本發(fā)明專利技術(shù)提供一種能真實模擬井下環(huán)境，兼顧保持實驗設(shè)備完整性的同時，準(zhǔn)確而多方位評價水泥環(huán)完整性的裝置及方法，主要包括：上下堵頭、外層管、中間管、水泥環(huán)、套管、長源距扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀(SBT)及高溫高壓釜。本發(fā)明專利技術(shù)利用高溫高壓釜模擬水泥環(huán)養(yǎng)護(hù)成型的地層溫度壓力；同時，分別通過對內(nèi)外環(huán)空的加載和卸載，模擬實際工況下井筒壓力和地層壓力變化對水泥環(huán)的作用；而利用SBT的發(fā)射探頭和接收探頭不斷的發(fā)射和接收聲波信號，進(jìn)行全方位高分辨率的補(bǔ)償式衰減率測量，獲得固井水泥環(huán)在實際地層環(huán)境下的水泥環(huán)第一界面和第二界面膠結(jié)質(zhì)量及水泥環(huán)內(nèi)部裂縫、竄槽的數(shù)量、大小和方位。本發(fā)明專利技術(shù)能多方位真實模擬井下環(huán)境，準(zhǔn)確而高效的評價固井水泥環(huán)完整性，為室內(nèi)評價水泥漿體系和現(xiàn)場采取針對性措施提供新的方法和依據(jù)，從而提高固井質(zhì)量。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種評價壓力變化對水泥環(huán)完整性影響的裝置及方法
本專利技術(shù)涉及石油天然氣固井水泥環(huán)完整性檢測領(lǐng)域，具體是一種評價井下壓力變化對水泥環(huán)完整性影響的裝置及方法。
技術(shù)介紹
在石油天然氣的鉆探過程中，固井的目的是為封隔地層、加固井眼、建立密封性能良好的井內(nèi)流動通道，以保證繼續(xù)安全高效鉆進(jìn)，并保證后期作業(yè)(試油、增產(chǎn)作業(yè)等)和生產(chǎn)的正常進(jìn)行。而要實現(xiàn)上述固井目的，則需介于地層與套管外壁之間的水泥環(huán)保持良好的完整性。其中，第一界面(水泥環(huán)與套管的界面)和第二界面(水泥環(huán)與地層的界面)的膠結(jié)質(zhì)量及水泥環(huán)內(nèi)部裂縫、竄槽的數(shù)量、大小和方位是評價水泥環(huán)完整性的關(guān)鍵參數(shù)。水泥環(huán)完整性是指在油氣井服役期間，水泥環(huán)保持良好的結(jié)構(gòu)完整性和功能完整性。而套管試壓、高壓氣井鉆井液密度大幅度降低、地下儲氣庫注采氣產(chǎn)生的交變壓力、壓裂作業(yè)及地層壓力變化等，都可能導(dǎo)致水泥環(huán)完整性失效，從而引起諸多復(fù)雜工況，如：1)水泥環(huán)完整性的破壞導(dǎo)致層間封隔失效，使得氣體上竄造成環(huán)空帶壓，而一旦超過允許值將誘發(fā)潛在的安全事故；2)特別對于含腐蝕性氣體的“三高”氣井，環(huán)空帶壓還使封隔器以上套管直接暴露在腐蝕性環(huán)境中，大大降低了套管的服役壽命；3)水泥環(huán)完整性的破壞導(dǎo)致套管外油、氣、水容易竄通，導(dǎo)致目的層產(chǎn)能、物性異常，從而不能準(zhǔn)確獲得油氣藏的評價參數(shù)。因此，真實模擬井下環(huán)境，準(zhǔn)確而高效的檢測水泥環(huán)第一界面和第二界面膠結(jié)質(zhì)量及水泥環(huán)內(nèi)部裂縫、竄槽的數(shù)量、大小和方位，評價水泥環(huán)的完整性，進(jìn)而基于評價結(jié)果，及時采取針對性措施，保證工程的質(zhì)量與安全，這對現(xiàn)場安全、高效的生產(chǎn)顯得尤為重要。