本發(fā)明涉及天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，特別涉及一種氣井套管環(huán)空密封完整性失效預(yù)防裝置及預(yù)防方法。

背景技術(shù)：

氣竄引起的套管環(huán)空帶壓是高壓氣井持續(xù)面臨的難題之一?，F(xiàn)有的氣井環(huán)空帶壓治理措施如擠水泥修復(fù)和化學(xué)堵漏等存在成本高、效果差和作業(yè)難度大等問題。另外，頻繁的壓力監(jiān)測和放噴作業(yè)，同樣也會增加氣井的管理難度和生產(chǎn)成本。因此，可以說氣井一旦出現(xiàn)環(huán)空帶壓問題，無論采取何種補(bǔ)救和治理措施勢必會付出巨大的時間、人工成本以及高額的費(fèi)用，極大地降低了氣井的開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益。

中國專利申請cn103775019a《套管環(huán)空封隔裝置》公開了一種由遇水膨脹的材料制成的套筒，用于對套管和鉆井內(nèi)壁之間的環(huán)空進(jìn)行封隔的封隔裝置。此封隔裝置代替了傳統(tǒng)的水泥環(huán)，起到很好的環(huán)空密封問題。雖然此申請文件中提到了通過水泥環(huán)進(jìn)行環(huán)空封隔存在一定的問題，但是由于油氣井水泥經(jīng)濟(jì)方便，性能參數(shù)可調(diào)、尺寸可控，因此，利用水泥對套管外環(huán)空進(jìn)行封固還是有一定存在的意義。

目前，對于由水泥環(huán)本身材料缺陷造成的套管環(huán)空密封失效的問題，特別是固井后的長期生產(chǎn)過程中井下工況變化對水泥環(huán)的破壞，缺少有效的解決和控制手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)上述不足之處，本發(fā)明為常規(guī)水泥固井，提供了一種氣井套管環(huán)空密封完整性失效預(yù)防裝置及預(yù)防方法，用于對水泥環(huán)進(jìn)行受力保護(hù)，防止水泥環(huán)由井下工況及壓力變化所導(dǎo)致的失效破壞。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案在于：一種氣井套管環(huán)空密封完整性失效預(yù)防裝置，包括粘附在套管外周、用于對水泥環(huán)進(jìn)行受力保護(hù)的套筒。

優(yōu)選的是：套筒其彈性模量為5-10mpa，泊松比為0.25-0.5，厚度為4-8mm。

優(yōu)選的是：用于制備套筒的材料，按重量份數(shù)計(jì)包括以下成分：

本發(fā)明還提供一種對氣井套管環(huán)空密封完整性失效進(jìn)行預(yù)防的方法，包括如下步驟：

s1：對套管外周進(jìn)行除塵、清洗、噴砂、脫脂處理后晾干；

s2：在套管外周刷涂膠黏劑；

s3：根據(jù)套筒的厚度，將套筒模具套設(shè)于套管外周，在套管與套筒模具之間灌入套筒原料，通過硫化裝置進(jìn)行硫化；

s4：硫化完成后，將套筒模具取下，套筒即粘附在套管外周，放置至少24h后，將粘附有套筒的套管按常規(guī)操作置于氣井內(nèi)，即可起到預(yù)防氣井套管環(huán)空密封完整性失效的作用。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明通過在套管外周增加一層緩沖介質(zhì)，完全或一定程度上吸收因井下壓力變化導(dǎo)致的套管變形，減小套管內(nèi)壓力對水泥環(huán)受力的影響，避免套管內(nèi)壓力過高時水泥環(huán)的失效破壞，達(dá)到預(yù)防套管環(huán)空密封完整性失效及由此產(chǎn)生的環(huán)空帶壓和環(huán)空竄流問題的目的。

