一种CO2注入井环空封固系统动态密封性评价方法

：本发明涉及的是一种石油行业用co2注入井环空封固系统的动态密封能力评价技术，具体涉及的是一种co2注入井环空封固系统动态密封性评价方法。

背景技术

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背景技术：

1、碳捕获、利用与封存(carbon capture utilization and storage,ccus)是目前开展最广、效益最高的碳减排技术之一。实现碳减排的主要是通过超临界二氧化碳(sc-co2)压裂改造非常规储层、co2驱提高原油采收率(eor)以及向海上或陆地枯竭油气藏进行co2地质封存。井筒环空封固系统包括套管、水泥环以及二者的胶结界面，环空封固系统的密封性是决定能否顺利实现co2驱油与埋存技术的关键。但co2注入井存在以下问题：一方面，含co2流体的反复注入形成的井筒内压周期性变化会令水泥环产生塑性损伤积累，造成水泥环本体发生不可恢复的变形，固井界面出现微环隙；另一方面，co2溶于地层水形成低ph值碳酸盐水并扩散运移，腐蚀套管和水泥环，造成套管壁厚减薄、水泥石力学性能下降和渗透率增加，降低井筒承压能力，同时由于实际生产工艺造成的环空封固系统的损伤，严重影响了环空封固系统的密封性。

2、目前，对井筒环空密封性评价的装置主要为以下几个方面，林元华等人设计了一种全尺寸模拟井下真实工况的固井水泥环腐蚀装置及方法，其主要通过对套管加压模拟井筒内压、对两层套管间的环形空间注入腐蚀流体进行水泥环腐蚀评价；郭辛阳等人设计了一种全尺寸高温高压水泥环水力封隔性评价装置，其主要通过对套管内加压和测井、环空外加围压，通过对固井一、二界面处的开孔进行注气模拟气窜并通过封隔压差的大小来评价水泥环水力封隔能力的大小；林元华等人设计了一种评价井下工况下全尺寸水泥环完整性的装置和方法，其主要通过分别向套管内、环空内加压并通过液体密封性实验以检验水泥环密封性；杨焕强设计了一种co2注入井水泥环完整性评价装置及方法，其主要通过对套管内、围压进行加压，向环空注入超临界co2观察水泥环上端面是否有气泡冒出进行水泥环完整性评价。针对井筒环空密封能力的评价装置和方法主要通过对水泥环的完整性、固井界面的完整性进行环空密封性评价，对于co2注入井还存在以下问题：

3、1、现有装置主要为只考虑井筒内压力改变或只考虑井筒围压改变进行环空密封性能评价，实际工况下由于co2多轮次注入、注入后近井地层压力升高或地层蠕变造成环空封固系统受到变井筒内压力和变围压共同作用。

4、2、现有装置实现动态腐蚀的方式均为在水泥环一端形成空腔并注入腐蚀流体进行腐蚀，但并未模拟井筒注入的形式以及形成腐蚀流体与环空水泥石形成动态接触，并会产生空腔憋压易造成套管—水泥环组合体产生应力损伤，形成对腐蚀前后水泥环强度变化的测量误差。

5、3、现有装置腐蚀介质的组份在与套管、水泥石反应后，由于流体滞留在注入端空腔中导致腐蚀组份浓度降低，腐蚀效果降低，实际注入过程中腐蚀介质与套管、水泥石为流动状态接触，腐蚀组份不发生改变。

6、4、现有方法需要进行腐蚀前标准圆柱形水泥石渗透率测定，腐蚀后环形水泥石取芯后进行渗透率测定评价水泥石密封性能，且进行取芯操作等改变了水泥石的温压环境、增加了水泥石再次产生应力损伤、实验操作流程复杂。

7、co2注入井上述评价装置及方法存在的问题会由于腐蚀介质浓度的降低令腐蚀作用减缓，同时使得套管、水泥环腐蚀后力学、密封性能与实际生产时产生滞后性，严重影响对实际生产的指导效果。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明的目的是提供一种co2注入井环空封固系统动态密封性评价方法，这种co2注入井环空封固系统动态密封性评价方法用于解决现有技术中co2注入井评价装置及方法与实际生产工况有误差，影响对实际生产的指导效果的问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：这种co2注入井环空封固系统动态密封性评价方法：

3、步骤一：制备全尺寸环形变载荷环空封固系统密封性评价装置并在模拟地层温度和压力的条件下养护，全尺寸环形变载荷环空封固系统密封性评价装置包括釜体、上封盖、下封盖，釜体的正中心为聚四氟乙烯橡胶腔室，聚四氟乙烯橡胶腔室外壁环绕内筒，外筒同轴设置于内筒外，釜体与外筒之间的环形空间设置聚四氟乙烯橡胶围压腔室，内筒与外筒之间的环形空间为浇注水泥石颗粒形成的水泥环，上封盖和下封盖将釜体上下两端口封闭，下封盖与水泥环相对应的部位为环形接触凹槽，出口管设置于下封盖中并与环形接触凹槽相通；

4、步骤二：关闭水泥环上面的流体出口，打开出口管，从中心注入管注n2排空，中心注入管贯穿聚四氟乙烯橡胶腔室后连接出口管；

5、步骤三：将孔渗联测仪连接中心注入管，进行孔隙度、渗透率测定；

6、步骤四：将co2动态腐蚀注入仪也连接中心注入管，后进行腐蚀试验；

7、步骤五：待达到设定的腐蚀时间结束后，关闭co2动态腐蚀注入仪，使用n2进行排空处理后，再次进行孔隙度、渗透率测试；

8、步骤六：假定水泥石颗粒为球形颗粒与方体颗粒，得出平均迂曲度τa的表达式为：

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10、式中：φ为孔隙度。

11、依据腐蚀损伤下的孔隙度变化趋势，建立不同腐蚀时间下孔隙度变化幅度表达式：

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13、式中：δφ(t)为腐蚀t时间后孔隙度变化幅度；为腐蚀后孔隙度；φ0为初始孔隙度；

