阅读说明：本技术 一种固井水泥环密封完整性实时监测的实验装置 (Experimental device for well cementation cement sheath sealing integrity real-time supervision ) 是由 李晓蓉 冯永存 张毅 王丰岳 古臣旺 段梦兰 于 2020-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种固井水泥环密封完整性实时监测的实验装置,包括固定装置、井身装置和水泥浆注入系统,内套管底端和外筒体底端均固定于底座内,且外筒体的内壁和内套管的外壁之间的空腔形成水泥环腔体,光纤传感电缆设置于内套管的外壁上；水泥浆存储装置与水泥环腔体之间通过水泥浆注入管连通,水泥浆注入管上设置有注水泥浆泵。本发明公开的固井水泥环密封完整性实时监测的实验装置,实现了对固井水泥环的密封完整性全井段、实时连续地监测,测量值精确、可靠,对于不同的水泥环密封完整性监测实验,只需要更换具有不同功能的模拟地层管道的外筒体及相应的注入系统,大大降低实验成本。(The invention discloses an experimental device for monitoring the sealing integrity of a well cementation cement sheath in real time, which comprises a fixing device, a well device and a cement slurry injection system, wherein the bottom end of an inner sleeve and the bottom end of an outer cylinder are both fixed in a base, a cavity between the inner wall of the outer cylinder and the outer wall of the inner sleeve forms a cement sheath cavity, and an optical fiber sensing cable is arranged on the outer wall of the inner sleeve; the cement paste storage device is communicated with the cement sheath cavity through a cement paste injection pipe, and a cement paste injection pump is arranged on the cement paste injection pipe. The experimental device for monitoring the sealing integrity of the well cementation cement sheath in real time disclosed by the invention realizes the full-well section and real-time continuous monitoring of the sealing integrity of the well cementation cement sheath, has accurate and reliable measured values, and only needs to replace outer cylinders of simulated formation pipelines with different functions and corresponding injection systems for different cement sheath sealing integrity monitoring experiments, thereby greatly reducing the experiment cost.)

一种固井水泥环密封完整性实时监测的实验装置

技术领域

本发明涉及石油钻井工程技术领域，具体涉及一种固井水泥环密封完整性实时监测的实验装置。

背景技术

固井水泥环的密封效果的完整性是一个贯穿油气井全生命周期、事关油气安全高效开发和环境保护的重要问题。水泥环密封失效引起窜流，产层或非产层的油气会造成环空带压，将进一步引发井涌、井喷等事故。全生命周期水泥环密封完整性的实时监测能对水泥环密封失效引起的地下流体泄漏风险发出预警，是保障油气资源安全高效开发的关键环节。

现固井水泥环性能完整性的检测技术主要是基于如水泥胶结测井、声幅/变密度测井或扇区水泥胶结测井等声幅测井原理。这些检测技术的基本原理是利用声波、光波在套管、水泥环、地层模拟筒等介质中的传播规律来判断水泥环胶结质量及其性能。然而，现有的这些方法只能检测某一测点、某一时刻的水泥环密封状态，无法提供全井段、实时连续的密封性能监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固井水泥环密封完整性实时监测的实验装置，用以解决现有技术中无法提供全井段、实时连续的固井水泥环的密封性能监测的问题。

本发明提供一种固井水泥环密封完整性实时监测的实验装置，包括固定装置、井身装置和水泥浆注入系统，所述固定装置包括一基板，所述基板上设置有底座，所述井身装置包括外筒体、内套管和光纤传感电缆，所述内套管底端和所述外筒体底端均固定于所述底座内，且所述外筒体的内壁和所述内套管的外壁之间的空腔形成水泥环腔体，所述光纤传感电缆设置于所述内套管的外壁上；所述水泥浆注入系统包括水泥浆存储装置、注水泥浆泵和水泥浆注入管，所述水泥浆存储装置设置于基板上，所述水泥浆存储装置与所述水泥环腔体之间通过所述水泥浆注入管连通，所述水泥浆注入管上设置有注水泥浆泵。

优选地，所述固定装置还包括若干固定螺栓、固定环、底部定位环，所述基板为矩形板，所述底座的形状为中空圆柱体，所述底座中部设置有圆形凹槽，所述底座的周围环向间隔布置有多个螺栓孔，若干所述固定螺栓分别穿过所述底座的的多个螺栓孔将底座固定在基板的端部上，所述固定环安装在底座的圆形凹槽内，所述底部定位环卡设在所述固定环内。

优选地，所述底部定位环上设置有一圈环形凸起，所述内套管底端的外壁卡设于所述底部定位环的环形凸起的内圈内，所述外筒体底端的外壁卡设于固定环的内圈内，且所述外筒体的内壁和所述内套管的外壁之间的空腔形成水泥环腔体。

