CN103498662B - 一种水泥环结构完整性力学实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种水泥环结构完整性力学实验装置，这种水泥环结构完整性力学实验装置由水泥环养护模具和三轴应力养护釜构成，水泥环养护模具设置在三轴应力养护釜的内腔中；水泥环养护模具包括可调偏心上法兰盖、模拟井壁、模拟井壁外护筒、套管、可调偏心下法兰盘；三轴应力养护釜包括筒形容器、围压油缸、油缸活塞、轴压活塞、围压活塞、环形发热元件、电极，筒形容器内设置有围压活塞，围压油缸座在筒形容器上端面上，围压油缸与油缸活塞之间设置有硅油腔，轴压传感器连接轴压活塞，轴压传感器上端设置压机上盘；筒形容器内部设置环形发热元件，环形发热元件下端面压置在电极上，环形发热元件连接热电偶。本发明可以模拟油气井施工作业的实际工况，测得的胶结界面胶结强度更符合现场实际作业，更准确。

Description

一种水泥环结构完整性力学实验装置

一、技术领域：

本发明涉及的是石油工程固井领域中在复杂载荷作用下检测套管、水泥环、模拟井壁及其各接触界面的应力、应变、破坏载荷大小及规律的实验装置，具体涉及的是一种水泥环结构完整性力学实验装置。

二、背景技术：

油气井固井工程中，通过油井水泥浆的凝结与硬化作用所形成的化学粘结力、界面机械接触力等将套管和地层胶结在一起，从而形成了套管-水泥环-地层组结体，对套管及地层产生支撑与封固作用。外载荷作用下，套管与水泥环组合体的力学响应及结构完整性，将同时取决于套管、水泥环的力学性能及界面胶结状况。在油气井施工及生产过程中，施工载荷、地应力、温度等多种因素会对套管及水泥环产生力学作用，使套管-水泥环固结组合体受到应力与变形作用，过高的载荷作用条件下可能会造成胶结界面脱开、水泥环内部出现裂纹等结构破坏形式，危及套管-水泥环组合体的结构完整性，为水泥环的密封效果带来潜在危害。

在本发明做出之前，以往固井工程中界面胶结强度检测是以剪切胶结强度为取值，测量时采用剪切方式。实际工况中，套管内载荷撤除后，由于产生径向收缩，胶结界面上还将产生径向拉应力和周向切应力，这两种力作用下也可能导致界面撕开。因此在实际固井工程中，界面胶结强度值与原来的单轴剪切强度是有差别的，现有的实验装置不能完成实际工况条件下界面胶结强度的测量。

三、发明内容：

本发明的一个目的是提供一种水泥环结构完整性力学实验装置，它用于模拟套管试压、酸化压裂、注蒸汽热采等油气井施工作业条件下的载荷作用，检测水泥环、套管与地层间应力应变作用规律，套管-水泥环-地层组合体结构完整性状态与封固可靠性评价以及界面胶结强度数值的测定。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种水泥环结构完整性力学实验装置由水泥环养护模具和三轴应力养护釜构成，水泥环养护模具设置在三轴应力养护釜的内腔中；

水泥环养护模具包括可调偏心上法兰盖、模拟井壁、模拟井壁外护筒、套管、可调偏心下法兰盘，模拟井壁外护筒套在模拟井壁外，模拟井壁外护筒两端均带有翼缘，模拟井壁外护筒固定在可调偏心上法兰盖与可调偏心下法兰盘之间，套管插入到模拟井壁内并与可调偏心下法兰盘固定连接，模拟井壁与套管之间充满水泥浆；模拟井壁的内外壁上均设置有应变片，应变片与数据传输线连接。

三轴应力养护釜包括筒形容器、围压油缸、油缸活塞、轴压活塞、围压活塞、环形发热元件、电极，筒形容器内设置有围压活塞，围压油缸坐在筒形容器上端面上，垫块压置在围压活塞上端面，油缸活塞下端扣在垫块上，油缸活塞上部从围压油缸中穿出，轴压活塞穿过油缸活塞后插入围压活塞中，围压油缸与油缸活塞之间设置有硅油腔，轴压传感器连接轴压活塞，轴压传感器上端设置压机上盘；筒形容器内部设置环形发热元件，围压活塞与环形发热元件之间设置有Cu环，环形发热元件下端面压置在电极上，Cu环、环形发热元件、电极围成内腔，环形发热元件连接热电偶；电极下端插入电极座中，电极座中装有液态金属，电极座坐在压机下盘上。

