CN203756155U - 一种固井胶结失效的评价装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固井胶结失效的评价装置，包括主体釜组件、循环釜组件、内循环叶片泵组件、卸油泵组件、高压泵组件、油箱组件以及控制组件；所述主体釜组件内部设置有套管组件，所述主体釜组件外部缠绕设置有加热结构，所述主体釜组件用于为所述套管组件提供测试所需的温度、压力；本实用新型可应用于水泥浆与外层套管胶结的研究技术领域，应用本实用新型能够实现模拟套管内压、围压的周期性变化以及气窜流量等，能够实现数据实时采集；能够检测到水泥环的气窜，并进行精确的采集；能够根据不同水泥环力学特性在不同温度下对其胶结失效的影响规律，有针对性的设计适用的韧弹性水泥配方，制定合理的固井技术措施和正确选择作业参数。

Description

一种固井胶结失效的评价装置

技术领域

本实用新型涉及固井技术中水泥浆与外层套管胶结的研究技术领域，尤其是一种固井胶结失效的评价装置。

背景技术

中国南海莺琼盆地既存在高压，也存在高温，是目前世界海上三大高温高压地区之一。据不完全统计资料，1984年至2011年，我国南海海域共钻高温高压探井25口。从已钻井情况看，大部分井集中在4000m-5000m之间。在已完成的25口井中，温度超过200℃，泥浆比重超过2.20sg以上的超高温高压井有4口。1984-2004年，南海15口高温高压井，中外作业者的作业过程都异常艰辛，固井成功率不高，特别是尾管固井，成功率仅47%。

据统计，东方区块目前共有53口在开发气井，其中44口带压，大部分是油套管带压，但也有表套和技套带压的，比较严重的是：DF1-1-D4（技套带压）以及乐东22-1-A3井（技套带压）。了解水泥环井下环境下失效的力学机理，可以指导有针对性的制定固井技术措施和正确选择后期作业参数，特别是优化水泥环变形参数和破坏参数，从而达到提高固井质量、防止水泥环水力胶结失效的目的，延长高温高压油气井寿命。

在固井中，水泥环对地层的封隔性能对油气井的生产安全、寿命和油田开发效益具有重要意义，具有较高封窜能力的水泥环是安全、环保地开发油层，实现勘探开发效益最大化的重要基础。实际生产经验表明，水泥浆顶替到位后，CBL/VDL测试显示固井质量良好的井，在经历后续的钻进、钻井液密度增加、地层完整性试验、射孔、压裂、温度变化、求产、关井求压等作业后，会导致水泥环与外层套管、水泥环与地层的胶结面产生微缝隙，造成油气井井口窜流、井口环空带压等问题。这一问题造成安全、环保隐患，严重影响产能建设，大大降低勘探开发效益。

这一问题属于固井后的长期气窜问题，在目前技术条件下，常常发生在井下工况条件复杂的高温高压油气井中。造成井口带压的原因主要是井下地层条件变化和后期作业引起的外层套管-水泥环-地层系统的受力状态发生改变，导致环空水泥环应力-应变发生改变，水泥环发生了破坏丧失水力密封性，高压气体通过失效水泥环内部的微裂缝界面逐渐窜移至井口。

现有的模拟应力变化引起固井胶结失效的装置存在如下特点：

1)没有按照实际使用的外层套管加工实验装置；

实验设备在外径和壁厚上与实际外层套管的尺寸不一致。实验设备在设计加工时，没有采用具有实际使用外径和壁厚的外层套管，而是在几何尺寸上按照一定的比例缩小，这与实际工况不同；

2)胶结过程与验窜实验过程分离；

由水泥环胶结到模拟温度-胶结失效实验时的环境发生了改变，具体包括水泥浆的养护环境是否为高温高压、在模拟温度-胶结失效实验时是否加了围压、胶结环境与实验环境是否相互独立。现在设备普遍不能保证水泥浆能在同一套设备内完成胶结并开展温度-胶结失效的实验，这与实际工况不符；

