[0001] 本发明涉及一种固井缺陷诱发压裂套管局部形 变的模拟实验系统及方法， 属于 油气幵发技术领域。

背景技术

[0002] 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幵发。

[0003] 在我国常规油气幵发中， 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幵发方式不合理。 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年代过量幵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套管的服役吋间并不长， 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 区域还未进行油气幵发， 不存在地层压实沉降问题。 [0004] 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。

[0005] 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 （Wei Yan, 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方法， 具体涉及 一种固井缺陷诱发压裂套管局部形变的模拟实 验系统及方法， 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。

问题的解决方案

技术解决方案

[0006] 针对上述问题， 本发明的目的是提供一种固井缺陷诱发压裂套 管局部形变的模 拟实验系统及方法。

[0007] 为实现上述目的， 本发明采用以下技术方案： 一种固井缺陷诱发压裂套管局部 形变的模拟实验系统， 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。

[0008] 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 扣合吋， 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 。

[0009] 进一步地， 所述模拟井筒采用金属圆筒。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 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。

[0013] 进一步地， 在所述模拟缺陷楔形体的小端安装有泄压阀。

[0014] 进一步地， 在所述第一压力传感器上设置压力表， 在所述管状连接件上亦设置 压力表。

[0015] 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。

[0016] 一种固井缺陷诱发压裂套管局部形变的模拟实 验方法， 包括以下步骤： 1) 从 模拟井筒上拆卸下端盖和测试套管短接， 在模拟缺陷楔形体的外表面和模拟井 筒的内表面喷涂脱模剂； 2) 将测试套管短接通过端盖与模拟井筒组装在一 起； 3) 旋转模拟井筒， 使模拟缺陷楔形体的小端朝上， 向下压紧模拟缺陷楔形体使 其紧贴测试套管短接的外壁， 此吋模拟缺陷楔形体与模拟井筒的楔形孔之间 形 成缝隙， 通过缝隙将环形空腔注满水泥浆； 4) 将注液孔通过第二注液泵与完井 液储存装置连接， 将第一压力传感器、 第二压力传感器和温度传感器与电脑控 制终端电连接； 5) 启动第二注液泵， 向模拟缺陷楔形体的空腔 7内注入恒定压 力的封闭液体， 然后旋转模拟井筒使模拟缺陷楔形体的小端朝 下； 6) 启动注液 泵向测试套管短接内注入压裂液至设计压力， 并维持 5-10分钟， 实吋测量测试套 管短接的内压力、 空腔的内压力和温度数据， 并形成压力、 温度曲线， 待空腔 的内压力和温度稳定后停止实验。

[0017]

发明的有益效果

有益效果

[0018] 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、 端盖、 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。

对附图的简要说明

附图说明

[0019] 以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。 然而应当理解， 附图的提供仅为了 更好地理解本发明， 它们不应该理解成对本发明的限制。

[0020] 图 1是本发明的立体结构示意图；

[0021] 图 2是本发明的仰视结构示意图；

[0022] 图 3是图 2中 A-A向的剖视示意图；

[0023] 图 4是本发明模拟缺陷楔形体的结构示意图；

[0024] 图 5是本发明安装有第一压力传感器的端盖的立� �结构示意图；

[0025] 图 6是本发明安装有第一压力传感器的端盖的主� �结构示意图；

[0026] 图 7是本发明安装有第一压力传感器的端盖的侧� �结构示意图。

本发明的实施方式 [0027] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描 述。

[0028] 如 1〜3所示， 本发明提出了一种固井缺陷诱发压裂套管局部 形变的模拟实验系 统， 它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的小端连 接与空腔 7相通的注液孔 12。

[0029] 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扣合吋 ， 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。

[0030] 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。

[0031] 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。

[0032] 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。 [0033] 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。

[0034] 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。

[0035] 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。

[0036] 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。

[0037] 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 lcm。

[0038] 本发明还提出了一种固井缺陷诱发压裂套管局 部形变的模拟实验方法， 其包括 以下步骤：

[0039] 1) 从模拟井筒 2上拆卸下端盖 3和测试套管短接 4， 在模拟缺陷楔形体 6的外表 面和模拟井筒 2的内表面喷涂脱模剂；

[0040] 2) 将测试套管短接 4通过端盖 3与模拟井筒 2组装在一起；

[0041] 3) 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， 此吋模拟缺陷楔形体 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注满水泥浆；

[0042] 4) 将注液孔 12通过第二注液泵 （图中未示出） 与完井液储存装置连接， 将第 一压力传感器 9、 第二压力传感器 10和温度传感器 11与电脑控制终端电连接； [0043] 5) 启动第二注液泵， 向模拟缺陷楔形体 6的空腔 7内注入恒定压力的封闭液体

， 然后旋转模拟井筒 2使模拟缺陷楔形体 6的小端朝下；

[0044] 6) 启动注液泵向测试套管短接 4内注入压裂液至设计压力， 并维持 5-10分钟， 实吋测量测试套管短接的内压力、 空腔的内压力和温度数据， 并形成压力、 温 度曲线， 待空腔的内压力和温度稳定后停止实验。 [0045] 上述步骤实现了对固井缺陷诱发套管变形模拟 的过程， 在进行上述模拟的基础 上， 可以进一步取出并记录测试套管短接的变形情 况， 结合压力、 温度数据做 进一步的套管变形分析。

[0046] 上述各实施例仅用于对本发明的目的、 技术方案和有益效果进行了进一步详细 说明， 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。