[发明专利]一种高温高压套管水泥环地层密封完整性评价装置及方法

说明书

本发明公开了一种高温高压套管水泥环地层密封完整性评价装置及方法，该装置包括：高温高压釜、温度压力控制系统和组合体，高温高压釜实现组合体密封完整性评价的交变温度压力实验条件；温度压力控制系统实现组合体密封完整性评价期间温度压力的调控、实验数据监控及记录；组合体实现高温高压油气井目标井段全尺寸或紧凑尺寸套管水泥环地层的模拟。通过模拟高温高压油气井目标井段交变温度、压力、套管内压工况，设计并制备套管/水泥环/地层组合体样品，测试组合体本体、固井一界面和固井二界面之间的窜漏压差，分析内部缺陷形貌尺寸及其抗压强度变化规律，为固井水泥环封隔能力检测、密封完整性评价提供更加稳定、可靠的实验方法和数据支撑。

技术领域

本发明涉及矿业开采技术领域，特别涉及一种用于高温高压油气井固井过程中套管/水泥环/地层组合体密封完整性评价方法，还涉及使用该方法进行高温高压油气井套管/水泥环/地层密封完整性评价的装置。

背景技术

能源是经济和社会发展的重要物质基础和动力来源，世界经济的持续发展对能源需求提出了更高要求，固井工程是保障油气安全、高效开发的重要环节，固井质量是封隔井眼内的油层、气层和水层，保护油气井套管、延长油气井寿命、提高采收率以及科学合理开发油气资源的关键。随着油气勘探开发力度的持续加大，固井技术面临超深、超高温超高压、复杂储层和复杂地质条件，高温高压对水泥浆顶替效率和界面胶结强度的影响，环空气窜、易压漏地层对水泥环渗透率、抗压强度的影响，CO₂、H₂S等腐蚀性气体与地层水的协同作用导致水泥环的力学性质和相关物性发生改变等，易引发套管/水泥环/地层密封完整性失效，导致油气井使用寿命、井筒完整性以及人员安全和经济效益面临巨大风险。

固井过程是指在地面上将水泥浆通过套管柱注入到井眼与套管柱之间的环空中，随着水泥的固化，形成水泥环并将套管柱与井壁岩石牢固地固结在一起，套管柱所受应力、形变以及地层岩石的地应力均直接作用在水泥环上，水泥环同时受到外部液柱压力的影响，因此，套管/水泥环/地层组合体的验窜、漏失性、水泥石力学性能及其内部缺陷的分析评价，是高温高压油气井选择和评定水泥浆体系的重要依据。

综上所述，高温高压油气井套管/水泥环/地层组合体密封完整性评价在理论和工程上具有极其重要的价值，但由于缺乏科学合理、贴近现场的评价装置和方法，导致水泥浆体系性能评价结果偏离工程实际，严重影响高温高压油气井固井质量的提升以及井筒完整性的发展。

常规的水泥环完整性评价方法，借助模拟套管试样与水泥环形成固井一界面，评价固井一界面的封固能力及其密封性，或者使用橡胶材料模拟地层岩石，实现一定围压下水泥环密封失效性能的评价，模拟评价结果与油气井工程实际相差甚远，评价装置结构复杂、体积大、成本高，不易于小型化、低成本室内实验的开展以及水泥环密封失效机理的研究，同时采用常规方法对超深超高温超高压井筒所需水泥浆体系选择和适用性评价时，因无法模拟水泥环与地层形成的固井二界面、交变温度压力、内压和围压等综合作用而出现评价环境与现场不一致，使得评价结果不适用于现场工况造成水泥浆体系固井质量差，导致高温高压油气井作业过程中的巨大经济损失甚至引发井筒完整性风险。

目前，常规的套管/水泥环/地层组合体密封完整性评价方法存在以下不足：

(A)套管/水泥环/地层岩石的固化方式受限，无法精细化模拟固井一界面、固井二界面以及油气井交变高温、内压、围压及介质复杂工况；

(B)套管/水泥环/地层组合体样品结构、材质及其实验条件与高温高压油气井工程实际存在差异，不能为现场水泥浆体系优选和适用性评价提供可靠保证；

(C)不能同时检测套管与水泥环之间的固井一界面、水泥环与地层岩石之间的固井二界面胶结情况及其封隔能力，无法真实评价套管/水泥环/地层组合体在超深超高温超高压环境中的密封完整性。