3)不能定量评价气窜；

在模拟温度等因素改变引起水泥环胶结失效，引起气窜的过程中，只是定性检验气窜有无发生，并没有定量检验一定工况改变时造成气窜的量；

4)水泥环长度偏小；

在模拟的水泥环长度方面，普遍小于50cm，长度偏小，在实验中不能较为全面反映实际工况存在的问题；

5)验窜范围不全面；

在验窜方法上，普遍采用的是在水泥环一端注入气体，以另一端能否收集到气体作为判断水泥环与外层套管是否产生微环隙及评价水泥环胶结好坏的标准。不能检测在水泥环高度方向的中间位置产生微环隙而两端胶结良好的工况。

6)实验成本高；

与水泥环胶结的内层外层套管、外层的人造地层或外层套管在一次实验后均报废，造成实验研究成本过高。

7)实验条件参数较低；

不能同时模拟高温高压井井底静止温度最高160℃，地层孔隙压力6000psi，套管内最高压力载荷10000psi的工况。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是提供一种固井胶结失效的评价装置，能够模拟套管内压、围压的周期性变化以及气窜流量等，能够实现数据实时采集；能够检测到水泥环的气窜，并进行精确的采集；能够根据不同水泥环力学特性在不同温度下对其胶结失效的影响规律，有针对性的设计适用的韧弹性水泥配方，制定合理的固井技术措施和正确选择作业参数。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种固井胶结失效的评价装置，其特征在于，包括主体釜组件、循环釜组件、内循环叶片泵组件、卸油泵组件、高压泵组件、油箱组件以及控制组件；其中，

所述主体釜组件内部设置有套管组件，所述主体釜组件外部缠绕设置有加热结构，所述主体釜组件用于为所述套管组件提供测试所需的温度、压力；

所述循环釜组件通过所述内循环叶片泵组件与所述主体釜组件，所述循环釜组件用于为所述套管组件提供传热介质；

所述高压泵组件与所述套管组件连接，所述高压泵组件用于为所述套管组件提供测试所需的压力；

所述卸油泵组件与所述主体釜组件、循环釜组件连接，所述卸油泵组件用于测试完成后将所述主体釜组件、循环釜组件内的传热介质收集到油箱组件中；

所述控制组件与所述主体釜组件、循环釜组件、内循环叶片泵组件、卸油泵组件、高压泵组件、油箱组件之间设置有电磁阀，所述控制组件通过控制所述电磁阀实现对所述套管组件的测试。

上述固井胶结失效的评价装置还可具有如下特点：

所述套管组件包括内层套管，所述内层套管外侧依次套设有胶套、外层套管、外层釜体，所述外层套管用于支撑所述胶套；

所述内层套管与所述胶套之间的第一环空腔体用于容纳水泥环，所述外层套管与所述外层釜体之间的第二环空腔体用于容纳传热加压介质；

所述套管组件顶部设置有釜盖结构，所述套管组件底部设置有釜底结构，所述釜盖结构设置有注气孔路，所述釜底结构设置有排气孔路；所述注气孔路用于注入氮气操作，将所述第一环空腔体与所述第二环空腔体形成等压空腔；所述排气孔路用于检测所述水泥环的泄露情况。

