气井套管环空密封完整性失效预防装置及预防方法与流程

本发明涉及天然气勘探开发领域，特别涉及一种气井套管环空密封完整性失效预防装置及预防方法。

背景技术：

气窜引起的套管环空带压是高压气井持续面临的难题之一。现有的气井环空带压治理措施如挤水泥修复和化学堵漏等存在成本高、效果差和作业难度大等问题。另外，频繁的压力监测和放喷作业，同样也会增加气井的管理难度和生产成本。因此，可以说气井一旦出现环空带压问题，无论采取何种补救和治理措施势必会付出巨大的时间、人工成本以及高额的费用，极大地降低了气井的开发经济效益。

中国专利申请cn103775019a《套管环空封隔装置》公开了一种由遇水膨胀的材料制成的套筒，用于对套管和钻井内壁之间的环空进行封隔的封隔装置。此封隔装置代替了传统的水泥环，起到很好的环空密封问题。虽然此申请文件中提到了通过水泥环进行环空封隔存在一定的问题，但是由于油气井水泥经济方便，性能参数可调、尺寸可控，因此，利用水泥对套管外环空进行封固还是有一定存在的意义。

目前，对于由水泥环本身材料缺陷造成的套管环空密封失效的问题，特别是固井后的长期生产过程中井下工况变化对水泥环的破坏，缺少有效的解决和控制手段。

技术实现要素：

根据上述不足之处，本发明为常规水泥固井，提供了一种气井套管环空密封完整性失效预防装置及预防方法，用于对水泥环进行受力保护，防止水泥环由井下工况及压力变化所导致的失效破坏。

为实现上述目的，本发明的技术方案在于：一种气井套管环空密封完整性失效预防装置，包括粘附在套管外周、用于对水泥环进行受力保护的套筒。

优选的是：套筒其弹性模量为5-10mpa，泊松比为0.25-0.5，厚度为4-8mm。

优选的是：用于制备套筒的材料，按重量份数计包括以下成分：

本发明还提供一种对气井套管环空密封完整性失效进行预防的方法，包括如下步骤：

s1：对套管外周进行除尘、清洗、喷砂、脱脂处理后晾干；

s2：在套管外周刷涂胶黏剂；

s3：根据套筒的厚度，将套筒模具套设于套管外周，在套管与套筒模具之间灌入套筒原料，通过硫化装置进行硫化；

s4：硫化完成后，将套筒模具取下，套筒即粘附在套管外周，放置至少24h后，将粘附有套筒的套管按常规操作置于气井内，即可起到预防气井套管环空密封完整性失效的作用。

本发明的有益效果在于：本发明通过在套管外周增加一层缓冲介质，完全或一定程度上吸收因井下压力变化导致的套管变形，减小套管内压力对水泥环受力的影响，避免套管内压力过高时水泥环的失效破坏，达到预防套管环空密封完整性失效及由此产生的环空带压和环空窜流问题的目的。

本发明可以从油气井建井之初，完全或一定程度上预防气井中的套管环空密封完整性失效，作用效果贯穿气井的整个生命周期。本发明只是对原有套管作简单处理，简便易行，成本低廉，且不改变原施工工艺，也无需任何专门配套设施，相较于出现套管环空密封完整性失效的种种问题再治理具有巨大的经济效益。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明套管的结构示意图；

图3是本发明的使用状态图；

图4是本发明水泥环内壁径向应力随套管压力变化曲线；

图5是本发明水泥环内壁peeq随套管压力变化曲线。

图中，1-套管；2-套筒；3-水泥环；4-地层。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明涉及一种气井套管环空密封完整性失效预防装置，如图1所示，包括粘附在套管1外周、用于对水泥环3进行受力保护的套筒2。

由图3可知，油气井井筒由套管1、水泥环3和地层4三部分组成，理想状态下为同心嵌套结构。井筒主要承受来自于套管1内部的套管压力，以及外围地层的地应力两种压力。传统的井筒由于内外部压力的不均匀，极易造成水泥环3的裂缝甚至破损，这样使得气井出现环空带压的问题，带来很大的损失。

本方法中在套管外壁附着一层特定厚度和性质的缓冲介质作为缓冲层，即套筒2，将套管1和水泥环3之间的刚性接触变为弹性接触，通过套筒2吸收一定的压力及形变，改善套管1压力下水泥环的受力状况，确保水泥环的完整性。

作为一种优选的实施例，套筒其弹性模量为5-10mpa，泊松比为0.25-0.5，厚度为4-8mm。套筒2的材料不限定，只要能达到上述要求即可。另外，套筒还需要具有耐油、耐热、耐磨、弹性好、变形易恢复、寿命长的特点。套筒的厚度需根据水泥环在井下所受压力极值及所用套管尺寸进行选取，但厚度范围不超过4-8mm。根据图1及图2的对比可以知道，套筒2设置在套管1的接箍和安装螺纹之间的位置，确保不影响套管的正常安装。