本發(fā)明可以從油氣井建井之初，完全或一定程度上預(yù)防氣井中的套管環(huán)空密封完整性失效，作用效果貫穿氣井的整個生命周期。本發(fā)明只是對原有套管作簡單處理，簡便易行，成本低廉，且不改變原施工工藝，也無需任何專門配套設(shè)施，相較于出現(xiàn)套管環(huán)空密封完整性失效的種種問題再治理具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明套管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的使用狀態(tài)圖；

圖4是本發(fā)明水泥環(huán)內(nèi)壁徑向應(yīng)力隨套管壓力變化曲線；

圖5是本發(fā)明水泥環(huán)內(nèi)壁peeq隨套管壓力變化曲線。

圖中，1-套管；2-套筒；3-水泥環(huán)；4-地層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明涉及一種氣井套管環(huán)空密封完整性失效預(yù)防裝置，如圖1所示，包括粘附在套管1外周、用于對水泥環(huán)3進(jìn)行受力保護(hù)的套筒2。

由圖3可知，油氣井井筒由套管1、水泥環(huán)3和地層4三部分組成，理想狀態(tài)下為同心嵌套結(jié)構(gòu)。井筒主要承受來自于套管1內(nèi)部的套管壓力，以及外圍地層的地應(yīng)力兩種壓力。傳統(tǒng)的井筒由于內(nèi)外部壓力的不均勻，極易造成水泥環(huán)3的裂縫甚至破損，這樣使得氣井出現(xiàn)環(huán)空帶壓的問題，帶來很大的損失。

本方法中在套管外壁附著一層特定厚度和性質(zhì)的緩沖介質(zhì)作為緩沖層，即套筒2，將套管1和水泥環(huán)3之間的剛性接觸變?yōu)閺椥越佑|，通過套筒2吸收一定的壓力及形變，改善套管1壓力下水泥環(huán)的受力狀況，確保水泥環(huán)的完整性。

作為一種優(yōu)選的實(shí)施例，套筒其彈性模量為5-10mpa，泊松比為0.25-0.5，厚度為4-8mm。套筒2的材料不限定，只要能達(dá)到上述要求即可。另外，套筒還需要具有耐油、耐熱、耐磨、彈性好、變形易恢復(fù)、壽命長的特點(diǎn)。套筒的厚度需根據(jù)水泥環(huán)在井下所受壓力極值及所用套管尺寸進(jìn)行選取，但厚度范圍不超過4-8mm。根據(jù)圖1及圖2的對比可以知道，套筒2設(shè)置在套管1的接箍和安裝螺紋之間的位置，確保不影響套管的正常安裝。

作為一種優(yōu)選的實(shí)施例，用于制備套筒的材料，按重量份數(shù)計(jì)包括以下成分：

本發(fā)明還提供一種對氣井套管環(huán)空密封完整性失效進(jìn)行預(yù)防的方法，包括如下步驟：

s1：對套管1外周進(jìn)行除塵、清洗、噴砂、脫脂處理后晾干；

s2：在套管1外周刷涂膠黏劑；

s3：根據(jù)套筒的厚度，將套筒模具套設(shè)于套管外周，在套管1與套筒模具之間灌入套筒原料，通過硫化裝置進(jìn)行硫化；

s4：硫化完成后，將套筒模具取下，套筒2即粘附在套管1外周，放置至少24h后，將粘附有套筒的套管按常規(guī)操作置于氣井內(nèi)，即可起到預(yù)防氣井套管環(huán)空密封完整性失效的作用。

步驟1中的除塵、清洗、噴砂和脫脂為常規(guī)操作，是為了對套管外周做預(yù)處理，去掉套管外周的雜物和油漬，防止對套管的硫化造成影響。

步驟2中，根據(jù)使用的膠黏劑不同，可以一步刷涂，也可以分步刷涂，根據(jù)膠的性質(zhì)的不同，每次刷涂之間間隔一定的時間，確保后期膠黏劑能更好的發(fā)揮作用。常規(guī)的采用刷涂法將底涂型膠粘劑均勻涂于粘結(jié)表面，室溫干燥至少30min，待底膠完全干燥后，刷涂面涂型膠粘劑，室溫干燥至少30min。