目前，針對固井水泥環(huán)完整性檢測領(lǐng)域，美國千得樂公司研發(fā)的FMA7150氣竄評價儀，可模擬水泥漿失水與氣竄過程，但受該儀器結(jié)構(gòu)及性能的影響，不能真實模擬水泥環(huán)在井下高地層壓力與井筒壓力作用下的防竄實驗；國內(nèi)的中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司提出的“一種固井后期防氣竄模擬試驗裝置”、中國海洋石油總公司提出的“一種模擬壓力變化引起固井膠結(jié)失效的方法”等裝置及方法，均針對FMA7150的缺點進(jìn)行了改進(jìn)，可模擬水泥環(huán)在井下高地層壓力與井筒壓力作用下的氣竄實驗。但是，上述實驗裝置及方法仍存在較大局限性：(1)這類方法以在水泥環(huán)一端注氣，而在水泥環(huán)高度方向上的中間位置或水泥環(huán)另一端是否檢測到氣體，作為判斷水泥環(huán)與套管是否產(chǎn)生微環(huán)隙、裂縫、竄槽及評價水泥環(huán)完整性的標(biāo)準(zhǔn)，然而這種方法只能檢測水泥環(huán)已形成較大規(guī)模溝通微環(huán)隙、裂縫、竄槽的工況，不能檢測未溝通的微環(huán)隙、裂縫、竄槽；(2)氣竄實驗結(jié)束后，需將水泥環(huán)整體進(jìn)行解剖，以分析截面處水泥環(huán)是否產(chǎn)生裂縫，然而這種方法不但破壞實驗設(shè)備，而且在解剖過程中，易使水泥環(huán)受解剖作用而誘導(dǎo)原生裂縫的發(fā)展，或發(fā)育新的裂縫，由此影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過對國內(nèi)外固井水泥環(huán)完整性檢測儀的研究分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的檢測儀均只能定性檢測水泥環(huán)已形成較大溝通微環(huán)隙、裂縫、竄槽的工況，不能在真實模擬井下工況，保持實驗設(shè)備完整性的同時，準(zhǔn)確而高效的定量檢測水泥環(huán)未溝通微環(huán)隙、裂縫、竄槽的數(shù)量、大小和方位，而未溝通的微環(huán)隙、裂縫、竄槽在一定井下環(huán)境下能迅速的大規(guī)模轉(zhuǎn)變?yōu)闇贤ㄎh(huán)隙、裂縫、竄槽，從而危及工程質(zhì)量與安全。因此，為定量檢測固井水泥環(huán)完整性，并克服現(xiàn)有固井水泥環(huán)完整性檢測儀的不足，基于長源距扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀(SBT)的測井原理，本專利技術(shù)提出了一種評價壓力變化對水泥環(huán)完整性影響的新型裝置及方法。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種能真實模擬井下環(huán)境，兼顧保持實驗設(shè)備完整性的同時，準(zhǔn)確而高效的檢測水泥環(huán)第一界面和第二界面膠結(jié)質(zhì)量及水泥環(huán)內(nèi)部裂縫、竄槽的數(shù)量、大小和方位，評價水泥環(huán)完整性的裝置及方法，并以此為室內(nèi)評價水泥漿體系和現(xiàn)場采取針對性措施提供新的方法和依據(jù)，從而提高固井質(zhì)量。本專利技術(shù)目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：本專利技術(shù)提出的評價壓力變化對水泥環(huán)完整性影響的裝置，主要包括：第二出氣口、下堵頭、外層管、外環(huán)空、中間管、水泥環(huán)、套管、第一注氣口、內(nèi)環(huán)空、紫銅墊圈、氣閥、壓力表、第二注氣口、第一接頭、第三注氣口、螺母、橡膠密封圈、上堵頭、發(fā)射探頭、長源距扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀(SBT)、接收探頭、轉(zhuǎn)換接頭、第一出氣口、第二接頭、第三出氣口。