[发明专利]拉应力强化装置

说明书

本发明公开了一种拉应力强化装置，包括套设在套管的外表面的拉应力强化器(1)，拉应力强化器(1)包括呈圆环形的本体(15)，本体(15)上设置有开口(11)，开口的两侧分别设置有相匹配的公扣(13)和母扣(12)，通过公扣(13)与母扣(12)相扣合对开口进行封闭以将拉应力强化器(1)与套管紧密相连。本发明的拉应力强化装置，通过将水泥环绑在套管上的拉应力强化器上，以使套管与水泥环同步形变，将第一胶结面由水泥环胶结强度转换为拉应力强化器或水泥结构强度，显著提高水泥环结构、密封完整性。

技术领域

本发明涉及石油钻井工程中的固井应用，尤其涉及一种拉应力强化装置。

背景技术

现阶段，在生产井中许多口井都出现过环空起压的问题，有些井还发生过井筒完整性失效或出过井筒完整性的问题以及井由于完整性问题彻底关井。针对井筒性能的失效相对分配情况，影响井筒完整性因素分别由管件因素、层间封隔的环空完整性、安全剂其他控制系统、腐蚀、和结垢组成，且层间封隔的环空完整性造成井筒密封时效40％会出现失控排放的风险。因此，提高环空水泥环结构、密封完整性至关重要。

由于套管与水泥环之间力学性能差异大，高压气井生产期间，井筒内压力和温度波动范围大，造成套管膨胀收缩效应明显，水泥石具有硬脆特性，抗形变能力弱。在井筒温度、压力波动下，套管与水泥环发生形变和形变恢复程度不同，尤其是套管与水泥环第一胶结面，水泥环因硬脆特征恢复能力差，与套管壁面形成微裂缝，成为油气窜流通道，造成环空带压影响油气开发。现有的解决方式有以下两种：

一是在浅部地层水泥浆体系内加入30％～45％硅粉，因高压气井开发期间，天然气将井底高温传递至井口，井筒温度升高，造成常规水泥石存在强度衰退降低了水泥环对后续作业环境的长期适应性，根据生产开发期间井筒温度分布实施抗高温水泥浆体系封隔段优化设计，保障水泥石结构完整性。

二是通过优化微膨胀、低弹性模量、高抗压强度的水泥浆体系，可以降低套管与水泥环第一胶结面的拉力，在井筒载荷变化条件下，第一界面胶结强度大于界面拉力，避免微间隙的产生，实现水泥环密封完整性。

根据模拟计算，水泥抗压强度15MPa，弹性模量从10GPa降低至8GPa时，一界面拉力由0.6MPa可降低至0.28MPa；当水泥弹性模量为8GPa，抗压强度从15MPa提高至20MPa时，一界面拉力由0.28MPa降低至0.03MPa。

水泥石弹性模量和抗压强度是一对关联参数，高抗压强度具备较高弹性模量，在提高抗压强度的同时降低弹性模量技术难度大，目前通过优选橡胶材料作为弹塑剂，优选维作为增韧剂，降低水泥石弹性模量和提高水泥石韧性，改善水泥石力学性能。

目前通过改善水泥石力学性能来提高壁面胶结力，水泥石力学性能改善后利于保障水泥石完整性，但投入成本高、效果未达到质的提高改变，在整个井筒内，水泥石因不同井深受围压条件不同而力学性能存在差异，其中中下部因较高围压，水泥石具备良好力学性能。浅部地层井筒压力波动变化造成的有效变化载荷更大，且水泥石因受到围压载荷小，具有更强的硬脆特征，通常浅部水泥环更容易发生结构、密封完整性失效。

水泥石本身性能特点和气井开发井筒压力、温度波动条件下，通过水泥浆体系本身要显著解决套管与水泥环同步变形技术难度大，随着天然气清洁能源的深入开发，超深高压气藏勘探开发逐步增加，井筒完整性日益严峻，急需解决环空气窜的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高水泥环与套管拉应力的拉应力强化装置。

为实现上述目的，本发明的拉应力强化装置的具体技术方案为：

一种拉应力强化装置，包括套设在套管的外表面的拉应力强化器，拉应力强化器包括呈圆环形的本体，本体上设置有开口，开口的两侧分别设置有相匹配的公扣和母扣，通过公扣与母扣相扣合对开口进行封闭以将拉应力强化器与套管紧密相连。