本發(fā)明涉及石油套管技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種智能彈性套管保護(hù)套及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

石油套管是用于支撐油、氣井井壁的鋼管，是保證鉆井過程進(jìn)行和完井后整個油井的正常運(yùn)行的生命線。然而，水泥環(huán)缺陷、偏心或膠結(jié)不好均會影響套管的承載能力。對于強(qiáng)度較低，流變性較大的泥巖、鹽巖地層，泥巖吸水軟化后，地層的非均布載荷更易影響到套管安全。在國內(nèi)，中原油田、江漢油田、勝利油田、華北油田、四川油田和塔里木油田等都發(fā)生過巖鹽層套管擠毀事件，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

在鉆井工程中，套管與井眼之間一般都有特定的匹配關(guān)系，理想狀態(tài)下水泥環(huán)的厚度為常數(shù)，但實(shí)際上隨著井下溫度與壓力的變化，套管、水泥石環(huán)、井眼之間的匹配關(guān)系經(jīng)常發(fā)生變化，偏離設(shè)計工況。當(dāng)井內(nèi)壓力降低時，水泥石環(huán)與套管壁變形不協(xié)調(diào)，形成微環(huán)隙，造成氣竄通道。當(dāng)井下溫度降低，水泥石環(huán)與套管體積收縮量不一致，也會形成微環(huán)隙，造成氣竄通道。自從固井注水泥作業(yè)實(shí)施以來，氣竄就一直是困擾固井作業(yè)的一大難題。據(jù)估計，大約有25％的完井過程中存在氣竄。一旦發(fā)生氣竄，即使花費(fèi)大量的人力物力，也很難修復(fù)到原有的層間封固狀態(tài)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種智能彈性套管保護(hù)套及其設(shè)計方法，該保護(hù)套工作過程中能夠根據(jù)所處工作環(huán)境的溫度、壓力智能調(diào)節(jié)自身形狀和體積的變化，這種智能的自適應(yīng)調(diào)節(jié)一方面能夠有效提高套管抗內(nèi)擠與抗外壓的能力，另一方面，也能夠密封套管與水泥石環(huán)之間的微縫隙，減小氣竄風(fēng)險，提高套管與水泥石環(huán)之間的匹配關(guān)系，具有結(jié)構(gòu)簡單，方便實(shí)用的特點(diǎn)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的方案為：

一種智能彈性套管保護(hù)套，包括在套管外側(cè)環(huán)繞設(shè)置的雙層密閉包覆層1，所述的包覆層1之間設(shè)置有智能彈性層2，智能彈性層2內(nèi)部通過主體骨架進(jìn)行支撐分隔，主體骨架之間包覆有混合液2-2；

所述的混合液2-2為納米多孔材料與液體的混合液，所述液體為非浸潤性液體(如水或甘油)，所述的納米多孔材料為憎水性多孔材料。

所述的主體骨架為空心的立方體2-1a、空心蜂窩體2-1b或空心圓柱體2-1c圓柱體的小分格組成，且小分格之間相互聯(lián)接。

所述的小分格與小分格之間聯(lián)接而不連通。

所述的智能彈性層2為空心小體積骨架堆聚而成。

所述的智能彈性層2沿徑向平面切割后每層至少包覆有5個小體積骨架。

所述包覆層1為耐介質(zhì)耐高溫的丁晴橡膠，所述的主體骨架為丁晴橡膠。

所述的納米多孔材料硅鋁比大于300。

所述的包覆層1的內(nèi)徑與套管外徑相同。

一種智能彈性套管的設(shè)計方法，其特征在于：所述的納米多孔材料表面硅鋁比大于300，根據(jù)以下計算獲得納米多孔材料最可孔徑k，結(jié)合k與表面硅鋁比的范圍限制，選定納米多孔材料；所述的液體為水或甘油等非浸潤性液體；將所選納米多孔材料與液體按照納米多孔材料的有效孔體積與液體體積的比為1:2～1:4混合后得到混合液，

