模拟致密储层水平井固井缺陷诱发套管变形的实验装置的制作方法

本发明涉及一种模拟致密储层水平井固井缺陷诱发套管变形的实验装置，属于油气开发技术领域。

背景技术：

非常规致密油气(如页岩气、致密砂岩油/气)是典型的边际油气资源，最显著的特点是低孔、低渗、难动用，必须经过大规模压裂改造才能形成产能。然而，在体积压裂过程中，套管要承受巨大的流体内压和急剧的温变作用，尤其是在地应力较高的区域，施工泵压接近90mpa，套管变形损坏问题变得十分突出。中石油在四川盆地已完成长宁、威远两个页岩气区块100多井次压裂改造，其中水平井套管变形的比例高达33％，均发生在体积压裂过程中，导致后续施工不能顺利下入桥塞、钻磨桥塞，严重影响了页岩气的高效开发。

在我国常规油气开发中，套管损坏问题也比较普遍，一般认为，套管损坏有以下原因：①套管柱设计不合理，特别是在盐膏岩、泥页岩地层，设计载荷偏小；②射孔致使套管强度降低，加速了套管损坏；③套管的外腐蚀使套管穿孔造成内腐蚀，腐蚀使套管更易损坏；④油层出砂、固升质量、套管缺陷等使套管损坏；⑤开发方式不合理。在美国套损井主要发生在加州的贝尔利吉油田、威利斯顿油田、塞达克利克油田、小奈夫油田等。贝尔利吉油田在过去的20年己发现1000多口套损井；套损主要原因是70年代过量开采导致显著的地层压实，每年有100多口井发现套管损坏。套管损坏形式为轴向挤压和剪切。轴向挤压破坏是在生产期间引起的，而剪切破坏是在沉降区域边缘。利用上述传统套管损坏理论不能合理解释非常规致密储层水平井压裂过程中复杂工况下的套管损坏问题，主要原因如下：①页岩气储层与盐膏地层、泥岩地层不同，短期内一般不考虑地层蠕变载荷；②套管的服役时间并不长，不会因外部腐蚀，内部冲蚀等因素降低其本体强度；③套管损坏并未发生在射孔段，与射孔引起套管强度降低关系不大；④区域还未进行油气开发，不存在地层压实沉降问题。

此外，目前很多学者认为是压裂过程中地层错动造成的套管损坏，但是，为什么同属于川渝强构造带的焦石坝地区(涪陵页岩气)压裂过程中未出现套管变形问题？部分压裂井，进行第一段压裂后，为什么水平段多处发生了套管变形？这些问题均不能利用地层错动观点解释。

综上所述，非常规致密储层水平井压裂过程中的管损坏原因有待于进一步探索，发明人基于工程实际，提出了水平段固井缺陷致使局部环空压力亏空，进而诱发套管变形的观点，并进行了相关理论分析(weiyan,2017,jpse.150:22-29)，为了进一步证明该观点的合理性，发明人设计了一种模拟致密储层水平井固井缺陷诱发套管变形的实验装置，以期从实验角度探索非常规致密储层压裂套管损坏的原因，为最终解决高应力地区非常规致密储层水平井压裂套管变形问题提供理论支撑。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种模拟致密储层水平井固井缺陷诱发套管变形的实验装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种模拟致密储层水平井固井缺陷诱发套管变形的实验装置，其特征在于：包括两个间隔布置的底座，两个所述底座共同转动支撑模拟井筒，在所述模拟井筒的两端分别可拆装地安装端盖，在所述模拟井筒的内部同轴布置测试套管短接，所述测试套管短接与两个所述端盖可拆装地连接，所述测试套管短接与所述模拟井筒之间形成环形空腔；在所述模拟井筒的侧壁上设置有内口大、外口小的楔形孔，在所述楔形孔中卡装模拟缺陷楔形体，所述模拟缺陷楔形体的外侧壁轮廓与所述楔形孔匹配；在所述模拟缺陷楔形体的大端设置凹槽，所述凹槽边缘为圆弧面，所述圆弧面与所述测试套管短接贴合使所述模拟缺陷楔形体与所述测试套管短接之间形成空腔；在其中一个所述端盖上设置管状连接件，所述管状连接件的一端伸入测试套管短接的内部，另一端通过注液泵与流体源连接，在另一个所述端盖上设置第一压力传感器，所述第一压力传感器的测量端伸入所述测试套管短接的内部；在所述模拟缺陷楔形体的小端安装第二压力传感器和温度传感器，所述第二压力传感器和温度传感器的测量端伸入所述空腔；在所述模拟缺陷楔形体的小端设置与所述空腔相通的注液孔。