步驟3中，可以在套管及套筒模具之間設(shè)置夾持裝置，用于確保套管與套筒模具處于同心位置，確保套筒厚度的均勻。硫化的溫度、壓力及時間根據(jù)所采用的膠料的配方的不同適當(dāng)調(diào)整，完全硫化即可。

套筒2對套管1外環(huán)空的水泥環(huán)3進(jìn)行受力保護(hù)。

使用時，可根據(jù)需要，在不同深度井段處及不同層次套管外周加裝本發(fā)明裝置。以套管為單位使用本發(fā)明裝置，且需在選定井段連續(xù)使用。

當(dāng)本發(fā)明的套管環(huán)空密封完整性預(yù)防裝置隨著套管下入井眼內(nèi)，后按常規(guī)固井程序進(jìn)行施工作業(yè)，使套筒、水泥環(huán)緊緊固結(jié)在一起，共同對套管外環(huán)空形成密封。當(dāng)井下工況變化導(dǎo)致套管變形時，本發(fā)明裝置中的套筒由于具備良好的彈性變形能力，可以吸收套管對水泥環(huán)的擠壓作用力，起到保護(hù)水泥環(huán)受力的作用。

本發(fā)明的作用原理為通過在套管外加入一層高彈性緩沖介質(zhì)，減小套管內(nèi)壓力對水泥環(huán)的影響，避免水泥環(huán)在套管內(nèi)壓力過高時發(fā)生失效破壞，確保水泥環(huán)對套管外環(huán)空的有效密封。

實(shí)施例1

一種氣井套管環(huán)空密封完整性失效預(yù)防裝置，包括粘附在套管1外周、用于對水泥環(huán)3進(jìn)行受力保護(hù)的套筒2。其中，套筒其彈性模量為5mpa，泊松比為0.25，厚度為4mm。

用于制備套筒的材料，按重量份數(shù)計(jì)包括以下成分：丁腈橡膠100份；硫化劑dcp5份；硫化劑硫磺0.45份；高耐磨炭黑25份；半補(bǔ)強(qiáng)炭黑5份；2份防老劑445；促進(jìn)劑氧化鋅0.5份；促進(jìn)劑活性氧化鎂0.4份。

本發(fā)明還提供一種對氣井套管環(huán)空密封完整性失效進(jìn)行預(yù)防的方法，包括如下步驟：

s1：對套管1外周進(jìn)行除塵、清洗、噴砂、脫脂處理后晾干；

s2：在套管1外周刷涂膠黏劑；

s3：根據(jù)套筒2的厚度，將套筒模具套設(shè)于套管外周，在套管與套筒模具之間灌入套筒原料，通過硫化裝置進(jìn)行硫化；

s4：硫化完成后，將套筒模具取下，套筒即粘附在套管外周，放置至少24h后，將粘附有套筒的套管按常規(guī)操作置于氣井內(nèi)，即可起到預(yù)防氣井套管環(huán)空密封完整性失效的作用。

實(shí)施例2

一種氣井套管環(huán)空密封完整性失效預(yù)防裝置，包括粘附在套管1外周、用于對水泥環(huán)3進(jìn)行受力保護(hù)的套筒2。其中，套筒其彈性模量為10mpa，泊松比為0.5，厚度為8mm。

用于制備套筒的材料，按重量份數(shù)計(jì)包括以下成分：丁腈橡膠100份；硫化劑dcp7份；硫化劑硫磺0.9份；高耐磨炭黑60份；半補(bǔ)強(qiáng)炭黑15份；3份防老劑445；促進(jìn)劑氧化鋅1份；促進(jìn)劑活性氧化鎂0.8份。

對氣井套管環(huán)空密封完整性失效進(jìn)行預(yù)防的方法同實(shí)施例1。

實(shí)施例3

一種氣井套管環(huán)空密封完整性失效預(yù)防裝置，包括粘附在套管1外周、用于對水泥環(huán)3進(jìn)行受力保護(hù)的套筒2。其中，套筒其彈性模量為7mpa，泊松比為0.35，厚度為6mm。