作为一种优选的实施例，用于制备套筒的材料，按重量份数计包括以下成分：

本发明还提供一种对气井套管环空密封完整性失效进行预防的方法，包括如下步骤：

s1：对套管1外周进行除尘、清洗、喷砂、脱脂处理后晾干；

s2：在套管1外周刷涂胶黏剂；

s3：根据套筒的厚度，将套筒模具套设于套管外周，在套管1与套筒模具之间灌入套筒原料，通过硫化装置进行硫化；

s4：硫化完成后，将套筒模具取下，套筒2即粘附在套管1外周，放置至少24h后，将粘附有套筒的套管按常规操作置于气井内，即可起到预防气井套管环空密封完整性失效的作用。

步骤1中的除尘、清洗、喷砂和脱脂为常规操作，是为了对套管外周做预处理，去掉套管外周的杂物和油渍，防止对套管的硫化造成影响。

步骤2中，根据使用的胶黏剂不同，可以一步刷涂，也可以分步刷涂，根据胶的性质的不同，每次刷涂之间间隔一定的时间，确保后期胶黏剂能更好的发挥作用。常规的采用刷涂法将底涂型胶粘剂均匀涂于粘结表面，室温干燥至少30min，待底胶完全干燥后，刷涂面涂型胶粘剂，室温干燥至少30min。

步骤3中，可以在套管及套筒模具之间设置夹持装置，用于确保套管与套筒模具处于同心位置，确保套筒厚度的均匀。硫化的温度、压力及时间根据所采用的胶料的配方的不同适当调整，完全硫化即可。

套筒2对套管1外环空的水泥环3进行受力保护。

使用时，可根据需要，在不同深度井段处及不同层次套管外周加装本发明装置。以套管为单位使用本发明装置，且需在选定井段连续使用。

当本发明的套管环空密封完整性预防装置随着套管下入井眼内，后按常规固井程序进行施工作业，使套筒、水泥环紧紧固结在一起，共同对套管外环空形成密封。当井下工况变化导致套管变形时，本发明装置中的套筒由于具备良好的弹性变形能力，可以吸收套管对水泥环的挤压作用力，起到保护水泥环受力的作用。

本发明的作用原理为通过在套管外加入一层高弹性缓冲介质，减小套管内压力对水泥环的影响，避免水泥环在套管内压力过高时发生失效破坏，确保水泥环对套管外环空的有效密封。

实施例1

一种气井套管环空密封完整性失效预防装置，包括粘附在套管1外周、用于对水泥环3进行受力保护的套筒2。其中，套筒其弹性模量为5mpa，泊松比为0.25，厚度为4mm。

用于制备套筒的材料，按重量份数计包括以下成分：丁腈橡胶100份；硫化剂dcp5份；硫化剂硫磺0.45份；高耐磨炭黑25份；半补强炭黑5份；2份防老剂445；促进剂氧化锌0.5份；促进剂活性氧化镁0.4份。

本发明还提供一种对气井套管环空密封完整性失效进行预防的方法，包括如下步骤：

s1：对套管1外周进行除尘、清洗、喷砂、脱脂处理后晾干；

s2：在套管1外周刷涂胶黏剂；

s3：根据套筒2的厚度，将套筒模具套设于套管外周，在套管与套筒模具之间灌入套筒原料，通过硫化装置进行硫化；

s4：硫化完成后，将套筒模具取下，套筒即粘附在套管外周，放置至少24h后，将粘附有套筒的套管按常规操作置于气井内，即可起到预防气井套管环空密封完整性失效的作用。

实施例2

一种气井套管环空密封完整性失效预防装置，包括粘附在套管1外周、用于对水泥环3进行受力保护的套筒2。其中，套筒其弹性模量为10mpa，泊松比为0.5，厚度为8mm。

用于制备套筒的材料，按重量份数计包括以下成分：丁腈橡胶100份；硫化剂dcp7份；硫化剂硫磺0.9份；高耐磨炭黑60份；半补强炭黑15份；3份防老剂445；促进剂氧化锌1份；促进剂活性氧化镁0.8份。

对气井套管环空密封完整性失效进行预防的方法同实施例1。

实施例3

一种气井套管环空密封完整性失效预防装置，包括粘附在套管1外周、用于对水泥环3进行受力保护的套筒2。其中，套筒其弹性模量为7mpa，泊松比为0.35，厚度为6mm。

用于制备套筒的材料，按重量份数计包括以下成分：丁腈橡胶100份；硫化剂dcp6份；硫化剂硫磺0.65份；高耐磨炭黑45份；半补强炭黑10份；3份防老剂445；促进剂氧化锌0.7份；促进剂活性氧化镁0.6份。

对气井套管环空密封完整性失效进行预防的方法同实施例1。

实施例4

一种气井套管环空密封完整性失效预防装置，包括粘附在套管1外周、用于对水泥环3进行受力保护的套筒2。其中，套筒其弹性模量为9mpa，泊松比为0.45，厚度为7mm。

用于制备套筒的材料，按重量份数计包括以下成分：丁腈橡胶100份；硫化剂dcp5.5份；硫化剂硫磺0.8份；高耐磨炭黑50份；半补强炭黑13份；2.5份防老剂445；促进剂氧化锌0.8份；促进剂活性氧化镁0.7份。

