Introduction
所报告的实验步骤，有两个主要的组件是关键的：其模拟井孔和一个用于进行机械操作的水泥的膨胀夹具复合气瓶。
井孔可用于生产地下流体（水，油，气体或蒸汽），以及注射各种流体的主网关。不管其功能的，井眼需要提供生产/注入的流体的受控流动。井筒施工有两种不同的操作：钻井和完井。井水泥，完井过程的一部分，主要提供层位封隔，机械支撑的金属管（套管），并且从腐蚀性液体保护金属部件。这些是不打折扣的，全功能的井筒的基本要素。井筒水泥护套的完整性是水合的水泥的化学和物理性质的函数，所述C的几何ASED很好，周围地层/岩层的性质体液2,3。不完全去除钻井液会导致较差的区域隔离，因为它可以防止在岩石和/或金属界面形成牢固关系。水泥笔杆能井的寿命期间可以经受许多类型的故障。引起的完井和生产操作压力和温度振幅向水泥基体中裂缝的发展;剥离是由压力和/或温度的变化和水泥水化收缩4,5,6引起的。其结果是几乎总是microannular流体流动的存在，但它的发生，可提前或经过多年的使用寿命检测。
希思曼和Beck（2006年）创建的水泥外壳经过了100的压力和温度循环载荷，这表明可见剥离，水泥裂缝能带来优惠的途径迁移流的起始模型<SUP> 7。在该领域中，膨胀和井孔的金属部件的收缩，也不会与这些水泥和岩石的重合，引起界面剥离和形成微环，从而导致增加了水泥环的渗透性。一个附加的壳装载可导致在水泥基体径向裂纹的传播，一旦拉伸应力超过材料8的拉伸强度。所有前述水泥的故障可能会导致微沟道，从而导致气体迁移时，SCP的发生，和长期的环境风险。
有相当多的生产和废弃井与SCP构成连续的天然气排放9的潜在新来源。沃森和315,000石油，天然气和注水井在艾伯塔省巴楚（2009年）进行了分析，加拿大还显示，井偏差，井型，抛弃法和水泥质量的关键因素合ntributing到势阱中的泄漏以及10的浅部。现有的补救行动是昂贵的和不成功的;挤注水泥，其中最常用的补救技术之一，具有仅50％11成功率。
在本文中，我们报告了膨胀套管技术（ECT）的为漏井筒12,13新的修复技术评估。 ECT可以在新的或现有的14口井应用。由雪佛龙公司于1999年11月15日进行的良好这项技术的首次商业安装在墨西哥海湾的浅水水域，目前运行范围为膨胀管封装的垂直距离，温度为100°的倾角可达205°C，泥浆比重2.37克/厘米3，8763米，水压的160.6京帕压力和管状长度2092米16的深度。一个典型的扩张速度为实体膨胀管件是pproximately2.4米/ 17分钟。
这项研究提供了一个独特的方法，ECT技术的适应，作为SCP新的修复操作。钢管的膨胀压缩水泥，这将导致在界面处的气流的闭合和密封的气体泄漏。它提到，本研究的焦点是现有microannular气流的密封是很重要的，所以我们只集中在作为漏井筒的一个可能的原因。为了测试新适配的技术的有效性用于此目的，我们设计了一个现有microannular流井眼模型。这是通过水泥水化过程中旋转的内管得到的。这并不是模拟任何野外作业，只是快进几十年的热和压力负荷在井眼后会发生什么。
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Protocol
1.复合材料样品（图1）
注：在墨西哥湾（美国）采用H级水泥18完成大部分水泥作业，因此，相同类型的水泥用于进行实验室试验以模拟油田样的条件下，这种技术对SCP的潜在适用性整治墨西哥湾。
- 样品制备
注：61厘米长的样品由两个B级电动抵制焊接（ERW）碳钢管（ 图1）。内管为61厘米长并且具有6厘米外径（OD）为2.8壁厚。外管59.7厘米长，具有10厘米外径和5.7毫米的壁厚。屈服强度和管的抗拉强度为241兆帕和414兆帕，分别。- 钻上的外管12的孔为2.4mm的膨胀和岩石的模拟物的孔隙率在野外条件中提供的压力的缓解。接下来的日钻88.6毫米孔ê外管，90°与4孔13厘米的顶部和四个孔53厘米的顶部。
- 这些螺纹孔3.2毫米NPT（美国国家管螺纹）螺纹端部，以便与管件，尼龙管歧管组件样品的底部（入口）和顶部（出口）端连接。确保该入口和出口端口是40.64厘米开并且被用于预处理和后处理的扩展的多速率气体流通过实验的运行。
- 涂层外管具有防腐蚀喷涂，以防止腐蚀期间可能干扰由于形成氢氧化铁和腐蚀产物可能造成水泥的微破裂实验的固化周期。
注：该方案将在未来的实验作为测定金属的腐蚀是经常存在于井筒的系统。 - 机出来的焊珠上的内管的内壁上。
