一種模擬壓力變化引起固井膠結失效的方法
【專利摘要】一種模擬壓力變化引起固井膠結失效的方法，通過采用包括高壓釜、套管組件等形成的模擬裝置，在真實模擬井下工況的情況下，保持高壓釜的溫度恒定、高壓釜和套管組件之間圍壓恒定，在多個壓差級別下，檢測水泥環(huán)在壓力變化過程中其與套管之間是否發(fā)生氣竄，以未發(fā)生氣竄的時所能承受的最大壓力和初始壓力之間的差值作為被測試水泥環(huán)配方所能承受的最大壓差；通過對所述水泥環(huán)配方以最大壓差反復加壓和泄壓，檢測其與套管之間是否發(fā)生氣竄，并測定氣竄量；以承受壓差最大、加壓和泄壓循環(huán)次數(shù)最多的水泥環(huán)配方為最佳配方。本方法實現(xiàn)在室內實現(xiàn)對工程工況的仿真模擬，得到對工程實踐有指導意義的數(shù)據(jù)和參數(shù)，尋找出水泥環(huán)的最佳配方。
【專利說明】一種模擬壓力變化引起固井膠結失效的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在室內模擬固井工程中固井膠結情況的試驗方法，特別是涉及一種在室內模擬壓力變化對固井工程中固井膠結情況影響的試驗方法。
【背景技術】
[0002]在固井中，水泥環(huán)對地層的封隔性能對油氣井的生產(chǎn)安全、壽命和油田開發(fā)效益具有重要意義，具有較高封竄能力的水泥環(huán)是安全、環(huán)保地開發(fā)油層，實現(xiàn)勘探開發(fā)效益最大化的重要基礎。
[0003]實際生產(chǎn)經(jīng)驗表明，水泥漿頂替到位后，CBL/VDL測試顯示固井質量良好的井，在經(jīng)歷后續(xù)的鉆進、鉆井液密度增加、地層完整性試驗、射孔、壓裂、壓力變化、生產(chǎn)、關井憋壓、修井等作業(yè)后，會導致水泥環(huán)與套管、水泥環(huán)與地層的膠結面產(chǎn)生微縫隙，造成油氣井井口竄流、井口環(huán)空帶壓等問題。這一問題造成安全、環(huán)保隱患，嚴重影響產(chǎn)能建設，大大降低勘探開發(fā)效益。
[0004]因此選擇一種對壓力敏感性不明顯的水泥環(huán)配比，是解決上述問題的根本。
[0005]由于井下工況復雜，通過室內的仿真試驗來研究壓力對水泥環(huán)膠結情況的影響是行之有效的。而現(xiàn)有室內試驗存在如下缺陷:
[0006]I)沒有按照實際使用的套管加工實驗裝置。實驗設備在外徑和壁厚上與實際套管的尺寸不一致。實驗設備在設計加工時，沒有采用具有實際使用外徑和壁厚的套管，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；
[0007]2)膠結過程與驗竄實驗過程分離。由水泥環(huán)膠結到模擬壓力-膠結失效實驗時的環(huán)境發(fā)生了改變，具體包括水泥漿的養(yǎng)護環(huán)境是否為高溫高壓、在模擬壓力-膠結失效實驗時是否加了圍壓、膠結環(huán)境與實驗環(huán)境是否相互獨立。現(xiàn)在設備普遍不能保證水泥漿能在同一套設備內完成膠結并開展壓力-膠結失效的實驗，這與實際工況不符；
[0008]3)不能定量評價氣竄。在模擬壓力等因素改變引起水泥環(huán)膠結失效，引起氣竄的過程中，只是定性檢驗氣竄有無發(fā)生，并沒有定量檢驗一定工況改變時造成氣竄的量；
[0009]4)水泥環(huán)長度偏小。在模擬的水泥環(huán)長度方面，普遍小于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；
