CN104727805B - 水泥环胶结强度评价装置 - Google Patents

Abstract

一种水泥胶结强度评价实验装置，主要由与电控搅拌器为一体的釜盖(1)、与热电偶配合使用的养护釜盖(7)、釜体(2)、岩芯（4)、钻井液储液罐(29)、冲洗液储液罐(35)和管路系统组成，其特征在于，釜体(2)与釜盖（1、7）螺纹连接，并通过管路和阀门系统与钻井液储液罐(29)、冲洗液储液罐(35)、氮气源(11)、空气源(12)以及水源(13)系统相连。与现有测量胶结强度的典型装置相比，本发明的有益效果在于：评价胶结性能时，模拟了地层岩芯或人造岩芯壁面泥饼形成与冲洗过程，模拟了水泥石与两个界面同时胶结的情况，更加符合现场实际情况，为确定合理的现场施工方案提供参考依据。

Description

水泥环胶结强度评价装置

技术领域

本发明涉及石油工程材料检测技术领域中一种模拟评价油井水泥环胶结强度评价装置。

背景技术

固井注水泥完成后，水泥环与两个界面胶结状态的好坏对固井质量有重大的影响。目前，界面胶结强度的影响因素已较为明确，主要有地层压力、地层水渗流、地层岩性、水泥石自身性能、钻井液在地层形成的滤饼以及固井时对滤饼的冲洗效果等。但界面的胶结强度的大小以及水泥环与地层胶结面防窜流能力的强弱无法在井下直接测量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的空白，为评价水泥环与地层或套管之间的胶结质量而提出一种水泥环胶结强度评价装置。

本发明的技术方案如下：

一种水泥环胶结强度评价装置，由压力釜系统和外围控制系统两部分通过气、液管路连接组成，其中：压力釜系统包括压力釜和岩芯、岩芯夹持器、模拟套管，压力釜包括顶部开口的釜体，与压力釜顶部开口处分别密闭连接配合的釜盖和养护釜盖，其中釜盖上设有电控搅拌器，电控搅拌器下部连接的搅拌浆叶轴向延伸至釜体底部，养护釜盖带有热电偶，在釜体底座和侧部分别设置进出管口，釜体底座沿轴心预制有圆形凹槽，圆形凹槽与底座设置的进出管口贯通；岩芯夹持器上部带有一圆形托盘，圆形托盘外周边与模拟套管连接，岩芯夹持器中间固定岩芯，岩芯夹持器下部为与釜体底座上的圆形凹槽插接配合的缩径凸台，凸台中间设有连通于岩芯和釜体底座进出管口之间的通孔，模拟套管套在圆形托盘上方的岩芯部分，顶部设有密封端盖，密封端盖居中设有通孔，密封端盖外周边通过连接件与圆形托盘连接后将模拟套管和岩芯紧紧夹固，并在岩芯和模拟套管之间形成水泥浆侯凝室；外围控制系统包括钻井液储液罐、冲洗液储液罐、氮气源、空气源、水源以及连接在其间的管路、泵和阀。

上述方案进一步包括：

所述外围控制系统中，氮气源与气体高压泵、蓄能器、调压阀相连，在调压阀后的管路又分两个支路，支路一通过高压进气阀与釜体上部进出管口和排气阀相连，支路二通过气窜阀接入釜体底座的岩芯夹持器底部；水源经过进水阀之后，一部分通过液体高压泵、隔离阀连接釜体上部进出管口和储液溢出阀，另一部分连接蓄水器、泄压节止和泄压泵，还有一部分经过蓄水器与液窜阀后接入釜体底座的岩芯夹持器底部；空气源经过空气调压阀后分成四个支路，支路一经过气增压阀接入到气体高压泵所在的管路，进而与前述氮气源管路相连，支路二经过液增压阀接入到液体高压泵所在的管路，进而与前述的水源13管路相连，支路三经过空气至釜阀接入到进水阀和液体高压泵之间的管路，进而与水源13管路相连，支路四与钻井液储液罐、冲洗液储液罐、三通阀连接到釜体下部的进出管口。

釜体为圆筒型，釜体与釜盖和养护釜盖均采用螺纹连接，釜体底部的圆形凹槽边缘连有3个成120°夹角的小凹槽，圆形凹槽中间还同心嵌入直径略小的凹槽，岩芯夹持器中下部边缘分布3个卡扣，尺寸与釜体底座的三个小凹槽一一对应，并将岩芯夹持器下端固定。

