[發明專利]頁巖氣井多級壓裂水泥環氣密封完整可視評價裝置和方法

有效

• 申請號: 201710797907.9
• 申請日: 2017-09-06
• 公開（公告）號: CN107401403B
• 公開（公告）日: 2023-10-10
• 發明（設計）人: 許紅林;楊斌;龍學淵;王均;郭曉樂;蘇堪華
• 申請（專利權）人: 重慶科技學院
• 主分類號: E21B47/002
• 分類號: E21B47/002;E21B47/005
• 代理公司: 重慶蘊博君晟知識產權代理事務所(普通合伙) 50223
• 代理人: 王玉芝

技術領域

本發明屬于石油與天然氣工程井筒完整性與安全技術領域，尤其涉及一種頁巖氣井多級壓裂水泥環氣密封完整可視評價裝置和方法。

背景技術

頁巖氣開發普遍需要采用水平井鉆井結合多級壓裂技術提高單井產量。多級壓裂時頁巖氣井水泥環會連續經受套管內壓和井筒溫度變化的循環載荷，導致水泥環產生微裂縫或微環空。隨著多級壓裂作業進行，微裂縫和微環空不斷產生和發展，最終可形成氣體泄漏的連續通道，影響頁巖氣井安全。目前，主要通過理論建模和實驗研究來優化壓裂施工參數和水泥環力學性能，從而降低水泥環密封失效的風險。

然而，現有水泥環完整性評價實驗裝置和方法僅能從宏觀上定性評價水泥環受載后的密封性能，而不能對多級壓裂全過程中水泥環中微裂縫或微環空的產生和發展全過程進行可視化描述和評價，因此難以微觀定量揭示重復壓裂時水泥環密封失效力學機理，也不能更好地指導壓裂施工參數和水泥環力學參數優化設計。

本發明通過公開一種頁巖氣井多級壓裂水泥環氣密封完整可視評價裝置和方法，模擬頁巖氣井多級壓裂后水泥環中裂紋萌生、擴展直至溝通的全過程，定量可視化評價泄漏通道，計算泄漏速率，可很好地解決現有技術難題。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種頁巖氣井多級壓裂水泥環氣密封完整可視評價裝置和方法。

本發明是這樣實現的，一種頁巖氣井多級壓裂水泥環氣密封完整可視評價方法，所述頁巖氣井多級壓裂水泥環氣密封完整可視評價方法包括以下步驟：

步驟一，按設計尺寸加工好釜體，制作好套管并預制好人造地層；

步驟二，將釜體置于實驗臺上，然后將加熱棒安裝在釜體中，下部螺栓加墊片連接，保證密封性；

步驟三，將套管和預制好的人造地層放入釜體中，并將篩網安裝在高壓氣體腔室上部，在釜體內部和人造地層之間放置木楔，保證灌注水泥漿時人造地層不發生徑向移動。

步驟四，按要求配置水泥漿，配置時采用恒速攪拌器保證水泥漿均勻混合；

步驟五，灌注水泥漿，灌注時沿著人造地層和套管之間環形空間均勻灌注至充滿整個環形空間，灌注完成后在人造地層環境溫度下養護5天，待進行后續試驗；

步驟六，水泥漿養護達到要求后，拆除木楔，將環形密封橡膠條安裝至人造地層外圍，并插入釜體的凹槽中，同時檢查高壓氣體腔室下部的連接孔，防止水泥漿液堵孔；

步驟七，將密封蓋擰緊，并連接電動液壓泵、圍壓液壓泵、高壓氮氣瓶、溫度調節裝置和檢漏瓶，整個裝置安裝完成，釜體內部應處于密封狀態；

步驟八，向高壓氣體腔室中通入高壓氮氣，壓力調至儲層氣體壓力P_g，觀察檢漏瓶，此時檢漏瓶中應無氣泡產生，表明水泥環膠結良好，初始滲透性滿足要求；同時，實驗過程中始終保持高壓氣體腔室壓力P_g恒定；

步驟九，將釜體在CT掃描機下進行360度掃描，通過CT成像信號處理器得到初始掃描圖像F₀，觀察水泥環內部和膠結面處初始裂縫；

步驟十，用圍壓液壓泵將水加滿圍壓腔室，調節圍壓液壓泵使其達到設計圍壓值P_o，實驗過程中始終保持圍壓值P_o恒定；

步驟十一，用電動液壓泵將導熱液體加滿套管，同時控制溫度調節裝置達到設計值T_f，實驗過程中始終保持溫度值T_f恒定；

步驟十二，調節電動液壓泵，并按P_c～t曲線施加壓裂時的套管壓力P_c，每200min為一級壓裂周期；第1級壓裂完成后，將釜體在CT掃描機下進行360度掃描，通過CT成像信號處理器得到掃描圖像F₁，觀察并記錄水泥環內部和膠結面處裂縫發展情況；同時，查看檢漏瓶中是否有氣泡產生；

步驟十三，重復步驟十二，繼續第2級、第3級…壓裂，直到觀察到檢漏瓶中有穩定連續的氣泡產生，表明此時裂縫已發展為貫通狀態，記錄此時壓裂級數為L，并得到水泥環開始泄漏時的掃描圖像F_L；

步驟十四，將掃描圖像F_L表征的水泥環泄漏通道導入CFD軟件中計算氣體泄漏速度，進一步驗證水泥環發生泄漏時的最大壓裂級數N；

步驟十五，整個實驗完成后，將裝置恢復到實驗前的狀態，以便下次正常使用；