CN101725345B - 地层作用下套管-水泥环损坏室内模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油开采行业中的模拟试验装置，具体的说是一种地层作用下套管-水泥环损坏室内模拟试验装置。它包括地层作用模拟器和固井套管-水泥环室内模拟制作器，箱体框架上连接有护板构成的多层箱体，多层箱体的底层和顶层为固定层，中间层为可抽拉式活动层，箱体框架的内部空间通过与其连接的加强板装有加强钢套管，加强钢套管分段设置，段数与多层箱体的层数相一致；模具底座上装有钢管，套管与钢管之间留有填充空间，套管上支承有圆形挡板，挡板上均布有进浆孔和排气孔，支承板的上方装有筒状上盖，支承板的回转中心设有导向柱。本发明能够模拟地层作用下套管-水泥环损坏的室内试验，为油井套管损坏成因提供试验依据。

Description

地层作用下套管-水泥环损坏室内模拟试验装置

技术领域：

本发明涉及石油开采行业中的模拟试验装置，具体的说是一种地层作用下套管-水泥环损坏室内模拟试验装置。

背景技术：

在石油开采过程中，套管损坏普遍存在，但由于套管损坏往往发生在地下一千米甚至数千米之下，无法进行现场观测，这就使得室内模拟试验特别重要。采油套管损坏与一般钢管的破坏试验相比，有两点特殊之处需要考虑，其一是由于固井的需要，套管是和水泥环粘结在一起的，构成了一个套管-水泥环系统，试验中不能包括水泥环的套管破坏试验必然与实际情况产生较大误差；其二是套管损坏发生在地下，由于地层蠕变或者构造与断层活动等原因产生的地层层间滑移是套管损坏的主要破坏力来源，如何模拟地层作用是破坏试验成败的另一关键。也正是由于这两方面的原因，至今尚没有针对地层作用下的套管水泥环损坏进行室内模拟试验。油井套管损坏已经成为油气生产的首要灾害，初步统计，我国目前套管损坏井超过15000口，套损井涉及资产高达300亿元，需要报废或不得不进行大修的直接井资产就超过100亿元。通过对辽河油田锦州采油厂，仅仅一个厂1976口油井进行的调查，套管损坏井占总井数的26.5％，仅在锦45区块就有278口井发生套管破坏。套管损坏的原因包括地层因素、流体和施工因素等，其中地层因素是首要因素。现阶段套损研究主要基于数值模拟手段，但数值模拟的结果必须通过试验来验证，而在相应的试验方面，则仅仅是进行套管强度试验。如邓金根等根据实际全尺寸套管承受非均匀外载作用下的强度实验。现有试验尚无法将套管和水泥环做整体考虑，也无法真实模拟地层层间相对滑动作用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种能够模拟地下层层间滑动作用下包含水泥环的套管-水泥环室内破坏试验的试验装置。利用这种装置，可在室内模拟地层不同位移和不同加载速率的层间滑动，制作包含水泥环的套管水泥环装置，测量分析套管-水泥环的应变和变形特征、破坏过程与裂纹扩展规律，为油井套管损坏成因提供试验依据。

本发明采用如下技术方案：

一种地层作用下套管-水泥环损坏室内模拟试验装置，包括地层作用模拟器和固井套管-水泥环室内模拟制作器，所述地层作用模拟器包括套管、箱体框架、多层箱体、可抽拉式活动层、滑道、反力墙连接头、动作器连接头，所述固井套管-水泥环室内模拟制作器包括底座、上盖、导向柱、进浆孔、钢管，所述地层作用模拟器的箱体框架上连接有护板构成的多层箱体，该多层箱体的底层和顶层为固定层，中间层为可抽拉式活动层，其中顶层上装有反力墙连接头，中间层上装有动作器连接头，所述箱体框架的内部空间通过与其连接的加强板装有加强钢套管，该加强钢套管分段设置，其段数与多层箱体的层数相一致；所述固井套管-水泥环室内模拟制作器的模具底座上装有由两个半圆形围成一体的钢管，该钢管的内部空间装有与其底平面相平齐的底座，该底座上设有下定位底座，该下定位底座上套装有套管，该套管与所述钢管之间留有填充空间，该套管上支承有圆形挡板，该挡板上均布有进浆孔和排气孔，该挡板的外径与钢管的外径相等，该挡板的上方连接有圆形支承板，该支承板上均布有第一进浆孔，该第一进浆孔与所述挡板上的进浆孔相贯通，该支承板的上方装有筒状上盖，所述支承板的回转中心设有导向柱。

