CN102536202B

CN102536202B - 储气库完井套管-水泥环粘结强度测试试件的制作方法

Info

Publication number: CN102536202B
Application number: CN 201210062759
Authority: CN
Inventors: 王同涛; 闫相祯; 杨秀娟
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2032-03-12
Also published as: CN102536202A

Abstract

本发明属于油气资源开发领域，具体地，涉及一种应用于储气库完井套管、水泥环粘结强度测试的试件及其制作方法。储气库完井套管-水泥环粘结强度测试试件包括套管短节、水泥环；水泥环为一正四棱柱体，套管短节为一圆管，圆管的轴线与正四楞柱体的轴线重合；套管短节上端高出水泥环，套管短节下端位于水泥环下底面以上；套管短节下端与水泥环下底面间留有圆孔，圆孔直径为套管短节外径。试件的制作步骤如下：套管短节制备、垫片制备、模具制备、水泥浆制备、试件浇筑、试件养护、试件成型。本发明适用于所有类型的套管和水泥类型，可以用于油气井完井套管柱胶结强度测试；试件制作简单、成功率高，为评价储气库完井套管柱安全提供基础数据。

Description

储气库完井套管-水泥环粘结强度测试试件的制作方法

技术领域

本发明属于油气资源开发领域，具体地，涉及一种应用于储气库完井套管、水泥环粘结强度测试的试件及其制作方法。

背景技术

在储气库完井套管设计和安全性评价过程中，精确获得套管与水泥环间粘结强度是至关重要的。已有的方法采用矩形钢板模拟套管，将水泥浆浇筑在钢板上制作套管-水泥环粘结强度测试试件。该方法主要存在以下2个方面上的缺点：

(1)、在制作试件制作过程繁琐、成功率不高。由于试件尺寸较小不易固定，同时水泥浆在硬化过程中经常出现与钢板脱离的现象，造成试件制作成功率只有30%左右。

(2)、试件测试结果精度低。由于采用钢板模拟套管并不能反映套管与水泥环间的粘结强度，使得测试结果普遍偏低，与现场监测值间的平均误差在60%左右。

上述原因造成了采用已有的测试试件进行实验将会给储气库完井套管设计和安全评价带来隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于储气库完井套管、水泥环粘结强度测试的试件及其制作方法。本发明直接采用实际储气库完井套管作为实验材料，制作完成储气库完井套管-水泥环粘结强度测试试件；解决套管与完井水泥环间粘结强度测试中存在的难题。

本发明的技术方案如下：

一种储气库完井套管-水泥环粘结强度测试试件，包括套管短节、水泥环；水泥环为一正四棱柱体，套管短节为一圆管，圆管的轴线与正四楞柱体的轴线重合；其特征在于：套管短节上端高出水泥环，套管短节下端位于水泥环下底面以上；套管短节下端与水泥环下底面间留有圆孔，圆孔直径为套管短节外径。

优选地，水泥环的长度和宽度分别为3倍套管短节外径，水泥环的高度为65cm；套管短节长度65cm，套管短节上端比水泥环上端面高出5cm；圆孔高度为5cm。

优选地，水泥环由G级油井水泥、石英砂和外添加剂制成，外壁粗糙度小于2mm。

优选地，外添加剂为水泥增强剂CXB6-1或水泥膨胀剂PZ-1或水泥膨胀型增塑剂HPZ或水泥降失水剂HYJ。

一种储气库完井套管-水泥环粘结强度测试试件的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、套管短节制备：选取储气库完井使用的套管，利用切割机将套管切割成套管短节，用手工或者机器将表面打磨、清洗干净，然后烘干；