納米多孔材料最可孔徑k的確定方法為：

設(shè)納米多孔材料最可孔徑為k，

根據(jù)楊氏方程：

式中：pin為液體突破液固表面張力進(jìn)入納米多孔材料孔道的臨界滲透壓，為氣液界面的等效張力，k為多孔材料孔道的有效特征直徑；

式中：γ1a為氣液界面張力，α為液固相界面接觸角，液體及固體多孔材料選定后，γ1a和α可查；

d＝d-2h(3)

式中：d為多孔材料最可孔徑，h＝0.14nm，

將(2)(3)帶入(1)中可得：

根據(jù)套管工作深度及圍巖地質(zhì)環(huán)境，可估算智能彈性層的預(yù)期工作區(qū)間起始壓力值p，也即臨界滲透壓pin，

p＝kσr＝pin(5)；

式中：p為能彈性層預(yù)期工作區(qū)間的起始壓力值，k為套管抗外擠設(shè)計安全系數(shù)，其具體數(shù)值在設(shè)計中根據(jù)具體應(yīng)用工況選取，其中k＝1.5～5.0，σr為套管外載的徑向分量，可根據(jù)拉梅公式計算或通過有限元仿真模擬獲得，pin為液體突破液固表面張力進(jìn)入納米多孔材料孔道的臨界滲透壓，

綜上(4)(5)可得k；

式中：γ1a為氣液界面張力，α為液固相界面接觸角，液體及固體多孔材料選定后，γ1a和α可查；k為套管抗外擠設(shè)計安全系數(shù)，其具體數(shù)值在設(shè)計中根據(jù)具體應(yīng)用工況選取，k的取值為k＝1.5～5.0，σr為套管外載的徑向分量，可根據(jù)拉梅公式計算或通過有限元仿真模擬獲得；

根據(jù)納米多孔材料表面硅鋁比大于300，結(jié)合多孔材料最可孔徑k，可以選取出相應(yīng)的納米多孔材料；

將所選擇的納米多孔材料與所選液體按照比例混合后，得到混合液2-2；所述納米多孔材料與液體的混合比例的確定方法為：納米多孔材料有效孔體積與液體體積比在1:2～1:4之間選??；

將混合液2-2和主體骨架組成智能彈性層2，智能彈性層2兩側(cè)設(shè)置包覆層1，得到保護(hù)套。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明可起到密閉套管與水泥石環(huán)間縫隙的作用以及保護(hù)套管的作用。當(dāng)水泥石環(huán)與套管間因溫度壓力變化出現(xiàn)縫隙時，本裝置通過自調(diào)節(jié)形狀可以填補(bǔ)縫隙，減小漏油、氣竄等風(fēng)險；本發(fā)明在套管出現(xiàn)鼓脹或者水泥石環(huán)因地層壓力大擠壓套管時，能夠起到減壓作用，從而提高套管使用壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1a-a處結(jié)構(gòu)放大圖。

圖3為混合液2-2示意圖。

圖4為本發(fā)明彈性材料膠筒工作原理圖。

圖5為本發(fā)明壓力-體積變化示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1圖2圖3所示，一種智能彈性套管保護(hù)套，包括包覆層和智能彈性層。所述包覆層采用耐介質(zhì)耐高溫的丁晴橡膠制作而成，起到對智能彈性層的初級保護(hù)作用；所述智能彈性層由主體骨架封裝納米多孔材料與液體的混合液構(gòu)成。主體骨架采用丁晴橡膠制作；其由若干空心小體積堆聚而成，所述空心小體積可為正方體或蜂窩狀或圓柱狀；小體積之間聯(lián)接而不連通：每個小體積骨架相互聯(lián)結(jié)為一個整體作為主體骨架；每個小體積之內(nèi)的包覆空間相互獨(dú)立，以保證一個小體積失效破裂而不影響其他小體積功能。所述每個小體積內(nèi)都封裝有納米多孔材料與液體的混合液；所述納米多孔材料為憎水性多孔材料，其最可孔徑范圍控制在0.5～2nm；所述液體為非浸潤性液體(如水或甘油)；所封裝的納米多孔材料與液體混合比例的確定方法為：納米多孔材料的有效孔體積與液體體積的比在1:2～1:4之間。所述智能彈性套管保護(hù)套安置在套管與水泥石環(huán)之間，鉆井施工過程中，提前將該保護(hù)套包覆在套管外圍，將保護(hù)套與套管同時下入井眼中，然后再澆筑水泥石環(huán)。水泥石環(huán)澆筑以后，由于水泥的自重堆積擠壓作用，保護(hù)套與套管壁面及水泥石環(huán)之間將緊密貼合。