上述固井胶结失效的评价装置还可具有如下特点：

还包括天平组件，所述排气孔路排出的气体通过所述天平组件实现定量测量所述水泥环中发生的气窜量；

所述天平组件采用排水法定量测量所述水泥环中发生的气窜量。

上述固井胶结失效的评价装置还可具有如下特点：

还包括承载板，所述承载板设置在所述油箱组件与所述高压泵组件的下方。

上述固井胶结失效的评价装置还可具有如下特点：

所述外层套管为对称设置有两个半圆管件，所述半圆管件设置有小孔，所述小孔用于将围压施加在所述胶套上。

上述固井胶结失效的评价装置还可具有如下特点：

所述釜盖结构底部与所述外层套管之间设置有压盖，所述釜盖结构外侧对称设置有两个釜柄，所述釜盖结构顶部设置有长转接头、短转接头。

上述固井胶结失效的评价装置还可具有如下特点：

所述外层套管与所述外层釜体之间设置有扶正管夹。

上述固井胶结失效的评价装置还可具有如下特点：

所述排气孔路处填充有工业毛毡。

上述固井胶结失效的评价装置还可具有如下特点：

所述水泥环高度为1000mm。

上述固井胶结失效的评价装置还可具有如下特点：

所述内层套管为4-1/2″套管。

本实用新型上述技术方案具有如下有益效果：

本实用新型通过用于为套管组件提供测试所需的温度、压力的主体釜组件；通过用于为套管组件提供传热介质循环釜组件；通过用于为套管组件提供测试所需的压力的高压泵组件；通过用于测试完成后将主体釜组件、循环釜组件内的传热介质收集到油箱组件中的卸油泵组件；通过控制电磁阀实现对套管组件的测试的控制组件，能够实现根据不同水泥环力学特性在不同温度下对其胶结失效的影响规律，有针对性的设计适用的韧弹性水泥配方，制定合理的固井技术措施和正确选择作业参数；能够满足井底静止温度最高160℃，地层孔隙压力6000psi，套管内最高压力载荷10000psi的工况；能够模拟现场固井作业后的试压、地应力变化等作业情况，检验井底水泥环韧弹性及层间封隔性能，为现场试压作业提供可靠参数，如此类水泥石耐压的大小、试压的次数多少时，水泥石的层间封隔失效。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本实用新型技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本实用新型的技术方案，并不构成对本实用新型技术方案的限制。

图1为本实用新型实施例的第一结构示意图；

图2为本实用新型实施例的第二结构示意图；

图3为本实用新型实施例中套管组件的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本实用新型提供了一种固井胶结失效的评价装置，结合图1、图2所示，可以包括主体釜组件、循环釜组件8、内循环叶片泵组件7、卸油泵组件4、高压泵组件5、油箱组件3以及控制组件2；其中，

主体釜组件内部设置有套管组件1，主体釜组件外部缠绕设置有加热结构，主体釜组件用于为套管组件1提供测试所需的温度、压力；循环釜组件8通过内循环叶片泵组件7与主体釜组件，循环釜组件8用于为套管组件1提供传热介质。

高压泵组件5与套管组件1连接，高压泵组件5用于为套管组件1提供测试所需的压力；卸油泵组件4与主体釜组件、循环釜组件8连接，卸油泵组件4用于测试完成后将主体釜组件、循环釜组件8内的传热介质收集到油箱组件3中。

控制组件2与主体釜组件、循环釜组件8、内循环叶片泵组件7、卸油泵组件4、高压泵组件5、油箱组件3之间设置有电磁阀，控制组件2通过控制电磁阀实现对套管组件1的测试。

如图3所示，本实用新型具体操作中，套管组件1可以包括内层套管11，内层套管11外侧依次套设有胶套12、外层套管13、外层釜体14，外层套管13用于支撑胶套12；内层套管11与胶套12之间的第一环空腔体16用于容纳水泥环，外层套管13与外层釜体14之间的第二环空腔体15用于容纳传热加压介质。

其中，套管组件1顶部设置有釜盖结构18，套管组件1底部设置有釜底结构10，釜盖结构18设置有注气孔路，釜底结构10设置有排气孔路；注气孔路用于注入氮气操作，将第一环空腔体16与第二环空腔体形成等压空腔；排气孔路用于检测水泥环的泄露情况。

优选地，本实用新型具体操作中，可通过主体釜组件外部缠绕设置的加热结构可以实现对套管组件1的外侧环境模拟，具体包括温度、压力；可通过循环釜组件8与内循环叶片泵组件7实现对套管组件1中的内侧套管提供传热介质。上述内侧套管的加热、加压控制与第一环空腔体16、第二环空腔体15的加热、加压控制为两个独立的控制系统，能够实现各自真实地层环境的模拟，能够更加的真实的针对水泥环进行相应的性能测试。

优选地，本实用新型具体操作中，还包括天平组件，排气孔路排出的气体通过天平组件实现定量测量水泥环中发生的气窜量；天平组件采用排水法定量测量水泥环中发生的气窜量。上述天平组件能够实现定量测量水泥环中发生的气窜量，并能够根据压力、温度不同测试环境，进行相应的气窜量统计分析；并得出不同水泥环力学特性在不同温度下对其胶结失效的影响规律，进而有针对性的设计适用的韧弹性水泥配方，制定合理的固井技术措施和正确选择作业参数。

