技术领域：
本发明属于油气井钻完井技术领域，涉及一种特殊形状套管及其在预防气井环空带压中的应用。
背景技术：
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气井环空带压是指在气井固井作业完成后和后续生产作业过程中，地层气体窜入油管-生产套管之间的环空、或生产套管-技术套管之间的环空、或技术套管-表层套管之间的环空，然后窜流至上部地层和地面，并使这些环空存在一定压力的现象。在国内外气藏开发过程中，气井环空带压问题普遍存在，例如统计墨西哥湾ocs地区约有至少43％的井存在环空带压问题，加拿大rocky地区的深层气井都不同程度的存在环空带压问题，我国塔里木和四川的许多高压气井也都存在环空带压问题；而且，根据国内外天然气井生产的规律，随着天然气开采时间的增长，气井环空带压问题会越来越多、越来越突出。
出现气井环空带压问题意味着气体发生了窜流，气体窜流不但影响气井产量和降低采收率，还会对后续作业造成不利的影响，如果气体中含有硫化氢等有毒气体时，还可能带来严重的安全和环境问题。环空带压问题不突出时，通常会定期监测环空压力和释放压力，这会增加压力监测和井口放压的成本。环空带压问题比较严重时需要关井，有时甚至会导致整口井或井组的报废。从环境保护和安全的角度考虑，作业商需要经常通过关井和修井来补救环空带压问题，所造成的关井停产损失和作业费用巨大。所以，环空带压问题应以预防为主，研究有效的预防方法具有重要的意义。
目前，国内外学者对气井环空带压问题进行了大量研究，分析了导致环空带压的原因，包括：油套管泄露、固井顶替效率低、水泥浆体系不合理和固井后井下温度与压力的变化等。针对这些原因，提出了一些预防环空带压的方法，包括：通过一系列措施提高固井时的顶替效率，确保固井前、固井过程中和候凝过程中的“三压稳”，设计满足封固要求的水泥浆体系，使水泥浆性能能够承受井下温度、压力和应力的变化等。这些预防方法在现场应用后取得了一些效果，但很多井使用这些预防方法后依然出现环空带压问题，所以还需要对气井环空带压预防方法开展进一步的研究。
气井环空带压问题的本质是气体窜流，而气体窜流与套管-水泥环胶结界面的水力封隔能力密切相关。fengyongcun等研究表明，普通套管与水泥环胶结界面的水力封隔能力在胶结界面长度较短时随着胶结界面长度增长而逐渐增大，当胶结界面长度超过一定大小后水力封隔能力不再增大。因此，超过一定长度后增加套管-水泥环胶结界面长度对水力封隔能力的贡献有限，只有通过提高单位长度胶结界面的水力封隔能力来提高提高套管-水泥环胶结界面的水力封隔能力。
技术实现要素：
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本发明要解决的技术问题是超过一定长度后增加套管-水泥环胶结界面长度对水力封隔能力的贡献有限，只有通过提高单位长度胶结界面的水力封隔能力来提高提高套管-水泥环胶结界面的水力封隔能力。
为解决上述问题，本发明提出一种特殊形状套管及其在预防气井环空带压中的应用，通过特殊形状套管来提高单位长度套管-水泥环胶结界面的水力封隔能力，进而提高胶结界面的整体水力封隔能力，以预防和减少气体窜流，预防气井环空带压。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现，一种特殊形状套管，包括轴线为直线的套管本体，其内表面或/和外表面设有若干凸起，所述凸起与轴线垂直，沿管周向呈圆环形分布，不同环形之间无交叉；凸起之间紧密或间隔设置，沿轴线周期性分布；所述凸起的高度不超过环空高度的1/2～3/4。
进一步的，所述凸起的纵剖面为锯齿形、半圆形、梯形中的一种或一种以上的结合。
