与模拟地层压力P1，得到套管(4)外水泥环(10)压力传递演化规律；
步骤十一：采用相同水泥浆体系，重新制备带相同厚度水泥环(10)的套管(4)，通过进液管线及阀门(2)向承压腔室(15)泵注高压流体，直到达到模拟地层压力P2，重复步骤二至步骤十，可得到模拟地层压力P2作用下，套管(4)外水泥环(10)压力传递演化规律；
步骤十二：依次类推，采用相同水泥浆体系，重新制备带相同厚度水泥环(10)的套管(4)，通过进液管线及阀门(2)向承压腔室(15)泵注高压流体，直到达到模拟地层压力Pn，重复步骤二至步骤十，可得到模拟地层压力Pn作用下，套管(4)外水泥环(10)压力传递演化规律，从而得到模拟地层压力对水泥环(10)压力传递的影响规律；
步骤十三：同理，采用相同水泥浆体系，重新制备带不同厚度水泥环(10)的套管(4)，重复步骤二至步骤十，可得到水泥环厚度对水泥环(10)压力传递的影响规律；
步骤十四：同理，采用不同水泥浆体系，重新制备带相同厚度水泥环(10)的套管(4)，重复步骤二至步骤十，可得到水泥浆体系对水泥环(10)压力传递的影响规律。
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| CN114414781B (zh) * | 2022-01-21 | 2023-06-23 | 西南石油大学 | 一种交变温度下水泥环轴向应力-变形沿径向分布的测试装置及方法 |
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