CN103184866A - 一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪 - Google Patents
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Abstract
一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪,包括有加压接头,加压接头设置在压紧盘根上,旋紧压环通过丝扣与压紧圆盘连接,并将梯形橡胶密封圈固定在压紧圆盘和钢管上,通过螺杆螺帽连接组件把装有固井水泥固化体试验样品的钢管夹紧并连接成为一个整体,压块与机械压力装置相连接施加机械挤压力,模拟井下压力变化使油井水泥环损伤并形成微裂缝的过程,加压接头与流体加压装置连接施加流体压力,模拟地层流体对固井水泥环的流体压力,测试评价固井水泥环的抗窜强度,样品养护后放入固井水泥环力学性能模拟试验仪中进行测试分析试验,利用该试验仪能够测定不同条件下固井水泥环抗窜强度的变化情况,从而准确评价固井水泥环的抗冲击韧性和封隔可靠性。
Description
技术领域
本发明属于石油钻井技术领域,具体涉及一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪。
技术背景
在固井施工中,固井水泥浆被注入套管与地层之间的环空,水泥浆要经受井下环境而最终凝固形成具有一定胶结能力和硬度的水泥环。井内水泥环具有有效地封隔地层和支撑、保护套管的功能。为了稳产、增产,各油田都相继进行注水、压裂、酸化、补孔等提高生产压差等井下工程作业,不同的作业过程必然使井眼条件发生改变,套管内压改变、地层围岩压力变化以及井眼温度改变引起的温度应力等作用,使水泥环受力状态发生改变,可能导致水泥环产生裂纹,使水泥环的封隔作用失效,造成地下油气水层之间的窜流和套管的腐蚀破坏,严重时造成油气井报废。
随着小眼井、分支井、侧钻井和薄油层井、热采井数量的增多,对固井质量的要求也越来越高。对于小间隙环空和薄油层固井,因水泥环很薄,水泥石的完整性必须得到保证,否则油井寿命将受到严重影响;开窗侧钻井、大斜度井、大位移井和分支井中造斜段的水泥环经常遭受继续钻进时钻头、钻杆的撞击和震动,以及热采井中热冲击应力对水泥环产生的破坏,都要求研究和改善固井水泥环的力学性能,降低水泥环的脆性,增强水泥环的韧性。
因此,研究固井水泥石力学性能,提高水泥环本体的完整性对生产及油水井的长期寿命具有重要的意义。
有关油井水泥石力学性能方面的研究一般都集中在水泥石的强度方面,一般都将水泥石的单轴抗压强度作为主要工程性能指标并对其实施重点检测和分析。
常规水泥石力学性能评价方法基本上借鉴了混凝土、建筑水泥等材料力学中无机非金属的力学评价方法,其中常用的万能材料试验机可直接测得抗拉、抗折、抗剪切等力学性能,但不能模拟各种井下环境和工况对水泥石完整性的影响。因此,目前水泥石力学性能的研究多是针对于特定水泥浆体系形成水泥石的性能评价,而缺乏对水泥石力学性能受井下环境影响的规律性认识。
近年来,国内外学者对水泥石完整性的评价与研究越来越重视,并把在室内模拟井下环境对水泥石力学性能的影响研究试验作为考察水泥石完整性的主要技术手段。
哈尔滨建筑大学和大庆钻井工艺研究所王详林,钟启刚等人为了研究在一定温度和压力下油井水泥固化体的动态力学性能,他们和中科院力学研究所合作,研制了一台带围压和温度的多功能材料动态性能测试装置,可分别进行材料的拉伸,压缩和扭转试验。拉压试验可在三向应力状态下进行,能够测定出动静态弹性模量,动态断裂韧性和破碎吸收能等参数。模拟固井射孔综合试验装置模拟固井条件进行射孔试验,以检验射孔时各种改性配方制作的水泥环的实际力学状态,通过验窜压力能够测定出界面胶结强度。
