一种井筒组件微泄漏循环密封模拟检测装置及方法与流程

本发明涉及一种井筒组件微泄漏循环密封模拟检测装置及方法，属于油气田开发技术领域。

背景技术：

井筒组件主要包括油管、油管挂、套管、套管挂、水泥石、封隔器、井下安全系统、井口阀以及配套控制管线，是确保油气井完整性的重要部件。在油气田开发生产过程中，由于井筒组件长期遭遇液柱压力、摩擦力、交变载荷、苛性环境等不利因素，组件的损坏、磨损、泄漏等问题不可避免；尤其，对处于中后期开发的油气田，油气井组件泄漏造成的井筒环空带压一直是影响油气生产的重要问题，意味着持续安全风险以及严重的生命和财产损伤和危险。开展井筒组件泄漏修复是恢复井筒完整性的唯一途径，然而泄漏修复技术的选择、实施及密封效果均与井筒组件的泄漏级别及检测装置密切相关。

专利号为cn201555697u的申请文件公开了一种高压可控流量堵漏实验仪，该仪器主要包括油罐、高压驱替泵、活塞容器、釜体等四部分，其中釜体含加热套且内置地层模拟模块用于模拟漏失环境，而油罐、高压驱替泵、活塞容器用于形成并控制堵漏流体的压力与流量；上述高压可控流量堵漏实验仪通过模拟漏失地层温度和堵漏压差(1.5～2.0mpa)，可以完成对地层漏失情况的模拟和堵漏材料性能的评价。专利号为cn204738806u的申请文件公开了一种可视化模拟井下堵漏测试装置，该装置主要包括支架、带上下盖板的耐压透明筒体、注浆组件和控压组件，通过耐压透明筒体的运用，不仅可以对堵漏后的密封体系进行承压能力(<7mpa)评价，还可以对动态堵漏过程进行360°观测，有利于准确地描述和分析地层漏失及浆体封堵机理。在大量室内试验以及对近年新型堵漏技术调研后发现，目前的模拟堵漏装置在应用过程中存在一些不足：

1、现有模拟装置多采用单筒堵漏，堵漏浆密封漏失层，随后评价封堵效；由于单筒容积有限，无法模拟大容量密封流体的液-固转化堵漏过程，尤其对孔隙规则的薄漏失层，现有装置需要采用多次补浆完成封堵，而在此操作中封堵条件不可避免发生变化，因此不能准确对漏失层及封堵机理进行描述和分析。

2、现有模拟装置多针对地层漏失，而对井筒组件(安全阀、联接、油/套管、封隔器等)存在的微泄漏模拟的适应性不足，缺乏微泄漏模拟密封的检测和分析技术。3、现有装置采用气压驱动及电阻丝加热控温，对漏失环境模拟不充分，存在模拟压差有限(<7mpa)、体系控温不稳等问题，且自动化程度低，不利于堵漏条件稳定性控制及密封行为描述。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种井筒组件微泄漏循环密封模拟装置，该装置可模拟高温(～150℃)、高压(～25mpa)井筒环境，采用泵入方式实施循环连续封堵，并实时监测井筒组件的微泄漏密封变化特征，可视化封堵材料在泄漏口的聚结行为，获得微泄漏压力变化与密封固体形成之间的动态关系；可用于评估密封流体的井筒组件微泄漏密封性。

