本發(fā)明涉及油氣井工程固井，具體涉及一種套管-水泥環(huán)界面可控寬度微間隙封堵評(píng)價(jià)裝置及評(píng)價(jià)方法

背景技術(shù)：

1、固井是通過向井內(nèi)下放套管，并向井眼與套管之間的環(huán)形空間注入水泥來實(shí)現(xiàn)的施工過程，其主要目的是保護(hù)和支撐油氣井內(nèi)的套管。固井作業(yè)后，充填環(huán)空內(nèi)的水泥漿凝結(jié)固化形成的水泥環(huán)，具有懸掛套管、封隔地層、防止油氣水竄、延長套管壽命的作用，是確保后續(xù)安全鉆井、開采的關(guān)鍵技術(shù)。

2、然而，水泥自身具有易收縮和脆性，與水混合攪拌以后立即發(fā)生一系列復(fù)雜的水化反應(yīng)。反應(yīng)生成的產(chǎn)物體積總是小于水化前的總體積，體積收縮率可高達(dá)5％，導(dǎo)致套管和水泥環(huán)之間出現(xiàn)微間隙；其次鉆井液在套管上形成的液膜影響水泥的水化，使得內(nèi)套管和水泥環(huán)的膠結(jié)面形成疏松段進(jìn)而產(chǎn)生微間隙。微間隙是導(dǎo)致水泥環(huán)失效的主要原因之一，為解決這一問題，向微間隙中注入封堵劑被認(rèn)為是一種有效的措施。

3、綜合分析目前可用的測試裝置和方法，特別是針對(duì)套管-水泥環(huán)界面可控寬度微間隙封堵評(píng)價(jià)裝置，可以看出幾種不同的裝置模擬了擠注封堵劑條件下固井水泥環(huán)微間隙進(jìn)入能力的評(píng)價(jià)方法，可以研究封堵劑的進(jìn)入能力，以及擠注壓力對(duì)封堵劑在固井水泥環(huán)微間隙中封堵質(zhì)量和效果的影響。然而，這些裝置通常不能人工造縫控制微間隙的大小，進(jìn)而不能研究封堵劑在不同大小微間隙中的表現(xiàn)差異，以及擠注壓力對(duì)封堵劑在不同固井水泥環(huán)微間隙中封堵效果的影響，目前對(duì)于可以控制微間隙大小的裝置研究較少。因此，建立一個(gè)能夠評(píng)估套管-水泥環(huán)界面可控寬度微間隙封堵評(píng)價(jià)裝置顯得非常必要，尤其是對(duì)于研究封堵劑在微間隙中的封堵能力具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述的不足，本發(fā)明目的在于提供一種對(duì)套管-水泥環(huán)界面可控寬度微間隙封堵評(píng)價(jià)裝置，該發(fā)明裝置可以模擬套管-水泥環(huán)界面(一界面)膠結(jié)，然后通過定量改變套管內(nèi)壓力在套管-水泥環(huán)界面(一界面)形成可控的不同寬度微間隙，接著再向不同寬度微間隙內(nèi)注入封堵劑，研究不同類型封堵劑在不同注入?yún)?shù)下進(jìn)入不同寬度微間隙的能力，評(píng)價(jià)不同類型封堵劑對(duì)不同寬度微間隙的封堵效果，優(yōu)選出性能較優(yōu)的封堵劑，優(yōu)化注入工藝參數(shù)。

2、本發(fā)明所述的套管-水泥環(huán)界面可控寬度微間隙封堵評(píng)價(jià)裝置，包括釜體，釜體的上端設(shè)有上密封蓋，下端設(shè)有下密封蓋，釜體內(nèi)設(shè)有與釜體同軸設(shè)置的套管，套管和釜體之間形成腔體ii；上密封蓋和下密封蓋上均設(shè)有圓柱孔；套管的上端和下端均嵌入圓柱孔；套管的上端和下兩端分別設(shè)有上堵頭和下堵頭，上堵頭上設(shè)有上液壓孔，下堵頭上設(shè)有下液壓孔；上密封蓋上設(shè)有上氣壓孔，下密封蓋上設(shè)有下氣壓孔。

3、上液壓孔與液壓泵連通，上氣壓孔和下氣壓孔均與氣壓泵連通，腔體ii與溫控裝置連通。所述溫度控制裝置為水浴加熱，能夠?qū)Ωw實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定均勻的加熱。

