一种评价压力变化对水泥环完整性影响的装置及方法

摘要

本发明提供一种能真实模拟井下环境，兼顾保持实验设备完整性的同时，准确而多方位评价水泥环完整性的装置及方法，主要包括：上下堵头、外层管、中间管、水泥环、套管、长源距扇区水泥胶结测井仪(SBT)及高温高压釜。本发明利用高温高压釜模拟水泥环养护成型的地层温度压力；同时，分别通过对内外环空的加载和卸载，模拟实际工况下井筒压力和地层压力变化对水泥环的作用；而利用SBT的发射探头和接收探头不断的发射和接收声波信号，进行全方位高分辨率的补偿式衰减率测量，获得固井水泥环在实际地层环境下的水泥环第一界面和第二界面胶结质量及水泥环内部裂缝、窜槽的数量、大小和方位。本发明能多方位真实模拟井下环境，准确而高效的评价固井水泥环完整性，为室内评价水泥浆体系和现场采取针对性措施提供新的方法和依据，从而提高固井质量。

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气固井水泥环完整性检测领域，具体是一种评价井下压力变化对水泥环完整性影响的装置及方法。

背景技术

在石油天然气的钻探过程中，固井的目的是为封隔地层、加固井眼、建立密封性能良好的井内流动通道，以保证继续安全高效钻进，并保证后期作业(试油、增产作业等)和生产的正常进行。而要实现上述固井目的，则需介于地层与套管外壁之间的水泥环保持良好的完整性。其中，第一界面(水泥环与套管的界面)和第二界面(水泥环与地层的界面)的胶结质量及水泥环内部裂缝、窜槽的数量、大小和方位是评价水泥环完整性的关键参数。

水泥环完整性是指在油气井服役期间，水泥环保持良好的结构完整性和功能完整性。而套管试压、高压气井钻井液密度大幅度降低、地下储气库注采气产生的交变压力、压裂作业及地层压力变化等，都可能导致水泥环完整性失效，从而引起诸多复杂工况，如：1)水泥环完整性的破坏导致层间封隔失效，使得气体上窜造成环空带压，而一旦超过允许值将诱发潜在的安全事故；2)特别对于含腐蚀性气体的“三高”气井，环空带压还使封隔器以上套管直接暴露在腐蚀性环境中，大大降低了套管的服役寿命；3)水泥环完整性的破坏导致套管外油、气、水容易窜通，导致目的层产能、物性异常，从而不能准确获得油气藏的评价参数。

因此，真实模拟井下环境，准确而高效的检测水泥环第一界面和第二界面胶结质量及水泥环内部裂缝、窜槽的数量、大小和方位，评价水泥环的完整性，进而基于评价结果，及时采取针对性措施，保证工程的质量与安全，这对现场安全、高效的生产显得尤为重要。目前，针对固井水泥环完整性检测领域，美国千得乐公司研发的FMA7150气窜评价仪，可模拟水泥浆失水与气窜过程，但受该仪器结构及性能的影响，不能真实模拟水泥环在井下高地层压力与井筒压力作用下的防窜实验；国内的中国石油集团川庆钻探工程有限公司提出的“一种固井后期防气窜模拟试验装置”、中国海洋石油总公司提出的“一种模拟压力变化引起固井胶结失效的方法”等装置及方法，均针对FMA7150的缺点进行了改进，可模拟水泥环在井下高地层压力与井筒压力作用下的气窜实验。但是，上述实验装置及方法仍存在较大局限性：(1)这类方法以在水泥环一端注气，而在水泥环高度方向上的中间位置或水泥环另一端是否检测到气体，作为判断水泥环与套管是否产生微环隙、裂缝、窜槽及评价水泥环完整性的标准，然而这种方法只能检测水泥环已形成较大规模沟通微环隙、裂缝、窜槽的工况，不能检测未沟通的微环隙、裂缝、窜槽；(2)气窜实验结束后，需将水泥环整体进行解剖，以分析截面处水泥环是否产生裂缝，然而这种方法不但破坏实验设备，而且在解剖过程中，易使水泥环受解剖作用而诱导原生裂缝的发展，或发育新的裂缝，由此影响检测结果的准确性。

通过对国内外固井水泥环完整性检测仪的研究分析发现，现有的检测仪均只能定性检测水泥环已形成较大规沟通微环隙、裂缝、窜槽的工况，不能在真实模拟井下工况，保持实验设备完整性的同时，准确而高效的定量检测水泥环未沟通微环隙、裂缝、窜槽的数量、大小和方位，而未沟通的微环隙、裂缝、窜槽在一定井下环境下能迅速的大规模转变为沟通微环隙、裂缝、窜槽，从而危及工程质量与安全。

因此，为定量检测固井水泥环完整性，并克服现有固井水泥环完整性检测仪的不足，基于长源距扇区水泥胶结测井仪(SBT)的测井原理，本发明提出了一种评价压力变化对水泥环完整性影响的新型装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能真实模拟井下环境，兼顾保持实验设备完整性的同时，准确而高效的检测水泥环第一界面和第二界面胶结质量及水泥环内部裂缝、窜槽的数量、大小和方位，评价水泥环完整性的装置及方法，并以此为室内评价水泥浆体系和现场采取针对性措施提供新的方法和依据，从而提高固井质量。