本发明首先提供一种井筒组件微泄漏模拟装置，它包括密封筒和透明罩；

所述密封筒的筒壁上近其顶部设有流体入口和压力传感器；

所述密封筒的底部为开口设置，且与一堵头密封配合；

所述堵头上设有若干通孔；

所述透明罩为一上部敞口的罩体；

所述透明罩套设于所述密封筒外，且所述透明罩与所述密封筒的筒壁和底部之间形成一腔体；

所述透明罩设于所述流体入口的下部；

所述透明罩的底部设有流体出口。

上述井筒组件微泄漏模拟装置中，所述密封筒上设有一凸出的翼筒；

所述翼筒与所述透明罩的罩体螺纹连接；

具体地，所述翼筒上设有内螺纹，所述透明罩上设有外螺纹；

所述透明罩可为耐温耐压透明套，可采用石英玻璃材质。

上述井筒组件微泄漏模拟装置中，所述堵头通过一密封帽固定于所述密封筒的底部；

所述密封帽通过其内壁设置的内螺纹与所述密封筒外壁设置的外螺纹形成螺纹连接；

所述堵头与所述密封筒的底部之间以及所述密封帽与所述堵头之间均设有密封圈。

上述井筒组件微泄漏模拟装置中，所述通孔的形状和/尺寸相同或不同；

通过设置不同尺寸、形状的通孔(微缺陷)模拟各种类型的套管组件微泄漏通道。

进一步地，本发明所提供的用于井筒组件微泄漏循环密封模拟装置，包括所述井筒组件微泄漏模拟装置和一釜体；

所述井筒组件微泄漏模拟装置的所述流体入口和所述流体出口分别与所述釜体的循环流体出口和所述釜体的循环流体入口通过循环管线相连通；

所述循环管线上近所述流体出口处设有流量计；

所述循环流体入口设于所述釜体的上部，所述循环流体出口设于所述釜体的下部；

所述流体入口与所述循环流体出口相连通的所述循环管线上设有液体驱替泵，所述液体驱替泵与所述井筒组件微泄漏模拟装置相连通的所述循环管线上设有溢流阀，所述溢流阀通过溢流管线与所述釜体的上部相连通；

通过所述溢流管线控制密封剂流量大小进而辅助调节密封压力；

所述溢流阀与所述井筒组件微泄漏模拟装置相连通的所述循环管线上设有压力表；

所述釜体上设有加热装置；所述釜体内部设有温度传感器；

所述循环管线和所述溢流管线上均设有截止阀。

上述的用于井筒组件微泄漏循环密封模拟装置中，所述温度传感器、所述压力传感器、所述流量计和所述液体驱替泵均与数据采集与控制装置相连接；

所述数据采集与控制装置采用数字显示检测微缺陷泄漏量，调节所述液体驱替泵的泵速，控制试验温度与压力，实时记录密封筒内压力变化，通过压力变化分析微泄漏密封情况。

上述的用于井筒组件微泄漏循环密封模拟装置中，所述加热装置为设置于所述釜体外的电磁加热线圈，确保升温均匀且过程易控制。

上述的用于井筒组件微泄漏循环密封模拟装置中，所述循环管线上近所述井筒组件微泄漏模拟装置的所述流体入口端、近所述釜体的所述循环流体入口端和近所述釜体的所述循环流体出口端均设有所述截止阀；

所述溢流管线上近所述釜体端设有所述截止阀。

上述的用于井筒组件微泄漏循环密封模拟装置中，所述釜体上部有釜盖，所述釜盖通过密封圈、螺纹与所述釜体实现密封。

上述的用于井筒组件微泄漏循环密封模拟装置中，所述溢流管线与所述循环管线通过所述溢流阀连接，通过所述液体驱替泵的泵速变化和所述溢流阀调节所述循环管线内密封流体流量，改变连接所述密封筒的所述循环管线内的压力，达到实验压力，开启所述密封筒的所述流体入口端的所述截止阀，即可使所述密封筒内压力达到实验压力。

上述的用于井筒组件微泄漏循环密封模拟装置中，所述井筒组件微泄漏模拟装置与所述釜体相连通，经所述液体驱替泵输送的密封流体通过所述密封筒，在所述堵头处压差作用下经过微孔隙(通孔)，在物理化学作用下固化凝结，形成具有一定强度的韧性固体密封微孔隙，该凝结过程可通过所述透明罩进行观测，所述密封筒内的压力变化被所述压力传感器采集并传输到数据分析与处理装置，透过微泄漏孔隙流体进入所述釜体，进一步循环。

本发明还进一步提供了利用密封流体进行井筒组件微泄漏循环密封的检测方法，包括如下步骤：

1)在所述用于井筒组件微泄漏循环密封模拟装置中进行；向所述釜体内注入密封流体；开启近所述循环流体出口端的所述截止阀、近所述釜体端的所述截止阀和所述溢流阀；关闭所述密封筒的所述流体入口端的所述截止阀，使循环中止于所述密封筒的顶部；

2)开启所述加热装置，待所述釜体内的温度达到预设值；开启所述液体驱替泵进行增压，直至所述压力表达到预设值；如果密封压力不能达到预设值，适当旋紧所述溢流阀或增大所述液体驱替泵的泵速；