4、本發(fā)明中，圓柱孔能夠固定套管的位置；上氣壓孔設(shè)置在水泥環(huán)與套管產(chǎn)生微間隙的上部能夠更方便的將封堵劑注入微間隙上部，不會(huì)使得封堵劑在流到釜體與水泥環(huán)的上部，施加氣壓能夠直接作用于微間隙上部的封堵劑讓封堵劑順利進(jìn)入套管與水泥環(huán)之間的微間隙；氣壓泵能夠模擬現(xiàn)場施工，通過氣壓形式將封堵劑填充到微間隙，使封堵劑均勻受力在微間隙中能夠均勻分布；液壓泵能夠模擬井下套管膨脹的壓力，對(duì)套管產(chǎn)生均勻加壓的作用。腔體ii盡可能要長，腔體ii太短，則封堵劑可能很快穿透微間隙，起不到比較不同封堵劑的作用。

5、采用上述的裝置，本發(fā)明還提出了套管-水泥環(huán)界面可控寬度微間隙封堵評(píng)價(jià)方法，包括封堵劑封隔氣體壓力能力評(píng)價(jià)方法和封堵劑進(jìn)入能力評(píng)價(jià)方法。

6、本發(fā)明所述可控寬度微間隙是指微間隙寬度可以定量控制在一定的范圍內(nèi)變化；封堵劑進(jìn)入能力評(píng)價(jià)是指評(píng)價(jià)不同類型封堵劑在不同注入?yún)?shù)下進(jìn)入不同寬度微間隙后的進(jìn)入能力；封堵劑封隔氣體壓力能力評(píng)價(jià)是指評(píng)價(jià)不同類型封堵劑注入不同寬度微間隙且凝固后所能封隔的氣體壓力(或壓差)

7、封堵劑封隔氣體壓力能力評(píng)價(jià)方法的具體步驟為：

8、(1)形成環(huán)空水泥環(huán)，形成套管-水泥環(huán)界面之間預(yù)定寬度的微間隙；

9、(2)將封堵劑注入至釜體內(nèi)環(huán)空水泥環(huán)的上端空間；

10、(3)氣壓泵通過上氣壓孔對(duì)封堵劑施加不同大小的壓力pz，使封堵劑逐漸進(jìn)入微間隙；

11、(4)注入預(yù)定的時(shí)間tz之后，撤掉壓力pz，利用溫度控制裝置使釜體處于預(yù)定的溫度，使微間隙中的封堵劑在預(yù)定的溫度下凝固；

12、(5)待封堵劑凝固之后，從下氣壓孔施加氣體壓力pf，逐漸增大氣體壓力，直至微間隙上端有氣體竄出時(shí)，記錄竄出時(shí)刻的氣體壓力pf為該寬度微間隙在封堵劑封堵之后所能封隔的氣體壓力。

13、封堵劑進(jìn)入能力評(píng)價(jià)方法的具體步驟為：

14、(1)形成環(huán)空水泥環(huán)，形成套管-水泥環(huán)界面之間預(yù)定寬度的微間隙；

15、(2)將封堵劑注入至釜體內(nèi)環(huán)空水泥環(huán)的上端空間；

16、(3)氣壓泵通過上氣壓孔對(duì)封堵劑施加不同大小的壓力pz，使封堵劑逐漸進(jìn)入微間隙；

17、(4)注入預(yù)定的時(shí)間tz之后，撤掉壓力pz，利用溫度控制裝置使釜體處于預(yù)定的溫度，使微間隙中的封堵劑在預(yù)定的溫度下凝固；

18、(5)待封堵劑凝固之后，取出套管、封堵劑和水泥環(huán)，將水泥環(huán)剖開，觀察封堵劑在水泥環(huán)內(nèi)壁上各個(gè)方向的分布情況和封堵劑在微間隙中的高度，得到封堵劑的流動(dòng)速度。

19、封堵劑在微間隙中的高度即為封堵劑在該寬度微間隙和注入壓力下的流動(dòng)距離ld，利用流動(dòng)距離除以注入時(shí)間tz即為封堵劑在該寬度微間隙和注入壓力下的流動(dòng)速度vd，流速vd的大小可以反映封堵劑在微間隙中的滲透能力。然后觀察封堵劑在水泥環(huán)內(nèi)壁上各個(gè)方向的分布情況，最后對(duì)封堵劑進(jìn)入微間隙的能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