[0010]5)驗竄范圍不全面。在驗竄方法上，普遍采用的是在水泥環(huán)一端注入氣體，以另一端能否收集到氣體作為判斷水泥環(huán)與套管是否產(chǎn)生微環(huán)隙及評價水泥環(huán)膠結好壞的標準。不能檢測在水泥環(huán)高度方向的中間位置產(chǎn)生微環(huán)隙而兩端膠結良好的工況。
[0011]6)實驗成本高。與水泥環(huán)膠結的內層套管、外層的人造地層或套管在一次實驗后均報廢，造成實驗研究成本過高。
[0012]7)實驗條件參數(shù)較低，不能同時模擬高溫高壓井內工況。

【發(fā)明內容】

[0013]本發(fā)明提供一種模擬壓力變化引起固井膠結失效的方法，其目的是通過特別設計的試驗裝置，實現(xiàn)在室內對工程工況的仿真模擬，得到對工程實踐有指導作用的數(shù)據(jù)和參數(shù)，尋找出水泥環(huán)的最佳配方。
[0014]其另一目的是，降低試驗成本，實現(xiàn)試驗結果的定量評價。
[0015]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術方案如下:
[0016]一種模擬壓力變化引起固井膠結失效的方法，包括:
[0017]安裝套管組件，并往套管組件內注入水泥漿；
[0018]將套管組件吊入試驗裝置的高壓釜，并封閉套管組件頂部和高壓釜頂部；
[0019]給套管組件內部充高壓油并加溫；給高壓釜和套管組件之間環(huán)空加壓，給高壓釜加溫，并將高壓釜內的壓力、溫度調整至與實際井下工況一致，養(yǎng)護水泥漿至水泥環(huán)成型；
[0020]保持高壓釜的溫度恒定、高壓釜和套管組件之間圍壓恒定，在多個壓差級別下，檢測水泥環(huán)在壓力變化過程中其與套管之間是否發(fā)生氣竄，以未發(fā)生氣竄的時所能承受的最大壓力和初始壓力之間的差值作為被測試水泥環(huán)配方所能承受的最大壓差；
[0021]通過對所述水泥環(huán)配方以最大壓差反復加壓和泄壓，檢測其與套管之間是否發(fā)生氣竄，并測定氣竄量；
[0022]以承受壓差最大、加壓和泄壓循環(huán)次數(shù)最多的水泥環(huán)配方為最佳配方。
[0023]優(yōu)選地，所述套管組件由內層套管、外層套管和橡膠套組成，所述橡膠套位于內層套管和外層套管之間的環(huán)空，所述外層套管由兩個對半的半套管對拼而成，所述半套管上開設有圍壓孔。
[0024]優(yōu)選地，安裝套管組件方法為:將內層套管安裝在試驗裝置外部的工作臺上，在內層套管外部套上水泥支架，然后在水泥支架內填充泡沫，然后將橡膠套套在水泥支架外；再將外層套管安裝在橡膠套外，并將橡膠套頂部外翻將外層套管包裹住。
[0025]優(yōu)選地，給套管組件內部充高壓油的方法為:打開試驗裝置中的油箱、進油電磁閥一和增壓泵實現(xiàn)高壓油從油箱進入內層套管。
[0026]優(yōu)選地，給套管組件內部加溫的方法為:通過開啟試驗裝置中的循環(huán)釜的加熱帶使循環(huán)釜內部升高，通過連接內層套管和循環(huán)釜的內循環(huán)葉片泵將熱量送至內層套管內。
[0027]優(yōu)選地，給高壓釜加壓的方法為:依次打開試驗裝置中的油箱、進油電磁閥二和單向閥實現(xiàn)油料從油箱進入外層套管和高壓釜之間的環(huán)空，然后開啟氮氣源及調壓閥給進入給環(huán)空油料加壓。
[0028]優(yōu)選地，給高壓釜加溫的方法為:開啟設置在高壓釜外壁上的熱電偶實現(xiàn)對高壓釜和外層套管之間的環(huán)空油料加溫。
[0029]優(yōu)選地，壓差級別的范圍為20MPa至5MPa，壓差的遞減級數(shù)為5MPa。