3)维持压力稳定，开启近所述流体入口端的所述截止阀和近所述循环流体入口端的所述截止阀，则所述密封流体流经所述液体驱替泵和所述溢流阀进入所述密封筒，持续通过实施密封筒底部的所述通孔，所述密封流体逐渐封堵所述通孔直至完全密封；记录密封过程中所述密封筒内的压力变化和流经所述通孔的流量；

所述压力传感器记录所述密封筒内压力随时间变化趋势，所述流量计记录经过微缺陷流体流量与时间关系，进而可分析模拟微泄漏口密封流体的液-固转化密封关系，检测密封效果。

上述实验结束后，关闭控温电源，待所述釜体温度降至室温，开启所述截止阀，放空剩余密封流体，向所述釜体内注入清洗液，所述密封筒的底部直接连接循环管线，重新开启控制电源，使清洗液在溢流管线和循环管线内循环流动，清洗管线。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明能够建立模拟各类井筒组件微泄漏的物理模块，采用液压驱替泵循环控压方法以及电磁加热方式，结合耐温耐压透明套及数据采集与控制装置，使控温更高更稳定，压力调节范围更大，最大程度模拟密封流体对井筒组件微泄漏的连续密封过程，进一步可视化密封流体的微泄漏密封行为，实时检测微泄漏密封状况，建立微泄漏密封修复的压力-时间关系，反映密封流体液-固转变与井筒组件微泄漏修复之间的关系，评价密封流体的微泄漏密封效果，为井筒组件密封流体筛选及微泄漏修复提供科学依据。

附图说明

图1为本发明井筒组件微泄漏模拟装置的结构示意图。

图2为本发明井筒组件微泄漏模拟装置中的堵头的剖面图。

图3为本发明井筒组件微泄漏循环密封模拟装置的结构示意图。

图4为本发明井筒组件微泄漏循环密封模拟装置中的釜体的剖面图。

图5为本发明井筒组件微泄漏循环密封模拟装置进行的井筒组件微泄漏修复实施例曲线。

图中各标记如下：

1.精密压力表；2.溢流阀；3.液体驱替泵；4.循环出口阀；5.溢流回流阀；6.高温高压密封釜；7.流量计；8.耐温耐压透明罩；9.微泄漏模拟组件；10.截止阀；11.密封筒；12.压力传感器；13.流量数据传输线；14.循环入口阀；15.电磁加热线圈；16.驱替泵控制线；17.温度传感器；18.温度数据传输线；19.控制面板；20.显示屏；21.压力数据传输线；22.堵头；23.密封帽；24.密封圈；25.管线紧固件；26.堵头密封圈；27.压力传感器紧固件；28.微泄漏孔；29.釜盖；30.釜体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明，但本发明并不限于下述实施例。

如图1所示，为本发明提供的井筒组件微泄漏模拟装置的结构示意图，它包括密封筒11和耐温耐压透明罩8，密封筒11的筒壁上近其顶部设有流体入口(图中未标)和压力传感器12，压力传感器12通过压力传感器紧固件27密封连接于密封筒11上。密封筒11的底部为开口设置，且与堵头22通过堵头密封圈26密封配合，堵头22还通过密封帽23固定于密封筒11的底部，密封帽23通过其内壁设置的内螺纹与密封筒11外壁设置的外螺纹形成螺纹连接，密封帽23与堵头22之间均设有密封圈24，进一步提高密封性。如图2所示，堵头22上设有若干微泄漏孔28(通孔)，它们的形状和/尺寸相同或不同，用于模拟各种类型的套管组件微泄漏通道。耐温耐压透明罩8的材质为石英玻璃，其上部敞口设置，耐温耐压透明罩8设于密封筒11外，且设于流体入口的下部，耐温耐压透明罩8与密封筒11上凸出的翼筒(图中未标)通过螺纹连接(翼筒上设置内螺纹)，耐温耐压透明罩8与密封筒11的筒壁和底部之间形成一腔体；耐温耐压透明罩8的底部设有流体出口(图中未标)。