优选地，所述水泥浆存储装置上设置有水泥浆搅拌器。

优选地，所述水泥浆注入系统还包括第一单向阀门、第一流量计、第一温度传感器和第一压力计，所述单向阀门、第一温度传感器、所述第一流量计和第一压力计依次设置于所述水泥浆注入管上。

优选地，所述光纤传感电缆包括光纤电缆、油气敏感聚合物和芳纶线，所述油气敏感聚合物涂抹覆盖在所述内套管的外壁上，所述光纤电缆沿着所述内套管的纵向紧贴于所述内套管的外壁，所述芳纶线螺旋缠绕在所述内套管外壁上将所述光纤电缆绑定在所述内套管的外壁上。

优选地，还包括染色液体注入系统，所述染色液体注入系统包括染色液体存储装置、染色液体注入管和注染色液泵，所述染色液体存储装置设置于所述基板上，所述染色液体存储装置与所述水泥环腔体之间通过所述染色液体注入管连通，所述染色液体注入管上设置有注染色液泵。

优选地，所述染色液体注入系统还包括第二单向阀门、第二温度传感器、第二流量计和第二压力计，所述第二单向阀门、所述第二温度传感器、所述第二流量计和所述第二压力计依次设置于所述染色液体注入管上。

优选地，还包括一个油气存储装置和至少一组油气注入系统，所述水泥环腔体被水泥浆注满形成水泥环，所述水泥环内至少设置有一个油气通道；每组油气注入系统包括一根油气注入管和一根油气排出管，所述油气注入管的进油气端与所述油气存储装置的油气出口相连通，所述油气注入管的出油气端与所述油气排出管的进油气端分别与所述水泥环油气通道的两端相连通，所述油气排出管的回油气端与所述油气存储装置的油气回口相连通，由此每组油气注入系统形成一个循环回路；每根所述油气注入管上设置有一个注油气泵。

优选地，每根所述油气注入管上设置一套控制装置，所述控制装置包括第三压力计、第三流量计、第三温度传感器、和第三单向阀门，所述第三压力计、所述第三流量计、所述第三温度传感器和所述第三单向阀门依次设置于所述油气注入管上。

本发明的有益效果是：

本发明公开一种固井水泥环密封完整性实时监测的实验装置，将井身装置和水泥浆注入系统设在固定装置上，利用设在井身装置的内套管的外壁上的光纤传感电缆感应由水泥浆凝固过程引起的内套管体积应变，并将采用的体积位置变化信息转化为声波信号，通过研究水泥浆水化对分布式声传感光纤信号的影响规律，来判断水泥环密封完整性。本发明公开的固井水泥环密封完整性实时监测的实验装置，实现了对固井水泥环的密封完整性全井段、实时连续地监测，测量值精确、可靠，对于不同的水泥环密封完整性监测实验，只需要更换具有不同功能的模拟地层管道的外筒体及相应的注入系统，大大降低实验成本。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的实验装置的剖面视图；

图2为本发明实施例1提供的实验装置的立体结构示意图；

图3为本发明实施例2提供的实验装置的剖面视图；

图4为本发明实施例2提供的实验装置的立体结构示意图；

图5为本发明实施例3提供的提供的实验装置的剖面视图；

图6为本发明实施例3提供的提供的实验装置的立体结构示意图；

图7为本发明实施例4提供的提供的实验装置的剖面视图；

图8为本发明实施例4提供的提供的实验装置的立体结构示意图。

具体实施方式

光纤中瑞利散射效应的分布式声传感(Distributed Acoustic Sensing，简称DAS)技术在水力压裂、油气生产动态、地震信号监测等方面已取得了较为成功的应用。但是，分布式声传感技术在水泥环完整性监测方面的可行性还缺乏研究。分布式声传感技术为实现实时全井段、全生命周期水泥环完整性监测提供了一种颇具前景的全新方法。光纤传感电缆是分布式声传感技术的一种具体的应用形式。

常见的固井水泥环密封完整性失效主要有三种类型：水泥浆返高不足、水泥环胶结面开裂和水泥环沟槽泄漏。这三种不同失效在井固水泥环中发生事件的扰动产生光纤传感信号的强弱变化不同，无论哪一种类型的失效，这样强弱变化都可以被光纤传感电缆的变形所感知，光纤传感信号强弱的变化规律本质上反映的是光纤应变的大小的变化规律。根据这一原理，通过设计并开展固井水泥环密封完整性室内监测实验，可探明固井水泥环泄漏通道内油气流动对分布式光纤传感信号波形的时空影响规律，具体揭示分布式光纤传感信号与水泥环泄漏位置、泄漏速度、泄漏通道尺寸、泄漏流体类型、泄漏流体温度等因素之间的关系，据此通过分布式光纤传感线缆实现固井水泥环密封完整性的全井段、实时连续的密封性能监测，为现场应用提供决策依据。