进一步的，所述凸起的纵剖面为流线型，便于提高顶替效率。
一种上述特殊形状套管及其在预防气井环空带压中的应用。实际应用时，特殊形状套管可以安放于井眼中任意的深度位置。
进一步的，凸起设于内表面的内凸凹不平套管用作表层套管和/或技术套管，内部凸凹不平形状与水泥环胶结。提高套管与内侧水泥环胶结界面的水力封隔能力，从而预防环空带压。
进一步的，凸起设于外表面的外凸凹不平套管用作生产套管和/或技术套管，外侧凸凹不平形状与水泥环胶结。提高套管与外侧水泥环胶结界面的水力封隔能力，从而预防环空带压。
进一步的，凸起设于内表面和外表面的内外凸凹不平套管用作技术套管，内外侧凸凹不平形状都与水泥环胶结。可以同时提高套管与内外侧水泥环胶结界面的水力封隔能力，从而预防环空带压。
进一步的，特殊形状套管长度为1～10m，以一根或多根一组间隔安放，每组套管的总长度不超过10m。
进一步的，特殊形状套管的安放组数可通过下式计算：
式中，pf为气层压力，mpa；pc为实验测量得到的每组套管的水力封隔能力，mpa；n为安放的套管组数。
一种上述特殊形状套管水力封隔能力的测试装置，包括特殊形状套管，具有设有凸起的特形面；套管中心充满导热流体(油、水或其他导热的流体)，加热丝没入导热流体；加热丝与温控装置相连，控制加热温度；特殊形状套管外侧直接或间接与高压釜体相连，高压釜体通过螺栓连接上盖和下盖，形成密闭空间；上盖和下盖与水泥环/浆之间设有耐高温密封垫来进行密封；下盖上装有内高压管线和外高压管线，其中内高压管线与导热流体相连，用于给套管内流体施加压力，外高压管线与套管下部-水泥界面的下环形空间相连，用于注入流体测量界面水力封隔能力；内高压管线依次通过内压力表、内减压阀与总阀门相连，外高压管线依次通过外压力表、外减压阀与总阀门相连，减压阀将高压中间容器的压力降为所需要的压力，压力表测量减压阀减压后的压力；总阀门通过高压中间容器与泵相连；上高压管线与特形面的数量一致，各上高压管线其一端分别与上部套管-水泥界面的上环形空间相连，用于输出突破胶结界面的流体，一端通过减压装置与阀门相连，减压装置用于降低突破流体的压力，阀门用于释放突破的流体。
进一步的，内表面为非特形面的的特殊形状套管中心直接充满导热流体；外表面的特形面通过水泥环/浆与高压釜体相连。
进一步的，内表面为特形面的特殊形状套管中心设有中间钢管，中间钢管内充满导热流体；中间钢管与特殊形状套管的内表面之间填充有水泥环/浆。
进一步的，外表面为非特形面的特殊形状套管，其外表面通过耐高温密封垫与高压釜体相连。
进一步的，内外表面均为特殊形状套管的测试装置，其底部设有两条外高压管线，一条与套管内表面下部-水泥界面的下环形空间相连，一条与套管外表面下部-水泥界面的下环形空间相连，两条外高压管线之间设有外高压管线分控阀。
进一步的，所述套管为全尺寸特殊形状套管，钢材级别与现场套管所用钢材级别相同，长度为1～10m。
进一步的，所述高压釜体用金属材料制成，耐压能力不低于80mpa。
进一步的，所述水泥环/浆，选用现场固井所用的水泥浆体系凝固而成的。
进一步的，所述加热丝加热温度范围为室温～250℃。
进一步的，所述泵最高加压压力不低于80mpa。
所采用的测试特殊形状套管水力封隔能力的方法为：
(1)确定特殊形状套管参数、水泥浆配方、井下环境条件等基本参数，包括：特殊形状套管的钢级、套管凸凹不平结构参数、水泥浆配方、井下温度和压力等；
(2)组装下盖(及高压管线)、特殊形状套管和高压釜体等，按照配方配制水泥浆，并将水泥浆浇入环形空间，然后组装上盖，接上上盖的高压管线；
(3)根据(1)中的参数，将流体温度加热至井下温度，然后将流体压力增压至井下压力，直至水泥浆凝固，候凝24～72h；
