复杂环境下水泥环全生命周期密封完整性研究进展与展望

受井下高温高压、酸性流体、固井后大规模分段压裂、油气开采等诸多因素影响,水泥环密封完整性极易遭受破坏,导致层间窜流、井口带压,甚至引发井喷。目前,以提高水泥环胶结质量为核心的水泥环密封控制技术,已无法满足复杂油气井长效开发需求,而随着深井、超深井与非常规油气井不断增多,未来面临的环境和工况更加复杂,对水泥环密封完整性的要求更高。为此,概述了复杂环境下水泥环全生命周期密封完整性研究进展,分析了目前水泥环密封完整性控制存在的主要问题,指出了未来应解决的基本理论和科学问题,并对未来相关技术进行了展望。研究认为,在持续研究高温高压环境下水泥水化及防窜理论、动载环境下水泥环密封失效规律、酸性环境下水泥石腐蚀机制的基础上,应突出全生命周期控制理念,解决“窜流、损伤、腐蚀”导致水泥环密封失效等关键科学问题,创新以水泥环密封完整性全生命周期监测技术和“防窜流、防损伤、防腐蚀”为核心的水泥环长效密封完整性控制技术,建立复杂环境下水泥环全生命周期密封理论与控制方法,支撑深层与非常规油气资源高效开发。

分段压裂过程中射孔段水泥环密封完整性的数值模拟

水平井射孔段井筒由于孔眼的存在,在分段压裂过程中应力集中现象极易加剧固井水泥环的破坏。此外,由于高压压裂液直接作用在水泥环孔眼壁面上,使其完整性在压裂过程中遭受的挑战更大。建立了热流固耦合数值模型旨在分析分段压裂过程中射孔段水泥环内部的温度与应力变化,研究了套管内压、压裂液排量、水泥弹性模量、孔径与孔密对于水泥环密封完整性的影响规律。计算结果表明,压裂过程中水泥环一界面、二界面以及孔眼处均会产生剪切破坏。考虑瞬态力热耦合作用时,水泥环孔眼处失封风险提高。压裂液排量、孔径与孔密对水泥环切向应力影响较小;套管内压与水泥环弹性模量的降低虽然可在一定程度降低剪切破坏系数,但难以避免射孔段水泥环压裂初期的剪切破坏。

CCUS地质封存下水泥环密封完整性失效机理及控制措施

CO_(2)封存过程中,水泥环作为套管-水泥环-地层组合体中最薄弱的环节,在压力变化尤其是交变压力的作用下,水泥环密封完整性失效的风险极大,其完整性失效容易导致CO_(2)从环空中泄露至地表,严重影响CO_(2)的封存。基于已建立的水泥环组合体弹塑性模型,利用MATLAB进行模拟分析,研究全井段水泥环密封完整性失效机理以及相应的控制措施。结果表明:水泥环密封完整性失效主要与水泥环进入塑性产生的塑性应变累积有关,并且无论是在浅层段还是深层段,只要水泥环进入塑性,在多次交变压力的作用下,就有产生“界面应力反转”的风险,导致水泥环密封完整性的失效。要想避免水泥环密封完整性的失效,应首先避免水泥环进入塑性状态,即提高水泥环屈服内压;浅层段,低弹性模量的水泥环可增加水泥环屈服内压;深层段,在水泥环泊松比“临界点”之上,降低水泥环弹性模量可有效提高水泥环屈服内压,在水泥环泊松比“临界点”之下,增加水泥环弹性模量可提高水泥环屈服内压。当由于套管压力过大,水泥环不得不进入塑性状态时,低弹性模量和高泊松比的水泥环可以降低卸载后的水泥环残余应力,延缓“界面应力反转”现象的发生。

荧光剂–示踪液体法检查滴眼剂包装密封完整性

目的建立一种荧光剂–示踪液体法检查利巴韦林滴眼液包装系统的密封完整性,为滴眼剂产品包装密封完整性验证提供通用廉价的方案。方法以罗丹明B为示踪剂,采用高效液相色谱–荧光检测器法进行检测,评价利巴韦林滴眼液货架期的密封性,以及模拟临床开启后的密封性。结果此方法可准确检测包装材料中发生的5μm孔径泄漏,检测限级别达到《化学药品注射剂包装系统密封性研究技术指南》(试行)中的3级,能有效评价利巴韦林滴眼液包装系统的密封完整性。结论该方法的通用性强、灵敏度高,可为滴眼剂产品包装系统密封完整性检查提供技术支持。

