本發(fā)明涉及石油工程固井領(lǐng)域基于井筒工作液變化時(shí)溫度驟變對(duì)井筒力學(xué)完整性影響的評(píng)價(jià)裝置及方法。

背景技術(shù)：

油氣井固井作業(yè)是指水泥漿注入井下套管與地層之間的環(huán)形空間，在設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)凝結(jié)、固化，形成具有一定強(qiáng)度的水泥環(huán)的過程。水泥環(huán)在井下環(huán)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(huán)力學(xué)完整性，保障層間封隔。

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

近年來，國內(nèi)外諸多研究人員對(duì)固井水泥環(huán)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(jié)失效的方法”（cn103808652a）能夠模擬溫度壓力變化，研究溫度壓力循環(huán)加載情況下的水泥環(huán)膠結(jié)失效情況；“水泥環(huán)密封完整性實(shí)驗(yàn)裝置”（spe168321）可以模擬溫度壓力變化，同時(shí)能夠模擬偏心，檢測水泥環(huán)一二界面及本體是否發(fā)生密封失效，并借助ct掃描進(jìn)行后續(xù)研究；專利“一種深水固井水泥環(huán)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(yīng)變片，用于測量水泥環(huán)應(yīng)變，借以推算應(yīng)力，通過改變套管內(nèi)壓，測試水泥環(huán)完整性；國內(nèi)許多研究廠家也針對(duì)水泥環(huán)封隔能力設(shè)計(jì)了自己的產(chǎn)品，主要目的也是模擬井下溫度壓力條件，并檢測水泥環(huán)在套管內(nèi)壓作用下是否發(fā)生力學(xué)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(dāng)前模擬裝置均是以達(dá)到井下溫度壓力條件為目的，且在實(shí)驗(yàn)過程中能夠通過操作改變壓力溫度并檢測水泥環(huán)套管損傷，但是目前裝置均是使整個(gè)釜體降溫來達(dá)到改變溫度的目的，而在實(shí)際作業(yè)中，井筒內(nèi)工作液進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，低溫流體快速泵入，井筒內(nèi)溫度會(huì)瞬時(shí)降低，而該瞬時(shí)降溫過程至少會(huì)造成井筒內(nèi)20％的溫度降低，同時(shí)地層溫度則不會(huì)發(fā)生改變，這樣在水泥環(huán)及套管之間就會(huì)存在一個(gè)瞬時(shí)的溫度差，而當(dāng)前研發(fā)的裝置均未涉及。目前深井超深井，井下溫度往往都能達(dá)到170℃，這一過程在井筒內(nèi)至少會(huì)有35℃的瞬時(shí)降溫，溫度瞬時(shí)降低會(huì)形成一個(gè)相對(duì)低溫且高壓的井筒條件，高壓會(huì)使套管水泥環(huán)組合體膨脹，但相對(duì)低溫又會(huì)使套管水泥環(huán)組合體產(chǎn)生收縮，所以該井筒條件對(duì)套管水泥環(huán)的影響不容忽視，是否因此會(huì)造成套管損傷，水泥環(huán)脆性破壞，產(chǎn)生裂縫及微環(huán)隙等情況，成為一個(gè)急需研究和解決的重大課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供工作液溫度驟變對(duì)井筒力學(xué)完整性影響的評(píng)價(jià)裝置，該裝置依據(jù)幾何相似、力學(xué)等效理論及材料性能相似的原理，模擬水泥環(huán)在井下的實(shí)際溫度及壓力環(huán)境，更加真實(shí)地模擬鉆井液循環(huán)、增產(chǎn)作業(yè)時(shí)大量低溫流體注入井筒后溫度瞬時(shí)降低過程對(duì)套管水泥環(huán)的影響，為研究井筒力學(xué)完整性提供了理論基礎(chǔ)。