- 切定做钢制联轴器，以4.5厘米的长度，从6.35厘米外径管。牛逼hread片上的内壁和其焊接到0.63厘米厚的钢板环（ 图2）。螺纹上的外壁中为4.5厘米长的内管的底部，以允许与焊接耦合连接， 如图2所示。
- 焊接外管到钢板环。
- 润滑所述内管的外壁上用凡士林和喷烤沿其整个长度。内管拧入连接来完成复合材料样品装配。
- 水泥内管与外管之间的容积与1.57克/ cm 3的水泥浆，0.87 W / C比。
- 固化的样品在水浴中进行28天的最小周期的环境条件。保持12和13之间的水浴的pH值通过添加Ca（OH）2的水，以保持高pH环境。
- 13.1磅/加仑的泥浆制备（对于2.2升容积）
- 倾1350克的水进入4升，3.75马力实验室搅拌器和预先水合的膨润土为30g（水泥重量的2％）5分钟，在低速（30,000 xg离心）。
- 5分钟后，倾5毫升消泡剂和1500克水泥粉末放入搅拌机中，并剪切40秒上的51755×g的速度快。倒入水泥浆进入管组件的环，并用湿布和保鲜膜覆盖，避免与空气接触，防止水泥碳化。
- 六小时后的水泥浆液的管道之间倾，旋转内管四分之一圈来回，每15分钟在接下来的20小时水泥水化的，以防止水泥粘接与内管，并创建一个微通道（用于microannular气流）。
- 水平放置的胶结复合材料样品在水浴中放置28天的最小时段。确保水浴具有大约13，其通过添加百克的Ca（OH）2成20升水中获得的pH值。
2.预扩流，通过实验
- 拧上样品的外管3.2毫米件成四个入口和出口。连接入口和出口歧管压力传感器的接头（ 图5）。
- 加压气瓶到初始的50千帕的入口压力。打开计算机软件来记录的压力。
- 打开流量计，并开始流过试验。监测入口和出口的压力在屏幕上，持续1分钟，如示于图6。
- 加压气瓶到入口的172千帕的压力，并监视另一2分钟的压力。
- 尾流过试验和压力记录。关闭气筒和泄剩余气体排入大气。拆除的歧管和覆盖所述样品的顶部用湿布，同时供电的扩展单元，以防止碳化和水泥的干燥。
- 与升内管的外套的内壁ubricant的膨胀圆锥顺利进行，样品准备用于扩展。
3.扩展设置和扩展程序
- 完全保留从下壳体中的膨胀心轴由液压缸， 如图4a所示 。通过开口的顶部（ 图4b）放置在固定装置的下侧试料壳体水合的水泥复合材料的样品。
- 通过之后将扩张锥体具有所需发泡倍率（ 图3）被滑到它，如在图4c中的样品充分伸长膨胀心轴。螺丝固定芯棒上膨胀心轴，然后用螺钉将止动芯棒引导到下壳体的下部连接。样品准备扩张。
- 液压单元的功率为10.3兆帕的最佳压力，并打开计算机软件轴向力记录。
- 启动合作ntrol切换到缩回的膨胀心轴和通过样品的内管拉出的扩大，从而扩大管和压缩水泥环。扩大样本以40.64厘米（ 图4d）的长度，然后伸长膨胀心轴成原来的位置。停止录制轴向力。
- 拧下固定芯棒引导并取下护心轴。起飞膨胀锥从膨胀心轴和完全缩回芯棒以除去样品形成下部壳体。
- 取出样品后，准备将其扩展后的多速率气体流过的实验。
4.扩展后的多速率流量，通过实验
- 干净的入口和出口，从任何多余的挤水泥膏。
- 螺丝管件成四个入口和出口上的样品的外管。连接的入口和出口歧管的管接头，如图
- 压力气瓶初始的172千帕的进口压力。打开计算机软件来记录的压力。
- 打开流量计，并开始流过试验。监测入口和出口的画面（ 图6）上的压力。
- 5分钟后，加压气瓶到入口的345千帕的压力，并监视另一个5分钟的压力。
- 5分钟后，增加进气压力至517千帕。
- 5分钟后，增加入口压力为690千帕的最终进气压力进行5分钟。
- 最终流过试验和压力记录。关闭气筒和泄剩余气体排入大气。拆下从样品歧管。
5.计算的微环的有效渗透率
备注：本研究的主要目的是提供前和电子商务之后就存在气流的定性信息xpansion。实验设计不具有复杂的部件，以便能够测量信道的宽度和流量精度。在这些初步的实验密封气体流是主要的焦点。因此，任何在这里示出的渗透性的计算是更半定量和研究的不主要目标。
- 为了有效渗透率计算，使用约Q恒定的氮气流速=1.42厘米后压力稳定3 /秒。为氮气在环境条件下的气体偏差因子为Z = 1和粘度μ= 0.018厘泊。进行所有的在T = 535ºR环境条件下的流过试验。
- 通过取所述外管的内半径计算胶合环形空间的面积，R Oinn = 4.6Hz厘米，和所述内管的外半径，R IOUT =3.05厘米。入口和出口之间的（ΔL）的距离为40.64厘米。压力差（P 进 -P 出口 ），REC通过入口和出口的压力传感器orded，是在预制造的微环（K EF）19的有效磁导率的计算中使用的唯一的变量：
式。 1
Q -氮气流速[3厘米/秒] K EF -有效烫发。微环[MD]