(4)水泥浆凝固后，在下部特殊形状套管-水泥环界面逐渐增大施加流体压力，当上部特殊形状套管-水泥环界面有流体窜出时，记下此时下部界面处施加的压力，即为特殊形状套管的水力封隔能力。
本发明相比于现有技术，其有益效果在于：
(1)提出了一种特殊形状套管，在原套管厚度的基础上，在内壁和/或外壁设有若干呈圆环形分布的凸起，并提出了该特殊形状套管在预防环空带压中的应用。
(2)通过特殊形状套管来提高单位长度套管-水泥环胶结界面的水力封隔能力，进而提高胶结界面的整体水力封隔能力，以预防和减少气体窜流，预防气井环空带压。
(3)提供了一种检测套管水力封隔能力的测试装置，能够对套管的水力封隔能力进行量化评价。
附图说明
图1是凸起1的截面图；
图2是凸起2的截面图；
图3是凸起3的截面图；
图4是凸起4的截面图；
图5是凸起5的截面图；
图6是凸起6的截面图；
图7是凸起7的截面图；
图8是凸起8的截面图；
其中，上述图1-图8中(a)为凸起在内表面；(b)为凸起在内表面和外表面；(c)为凸起在外表面。
图9是外凸凹不平套管水力封隔能力测试装置；
图10是内外凸凹不平套管水力封隔能力测试装置；
图11是内凸凹不平套管水力封隔能力测试装置；
图12是套管的测试数据图。
图中，上盖1、螺栓2、耐高温密封垫3、导热流体4、特殊形状套管5、套管本体51、凸起52、特形面6、水泥环/浆7、高压釜体8、加热丝9、下盖10、温控装置11、内压力表12、内减压阀13、内高压管线14、外减压阀15、总阀门16、高压中间容器17、泵18、减压装置19、阀门20、外高压管线21、外压力表22、下环形空间23、上环形空间24、上高压管线25、中间钢管26、外高压管线分控阀27。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种特殊形状套管，包括轴线为直线的套管本体51，其内表面或/和外表面设有若干凸起52，所述凸起与轴线垂直，沿管周向呈圆环形分布，不同环形之间无交叉；凸起之间紧密或间隔设置，沿轴线周期性分布；所述凸起的高度不超过环空高度的1/2～3/4。
如图1-8所示，所述凸起的纵剖面为锯齿形、半圆形、梯形中的一种或一种以上的结合。优选的所述凸起的纵剖面为流线型，便于提高顶替效率。
一种上述特殊形状套管及其在预防气井环空带压中的应用。实际应用时，特殊形状套管可以安放于井眼中任意的深度位置。
凸起设于内表面的内凸凹不平套管用作表层套管和/或技术套管，内部凸凹不平形状与水泥环胶结。提高套管与内侧水泥环胶结界面的水力封隔能力，从而预防环空带压。
特殊形状套管长度为1～10m，以一根或多根一组间隔安放，每组套管的总长度不超过10m。
特殊形状套管的安放组数可通过下式计算：
式中，pf为气层压力，mpa；pc为实验测量得到的每组套管的水力封隔能力，mpa；n为安放的套管组数。
实施例2：
进一步的，凸起设于外表面的外凸凹不平套管用作生产套管和/或技术套管，外侧凸凹不平形状与水泥环胶结。提高套管与外侧水泥环胶结界面的水力封隔能力，从而预防环空带压。
实施例3：
进一步的，凸起设于内表面和外表面的内外凸凹不平套管用作技术套管，内外侧凸凹不平形状都与水泥环胶结。可以同时提高套管与内外侧水泥环胶结界面的水力封隔能力，从而预防环空带压。
实施例4：