[0030]優(yōu)選地，檢驗氣竄量的方法為天平排水法。
[0031]優(yōu)選地，檢驗氣竄量的位置為水泥環(huán)底部和水泥環(huán)中部。
[0032]本發(fā)明和現(xiàn)有技術相比，具有如下有益效果:
[0033]本發(fā)明可以實現(xiàn)模擬高溫高壓井井下實際工況、能夠實現(xiàn)對測試水泥環(huán)氣竄流量定量測試、以及對水泥環(huán)各個區(qū)段膠結情況進行全面測試和評價，避免了現(xiàn)有試驗方法只能檢測當水泥環(huán)中形成通縫時才能檢測到，而無法檢測在水泥環(huán)高度方向的中間位置產(chǎn)生微環(huán)隙而兩端膠結良好的工況。
[0034]本試驗方法通過模擬高壓高溫井內最高靜止壓力160°C，套管內試壓最高工作壓力IOOOOpsi及最高圍壓6000psi真實的井下工況，能夠模擬周圍環(huán)境的壓力周期性變化下，水泥環(huán)的膠結情況，從而確定出耐壓力變化最好的水泥漿配方，并能定量測試氣竄流量、檢測水泥環(huán)中間段的膠結情況。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1是本試驗方法采用的試驗裝置圖。
[0036]附圖標記:1-內層套管、2-外層套管、3-高壓釜、4-循環(huán)釜、5-油箱、6-進油電磁閥一、7-進油電磁閥二、8-單向閥、9-增壓泵、10-卸壓泵、11-內循環(huán)葉片泵、12-氮氣源、13-調壓閥、14-天平、15-錐形瓶、16-套管壓釋放閥、17-熱電偶、18-溢出閥。
【具體實施方式】
[0037]為使本發(fā)明的發(fā)明目的、技術方案和有益效果更加清楚明了，下面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行說明，需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例和實施例中的特征可以相互任意組合。
[0038]本實施例為模擬6”井眼，4-1/2”尾管，在井底最高靜止溫度160°C，最高套管工作壓力lOOOOpsi，地層孔隙壓力(圍壓)6000psi的工況，壓力對水泥膠結情況的影響的試驗方法，其具體步驟如下:
[0039]安裝套管組件，并往套管組件內注入水泥漿；
[0040]如圖1所示，本方法所利用的試驗裝置中的套管組件由內層套管1、外層套管2和橡膠套組成，所述橡膠套位于內層套管和外層套管之間的環(huán)空，所述外層套管由兩個對半的半套管對拼而成，所述半套管上開設有圍壓孔。因此，安裝套管組件方法為:將內層套管安裝在試驗裝置外部的工作臺上，在內層套管外部套上水泥支架，然后在水泥支架內填充泡沫，然后將橡膠套套在水泥支架外；再將外層套管安裝在橡膠套外，并將橡膠套頂部外翻將外層套管包裹住。
[0041]往套管組件內注入水泥漿時，為了防止水泥環(huán)膠結過程中存在空腔，需要在注入過程中攪拌。
[0042]將套管組件吊入試驗裝置的高壓釜3，并封閉套管組件頂部和高壓釜頂部；
[0043]等水泥漿注入到預定位置后，在套管組件頂部安裝輔助聯(lián)接裝置，并通過吊升裝置將套管組件由外部工作臺吊入高壓釜內；吊入高壓釜后取下輔助聯(lián)接裝置，在套管組件頂部安裝套管密封端蓋，在高壓釜頂面安裝釜體密封端蓋實現(xiàn)對套管組件和高壓釜的封閉；
[0044]給套管組件內部充高壓油并加溫；給高壓釜和套管組件之間環(huán)空加壓，給高壓釜加溫，并將高壓釜內的壓力、壓力調整至與實際井下工況一致；具體過程參見圖1，圖1為本試驗方法采用的試驗裝置圖，圖中箭頭表示油料和氣體的流動方向。