进一步地，在每一个所述端盖的外侧设置一个防护盖，所述防护盖由两个半圆形盖体构成，两个所述半圆形盖体均通过滑轮滑动设置在一条导轨上，两条所述导轨呈平行分布且分别间隔布置在所述底座的外侧；当两个所述半圆形盖体扣合时，所述防护盖罩住所述端盖；在所述端盖的侧边沿周向分布有多个螺栓孔，在所述半圆形盖体的侧边上设置有定位螺栓孔。

进一步地，所述模拟井筒采用金属圆筒。

进一步地，所述测试套管短接的两端与所述端盖均通过螺纹连接。

进一步地，在所述第一压力传感器所在的所述端盖上安装爆破阀和泄压丝堵。

进一步地，所述管状连接件采用空心双头螺柱，在所述空心双头螺柱上设置压力控制阀。

进一步地，在所述模拟缺陷楔形体的小端安装有泄压阀。

进一步地，在所述第一压力传感器上设置压力表21，在所述管状连接件上亦设置压力表。

进一步地，在所述端盖与所述模拟井筒之间设置垫片，在所述端盖与所述测试套管短接之间设置密封垫片。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提出了一套包括模拟井筒、测试套管短接、前端盖、后端盖、前防护盖、后防护盖、模拟缺陷楔形体、底座的实验装置，利用该实验装置所实施的实验方法能够较好地还原固井缺陷所诱发的套管变形的过程，由此能够为进一步探索非常规致密储层压裂套管损坏的原因提供数据基础和分析依据。2、本发明在模拟井筒的两端分别布置防护盖，防护盖能够罩住两个端盖，由此在试验中可以起到安全屏蔽的作用，防止前、后端盖因高压而弹出，以及测试套管短接内的流体飞溅而出。3、本发明在第一压力传感器所在的端盖上安装泄压丝堵，其作用为泄压，因此可以使高压流体顺利地泵入到测试套管短接中。4、本发明在模拟缺陷楔形体的小端安装泄压阀，其作用为泄压，因此可以使完井液能够顺利地注入到空腔中。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的仰视结构示意图；

图3是图2中a-a向的剖视示意图；

图4是本发明模拟缺陷楔形体的结构示意图；

图5是本发明安装有第一压力传感器的端盖的立体结构示意图；

图6是本发明安装有第一压力传感器的端盖的主视结构示意图；

图7是本发明安装有第一压力传感器的端盖的侧视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1～3所示，本发明包括两个间隔布置的底座1，两个底座1共同转动支撑模拟井筒2，在模拟井筒2的两端分别可拆装地安装端盖3，在模拟井筒2的内部同轴布置测试套管短接4，测试套管短接4与两个端盖3可拆装地连接，测试套管短接4与模拟井筒2之间形成环形空腔5。在模拟井筒2的侧壁上设置有内口大、外口小的楔形孔，在楔形孔中卡装模拟缺陷楔形体6，模拟缺陷楔形体6的外侧壁轮廓与楔形孔匹配，在模拟缺陷楔形体6的大端设置凹槽，凹槽边缘为圆弧面(如图4所示)，圆弧面与测试套管短接4贴合使模拟缺陷楔形体6与测试套管短接之间形成空腔7。在其中一个端盖3上设置管状连接件8，管状连接件8的一端伸入测试套管短接4的内部，另一端通过注液泵(图中未示出)与流体源连接。在另一个端盖3上设置第一压力传感器9，第一压力传感器9的测量端伸入测试套管短接4的内部。在模拟缺陷楔形体6的小端安装第二压力传感器10和温度传感器11，其中，第二压力传感器10和温度传感器11的测量端伸入空腔7。在模拟缺陷楔形体6的小端设置与空腔7相通的注液孔12。