本發(fā)明的另一目的在于提供利用上述裝置評(píng)價(jià)工作液溫度驟變對(duì)井筒力學(xué)完整性影響的方法，該方法原理可靠，操作簡便，實(shí)驗(yàn)過程一體化養(yǎng)護(hù)，可以動(dòng)態(tài)測試水泥環(huán)及套管在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)的變化，彌補(bǔ)了當(dāng)前研究測試手段的不足，為固井水泥環(huán)封隔能力的研究提供了更多的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

為達(dá)到以上技術(shù)目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

工作液溫度驟變對(duì)井筒力學(xué)完整性影響的評(píng)價(jià)裝置，將液態(tài)水泥灌入模擬圍巖-套管間的環(huán)形空間，將養(yǎng)護(hù)溫度壓力調(diào)節(jié)至實(shí)驗(yàn)條件，候凝成環(huán)，從而形成模擬圍巖-水泥環(huán)-套管組合體，根據(jù)不同井下工況，改變實(shí)驗(yàn)溫度壓力，同時(shí)選用應(yīng)變片測量套管徑向位移，采用周向位移計(jì)測量模擬圍巖周向位移，在水泥環(huán)端面利用高壓氣體評(píng)價(jià)水泥環(huán)是否發(fā)生密封失效，該裝置能夠測試在高溫高壓條件下，套管內(nèi)溫度瞬時(shí)降低對(duì)套管變形的影響，同時(shí)還能在降溫過程中改變套管內(nèi)壓，實(shí)時(shí)檢測套管是否會(huì)發(fā)生損傷，檢測水泥環(huán)在何種工況發(fā)生密封失效，判斷實(shí)際作業(yè)中的溫度壓力載荷變化對(duì)套管水泥環(huán)的影響。

本發(fā)明更加真實(shí)地模擬鉆井液循環(huán)、增產(chǎn)作業(yè)時(shí)大量低溫流體注入井筒后溫度瞬時(shí)降低過程對(duì)套管水泥環(huán)的影響，溫度上限200℃，同時(shí)能夠在短時(shí)間內(nèi)使套管內(nèi)溫度下降至設(shè)定值，模擬溫度瞬變。模擬圍巖壓力上限100mpa，模擬套管內(nèi)壓上限120mpa。

工作液溫度驟變對(duì)井筒力學(xué)完整性影響的評(píng)價(jià)裝置，包括測試主體和工作平臺(tái)。

所述工作平臺(tái)有計(jì)算機(jī)，用于采集、整理、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)設(shè)有壓力溫度控制終端，用于增減壓和升降溫操作，可實(shí)時(shí)檢測溫度壓力，自動(dòng)恒溫穩(wěn)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(zhì)中空?qǐng)A筒，釜體壁外有金屬外罩、保溫層，釜體壁內(nèi)有加熱絲，釜體中從外向內(nèi)依次為模擬圍巖、環(huán)形空間、套管，模擬圍巖連有周向位移計(jì)，向環(huán)形空間置入水泥漿，水泥漿養(yǎng)護(hù)形成水泥環(huán)后，釜體中形成模擬圍巖-水泥環(huán)-套管組合體，套管內(nèi)有應(yīng)變片、溫度傳感器和冷凝管，所述周向位移計(jì)、應(yīng)變片、溫度傳感器均連接計(jì)算機(jī)。

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(huán)-套管組合體端面接觸部分為濾網(wǎng)、密封墊圈及偏心座，并設(shè)有氣體進(jìn)出管路，氣體進(jìn)出管路有氣體進(jìn)入通道和氣體出口通道；釜體下部設(shè)有圍壓增降壓閥門，上釜蓋設(shè)有內(nèi)壓增降壓閥門；氣體進(jìn)出管路、圍壓增降壓閥門及內(nèi)壓增降壓閥門均連接由計(jì)算機(jī)控制的壓力泵；氣體進(jìn)入通道和氣體出口通道分別連通水泥環(huán)上、下端面，氣體進(jìn)入通道連接氮?dú)馄?，氣體出口通道連接轉(zhuǎn)子流量計(jì)，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(jì)算機(jī)。