用于制備套筒的材料，按重量份數(shù)計(jì)包括以下成分：丁腈橡膠100份；硫化劑dcp6份；硫化劑硫磺0.65份；高耐磨炭黑45份；半補(bǔ)強(qiáng)炭黑10份；3份防老劑445；促進(jìn)劑氧化鋅0.7份；促進(jìn)劑活性氧化鎂0.6份。

對氣井套管環(huán)空密封完整性失效進(jìn)行預(yù)防的方法同實(shí)施例1。

實(shí)施例4

一種氣井套管環(huán)空密封完整性失效預(yù)防裝置，包括粘附在套管1外周、用于對水泥環(huán)3進(jìn)行受力保護(hù)的套筒2。其中，套筒其彈性模量為9mpa，泊松比為0.45，厚度為7mm。

用于制備套筒的材料，按重量份數(shù)計(jì)包括以下成分：丁腈橡膠100份；硫化劑dcp5.5份；硫化劑硫磺0.8份；高耐磨炭黑50份；半補(bǔ)強(qiáng)炭黑13份；2.5份防老劑445；促進(jìn)劑氧化鋅0.8份；促進(jìn)劑活性氧化鎂0.7份。

對氣井套管環(huán)空密封完整性失效進(jìn)行預(yù)防的方法同實(shí)施例1。

對套管外有無彈性套筒的兩種條件、不同套管壓力下水泥環(huán)應(yīng)力分布及失效規(guī)律分別進(jìn)行了理論計(jì)算，并對結(jié)果進(jìn)行了對比。計(jì)算中假設(shè)套管和地層為線彈性材料，水泥環(huán)為彈塑性材料，并選取摩爾-庫倫準(zhǔn)則為破壞準(zhǔn)則，此類問題可簡化為彈塑性厚壁筒的平面應(yīng)變問題，有彈性套筒條件下的計(jì)算模型如圖3所示。

由拉梅問題的基本解，即厚壁筒在內(nèi)外載荷q1和q2作用下的應(yīng)力分量和徑向位移表達(dá)式：

式中，a≤r≤b，a為圓筒內(nèi)半徑，mm；b為圓筒外半徑，mm；q1為內(nèi)載荷，mpa；q2為外載荷，mpa；e為厚壁筒介質(zhì)彈性模量，mpa；υ為厚壁筒介質(zhì)泊松比，無量綱；σr為徑向應(yīng)力，mpa；σθ為周向應(yīng)力，mpa；u為徑向位移，mm。

由公式(2)可得圓筒內(nèi)外半徑處位移u1、u2分別為：

(1)套管

由于將套管視為彈性體，位移分量滿足拉梅問題的基本解，因此套管區(qū)域徑向位移的表達(dá)式為：

(2)套筒

套筒為彈性體，位移分量同樣滿足拉梅問題的基本解，因此套筒區(qū)域徑向位移的表達(dá)式為：

(2)水泥環(huán)

當(dāng)po≥pi時，摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則滿足pi≥po時滿足以po≥pi情況下為例，當(dāng)水泥環(huán)內(nèi)壁應(yīng)力分布滿足公式(7)的摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則時，水泥環(huán)進(jìn)入彈塑性階段，此時厚壁筒分為兩個區(qū)，即彈性區(qū)和塑性區(qū)。二者界限為r＝rp的圓。應(yīng)力分量滿足二維平面極坐標(biāo)下的平衡方程：

將公式(7)代入公式(8)中，得：

上式為一階線性偏微分方程，可以用分離變量法求得塑性區(qū)域內(nèi)徑向應(yīng)力分量為：

將公式(10)代回屈服條件公式(7)，可得水泥環(huán)塑性區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的周向應(yīng)力分量：

由公式(10)求得在塑性區(qū)外邊界r＝rp處的徑向應(yīng)力為：

假設(shè)塑性區(qū)體積應(yīng)變?yōu)榱?，則滿足：

εm＝0或εr+εθ＝0(13)