[0045]給套管組件內部充高壓油的方法為:打開試驗裝置中的油箱5、進油電磁閥一 6和增壓泵9實現(xiàn)高壓油從油箱5進入內層套管I。
[0046]給套管組件內部加溫的方法為:通過開啟試驗裝置中的循環(huán)釜4的加熱帶使循環(huán)釜內部升高，通過連接內層套管I和循環(huán)釜4的內循環(huán)葉片泵11將熱量送至內層套管內。
[0047]給高壓釜加壓的方法為:依次打開試驗裝置中的油箱5、進油電磁閥二 7和單向閥8實現(xiàn)油料從油箱進入外層套管2和高壓釜3之間的環(huán)空，然后開啟氮氣源12及調壓閥13給進入給環(huán)空油料加壓。
[0048]給高壓釜加溫的方法為:開啟設置在高壓釜外壁上的熱電偶17實現(xiàn)對高壓釜3和外層套管2之間的環(huán)空油料加溫。
[0049]通過操作伺服控制裝置，將高壓釜內的壓力、壓力調整至與實際井下工況一致。
[0050]按照工程規(guī)范要求時間養(yǎng)護水泥漿，使水泥環(huán)膠結。
[0051]保持高壓釜的溫度恒定、高壓釜和套管組件之間圍壓恒定，在多個壓差級別下，檢測水泥環(huán)在壓力變化過程中其與套管之間是否發(fā)生氣竄，以未發(fā)生氣竄的時所能承受的最大壓力和初始壓力之間的差值作為被測試水泥環(huán)配方所能承受的最大壓差；
[0052]通過對所述水泥環(huán)配方以最大壓差反復加壓和泄壓，檢測其與套管之間是否發(fā)生氣竄，并測定氣竄量；
[0053]以承受壓差最大、加壓和泄壓循環(huán)次數(shù)最多的水泥環(huán)配方為最佳配方。
[0054]下面給出幾種參考的實施方式:
[0055]實施方式一:水泥漿配方I在恒定的靜止溫度160°C，圍壓壓力40MPa，套管內壓力35MPa，已經(jīng)完全水化充分(養(yǎng)護一周時間)的情況下，5-10分鐘內套管內壓力迅速上升到55MPa (此時，套管內壓差為20MPa)，恒壓15分鐘，10分鐘(緩慢)泄壓到套管內壓力35MPa，然后檢驗水泥環(huán)與套管內表面之間是否產(chǎn)生微環(huán)隙，同時檢驗氣竄流量；若發(fā)生破壞，則水泥漿配方I失??；依次檢驗水泥漿配方2、水泥漿配方3……，選擇出未產(chǎn)生微環(huán)隙的水泥漿配方，比如水泥漿配方3、4沒有發(fā)生破壞，使用水泥漿配方3和4重復上述加壓泄壓步驟，看哪一個配方在初次發(fā)生竄`流時重復升降壓的次數(shù)多誰最優(yōu)；并以試壓10次以上為優(yōu)，5-10次合格，5次以內不合格為標準確定水泥漿配方承壓等級。若所有配方在套管組件內壓力迅速上升到55MPa都失敗，則重復前期實驗，5-10分鐘內套管組件內壓力迅速上升到45MPa (套管內壓差為IOMPaVgS 15分鐘，10分鐘(緩慢)泄壓到套管內壓力35MPa，然后檢驗水泥環(huán)與套管內表面之間是否產(chǎn)生微環(huán)隙，同時檢驗氣竄流量；依次檢驗水泥漿配方
1、2、3……，優(yōu)選配方方法同上。若套管內壓差在最低壓差5MPa和最高壓差20MPa之間多次實驗仍然無法優(yōu)選出合適配方，則所有配方都不適合現(xiàn)場井況的使用，也無法指導現(xiàn)場，不能給出某種配方在現(xiàn)場套管試壓的最大值和最多次數(shù)值。