本发明的上述技术方案与现有技术相比，地层作用模拟器能够模拟对固井套管-水泥环的不同位移和加载速率的地层层间滑动，进行地层作用下套管-水泥环损坏的室内试验，通过测量分析套管-水泥环的应变和变形特性、破坏过与纹的扩展规律，为油井套管损坏成因提供试验依据。

作为本发明的一种优选方式，所述地层作用模拟器中装在顶层上的反力墙连接头与顶层之间通过第一加劲肋连接，中间层上的动作器连接头通过第二加劲肋与中间层连接，所述底层的下方设有固定底座。

作为本发明的一种优选方式，所述地层作用模拟器中箱体框架的中间层上装有上、下定位板和上、下滑道。

作为本发明的一种优选方式，所述固井套管-水泥环室内模拟制作器中两个半圆形围成一体的钢管通过夹紧钢板连接。

作为本发明的一种优选方式，所述固井套管-水泥环室内模拟制作器中均布于圆形挡板上的进浆孔及排气孔置于大于套管外径的位置上。

作为本发明的一种优选方式，所述固井套管-水泥环室内模拟制作器中挡板的下方装有与下定位底座直径相等的上定位支承板。

作为本发明的一种优选方式，所述固井套管-水泥环室内模拟制作器中模具底座下方连接有固定钢板，该固定钢板上设有预留孔。

附图说明：

图1是本发明中的地层作用模拟器的结构示意图。

图2是本发明中的固井套管-水泥环室内模拟制作器的结构示意图。

图3是图2的俯视图。

具体实施方式：

下面结合附图详述本发明：

一种地层作用下套管-水泥环损坏室内模拟试验装置，参见附图1、附图2和附图3，图中：套管1，水泥环2，加强板3，加强钢套管4，护板5，箱体框架6，上定位板7，可抽拉式活动层8，动作器连接头9，第二加劲肋10，下定位板11，固定底座12，下滑道13，上滑道14，第一加劲肋15，反力墙连接头16；模具底座17，底座18，下定位底座19，钢管20，夹紧钢板21，圆形挡板22，进浆孔23，排气孔24，圆形支承板25，第一进浆孔26，筒状上盖27，导向柱28，上定位支承29，固定钢板30，预留孔31。

本发明的实施例由地层作用模拟器和固井套管-水泥环室内模拟制作器组成，地层作用模拟器由加强钢板3，加强钢套管4，护板5，箱体框架6，上定位板7，可抽拉式活动层8，动作器连接头9，第二加劲肋10，下定位板11，固定底座12，下滑道13，上滑道14，第一加劲肋15，反力墙连接头16组成。

固井套管-水泥环室内模拟制作器由套管1，模具底座17，底座18，下定位板19，夹紧钢板21，圆形挡板22，进浆孔23，排气孔24，圆形支承板25，第一进浆孔26，圆筒形上盖27，导向柱28，上定位板29，固定钢板30，预留孔31组成。

地层作用模拟器的箱体框架6上连接有护板5构成的多层箱体，其中多层箱体的底层和顶层为固定层，其中间层为可抽拉式活动层8，其中顶层上装有动作器连接头9，箱体框架6的内部空间通过与其连接的加强板3装有加强钢套管4，加强钢套管4分段设置，其段数与多层箱体的层数相一致。