上述方案中轴压活塞与轴压传感器通过另外一块垫块连接，该垫块下端面具有内凹的弧形面，轴压活塞上端面为向上凸起的弧形面，轴压活塞顶在垫块下，垫块上端面安装着轴压传感器。

上述方案中Cu环与围压活塞之间还设置有Pb环，Pb环起到传压和减少Cu环、环形发热元件、内腔三者之间接触电阻的作用。

上述方案中环形发热元件与筒形容器之间设置有保温层，筒形容器外部环绕冷却装置，保温层可以将热量阻隔住，防止筒形容器处于高温环境中变形而影响到测试效果，而冷却装置可以进一步降低筒形容器的温度。

上述方案中围压油缸与油缸活塞接合处设置密封环，防止硅油挤出。

有益效果：

（1）本发明可以根据实验精确度的要求选择全尺寸设计或几何相似原理设计。全尺寸设计突出优点是检测几何条件与实际完全相符，载荷作用下套管及水泥环应力大小及分布规律与实际较吻合，所选用套管可直接用现场套管截取不用特殊制作等。几何相似原理设计突出的优点是便于实现对井下温度、压力等条件的模拟及实验操作，且体积小，便于操作。

（2）本发明可以模拟油气井施工作业的实际工况，考虑到套管内载荷撤除后，由于产生径向收缩，胶结界面上还将产生径向拉应力和周向切应力，因此测得的胶结界面胶结强度更符合现场实际作业，更准确，更具有参考价值。

（3）本发明提供的三轴应力养护釜中的加温保温设备可以实现温度自动调节、恒温控制与计算机自动采集和处理，操作更自动化，方便化。

四、附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2为本发明中水泥环养护模具的结构示意图；

图3为本发明中三轴应力养护釜的结构示意图。

1-套管2-可调偏心上法兰盖3-模拟井壁外护筒4-模拟井壁5-水泥环6-失水排出孔7-固定螺钉8-可调偏心下法兰盘9-应变片10-数据传输线11-压机上盘12-轴压传感器13-垫块14-轴压活塞15-油缸活塞16-围压油缸17-硅油腔18-围压压力表19-手摇油泵20-密封环21-围压活塞22-Pb环23-Cu环24-内腔25-发热元件26-冷却水27-冷却装置28-筒形容器29-热电偶30-绝缘层31-电极32-液态金属33-电极座34-支撑座35-压机下盘36-水泥环养护模具。

五、具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，这种水泥环结构完整性力学实验装置由水泥环养护模具36和三轴应力养护釜构成，水泥环养护模具36设置在三轴应力养护釜的内腔中。从水泥环养护模具中养护成形的组合体放置于三轴应力养护釜中固定，进行实验测量。胶结界面剪切胶结强度借助其相关设备辅助测试。

如图2所示，水泥环养护模具包括可调偏心上法兰盖2、模拟井壁4、模拟井壁外护筒3、套管1、可调偏心下法兰盘8，模拟井壁外护筒3套在模拟井壁4外，模拟井壁外护筒3两端均带有翼缘，模拟井壁外护筒3一侧有失水排出孔6，用于排放水泥浆凝结过程中存在的失水。模拟井壁外护筒3通过翼缘及固定螺钉7固定在可调偏心上法兰盖2与可调偏心下法兰盘8之间，套管1插入到模拟井壁4内并与可调偏心下法兰盘8固定连接，模拟井壁4与套管1之间充满水泥浆，水泥浆最后形成水泥环5；模拟井壁4的内外壁上均设置有应变片9，应变片9与数据传输线10连接。水泥环养护模具36用来安放套管1和模拟井壁4，并在套管1与模拟井壁4所形成的环形空间中装载水泥浆，养护成形套管-水泥环-地层组合体。

可调偏心上法兰盖2和可调偏心下法兰盘8位于水泥环养护模具顶部和底部，用于套管1同心、偏心等情况的模拟，实现偏心度的定量调节的功能。应变片9位于套管1与水泥环5及水泥环5与模拟井壁4之间，用于测量第一、第二胶结界面处的应力变化。数据传输线10与应变片9相连，通过三轴应力养护釜将测得的实验数据输出。

