一种水泥环密封性评价方法、评价系统和应用

摘要

本发明涉及一种水泥环密封性评价方法、评价系统和应用。所述评价方法包括：S100、在井筒装置环空中设置传感器；S200、释放环空压力，对所述环空中的水泥环形成压应力；S300、向所述环空中注入惰性气体，直至确定所述水泥环的密封性完好；S400、在上述注入所述惰性气体的注气压力下，向所述井筒装置中循环施加加载、卸载；S500、利用所述传感器检测所述水泥环在循环加载卸载下的应力，利用气窜检测装置检测所述水泥环的密封性。本发明提供的水泥环密封性评价方法，不但能够准确判断水泥环的密封性，还能够测试水泥环的应力应变，并能够定量化评价水泥环结构的完整性，评价结果更准确。

说明书

技术领域

本发明涉及油气井开采领域，具体涉及一种水泥环密封性评价方法、评价系统和应用。

背景技术

地下储气库是天然气生产调峰和天然气资源储备的最佳选择，也是保证天然气安全供应的基本手段。国外发达国家地区的地下储气库建造技术相对而言是比较成熟的。为了满足不断增长的市场需求，近年来，我国也在积极推进地下储气库的建设工作。然而，储气库由于每年都要经历强注强采操作，所以与普通油气井的建设差距较大。在地下储气库的使用寿命周期内，要经历几十次甚至上百次的强注强采，并承受强注强采所带来的交变应力和温度变化所引起的温度应力，这都可能导致储气库水泥环发生水泥环密封失效的问题，并由此导致天然气注的进入，但是采不出来的现象，进而引起天然气的流失，给储气库造成较大的经济损失，甚至会导致整口储气库的报废。

目前，现有的水泥环密封性的评价方法，虽然能够评价水泥环的密封性，但是却不能测试水泥环的应力变化，不能对其进行准确评价，也就无法模拟地层对水泥环的地应力作用，评价结果不够精确。

因此，亟待提出一种考虑交变应力和温度变化下水泥环的密封完整性评价方法，以保障储气库在使用寿命周期内水泥环的密封性。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种水泥环密封性评价方法、评价系统和应用，本发明提供的评价方法尤其针对于储气库强注强采条件下水泥环的密封性检测，评价结果准确度较高。

本发明第一方面提供了一种水泥环密封性评价方法，所述评价方法包括：

S100、在井筒装置环空中设置传感器；

S200、释放环空压力，对所述环空中的水泥环形成压应力；

S300、向所述环空中注入惰性气体，直至确定所述水泥环的密封性完好；

S400、在上述注入所述惰性气体的注气压力下，向所述井筒装置中循环施加加载、卸载；

S500、利用所述传感器检测所述水泥环在循环加载卸载下的应力，利用气窜检测装置检测所述水泥环的密封性，比较所述传感器检测到的水泥环的应力与所述步骤S200中所述水泥环形成的压应力的大小，并利用所述气窜检测装置检测所述水泥环是否发生气窜现象。

本发明提供的水泥环密封性评价方法，不但能够准确判断水泥环的密封性，还能够测试水泥环的应力应变，并能够定量化评价水泥环结构的完整性，评价结果更准确。

根据本发明所述的评价方法的一些实施方式，所述步骤S400中还包括：向所述井筒装置中循环施加加载、卸载后，利用温度控制装置调整所述井筒装置的温度。

根据本发明所述的评价方法的优选实施方式，利用温度控制装置对所述井筒装置进行升温和/或降温。

根据本发明所述的评价方法的优选实施方式，所述升温后的温度范围为100～150℃，所述降温后的温度范围为15～30℃。例如，在本发明的不同实施方式中，升温后的温度可以为100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃，以及它们之间的任意值和任意组合范围。降温后的温度可以为15℃、20℃、25℃、30℃，以及它们之间的任意值和任意组合范围。

根据本发明所述的评价方法的一些实施方式，所述步骤S200中还包括：将固井水泥浆送入所述环空中，经养护形成所述水泥环。

根据本发明所述的评价方法的一些实施方式，所述水泥环经养护形成水泥石，并测试所述水泥石的弹性模量、抗压强度和拉伸强度中的至少一种。

根据本发明所述的评价方法的一些实施方式，所述固井水泥浆养护形成所述水泥环的条件包括：温度为50～90℃，压力为1～5MPa，时间为48～96h。例如，温度可以为50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃，以及它们之间的任意值和任意组合范围。压力可以为1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa，以及它们之间的任意值和任意组合范围。时间可以为48h、50h、52h、54h、56h、58h、60h、62h、64h、66h、68h、70h、72h、74h、76h、78h、80h、82h、84h、86h、88h、90h、92h、94h、96h，以及它们之间的任意值和任意组合范围。