所述氣體進(jìn)出管路，在水泥環(huán)養(yǎng)護(hù)階段用于施加水泥環(huán)上下端面養(yǎng)護(hù)壓力，養(yǎng)護(hù)結(jié)束，實(shí)驗(yàn)工況改變之前，氣體進(jìn)入通道連接氮?dú)馄?，氣體出口通道連接氣體流量計(jì)，用于測試水泥環(huán)發(fā)生密封失效后的氣體竄通壓力。

所述釜體壁內(nèi)有加熱絲，外部有保溫層，實(shí)驗(yàn)時(shí)可由釜體加熱，加熱全程由計(jì)算機(jī)控制及檢測，避免誤差。

所述套管內(nèi)部繞有冷凝管，并配有溫度傳感器，能夠耐受低溫，使套管內(nèi)溫度瞬時(shí)降低，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

所述冷凝管內(nèi)流體可以選擇冷凝水或液氮，根據(jù)實(shí)際施工時(shí)不同工作液的泵注速度，計(jì)算不同降溫速率，選擇不同冷凝液體，達(dá)到瞬時(shí)降溫的目的。

所述上下釜蓋采用不銹鋼材質(zhì)，尺寸與釜體匹配，達(dá)到密封“模擬圍巖-水泥環(huán)-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(shí)際地層地質(zhì)參數(shù)的基礎(chǔ)上避免鋁與水泥的化學(xué)反應(yīng)。

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(gòu)件和密封件，連接構(gòu)件為螺紋、螺母、壓環(huán)；密封件為墊片和o型圈，材料為聚四氟乙烯。

本發(fā)明不僅可以模擬套管居中時(shí)高溫高壓條件下套管內(nèi)溫度驟降對(duì)水泥環(huán)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)，豐富了測試結(jié)構(gòu)，研究的條件更加廣泛。

本發(fā)明也可通過改變水泥環(huán)端面注入流體，分析腐蝕條件下溫度瞬變對(duì)套管水泥環(huán)組合體的影響。

利用上述裝置評(píng)價(jià)工作液溫度驟變對(duì)井筒力學(xué)完整性影響的方法，依次包括以下步驟：

(1)按照api規(guī)定配制所需水泥漿，灌入模擬圍巖與套管的環(huán)形空間內(nèi)，密封上釜蓋，根據(jù)井下固井施工作業(yè)時(shí)的溫度壓力，通過相應(yīng)等效模型換算成實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的溫度壓力，確定養(yǎng)護(hù)條件及一系列實(shí)驗(yàn)工況；

(2)將水泥環(huán)上下端面的氣體進(jìn)入通道、氣體出口通道連接至壓力泵，通過計(jì)算機(jī)將釜體內(nèi)的溫度、套管內(nèi)壓、模擬圍巖的圍壓以及水泥環(huán)端面壓力調(diào)整至養(yǎng)護(hù)條件的溫度壓力，根據(jù)現(xiàn)場施工要求，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)候凝，養(yǎng)護(hù)硬化成環(huán)，形成模擬圍巖-水泥環(huán)-套管組合體；

(3)將水泥環(huán)端面的氣體進(jìn)入通道連接氮?dú)馄?，氣體出口通道連接氣體流量計(jì)，保持圍壓一定，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況改變套管內(nèi)溫度壓力，當(dāng)模擬的工況需要降溫操作時(shí)，開啟冷凝管，在計(jì)算機(jī)上設(shè)置參數(shù)，調(diào)節(jié)套管內(nèi)溫度，穩(wěn)定一定時(shí)間后修改參數(shù)，繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集套管內(nèi)應(yīng)變片測試的套管徑向位移數(shù)據(jù)，以及周向位移計(jì)測試的模擬圍巖周向位移數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)處理界面顯示隨套管內(nèi)壓力變化而造成的套管徑向位移曲線、發(fā)生密封失效前水泥環(huán)的應(yīng)力及應(yīng)變曲線，通過氣體流量計(jì)監(jiān)測水泥環(huán)密封失效情況；

