一种浅层套管井筒密封性评价装置及方法与流程

本发明属于油气钻井，具体地，涉及一种浅层套管井筒密封性评价装置以及一种浅层套管井筒密封性评价方法。

背景技术：

1、随着我国油气资源的开发，目前的油气资源丰度较低，导致开发效益相对较差，尤其近些年来，降本增效成为我国石油工程领域的刚性需求。

2、在油气田开发成本中，钻井费用占比较大，而在浅表层钻井工程费用中，特种金属套管又占较大的比例。浅层套管在钻井中后期不再发挥作用，造成极大的浪费，制约了我国油气资源的高效开发。

3、因此，创新提出一种在油气井浅层低成本的固井技术，即非金属管固井技术，其由低成本非金属塑形管和超高强高韧水泥环组成，利用非金属塑形管代替价格昂贵的金属套管，实现注替水泥浆的循环，由超高强高韧水泥环承受下开次钻进过程中的液柱压力、振动和冲击荷载等。通过这种设置，节约了价格昂贵的特殊金属套管，可有效降低钻井成本，实现降本增效。而非金属管井筒能否承受液柱压力等载荷的作用，满足密封完整性，需通过实验评价验证，因此，需要开发一种非金属套管井筒密封完整性评价装置，并建立相应的评价方法。

4、现有技术中，中国专利文献cn114518294a公开了一种水泥环密封能力评价装置，对模拟井筒施加围压和内压，检测水泥环的密封性。但其模拟井筒中采用的内筒为金属套管，外筒也是具有一定厚度的金属管，无法对非金属套管井筒以及浅地层的弱约束进行模拟。

5、中国专利文献cn112443288a公开了一种评价固井水泥环二界面密封能力的实验装置，模拟固井前后井下流体环境、水泥环的受力状态以及水泥环二界面形貌特征，主要用于评价在地层流体环境中水泥环二界面的密封能力，对水泥环本体的力学完整性不能评价，无法对非金属套管井筒以及浅地层的弱约束进行模拟。

6、中国专利文献cn105424331a公开了一种用于大型压裂时水泥环的力学性能与机械密封性评价的装置，该装置主要是对大型水力压裂时水泥环的力学性能与机械密封性能进行评价，而不是针对钻进时的液柱压力等载荷，无法对非金属套管井筒以及浅地层的弱约束进行模拟。

7、中国专利文献cn114412412a公开了一种水泥环密封完整性评价装置及方法，该装置和方法对偏心套管重叠段高温高压水泥环密封完整性进行评价，能够模拟套管内温度及压力的持续变化对水泥环密封失效的影响。该装置模拟井筒中采用的内外筒均为金属套管，外套管与内套管之间的腔体注入流体或加热，对偏心套管重叠段高温高压水泥环密封完整性进行评价，模拟套管内温度及压力的持续变化对水泥环密封失效的影响。该评价装置方法无法对非金属套管井筒以及浅地层的弱约束进行模拟。

技术实现思路

1、针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种浅层套管井筒密封性评价装置，其能够模拟浅地层对非金属套管的弱约束。

2、本发明还提出了一种浅层套管井筒密封性评价方法，该方法能够模拟评价液柱压力作用下非金属套管井筒的密封完整性。

3、根据本发明，提供了一种浅层套管井筒密封性评价装置，包括：

4、内筒，所述内筒采用非金属材料制成；

5、间隙式套设在所述内筒外侧的外筒，在所述内筒和所述外筒之间浇筑水泥浆，形成水泥环，所述水泥环成型之后，所述外筒设置为能够与所述水泥环分离；

6、以及密封设置在所述内筒的轴向两端的上堵头和下堵头，在所述上堵头或所述下堵头上设置有用于向所述内筒加压的进口。

7、在一个优选的实施例中，所述外筒包括两个半圆形的筒体，两个所述筒体相互适配形成一个完整的圆筒形状。

8、在一个优选的实施例中，所述外筒还包括将两个所述筒体箍紧的卡箍。

9、在一个优选的实施例中，所述下堵头包括大径部和小径部，所述小径部的外壁与所述内筒的内壁适配，所述大径部与所述内筒轴向抵接。

10、在一个优选的实施例中，在所述大径部与所述水泥环之间设置有耐压圈。

11、在一个优选的实施例中，在所述水泥环的底部设置有滤板。

12、在一个优选的实施例中，所述浅层套管井筒密封性评价装置还包括支撑框架，所述上堵头的上端与所述支撑框架轴向抵接，所述下堵头的下端与所述支撑框架轴向抵接。

13、在一个优选的实施例中，所述支撑框架包括上压板、下压板以及将所述上压板和所述下压板固定连接的支撑柱，所述下堵头与所述下压板抵接，所述上堵头与所述上压板抵接。

14、在一个优选的实施例中，在所述水泥环与所述下压板之间设置有支撑环，所述支撑环的内外两侧分别与所述下堵头和所述外筒接触，所述支撑环采用非金属材料制成，在所述支撑环与所述水泥环之间设置有滤板。

