[发明专利]一种深水固井水泥环封隔性能测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种深水固井水泥环封隔性能测试装置。

背景技术

油气井固井的目的就是在套管-地层环空内形成完整的水泥环，有效封隔地层，并为套管提供有效支撑和保护，确证油气资源的安全、经济、高效开采。封隔地层是固井最重要的作用，也是评价固井质量的终极目标，但在固井作业的注水泥顶替、水泥浆候凝和后期的油气井生产过程中都面临着环空压力失去平衡或封隔失效的风险。注水泥顶替过程中的当量循环密度设计、顶替流态选择、前置液设计等方面，水泥浆候凝阶段的窜流机理和防窜方法，国内外已开展了大量研究工作，并提出了注水泥顶替、防窜的相关理论和措施，提高了现场固井质量。固井水泥环在后期生产过程会受到各种应力作用，如套管内的液压载荷、井筒温度变化而诱发的热应力、松软地层塑性变性或盐膏地层蠕变等诱发的地应力。由于地层、水泥石、套管三者的弹性模量、泊松比、线性膨胀系数、传热系数等都不一样，各种应力会在地层-水泥环之间、水泥环-套管之间产生微间隙，甚至使水泥环产生裂纹，破坏地层-水泥环-套管的整体性，使水泥环的封隔性能失效。水泥环柱环空封隔失效而引起的环空窜流是困扰固井作业多年的问题。由于层间封隔失效，一种情况是高压层流体窜入低压层，出现“地下井喷”现象，造成油气资源不可挽回的流失与浪费，并且对产能或环境也构成巨大威胁；另一种情况是地下高压层流体沿着水泥环的微间隙或裂纹一直窜流至表层环空套管内引起环空套压升高现象(SCP)，或甚至窜流至地面发生地面井喷，造成巨大的生命和财产损失。一旦窜流发生，即使花费大量的人力物力，也很难修复到原来的层间封隔状态。

对于深水固井，所面临的复杂地质环境因素使表层段固井质量一直都存在严重的隐患。影响深水表层段固井质量的因素主要有三点：(1)深水海底表层段主要是松软地层，与水泥环界面胶结能力弱。海底的沉积岩层形成时间较短，又缺乏足够的上覆岩层，所以海底表层结构通常是松软的、未胶结的地层，甚至还有长段的软泥沉积物，如在挪威Gjallar深水区域，其海底100m以下是长达600m的软泥沉积物地层。(2)表层段松软地层对水泥环的支撑作用弱，易使水泥环在热应力、液压应力或压实应力(异常高压实然释放后引起地层孔隙压力降低使地层沉陷所产生的应力)等作用下产生裂缝，破坏水泥环整体性。(3)深水海底存在窜流根源-异常高压砂层、盐水层和气体水合物。深水的低温条件会延缓水泥的水化进程，增大了水泥浆处于“临界胶凝状态”(水泥浆静胶凝强度从48Pa到240Pa阶段)的时间，深水地层的浅层流体、浅层气、异常高压砂层和气体水合物等，进一步增大了水泥浆发生窜流的风险，使深水固井面临严峻的窜流风险，固井质量普遍较差。深水表层套管须为井口装置提供有效支撑和承受表层未固结或冲蚀地层的塑性变性影响，其固井质量好坏对深水油气井的使用寿命具有非常重要的意义。表层段水泥环封固质量差以及窜流流体的存在，常在固井作业完毕后就能观测到流体窜流现象，或者在一定时间后地层流体沿水泥环裂纹发生窜流，出现地下层间窜流现象或SCP现象，甚至发生套管外井喷，危害到油气开采和平台的安全性，严重时还会使钻井底盘或平台装置不稳定，造成人员伤亡或失去整个钻井装置设备或平台装置，使油气井完全报废。

油气井固井窜流和水泥环封隔失效是多年来一直困扰固井界的难题，国内外学者前后进行了大量研究工作，过去的研究主要集中在窜流机理、水泥浆防窜设计、水泥石自身力学性能(抗压强度、抗折强度、抗冲击功、弹性模量和泊松比等)和水泥环-套管间胶结性能方面。

目前，针对水泥环在井下工况下的地层-水泥环间和水泥环-套管间的胶结性能研究，国内外学者的主要集中在理论方面，在水泥环封隔性能测试装置、方法的研究上非常缺乏。现有的水泥环封隔性能装置无法模拟不同地层条件和温度的连续变化。为此，加强井下实际工况下的水泥环封隔性能测试研究具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明针对当前水泥环封隔性能测试研究的不足，依据几何尺寸相似和材料性能相似原理，发明了一套能模拟不同地层条件下液压载荷变化、变温循环对深水固井水泥环封隔性能影响的测试装置。

本发明所采用的技术方案为：