14、结合式(1)和式(2)，获得腐蚀损伤下水泥石动态迂曲度的表达式：

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16、通过腐蚀损伤下水泥石动态迂曲度的表达式获得水泥石受co2腐蚀后迂曲度随时间变化规律，迂曲度增加速率越大表明水泥石阻碍co2腐蚀效果越强，渗透率增加速率越小水泥石腐蚀密封性能越强。

17、上述方案中co2注入井环空封固系统动态密封性评价方法：

18、步骤一：制备全尺寸环形变载荷环空封固系统密封性评价装置并在模拟地层温度和压力的条件下养护；

19、步骤二：关闭水泥环上面的流体出口，打开出口管，从中心注入管注n2排空，中心注入管贯穿聚四氟乙烯橡胶腔室后连接出口管；

20、步骤三：打开水泥环上面的流体出口，关闭出口管，将全尺寸环形变载荷环空封固系统密封性评价装置置于高温高压反应釜中，加热至模拟的地层温度，再加压至试验预设的围压及内压，将孔渗联测仪连接中心注入管，进行孔隙度、渗透率测定；

21、步骤四：孔隙度、渗透率测定完成后，关闭水泥环上面的流体出口，打开出口管，加热至模拟的地层温度，再加压至试验预设的围压及内压，将co2动态腐蚀注入仪也连接中心注入管；

22、步骤五：将co2气瓶和模拟地层水溶液接入co2动态腐蚀注入仪，调整混合流体的注入压力或速度将混合流体通过中心注入管注入，出口管连接高温高压釜体外设置回压阀，回压阀压力设定为小于注入压力2mpa，设置固定腐蚀时间后进行腐蚀试验；

23、步骤六：待达到设定的腐蚀时间结束后，关闭co2动态腐蚀注入仪，使用n2从中心注入管至出口管对流体通道进行排空处理后，关闭出口管，通过中心注入管与接入n2气瓶的孔渗联测仪连接进行孔隙度、渗透率测试；

24、步骤七：利用腐蚀损伤下水泥石动态迂曲度的表达式对水泥石受co2腐蚀后迂曲度随时间变化规律分析评价；

25、步骤八：将步骤六腐蚀试验后的水泥石进行取芯或线切割取正方体试样，用于后续进行抗压强度试验、水泥石、套管和固井一界面sem扫描电镜、xrd分析和腐蚀深度测试。

26、上述方案中内筒与上封盖和下封盖之间均设置密封圈；外筒与上封盖和下封盖之间均设置密封圈。

27、上述方案中浇筑水泥石颗粒前，将环形密封圈放置到下封盖的环形接触凹槽中，环形密封圈与环形接触凹槽相适配，然后进行浇筑，浇筑好后，利用螺栓将上封盖与釜体紧固到一起，打开水泥环上面的流体出口保证养护时环空水蒸气充足，并将全尺寸环形变载荷环空封固系统密封性评价装置放置于装有1/2去离子水的高温高压反应釜中进行养护7d，养护条件模拟地层温度和压力；养护结束后，将下封盖打开取出环形密封圈，得到环形接触凹槽，重新安装下封盖。环形密封圈起到避免水泥浇筑与养护时堵塞下封盖凹槽的作用。

28、本发明具有以下有益效果：

29、(1)本发明评价装置实现了含co2流体注入过程与实际co2注入井中含co2流体的运移路径一致，环空封固系统受力贴近真实工况。

30、(2)本发明评价装置实现了腐蚀介质的浓度恒定，腐蚀介质同套管—水泥环组合体动态接触形式避免了环空憋压造成的环空封固系统损伤的影响，腐蚀环境贴近真实工况。

31、(3)本发明评价装置及方法通过采用孔渗联测仪，避免了水泥石腐蚀前后取心、烘干等步骤造成的试验误差，所测定水泥环孔隙度、渗透率贴合真实工况下水泥石孔渗特性，建立了水泥石腐蚀动态迂曲度模型得出迂曲度变化规律，以微观结合宏观对水泥石腐蚀密封性进行表征。

32、(4)本发明评价装置及方法通过高温高压釜的使用避免了由金属加热套只加热装置主体造成的含co2流体存在明显温差的变化，排除了试验过程中的温度变化的影响；

33、(5)本发明评价方法操作流程简洁，贴合co2注入井多轮次水气交替注入、co2驱替等工况，方法新颖且实用性强，数据可观性强。

34、(6)本发明提供了一套模拟高温高压环境下全尺寸环形水泥石和套管—水泥石界面受变载荷及co2动态腐蚀作用的环空封固系统动态密封性评价装置及方法，降低与实际生产工况下误差，为生产提供更准确的指导。

35、(7)本发明涉及其他装置有一套高温高压反应釜、一套co2动态腐蚀注入仪和一套孔渗联测仪，本发明解决co2注入井环空封固系统在地层高温高压条件、变载荷作用和co2动态腐蚀情况下，全尺寸环形水泥石及套管—水泥石固井界面密封能力评价方法，符合co2注入井井筒实际工作情况、避免了以水泥石局部渗透率变化判断整体变化的局限性、能够同时实现水泥石受变载荷作用和co2动态腐蚀，试验方法新颖、操作流程简单、实用性及数据动态可观性强的特点，能够为co2注入井安全运行及碳埋存效益提供重要参考依据。