如图3所示，为本发明提供的井筒组件微泄漏循环密封模拟装置的结构示意图，它包括井筒组件微泄漏模拟装置和高温高压密封釜6，高温高压密封釜6的结构如图4所示，温高压密封釜6上部有釜盖29，该釜盖29通过密封圈、螺纹与釜体30实现密封。温高压密封釜6的上部设有循环流体入口，高温高压密封釜6的下部设有循环流体出口，高温高压密封釜6外包覆有电磁加热线圈15，确保升温均匀且过程易控制，高温高压密封釜6内部设有温度传感器17。井筒组件微泄漏模拟装置的流体入口和流体出口分别与高温高压密封釜6的循环流体出口和高温高压密封釜6的循环流体入口通过循环管线相连通，该循环管线上近流体出口处设有流量计7，近高温高压密封釜6的循环流体入口端设有循环入口阀14；流体入口与循环流体出口相连通的循环管线上设有液体驱替泵3，循环管线上靠近高温高压密封釜6端设有循环出口阀4，靠近井筒组件微泄漏模拟装置的流体入口端设有截止阀10。液体驱替泵3与井筒组件微泄漏模拟装置相连通的循环管线上设有溢流阀2，溢流阀2通过溢流管线与高温高压密封釜6的上部相连通，溢流管线上近高温高压密封釜6端设有溢流回流阀5，通过溢流管线控制密封剂流量大小进而辅助调节密封压力，溢流阀2与井筒组件微泄漏模拟装置相连通的循环管线上设有压力表1。

如图3所示，温度传感器17、压力传感器12、流量计7和液体驱替泵3分别通过.温度数据传输线18、压力数据传输线21、流量数据传输线13、驱替泵控制线16与数据采集与控制装置相连接，该数据采集与控制装置包括控制面板19和显示屏20，其采用数字显示检测微缺陷泄漏量，调节液体驱替泵3的泵速，控制试验温度与压力，实时记录密封筒内压力变化，通过压力变化分析微泄漏密封情况。

如图3所示，经液体驱替泵3输送的密封流体通过密封筒11，在堵头22处压差作用下经过微泄漏孔28，在物理化学作用下固化凝结，形成具有一定强度的韧性固体密封微孔隙，该凝结过程可通过耐温耐压透明罩8进行观测，密封筒11内的压力变化被压力传感器12采集并传输到数据分析与处理装置，透过微泄漏孔28的流体进入高温高压密封釜6，进一步循环。

使用本发明井筒组件微泄漏循环密封模拟装置时，根据需要模拟井筒组件微泄漏情况选择微缺陷堵头，安装密封帽23，固定堵头22于密封筒11底部，安装耐温耐压透明罩8，关闭密封筒11上部截止阀10，连接循环管线和溢流管线；向高温高压密封釜6内注入密封流体，旋紧釜盖29，开启总电源开关，通过控制系统设置釜温及泵速，使密封流体温度达到实验值；调节泵速使密封流体经溢流阀2在溢流管线内循环，进一步调节泵速和溢流阀2使精密压力表1读数达到实验值；开启截止阀10，在实验压差驱动下密封流体进入密封筒11，密封流体挤注通过堵头22的微泄漏孔28，在物理化学作用下逐步固化密封泄漏孔道；压力传感器12实时采集密封筒11内压力变化值，通过耐温耐压透明罩8观测密封流体的微泄漏封堵动态过程；通过泵速调节，维持或增大密封筒内压力，观测精密压力表1读数变化，检查形成密封的承压能力；完成井筒组件微泄漏密封模拟实验，关闭控温电源和驱替加压泵开关，至密封流体温度降至室温，开启控制截止阀10，待密封流体回流至高温高压密封釜6，拆卸堵头22、耐温耐压透明罩8，通过循环管线阀放空密封流体；向高温高压密封釜6内注入清洗液，密封筒11底部直接连接循环管线，重新开启控制电源，使清洗液在溢流管线和循环管线内循环流动，清洗管线。

利用本发明井筒组件微泄漏循环密封模拟装置，采用密封流体进行井筒组件微泄漏循环密封检测的方法，包括以下步骤：

步骤一：井筒组件微泄漏模拟装置安装

选择微缺陷堵头22，堵头22紧贴于密封筒11下部连接处，安装密封帽23，使堵头22固定于密封筒11底部；耐温耐压透明罩8紧贴于密封筒11下部，拧紧耐温耐压透明罩8扣盖，使耐温耐压透明罩8固定于密封筒11下部。