罗长吉,王允良等人专门设计了“水泥环界面胶结强度仪”和“水泥环界面压窜试验仪”等装置开展了水泥环界面胶结强度与水泥抗压强度关系的研究;水泥界面胶结强度发展规律的研究;水泥界面胶结强度与表观体积胀缩特性关系的研究及水泥界面胶结强度与水泥水化热效应的关系研究,对水泥界面胶结特性取得了一些初步的认识。
为了模拟井下固井水泥环实际的受压状态,一般都用美国GCTS公司三轴岩石力学测试系统RTR-100进行三轴应力-应变实验。
这些研究方法都力争尽可能地模拟固井水泥环的井下受力情况,但存在的问题是试验装置复杂庞大,试验成本高。更关键的是:作为固井水泥环的完整性和可靠性,其关键的力学性能指标应该是固井水泥环在油气井长期的开发过程中的层间封隔的可靠性能,即对油气水等井下流体的抗窜强度。现有的这些方法只能测定特定条件下固井水泥环的力学性能,不能定量分析测定井下压力变化对固井水泥环抗窜强度的变化,难以认识问题的本质。
发明内容
为了克服现有固井水泥环力学性能测试评价技术的不足,本发明的目的在于提供一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪,能够较好地模拟固井水泥环所处的井下的环境条件,模拟井下压力对固井水泥环的损伤,测定不同条件下固井水泥环抗窜强度的变化情况,从而准确评价固井水泥环的抗冲击韧性和封隔可靠性,即完整性;具有结构简单,成本低廉,操作方便,试验浆体用量小,试验数据重现性好,短时间内可以开展大量试验工作的特点。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪,包括有加压接头1,加压接头1设置在压紧盘根2上,旋紧压环3通过丝扣与压紧圆盘2连接,并将梯形橡胶密封圈7固定在压紧圆盘2和钢管4上,通过螺杆螺帽连接组件6把装有固井水泥固化体试验样品5的钢管4夹紧并连接成为一个整体,梯形橡胶密封圈7通过两个压紧圆盘2的轴向压紧作用和旋紧压环3的梯形面产生的侧向力保证钢管4在固井水泥环力学性能模拟试验仪的水水力密封性能;
压块8与机械压力装置相连接对位于钢管4中的固井水泥固化体试验样品施加机械挤压力F1,模拟井下压力变化使油井水泥环损伤并形成微裂缝的过程,加压接头1与流体加压装置连接,对位于钢管4中的油井水泥固化体试验样品施加流体压力流体P1,模拟地层流体对固井水泥环的流体压力,测试评价固井水泥环的抗窜强度,
打磨清洗所述的钢管4,在钢管4下端塞上第一有机玻璃胶塞9,将固井水泥浆样品灌入钢管4,然后将带中心孔的第二有机玻璃胶塞10装入钢管4的上端,多余的固井水泥浆从第二有机玻璃胶塞10的中心孔中流出,将装有固井水泥浆样品5的钢管4放入恒温水浴中按规定的温度压力养护到规定时间,取出有第一机玻璃胶塞9和第二有机玻璃胶塞10,把装有固井水泥固化体试验样品5的钢管4放入固井水泥环力学性能模拟试验仪中进行测试分析试验。
所述的钢管4是外径为25~30mm,内径为20~23mm,长度为80~100mm的不锈钢钢管或普通钢钢管。
所述的压紧圆盘2外径为98~120mm,厚度为35~45mm,一端设有M8内螺纹孔与加压接头1相连接,而另一端设有深度为15-20mm的M40-50内螺纹孔与旋紧压环3相连接,两端的内螺纹孔有由直径为4mm的孔相互连通。压紧圆盘2沿直径70mm-90mm圆周均匀分布4个直径为10.5mm的圆孔,通过螺杆连接部件6与另一个压紧圆盘相连接对旋紧压环3、钢管4和梯形橡胶密封圈7实施周向和径向的水力密封作用,制作材料为不锈钢或普通钢。
所述的旋紧压环3是外螺纹直径为M40-50,内钻锥形孔一端内径为33mm,另一端直径为30mm,坡度5°,厚度为17-23mm的空心外螺纹管,通过外螺纹与压紧圆盘2的内螺纹孔相连接,制作材料为不锈钢或普通钢。
所述的梯形橡胶密封圈7为梯形橡胶密封件,梯形底端外径为33mm,顶端外径为30mm,厚度为15~20mm。梯形橡胶密封圈7梯形底端钻有直径为10mm,深度为5mm的孔;梯形顶端钻有直径为25mm,深度为10-15mm的孔。