[0056]實施方式二:水泥漿配方I在恒定的靜止溫度140°C，圍壓壓力35MPa，套管內壓力30MPa，已經(jīng)完全水化充分(養(yǎng)護一周時間)的情況下，5-10分鐘內套管內壓力迅速上升到40MPa (此時，套管內壓差為IOMPaVgS 15分鐘，10分鐘(緩慢)泄壓到套管內壓力30MPa，然后檢驗水泥環(huán)與套管內表面之間是否產(chǎn)生微環(huán)隙，同時檢驗氣竄流量；若發(fā)生破壞，則水泥漿配方I失??；依次檢驗水泥漿配方2、水泥漿配方3……，選擇出未產(chǎn)生微環(huán)隙的水泥漿配方，比如水泥漿配方3、4沒有發(fā)生破壞，使用水泥漿配方3和4重復上述加壓泄壓步驟，看哪一個配方在初次發(fā)生竄流時重復升降壓的次數(shù)多誰最優(yōu)；并以試壓10次以上為優(yōu)，5-10次合格，5次以內不合格為標準確定水泥漿配方承壓等級。若所有配方在套管內壓力迅速上升到40MPa都失敗，則重復前期實驗，5-10分鐘內套管內壓力迅速上升到35MPa (套管內壓差為5MPa)，恒壓15分鐘，10分鐘(緩慢)泄壓到套管內壓力30MPa，然后檢驗水泥環(huán)與套管截面之間是否產(chǎn)生微環(huán)隙，同時檢驗氣竄流量；依次檢驗水泥漿配方1、2、3……，優(yōu)選配方方法同上。若套管內壓差在最低壓差5MPa和最高壓差20MPa之間多次實驗仍然無法優(yōu)選出合適配方，則所有配方都不適合現(xiàn)場井況的使用，也無法指導現(xiàn)場，不能給出某種配方在現(xiàn)場套管試壓的最大值和最多次數(shù)值。
[0057]參見圖1，上述實施例中檢驗氣竄流量的方法為天平排水法，即將排氣孔通過管線插入裝有液體的錐形瓶15，錐形瓶15放置在天平14上，當有氣竄發(fā)生時，氣體會將錐形瓶中的液體排出，以排出錐形瓶中液體的重量來計量氣竄量，從而評價水泥環(huán)膠結質量的好壞。
[0058]為了全面衡量在壓力變化下水泥膠結質量，本發(fā)明中對水泥環(huán)的底部和中部同時測試氣竄量，具體方法為，通過釜體密封端蓋的注氣孔路注入氣體，測試釜底和釜體中部有無氣竄情況發(fā)生。
[0059]試驗結束，釋放壓力后開啟套管上蓋，油料經(jīng)套管壓釋放閥16回油箱；外層套管和高壓釜之間的油料通過開啟氣路上溢出閥18釋放壓力后回油箱。
[0060]上述試驗過程中，
[0061]優(yōu)選地，將水泥環(huán)高度設置為IOOOmm ；
[0062]優(yōu)選地，采用具有彈性、能夠受壓密封的橡膠套為水泥環(huán)膠結提供腔室；
[0063]優(yōu)選地，針對釜底驗竄出氣孔，采用工業(yè)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；
[0064]優(yōu)選地，在外層套管與高壓釜之間的環(huán)空，采用液體石蠟油作為傳熱、加壓介質。
[0065]優(yōu)選地，套管回路由增壓泵9和泄壓泵10制定程序自動控制壓力；圍壓回路由調壓閥13和泄壓泵10組成壓力穩(wěn)定控制。
[0066]雖然本發(fā)明所揭示的實施方式如上，但其內容只是為了便于理解本發(fā)明的技術方案而采用的實施方式，并非用于限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬【技術領域】內的技術人員，在不脫離本發(fā)明所揭示的核心技術方案的前提下，可以在實施的形式和細節(jié)上做任何修改與變化，但本發(fā)明所限定的保護范圍，仍須以所附的權利要求書限定的范圍為準。
【權利要求】