优选地，本实用新型具体操作中，还包括承载板6，承载板6设置在油箱组件3与高压泵组件5的下方；上述承载板6的设置能够提高高压泵组件5与装置整体连接的稳定性。

优选地，本实用新型具体操作中，外层套管13为对称设置有两个半圆管件，半圆管件设置有小孔，小孔用于将围压施加在胶套12上。上述胶套12通过采用具有弹性、能够受压密封的橡胶套12时下为水泥环胶结提供更加真实地层环境的腔室，具体并将外层套管13加工成两半，实验时将两半套管合在一起并紧固；并在套管上面加工有孔，可将围压加在胶套12上面；使用后能够打开，达到重复利用的效果。

优选地，釜盖结构18底部与外层套管13之间设置有压盖17，釜盖结构18外侧对称设置有两个釜柄22，釜盖结构18顶部设置有长转接头20、短转接头21，长转接头20处设置有热电偶19。通过上述长转接头、短转接头以及与内层套管11内部连通的孔路能够实现对内层套管11内部环境的检测，如压力检测，温度检测等。优选地，通过在外层釜体14上设置的与第二环空腔体15连通的孔路能够实现对第二环空腔体15内部环境的检测，如压力检测、温度检测等；其中，第一环空腔体16与第二环空腔为等压空腔。

优选地，为了提高本实用新型具体操作中套管组件1安装的精确度；可在外层套管13与外层釜体14之间设置扶正管夹23；通过上述扶正管夹23，能够有效确保外层套管13等结构在套管组件1中安装的精确度。优选地，本实用新型具体操作中，排气孔路处可填充有工业毛毡；针对釜底验窜出气孔，采用工业毛毡填充，既能确保不被水泥浆封堵，又可以使气体通过，不影响验窜；同时，本实用新型能够测试水泥环中部胶结状况的装置，扫除水泥环两端胶结良好、中间段胶结较差而无法检测的盲区。优选地，本实用新型能够实现固井、测试操作采用同一管柱，能够有效保证固井过程中水泥环外侧的围压与测试环境中的围压相同；能够有效避免现有技术中，水泥浆成型操作与测试操作采用不同管柱的情况，上述采用统一管柱的成型操作、测试操作，能够有效保证测试所需的压力环境，能够有效保证测试的准确性。

优选地，为了进一步的提高测试工况与真实地层环境的相近，本实用新型具体操作中，水泥环高度为1000mm，内层套管为4-1/2″套管。

本实用新型以模拟高温高压井井下工况，开展温度变化引起固井水泥环胶结失效实验、分析固井水泥环失效原因、研究水泥环胶结失效的机理为目的，针对目前国内外固井胶结失效模拟实验装置不能模拟高温高压井井下实际工况、缺乏定量测试水泥环气窜流量、缺乏检测水泥环中间段的胶结情况、不能在一台设备内完成水泥浆胶结并开展温度-水泥环胶结失效实验等问题，设计了一种针对6″井眼、4-1/2″尾管，能够模拟井底静止温度最高160℃，地层孔隙压力6000psi，套管内最高压力载荷10000psi的工况，能够模拟套管内压、水泥环温度周期性变化并定量测试气窜流量、检测水泥环中间段的胶结情况、能够供水泥环胶结并实现温度-胶结失效测试、内层套管等试验部件可以重复利用、实现数据实时采集的装置。