所述的挤压块8是长度为40-60mm,宽度为40-50mm,厚度为6~12mm的矩形钢块。
所述的第一有机玻璃胶塞9是外径为19~22mm,长度为25mm塑料圆柱体。
所述的第二有机玻璃胶塞10是外径为19~22mm,长度为25mm,中心钻孔直径为2-3mm的塑料圆柱体。
本发明的目的是,通过发明新型的固井水泥环完整性模拟评价试验仪,模拟井下压力变化对固井水泥环抗窜强度的影响规律,定量测定分析固井水泥环在各种井下工况条件下抗窜强度的变化情况,使测试数据能够真实、准确和完整地反应固井水泥环的完整性和力学性能,如水泥环的韧性、抗裂性能和自修复性能等等,进而有针对性地提出改善固井水泥石力学性能的机理与措施,提高固井水泥石在井下条件的完整性和承载能力。
固井水泥环完整性模拟评价试验仪的研究对于准确评价固井水泥环的完整性和力学性能,开展固井水泥环完整性与耐久性的研究,为固井设计提供可靠的设计依据,提高固井质量,延长油气井寿命具有重要的工程价值。
本发明的有益效果是:固井水泥环完整性模拟评价试验仪能够模拟水泥固化体微裂缝形成的实际工况,同时测定微裂缝形成与抗窜强度降低所需的机械挤压力,考核抗挤和抗裂性能。停止施加机械挤压力,通过对形成微裂缝后的固井水泥固化体施加水力压力,测定油井水泥样品的抗窜强度恢复值,又能够直观地考核固化体样品的弹韧性对微裂缝的自修复能力,比弹性模量、抗折强度等性能更直观可靠。所述的固井水泥环完整性模拟评价试验仪具有结构简单、成本低廉、操作方便,试验浆体用量小,试验工作时间短,能够真实模拟井下水泥环的力学环境等特点,是评价研究固井水泥环完整性的可靠试验手段。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明加压示意图。
图3是本发明钢管两端用第一有机玻璃胶塞和第二有机玻璃胶塞封闭的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参见附图,一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪,包括有加压接头1,加压接头1设置在压紧盘根2上,旋紧压环3通过丝扣与压紧圆盘2连接,并将梯形橡胶密封圈7固定在压紧圆盘2和钢管4上,通过螺杆螺帽连接组件6把装有固井水泥固化体试验样品5的钢管4夹紧并连接成为一个整体;梯形橡胶密封圈7通过两个压紧圆盘的轴向压紧作用和旋紧压环3的梯形面产生的侧向力保证钢管4在固井水泥环力学性能模拟试验仪的水力密封性能。
压块8与机械压力装置相连接对钢管和固井水泥固化体试验样品施加机械挤压力F1,模拟井下压力变化对固井水泥环损伤形成微裂缝的过程;加压接头1与流体加压装置连接,对钢管内的油井水泥固化体样品施加流体压力流体P1,模拟地层流体对固井水泥环的流体压力,测试评价固井水泥环的抗窜强度。
打磨清洗所述的钢管4,在钢管4下端塞上第一有机玻璃胶塞9,将固井水泥浆样品灌入钢管4,然后将带中心孔的第二有机玻璃胶塞10装入钢管4的上端,多余的固井水泥浆从第二有机玻璃胶塞10的中心孔中流出,将装有固井水泥浆试验样品5的钢管4放入恒温水浴中按规定的温度压力养护到规定时间,取出第一有机玻璃胶塞9和第二有机玻璃胶塞10,把装有固井水泥固化体试验样品5的钢管4放入固井水泥环力学性能模拟试验仪中进行测试分析试验。
参见图1和图2,钢管4是外径为25~30mm,内径为20~23mm,长度为80~100mm的不锈钢钢管或普通钢钢管。
参见图1和图2,压紧圆盘2是外径为98~120mm,厚度为35~45mm,一端设有M8内螺纹孔与加压接头1相连接,而另一端设有深度为15-20mm的M40-50内螺纹孔与旋紧压环3相连接,两端的内螺纹孔有由直径为4mm的孔相互连通。压紧圆盘2沿直径70mm-90mm圆周均匀分布4个直径为10.5mm的圆孔,通过螺杆连接部件6与另一个压紧圆盘相连接对组件旋紧压环3、钢管4和梯形橡胶密封圈7实施周向和径向的水力密封作用。制作材料为不锈钢或普通钢。
