一种水泥环密封性及套管抬升的实验装置及方法 |
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| 申请号 | CN201710015991.4 | 申请日 | 2017-01-10 | 公开(公告)号 | CN106593411A | 公开(公告)日 | 2017-04-26 |
| 申请人 | 中国石油大学(北京); | 发明人 | 李军; 张辉; 王昊; 张鑫; 姜敞; 董健; 谭天一; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种 水 泥环 密封性 及 套管 抬升的实验装置及方法。 水泥 环密封性及套管抬升的实验装置包括：釜体，釜体内部有多个套管，包括：表层套管；位于表层套管内部、与表层套管同轴相套的中间套管；位于中间套管内部、与中间套管同轴相套的生产套管；还包括：水泥浆储存罐；加热棒，下入到生产套管内腔；与围压腔连接的自动围压 泵 ；位于围压腔与自动围压泵之间的围压 传感器 ；与生产套管内腔连接的内压泵；高压气源；位于高压气源与釜体之间的高压气源 压 力 传感器 ；生产套管内腔、第一环空和第二环空均插有 温度 传感器；生产套管和中间套管上均连接位移传感器；气体流量计。通过实施本发明，可以模拟高温高压对井口抬升和水泥环密封性影响结果。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种水泥环密封性及套管抬升的实验装置，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种水泥环密封性及套管抬升的实验装置及方法技术领域背景技术[0002] 高温和高压环境会导致水泥环性能改变，密封性失效，套管轴向热应力过大引起井口抬升。目前，虽然某些油井在固井作业后得到不错的测井评价，但是油井在经过高温和高压环境后会出现井口抬升，井口冒油、冒气，甚至出现层间窜槽等复杂情况。因此，对水泥环密封性失效和井口抬升机理的研究具有很好的现场应用意义。 发明内容[0004] 本发明实施例的主要目的在于提供一种水泥环密封性及套管抬升的实验装置，用以模拟高温高压环境对套管柱抬升和水泥环密封性的影响结果。为了实现上述目的，本发明实施例提供一种水泥环密封性及套管抬升的实验装置，包括：釜体，釜体内部有多个套管，包括：表层套管，与夹持器外壳之间构成围压腔；位于表层套管内部、与表层套管同轴相套的中间套管，并与表层套管形成第二环空；位于中间套管内部、与中间套管同轴相套的生产套管，并与中间套管形成第一环空；环空圈闭流体压力升高实验装置还包括：水泥浆储存罐，用于向第一环空与第二环空注入水泥浆；加热棒，下入到生产套管内腔，用于加热加热液至设定温度；与围压腔连接的自动围压泵，用于向表层套管施加设定围压；位于围压腔与自动围压泵之间的围压传感器，用于采集围压数据；与生产套管内腔连接的内压泵，向生产套管内腔施加设定内压；位于生产套管内部的内压传感器，用于采集内压数据；高压气源，用于向第一环空与第二环空输入高压气体；位于高压气源与釜体之间的高压气源压力传感器，用于采集高压气源压力数据；生产套管内腔、第一环空和第二环空均插有温度传感器，用于采集温度数据；生产套管和中间套管上均连接位移传感器，用于采集生 产套管和中间套管的位移数据；气体流量计，用于分别测量第一环空与第二环空的气体流量。 [0005] 在其中一种实施例中，还包括：分别与加热棒、自动围压泵、高压气源、内压泵、内压传感器、围压传感器、高压气源压力传感器、气体流量计、多个温度传感器、以及多个位移传感器连接的计算机，用于控制加热棒加热加热液、控制自动围压泵向表层套管施加设定围压，控制高压气源向第一环空与第二环空输入高压气体，控制内压泵向生产套管内腔施加设定内压，采集来自围压传感器的围压数据、来自内压传感器的内压数据、来自高压气源压力传感器的高压气源压力数据、来自气体流量计的第一环空与第二环空的气体流量、来自多个温度传感器的多个温度数据、以及来自多个位移传感器的生产套管和中间套管的多个位移数据。 [0006] 在其中一种实施例中，还包括：水泥浆总控制阀，第一端与水泥浆储存罐连接，第二端分别与高压气源总控制阀第二端、第一控制阀第一端和第二控制阀第一端连接；高压气源总控制阀，第一端与高压气源连接，第二端还分别与第一控制阀第一端和第二控制阀第一端连接；第一控制阀，第一端还与第二控制阀第一端连接，第二端与第一环空连接；第二控制阀，第二端与第二环空连接；气体流量计第一控制阀，第一端与第一环空连接，第二端分别与气体流量计第二控制阀第二端和气体流量计连接；气体流量计第二控制阀，第一端与第二环空连接，第二端还与气体流量计连接；内压泵控制阀，第一端与内压泵连接，第二端与生产套管内腔连接。 [0007] 在其中一种实施例中，还包括：釜体包括上釜盖与下釜座；上釜盖与下釜座上均有两两相对的多个凹槽，用于分别插入表层套管、中间套管和生产套管。 [0008] 在其中一种实施例中，还包括：多个密封圈，用于密封多个凹槽。 [0009] 在其中一种实施例中，还包括：位于上釜盖的上流道；上流道与冷凝泵连接，冷凝泵用于输送冷凝水冷却上釜盖；冷凝泵控制阀，第一端与上流道连接，第二端与冷凝泵连接。 [0010] 在其中一种实施例中，加热液为油或水。 [0011] 因为本发明的水泥环密封性及套管抬升的实验装置通过水泥浆储存罐向第一环空以及第二环空注入水泥浆模拟地层地质环境，通过加热棒加热加热液至设定温度，通过自动围压泵向表层套管施加设定围压，通过内压泵向生产套管内腔施加设定内压，通过高压气源向第一环空与第二环空输入高压气体，通过围压传感器、内压传感器、高压气源压力传感器、气体流量计、温度传感器和位移传感器进行数据采集，从而模拟高温高压对井口抬升和水泥环密封性影响结果。 [0012] 本发明实施例还提供一种水泥环密封性及套管抬升的实验方法，用以模拟高温高压环境对套管柱抬升和水泥环密封性的影响结果，为油田生产风险分析提供可靠的理论依据。 [0013] 为了实现上述目的，本发明实施例提供一种如上所述的水泥环密封性及套管抬升的实验装置的实验方法，包括：向生产套管内腔注入加热液，水泥浆储存罐向第一环空与第二环空注满水泥浆；加热棒加热加热液至设定温度；自动围压泵向表层套管施加设定围压，内压泵向生产套管内腔施加设定内压；设定养护水泥环密封性及套管抬升的实验装置的第一时间，直至水泥浆胶结成的水泥环与表层套管、中间套管和生产套管胶结成一个整体；多个位移传感器采集生产套管和中间套管的位移数据；关闭加热棒令加热液温度降至常温，在此过程中，多个位移传感器采集生产套管和中间套管的位移数据、多个温度传感器采集多个温度数据，直至生产套管和中间套管的位移数据不变；高压气源向第一环空与第二环空输入高压气体；高压气源压力传感器采集高压气源压力数据，气体流量计分别测量第一环空与第二环空的气体流量数据。 [0014] 在其中一种实施例中，还包括：控制加热棒加热加热液、控制自动围压泵向表层套管施加设定围压，控制内压泵向生产套管内腔施加设定内压，采集来自围压传感器的围压数据、来自内压传感器的内压数据、来自高压气源压力传感器的高压气源压力数据、来自气体流量计的第一环空与第二环空的气体流量、来自多个温度传感器的多个温度数据、以及来自多个位移传感器的生产套管和中间套管的位移数据。 [0015] 在其中一种实施例中，还包括：输送冷凝水冷却上釜盖。 [0016] 因为本发明的水泥环密封性及套管抬升的实验方法向生产套管内腔注入加热液模拟套管中的流体，通过水泥浆储存罐向第一环空以及第二环空注入水泥浆模拟地层地质环境，通过加热棒加热加热液至设定温度，通过自动围压泵向表层套管施加设定围压，通过内压泵向生产套管内腔施加设定内压，通过高压气源向第一环空与第二环空输入高压气体，通过围压传感器、内压传感器、高压气源压力传感器、气体流量计、温度传感器和位移传感器进行数据采集，从而模拟高温高压对井口抬升和水泥环密封性影响结果，得出水泥环密封性和井口抬升变化规律，为油田生产风险分析提供可靠的理论依据。附图说明 [0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图 获得其他的附图。 [0018] 图1是本发明实施例中水泥环密封性及套管抬升的实验装置的结构图； [0019] 图2是本发明实施例中水泥环密封性及套管抬升的实验方法的流程图。 具体实施方式[0020] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0021] 鉴于现有技术不能充分模拟高温高压环境对套管柱抬升和水泥环密封性的影响结果，本发明实施例提供一种水泥环密封性及套管抬升的实验装置，通过水泥浆储存罐向第一环空以及第二环空注入水泥浆模拟地层地质环境，通过加热棒加热加热液至设定温度，通过自动围压泵向表层套管施加设定围压，通过内压泵向生产套管内腔施加设定内压，通过高压气源向第一环空与第二环空输入高压气体，通过围压传感器、内压传感器、高压气源压力传感器、气体流量计、温度传感器和位移传感器进行数据采集，从而模拟高温高压对井口抬升和水泥环密封性影响结果。