[發明專利]一種深水固井水泥環封隔性能測試裝置

無效

• 申請號: 201310103015.6
• 申請日: 2013-03-28
• 公開（公告）號: CN103174409A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發明（設計）人: 王成文;王瑞和;王富華
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(華東)
• 主分類號: E21B47/005
• 分類號: E21B47/005
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種深水固井水泥環封隔性能測試裝置。

背景技術

油氣井固井的目的就是在套管-地層環空內形成完整的水泥環，有效封隔地層，并為套管提供有效支撐和保護，確證油氣資源的安全、經濟、高效開采。封隔地層是固井最重要的作用，也是評價固井質量的終極目標，但在固井作業的注水泥頂替、水泥漿候凝和后期的油氣井生產過程中都面臨著環空壓力失去平衡或封隔失效的風險。注水泥頂替過程中的當量循環密度設計、頂替流態選擇、前置液設計等方面，水泥漿候凝階段的竄流機理和防竄方法，國內外已開展了大量研究工作，并提出了注水泥頂替、防竄的相關理論和措施，提高了現場固井質量。固井水泥環在后期生產過程會受到各種應力作用，如套管內的液壓載荷、井筒溫度變化而誘發的熱應力、松軟地層塑性變性或鹽膏地層蠕變等誘發的地應力。由于地層、水泥石、套管三者的彈性模量、泊松比、線性膨脹系數、傳熱系數等都不一樣，各種應力會在地層-水泥環之間、水泥環-套管之間產生微間隙，甚至使水泥環產生裂紋，破壞地層-水泥環-套管的整體性，使水泥環的封隔性能失效。水泥環柱環空封隔失效而引起的環空竄流是困擾固井作業多年的問題。由于層間封隔失效，一種情況是高壓層流體竄入低壓層，出現“地下井噴”現象，造成油氣資源不可挽回的流失與浪費，并且對產能或環境也構成巨大威脅；另一種情況是地下高壓層流體沿著水泥環的微間隙或裂紋一直竄流至表層環空套管內引起環空套壓升高現象(SCP)，或甚至竄流至地面發生地面井噴，造成巨大的生命和財產損失。一旦竄流發生，即使花費大量的人力物力，也很難修復到原來的層間封隔狀態。

對于深水固井，所面臨的復雜地質環境因素使表層段固井質量一直都存在嚴重的隱患。影響深水表層段固井質量的因素主要有三點：(1)深水海底表層段主要是松軟地層，與水泥環界面膠結能力弱。海底的沉積巖層形成時間較短，又缺乏足夠的上覆巖層，所以海底表層結構通常是松軟的、未膠結的地層，甚至還有長段的軟泥沉積物，如在挪威Gjallar深水區域，其海底100m以下是長達600m的軟泥沉積物地層。(2)表層段松軟地層對水泥環的支撐作用弱，易使水泥環在熱應力、液壓應力或壓實應力(異常高壓實然釋放后引起地層孔隙壓力降低使地層沉陷所產生的應力)等作用下產生裂縫，破壞水泥環整體性。(3)深水海底存在竄流根源-異常高壓砂層、鹽水層和氣體水合物。深水的低溫條件會延緩水泥的水化進程，增大了水泥漿處于“臨界膠凝狀態”(水泥漿靜膠凝強度從48Pa到240Pa階段)的時間，深水地層的淺層流體、淺層氣、異常高壓砂層和氣體水合物等，進一步增大了水泥漿發生竄流的風險，使深水固井面臨嚴峻的竄流風險，固井質量普遍較差。深水表層套管須為井口裝置提供有效支撐和承受表層未固結或沖蝕地層的塑性變性影響，其固井質量好壞對深水油氣井的使用壽命具有非常重要的意義。表層段水泥環封固質量差以及竄流流體的存在，常在固井作業完畢后就能觀測到流體竄流現象，或者在一定時間后地層流體沿水泥環裂紋發生竄流，出現地下層間竄流現象或SCP現象，甚至發生套管外井噴，危害到油氣開采和平臺的安全性，嚴重時還會使鉆井底盤或平臺裝置不穩定，造成人員傷亡或失去整個鉆井裝置設備或平臺裝置，使油氣井完全報廢。

油氣井固井竄流和水泥環封隔失效是多年來一直困擾固井界的難題，國內外學者前后進行了大量研究工作，過去的研究主要集中在竄流機理、水泥漿防竄設計、水泥石自身力學性能(抗壓強度、抗折強度、抗沖擊功、彈性模量和泊松比等)和水泥環-套管間膠結性能方面。

目前，針對水泥環在井下工況下的地層-水泥環間和水泥環-套管間的膠結性能研究，國內外學者的主要集中在理論方面，在水泥環封隔性能測試裝置、方法的研究上非常缺乏。現有的水泥環封隔性能裝置無法模擬不同地層條件和溫度的連續變化。為此，加強井下實際工況下的水泥環封隔性能測試研究具有十分重要的現實意義。

發明內容

本發明針對當前水泥環封隔性能測試研究的不足，依據幾何尺寸相似和材料性能相似原理，發明了一套能模擬不同地層條件下液壓載荷變化、變溫循環對深水固井水泥環封隔性能影響的測試裝置。

本發明所采用的技術方案為：