参见图1和图2,旋紧压环3是外螺纹直径为M40-50,内钻锥形孔,一端内径为33mm,另一端直径为30mm,坡度5°,厚度为17-23mm的空心外螺纹管,通过外螺纹与压紧圆盘2的内螺纹孔相连接。制作材料为不锈钢或普通钢。
参见图1和图2,梯形橡胶密封圈7是梯形橡胶密封件,梯形底端外径为33mm,顶端外径为30mm,厚度为15~20mm;梯形橡胶密封圈7梯形底端钻有直径为10mm,深度为5mm的孔;梯形顶端钻有直径为25mm,深度为10-15mm的孔。
参见图1和图2,挤压块8是长度为40-60mm,宽度为40-50mm,厚度为6~12mm的矩形钢块。
参见图1和图3,第一有机玻璃胶塞9是外径为19~22mm,长度为25mm塑料圆柱体。
参见图1和图3,第二有机玻璃胶塞10是外径为19~22mm,长度为25mm,中心钻孔直径为2-3mm的塑料圆柱体。
本发明的工作原理和试验流程是:
一、钢管4是固井水泥环力学性能模拟试验仪的基本部件,位于钢管4中部的固井水泥固化体样品5模拟固井水泥环与钢管的胶结状况。钢管样品的基本制作程序是:
打磨清洗所述的钢管4,在钢管4下端塞上第一有机玻璃胶塞9,将固井水泥浆样品灌入钢管4,然后将带中心孔的第二有机玻璃胶塞10装入钢管4的上端,多余的固井水泥浆从第二有机玻璃胶塞10的中心孔中流出,将装有固井水泥浆试验样品5的钢管4放入恒温水浴中按规定的温度压力养护到规定时间,取出第一有机玻璃胶塞9和第二有机玻璃胶塞10,把装有固井水泥固化体试验样品5的钢管4放入固井水泥环力学性能模拟试验仪中进行测试分析试验。
二、将两个旋紧压环3小口相对,穿入钢管4中,然后将梯形橡胶密封圈7盖在钢管4两端,让两个旋紧压环3分开并压人梯形密封圈7中。
三、将步骤2所述的连接部件,放入压紧圆盘2的中心孔中,旋紧旋紧压环3到预定位置,通过上紧四根螺杆螺母组件,形成可靠的流体压力密封。
四、将水力加压装置连接到加压接头上,按下列方法进行动静态试验:
(a)静态试验
①对钢管4内的固井水泥固化体样品5,通过静态水力加压装置(手动泵、平流泵、高压气瓶等)施加预定的静态水力压力,模拟地层流体压力对固井水泥环的作用。加压到预定压力值后,保持预定压力值。
②通过机械加压装置和加压块8对钢管4施加机械挤压力,模拟压力变化对固井水泥环的损伤破坏工况,在钢管4内的固井水泥环样品5受机械挤压力作用后形成微裂缝。在挤压力上升的同时,记录水力压力的变化情况,水力压力值变为零时的机械挤压力F10即为固井水泥固化体样品的抗挤压力和抗冲击压力,直观地反映固井水泥固化体样品的弹韧性和抗冲击性能。
③卸掉机械挤压力F10,再施加水力压力P,测定仪器出口端滴出第一滴水时的水力压力Pmax,即为油井水泥固化体样品在破坏性压应力解除后抗窜强度的恢复值,反映固井水泥环固化体弹韧性能对固井水泥环损伤的修复能力。
(b)动态试验
先施加预定水力压力P1,然后关闭水力压力源。通过机械挤压力F1对钢管4内的油井水泥固化体样品5施加挤压力形成微裂缝,使水力压力下降为零。然后通过动态水力压力加压装置,对形成微裂缝的固井水泥固化体样品5施加动态持续的水力压力,在出口端配备液体收集器和计量天平。所用的加压介质可以是轻质油、清水、自修复液等,在动态条件下模拟测试各种修复液对损伤的固井水泥环的自修复效果,以便开展水泥环完整性和可靠性的动态试验研究。
Claims (8)
1.一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪,包括有加压接头(1),其特征在于,加压接头(1)设置在压紧盘根(2)上,旋紧压环(3)通过丝扣与压紧圆盘(2)连接,并将梯形橡胶密封圈(7)固定在压紧圆盘(2)和钢管(4)上,通过螺杆螺帽连接组件(6)把装有固井水泥固化体试验样品(5)的钢管(4)夹紧并连接成为一个整体,梯形橡胶密封圈(7)通过两个压紧圆盘(2)的轴向压紧作用和旋紧压环(3)的梯形面产生的侧向力保证钢管(4)在固井水泥环力学性能模拟试验仪的水水力密封性能;