15、根据本发明，还提供了一种浅层套管井筒密封性评价方法，使用根据本发明提供的的浅层套管井筒密封性评价装置，包括如下步骤：

16、在内筒和外筒之间注入水泥浆，待水泥浆凝固为水泥环之后，脱去外筒；

17、向内筒内施加压力，直至内筒内压力不再增加反而突然降低；

18、记录此时的最大压力值为井筒承受的最大压力。

19、与现有技术相比，本申请的优点如下：

20、本发明为了模拟浅地层的弱约束，采用可拆卸的外筒，当外筒与内筒之间的水泥环成型之后，将外筒拆除。通过这种设置，当在内筒的内部加压时，内筒和水泥环构成的井筒能够在内压的作用下自由变形，符合浅地层约束。

21、此外，本发明采用滤板设置在水泥环的下部，从而在水泥环未凝固时，对水泥环起到支撑的作用。在水泥环的下方与下压板之间还设置有采用非金属材料制成的支撑环，非金属材料制成的支撑环对水泥环和内筒的约束力较小，能够更加真实的模拟浅地层的弱约束。

技术特征：

1.一种浅层套管井筒密封性评价装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的浅层套管井筒密封性评价装置，其特征在于，所述外筒(2)包括两个半圆形的筒体(21)，两个所述筒体(21)相互适配形成一个完整的圆筒形状。

3.根据权利要求2所述的浅层套管井筒密封性评价装置，其特征在于，所述外筒(2)还包括将两个所述筒体(21)箍紧的卡箍。

4.根据权利要求1所述的浅层套管井筒密封性评价装置，其特征在于，所述下堵头(5)包括大径部(51)和小径部(52)，所述小径部(52)的外壁与所述内筒(1)的内壁适配，所述大径部(51)与所述内筒(1)轴向抵接。

5.根据权利要求4所述的浅层套管井筒密封性评价装置，其特征在于，在所述大径部(51)与所述水泥环(3)之间设置有耐压圈(91)。

6.根据权利要求1所述的浅层套管井筒密封性评价装置，其特征在于，在所述水泥环(3)的底部设置有滤板(92)。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的浅层套管井筒密封性评价装置，其特征在于，所述浅层套管井筒密封性评价装置还包括支撑框架(7)，所述上堵头(4)的上端与所述支撑框架(7)轴向抵接，所述下堵头(5)的下端与所述支撑框架(7)轴向抵接。

8.根据权利要求7所述的浅层套管井筒密封性评价装置，其特征在于，所述支撑框架(7)包括上压板(71)、下压板(72)以及将所述上压板(71)和所述下压板(72)固定连接的支撑柱(73)，所述下堵头(5)与所述下压板(72)抵接，所述上堵头(4)与所述上压板(71)抵接。

9.根据权利要求8所述的浅层套管井筒密封性评价装置，其特征在于，在所述水泥环(3)与所述下压板(72)之间设置有支撑环(8)，所述支撑环(8)的内外两侧分别与所述下堵头(5)和所述外筒(2)接触，所述支撑环(8)采用非金属材料制成，在所述支撑环(8)与所述水泥环(3)之间设置有滤板(92)。

10.一种浅层套管井筒密封性评价方法，其特征在于，使用根据权利要求1～9中任一项所述的浅层套管井筒密封性评价装置，包括如下步骤：

技术总结
本发明属于油气钻井技术领域，具体地，涉及一种浅层套管井筒密封性评价装置及方法。浅层套管井筒密封性评价装置包括：内筒，所述内筒采用非金属材料制成；间隙式套设在所述内筒外侧的外筒，在所述内筒和所述外筒之间浇筑水泥浆，形成水泥环，所述水泥环成型之后，所述外筒设置为能够与所述水泥环分离；以及密封设置在所述内筒的轴向两端的上堵头和下堵头，在所述上堵头或所述下堵头上设置有用于向所述内筒加压的进口。本发明能够模拟浅地层对非金属套管井筒的弱约束。

技术研发人员：刘仍光,李小江,陆沛青,刘奎,刘荦,金鑫
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5