一种基于低熔点合金的井屏障构建装置与方法

本发明涉及一种基于低熔点合金的井筒屏障构建装置及方法，属于二氧化碳地质封存井筒密封。

背景技术：

1、二氧化碳地质封存井筒完整性是保障碳封存工程长期安全、实现温室气体有效减排的核心前提，直接关系到封存效益与生态环境安全。封存井经过长期服役，其井筒结构的稳定性与密封性更是维系封存可靠性的关键基础；而一旦其井筒完整性失效，将引发一系列严重危害：不仅会导致封存的二氧化碳沿失效通道窜流泄漏，造成减排效益损失与封存目标落空，威胁现场人员与设备安全。同时，高腐蚀性的二氧化碳流体通过失效部位渗透污染地下水、土壤等周边环境，破坏区域生态系统，此外还会增加修井难度与成本，甚至导致封存井提前报废，丧失剩余封存容量与减排价值。

2、针对井筒完整性失效问题，部分学者针对其机理展开了多项研究。郭辛阳、步玉环等[1]的研究表明，井下复杂工况下交变荷载是引发水泥环失效的核心机理，套管内压力的升降变化会导致套管-水泥环界面粘脱形成井筒微环隙。郝峰、张宗峰等[2]指出co2溶解形成酸性环境，与硅酸盐水泥水化产物发生碳化反应，导致水泥基体疏松、强度下降、渗透率升高；杨焕强等[3]指出井下交变压力与温度波动引发循环应力和热疲劳，加剧水泥环微裂缝与界面微环隙的萌生扩展。此外杨恒林等[4]指出盐岩地层的蠕变作用会进一步挤压套管、破坏固井界面密封性，最终导致井筒完整性失效。以上研究表明，井筒完整性修复问题至关重要。

3、针对井筒微环隙及固井质量不合格等核心问题，现有专利已形成系列结构化修复方案。吾吉阿布拉·阿布都热合曼等[5]提出一种套管膨胀修复装置（cn201410044280.6），通过机械胀紧机构驱动修复管体与套管内壁紧密贴合，其核心设计在于自适应不同井径的弹性扩张结构，为破损部位提供基础支撑，但该装置依赖机械胀紧实现密封，难以在同一井筒位置开展重复性封堵作业，一旦首次封堵失效或后期出现新的泄漏点，无法通过二次下入、重复胀紧的方式快速补漏，在需要多次封堵修复的复杂井筒工况下适用性受限；周毅等[6]提出了一种复合膨胀管（cn202410621369.8），创新采用双级膨胀锥与多段式变径管体集成设计 ，可针对变径复合生产套管实现“一趟钻”差异化膨胀修复，在恢复井筒完整性的同时最大化保留了生产通道内径，但该复合膨胀管在高含腐蚀介质的井筒环境中易受侵蚀，长期服役时管壁易出现点蚀、裂纹等损伤，会逐步削弱其结构强度与密封可靠性，难以长效保障井筒的稳定运行；尹方雷等[7]则优化了修复装置的密封模块（cn202311539071.4），采用可拼接式密封垫与承压骨架组合结构，提升了井口与井筒衔接处的防渗漏能力，但该密封模块仅能对井筒表层衔接部位的明显缝隙实现物理封堵，无法深入渗透至井筒内部的微环隙区域完成填充密封。综上所述，前人的研究可以对微环隙实现有效封堵，但是在适配不同工况、微环隙程度的灵活性，以及修复后长期耐用性方面仍然存在不足。针对这些不足，提出了“基于低熔点合金的井屏障构建装置与方法”，通过射孔适配不同井况，低熔点合金精准熔融封堵，既能适配不同井径及微环隙程度的场景，又能提升封堵密封性与修复后的长期耐用性，有效完成井筒微环隙的修复。

4、针对井筒完整性失效等问题，设计研发了一种基于低熔点合金的井屏障构建装置。该装置可以在井筒出现密封失效问题时，向井筒环空注入低熔点合金，实现对环空的填充与密封，保障井筒生产安全，延长油气井服役周期。

5、引用

6、[1]杨林，兰云霞，胡吉，等。高含硫气田快开盲板密封结构失效分析及修复 [j].天然气与石油，2023, 41 (2): 129-134.

7、[2]郝锋，张宗峰，王宏民等。co2地质封存注入井固井水泥：腐蚀机理、改性与应用研究进展[j].煤田地质与勘探，2026,54 (1):167-183.

8、[3]杨焕强，王凯，蔡萌，等。基于连续损伤力学的水泥环疲劳损伤规律 [c]. 中国石油学会，2025, 46 (05): 977-993.

9、[4]杨恒林，陈勉，金衍，等。复合盐层套管外挤压力动态变化规律研究 [j]. 石油钻探技术，2006, 34 (5): 6-10.

10、[5]中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司钻井工艺研究院。一种老井套管膨胀修复装置：中国 cn201410044280.6 [p]. 2016-06-22.