并滿足軸對稱幾何方程：

聯(lián)立以上兩式并積分：

其中d1為積分常數(shù)，由在r＝rp處滿足位移連續(xù)性條件可得：

最終可以得到水泥環(huán)塑性區(qū)位移的表達(dá)式為：

在塑性區(qū)以外的彈性區(qū)內(nèi)，其應(yīng)力狀態(tài)由外壓po及內(nèi)壓qp共同決定，滿足拉梅公式基本解。且當(dāng)r＝rp時滿足摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，由此可得套筒-水泥環(huán)界面接觸力q2的表達(dá)式：

水泥環(huán)彈性區(qū)位移分量滿足拉梅問題的基本解，因此可得水泥環(huán)彈性區(qū)徑向位移的表達(dá)式為：

由套管、套筒、水泥環(huán)接觸界面滿足位移連續(xù)性條件，即：

將以上各區(qū)域徑向位移表達(dá)式帶入公式(20)，可求得套管內(nèi)壓加載階段組合體各點(diǎn)的應(yīng)力和位移。其余公式過程過于繁瑣，在此省略，利用以上公式最終可以求解出水泥環(huán)內(nèi)壁上的應(yīng)力及等效塑性應(yīng)變值。

具體算例分析中假設(shè)套筒為完全彈性材料，且彈性模量較低，特別選取套筒厚度為4mm，彈性模量為10mpa，泊松比為0.25；選取套管壓力范圍為15-90mpa，以15mpa間隔取值，地應(yīng)力為40mpa。模型介質(zhì)具體幾何參數(shù)和材料特性如表1和表2所示。

表1無套筒條件下模型幾何參數(shù)和材料特性

表2有套筒條件下模型幾何參數(shù)和材料特性

由于水泥環(huán)塑性破壞最先產(chǎn)生于水泥環(huán)內(nèi)壁，因此選取水泥環(huán)內(nèi)壁處的徑向應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變(peeq)值作為分析對象。分析結(jié)果如圖4和圖5所示。

有無緩沖套筒兩種情況下，水泥環(huán)內(nèi)壁徑向應(yīng)力隨套管壓力變化曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，對比于無緩沖套筒的情況，存在緩沖套筒時不同套管壓力下水泥環(huán)內(nèi)壁的徑向應(yīng)力均呈大幅減小，平均減小幅度在96.5％左右，說明緩沖層的加入可以大幅減小水泥環(huán)受力，有效減弱套管壓力對水泥環(huán)的影響。

圖5為這兩種情況下水泥環(huán)內(nèi)壁等效塑性應(yīng)變隨套管壓力變化曲線，從圖5可以看出，在無緩沖套筒情況下，套管內(nèi)壓為45mpa時，水泥環(huán)內(nèi)壁出現(xiàn)塑性變形，且隨著套管壓力的增大，水泥環(huán)塑性破壞程度越來越嚴(yán)重。而如果存在緩沖套筒，直到套管壓力增至90mpa時，水泥環(huán)內(nèi)壁也沒產(chǎn)生塑性變形。由此也說明了緩沖套筒的加入確實(shí)可以有效保護(hù)水泥環(huán)，避免過早產(chǎn)生破壞。

通過以上分析，從理論上驗(yàn)證了本方法的有效性。因此得出結(jié)論：通過在套管外壁附著特定厚度和力學(xué)特性的緩沖裝置，完全或在某種程度上避免水泥環(huán)產(chǎn)生塑性破壞，達(dá)到預(yù)防氣井環(huán)空密封完整性失效的方案在理論上是可行的。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，對于實(shí)際預(yù)防氣井套管環(huán)空密封完整性失效的效果極好。本方法只是對原有套管作特殊處理，簡便易行，成本低廉，相較于出現(xiàn)套管環(huán)空密封完整性失效的種種問題再治理具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣。

以上所述僅為本發(fā)明較佳的實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。