[发明专利]工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的评价装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油工程固井领域基于井筒工作液变化时温度骤变对井筒力学完整性影响的评价装置及方法。

背景技术

油气井固井作业是指水泥浆注入井下套管与地层之间的环形空间，在设计时间内凝结、固化，形成具有一定强度的水泥环的过程。水泥环在井下环境不单要承受地层流体的侵蚀，还要求在不同工况所造成的载荷下保证水泥环力学完整性，保障层间封隔。

随着目前钻进越来越深，水泥环在井下的服役环境也更加恶劣，高温高压的地层条件亦对水泥环各项性能提出了更高的要求。与此同时，套管内的温度压力变化也是造成水泥环完整性丧失的主要原因。钻进过程中，套管内钻井液密度变化以及井下施工作业可能造成的温度压力骤升骤降等情况；求产增产过程中，射孔、酸化、压裂等作业带来的温度与压力的共同载荷变化，会对水泥环完整性带来进一步的挑战；生产过程中，井筒内的高温高压流体持续流向地面，也会带来载荷冲击。

近年来，国内外诸多研究人员对固井水泥环封隔能力的研究不断深入，如专利“一种模拟温度变化引起固井胶结失效的方法”（CN 103808652A）能够模拟温度压力变化，研究温度压力循环加载情况下的水泥环胶结失效情况；“水泥环密封完整性实验装置”（SPE 168321）可以模拟温度压力变化，同时能够模拟偏心，检测水泥环一二界面及本体是否发生密封失效，并借助CT扫描进行后续研究；专利“一种深水固井水泥环封隔性能测试装置”（CN 103174409A），采用不同类型材料模拟不同地层，仪器配有应变片，用于测量水泥环应变，借以推算应力，通过改变套管内压，测试水泥环完整性；国内许多研究厂家也针对水泥环封隔能力设计了自己的产品，主要目的也是模拟井下温度压力条件，并检测水泥环在套管内压作用下是否发生力学失效。

上述测试装置及方法存在诸多不足之处，最显著的就是井筒温度变化的还原，虽然当前模拟装置均是以达到井下温度压力条件为目的，且在实验过程中能够通过操作改变压力温度并检测水泥环套管损伤，但是目前装置均是使整个釜体降温来达到改变温度的目的，而在实际作业中，井筒内工作液进行转换时，低温流体快速泵入，井筒内温度会瞬时降低，而该瞬时降温过程至少会造成井筒内20％的温度降低，同时地层温度则不会发生改变，这样在水泥环及套管之间就会存在一个瞬时的温度差，而当前研发的装置均未涉及。目前深井超深井，井下温度往往都能达到170℃，这一过程在井筒内至少会有35℃的瞬时降温，温度瞬时降低会形成一个相对低温且高压的井筒条件，高压会使套管水泥环组合体膨胀，但相对低温又会使套管水泥环组合体产生收缩，所以该井筒条件对套管水泥环的影响不容忽视，是否因此会造成套管损伤，水泥环脆性破坏，产生裂缝及微环隙等情况，成为一个急需研究和解决的重大课题。

发明内容

本发明的目的在于提供工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的评价装置，该装置依据几何相似、力学等效理论及材料性能相似的原理，模拟水泥环在井下的实际温度及压力环境，更加真实地模拟钻井液循环、增产作业时大量低温流体注入井筒后温度瞬时降低过程对套管水泥环的影响，为研究井筒力学完整性提供了理论基础。

本发明的另一目的在于提供利用上述装置评价工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的方法，该方法原理可靠，操作简便，实验过程一体化养护，可以动态测试水泥环及套管在实验周期内的变化，弥补了当前研究测试手段的不足，为固井水泥环封隔能力的研究提供了更多的数据支撑和理论依据。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的评价装置，将液态水泥灌入模拟围岩-套管间的环形空间，将养护温度压力调节至实验条件，候凝成环，从而形成模拟围岩-水泥环-套管组合体，根据不同井下工况，改变实验温度压力，同时选用应变片测量套管径向位移，采用周向位移计测量模拟围岩周向位移，在水泥环端面利用高压气体评价水泥环是否发生密封失效，该装置能够测试在高温高压条件下，套管内温度瞬时降低对套管变形的影响，同时还能在降温过程中改变套管内压，实时检测套管是否会发生损伤，检测水泥环在何种工况发生密封失效，判断实际作业中的温度压力载荷变化对套管水泥环的影响。

本发明更加真实地模拟钻井液循环、增产作业时大量低温流体注入井筒后温度瞬时降低过程对套管水泥环的影响，温度上限200℃，同时能够在短时间内使套管内温度下降至设定值，模拟温度瞬变。模拟围岩压力上限100MPa，模拟套管内压上限120MPa。

工作液温度骤变对井筒力学完整性影响的评价装置，包括测试主体和工作平台。