其中，轉(zhuǎn)換接頭、第一接頭、第二接頭和兩側(cè)均安裝有發(fā)射探頭及接收探頭的長源距扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀SBT20組成芯軸，并巧妙的通過芯軸與套管形成模擬井筒的微小內(nèi)環(huán)空，一方面減小了加壓所需的注氣量，另一方面降低了作用在上下堵頭的載荷，從而提高了整個結(jié)構(gòu)的安全性；外層管、中間管和套管通過芯軸與螺母被固定在上堵頭和下堵頭之間；中間管用于模擬地層，并通過第一注氣口向外環(huán)空注入高壓氣體，模擬地層壓力，而向套管與中間管所形成的環(huán)空注入水泥漿，并置入高溫高壓釜養(yǎng)護(hù)成型，模擬水泥環(huán)在實際工況下的成型過程。本專利技術(shù)所述SBT用于檢測水泥環(huán)第一界面和第二界面膠結(jié)質(zhì)量及水泥環(huán)內(nèi)部裂縫、竄槽的數(shù)量、大小和方位，評價水泥環(huán)完整性。本專利技術(shù)所述的上下堵頭在結(jié)構(gòu)上具有臺肩面、平面、錐面的特征，分別建立了堵頭與外層管之間的錐面對錐面密封、堵頭與套管之間的臺肩密封及堵頭與中間管之間的平面密封，其中，外層管兩端呈錐形，且長度稍短于中間管，不僅實現(xiàn)錐面對錐面的金屬密封，而且避免了密封死點，從而實現(xiàn)了整個裝置在高壓狀態(tài)下的可靠密封。本專利技術(shù)所述外層管、上堵頭、第一接頭分別設(shè)置有第一、第二、第三注氣口，且在第二注氣口上安裝有氣閥和壓力表，以分別用于向外環(huán)空、水泥環(huán)空隙及內(nèi)環(huán)空注入高壓氣體；下堵頭設(shè)置有第一、第二出氣口，第一出氣口用于釋放實驗結(jié)束后外環(huán)空的高壓氣體，而第二出氣口用于釋放通過水泥環(huán)的氣體；第二接頭設(shè)置有第三出氣口，用于釋放實驗結(jié)束后內(nèi)環(huán)空的高壓氣體。本專利技術(shù)設(shè)有上下堵頭，并通過芯軸與螺母實施緊固聯(lián)接。長源距扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀(SBT)有6個極板，每個極板上有1個發(fā)射和1個接收探頭，共計6發(fā)6收，分別用于發(fā)射聲波和接收聲波；測井時SBT安裝的6個動力推靠臂，各把一塊發(fā)射和接收換能器滑板貼在套管內(nèi)壁上，6個極板上的12個高頻定向換能器不斷的發(fā)射和接收聲波信號，進(jìn)行全方位高分辨率的補(bǔ)償式衰減率測量。測量得到的高衰減率反映水泥膠結(jié)好，低衰減率反映水泥膠結(jié)差。由于測井時同時測量6個極板分屬的6個區(qū)域信息，因而可得到6條分區(qū)的套管水泥膠結(jié)評價曲線，由此得到各個分區(qū)高精度、高可靠性的水泥膠結(jié)信息。并通過對聲幅最大衰減率、聲幅最小衰減率及平均衰減率、平均聲幅、相對方位RB、5英尺源距變密度VDL的解釋分析，檢測水泥環(huán)第一界面、第二界面膠結(jié)質(zhì)量及水泥環(huán)內(nèi)部裂縫、竄槽的數(shù)量、大小和方位，評價水泥環(huán)完整性。需特別指出的是，SBT可在高達(dá)137MPa、175℃的苛刻井下環(huán)境持續(xù)穩(wěn)定工作，完全滿足本專利技術(shù)的要求。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：(1)本專利技術(shù)能全尺寸模擬固井水泥環(huán)在井下的實際工況；(2)本專利技術(shù)能在保持實驗設(shè)備完整性的同時，準(zhǔn)確而高效的定量檢測水泥環(huán)已溝通及未溝通微環(huán)隙、裂縫、竄槽的數(shù)量、大小和方位。附圖說明圖1為本專利技術(shù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式如附圖所示，本專利技術(shù)提出的裝置主要包括：第二出氣口1、下堵頭2、外層管3、外環(huán)空4、中間管5、水泥環(huán)6、套管7、第一注氣口8、內(nèi)環(huán)空9、紫銅墊圈10、氣閥1本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