质量提取法对注射用头孢他啶包装系统的密封完整性研究

目的建立一套完整的质量提取方法,对注射用头孢他啶(规格为15 mL,1.0 g)的包装系统的密封完整性进行研究。方法通过对阴性对照样品、阴性样品以及阳性样品进行测试,进而优化试验参数,完成系统适用性、检出限以及质量提取法的方法学确认,并对在加速条件下存放的0月、3月、6月的6批样品进行测试。加速条件:温度为(40±2)℃,相对湿度为(75±5)%。结果该方法的检测限为2μm,检测灵敏便捷,本品的密封完整性符合要求。结论质量提取方法可用于顶空无菌包装系统的注射用头孢他啶的密封性研究。

水下井口生产热膨胀力分析与井口环空密封完整性评估

基于南海东部某海域的钻井资料,运用热力、结构力学理论,建立水下井口的热-结构力学轴对称有限元模型,运用ANSYS软件对海床以上井口的轴向热膨胀力进行计算。采用经典理论计算套管串由于热膨胀在井口产生的力,对环空密封总成的长期密封完整性进行评估。结果表明,在4285 m井深和正常温度压力条件下,由于流体热循环在套管挂处产生向上的力为2811 kN,而环空密封总成锁环工作能力为3247 kN,因此,环空密封总成锁环可抵抗热膨胀产生的向上的力。为确保油井生命周期的井口安全,提出在套管挂顶部下入锁紧补芯,以限制套管挂和密封总成在生产过程中由于热膨胀而向上移动。上述评估方法及措施为水下井口在生产过程中的密封完整性评估提供参考。

真空衰减法测试西林瓶药品包装的密封完整性

目的:测试西林瓶药品包装的密封完整性,保证药品的质量。方法:采用真空衰减法测试西林瓶药品包装的密封完整性。首先,选择合适的测试腔体,制备了阴性及阳性样品,设置并优化测试参数;然后,通过阳性样品验证了真空衰减仪的灵敏度;最后,测试了西林瓶药品包装的密封完整性,并与染色液穿透法的测试结果进行了比较。结果与结论:采用真空衰减法能够有效测试西林瓶药品包装的密封完整性,该方法灵敏度较高,操作简单,结果真实可靠。

储气库气井用油套管气密封完整性探讨

介绍了储气库建设的意义和形式及国内外地下储气库的发展现状。就储气库气井用管材,从使用年限、生产过程、载荷变化和腐蚀介质等方面提出了服役的特点和要求,进而针对管材的螺纹接头,结合宝钢特殊扣油管,从密封形式的选择、生产制造的精度保证、必要的复合应力状态下性能评估和使用过程的密封完整性四个方面探讨了储气库气井用特殊螺纹接头的密封完整性这一系统工程。

安瓿包装的液体制品密封完整性检查

目的:研究安瓿包装的液体制品密封性检查方法。方法:对液体安瓿制品和已有标准孔径的破裂制品在选择合适的检漏程序后进行负压、注色水、正压、清洗及排水工艺后,对检漏前、后的液体制品进行目检和质量检定,分析检漏程序前、后制品的质量指标,同时,观察有标准孔径的破裂制品状况。结果:有色水进入安瓿的为破裂制品,经过检漏程序后制品未发生改变,符合质量标准。最小标准孔径￠0.1mm的破裂制品有色水进入。结论:对于安瓿包装的液体制品采取负压、正压检漏法能解决安瓿包装液体的密封完整性检查,对产品质量无影响。进一步验证了现有技术能制作￠0.1mm破裂标准孔径的制品,利用该方法可以被有效的检查其密封性。

质量提取法测试直立式聚丙烯输液袋包装的葡萄糖注射液密封完整性

目的建立质量提取法对直立式聚丙烯输液袋包装的葡萄糖注射液(规格:250 mL:12.5 g)的密封完整性进行测试。方法进行方法参数设定及系统适用性、检出限与检测范围、耐用性、精密度等方法学验证,以及对直立式聚丙烯输液袋包装的葡萄糖注射液(规格:250 mL:12.5 g)加速0、3、6个月样品的密封完整性进行测定。结果质量提取法方法检出限为3μm;精密度(RSD)为2.07%~5.60%。结论本次研究采用的质量提取法可以用于直立式聚丙烯输液袋的密封完整性测试,该方法灵敏度较高,操作简单,结果真实可靠。