1.一種模擬壓力變化引起固井膠結失效的方法，包括: 安裝套管組件，并往套管組件內注入水泥漿； 將套管組件吊入試驗裝置的高壓釜，并封閉套管組件頂部和高壓釜頂部； 給套管組件內部充高壓油并加溫；給高壓釜和套管組件之間環(huán)空加壓，給高壓釜加溫，并將高壓釜內的壓力、溫度調整至與實際井下工況一致，養(yǎng)護水泥漿至水泥環(huán)成型； 保持高壓釜的溫度恒定、高壓釜和套管組件之間圍壓恒定，在多個壓差級別下，檢測水泥環(huán)在壓力變化過程中其與套管之間是否發(fā)生氣竄，以未發(fā)生氣竄的時所能承受的最大壓力和初始壓力之間的差值作為被測試水泥環(huán)配方所能承受的最大壓差； 通過對所述水泥環(huán)配方以最大壓差反復加壓和泄壓，檢測其與套管之間是否發(fā)生氣竄，并測定氣竄量； 以承受壓差最大、加壓和泄壓循環(huán)次數(shù)最多的水泥環(huán)配方為最佳配方。
2.根據(jù)權利要求1所述的模擬壓力變化引起固井膠結失效的方法，其中，所述套管組件由內層套管、外層套管和橡膠套組成，所述橡膠套位于內層套管和外層套管之間的環(huán)空，所述外層套管由兩個對半的半套管對拼而成，所述半套管上開設有圍壓孔。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種模擬壓力變化引起固井膠結失效的方法，其中，安裝套管組件方法為:將內層套管安裝在試驗裝置外部的工作臺上，在內層套管外部套上水泥支架，然后在水泥支架內填充泡沫，然后將橡膠套套在水泥支架外；再將外層套管安裝在橡膠套外，并將橡膠套頂部外翻將外層套管包裹住。
4.根據(jù)權利要求3所述的模擬壓力變化引起固井膠結失效的方法，其中，給套管組件內部充高壓油的方法為:打開試驗裝置中的油箱、進油電磁閥一和增壓泵實現(xiàn)高壓油從油箱進入內層套管。
5.根據(jù)權利要求4所述的模擬壓力變化引起固井膠結失效的方法，其中，給套管組件內部加溫的方法為:通過開啟試驗裝置中的循環(huán)釜的加熱帶使循環(huán)釜內部升高，通過連接內層套管和循環(huán)釜的內循環(huán)葉片泵將熱量送至內層套管內。
6.根據(jù)權利要求5所述的模擬壓力變化引起固井膠結失效的方法，其中，給高壓釜加壓的方法為:依次打開試驗裝置中的油箱、進油電磁閥二和單向閥實現(xiàn)油料從油箱進入外層套管和高壓釜之間的環(huán)空，然后開啟氮氣源及調壓閥給環(huán)空油料加壓。
7.根據(jù)權利要求6所述的模擬壓力變化引起固井膠結失效的方法，其中，給高壓釜加溫的方法為:開啟設置在高壓釜外壁上的熱電偶實現(xiàn)對高壓釜和外層套管之間的環(huán)空油料加溫。
8.根據(jù)權利要求1至7任意一項所述的模擬壓力變化引起固井膠結失效的方法，其中，壓差級別的范圍為20MPa至5MPa,壓差的遞減級數(shù)為5MPa。
9.根據(jù)權利要求1至7任意一項所述的模擬壓力變化引起固井膠結失效的方法，其中，檢驗氣竄量的方法為天平排水法。
10.根據(jù)權利要求1至7任意一項所述的模擬壓力變化引起固井膠結失效的方法，其中，檢驗氣竄量的位置為水泥環(huán)底部和水泥環(huán)中部。
【文檔編號】E21B33/14GK103806865SQ201410051851
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月14日 優(yōu)先權日:2014年2月14日
【發(fā)明者】謝玉洪, 張勇, 羅宇維, 黃凱文, 李炎軍, 張超, 徐一龍, 朱江林, 鄧金根, 王玉田 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油(中國)有限公司湛江分公司, 中海油田服務股份有限公司, 中國石油大學(北京), 沈陽金歐科石油儀器技術開發(fā)有限公司