岩芯夹持器上部为一钢制圆形托盘，圆形托盘上面有3个钢制卡扣，成120°夹角分布，与模拟套管底部连接，圆形托盘外边缘均匀对称分布6个螺纹孔；模拟套管为一空心铜管，模拟套管顶部密封端盖通过螺杆与圆形托盘的螺纹孔连接将模拟套管和岩芯紧紧夹固。

搅拌浆叶的直径与岩芯直径相同，顶在岩芯上面。

该装置中还包括强度测试伺服试验机。

本发明的有益效果在于：

该装置能模拟岩芯周围钻井液泥饼的动态形成，评价冲洗液对泥饼的冲洗效果，模拟水泥浆与地层岩芯、人造岩芯或模拟套管之间在高温高压养护下形成水泥环的过程，并测量出水泥环与地层岩芯、人造岩芯或模拟套管两个胶结界面的胶结强度，为评价水泥环与地层或套管之间的胶结性能提供必要的实验基础。此外，该装置操作简单易学。一种评价水泥环胶结性能的装置，

附图说明

图1是水泥环胶结强度评价装置模拟泥饼形成或冲洗状态的釜体内部剖面图；

图2是水泥环胶结强度评价装置模拟水泥浆注入与养护状态的釜体内部剖面图；

图3是水泥环胶结强度评价装置的管路原理图。

图中，与电控搅拌器为一体的釜盖1、釜体2、搅拌浆叶3、岩芯4、岩芯夹持器5、底座6、与热电偶配合使用的养护釜盖7、水泥浆侯凝腔8、模拟套管9、密封端盖10、氮气源11、空气源12、水源13、空气调压阀14、空气至釜15、气增压阀16、气体高压泵17、蓄能器18、液体高压泵19、调压阀20、高压进气阀21、釜体外壳22、隔离阀23、储液溢出阀24、泄压泵25、泄压节止26、进水阀27、蓄水器28、钻井液储液罐29、三通阀30、排气阀31、液窜阀32、失水阀33、气窜阀34、冲洗液储液罐35、液增压阀36、高压释放阀37。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式来对本发明作进一步的说明：

压力釜釜体为圆筒型，釜体底部有中心有圆形凹槽，凹槽边缘连有3个成120°夹角的小凹槽，圆形凹槽中间还同心嵌入直径略小的凹槽，起到固定岩芯夹持器的作用。

考虑到压力釜釜体底座的特殊构造和更好的固定岩芯，专门制作了岩芯夹持器。岩芯夹持器分为三层，上部为一钢制圆形托盘，圆形托盘上面有3个钢制卡扣，成120°夹角分布，起到固定模拟套管的作用，托盘外边缘均匀对称分布3个螺纹孔；中部是外径小于上部圆形托盘的钢制圆柱体，该圆柱体下边缘分布3个卡扣，尺寸与压力釜釜体底座的三个小凹槽一一对应；下部居中连有外径更小的钢制圆柱体（即技术方案中的凸台），中间有小孔贯穿，三部分为同心圆结构，置于釜体底部。

在模拟钻井液泥饼的动态形成以及冲洗过程中，为模拟任何合理冲洗速度下的冲洗效果，该装置配置了无极变速的电控搅拌器。为避免流体搅动时岩芯顶部流场受到干扰，专门制作一与岩芯直径相等的圆柱体置于岩芯上面，并将电控搅拌器的搅拌浆叶顶到圆柱体上。

为同时评价水泥浆与岩芯、套管的胶结性能，在所述的岩芯夹持器顶部圆形托盘上可以固定一圆环体来表征模拟套管，进而岩心夹持器的顶部圆形托盘、居中内置在岩芯夹持器上岩芯以及固定的模拟套管就形成水泥浆候凝室。该流道满足与现场实际井眼尺寸的几何相似，能满足模拟现场实际井径变化、地层特性的要求。