(2)、垫片制备：从相同套管上截取5cm制成垫片；垫片上均匀刷涂机油或者润滑油；

(3)、模具制备：根据套管外径尺寸制作试件模具，模具为木质无顶盖的长方体，模具长和宽度取为3倍套管直径，高度为套管短节长度；

(4)、水泥浆制备：根据套管尺寸计算得到模具尺寸及体积，水泥、石英砂、外添加剂的质量配比按照储气库完井水泥浆的配比选用，所制备水泥浆的体积为1.2倍模具体积；

(5)、试件浇筑：将垫片放在模具底板中心位置处，并采用沉头水泥钉沿垫片内壁将垫片固定在模具底板中心，水泥钉钉头要比垫片高出20mm～30mm；将套管短节通过水泥钉与垫片连接，保证短节和垫片同轴；将水泥浆倒入模具至1/3位置处，采用振动器振动捣实；再加入水泥至模具2/3位置处，采用振动器振动捣实；再加入水泥至模具顶部，采用振动器振动捣实；

(6)、试件养护：将试件放入养护箱中养护，养护温度为28～35℃、相对湿度为75～85%，养护28天；

(7)、试件成型：养护完成后，脱模，然后将垫片取出，制得储气库完井套管-水泥环粘结强度测试试件。

优选地，模具制作完成后，在模具内壁均匀刷涂机油或者润滑油，在内壁形成约1mm厚油层。

优选地，模具内壁粗糙度不大于0.5mm；模具四周壁面厚度不小于3cm、底板厚度不小于5cm。

优选地，模具采用外部铁箍加固连接，分别位于模具顶部、中间和底部位置均匀设置3个铁箍；模具的各个面之间采用沉头水泥钉连接，沉头水泥钉间距为10cm。

优选地，采用与钻井液性质一致的水基或者油基清洗剂对套管短节进行清洗。

优选地，套管短节、垫片制造长度误差控制在±0.5%，套管短节、垫片的端面粗糙度不大于2um。

本发明适用于所有类型的套管和水泥类型，可以用于油井、气井完井套管与水泥环胶结强度测试；本试件制作过程简单，制作成功率高，实际室内实验已经验证本发明测试结果具有较高的精度，可以为评价储气库完井套管安全提供基础数据。

附图说明

图1是储气库套管-水泥环粘结强度测试试件正视示意图；

图2是储气库套管-水泥环粘结强度测试试件俯视示意图；

图3是图2中储气库套管-水泥环粘结强度测试试件A-A剖面示意图；

图4是储气库套管-水泥环粘结强度测试试件模具成型示意图；

图中：1、套管短节，2、水泥环，3、垫片，4、模具底面，5、水泥钉，6、模具壁面，7、铁箍。

具体实施方式

如图1所示，储气库套管-水泥环粘结强度测试试件包括套管短节1、水泥环2，水泥环为一正四棱柱体，水泥环的尺寸为：74cm×74cm×65cm(长×宽×高)；套管短节1为一圆管，长度为65cm，外径为244.5mm、壁厚为11.05mm、钢级为P110；圆管的轴线与正四楞柱体的轴线重合；套管下端位于水泥环下底面以上，套管短节上端比水泥环端面高出5cm；套管短节下端与水泥环下底面间留有圆孔，圆孔直径为套管外径；圆孔高度为5cm。水泥环由G级油井水泥(油井管固井专用水泥)、石英砂(粒径为0.25～0.5mm)、外添加剂制成；外添加剂为水泥增强剂CXB6-1或水泥膨胀剂PZ-1或水泥膨胀型增塑剂HPZ或水泥降失水剂HYJ(为江油市恒益化工有限公司生产)；试件外壁粗糙度小于2mm。

储气库套管-水泥环粘结强度测试试件制作过程如下：

(1)、套管短节制备：某储气库使用套管外径为244.5mm，取同批次套管一根(长度为9.3m)从中间部分截取长度为65cm套管短节。每隔45°圆周角测量一次短节轴向长度，共进行8次测量，保证所有测量长度与套管短节长度65cm间的误差控制在±0.5%以内。套管短节两头截面粗糙度不大于2um。用砂纸将表面锈迹打磨干净，然后采用油基清洗剂清洗，烘干。

(2)、垫片制备：从剩余套管中截取长度为5cm的垫片。每隔45°圆周角测量一次垫片轴向长度，共进行8次测量，应保证所有测量长度与套管短节设计长度间的误差控制在±0.5%以内。垫片两头截面粗糙度不大于2um。垫片上均匀刷涂机油或者润滑油。