ř 电流输出 -外管[厘米] R Oinn的ID -内管[厘米]的OD
μ -气体粘度[CP】Z -气体偏差系数
牛逼 - temperatu重[ºR]ΔL -压力传感器之间的距离[厘米]
P 进 -进气压力[ATM] P 的出口 -出口压力[ATM] - 取代所有上述值的入公式1，计算与实施例1中的预膨胀的流通试验记录，入口压力在图所示的有效磁导率是P 入口 = 12千帕（0.12大气压），而出口压力换能器是P 口 = 0.4千帕（0.004大气压）。
实施例1：
式。 1 
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Representative Results
在复合材料样品预膨胀气体流动通过试验表明在出口压力传感器的压力的记录，通过预先制造的微环确认气流（ 图7和图8）。初始条件保持相同，其中初始的入口压力为103千帕，气体流量保持在85毫升/分钟，在该期间。的时间滞后，在入口和出口的压力传感器之间的压力记录为7.5秒，而增大进气压力至172千帕后的最高压力，记录了117千帕（入口）和20.7千帕（出口）。由于气体通过微环优先流，所述整个导率取为微环（K EF）的有效磁导率。稳定以K EF计算中使用的压力是P 口 = 12千帕和P 口 = 0.4千帕，K EF = 0.66 D.给人一种微环有效渗透率的任何残余应力在水泥基体中，由于扩管及其对渗透性的影响是可以忽略不计。
所述第二气体流通过试验施加8％的膨胀比后立即运行，具有到690千帕的最终压力逐渐增加，在入口压力172千帕，每五分钟从172千帕的初始压力。该试验显示没有压力记录在出口压力传感器， 如图9。
同样的操作后24小时，然后在60天后重复进行。两个试验表明在出口压力传感器，它证实了8％的膨胀率是成功的关在井筒模型的microannular气流没有压力的读数。另外四个试样展开具有不同的膨胀比（2％和4％）和测试流以同样的方式作为上述的样品。在相同的结果，并证实了microannular气流的成功的密封（ 表1）。它指出，每个样品制备需要劳动密集的制备和时间，这就是为什么它不能与水泥芯的简单的研究，可以毫不费力地在大量模制相比较是很重要的。
| 样本 | ķEF [D]。 | 发泡率[％] | ķEF [D]。 | ķEF [D]。 | ķEF [D]。 |
| 0小时 | 24小时 | 60天 | |||
| 1 | 0.14 | 4 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0.66 | 8 | 0 | 0 | 0 |
| 3 | 2.11 | 2 | 0 | 0 | 0 |
| 4 | 2.31 | 2 | 0 | 0 | 0 |
| 五 | 7.04 | 8 | 3×10 -7 | 0 | 0 |
表1.与计算出的微环的有效渗透率（K EF）和流过测试的扩展后的结果样本列表立即进行的，24小时，60天膨胀之后。
图1。井筒模型示意图。顶视图示出内，外管之间的水泥（红色）。箭头指向扩展的方向。底部视图显示了焊接到外管和管接头的钢板环。内管被拧入连接器（该SCA乐是英寸）。
。井眼模型的底部部分的图2中的金属组件：a。一个钢板环（0.63厘米厚），B6.35厘米外径钢管耦合; C管材耦合焊接到钢板环; d的螺纹部分。内管旋入管接头; E成品组装。井眼模型的最后一部分是外管被放置在末端，并焊接于上外部区域的钢板环。
图3.一个扩展视锥细胞，用2％，4％和8％的膨胀率;。B 2％的膨胀比圆锥的侧视图。所有合作网元有14°锥角，并定做从中热处理到60 RC的硬度合金钢。
图4的安装和膨胀过程（顶视图）： 一 。扩张型芯被保持，以清除该复合材料样品放置在下部壳体; 湾复合样品被放置在下部壳体和膨胀心轴穿过所述内管充分拉长; 角膨胀锥滑到膨胀心轴。放大视图显示了膨胀锥被关押在地方与固定芯轴; d。扩张型芯被保持和扩张锥体通过内管拉出（红色箭头表示扩展的方向上）。
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图5.回到与试样示出了气体歧管组件与管件和尼龙管的前视图。入口和出口歧管显示压力传感器的定位更近的视图。
图6.流程，通过实验装置。流量计（FM），控制氮气气流（红色箭头），在整个实验过程。气体流量和进入的进气歧管，其中所述入口压力换能器（PT-1）记录所述入口压力的复合材料样品。气体流过样品的预先制造的微环和压力记录在出口歧管的压力换能器（PT-2）提供的是否存在通过复合样品中的连通性和microannular气体迁移的信息。反压能器被连接到数据采集系统和压力进行监测，并实时记录在计算机上并提供给在屏幕上查看。放大视图显示了安装管件。