固井套管-水泥环室内模拟制作器的模具底座17上装有由两个半圆形围成一体的钢管20，钢管20的内部空间装有与其底平面相平齐的底座18，底座18上设有下定位底座19，下定位底座19上套装有套管1，套管1与钢管20之间留有填充空间，套管1上支承有圆形挡板22，圆形挡板22上均布有进浆孔23和排气孔24，圆形挡板22的外径与钢管20的外径相等。

圆形挡板22的上方连接有圆形支承板25，圆形支承板25上均布有第一进浆孔26，第一进浆孔26与圆形挡板22上的进浆孔23相贯通，圆形支承板25的上方装有筒状上盖27，圆形支承板25的回转中心设有导向柱28。

作为本发明的一种优选结构，地层作用模拟器中装在顶层上的反力墙连接头16与顶层之间通过第一加劲肋15连接，中间层上的动作器连接头9通过第二加劲肋10与中间层，即：可抽拉式活动层8连接，底层的下方装有固定底座12。

作为本发明的一种优选结构，参见附图1，中间层上设有上定位板7、下定位板11、上滑道14和下滑道13。

作为本发明的一种优选结构，固井套管-水泥环室内模拟制作器中两个半圆形围成一体的钢管20通过夹紧钢板21连接。

作为本发明的一种优选结构，固井套管-水泥环室内模拟制作器中均布于圆形挡板22上的进浆孔23及排气孔24置于大于套管1外径的位置上。

作为本发明的一种优选结构，固井套管-水泥环室内模拟制作器中圆形挡板22的下方装有与下定位底座19直径相等的上定位支承29。

作为本发明的一种优选结构，固井套管-水泥环室内模拟制作器中模具底座17下方连接有固定钢板30，固定钢板30上设有预留孔31。

为真实模拟地层作用，顶层可较厚，底层则较薄；本实施例为三层设置，顶层由反力墙连接头16通过第一加劲肋15固定到实验室内部的反力墙上，底层由固定底座12通过地锚螺栓固定到地面上，在箱体框架6上焊接的上定位板7、下定位板11、上滑道14和下滑道13，能够保证可抽拉式活动层8的滑动性能。

由于套管刚度较大，为避免加载时箱体产生过大变形，在箱体框架6和护板5构成的多层箱体上焊接加强板3，利用加强板3提高箱体强度和刚度。

加强钢套管4采用加厚的合金钢制成，加强钢套管4分段加工。其段数与多层箱体的层数一致，每段的高度同各层箱体的高度，其内径可由水泥环2的外径确定(以能够顺利将套管水泥环放入为准)，每层的加强板3及加强钢套管4焊成一个整体，在箱体顶部和底部固定层中可将加强板3直接焊接在箱体上，即：箱体框架6和护板5上，可抽拉式活动层8上的加强板3和加强钢套管4则与其相连接形成一个独立的整体。

为实现用MTS加载模拟地层蠕变作用，在可抽拉式活动层8的侧面装有动作器连接头9，动作器连接头9用第二加劲肋10与可抽拉式活动层焊接在一起，动作器连接头9的另一端打孔与MTS动作器连接到一起。如可抽拉式活动层8不止一层，动作器连接头10可设在不同位置及不同方向上，以模拟不同状况下的地层蠕变作用。

筒状上盖27的回转中心设有的圆台形导向柱28便于灌浆，圆形支承板26上均布的第一进浆孔26与圆形挡板22上的进浆孔23相贯通，使水泥浆顺利进入两个半钢圆管围成一体的钢管20中，圆形挡板22中留有排气孔24，使水泥浆在灌注过程中能够排空气体，从而灌浆密实；上定位支承29及下定位底座19在灌浆过程中能够保证水泥浆薄厚均匀，饱满的灌注到套管1的周围。