本发明目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提出的评价压力变化对水泥环完整性影响的装置，主要包括：第二出气口、下堵头、外层管、外环空、中间管、水泥环、套管、第一注气口、内环空、紫铜垫圈、气阀、压力表、第二注气口、第一接头、第三注气口、螺母、橡胶密封圈、上堵头、发射探头、长源距扇区水泥胶结测井仪(SBT)、接收探头、转化接头、第一出气口、第二接头、第三出气口。SBT通过转换接头与第一、第二接头连接，共同构成本发明芯轴，利用芯轴与套管形成的环空模拟井筒，并通过第三注气口向内环空注入高压气体，模拟井筒压力；中间管用于模拟地层，并通过第一注气口向外环空注入高压气体，模拟地层压力；而向套管与中间管所形成的环空注入水泥浆，并置入高温高压釜养护成型，模拟水泥环在实际工况下的成型过程。

本发明所述SBT用于检测水泥环第一界面和第二界面胶结质量及水泥环内部裂缝、窜槽的数量、大小和方位，评价水泥环完整性。

本发明所述套管两端均设置有橡胶密封圈和紫铜垫圈，用于密封；中间管两端设置有紫铜垫圈，用于密封；外层管两端呈锥形，且长度稍短于中间管，以实现锥面对锥面的金属密封及避免死点。

本发明所述外层管、上堵头、第一接头分别设置有第一、第二、第三注气口，以分别用于向外环空、水泥环空隙及内环空注入高压气体；下堵头设置有第一、第二出气口，第一出气口用于释放实验结束后外环空的高压气体，而第二出气口用于释放通过水泥环的气体；第二接头设置有第三出气口，用于释放实验结束后内环空的高压气体。

本发明设有上下堵头，并通过芯轴与螺母实施紧固链接。

长源距扇区水泥胶结测井仪(SBT)有6个极板，每个极板上有1个发射和1个接收探头，共计6发6收，分别用于发射声波和接收声波；测井时SBT安装的6个动力推靠臂，各把一块发射和接收换能器滑板贴在套管内壁上，6个极板上的12个高频定向换能器不断的发射和接收声波信号，进行全方位高分辨率的补偿式衰减率测量。测量得到的高衰减率反映水泥胶结好，低衰减率反映水泥胶结差。由于测井时同时测量6个极板分属的6个区域信息，因而可得到6条分区的套管水泥胶结评价曲线，由此得到各个分区高精度、高可靠性的水泥胶结信息。并通过对声幅最大衰减率、声幅最小衰减率及平均衰减率、平均声幅、相对方位RB、5英尺源距变密度VDL的解释分析，检测水泥环第一界面、第二界面胶结质量及水泥环内部裂缝、窜槽的数量、大小和方位，评价水泥环完整性。

需特别指出的是，SBT可在高达137MPa、175℃的苛刻井下环境持续稳定工作，完全满足本发明的要求。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明能全尺寸模拟固井水泥环在井下的实际工况；

(2)本发明能在保持实验设备完整性的同时，准确而高效的定量检测水泥环已沟通及未沟通微环隙、裂缝、窜槽的数量、大小和方位。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

具体实施方式

如附图所示，本发明提出的装置主要包括：第二出气口1、下堵头2、外层管3、外环空4、中间管5、水泥环6、套管7、第一注气口8、内环空9、紫铜垫圈10、气阀11、压力表12、第二注气口13、第一接头14、第三注气口15、螺母16、橡胶密封圈17、上堵头18、发射探头19、长源距扇区水泥胶结测井仪(SBT)20、接收探头21、转化接头22、第一出气口23、第二接头24、第三出气口25。

为使本发明的发明目的、技术方案及优点更加清晰，下面结合附图1对本发明的具体实施方式进行阐述，其详细步骤如下：

步骤一：向中间管5与套管7构成的环空注入水泥浆，构成水泥环养护模具，并分别在模具两端空置一段，再将模具置入高温高压釜，调节高温高压釜内的温度压力至相应地层温度压力，以模拟井下实际工况，养护水泥浆至水泥环6成型；

步骤二：将长源距扇区水泥胶结测井仪(SBT)20通过转换接头22与第一接头14、第二接头24连接，构成芯轴；

步骤三：取出养护成型的水泥环养护模具，将其安装到下堵头2的相应位置，并利用台肩、橡胶密封圈17和紫铜垫圈10进行密封；

步骤四：安装外层管3至下堵头2相应位置，实现锥面对锥面的金属密封；

步骤五：使芯轴两端分别穿过上堵头18和下堵头2，并利用台肩实现密封，同时通过螺母16紧固整个实验装置，完成装配；

步骤六：运行长源距扇区水泥胶结测井仪(SBT)20，利用发射探头19和接收探头20不断的发射和接收声波信号，进行全方位高分辨率的补偿式衰减率测量，获得水泥环6成型后的初始完整性数据；

步骤七：若分析初始完整性数据发现，水泥环的第一、第二胶结面及内部有沟通裂缝、窜槽的存在，则通过第二注气口13向水泥环上方的环空注入气体，直到第二出气口1的压力表读数发生变化，并记录此时第二注气口13的压力表读数，该值即为在此工况下发生气窜的启动压力；

步骤八：若分析初始完整性数据发现，水泥环(6)的第一、第二胶结面及内部没有沟通裂缝、窜槽的存在，则分别通过第三注气口15、第一注气口8向内环空9、外环空4注入气体，待压力表读数达到设定值时为止，并保持该压力一定时间，然后，通过第三出气口24、第一出气口23泄压至设定压力，以模拟井筒压力和地层压力变化对水泥环的作用；

步骤九：完成步骤八后，重复步骤六和步骤七。

步骤十：完成上述步骤后，通过第一、第二、第三出气口23、1、24完全泄压，完成实验。