实施例1：模拟水泥浆返高不足时的固井水泥环密封完整性实时监测的实验装置

实施例1提供一种固井水泥环密封完整性实时监测的实验装置，下面对其结构进行详细描述。

参考图1至图2，该装置包括固定装置1、井身装置2和水泥浆注入系统3。

固定装置1包括基板11、底座12、若干固定螺栓13、固定环14、底部定位环15。

其中，基板11为矩形板，底座12的形状为中空圆柱体，底座12中部设置有圆形凹槽，底座12的周围环向间隔布置有多个螺栓孔，基板11的端部开设相应的螺栓穿孔，若干固定螺栓13分别穿过底座12的的多个螺栓孔将底座12固定在基板11的端部上，固定环14安装在底座12的圆形凹槽内，底部定位环15卡设在固定环14内。其中，基板11用于整个装置的固定，固定环14用于固定夹紧外筒体21底端，底部定位环15用于固定夹紧内套管22底端。

井身装置2包括用于模拟地层的外筒体21、内套管22、光纤传感电缆23、水泥环腔体24和水泥环25。

底部定位环15上设置有一圈环形凸起，内套管22底端的外壁卡设于底部定位环15的环形凸起的内圈内，外筒体21底端的外壁卡设于固定环14的内圈内，且外筒体21的内壁和内套管22的外壁之间的空腔形成水泥环腔体24。水泥浆注入水泥环腔体24内凝结形成水泥环25。

其中，水泥环25与内套管22的接触面为水泥环第一胶结面26，水泥环25与外筒体21的接触面为水泥环第二胶结面27。

光纤传感电缆23包括单模的光纤电缆、油气敏感聚合物和芳纶线，内套管22的外壁上涂有一层油气敏感聚合物，光纤电缆沿着内套管22的纵向紧贴于内套管22的外壁上，芳纶线螺旋缠绕在内套管22外壁上将光纤电缆绑定在内套管22的外壁上，拉紧芳纶线使油气敏感聚合物中膨胀转化为光纤电缆上的应变。光纤传感电缆23为现有技术，更详细的使用请参照期刊《石油机械》2018年第46卷第3期的论文《检测水泥环密封性的光纤传感技术试验研究》。

水泥浆注入系统3包括水泥浆存储装置31、水泥浆搅拌器310、水泥浆注入管32、注水泥浆泵33、第一单向阀门35、第一流量计36、第一温度传感器37和第一压力计38。水泥浆注入系统3的作用是将水泥浆注入到水泥环腔体24。

水泥浆存储装置31设置于基板11的远离底座12的端部上，水泥浆存储装置31与水泥环腔体24之间通过水泥浆注入管32连通，水泥浆注入管32上设置有注水泥浆泵33和单向阀门35，水泥浆存储装置31上设置有水泥浆搅拌器310。

为了观测注入水泥环腔体31内的水泥浆的流量、温度和/或压力，第一流量计36、第一温度传感器37和/或第一压力计38设置于水泥浆注入管32上。

实验时，水泥浆存储装置31内的水泥浆在注水泥浆泵33的作用下，经过水泥浆注入管32，注入至水泥环腔体24底部直至目标高度凝结形成水泥环25，其中该目标高度小于水泥环腔体24的高度。从开始注入水泥浆直至水泥浆凝结完毕的整个实验过程中，光纤传感电缆23全井段记录，并监测水泥浆返高情况。

通过室内实验和理论模拟相结合的研究手段，揭示水泥浆水化对分布式声传感光纤信号的影响规律，进而评估分布式声传感系统在监测水泥浆返高的可行性，为现场使用分布式声传感监测水泥环密封完整性提供决策依据和技术支持。

实施例2：模拟井固水泥环胶结面开裂时的密封完整性实时监测的实验装置

实施例2在实施例1的基础上，增设了染色液体注入系统4。

参考图3和图4，该染色液体注入系统4包括染色液体存储装置41、染色液体注入管42和注染色液泵43，染色液体存储装置41设置于基板11上，染色液体存储装置41与水泥环腔体24之间通过染色液体注入管42连通，染色液体注入管42上设置有注染色液泵43。

其中，染色液体注入系统4的作用是将染色液体存储装置41内的染色液体注入水泥环第二胶结面27底部，并在注染色液泵43提供的注入压力作用下，使染色体沿水泥环第二胶结面27向上扩散。