(3)、模具制备：根据套管尺寸可以计算得到长方体模具尺寸约为74cm×74cm×65cm(长×宽×高)，选用硬度为452千克力/平方厘米春榆树木材作为制造模具的材料。模具四周壁面木板厚度为3.5cm、底板厚度为5cm。模具采用外部铁箍加固连接，均匀设置3个铁箍，分别位于模具顶部、中间和底部位置。模具的各个面之间采用沉头水泥钉(规格为：4.2 mm×100mm)连接，沉头水泥钉间距为10cm，模具壁面间间隙不大于0.3mm。模具内壁均匀刷涂机油或者润滑油，在内壁形成约1mm厚油层。

(4)、水泥浆制备：选用G级油井水泥，石英砂粒径为0.25～0.5mm，水泥和石英砂的质量配比为1:0.8。水泥出厂时间为55天、石英砂纯度为97%。外添加剂为油井水泥膨胀剂PZ—1和油井水泥降失水剂HYJ，按照水泥浆总质量的0.5%添加。根据模具尺寸可以计算得到模具体积约为0.36m³，按照1.2倍模具体积准备水泥和石英砂0.43m³，其中水泥0.24m³、石英砂0.19m³，加入140kg水(按照0.43m³*330kg/m³计算)，搅拌10分钟以上，直至石英砂颗粒完全被水泥均匀包裹。

(5)、试件浇筑：将垫片放在模具底板中心位置处，并采用沉头水泥钉(规格为：5mm×125mm)沿垫片内壁将其固定在模具底板中心，水泥钉数目不少于8枚、且均匀分布，水泥钉钉头比垫片高出22mm。将套管短节通过水泥钉与垫片连接，连接缝隙小于0.5mm，且保证短节和垫片同轴。将水泥浆倒入模具至1/3位置处，采用振动器振动捣实；再加入水泥至模具2/3位置处，采用振动器振动捣实；再加入水泥至模具顶部，采用振动器振动捣实。整个过程中保持垫片、套管位置不变。

(6)、试件养护：试件养护，将试件放入SHBY-32B型标准养护箱中养护，养护温度为28～35℃、湿度为75～85%，养护28天。

(7)、试件成型：养护完成后，脱模，将垫片用老虎钳轻轻旋转着取出，至此储气库完井套管-水泥环粘结强度测试试件制作完成。

试件制作完成后，将该试件放入MTS809材料试验机上，在套管突出部位均匀施加压力，记录下压力载荷值，直到实验系统记录的载荷值突然降低停止实验。实验中获得试件可以承受的最大载荷值即为套管与水泥环间最大粘结力。

测得套管与水泥环粘结强度与现场监测值吻合度在85%以上，具有较高的精度，可以作为储气库套管设计和安全评价的基础参数。

Claims

1.一种储气库完井套管-水泥环粘结强度测试试件的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的储气库完井套管-水泥环粘结强度测试试件的制作方法，其特征在于：模具制作完成后，在模具内壁均匀刷涂机油或者润滑油，在内壁形成约1mm厚油层。

3.根据权利要求2所述的储气库完井套管-水泥环粘结强度测试试件的制作方法，其特征在于：模具内壁粗糙度不大于0.5mm；模具四周壁面厚度不小于3cm、底板厚度不小于5cm。

4.根据权利要求3所述的储气库完井套管-水泥环粘结强度测试试件的制作方法，其特征在于：模具采用外部铁箍加固连接，分别位于模具顶部、中间和底部位置均匀设置3个铁箍；模具的各个面之间采用沉头水泥钉连接，沉头水泥钉间距为10cm。

5.根据权利要求4所述的储气库完井套管-水泥环粘结强度测试试件的制作方法，其特征在于：采用与钻井液性质一致的水基或者油基清洗剂对套管短节进行清洗。

6.根据权利要求5所述的储气库完井套管-水泥环粘结强度测试试件的制作方法，其特征在于：套管短节、垫片制造长度误差控制在±0.5%，套管短节、垫片的端面粗糙度不大于2μm。