根据本发明所述的评价方法的一些实施方式，所述水泥环经养护形成水泥石的条件包括：温度为50～90℃，压力为1～5MPa，时间为48～96h。例如，温度可以为50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃，以及它们之间的任意值和任意组合范围。压力可以为1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa，以及它们之间的任意值和任意组合范围。时间可以为48h、50h、52h、54h、56h、58h、60h、62h、64h、66h、68h、70h、72h、74h、76h、78h、80h、82h、84h、86h、88h、90h、92h、94h、96h，以及它们之间的任意值和任意组合范围。

根据本发明所述的评价方法的一些实施方式，所述步骤S300中，所述惰性气体选自氮气、氦气和氩气中的至少一种。

根据本发明所述的评价方法的优选实施方式，注入所述惰性气体的压力为1～5MPa。例如，在本发明的不同实施方式中，注入所述惰性气体的压力可以为1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa，以及它们之间的任意值和任意组合范围。

根据本发明所述的评价方法的一些实施方式，所述步骤S400中，所述循环施加加载、卸载的过程为：加载压力为30～120MPa，循环次数为5～50次。例如，在本发明的不同实施方式中，加载压力可以为30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa、80MPa、90MPa、100MPa、110MPa、120MPa，以及它们之间的任意值和任意组合范围。循环次数可以为5次、10次、15次、20次、25次、30次、35次、40次、45次、50次，以及它们之间的任意值和任意组合范围。其中，该处的循环次数指的是完成一次加载卸载操作后，为循环1次，即，循环次数为50次，指的是完成50次加载、50次卸载，即循环进行50次加载、卸载操作。

根据本发明所述的评价方法的具体实施方式，首先在井筒装置的环空中预埋光栅传感器；配制固井水泥浆，搅拌均匀后浇入井筒装置的环空中；通过套管内水加热对固井水泥浆进行高温养护，同时利用压力跟踪泵在环空中注水加压，形成高压养护；达到养护规定的龄期后，释放环空压力，造成外筒回缩，形成对水泥环的压应力，进而模拟地应力作用；向环空中注入一定压力的氮气，验证水泥环的密封性；保持环空的注气压力，利用加压装置向套管内施加适宜次数的循环加载卸载，进而模拟储气库周期强注强采所引起的循环荷载；利用光栅传感器测试水泥环在循环荷载下的应力应变，用于评价水泥环的结构是否发生完整性破坏；利用气窜检测装置检测水泥环的密封性；在套管内施加适宜次数的循环加载卸载并利用温度控制装置对井筒装置进行加热或降温控制，模拟储气库使用周期内强注强采下井筒内产生的交变荷载和温度变化；并利用光栅传感器测试水泥环的应力应变，用于评价水泥环的结构完整性；利用气窜检测装置检测水泥环的密封性。

本发明第二方面还提供了一种用于上述的水泥环密封性评价方法的评价系统，所述评价系统包括：

应力检测模块，置于井筒装置环空中，用于检测其中水泥环的应力；

压应力模块，用于释放环空压力，对所述水泥环形成压应力；

注气模块，用于向所述环空中注入惰性气体，确定所述水泥环的密封性；

荷载施加模块，用于在上述惰性气体的注气压力下，向所述井筒装置中循环施加加载、卸载；

输出模块，用于输出所述应力检测模块检测到的所述水泥环的应力和/或所述气窜检测装置检测到的所述水泥环的密封性。

本发明中并不限定该些模块的具体构造，采用本领域常规的装置能够实现相应的功能即可。

根据本发明所述的评价系统的一些实施方式，所述评价系统还包括养护模块，用于对所述环空中的固井水泥浆进行养护形成水泥环。

根据本发明所述的评价系统的优选实施方式，所述养护模块还用于对所述水泥环进行养护形成水泥石。

根据本发明所述的评价系统的一些实施方式，所述评价系统还包括温度控制模块，用于调整所述井筒装置的温度。

根据本发明所述的评价系统的一些实施方式，应力检测模块选自光栅传感器中的至少一种。所述荷载施加模块选自加压装置中的至少一种。

本发明第三个方面提出了一种上述的水泥环密封性评价方法或上述的水泥环密封性评价系统在油气井开采过程中的应用，优选为在水泥环密封性评价中的应用，更优选为在储气库强注强采下水泥环密封性评价中的应用。但并不限于此。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的水泥环密封性评价方法和评价系统，不但能够准确判断水泥环的密封性，还能够测试水泥环的应力应变，并能够定量化评价水泥环结构的完整性，评价结果更准确。