底座18与模具底座17焊接到一起，其中底座18的外径与钢管20的内径一致(以钢管20能顺利插入为准)，模具底座17两端焊接固定钢板30，固定钢板30上的预留孔31便于地脚螺栓将模具底座17固定到地面或其他基础中。

将试验用的套管1内外壁预置埋入应变片，形成应变应变测量系统，再利用固井套管-水泥环室内模拟制作器将套管1外部灌注水泥环2，二十四小时水泥固结后拆模，再标准养护二十八天后即可使用。

将多层箱体的顶部和底部固定，可抽拉式活动层8放入箱体就位，在加强钢套管4内放入制作好的包含水泥环2的套管1，然后通过加载端将MTS拟动力试验装置的加载位移加载到可抽拉式活动层8实现地层层间滑动位移，通过测量系统测量套管1内外壁和水泥环2外壁的应变，并观测分析套管1和水泥环2一体变形过程、水泥环2破坏过程、水泥环1破坏后的套管1破坏与裂纹扩展过程，并分析水泥环2破坏与套管1破坏的关系。

Claims (7)

1.一种地层作用下套管-水泥环损坏室内模拟试验装置，包括地层作用模拟器和固井套管-水泥环室内模拟制作器，所述地层作用模拟器包括套管、箱体框架、多层箱体、抽拉式活动层、滑道、反力墙连接头、动作器连接头，所述固井套管-水泥环室内模拟制作器包括模具底座、上盖、导向柱、进浆孔、钢管，其特征在于：

a、所述地层作用模拟器的箱体框架上连接有护板构成的多层箱体，该多层箱体的底层和顶层为固定层，中间层为可抽拉式活动层，其中顶层上装有反力墙连接头，中间层上装有动作器连接头，所述箱体框架的内部空间通过与其连接的加强板装有加强钢套管，该加强钢套管分段设置，其段数与多层箱体的层数相一致；

b、所述固井套管-水泥环室内模拟制作器的模具底座上装有由两个半圆形钢管围成一体的钢管，该钢管的内部空间装有与其底平面相平齐的底座，该底座上设有下定位底座，该下定位底座上套装有套管，该套管与所述钢管之间留有填充空间，该套管上支承有圆形挡板，该挡板上均布有进浆孔和排气孔，该挡板的外径与钢管的外径相等，该挡板的上方连接有圆形支承板，该支承板上均布有第一进浆孔，该第一进浆孔与所述挡板上的进浆孔相贯通，该支承板的上方装有筒状上盖，该支承板的回转中心设有导向柱。

2.根据权利要求1所述的地层作用下套管-水泥环损坏室内模拟试验装置，其特征在于：所述地层作用模拟器中装在顶层上的反力墙连接头与顶层之间通过第一加劲肋连接，中间层上的动作器连接头通过第二加劲肋与中间层连接，所述底层的下方设有固定底座。

3.根据权利要求1所述的地层作用下套管-水泥环损坏室内模拟试验装置，其特征在于：所述地层作用模拟器中箱体框架的中间层上设有上、下定位板和上、下滑道。

4.根据权利要求1所述的地层作用下套管-水泥环损坏室内模拟试验装置，其特征在于：所述固井套管-水泥环室内模拟制作器中两个半圆形钢管围成一体的钢管通过夹紧钢板连接。

5.根据权利要求1所述的地层作用下套管-水泥环损坏室内模拟试验装置，其特征在于：所述固定套管-水泥环室内模拟制作器中均布于圆形挡板上的进浆孔及排气孔置于大于套管外径的位置上。

6.根据权利要求1所述的地层作用下套管-水泥环损坏室内模拟试验装置，其特征在于：所述固井套管-水泥环室内模拟制作器中圆形挡板的下方装有与下定位底座直径相等的上定位支承。

7.根据权利要求1所述的地层作用下套管-水泥环损坏室内模拟试验装置，其特征在于：所述固定套管-水泥环室内模拟制作器中模具底座下方连接有固定钢板，该固定钢板上设有预留孔。

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