以下结合附图对本发明进行详细说明。 [0022] 图1是本发明实施例中水泥环密封性及套管抬升的实验装置的结构图。如图1所示，水泥环密封性及套管抬升的实验装置包括：釜体，釜体内部有多个套管，包括：表层套管5，与夹持器外壳39之间构成围压腔2；位于表层套管5内部、与表层套管5同轴相套的中间套管27，并与表层套管5形成第二环空6；位于中间套管27内部、与中间套管27同轴相套的生产套管29，并与中间套管27形成第一环空28；环空圈闭流体压力升高实验装置还包括：水泥浆储存罐10，用于向第一环空28与第二环空6注入水泥浆；加热棒19，下入到生产套管内腔30，用于加热加热液至设定温度；与围压腔2连接的自动围压泵3，用于向表层套管5施加设定围压；位于围压腔2与自动围压泵3之间的围压传感器4，用于采集围压数据；与生产套管内腔 30连接的内压泵38，向生产套管内腔30施加设定内压；位于生产套管29内部的内压传感器 18，用于采集内压数据；高压气源11，用于向第一环空28与第二环空6输入高压气体；位于高压气源11与釜体之间的高压气源压力传感器14，用于采集高压气源压力数据；生产套管内腔30、第一环空28和第二环空6均插有温度传感器20，用于采集温度数据；生产套管29和中间套管27上均连接位移传感器16，用于采集生产套管29和中间套管27的位移数据；气体流量计31，用于分别测量第一环空28 与第二环空6的气体流量。 [0023] 具体实施时，釜体可以包括上釜盖8与下釜座35，上釜盖8顶部设有密封壳盖，用于隔热。上釜盖8与下釜座35上均有两两相对的多个凹槽，用于分别插入表层套管5、中间套管27和生产套管29，其中，凹槽可以为多个不同尺寸的同心圆。水泥环密封性及套管抬升的实验装置还可以包括多个密封圈，用于密封多个凹槽。 [0024] 实施例中，水泥浆储存罐10、高压气源11、内压泵38和自动围压泵3均可以通过输入管汇与釜体连接。水泥浆储存罐10通过注液孔7和17向第一环空28与第二环空6注入一定体积的水泥浆模拟地层地质环境。其中，水泥浆各成分的配比可以按照实验需要任意调整。加热棒9可以采用电加热的方式加热加热液至设定温度，令热量向外传递，模拟高温流体和井中的温度环境。其中，加热液可以为油或水。自动围压泵3向表层套管5施加设定围压模拟地层围压，高压气源11向第一环空28与第二环空6输入高压气体，内压泵38通过内压口34向生产套管内腔30施加设定内压，以模拟井中的压力环境。围压传感器4、内压传感器18、高压气源压力传感器14、气体流量计31和各个套管内部的温度温度传感器20进行数据采集，根据数据的变化模拟高温高压对井口抬升和水泥环密封性影响结果。 [0025] 如图1所示，水泥环密封性及套管抬升的实验装置还可以包括：分别与加热棒19、自动围压泵3、内压传感器18、高压气源11、内压泵38、围压传感器4、高压气源压力传感器14、气体流量计31、多个温度传感器20、以及多个位移传感器16连接的计算机1，用于控制加热棒19加热加热液、控制自动围压泵3向表层套管5施加设定围压，控制高压气源11向第一环空28与第二环空6输入高压气体，控制内压泵38向生产套管内腔30施加设定内压，采集来自围压传感器4的围压数据、来自内压传感器18的内压数据、来自高压气源压力传感器14的高压气源压力数据、来自气体流量计31的第一环空28与第二环空6的气体流量、来自多个温度传感器20的多个温度数据、以及来自多个位移传感器16的生产套管29和中间套管27的位移数据。计算机1可以通过编程软件来控制监视相关参数的变化，模拟出高温高压对井口抬升和水泥环密封性影响结果。加热棒19、自动围压泵3、高压气源11、内压泵38、围压传感器 4、内压传感器18、压气源压力传感器14、气体流量计31、多个温度传感器20、以及多个位移传感器16可以通过数据采集线路与计算机1相连，也可以通过蓝牙、GPRS等无线通信设备与计算机1相连。 [0026] 实施例中，水泥环密封性及套管抬升的实验装置还可以包括：水泥浆总控制阀12，第一端与水泥浆储存罐10连接，第二端分别与高压气源总控制阀13第二端、第一控制阀15 第一端和第二控制阀9第一端连接；高压气源总控制阀13，第一端与高压气源11连接，第二端还分别与第一控制阀15第一端和第二控制阀9第一端连接；第一控制阀15，第一端还与第二控制阀9第一端连接，第二端与第一环空28连接；第二控制阀9，第二端与第二环空6连接；气体流量计第一控制阀32，第一端与第一环空28连接，第二端分别与气体流量计第二控制阀33第二端和气体流量计31连接；气体流量计第二控制阀33，第一端与第二环空6连接，第二端还与气体流量计31连接；内压泵控制阀36，第一端与内压泵38连接，第二端与生产套管内腔30连接。 [0027] 具体实施时，还可以通过计算机1控制上述阀门的打开与关闭，以控制高压气源11向第一环空28与第二环空6输入高压气体、控制自动围压泵3向表层套管5施加设定围压，控制内压泵38向生产套管内腔30施加设定内压。 [0028] 如图1所示，水泥环密封性及套管抬升的实验装置还可以包括：位于上釜盖8的上流道22；上流道22与冷凝泵26连接，冷凝泵26用于输送冷凝水冷却上釜盖8；冷凝泵控制阀25，第一端与上流道22连接，第二端与冷凝泵26连接。通过冷却釜体的冷凝泵26，可以防止釜体温度过高引起O型密封圈失效。 [0029] 综上，本发明的水泥环密封性及套管抬升的实验装置通过水泥浆储存罐向第一环空以及第二环空注入水泥浆模拟地层地质环境，通过加热棒加热加热液至设定温度，通过自动围压泵向表层套管施加设定围压，通过内压泵向生产套管内腔施加设定内压，通过高压气源向第一环空与第二环空输入高压气体，通过围压传感器、内压传感器、高压气源压力传感器、气体流量计、温度传感器和位移传感器进行数据采集，从而模拟高温高压对井口抬升和水泥环密封性影响结果。本发明实施例还可以通过计算机监视相关参数的变化，模拟出高温高压对井口抬升和水泥环密封性影响结果，通过冷凝泵冷却釜体，防止釜体温度过高引起O型密封圈失效。 [0030] 基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种水泥环密封性及套管抬升的实验方法，如下面实施例所述。由于该方法解决问题的原理与水泥环密封性及套管抬升的实验装置相似，因此该方法的实施可以参见水泥环密封性及套管抬升的实验装置，重复之处不再赘述。 [0031] 图2是本发明实施例中水泥环密封性及套管抬升的实验方法的流程图。如图2所示，该方法可以包括： [0032] 步骤101：向生产套管内腔30注入加热液，水泥浆储存罐10向第一环空28与第二环空6注满水泥浆，加热棒19加热加热液至设定温度； [0033] 步骤102：自动围压泵3向表层套管5施加设定围压，内压泵38向生产套管内腔30施加设定内压； [0034] 步骤103：设定养护水泥环密封性及套管抬升的实验装置的第一时间，直至水泥浆胶结成的水泥环与表层套管5、中间套管27和生产套管29胶结成一个整体； [0035] 步骤104：多个位移传感器16采集生产套管29和中间套管27的位移数据； [0036] 步骤105：关闭加热棒9令加热液温度降至常温，在此过程中，多个位移传感器16采集生产套管29和中间套管27的位移数据、多个温度传感器20采集多个温度数据，直至生产套管29和中间套管27的位移数据不变； [0037] 步骤106：高压气源11向第一环空28与第二环空6输入高压气体； [0038] 步骤107：高压气源压力传感器14采集高压气源压力数据，气体流量计31分别测量第一环空28与第二环空6的气体流量数据。 [0039] 具体实施时，步骤101可以包括：用O型密封橡胶圈密封凹槽，将生产套管29、中间套管27和模拟地层5插入下釜座35对应的凹槽内，与上釜盖8配合组装。在套管内腔30注入加热液，加热液可以为水或油。从上釜盖8中央下入加热棒19，固定密封。在水泥浆储存罐10中按照一定的配比配置水泥浆。其中，水泥浆各成分的配比可以按照实验需要任意调整。打开水泥浆总控制阀12、第一控制阀15和第二控制阀9，通过水泥浆储存罐10向第一环空28与第二环空6注入配置好的水泥浆，待有水泥浆从储液溢出管线中溢出时表明水泥浆已经注满，关闭水泥浆总控制阀12。 [0040] 具体实施时，加热棒19加热至生产套管29内的温度传感器20的温度数据可以为122℃，用以模拟地层温度；自动围压泵3可以向表层套管5施加60Mpa的围压；打开内压泵控制阀36令内压泵38向生产套管内腔30施加设定内压。通过步骤105与106，得出高温高压对井口抬升影响结果。 [0041] 具体实施时，步骤107可以包括：先打开高压气源总控制阀13和气体流量计第一控制阀32，通过气体流量计31记录此时第一环空28的气体流量。然后关闭气体流量计第一控制阀32，打开气体流量计第二控制阀33，通过气体流量计31记录此时第二环空6的气体流量。通过步骤107，得出高温高压对水泥环密封性影响结果。 [0042] 该方法还可以包括：在执行步骤101-步骤108后，继续执行步骤201-步骤205： [0043] 步骤201：计算机1控制加热棒9加热加热液至设定温度后，持续加热第二设定时间。 [0044] 步骤202：关闭加热棒9令加热液温度降至常温，在此过程中，多个位移传感器16采集生产套管29和中间套管27的位移数据、多个温度传感器20采集多个温度数据，直至生产套管29和中间套管27的位移数据不变； [0045] 步骤203：高压气源11向第一环空28与第二环空6输入高压气体； [0046] 步骤204：高压气源压力传感器14采集高压气源压力数据，气体流量计31分别测量第一环空28与第二环空6的气体流量数据。 [0047] 步骤205：循环步骤201-步骤204，直至第一环空28的气体流量数据、第二环空6的气体流量数据、生产套管29的位移数据和中间套管27的位移数据不再发生变化。 [0048] 当第一环空28的气体流量数据、第二环空6的气体流量数据、生产套管29的位移数据和中间套管27的位移数据不再发生变化时，表明水泥环已经完全脱离表层套管5、中间套管27和生产套管29，水泥环密封失效。 [0049] 通过步骤201-步骤205，可以得到多组第一环空28的气体流量数据、第二环空6的气体流量数据、生产套管29的位移数据和中间套管27的位移数据。分析比较上述多组数据，可以得到蒸汽吞吐对井口抬升和水泥环密封性影响结果，得出水泥环密封性和井口抬升变化规律。 [0050] 实施例中，水泥环密封性及套管抬升的实验装置的实验方法还可以包括：控制加热棒19加热加热液、控制自动围压泵3向表层套管5施加设定围压，控制内压泵38向生产套管内腔30施加设定内压，采集来自围压传感器4的围压数据、来自内压传感器18的内压数据、来自高压气源压力传感器14的高压气源压力数据、来自气体流量计31的第一环空28与第二环空6的气体流量、来自多个温度传感器20的多个温度数据、以及来自多个位移传感器16的生产套管29和中间套管27的位移数据。具体实施时，可以采用计算机1的应用软件来执行上述功能。应用软件可以采用Visual Basic6.0编程。实验完成后，计算机1可以直接输出的数据报表。 [0051] 实施例中，水泥环密封性及套管抬升的实验装置的实验方法还可以包括：输送冷凝水冷却上釜盖8。 [0052] 本发明的主要技术指标如下： [0053] 1)实验温度：常温-220℃； [0054] 2)内压：0-15Mpa； [0055] 3)围压：0-60Mpa； [0056] 4)生产套管尺寸：7英寸，壁厚8.05mm，长度500mm； [0057] 6)中间套管尺寸：9.625英寸，壁厚9.19mm，长度500mm； [0058] 7)表层套管尺寸：13.375英寸，壁厚12.09mm，长度500mm； [0059] 8)压力传感器：环空流体压力传感器、围压传感器和高压气源压力传感器的量程是70MPa，内压传感器的量程是20MPa；传感器敏感度为0.27％FS； [0060] 9)套管表面粗糙度：0.2。 [0061] 其中，常温可以为25℃。 [0062] 综上，本发明的水泥环密封性及套管抬升的实验方法向生产套管内腔注入加热液模拟套管中的流体，通过水泥浆储存罐向第一环空以及第二环空注入水泥浆模拟地层地质环境，通过加热棒加热加热液至设定温度，通过自动围压泵向表层套管施加设定围压，通过内压泵向生产套管内腔施加设定内压，通过高压气源向第一环空与第二环空输入高压气体，通过围压传感器、内压传感器、高压气源压力传感器、气体流量计、温度传感器和位移传感器进行数据采集，从而模拟高温高压对井口抬升和水泥环密封性影响结果，得出水泥环密封性和井口抬升变化规律，为油田生产风险分析提供可靠的理论依据。 [0063] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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