如图3所示，三轴应力养护釜包括筒形容器28、围压油缸16、油缸活塞15、轴压活塞14、围压活塞21、环形发热元件25、电极31，筒形容器28内设置有围压活塞21，围压油缸16座在筒形容器28上端面上，垫块13压置在围压活塞21上端面，油缸活塞15下端扣在垫块13上，油缸活塞15上部从围压油缸16中穿出；轴压活塞14穿过油缸活塞15后插入围压活塞21中，围压油缸16与油缸活塞15之间设置有硅油腔17，测试时硅油输入到硅油腔17内，轴压活塞14与轴压传感器12通过另外一块垫块13连接，该垫块13下端面具有内凹的弧形面，轴压活塞14上端面为向上凸起的弧形面，轴压活塞14顶在垫块13下，垫块13上端面安装着轴压传感器12，轴压传感器12上端设置压机上盘11，通过垫块13与轴压活塞14相连，用于测量施加轴向压力的大小。

筒形容器28内部设置环形发热元件25，围压活塞21与环形发热元件25之间设置有Pb环22和Cu环23，环形发热元件25下端面压置在电极31上，Cu环23、环形发热元件25、电极31围成内腔，内腔24设计为内径为500mm高为400mm的圆柱体，放置套管-水泥环-模拟井壁组合体。轴压活塞14位于套管-水泥环-模拟井壁组合体之上，对其施加轴向压力。

压机上盘11与压机下盘35分别位于三轴应力养护釜的顶部和底部，用于向轴压活塞14提供压力。围压油缸16，油缸活塞15及围压活塞21为环形，围压压力表18和手摇油泵19与围压油缸16相连。施加围压时，手摇油泵19推动围压油缸16，由传压介质硅油传递压力到油缸活塞15，油缸活塞15通过垫块13将压力传递到围压活塞21，再由围压活塞21向套管-水泥环-模拟井壁组合体施加围压，围压压力表18记录围压大小。密封环20位于围压油缸16与油缸活塞15接合处，防止硅油挤出。

环形发热元件25连接热电偶29，环形发热元件25与筒形容器28之间设置有保温层，筒形容器28外部环绕冷却装置27，冷却装置27内壁有螺旋形的冷却水通道，冷却水26在冷却水道内流动；电极31下端插入电极座33中，电极座33中装有液态金属32，电极座33坐在压机下盘35上，电极31外侧涂有绝缘层30。电流经电极31，发热元件25，Cu环23及装置内腔24形成回路，用于给套管-水泥环-模拟井壁组合体加温，最高温度应达到300~350℃。对套管-水泥环-模拟井壁组合体施加的温度由热电偶29监测。绝缘层30、液态金属32及电极座33起到装置与外界绝缘的作用。

支撑座34位于主体装置之下，压机下盘35之上，起到对整体实验装置的支撑作用。

上述水泥环结构完整性力学实验装置的实验方法可分为两种，第一种全尺寸装置实验方法如下：

（1）按照真实套管尺寸、井眼尺寸及相应水泥环厚度进行装置全尺寸几何尺寸设计。在套管与井眼尺寸选择上着重考虑127mm（5″）和177.8mm（7″）2种尺寸套管，考虑到套管与钻头、井眼尺寸配合及井眼扩大率，以N80套管为例。表1给出了上述两种尺寸套管及其所对应的井径、对应的实际水泥环厚度。

表1套管尺寸与水泥环厚度

（2）采用人造岩心技术模拟井壁。一般用石英砂经过粒径分选并通过胶结压实等过程制备，可根据模拟地层需要制备不同渗透率的模拟井壁。模拟井壁内径为表1规定的尺寸，高度为200mm，模拟井壁环的厚度至少应达到30mm。

（3）用套管、水泥环和模拟井壁胶结养护模具来安放套管1与模拟井壁4，并在套管1与模拟井壁4所形成的环形空间中装载水泥浆，养护成套管-水泥环-模拟井壁组合体，再将养护好的组合体固定于三轴应力养护釜内。

（4）三轴应力养护釜对套管-水泥环-模拟井壁组合体施加温度和压力，压力包括套管内、外轴向压力和围压，模拟套管试压、酸化压裂、注蒸汽热采等油气井施工作业实际工况条件，并通过计算机采集各压力数值。

（5）通过在套管、水泥环及模拟井壁上的应变片9（电阻应变计或其他方式），对载荷作用下组合体应力应变相应进行实时测量和记录。

（6）将养护完成的套管-水泥环-模拟井壁组合体脱模后放置在胶结界面剪切胶结强度测试实验架上加压检测，加压过程所施加的力、应力、应变及界面破坏应力可通过计算机进行实时采集与处理。

第二种几何相似原理小体积装置实验方法如下：

（1）采用几何相似原理进行装置设计时，可以考虑选择适当的几何相似比，相似比越接近1越与实际尺寸接近。选取几何相似比为1:2，对于上述两种直径及壁厚的套管，相应的模拟套管的直径、壁厚如表2。表3给出了模拟套管尺寸及井壁内径和水泥环厚度。

