[發(fā)明專利]一種高溫高壓固井水泥環(huán)力學完整性測試裝置及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410572060.0
• 申請日: 2014-10-22
• 公開（公告）號: CN104405366A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發(fā)明（設計）人: 劉健;郭小陽;常培敏;李早元;程小偉;李明;張凱;謝和
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21B47/005
• 分類號: E21B47/005
• 代理公司: 成都市輔君專利代理有限公司 51120
• 代理人: 楊海燕

技術領域

本發(fā)明涉及油氣井工程固井領域水泥環(huán)力學完整性測試裝置及方法，特別是涉及在高溫高壓條件下，能模擬水泥環(huán)遭受地層、套管復雜機械載荷和熱應力雙重沖擊，并能動態(tài)測試其力學完整性的裝置及方法。

技術背景

油氣井固井是指鉆井作業(yè)達到一定井深后，在井眼中下入套管，把水泥漿注入套管外環(huán)形空間來預定位置，使其在預定時間內迅速凝結、硬化，形成優(yōu)質、完整、具有良好層間封隔能力的水泥環(huán)的過程。水泥環(huán)的形成主要是為了懸掛和保護套管，減少和延緩地層對套管的作用，延長套管的使用年限，它和套管共同起到層間封隔的作用。

然而，水泥環(huán)在井下的工作環(huán)境是非常惡劣的。如：套管在高溫高壓環(huán)境下膨脹，易造成水泥環(huán)徑向破裂；套管試壓，大規(guī)模強化開采措施，如射孔、酸化、壓裂等后期作業(yè)均會對水泥環(huán)帶來嚴重的應力沖擊，當水泥環(huán)不能承受強制性的沖擊，水泥環(huán)將有可能會破壞；儲氣庫井是兩用井，在城市用氣處于淡季時用于注氣，在用氣旺季和高峰時用于采氣，儲氣庫井運行過程中，水泥環(huán)要承受注和采時所產(chǎn)生的交變應力作用和溫度變化。提高固井水泥環(huán)力學完整性是指油氣井整個使用生命周期內，其在復雜、惡劣、持續(xù)的載荷作用和熱應力沖擊下，保證其層間封固的能力。

因此，開展水泥環(huán)力學完整性測試研究是必要和有意義的。但是，有關水泥石的力學性能研究集中在單軸抗壓強度的檢測及分析，并將其作為主要的工程指標考察。近年來，隨著固井工作者的認識發(fā)生變化，關于水泥環(huán)力學完整性的數(shù)理模型和評價裝置研究已屢見不鮮。斯倫貝謝水泥環(huán)完整性評價軟件(CemSTRESS)、道達爾水泥環(huán)完整性評價軟件(SealWell)、哈里伯頓水泥環(huán)完整性評價軟件(Analysis-Software?Design?Tool)，3款完整性評價軟件通過輸入力學性能參數(shù)，就能很好地再現(xiàn)水泥環(huán)在井下不同工況下的工作狀態(tài)，評價水泥環(huán)的層間封固性能。國內，中海油研究總院和長江大學聯(lián)合攻關，研發(fā)了一套水泥環(huán)性能模擬實驗裝置，該裝置在簡化壓力、溫度對水泥環(huán)的作用，重點研究膠結面剪切力，采用全尺寸，能較真實地模擬固井動態(tài)變化。西安石油大學楊振杰等研發(fā)了固井水泥環(huán)完整性模擬評價試驗儀，能夠測定不同條件下水泥石抗竄強度變化，以此評價水泥環(huán)的抗沖擊韌性和封固可靠性。另外，為模擬水泥石在井下三向受力狀態(tài)，常采用美國GCTS公司的三軸巖石應力測試系統(tǒng)，測試水泥石三軸作用下的應力-應變變化曲線。

這些研究方法和手段都力圖模擬水泥環(huán)在井下工況下的真實的受力狀態(tài)，然而也存在大量的弊端。軟件模擬數(shù)據(jù)是在大量的簡化基礎之上計算而得，數(shù)據(jù)的可靠性必須要通過等效物理實驗來驗證，各種水泥環(huán)完整性模擬器實際上只是對“石”的測定，并未實現(xiàn)“環(huán)”結構，但是這兩者不同結構帶來的受力狀態(tài)有很大區(qū)別，更關鍵的是，基于實驗設備和條件的限制，很少考慮水泥環(huán)在高溫、高壓和這兩者變化對水泥環(huán)的應力沖擊，也并未實現(xiàn)對水泥環(huán)力學完整性的量化評定。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種高溫高壓固井水泥環(huán)力學完整性測試裝置，該裝置基于水泥環(huán)實際工作環(huán)境，能較真實地模擬地層溫度壓力和套管溫度壓力雙重波動下對水泥環(huán)的沖擊，溫度上限300℃，環(huán)壓(地層壓力)上限70MPa，內壓(套管壓力)上限100MPa，克服了當前固井水泥環(huán)完整性研究的不足。

本發(fā)明的另一目的還在于提供利用上述裝置進行高溫高壓固井水泥環(huán)力學完整性測試的方法，該方法可適用于水泥環(huán)在油氣井后期生產(chǎn)過程中，模擬不同管柱結構下水泥環(huán)在高溫高壓環(huán)境中損傷劣化，通過高壓氣體穿過受傷水泥環(huán)，利用壓力表“驗竄”的方法來評價和量化完整性，即水泥環(huán)在試驗過程中，對水泥環(huán)一端加氣壓，通過測定其兩端的氣體壓差變化來評價其力學完整性。

為達到以上技術目的，本發(fā)明提供以下技術方案。

一種高溫高壓固井水泥環(huán)力學完整性測試裝置，包括水泥環(huán)養(yǎng)護模具和測試工作平臺。

所述水泥環(huán)養(yǎng)護模具主要由左、右模具和內壓套管組成。

所述左、右模具可組成一個內部為圓形、外部為方形的中空柱體，內壓套管位于中空柱體內，內壓套管和中空柱體組成的環(huán)形空間內充滿水泥漿，其上下端密封。

所述內壓套管鋼材為套管鋼。將水泥環(huán)養(yǎng)護模具放入高溫高壓養(yǎng)護釜中養(yǎng)護至要求齡期，脫模，將水泥環(huán)和內壓套管一同取出，得到“水泥環(huán)-內壓套管”組合體。