对气井套管环空密封完整性失效进行预防的方法同实施例1。

对套管外有无弹性套筒的两种条件、不同套管压力下水泥环应力分布及失效规律分别进行了理论计算，并对结果进行了对比。计算中假设套管和地层为线弹性材料，水泥环为弹塑性材料，并选取摩尔-库伦准则为破坏准则，此类问题可简化为弹塑性厚壁筒的平面应变问题，有弹性套筒条件下的计算模型如图3所示。

由拉梅问题的基本解，即厚壁筒在内外载荷q1和q2作用下的应力分量和径向位移表达式：

式中，a≤r≤b，a为圆筒内半径，mm；b为圆筒外半径，mm；q1为内载荷，mpa；q2为外载荷，mpa；e为厚壁筒介质弹性模量，mpa；υ为厚壁筒介质泊松比，无量纲；σr为径向应力，mpa；σθ为周向应力，mpa；u为径向位移，mm。

由公式(2)可得圆筒内外半径处位移u1、u2分别为：

(1)套管

由于将套管视为弹性体，位移分量满足拉梅问题的基本解，因此套管区域径向位移的表达式为：

(2)套筒

套筒为弹性体，位移分量同样满足拉梅问题的基本解，因此套筒区域径向位移的表达式为：

(2)水泥环

当po≥pi时，摩尔-库伦屈服准则满足pi≥po时满足以po≥pi情况下为例，当水泥环内壁应力分布满足公式(7)的摩尔-库伦屈服准则时，水泥环进入弹塑性阶段，此时厚壁筒分为两个区，即弹性区和塑性区。二者界限为r＝rp的圆。应力分量满足二维平面极坐标下的平衡方程：

将公式(7)代入公式(8)中，得：

上式为一阶线性偏微分方程，可以用分离变量法求得塑性区域内径向应力分量为：

将公式(10)代回屈服条件公式(7)，可得水泥环塑性区内任一点的周向应力分量：

由公式(10)求得在塑性区外边界r＝rp处的径向应力为：

假设塑性区体积应变为零，则满足：

εm＝0或εr+εθ＝0(13)

并满足轴对称几何方程：

联立以上两式并积分：

其中d1为积分常数，由在r＝rp处满足位移连续性条件可得：

最终可以得到水泥环塑性区位移的表达式为：

在塑性区以外的弹性区内，其应力状态由外压po及内压qp共同决定，满足拉梅公式基本解。且当r＝rp时满足摩尔-库伦屈服准则，由此可得套筒-水泥环界面接触力q2的表达式：

水泥环弹性区位移分量满足拉梅问题的基本解，因此可得水泥环弹性区径向位移的表达式为：

由套管、套筒、水泥环接触界面满足位移连续性条件，即：

将以上各区域径向位移表达式带入公式(20)，可求得套管内压加载阶段组合体各点的应力和位移。其余公式过程过于繁琐，在此省略，利用以上公式最终可以求解出水泥环内壁上的应力及等效塑性应变值。

具体算例分析中假设套筒为完全弹性材料，且弹性模量较低，特别选取套筒厚度为4mm，弹性模量为10mpa，泊松比为0.25；选取套管压力范围为15-90mpa，以15mpa间隔取值，地应力为40mpa。模型介质具体几何参数和材料特性如表1和表2所示。

表1无套筒条件下模型几何参数和材料特性

表2有套筒条件下模型几何参数和材料特性

由于水泥环塑性破坏最先产生于水泥环内壁，因此选取水泥环内壁处的径向应力和等效塑性应变(peeq)值作为分析对象。分析结果如图4和图5所示。

有无缓冲套筒两种情况下，水泥环内壁径向应力随套管压力变化曲线如图4所示。从图4中可以看出，对比于无缓冲套筒的情况，存在缓冲套筒时不同套管压力下水泥环内壁的径向应力均呈大幅减小，平均减小幅度在96.5％左右，说明缓冲层的加入可以大幅减小水泥环受力，有效减弱套管压力对水泥环的影响。

图5为这两种情况下水泥环内壁等效塑性应变随套管压力变化曲线，从图5可以看出，在无缓冲套筒情况下，套管内压为45mpa时，水泥环内壁出现塑性变形，且随着套管压力的增大，水泥环塑性破坏程度越来越严重。而如果存在缓冲套筒，直到套管压力增至90mpa时，水泥环内壁也没产生塑性变形。由此也说明了缓冲套筒的加入确实可以有效保护水泥环，避免过早产生破坏。

通过以上分析，从理论上验证了本方法的有效性。因此得出结论：通过在套管外壁附着特定厚度和力学特性的缓冲装置，完全或在某种程度上避免水泥环产生塑性破坏，达到预防气井环空密封完整性失效的方案在理论上是可行的。

本发明结构简单，操作方便，对于实际预防气井套管环空密封完整性失效的效果极好。本方法只是对原有套管作特殊处理，简便易行，成本低廉，相较于出现套管环空密封完整性失效的种种问题再治理具有巨大的经济效益，值得推广。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。