一种上述特殊形状套管水力封隔能力的测试装置，包括特殊形状套管5，具有设有凸起的特形面6；套管中心充满导热流体4(油、水或其他导热的流体)，加热丝9没入导热流体；加热丝9与温控装置11相连，控制加热温度；特殊形状套管5外侧直接或间接与高压釜体8相连，高压釜体8通过螺栓2连接上盖1和下盖10，形成密闭空间；上盖1和下盖10与水泥环/浆7之间设有耐高温密封垫3来进行密封；下盖10上装有内高压管线14和外高压管线21，其中内高压管线14与导热流体4相连，用于给套管内流体施加压力，外高压管线21与套管下部-水泥界面的下环形空间23相连，用于注入流体测量界面水力封隔能力；内高压管线14依次通过内压力表12、内减压阀13与总阀门16相连，外高压管线21依次通过外压力表22、外减压阀15与总阀门16相连，减压阀将高压中间容器的压力降为所需要的压力，压力表测量减压阀减压后的压力；总阀门通过高压中间容器17与泵18相连；上高压管线25与特形面6的数量一致，各上高压管线25其一端分别与上部套管-水泥界面的上环形空间24相连，用于输出突破胶结界面的流体，一端通过减压装置19与阀门20相连，减压装置用于降低突破流体的压力，阀门用于释放突破的流体。如图9所示，上高压管线25与特形面6上方套管-水泥界面的上环形空间24相连；如图10所示，上高压管线25为两组，一组与特形面6(内)上方套管-水泥界面的上环形空间24相连，另一组与特形面6(外)上方套管-水泥界面的上环形空间24相连；如图11所示，上高压管线25与特形面6(外)上方套管-水泥界面的上环形空间24相连。
如图9所示，内表面为非特形面的的特殊形状套管中心直接充满导热流体4；外表面的特形面通过水泥环/浆7与高压釜体8相连。
如图10和11所示，内表面为特形面6的特殊形状套管中心设有中间钢管26，中间钢管内充满导热流体；中间钢管26与特殊形状套管5的内表面之间填充有水泥环/浆7。
如图11所示，外表面为非特形面的特殊形状套管，其外表面通过耐高温密封垫3与高压釜体8相连。
如图10所示，内外表面均为特殊形状套管5的测试装置，其底部设有两条外高压管线21，一条与套管内表面下部-水泥界面的下环形空间相连，一条与套管外表面下部-水泥界面的下环形空间相连，两条外高压管线21之间设有外高压管线分控阀27。
所述套管为全尺寸特殊形状套管，钢材级别与现场套管所用钢材级别相同，长度为1～10m。
所述高压釜体8用金属材料制成，耐压能力不低于80mpa。
所述水泥环/浆7，选用现场固井所用的水泥浆体系凝固而成的。
所述加热丝9加热温度范围为室温～250℃。
所述泵最高加压压力不低于80mpa。
所采用的测试特殊形状套管水力封隔能力的方法为：
(1)确定特殊形状套管参数、水泥浆配方、井下环境条件等基本参数，包括：特殊形状套管的钢级、套管凸凹不平结构参数、水泥浆配方、井下温度和压力等；其中，特殊形状套管钢级为p110；套管长度为1.2m、尺寸为7in、壁厚12.65mm(含凸凹不平结构)，凸凹不平结构分别为图1、图4和图7中(c)图所示的结构，位于套管外侧，凸凹不平结构高度(沿径向方向)为4.6mm，每个凸凹不平结构的宽度为10mm；水泥浆配方为高温高压高密度水泥浆配方，其组成为：100％嘉华g级水泥 40％硅粉 135％加重剂 0.08％消泡剂 0.9％粘合剂 0.35％多功能剂 0.40％分散剂 1.17％缓凝剂；井下温度和压力为180℃和50mpa。选用普通套管进行对比，普通套管长度为1.2m、尺寸为7in、壁厚12.65mm。
(2)组装下盖(及高压管线)、特殊形状套管和高压釜体等，按照配方配制水泥浆，并将水泥浆浇入环形空间，然后组装上盖，接上上盖的高压管线；
(3)根据(1)中的参数，将流体温度加热至井下温度180℃，然后将流体压力增压至井下压力50mpa，直至水泥浆凝固，候凝24h；
(4)水泥浆凝固后，在下部特殊形状套管-水泥环界面逐渐增大施加流体压力，当上部特殊形状套管-水泥环界面有流体窜出时，记下此时下部界面处施加的压力，即为特殊形状套管的水力封隔能力。普通套管与图1(c)、图4(c)和图5(c)等四种套管的水力封隔能力如图12所示，可以看出特形套管的水力封隔能力较普通套管有显著的提升。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