西林瓶真空包装的密封完整性检查

对高压电火花放电真空检测法、顶部空间气体分析法两种不同真空检测原理进行介绍,同时详细叙述了顶部空间气体分析方法仪器的操作过程及检测结果案例,为西林瓶真空包装的密封完整性检查提供了一套可靠的解决方案。

无菌药品容器密封完整性检测方法对比研究

目的为制药企业和研发机构选择容器密封完整性检测方法和仪器提供参考。方法根据第41版《美国药典》第1207章,分别选择3种"确定性泄漏检测方法("真空衰减法、高压放电法、顶空气体激光法)和2种"概率性泄漏检测方法("微生物浸入法、色水法)检测同一组无菌阴性样品,对比不同容器密封完整性检测方法的差异。结果2种概率性检测方法中,色水法检测灵敏度较低,稳定性较差,但操作简单,仪器成本低;微生物浸入法检测结果可信度较高,无须单独采购特殊仪器,普通微生物实验室即可完成,但结果的重复性较差;2种方法均为破坏性试验,对于小批量产品或高价值产品不太适用。3种确定性检测方法结果的重复性较好,检测灵敏度较高,检测过程对产品无损伤,既适合离线抽样检测,也适合整合到生产线进行100%在线检测,但检测仪器的成本及后期计量维护的要求均较高。结论5种不同检测方法各有特点,选择时要综合考虑产品的实际情况和不同国际市场的监管要求。

大压差条件下水泥环密封完整性分析及展望

为解决目前页岩气井、深井油气勘探开发中广泛存在的环空带压问题,结合理论研究成果及实验室模拟结果,分析得出了目前在"深层、低渗透、非常规"油气资源勘探开发过程中,大压差条件是造成水泥环密封完整性失效主要原因的认识。通过对四川盆地页岩气井、安岳气田和塔里木盆地库车山前等区块高温高压深井在钻井、压裂、生产过程中大压差工况进行梳理和定量计算,运用计算结果解释了上述两个地区气井在大压差条件下水泥环密封完整性失效的原因:加载阶段水泥环周向出现的拉应力、加载—卸载工况使水泥环产生塑性变形、在卸载过程中界面产生拉应力等,造成水泥环拉伸破坏及界面微环隙,从而破坏密封完整性。归纳总结了井筒全生命周期各环节出现密封完整性失效的风险,初步提出了大压差条件下保障水泥环密封完整性的应对措施:①提升水泥石抗变形能力;②提高第一界面及第二界面胶结力;③提高界面接触力。

气井生产期间井筒内温度变化对水泥环密封完整性影响的研究及应用

针对高石梯-磨溪区块天然气井生产期间易出现环空带压的问题,采用水泥环密封完整性模型分析生产期间井筒内温度变化对水泥环密封性能的影响,提出了固井水泥浆设计要求、工艺参数优化等提高该地区水泥环密封完整性的固井配套技术措施。该技术现场应用后,高石梯-磨溪区块完井试油期间未发生环空带压现象,且生产期间的环空带压风险也有所降低;因此该技术在预防天然气井环空带压方面具有很大的推广应用前景。

相国寺储气库固井井筒密封完整性技术

确保安全运行是相国寺储气库建设的首要原则,而井筒长期注采的密封性是保证储气库长寿命、安全运行的关键。文中从固井工艺技术、套管串密封完整性技术、水泥浆体系优化等方面入手,通过室内试验研究、软件模拟及现场试验,形成了地层动态承压试验、提高顶替效率、预应力固井、气密封性检测、管外封隔器以及韧性水泥浆等系列技术,能够保证注采井井筒的长期密封完整性,使固井质量满足相国寺储气库注采井固井的需求。相储8井准244.5 mm尾管固井施工综合运用了该套技术,CBL测井显示水泥胶结合格率达到93.1%,且固井后未发生环空带压现象。