11、[6]中国石油天然气集团有限公司, 中国石油集团工程技术研究院有限公司. 复合膨胀管及基于该复合膨胀管的井筒修复重构方法: 中国 cn202410621369.8 [p].2025-11-21.

12、[7]中海油能源发展股份有限公司，中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司。一种老井修复用密封装置及老井修复方法：中国 cn202311539071.4 [p]. 2024-02-23.

技术实现思路

1、为了克服以上难点，本发明提供了一种基于低熔点合金的井屏障构建装置，装置包括：

2、该装置由装置连接系统、低熔点合金封堵系统和加热系统组成。其中，装置连接系统由承载外壳5、上接头9、下接头1构成完整的结构框架，各承载部件为封堵系统和加热系统的稳定运行提供坚实的结构支撑与安装基础，保障整套装置在井筒复杂工况下的可靠作业。其中，承载外壳体5是封堵系统与加热系统的主要固定基座，实现各部件之间的结构衔接与力的传递，确保装置整体结构的密封性与稳定性；上接头9作为装置的上部连接构件，其核心作用是实现装置与井筒上部套管柱的牢固连接，完成装置在井筒内的固定，同时为加热系统的供电线路提供布置通道，保障电源与加热系统之间的连接；下接头1作为装置的下部连接结构，主要对装置主体起到整体衬托的作用。

3、本装置的封堵系统以衬托桥塞扶正环4、衬托桥塞端环2、衬托桥塞橡胶环3及低熔点合金7为核心构成。衬托桥塞扶正环4将衬托桥塞橡胶环3牢固固定于承载外壳5预设位置，避免其在井筒作业过程中发生偏移或松动；衬托桥塞端环2则承担受力承载与形变驱动的核心作用，一方面承载低熔点合金7因温度变化产生的重力与压力，另一方面将受力定向传递至衬托桥塞橡胶环3，推动其发生可控弯曲形变；衬托桥塞橡胶环3在压弯后既实现装置与套管壁间的间隙密封，防止熔化后的低熔点合金7流入井底，同时形成连通射孔与环空的流动通道，为低熔点合金7封堵环空提供路径；低熔点合金7作为封堵介质，附着于装置外壳体5外侧，在加热作用下熔化为液态后，沿衬托桥塞橡胶环3形成的通道流入环空，凝固后凭借高抗腐蚀特性形成长效密封屏障。

4、本装置的加热系统由加热电阻棒6与供电插接头8为核心构成，为封堵系统中的低熔点合金提供加热熔化的条件。供电插接头8装配于上接头9区域，一端连接加热系统，另一端可连接电源，可根据封堵作业需求传输不同功率的电能适配整个装置的工作条件。加热电阻棒6则内嵌于承载外壳5的预设安装位，在接收到供电插接头8传输的电能后，可通过调节输入功率实现阶梯式控温：初期低功率加热使低熔点合金7软化下沉，推动衬托活塞类部件完成通道开启与间隙密封；后期高功率加热将温度提升至合金熔点，促使低熔点合金7熔化为液态，为其沿预设通道流入目标环空区域提供必要热动力。

5、封堵系统与加热系统依托装置连接系统的承载外壳体5、上接头9、下接头1形成的稳定结构，实现各自功能，二者在装置连接系统的结构支撑下协同作业，最终实现对井筒微环隙的高效、长效修复，保障 co2地质封存井筒的密封完整性。

6、该装置的操作方法如下：

7、第一步：在井筒完整性修复作业中，首先应根据测井数据明确水泥是否返高正常。若水泥返高正常，则需根据测井数据确定井筒微环隙位置，然后下入射孔装置在微环隙区域进行射孔作业；若水泥未正常返高，则可将射孔装置下入水泥返高顶部进行射孔作业。

8、第二步：将井屏障构建装置采用下入式方式安放至井筒内与射孔位置精准对应的区域，并完成装置与套管柱的连接固定。

9、第三步：通过导线接通电源启动装置的加热系统，初期加热使附着在承载外壳5外侧的低熔点合金下沉，推动并将衬托桥塞橡胶环3压弯，利用衬托桥塞橡胶环3封堵装置与套管的间隙，防止金属流入井底，并形成供低熔点合金7通过射孔流入环空的通路，使井壁两侧环空形成连通结构。

10、第四步：提升加热系统中发热电阻棒6的温度，使低熔点合金7完全熔化为液态，液态合金沿所压弯衬托桥塞橡胶环3与套管孔形成的通路流入环空区域，完成环空的密封封堵，实现井筒完整性的修复。

11、在本技术实例中，装置连接系统中的承载外壳体5外表面保持光滑，装置中封堵系统的衬托桥塞扶正环4固定合金于承载外壳5，保证合金受热后可自然下滑。

12、在本技术实例中，需依据实际压裂参数与套管尺寸，优化低熔点合金7的尺寸及长度参数，避免因合金用量或规格不符造成环空封堵不彻底；同时要结合井筒不同程度的微环隙情况，对装置数量及安装位置进行优化，确保装置可按需求实现安全修复。

13、本技术实例的其它特征、优点及工艺流程将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。