图7.预膨胀气体流动通过试验数据曲线图表示在两个入口和出口的压力传感器，在确认通过井筒模型的microannular气流注册压力。气瓶上的起始入口压力为50千帕，并且它提高到172千帕，这导致在入口和出口两个压力的尖峰。
图8.预膨胀气体流动测定数据的半对数曲线图清楚地示出的压力下二登记在入口和出口的压力传感器的压力之间的差动（△P）。基于测得的ΔP，的微环的有效磁导率的计算结果中的660毫达西的值。
膨胀与8％的膨胀比锥形后立即图9的多速率气体流通过试验数据曲线图记录。后的172千帕在入口压力的气瓶从172千帕，每五分钟至690千帕的逐渐增加，也没有记录的压力，出口压力传感器，指示所述microannular气流的成功修复。
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Acknowledgments
作者要感谢以下人员和机构的帮助和支持：威廉·波塔斯和詹姆斯希思曼（行业顾问，壳牌E＆P），理查德·利特尔和罗德尼·潘宁顿（壳牌Westhollow技术中心），丹尼尔·迪克雷申佐（壳牌研究嘛工程师），比尔·卡拉瑟斯（拉法基），蒂姆·夸克（现已与雪佛龙），格里·马斯特曼和曼努埃尔·韦恩（LSU PERTT实验室），里克·扬（路易斯安那州立大学岩石力学实验室），和SEER实验室的成员（东海堂Oyibo，淘淘和约尔丹Bossev）。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ASTM A53 Grade B ERW Schedule 40 Steel pipe - OD=10.16 cm, ID=10.04 cm, L=59.7 cm | Baker Sales | BPE-4.00BB40 | |
| ASTM A53 Grade B ERW Schedule 10 Steel pipe - OD=6 cm, ID=5.94 cm, L=61 cm | Service Steel | n/a | |
| Expansion Cones - AISI D2 grade alloy steel (60 RC hardness) | Shell | Custom-made | |
| Pipe coupling - OD=6.35 cm, ID=6 cm, L=4.4 cm | LSU | Custom-made | |
| Steel plate ring - OD=10.16 cm, ID=5.76 cm, thickness=6.35 mm | Louisiana Cutting | Custom-made | |
| Class H Cement | LaFarge | 04-16-12 / 14-18 | |
| Defoaming agent - D-Air 3000L | Halliburton | n/a | |
| Bentonite clay | LSU | n/a | |
| Calcium hydroxide | LSU | n/a | |
| Expansion Fixture | Shell | Custom-made | |
| Pressure transducers | Omega | PX480A-200GV | |
| Teflon tubing | Swagelok | PB0754100 | |
| Union tee | Swagelok | SS-400-3 | |
| Elbow union | Swagelok | SS-400-9 | |
| Female elbow | Swagelok | SS-400-8-8 | |
| Port connector | Swagelok | SS-401-PC | |
| Forged body valve | Swagelok | SS-1RS4 | |
| Tube adapter | Swagelok | SS-4-TA-1-2 | |
| Pipe lubricant | E.F. Houghoton & Co. | 71323998 | |
| Instant Galvanize Zinc Coating | CRC | 78254184128 |
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