一種評價壓力變化對水泥環(huán)完整性影響的裝置，其特征在于：第二出氣口(1)、下堵頭(2)、外層管(3)、外環(huán)空(4)、中間管(5)、水泥環(huán)(6)、套管(7)、第一注氣口(8)、內(nèi)環(huán)空(9)、紫銅墊圈(10)、氣閥(11)、壓力表(12)、第二注氣口(13)、第一接頭(14)、第三注氣口(15)、螺母(16)、橡膠密封圈(17)、上堵頭(18)、發(fā)射探頭(19)、長源距扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀(SBT)(20)、接收探頭(21)、轉(zhuǎn)化接頭(22)、第一出氣口(23)、第二接頭(24)、第三出氣口(25)。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種評價壓力變化對水泥環(huán)完整性影響的裝置，其特征在于，裝置主要包括：第二出氣口(1)、下堵頭(2)、外層管(3)、外環(huán)空(4)、中間管(5)、水泥環(huán)(6)、套管(7)、第一注氣口(8)、內(nèi)環(huán)空(9)、紫銅墊圈(10)、氣閥(11)、壓力表(12)、第二注氣口(13)、第一接頭(14)、第三注氣口(15)、螺母(16)、橡膠密封圈(17)、上堵頭(18)、發(fā)射探頭(19)、長源距扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀SBT(20)、接收探頭(21)、轉(zhuǎn)換接頭(22)、第一出氣口(23)、第二接頭(24)、第三出氣口(25)；其中，轉(zhuǎn)換接頭(22)、第一接頭(14)、第二接頭(24)和兩側(cè)均安裝有發(fā)射探頭(19)及接收探頭(21)的長源距扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀SBT(20)組成芯軸，而芯軸與套管(7)之間巧妙形成了模擬井筒的微小內(nèi)環(huán)空(9)，可明顯減少加壓所需的注氣量；外層管(3)、中間管(5)和套管(7)通過芯軸與螺母(16)被固定在上堵頭(18)和下堵頭(2)之間，短于中間管(5)的外層管(3)采用錐面對錐面的金屬密封，并避免了密封死點，中間管(5)采用紫銅墊圈(10)密封，套管(7)采用紫銅墊圈(10)和橡膠密封圈(17)密封，外層管(3)與中間管(5)形成外環(huán)空(4)，而中間管(5)與套管(7)之間為水泥環(huán)(6)；第一注氣口(8)、第二注氣口(13)、第三注氣口(15)分別位于外層管(3)、上堵頭(18)、第一接頭(14)，且在第二注氣口(13)上安裝有氣閥(11)和壓力表(12)；第一出氣口(23)和第二出氣口(1)位于下堵頭(2)，第三出氣口(25)位于第二接頭(24)。2.一種評價壓力變化對水泥環(huán)完整性影響的方法，其采用權(quán)利要求1所述的評價壓力變化對水泥環(huán)完整性影響的裝置，其特征在于：步驟一：向中間管(5)與套管(7...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鄧寬海，林元華，曾德智，馬尚余，仝闖闖，寧華中，孔祥偉，朱達(dá)江，
申請(專利權(quán))人：西南石油大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：四川;51
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