为能安全、稳定、均匀的对压力釜加压，该装置配置了气动液压系统，该系统中共有氮气、水、空气三种流体介质。

为多功能实现模拟钻井液泥饼的形成、冲洗以及水泥浆注入和养护，该装置配置有不同的压力釜釜盖，一种为与电控搅拌器为一体的釜盖，另一种为与热电偶配合使用的釜盖。

1.对水泥环胶结强度评价装置中釜体2的主要内部结构进行说明：

釜体2为圆筒型，釜体2底部有中心有圆形凹槽，凹槽边缘连有3个成120°夹角的小凹槽，圆形凹槽中间还同心嵌入直径略小的凹槽，起到固定岩芯夹持器5的作用。岩芯夹持器5在釜体2底部居中放置也分为三层，上部为一钢制圆形托盘，圆形托盘上面有3个钢制卡扣，成120°夹角分布，起到固定模拟套管的作用，托盘外边缘均匀对称分布6个螺纹孔；中部是外径小于上部圆形托盘的钢制圆柱体，该圆柱体下边缘分布3个卡扣，尺寸与釜体2底座的三个小凹槽一一对应；下部居中连有外径更小的钢制圆柱体（即前述凸台），中间有小孔贯穿，三部分为同心圆结构，置于釜体2底部。

如图1所示的模拟泥饼形成和冲洗状态，岩心夹持器5中间固定好岩芯4，搅拌浆叶3上部和与电控搅拌器为一体的釜盖1相连，用于搅拌钻井液和冲洗液。

如图2所示的模拟水泥浆注入和养护状态，岩芯夹持器5中间固定岩芯4，岩芯夹持器5上部固定模拟套管9，模拟套管9为一空心铜管。模拟套管9上面又连有密封盖10，密封盖10居中有小孔且密封盖10边缘均匀分布6个螺纹孔。密封盖10和岩芯夹持器5通过6根钢制螺杆，将模拟套管9和岩芯4紧紧夹在一起，并形成水泥浆侯凝室8。

2.对水泥环胶结强度评价装置中管路系统连接情况进行说明：

如图3所示，水泥环胶结强度评价装置中管路系统主要从氮气源11、水源13、空气源12三个始端入手，三个源头所引出的管路既相互独立有相互联系，以下依次进行介绍和说明。

1）氮气源11引出的管路连接情况如下所述：

氮气源11与气体高压泵17、蓄能器18、调压阀20相连，在调压阀20后的管路又分两个支路。①一部分通过高压进气阀21与釜体2和排气阀31相连；②另一部分通过气窜阀34接入釜体2下端的岩芯夹持器5底部。

①部分的支路的功用是向釜体2内增压以模拟井筒压力；②部分的支路是向装入岩芯夹持器5中的岩芯4内部增压以模拟地层流体（主要指气体）的压力，该部分只是在做气窜实验时才使用，其他实验时一般将气窜阀34关闭。

管路中的蓄能器18储藏从氮气源11输送的氮气，表征氮气源11的压力。气体高压泵17把从空气源12中输入的空气增压，然后将高压气注入蓄能器18中以提高蓄能器18中的工作压力。调压阀20控制蓄能器18中输出到釜体2内的气体压力大小。

2）水源12引出的管路连接情况如下所述：

水经过进水阀27、液体高压泵19、隔离阀23流入釜体2。空气源12经过液增压阀36接入液体高压泵19，其目的是形成高的液压。当打开隔离阀23时，高压水流进入到釜体2实现给釜体2增压。

蓄水器28安装在液体高压泵19、隔离阀23之间的管路，蓄水器28之后通过液窜阀32接入釜体2下端的岩芯夹持器5底部，向装在岩芯夹持器5中的岩芯4内部增压，以模拟地层流体（主要指油或水）压力。

泄压截止阀26和泄压泵25安装在蓄水器28和液窜阀32之间的管路。在实验过程中，打开泄压截止阀26，泄压泵25就接入管路并开始工作，在釜体2内的液压高于设置的实验压力时会自动泄掉部分釜体2内的液压使其等于设置的实验压力。

3）空气源12 引出的管路连接情况如下所述：

空气源12经过空气调压阀14后有四个通路：

①一部分经过气增压阀16接入到气体高压泵17所在的管路，进而与前面所述的氮气源11管路相连。该部分的目的是当前面所述的蓄能器18中的氮气压力不充足而不能满足实验要求时，通过气体高压泵17把高压空气注入到蓄能器18中以提高蓄能器18中的压力。