智能彈性層由兩部分組成：主體骨架與納米多孔材料與液體的混合液主體骨架由多個空心的正方體或蜂窩狀或圓柱狀小體積構(gòu)成，小體積之間相互聯(lián)接而不連通。主體骨架起支撐定型作用及包覆納米多孔材料與液體的混合液的作用，支撐定型作用保證套管保護(hù)套具有一定的施工強(qiáng)度，能夠隨套管完整下入井眼而不被破壞，包覆納米多孔材料與液體的混合液的作用是指每一個小體積內(nèi)獨(dú)立包裹納米多孔材料與液體的混合液，保證一個小體積破裂后不影響其他小體積功能。小體積內(nèi)封裝的納米多孔材料與液體的混合液2-2為智能彈性層的主要功能材料。

如圖4、圖5所示；納米多孔材料與液體的混合液2-2封裝在一個密閉空間內(nèi)，在一個完整的壓力升高然后降低的循環(huán)內(nèi)的加壓初期，所施加壓力比較低時，由于表面張力的作用，液體無法進(jìn)入到小孔內(nèi)部，此時整個智能彈性層對外所表現(xiàn)的壓力-體積特性基本呈線性，為主體骨架、納米多孔材料與液體的混合液中所采用的液體的彈性變形的總和。隨著所施加壓力的增大，液體會突破多孔材料孔口的表面張力作用，進(jìn)入到多孔材料內(nèi)部，此時的壓力容積特性為圖5中曲線的進(jìn)孔平臺期，這一進(jìn)孔平臺期即是智能彈性層的第一工作區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)，隨著壓力的繼續(xù)增大，液體會源源不斷的進(jìn)入到多孔材料的孔道當(dāng)中去，對外表現(xiàn)的壓力變化十分微小，即：在進(jìn)孔平臺期(智能彈性層的第一工作區(qū)間)，外界壓力增大后，液體流入多孔材料孔道，智能彈性層對內(nèi)側(cè)套管、外圍水泥石環(huán)的壓力均維持不變。若外界壓力繼續(xù)增大，液體填滿多孔材料孔道之后，整個智能彈性層對外表現(xiàn)的壓力體積特性曲線恢復(fù)斜率較大的線性增長趨勢，為主體骨架、納米多孔材料與液體的混合液中所采用的液體的彈性變形的總和，此范圍已超出該發(fā)明所設(shè)計的工作范圍，在此列出只為表述一個完整的納米多孔材料與液體混合液封裝后受壓的壓力體積特性變化過程。減小外界壓力到達(dá)一定值后，由于所述納米多孔材料為憎水性材料，液體會自發(fā)流出多孔材料孔道，體現(xiàn)為圖2中壓力-體積特性曲線的出孔平臺期，這是該智能彈性層的第二工作區(qū)間。如上所述，在該區(qū)間(出孔平臺期)內(nèi)，隨著外界壓力的減小，液體會自發(fā)流出多孔材料孔道，對外表現(xiàn)的壓力變化也十分微小，即：在出孔平臺期(智能彈性層的第二工作區(qū)間)，外界壓力減小后，液體流出多孔材料孔道，智能彈性層對內(nèi)側(cè)套管、外圍水泥石環(huán)的壓力均維持不變。綜上所述，在所述進(jìn)孔平臺期與出孔平臺期，即智能彈性層的第一工作區(qū)間與第二工作區(qū)間內(nèi)，當(dāng)外界壓力變化時，液體會自發(fā)的流入或流出多孔材料孔道，而對外體現(xiàn)的壓力變化十分微小。因此該智能彈性套管保護(hù)套可以平衡套管與水泥石環(huán)之間的壓力。當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時，會引發(fā)材料體積發(fā)生熱脹冷縮的變化從而引發(fā)壓力的變化，在所述工作區(qū)間內(nèi)，這些壓力變化會引發(fā)流體流入或流出多孔材料孔道，從而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對外體現(xiàn)壓力不變或變化微小，提高套管抗外擠與抗內(nèi)壓能力。智能彈性層體積的自適應(yīng)調(diào)節(jié)則可對溫度與壓力的波動做出實(shí)時響應(yīng)，始終密封套管與水泥石環(huán)間的間隙，杜絕此處漏油或氣竄。該保護(hù)套的獨(dú)立分裝骨架結(jié)構(gòu)增加了該裝置的安全使用壽命，當(dāng)某一獨(dú)立小體積破損或失效后，智能彈性層的其余部位會迅速做出反應(yīng)，各個封裝小體積內(nèi)的液體感應(yīng)到壓力變化，自發(fā)流入或流出多孔材料孔道，智能彈性層形狀自適應(yīng)調(diào)節(jié)，壓力均勻分散至各個部位，提高套管在高溫高壓下的使用壽命。另外，針對不同深度與不同地質(zhì)環(huán)境段的套管保護(hù)套，內(nèi)部填充多孔材料與液體的混合液配方可以根據(jù)具體情況分別選取，個性設(shè)計。可將不同孔徑的納米多孔材料與液體的混合液封裝于不同單元體中，也可將不同孔徑的納米多孔材料與液體混合后封裝于同一單元體內(nèi)，設(shè)計兩個或多個不同壓力下的工作區(qū)間，用以平衡同一位置出現(xiàn)的不同等級的壓力值。