为了控制染色液体注入的开启与停止，该染色液体注入系统4还包括第二单向阀门45，第二单向阀门45设置在染色液体注入管42上。

为了观察测量注入水泥环腔体31内的水泥浆的流量、温度和/或压力，该染色液体注入系统4还包括第二流量计46、第二温度传感器47和第二压力计48，

第二流量计46、第二温度传感器47和第二压力计48均设置于染色液体注入管42上。

待水泥环25固化后进行实验，实验时，在注染色液泵43的作用下，染色液体存储装置41内的染色液体注入至水泥环25与内套管22的接触面中的水泥环第二胶结面27，直至染色液体向上扩展至目标区域。整个染色液体注入过程中，光纤传感电缆23全井段记录光纤电缆上的应变，并监测水泥环25胶结面开裂情况。由此，通过研究水泥环第二胶结面27动态开裂过程中产生的局部应变对分布式声传感光纤应变及声波信号的扰动规律，据此判断界面裂缝的时、空发展范围。

通过室内实验和理论模拟相结合的研究手段，揭示水泥环第二界面动态开裂扩展对分布式声传感光纤信号的影响规律，进而评估分布式声传感系统在监测界面裂缝扩展过程与范围等方面的可行性，为现场使用分布式声传感监测水泥环密封完整性提供决策依据和技术支持。

实施例3：模拟固井水泥环油气泄漏时的密封完整性实时监测的实验装置

实施例3在实施例1的基础上，增设一个油气存储装置50和一套油气注入系统5。

参考图5和图6，水泥环腔体24被水泥浆注满形成水泥环25，其高度等于水泥环腔体24的高度。水泥环25设置有一个油气通道。值得一提的是，为了能在水泥环25内设置这个油气通道，需要在外筒体21的筒壁内预先埋设U形管件。

油气注入系统5包括一根油气注入管51、一根油气排出管52、一个注油气泵53和一套控制装置，

油气注入管51的进油气端与油气存储装置50的油气出口相连通，油气注入管51的出油气端与油气排出管52的进油气端分别与水泥环25油气通道的两端相连通，油气排出管52的回油气端与油气存储装置50的油气回口相连通，由此每组油气注入系统5形成一个循环回路；

每根油气注入管51上设置有一个注油气泵53。

该控制装置包括第三单向阀门55、第三温度传感器57、第三流量计56、第三压力计58、第三压力计58、第三流量计56、第三温度传感器57和第三单向阀门55依次设置于油气注入管51上。

油气存储装置50和油气注入系统5，用于模拟不同流体的油气在固井水泥环流动过程中发生泄漏的情景。

水泥浆注满水泥环腔体24形成水泥环25，待水泥环25固化后进行实验，实验时，油气存储装置50通过油气注入管51向水泥环25注入不同流体类型、温度、速度的流体模拟油气泄漏。整个注入过程中，光纤传感电缆23全井段记录光纤电缆上的应变，并监测水泥环25油气泄漏情况。

通过室内实验和理论模拟相结合的研究手段，揭示水泥环沟槽油气泄漏对分布式声传感光纤信号的影响规律，进而评估分布式声传感系统在识别泄漏位置、识别泄漏流体类型和速度等方面的可行性，为现场使用分布式声传感监测水泥环密封完整性提供决策依据和技术支持。

实施例4：另一种模拟固井水泥环油气泄漏时的密封完整性实时监测的实验装置实施例3在实施例1的基础上，再增设一套油气注入系统5。

参考图7至图8，新增的油气注入系统5与实施例3基本相同。不同的是，水泥环25再增设一个油气通道，油气存储装置50新增一个油气出口和一个油气回口。指的一提的是，为了能在水泥环25内增设这个油气通道，需要在在外筒体21的筒壁内预先埋设两个U形管件。

新增的油气注入系统5的油气注入管51的出油气端与油气排出管52的进油气端分别与该水泥环25新增的油气通道的两端相连通，新增的油气注入管51的进油气端与油气存储装置50的油气出口相连通，新增的油气排出管52的回油气端与油气存储装置50的油气回口相连通。

在该实施例中，能模拟不同泄漏流体类型和不同泄漏流体温度的油气流体，并可将不同压力、速度和流量的油气流体注入水泥环25内模拟油气管泄漏的情景，可识别油气泄漏位置，可分析水泥浆类型、泄漏管道尺寸、油气泄漏速度、泄漏流体类型和泄漏流体温度对嵌入在水泥环内分布式声传感光纤应变和声波信号的扰动规律。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。