基于特殊螺纹密封完整性的三轴设计系数研究

针对高温高压气井完井油管柱密封完整性问题,开展了基于88.90 mm×6.45 mm 110SS材料油管一种气密封特殊螺纹密封完整性分析的管柱三轴设计系数研究,研究中采用了API RP 5C52017国际标准螺纹性能试验评价方法,进行了高温和室温环境下A系全包络线载荷密封实验评价。基于气密封能判据,采用有限元模拟分析了不同VME(冯米塞斯等效应力)全包络线载荷2次循环工况的密封能和密封能倍数的变化规律并确定了危险载荷点。结果表明,通过API标准密封完整性实验评价的气密封特殊螺纹连接,需采用有限元进一步分析包络线载荷循环密封能及密封能倍数的变化规律,确定这种螺纹连接安全适用范围;同时开展了3种VME全包络线载荷2次循环后密封适用性分析,确定了高温和室温两种环境下螺纹安全适用包络线载荷范围及合理的三轴安全系数,并完成了1口高温高压气井完井油管柱安全分析和现场应用。提出的研究方法为管柱三轴设计安全系数的确定提供了有益指导。

复杂温压条件下循环载荷对水泥环密封完整性的影响实验研究

针对油气井试压,试油,压裂等多工况下的复杂温压条件,分析了循环载荷下的固井界面位移变化情况,基于水泥环密封完整性实验装置,运用气窜法测试了高温高压养护条件下水泥环在套管内压力循环载荷下的密封完整性,并运用CT扫描技术对循环载荷施加前后的试件进行了三维可视化分析。实验结果表明:在较高套管内压循环载荷条件下,经过一定数量轮次的加载/卸载循环后,水泥环在卸载过程中容易发生密封失效,且随着套管内压循环载荷的增大,水泥环密封失效所需的循环轮次越来越少;运用CT扫描手段证实了在套管内压力循环载荷条件下,水泥环一界面最易失效,且损伤最为严重,该研究结论可为复杂温压条件下的水泥环密封完整性评价及保护提供技术指导。

循环加载下水泥环密封完整性评价试验装置

为研究压力或温度变化条件下油气井筒环空水泥环的失效形式与机制,建立了循环加载下水泥环密封完整性评价试验装置。该装置能够实现模拟井眼条件下钻井液泥饼形成、水泥浆注入、水泥浆凝固以及多轮次循环加载下水泥环密封性失效等过程。采用该装置进行水泥浆凝固后在不同套管尺寸及加载条件下水泥环的失效形式、模拟射孔条件下水泥环失效特征、循环加卸载条件下水泥环抗窜能力评价等试验,结果表明套管内压变化时水泥环会出现拉伸、本体剪切破坏与微环隙等失效形式。采用失效特征、渗透率变化与水泥环抗窜能力等相结合的方法可进行环空水泥环密封完整性试验评价,为合理的水泥浆体系设计优选及井筒生产参数优化提供依据。

利用环空压力测试数据评价高温高压气井固井水泥环的密封完整性

目前,高温高压气井在生产期间环空异常带压现象频发,气井环空异常带压表明井内出现窜漏,其完整性受到削弱,将影响气井安全生产。气井环空异常带压的根本原因是井屏障部件受损。通过对异常环空压力进行现场诊断测试,根据测试数据评估各个环空的窜漏程度,为环空异常带压潜在风险控制措施的制定提供指导。首先,分析了气井环空带压的5种模式,并基于气液多相流和达西渗流理论,建立了水泥返至井口和未返至井口2种环空介质条件下气体渗流数学模型。结合实例井不同环空压力诊断测试数据,评估了固井水泥环的密封完整性。该方法可通过反向拟合现场实测压力数据,预测各环空压力的变化趋势,并评估固井水泥环的整体泄漏程度,可用于指导固井工程设计及现场作业。

套管与水泥环胶结界面水力密封完整性评价实验研究

受制于评价手段单一、水泥胶结缺陷及井况条件复杂等因素,传统固井质量评价技术无法有效评价套管与水泥环胶结界面水力密封完整性。将水力突破评价装置和水泥胶结评价测井技术相结合,开展了水力突破和水力流动路径评价室内实验研究,分析了水泥环胶结质量、有效封隔长度、套管尺寸等因素对水力密封完整性的影响,并对水力密封完整性评价研究进行了展望。研究结果表明,提高水泥胶结质量和增加水泥环有效封隔长度能够提高套管与水泥环胶结界面水力密封完整性,可为现场油井全周期完整性寿命设计提供借鉴。