②一部分经过液增压阀36接入到液体高压泵19所在的管路，进而与前面所述的水源13管路相连。

③一部分经过空气至釜阀15接入到进水阀27和液体高压泵19之间的管路，进而与水源13管路相连。空气至釜阀15的目的是把釜体2内的流体泵出釜体2。

④一部分与钻井液储液罐29、冲洗液储液罐35、三通阀30、釜体2连通。该部分是通过空气压力把钻井液储液罐29或冲洗液储液罐35中储藏的钻井液或冲洗液泵入到釜体2内。高压释放阀37接入三通阀30的一个支路，用以释放釜体2内的液压。

3.对水泥环胶结强度评价装置的具体使用过程进行说明：

1）首先，介绍模拟钻井液泥饼形成的操作过程：

a．在进行试验前，先用岩芯加工与钻孔机钻取试验用岩芯4，将准备好的试验用岩芯4装入岩芯夹持器5，放入釜体2，盖上与电控搅拌器为一体的釜盖1。

b.将预先配置好的钻井液装入钻井液储液罐29中，打开空气源12、三通阀30和储液溢出阀24，并关闭液增压阀36、隔离阀23、排气阀31，通过调节空气调压阀(14)调节进气压力，该操作的目的是将钻井液储液罐29中的钻井液泵入釜体2中。

c.待有钻井液从储液溢出管线中溢出则表明釜体2内已充满钻井液，然后关闭储液溢出阀24、三通阀30。

d.紧接着，向釜体2内增压，此时需要打开氮气源11、高压进气阀21，通过调节调压阀20把蓄能器18中的部分氮气压力输送至釜体2内，直到增压至确定的实验压力。

e.当氮气源11中的压力不充足而难以满足压力需求时，首先要提高蓄能器18中的压力，此时应打开空气源12、气增压阀16，通过气体高压泵17向蓄能器18中增压，然后采用同上的方法向釜体2内增压。

f.设置釜体2内的温度程序和电控搅拌器的搅拌转速及时间，开启程序，打开电控搅拌器开关，在电控搅拌器作用下搅拌钻井液，搅拌过程模拟井内钻井液循环情况下的动滤失过程(动滤失是钻井液滤失过程中历经时间最长的)，同时在一定程度上保证了泥饼形成的均匀性。在釜体2内的压力作用下，钻井液中的自由水向试验用岩芯4的孔隙中渗透，并在岩芯4壁面形成泥饼。

2）其次，介绍模拟钻井液泥饼冲洗的操作过程：

a.模拟泥饼冲洗过程之前先要泵出釜体2中的钻井液，为此先要释放釜体2内的压力，该过程依次为关闭运行的程序和搅拌器开关，关闭高压进气阀21，打开排气阀31，待釜体2内的压力完全释放后再再关闭排气阀31。

b.打开空气源12、三通阀30、隔离阀23、空气至釜15把釜体2内的钻井液全部泵回钻井液储液罐29中。待钻井液被全部泵回钻井液储液罐29后，再关闭空气源12、空气至釜15、隔离阀23。

c.将配好的冲洗液装入冲洗液储液罐35中。然后采用同1）所述的方法来将钻井液泵入釜体2、向釜体2内增压以及编辑实验程序等。泵入的冲洗液类型依据现场所用的流体而定，根据现场需要来设定不同的冲洗速度、冲洗时间。加温加压冲洗，模拟井下冲洗液对泥饼的冲洗效果。

3）再次，介绍模拟水泥浆注入与养护的操作过程：

a.在模拟完1）和2）所述的过程后，以相同的方式泵出冲洗液,并取出岩芯夹持器5。

b.在岩芯夹持器5上安装模拟套管9，向模拟套管9和岩芯4形成的水泥浆侯凝室8内灌注水泥浆，盖上密封盖10，并将其放入釜体2内，然后盖上与热电偶配合使用的养护釜盖7。

c.向釜体2内加注养护液，该实验装置中加注的养护液为水。加注养护液的过程为：打开水源13、进水阀27、隔离阀23、储液溢出阀24。储液溢出管线中流出养护液时表明釜体2内的养护液已经加注满，然后关闭储液溢出阀24。