(4)取出模擬圍巖-水泥環(huán)-套管組合體，做微觀檢測，檢測水泥環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的微裂縫、一二界面處產(chǎn)生的微環(huán)隙，分析水泥環(huán)密封失效形式。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)檢測數(shù)據(jù)豐富，以往水泥環(huán)密封實(shí)驗(yàn)監(jiān)測手段單一，以直觀監(jiān)測是否發(fā)生“氣竄”為主，沒有數(shù)據(jù)作為支撐，而本發(fā)明能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測，隨著壓力變化、套管及模擬圍巖的變形，得到套管內(nèi)壁的徑向位移后，依據(jù)理論模型可以得到在水泥環(huán)發(fā)生密封失效前的水泥環(huán)的應(yīng)力及應(yīng)變曲線，得到水泥環(huán)在井下條件下的本構(gòu)方程，而以往曲線均是直接測試水泥石，與水泥石在井下環(huán)境的形態(tài)及服役環(huán)境不盡相同。

(2)能夠模擬套管內(nèi)工作液轉(zhuǎn)換時(shí)的瞬時(shí)降溫過程，以往測試裝置雖然能夠模擬高溫高壓環(huán)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(shí)際井下環(huán)境中，當(dāng)一個(gè)施工工序完成，進(jìn)行下一步施工時(shí)往往需要循環(huán)其他密度的工作液，而循環(huán)的工作液由井口泵入井底時(shí)會(huì)產(chǎn)生井底套管內(nèi)的瞬間溫度降落，套管水泥環(huán)驟冷，意味著套管及水泥環(huán)將面臨高壓下的收縮過程，本發(fā)明可模擬該過程并測試其對(duì)套管水泥環(huán)組合體的影響。

附圖說明

圖1為井筒工作液溫度驟變對(duì)井筒力學(xué)完整性影響的評(píng)價(jià)裝置的釜體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為釜體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)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(nèi)壓增降壓閥門；11、13-氣體進(jìn)出管路；12-密封墊圈；14-模擬圍巖；15-水泥環(huán)；16-周向位移計(jì)；17-套管；18-下釜蓋；19-上釜蓋；20-應(yīng)變片；21-偏心座；22-計(jì)算機(jī)；23-壓力泵。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

應(yīng)當(dāng)指出的是：相關(guān)技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾均屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。

參看圖1、圖2。

工作液溫度驟變對(duì)井筒力學(xué)完整性影響的評(píng)價(jià)裝置，包括測試主體和工作平臺(tái)，所述工作平臺(tái)有計(jì)算機(jī)22，設(shè)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(zhì)中空?qǐng)A筒，釜體壁外有金屬外罩1、保溫層2，釜體壁內(nèi)有加熱絲4，釜體中從外向內(nèi)依次為模擬圍巖14、環(huán)形空間、套管17，模擬圍巖連有周向位移計(jì)16，向環(huán)形空間置入水泥漿，水泥漿養(yǎng)護(hù)形成水泥環(huán)15后，釜體中形成模擬圍巖-水泥環(huán)-套管組合體，套管內(nèi)有應(yīng)變片20、溫度傳感器7和冷凝管9，所述周向位移計(jì)16、應(yīng)變片20、溫度傳感器7均連接計(jì)算機(jī)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(huán)-套管組合體端面接觸部分為密封墊圈12及偏心座21，并設(shè)有氣體進(jìn)出管路11、13，氣體進(jìn)出管路有氣體進(jìn)入通道和氣體出口通道；釜體下部設(shè)有圍壓增降壓閥門5，上釜蓋設(shè)有內(nèi)壓增降壓閥門10；氣體進(jìn)出管路、圍壓增降壓閥門及內(nèi)壓增降壓閥門均連接由計(jì)算機(jī)控制的壓力泵23；氣體進(jìn)入通道和氣體出口通道分別連通水泥環(huán)15的上、下端面，氣體進(jìn)入通道連接氮?dú)馄?，氣體出口通道連接氣體流量計(jì)，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(jì)算機(jī)22。

利用上述裝置評(píng)價(jià)工作液溫度驟變對(duì)井筒力學(xué)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(shí)降溫對(duì)套管水泥環(huán)組合體影響實(shí)驗(yàn)：