具体实施方式

为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。

本发明实施例中用到的装置和试剂来源如下：

(1)嘉华G级油井水泥购自四川嘉华水泥厂。

(2)增韧剂采用橡胶粉，橡胶粉购自德州大陆架石油工程技术有限公司，型号为SCR-2。

(3)降失水剂购自德州大陆架石油工程技术有限公司，型号为DZJ-Y。

(4)分散剂采用聚羧酸分散剂，聚羧酸分散剂购自德州大陆架石油工程技术有限公司，型号为SCF-1。

(5)消泡剂购自德州大陆架石油工程技术有限公司，型号为DZX-1。

(6)光栅传感器购自德州大陆架石油工程技术有限公司，型号为SCG-1。

本发明实施例中用到的测试方法为：

(1)弹性模量的测试方法为：搅拌均匀水泥浆，成型40mm×40mm×160mm的水泥石试样，在规定条件下养护至龄期，取出在Toni力学试验机上测试弹性模量，加载上限为水泥石抗压强度的30％。

(2)泊松比的测试方法为：搅拌均匀水泥浆，成型40mm×40mm×160mm的水泥石试样，在规定条件下养护至龄期，取出在Toni力学试验机上测试泊松比，加载上限为水泥石抗压强度的30％。

(3)抗压强度的测试方法为：搅拌均匀水泥浆，成型40mm×40mm×160mm的水泥石试样，在规定条件下养护至龄期，取出在Toni力学试验机上测试抗压强度。

(4)拉伸强度的测试方法为：搅拌均匀水泥浆，成型“8”字型试样，按规定温度养护至龄期后，在材料万能试验机上测试轴向抗拉强度，取3块测试值的平均值，若其中一个测试值与平均值的差值超过20％，则该组数据无效。

(5)水泥环的拉应力和压应力测试方法为：在环空支架的环向和径向分布上布置光栅传感器，养护水泥环后，加卸压和升降温时测试水泥环的应力应变，环向传感器测试拉应力，径向传感器测试压应力。

实施例1

在井筒装置的环空中设置支架，在支架上选择贴装光栅传感器的位置，然后对支架进行表面预处理、贴装光栅传感器、注胶固化。

将100重量份嘉华G级油井水泥、6重量份橡胶粉、4重量份降失水剂、0.5重量份分散剂、0.5重量份消泡剂和44重量份水混合，并搅拌均匀，配制成密度为1.88kg/m

利用加热器加热套管内的水至90℃，进行高温养护。同时，利用压力跟踪泵在环空顶部注水加压至20MPa，形成高温高压养护。

高温高压养护72h后释放环空压力，对上述水泥石形成压应力，并利用上述40mm×40mm×160mm的长条型试块测试对水泥石形成的弹性模量、泊松比和抗压强度，利用“8”字型试块测试水泥石的拉伸强度。测试得到水泥石的弹性模量为6.3GPa、泊松比为0.22、抗压强度为21.7MPa、拉伸强度为1.4MPa。

往环空中注入5MPa压力的氮气，验证水泥环密封性完好。

保持环空的注气压力为5MPa，利用加压系统在套管内循环施加100次35MPa的加载操作和卸载操作。即循环进行50次加载操作、50次卸载操作，循环次数为50次。

利用光栅传感器测试水泥环在循环加载卸载下产生的最大周向拉应力为0.5MPa，小于水泥石的拉伸强度；水泥环径向产生的压应力为13MPa，小于水泥石的抗压强度，验证水泥环结构完整性完好。循环加载卸载期间，利用气窜检测装置检测到水泥环没有发生气窜现象，证明水泥环密封性完好。

由本实施例的测试过程和评价结果看出，该评价方法能够将结果定量化，便于比较和判定，且评价结果准确。

对比例1

将100重量份嘉华G级油井水泥、6重量份增韧剂、4重量份降失水剂、0.5重量份分散剂、0.5重量份消泡剂和44重量份水混合，并搅拌均匀，配制成密度为1.88kg/m

利用加热器加热套管内的水至90℃，进行高温养护，养护72h后，向环空中注入1MPa压力的氮气。利用加压系统在套管内施加100次35MPa的循环加载、卸载，即循环进行50次加载操作、50次卸载操作，循环次数为50次。循环加载卸载期间，利用气窜检测装置检测到水泥环没有发生气窜现象，水泥环密封性完好。

通过实施例和对比例的评价过程和评价结果可知，实施例的评价方法能够测试水泥环的应力应变，并能够定量化评价水泥环结构的完整性，评价结果更准确。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。