压块(8)与机械压力装置相连接对位于钢管(4)中的固井水泥固化体试验样品施加机械挤压力F1,模拟井下压力变化使油井水泥环损伤并形成微裂缝的过程,加压接头(1)与流体加压装置连接,对位于钢管(4)中的油井水泥固化体试验样品施加流体压力流体P1,模拟地层流体对固井水泥环的流体压力,测试评价固井水泥环的抗窜强度,
打磨清洗所述的钢管(4),在钢管(4)下端塞上第一有机玻璃胶塞(9),将固井水泥浆样品灌入钢管(4),然后将带中心孔的第二有机玻璃胶塞(10)装入钢管(4)的上端,多余的固井水泥浆从第二有机玻璃胶塞(10)的中心孔中流出,将装有固井水泥浆样品(5)的钢管(4)放入恒温水浴中按规定的温度压力养护到规定时间,取出第一有机玻璃胶塞(9)和第二有机玻璃胶塞(10),把装有固井水泥固化体试验样品(5)的钢管(4)放入固井水泥环力学性能模拟试验仪中进行测试分析试验。
2.根根据权利要求1所述的一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪,其特征在于,所述的钢管(4)是外径为25~30mm,内径为20~23mm,长度为80~100mm的不锈钢钢管或普通钢钢管。
3.根据权利要求1所述的一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪,其特征在于,所述的压紧圆盘(2)外径为98~120mm,厚度为35~45mm,一端设有M8内螺纹孔与加压接头(1)相连接,而另一端设有深度为15-20mm的M40-50内螺纹孔与旋紧压环(3)相连接,两端的内螺纹孔有由直径为4mm的孔相互连通,压紧圆盘(2)沿直径70mm-90mm圆周均匀分布4个直径为10.5mm的圆孔,通过螺杆连接部件(6)与另一个压紧圆盘相连接对组件旋紧压环(3)、钢管(4)和梯形橡胶密封圈(7)实施周向和径向的水力密封作用,制作材料为不锈钢或普通钢。
4.根据权利要求1所述的一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪,其特征在于,所述的旋紧压环(3)是外螺纹直径为M40-50,内钻锥形孔,一端内径为33mm,另一端直径为30mm,坡度5°,厚度为17-23mm的空心外螺纹管,通过外螺纹与压紧圆盘(2)的内螺纹孔相连接。制作材料为不锈钢或普通钢。
5.根据权利要求1所述的一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪,其特征在于,所述的梯形橡胶密封圈(7)为梯形橡胶密封件,梯形底端外径为33mm,顶端外径为30mm,厚度为15~20mm,梯形橡胶密封圈(7)梯形底端钻有直径为10mm,深度为5mm的孔;梯形顶端钻有直径为25mm,深度为10-15mm的孔。
6.根据权利要求1所述的一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪,其特征在于,所述的挤压块(8)是长度为40-60mm,宽度为40-50mm,厚度为6~12mm的矩形钢块。
7.根据权利要求1所述的一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪,其特征在于,所述的第一有机玻璃胶塞(9)是外径为19~22mm,长度为25mm塑料圆柱体。
8.根据权利要求1所述的一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪,其特征在于,所述的第二有机玻璃胶塞(10)是外径为19~22mm,长度为25mm,中心钻孔直径为2-3mm的塑料圆柱体。
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