所述主體骨架之間包覆有混合液2-2，所述混合液的配方可針對不同深度與不同地質(zhì)環(huán)境段的套管保護(hù)套的具體工作環(huán)境分別選取，個性設(shè)計。

所述混合液2-2中的納米多孔材料即可以為孔徑相同的同種材料，也可以為孔徑不同的納米多孔材料。若將不同孔徑的納米多孔材料與液體混合后封裝于同一單元體內(nèi)，設(shè)計兩個或多個不同壓力下的工作區(qū)間，則可以平衡同一位置出現(xiàn)的不同等級的壓力值。

所述套管保護(hù)套的內(nèi)徑與所要保護(hù)的套管外徑一致，兩者為過盈配合關(guān)系。所述套管保護(hù)套長度與兩接箍間套管段長度一致。主體骨架結(jié)構(gòu)在空心的立方體、空心蜂窩體或空心圓柱體的小體積中選擇，小體積尺寸不宜過大，沿徑向平面切割后每層至少包覆有5個小體積單元。

所述混合液2-2中的液體為水或甘油等非浸潤性液體。所述納米多孔材料為憎水性納米多孔材料，其表面硅鋁比大于300，其最可孔徑按照公式計算。所述混合液中納米多孔材料與液體混合比例的確定方法為：納米多孔材料的有效孔體積與液體體積的比為1:2～1:4之間。

本發(fā)明的工作原理：

在油田作業(yè)過程中，套管內(nèi)外溫度與壓力會發(fā)生變化，引起套管臌脹或擠毀，也會導(dǎo)致套管與水泥石環(huán)之間形成微間隙，造成氣竄或漏油。本發(fā)明套在套管外壁上，當(dāng)環(huán)境壓力變化時就會智能調(diào)節(jié)自身體積和形狀，起到平衡套管外壁壓力和密封套管與水泥石環(huán)之間微縫隙的作用。包覆層采用耐介質(zhì)耐高溫的丁晴橡膠制作而成，起到對智能彈性層的初級保護(hù)作用。智能彈性層在壓力變化過程中起主要的壓力分散作用；當(dāng)壓力與溫度發(fā)生變化時，智能彈性層自動調(diào)節(jié)形狀，重新分配壓力，體現(xiàn)出極優(yōu)的耐溫變與抗壓變性能。