20、

21、本發(fā)明中，進(jìn)入微間隙的能力評(píng)價(jià)包含了對(duì)封堵劑流動(dòng)距離和流動(dòng)速度的評(píng)價(jià)和封堵劑在微間隙的分布情況。由于所產(chǎn)生的微間隙具有非均質(zhì)性，封堵劑在微間隙中的滲透能力僅僅只能反應(yīng)封堵劑在微間隙中的最遠(yuǎn)流動(dòng)距離和流動(dòng)速度，進(jìn)入能力評(píng)價(jià)包含了封堵劑進(jìn)入微間隙的滲透率能力評(píng)價(jià)。封堵劑在水泥環(huán)內(nèi)部不同方向的分布情況不同，因此需要將水泥環(huán)剖開觀察內(nèi)部封堵劑的分布，綜合評(píng)價(jià)封堵劑進(jìn)入微間隙的能力。

22、形成環(huán)空水泥環(huán)，形成套管-水泥環(huán)界面之間預(yù)定寬度的微間隙的具體步驟為：

23、(1)配制水泥漿，將水泥漿注入腔體ii；

24、(2)根據(jù)所需微間隙的寬度，給套管內(nèi)部施加壓力p使套管膨脹，同時(shí)調(diào)整溫度控制裝置使釜體溫度滿足實(shí)驗(yàn)要求，使水泥漿在設(shè)定的溫度條件下凝固形成水泥環(huán)；然后逐漸卸掉套管內(nèi)部壓力，套管收縮并與水泥環(huán)脫離形成微間隙；套管內(nèi)部施加壓力p與該壓力下所形成的微間隙寬度之間有如下關(guān)系式(1)成立：

25、

26、式中，δr為套管內(nèi)壓降低量p時(shí)所形成的微間隙寬度，m；r1為套管內(nèi)部半徑，m；r2為套管外表面半徑，m；p為在套管內(nèi)部施加的壓力，pa；e為套管彈性模量，pa。

27、本發(fā)明中，套管的彈性模量要大于水泥彈性模量的3倍以上；套管材料可以采用與現(xiàn)場套管相同的材料，也可采用彈性模量符合要求的其他金屬材料；關(guān)于套管能夠承受的壓力，這個(gè)與實(shí)驗(yàn)過程中所計(jì)劃形成的微間隙尺寸有關(guān)，一般要求套管內(nèi)所能承受的壓力是實(shí)驗(yàn)過程中在套管內(nèi)施加壓力的1.25倍以上，保證實(shí)驗(yàn)過程安全。

28、實(shí)驗(yàn)過程中，先在套管內(nèi)施加一定的壓力使套管膨脹，然后在套管外部澆入水泥漿并凝固，水泥漿凝固之后卸掉套管內(nèi)壓力、套管收縮，由于套管和水泥的變形能力不協(xié)調(diào)、且套管和水泥環(huán)之間的膠結(jié)強(qiáng)度較低，套管收縮會(huì)導(dǎo)致套管和水泥環(huán)膠結(jié)脫離、水泥沒有收縮，從而在套管-水泥環(huán)界面形成微間隙，通過控制套管內(nèi)部加壓幅度和收縮量，可以控制形成微間隙的大小。本發(fā)明形成的微間隙是相對(duì)規(guī)則的、微間隙形狀類似于套管外形。

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

30、(1)利用本發(fā)明的評(píng)價(jià)裝置可以進(jìn)行不同微間隙長度、不同微間隙寬度、不同種類封堵劑的封堵實(shí)驗(yàn)。

31、(2)利用本發(fā)明可模擬不同條件下的高溫高壓環(huán)境，適用于評(píng)價(jià)不同封堵材料對(duì)微間隙封隔氣體壓力(壓差)能力，實(shí)驗(yàn)操作流程簡便。

32、(3)利用本發(fā)明的評(píng)價(jià)裝置可以研究不同擠注壓力對(duì)封堵劑進(jìn)入微間隙的流動(dòng)速度和流動(dòng)距離評(píng)價(jià)

33、(4)利用本發(fā)明的評(píng)價(jià)裝置可以研究封堵劑對(duì)不同寬度微間隙的封堵能力，清洗干凈、更換密封圈后可重復(fù)使用，可大幅節(jié)約封堵評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)成本。

34、(5)利用本發(fā)明的評(píng)價(jià)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，是對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行等比例縮放的模擬實(shí)驗(yàn)，使用本發(fā)明裝置和評(píng)價(jià)方法能夠準(zhǔn)確的模擬現(xiàn)場實(shí)際情況，可以應(yīng)用與現(xiàn)場工作結(jié)合。