研究水泥環(huán)所處地層溫度170℃，地層壓力70mpa，將實(shí)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(jì)算機(jī)，準(zhǔn)備灌入水泥漿，將現(xiàn)場應(yīng)用水泥配方按api標(biāo)準(zhǔn)制備成漿，置入環(huán)形空間，密封儀器，按照固井時(shí)刻井筒內(nèi)液柱壓力通過模型換算成實(shí)驗(yàn)套管內(nèi)壓，通過pc端同時(shí)施加套管內(nèi)壓、圍壓及水泥環(huán)端面壓力，調(diào)整養(yǎng)護(hù)溫度，養(yǎng)護(hù)現(xiàn)場實(shí)際天數(shù)成環(huán)。根據(jù)后續(xù)實(shí)際工況，通過模型換算成實(shí)驗(yàn)工況，即保持“地層壓力一定”改變“套管內(nèi)壓”，在計(jì)算機(jī)內(nèi)輸入改變的內(nèi)壓值以及穩(wěn)壓時(shí)間，并依據(jù)工況需要開啟冷凝管，使套管內(nèi)溫度瞬時(shí)降低，同時(shí)檢測套管應(yīng)變，檢查模擬圍巖周向位移。套管內(nèi)壓力升高會(huì)導(dǎo)致套管膨脹，而套管內(nèi)溫度降低又會(huì)導(dǎo)致套管收縮，在高壓低溫環(huán)境下套管如何變形，可以通過應(yīng)變片檢測，同時(shí)若水泥環(huán)密封能力發(fā)生破壞，層間封隔失效，意味著水泥環(huán)端面的進(jìn)氣孔與出氣孔之間會(huì)產(chǎn)生氣體流竄通道，發(fā)生氣體竄流的同時(shí)，氣體流量計(jì)檢測到氣體讀數(shù)變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，取出“模擬圍巖-水泥環(huán)-套管”組合體，進(jìn)行微觀檢測，檢測1、2界面膠結(jié)及水泥環(huán)本體損傷情況，進(jìn)行下一步分析。

（2）套管偏心情況下井筒瞬時(shí)降溫對(duì)套管水泥環(huán)組合體影響實(shí)驗(yàn)：

調(diào)整上下釜蓋偏心座，根據(jù)實(shí)際情況近似選擇66.7%、50%、33.3%的偏心度，同時(shí)調(diào)整套管內(nèi)中空柱體內(nèi)應(yīng)變計(jì)的角度，配合套管偏心情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，后續(xù)實(shí)驗(yàn)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(shí)降溫對(duì)套管水泥環(huán)組合體影響實(shí)驗(yàn)：

根據(jù)井下實(shí)際井眼構(gòu)造制作模擬圍巖，方法是將模擬圍巖與水泥環(huán)接觸壁面做成上下窄，中部寬的模式，而后按照正常工序進(jìn)行試驗(yàn)。

（4）充填不均情況下考慮了套管-水泥環(huán)瞬時(shí)降溫過程的水泥環(huán)封隔能力測試：

根據(jù)井下實(shí)際水泥環(huán)充填情況，在注水泥的環(huán)形空間內(nèi)，不均勻地放入塊狀泡沫，而后灌入水泥漿進(jìn)行試驗(yàn)。

（5）腐蝕條件下井筒瞬時(shí)降溫對(duì)套管水泥環(huán)組合體影響實(shí)驗(yàn)：

按照方法（1）組裝裝置后，水泥環(huán)端面注氣孔注入腐蝕氣體繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)壓力溫度，模擬現(xiàn)場工況，檢測水泥環(huán)是否發(fā)生密封失效；而后重復(fù)實(shí)驗(yàn)，不同的是端面注氣孔注入非腐蝕性氣體，檢測水泥環(huán)是否發(fā)生密封失效，對(duì)比水泥環(huán)產(chǎn)生損傷的時(shí)刻即可判斷不同流體的腐蝕對(duì)水泥環(huán)密封能力的影響。