1.一种特殊形状套管，包括轴线为直线的套管本体，其特征在于：其内表面或/和外表面设有若干凸起，所述凸起与轴线垂直，沿管周向呈圆环形分布，不同环形之间无交叉；凸起之间紧密或间隔设置，沿轴线周期性分布；所述凸起的高度不超过环空高度的1/2～3/4。
2.如权利要求1所述的特殊形状套管，其特征在于：所述凸起的纵剖面为锯齿形、半圆形、梯形中的一种或一种以上的结合。
3.如权利要求1或2所述的特殊形状套管，其特征在于：所述凸起的纵剖面为流线型。
4.一种权利要求1中的特殊形状套管及其在预防气井环空带压中的应用。
5.如权利要求4中的应用，其特征在于：凸起设于内表面的内凸凹不平套管用作表层套管和/或技术套管，内部凸凹不平形状与水泥环胶结；凸起设于外表面的外凸凹不平套管用作生产套管和/或技术套管，外侧凸凹不平形状与水泥环胶结；凸起设于内表面和外表面的内外凸凹不平套管用作技术套管，内外侧凸凹不平形状都与水泥环胶结。
6.如权利要求4中的应用，其特征在于：特殊形状套管长度为1～10m，以一根或多根一组间隔安放，每组套管的总长度不超过10m。
7.如权利要求4中的应用，其特征在于：特殊形状套管的安放组数可通过下式计算：
式中，pf为气层压力，mpa；pc为实验测量得到的每组套管的水力封隔能力，mpa；n为安放的套管组数。
8.一种权利要求1中特殊形状套管水力封隔能力的测试装置，其特征在于：包括特殊形状套管，具有设有凸起的特形面；套管内部充满导热流体，加热丝置于套管中并没入导热流体；加热丝与温控装置相连；特殊形状套管外侧依次连接水泥环/浆、高压釜体，高压釜体通过螺栓连接上盖和下盖；上盖和下盖与水泥环/浆之间设有耐高温密封垫；下盖上装有内高压管线和外高压管线，其中内高压管线与导热流体相连，外高压管线与套管下部-水泥界面的下环形空间相连；内高压管线依次通过内压力表、内减压阀与总阀门相连，外高压管线依次通过外压力表、外减压阀与总阀门相连；总阀门通过高压中间容器与泵相连；上高压管线与特形面的数量一致，各上高压管线其一端分别与上部套管-水泥界面的上环形空间相连，一端通过减压装置与阀门相连；
所采用的测试特殊形状套管水力封隔能力的方法为：
(1)确定特殊形状套管参数、水泥浆配方、井下环境条件，包括：特殊形状套管的钢级、套管凸凹不平结构参数、水泥浆配方、井下温度和压力；
(2)组装下盖及高压管线、特殊形状套管和高压釜体，按照配方配制水泥浆，并将水泥浆浇入环形空间，然后组装上盖，接上上盖的高压管线；
(3)根据(1)中的参数，将流体温度加热至井下温度，然后将流体压力增压至井下压力，直至水泥浆凝固，候凝24～72h；
(4)水泥浆凝固后，在下部特殊形状套管-水泥环界面逐渐增大施加流体压力，当上部特殊形状套管-水泥环界面有流体窜出时，记下此时下部界面处施加的压力，即为特殊形状套管的水力封隔能力。
9.如权利要求8所述的测试装置，其特征在于：内表面为非特形面的的特殊形状套管中心直接充满导热流体；外表面的特形面通过水泥环/浆与高压釜体相连；内表面为特形面的特殊形状套管中心设有中间钢管，中间钢管内充满导热流体；中间钢管与特殊形状套管的内表面之间填充有水泥环/浆；外表面为非特形面的特殊形状套管，其外表面通过耐高温密封垫与高压釜体相连。
10.如权利要求8或9所述的测试装置，其特征在于：内外表面均为特殊形状套管的测试装置，其底部设有两条外高压管线，一条与套管内表面下部-水泥界面的下环形空间相连，一条与套管外表面下部-水泥界面的下环形空间相连，两条外高压管线之间设有外高压管线分控阀。
技术总结