优选地，本实用新型具体操作中，可通过如下方式实现：

1.在工作台上将4-1/2″内层套管、胶套安装；

2.将两半外层套管安装在胶套外，将此两半套管合在一起、紧固，此时需要注意橡胶套上段部与套管的配合；

3.注入配置好的水泥浆，在注入过程中搅拌，防止水泥环胶结过程中存在空腔；

4.将水泥浆注入到预定位置后，在4-1/2″上端部安装辅助联接装置，通过吊升装置将套管组件由工作台，安放在主体釜组件内；

5.取下4-1/2″套管上端部的辅助联接装置，安装套管密度端盖和高压釜的密封端盖；

6.接通高压输气、输油管路；

7.通过伺服控制装置，将高压釜内温度、压力升至与实际井下工况一致，按照实际时间养护水泥石，使水泥环胶结；

8.胶结时间结束后，调整套管组件所受围压和测量气窜压力；通过设备的加温和冷却装置快速、准确地模拟井下工况温差大的特点；

9.实验过程中，利用天平排水法，检测随温度改变水泥环胶结的状态，并用计算机完成信号采集。

本实用新型提供的上述技术方案能够模拟套管内压、围压的周期性变化以及气窜流量等，能够实现数据实时采集；能够检测到水泥环的气窜，并进行精确的采集；能够根据不同水泥环力学特性在不同温度下对其胶结失效的影响规律，有针对性的设计适用的韧弹性水泥配方，制定合理的固井技术措施和正确选择作业参数；同时，上述技术方案组成合理，易于推高和实施。

本领域的技术人员应该明白，虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但的内容仅为便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种固井胶结失效的评价装置，其特征在于，包括主体釜组件、循环釜组件、内循环叶片泵组件、卸油泵组件、高压泵组件、油箱组件以及控制组件；其中，

所述主体釜组件内部设置有套管组件，所述主体釜组件外部缠绕设置有加热结构，所述主体釜组件用于为所述套管组件提供测试所需的温度、压力；

所述循环釜组件通过所述内循环叶片泵组件与所述主体釜组件，所述循环釜组件用于为所述套管组件提供传热介质；

所述高压泵组件与所述套管组件连接，所述高压泵组件用于为所述套管组件提供测试所需的压力；

所述卸油泵组件与所述主体釜组件、循环釜组件连接，所述卸油泵组件用于测试完成后将所述主体釜组件、循环釜组件内的传热介质收集到油箱组件中；

所述控制组件与所述主体釜组件、循环釜组件、内循环叶片泵组件、卸油泵组件、高压泵组件、油箱组件之间设置有电磁阀，所述控制组件通过控制所述电磁阀实现对所述套管组件的测试。

2.根据权利要求1所述的固井胶结失效的评价装置，其特征在于，所述套管组件包括内层套管，所述内层套管外侧依次套设有胶套、外层套管、外层釜体，所述外层套管用于支撑所述胶套；

所述内层套管与所述胶套之间的第一环空腔体用于容纳水泥环，所述外层套管与所述外层釜体之间的第二环空腔体用于容纳传热加压介质；

所述套管组件顶部设置有釜盖结构，所述套管组件底部设置有釜底结构，所述釜盖结构设置有注气孔路，所述釜底结构设置有排气孔路；所述注气孔路用于注入氮气操作，将所述第一环空腔体与所述第二环空腔体形成等压空腔；所述排气孔路用于检测所述水泥环的泄露情况。

3.根据权利要求2所述的固井胶结失效的评价装置，其特征在于，还包括天平组件，所述排气孔路排出的气体通过所述天平组件实现定量测量所述水泥环中发生的气窜量；

所述天平组件采用排水法定量测量所述水泥环中发生的气窜量。

4.根据权利要求2所述的固井胶结失效的评价装置，其特征在于，还包括承载板，所述承载板设置在所述油箱组件与所述高压泵组件的下方。

5.根据权利要求2或3或4所述的固井胶结失效的评价装置，其特征在于，所述外层套管为对称设置有两个半圆管件，所述半圆管件设置有小孔，所述小孔用于将围压施加在所述胶套上。

6.根据权利要求2或3或4所述的固井胶结失效的评价装置，其特征在于，所述釜盖结构底部与所述外层套管之间设置有压盖，所述釜盖结构外侧对称设置有两个釜柄，所述釜盖结构顶部设置有长转接头、短转接头。

7.根据权利要求2或3或4所述的固井胶结失效的评价装置，其特征在于，所述外层套管与所述外层釜体之间设置有扶正管夹。

8.根据权利要求2或3或4所述的固井胶结失效的评价装置，其特征在于，所述排气孔路处填充有工业毛毡。

9.根据权利要求2或3或4所述的固井胶结失效的评价装置，其特征在于，所述水泥环高度为1000mm。

10.根据权利要求2或3或4所述的固井胶结失效的评价装置，其特征在于，所述内层套管为4-1/2″套管。