表2N80套管尺寸与模拟套管尺寸

表3模拟套管尺寸及井壁内径和水泥环厚度

（2）采用人造岩心技术模拟井壁。一般用石英砂经过粒径分选并通过胶结压实等过程制备，可根据模拟地层需要制备不同渗透率的模拟井壁。模拟井壁内径为表3规定的尺寸，高度为100mm，模拟井壁环的厚度至少应达到30mm。

（3）用套管、水泥环和模拟井壁胶结养护模具来安放套管1与模拟井壁4，并在套管1与模拟井壁4所形成的环形空间中装载水泥浆，养护成套管-水泥环-模拟井壁组合体，再将养护好的组合体固定于三轴应力养护釜内。

（4）三轴应力养护釜对釜内套管-水泥环-模拟井壁组合体施加温度和压力，压力包括套管内、外轴向压力和围压，模拟套管试压、酸化压裂、注蒸汽热采等油气井施工作业实际工况条件，并通过计算机采集各压力数值。

（5）通过在套管1、水泥环5及模拟井壁4上的应变片9（电阻应变计或其他方），对载荷作用下组合体应力应变相应进行实时测量和记录。

（6）将养护完成的套管-水泥环-模拟井壁组合体脱模后放置在胶结界面剪切胶结强度测试实验架上加压检测，加压过程所施加的力、应力、应变及界面破坏应力可通过计算机进行实时采集与处理。

Claims (5)

1.一种水泥环结构完整性力学实验装置，其特征在于：这种水泥环结构完整性力学实验装置由水泥环养护模具（36）和三轴应力养护釜构成，水泥环养护模具设置在三轴应力养护釜的内腔（24）中；

水泥环养护模具（36）包括可调偏心上法兰盖（2）、模拟井壁（4）、模拟井壁外护筒（3）、套管（1）、可调偏心下法兰盘（8），模拟井壁外护筒（3）套在模拟井壁（4）外，模拟井壁外护筒（3）两端均带有翼缘，模拟井壁外护筒（3）固定在可调偏心上法兰盖（2）与可调偏心下法兰盘（8）之间，套管（1）插入到模拟井壁（4）内并与可调偏心下法兰盘（8）固定连接，模拟井壁（4）与套管（1）之间充满水泥浆；模拟井壁（4）的内外壁上均设置有应变片（9），应变片（9）与数据传输线（10）连接；

三轴应力养护釜包括筒形容器（28）、围压油缸（16）、油缸活塞（15）、轴压活塞（14）、围压活塞（21）、环形发热元件（25）、电极（31），筒形容器（28）内设置有围压活塞（21），围压油缸（16）坐在筒形容器（28）上端面上，第一垫块（13）压置在围压活塞（21）上端面，油缸活塞（15）下端扣在第一垫块（13）上，油缸活塞（15）上部从围压油缸（16）中穿出，轴压活塞（14）穿过油缸活塞（15）后插入围压活塞（21）中，围压油缸（16）与油缸活塞（15）之间设置有硅油腔（17），轴压传感器（12）连接轴压活塞（14），轴压传感器（12）上端设置压机上盘（11）；筒形容器（28）内部设置环形发热元件（25），围压活塞（21）与环形发热元件（25）之间设置有Cu环（23），环形发热元件（25）下端面压置在电极（31）上，Cu环（23）、环形发热元件（25）、电极（31）围成内腔（24），环形发热元件（25）连接热电偶（29）；电极（31）下端插入电极座（33）中，电极座（33）中装有液态金属（32），电极座（33）坐在压机下盘（35）上。

2.根据权利要求1所述的水泥环结构完整性力学实验装置，其特征在于：所述的轴压活塞（14）与轴压传感器（12）通过第二垫块（13）连接，该垫块（13）下端面具有内凹的弧形面，轴压活塞（14）上端面为向上凸起的弧形面，轴压活塞（14）顶在第二垫块（13）下，垫块（13）上端面安装着轴压传感器（12）。

3.根据权利要求2所述的水泥环结构完整性力学实验装置，其特征在于：所述的Cu环（23）与围压活塞（21）之间还设置有Pb环（22）。

4.根据权利要求3所述的水泥环结构完整性力学实验装置，其特征在于：所述的环形发热元件（25）与筒形容器（28）之间设置有保温层，筒形容器（28）外部环绕冷却装置（27）。

5.根据权利要求4所述的水泥环结构完整性力学实验装置，其特征在于：所述的围压油缸（16）与油缸活塞（15）接合处设置密封环（20）。