步骤二：密封流体循环及控压装置调节

开启循环管线进口与出口截止阀(循环出口阀4)，开启溢流管线溢流阀2和溢流回流阀5，关闭密封筒顶部截止阀10，使循环中止于密封筒11顶部。

步骤三：井筒组件微泄漏模拟密封设置

接通电源，开启温度与压力记录系统，设置检测温度，待高温高压密封釜6内温度达到预设值；开启液体驱替泵3，控制泵速10转/秒，逐渐旋紧溢流阀2开始增压，直至密封筒11上部压力达到预设值；如果密封压力不能达到预设值，适当旋紧溢流阀2或增大泵速。

步骤四：微泄漏密封特征实时检测

维持压力稳定，开启密封筒11顶部截止阀10，确保装置循环系统畅通，高温高压密封釜6内密封流体经液体驱替泵3、溢流阀2、截止阀10进入密封筒11，持续通过密封筒11底部微泄漏孔28，密封流体逐渐封堵微泄漏孔28直至完全密封，压力传感器12记录密封筒11内压力并绘制随时间变化曲线，流量计7记录经过微泄漏孔28流体流量并绘制与时间曲线，分析模拟微泄漏口密封流体的液-固转化密封关系，检测密封效果。

步骤五：井筒组件微泄漏模拟装置清洗关

闭控温电源，待高温高压密封釜6温度降至室温，开启控制阀，放空剩余密封流体，向高温高压密封釜6内注入清洗液，密封筒11底部直接连接循环管线，重新开启控制电源，使清洗液在溢流管线和循环管线内循环流动，清洗管线。

应用实施例1、

本实施例的密封流体为井下管柱堵漏剂a，其包括如下重量份的原料：羧基丁腈胶乳70份和氯化钾2份。

本实施例的室内制备步骤包括：

(1)称取羧基丁腈胶乳70g和氯化钾2g；

(2)在温度为90℃时，边搅拌边将羧基丁腈胶乳加入30g淡水中，控制搅拌速度1500r/min，搅拌10min后，再在相同的温度和搅拌速度下，边搅拌边向羧基丁腈胶乳基液中加入氯化钾，搅拌60min后，冷却至常温，得密封剂。

按照上述井筒组件微泄漏循环密封检测步骤，选择直径1mm的孔形微泄漏堵头(如图2中左图所示)，釜体温度80℃。

本实施例获得井筒组件微泄漏修复压力变化曲线如图5所示。

应用实施例2：

本实施例密封流体为井下管柱堵漏剂b，其包括如下重量份的原料：羧基丁腈胶乳70份、氯化钾2份、op-1020份和石棉纤维0.1份。

本实施例室内制备步骤包括：：

(1)称取羧基丁腈胶乳70g、氯化钾2g、op-1020g和石棉纤维0.1g；

(2)在温度为90℃时，边搅拌边将羧基丁腈胶乳加入30g淡水中，控制搅拌速度1500r/min，搅拌10min后，再在相同的温度和搅拌速度下，边搅拌边向羧基丁腈胶乳基液中加入氯化钾，搅拌60min后，冷却至常温，得到第一混合液；

(3)在搅拌下将op-10加入步骤(2)的第一混合液中，控制搅拌速度为1000r/min，搅拌30min后，搅拌均匀后，再向上述混合液中加入石棉纤维，搅拌30min后，得到密封剂。

按照上述井筒组件微泄漏循环密封检测步骤，选择缝结构微泄漏堵头(如图2中右图所示)，其尺寸为长×宽＝1mm×2mm，釜体温度80℃。

本实施例获得井筒组件微泄漏修复压力变化曲线如图5所示。

由图5可以看出，压力变化出现两种趋势：一种是压力升至要求值后迅速下降，并维持稳定，说明密封剂不能在要求值完全封堵泄漏孔隙；另一种是压力升至要求值后，压力不降且维持该值，说明在该压力下密封剂能够完全封堵泄漏孔隙，微泄漏修复成功。上述结果说明，本发明能够有效评估密封剂的微泄漏封堵效果。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。