本发明实验装置的使用过程如下：旋转模拟井筒2，使模拟缺陷楔形体6的小端朝上，向下压紧模拟缺陷楔形体6使其紧贴测试套管短接4的外壁，此时模拟缺陷楔形体6与模拟井筒2的楔形孔之间形成缝隙，通过缝隙将环形空腔5注满水泥浆。待水泥浆凝凝固后，旋转模拟井筒2约90°，使模拟缺陷楔形体6保持水平，用压力泵通过模拟缺陷楔形体6的注液孔12向空腔7注入完井液至一定压力。之后继续旋转模拟井筒2约90°，使模拟缺陷楔形体6的小端朝下，利用注液泵通过管状连接件8向测试套管短接4内注入高压流体至设计压力，在注入的过程中，记录并保存第一压力传感器9、第二压力传感器10和温度传感器11的数据。实验停止后，拆卸各个组件，取下并记录测试套管短接4的变形情况，结合压力、温度数据做进一步的套管变形分析。

上述实施例中，在每一个端盖3的外侧设置一个防护盖，防护盖由两个半圆形盖体13构成，两个半圆形盖体13均通过滑轮14滑动设置在一条导轨15上，两条导轨15呈平行分布且分别间隔布置在底座1的外侧。当两个半圆形盖体13扣合时，其可以罩住端盖3，在实验过程中起到安全屏障的作用，防止两个端盖3高压弹出，或者防止端盖孔眼密封失效，流体飞溅。在端盖3的侧边沿周向分布有多个螺栓孔，在半圆形盖体13的侧边上设置有定位螺栓孔。在实验过程中，当模拟井筒2旋转至所需的角度后，使定位螺栓孔与端盖3的合适的螺栓孔对齐，然后通过螺栓即可实现对模拟井筒2的角度锁定。

上述实施例中，模拟井筒2采用金属圆筒，用于模拟水平井眼。

上述实施例中，测试套管短接4的两端与端盖3均通过螺纹连接。

上述实施例中，如图3、图5～7所示，在第一压力传感器9所在的端盖3上安装爆破阀17和泄压丝堵18，其中，泄压丝堵18用于泄压，以便于高压流体能够顺利泵入到测试套管短接4中。

上述实施例中，管状连接件8可采用空心双头螺柱，其便于与端盖3和流体输送管线相连接。进一步地，在空心双头螺柱上设置压力控制阀19，其用于在泵入高压流体的过程中实施压力控制。

上述实施例中，在模拟缺陷楔形体6的小端安装有泄压阀，泄压阀可以安装在模拟缺陷楔形体6上的泄压孔24中，泄压阀用于泄压，以便于完井液能够顺利注入到空腔7中。

上述实施例中，如图6所示，在第一压力传感器11上设置压力表21，在管状连接件8上亦设置压力表21，便于直观对压力数值进行读取。

上述实施例中，如图3所示，在端盖3与模拟井筒2之间设置垫片22，在端盖3与测试套管短接4之间设置密封垫片23。

上述实施例中，模拟缺陷楔形体6具有一定的厚度，保证模拟缺陷楔形体6的大端与测试套管短接4接触后，保证模拟缺陷楔形体6的小端高出模拟井筒2外壁面约1cm。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。