d.向釜体2内增压，增压方式不同于前面模拟泥饼形成和冲洗过程中的增压方式。模拟泥饼形成和冲洗过程中向釜体2内加入的是气压而此处向釜体2内加入的为液压。增压具体过程为：关闭高压进气阀21、排气阀31，打开空气源12、隔离阀23、液增压阀36，经过液体高压泵19向釜内增压至实验压力。

e.设置釜体2内的温度和时间程序并运行程序，打开进水阀27、液增压36、泄压截止阀26并使其处于自动位，以便根据釜体2内的实际压力而自动增压或补压。

f. 待水泥浆养护到一定龄期后，取出岩芯夹持器5和岩芯4。在该过程中仍要先释放釜体2内的压力，具体过程为：关闭程序、进水阀27、液增压36、泄压截止阀26，打开三通阀30、高压释放阀37。

4）在强度测试伺服试验机上压出岩芯，由此计算出水泥环的界面胶结强度。

Claims (6)

1.一种水泥环胶结强度评价装置，由压力釜系统和外围控制系统两部分通过气、液管路连接组成，其特征是：压力釜系统包括压力釜和岩芯、岩芯夹持器、模拟套管，压力釜包括顶部开口的釜体，与压力釜顶部开口处分别密闭连接配合的釜盖和养护釜盖，其中釜盖上设有电控搅拌器，电控搅拌器下部连接的搅拌浆叶轴向延伸至釜体底部，养护釜盖带有热电偶，在釜体底座和侧部分别设置进出管口，釜体底座沿轴心预制有圆形凹槽，圆形凹槽与底座设置的进出管口贯通；岩芯夹持器上部带有一圆形托盘，圆形托盘外周边与模拟套管连接，岩芯夹持器中间固定岩芯，岩芯夹持器下部为与釜体底座上的圆形凹槽插接配合的缩径凸台，凸台中间设有连通于岩芯和釜体底座进出管口之间的通孔，模拟套管套在圆形托盘上方的岩芯部分，顶部设有密封端盖，密封端盖居中设有通孔，密封端盖外周边通过连接件与圆形托盘连接后将模拟套管和岩芯紧紧夹固，并在岩芯和模拟套管之间形成水泥浆侯凝室；外围控制系统包括钻井液储液罐、冲洗液储液罐、氮气源、空气源、水源以及连接在其间的管路、泵和阀，所述岩芯夹持器中部设有外径小于上部圆形托盘的圆柱体，圆柱体下边缘分布3个卡扣，尺寸与压力釜釜体底座的三个小凹槽一一对应。

2.如权利要求1所述的水泥环胶结强度评价装置，其特征是：所述外围控制系统中，氮气源与气体高压泵、蓄能器、调压阀相连，在调压阀后的管路又分两个支路，支路一通过高压进气阀与釜体上部进出管口和排气阀相连，支路二通过气窜阀接入釜体底座的岩芯夹持器底部；水源经过进水阀之后，一部分通过液体高压泵、隔离阀连接釜体上部进出管口和储液溢出阀，另一部分连接蓄水器、泄压节止和泄压泵，还有一部分经过蓄水器与液窜阀后接入釜体底座的岩芯夹持器底部；空气源经过空气调压阀后分成四个支路，支路一经过气增压阀接入到气体高压泵所在的管路，进而与前述氮气源管路相连，支路二经过液增压阀接入到液体高压泵所在的管路，进而与前述的水源管路相连，支路三经过空气至釜阀接入到进水阀和液体高压泵之间的管路，进而与水源管路相连，支路四与钻井液储液罐、冲洗液储液罐、三通阀连接到釜体下部的进出管口。

3.如权利要求1或2所述的水泥环胶结强度评价装置，其特征是：釜体为圆筒型，釜体与釜盖和养护釜盖均采用螺纹连接，釜体底部的圆形凹槽边缘连有3个成120°夹角的小凹槽，圆形凹槽中间还同心嵌入直径略小的凹槽，岩芯夹持器中下部边缘分布3个卡扣，尺寸与釜体底座的三个小凹槽一一对应，并将岩芯夹持器下端固定。

4.如权利要求3所述的水泥环胶结强度评价装置，其特征是：岩芯夹持器上部为一钢制圆形托盘，圆形托盘上面有3个钢制卡扣，成120°夹角分布，与模拟套管底部连接，圆形托盘外边缘均匀对称分布6个螺纹孔；模拟套管为一空心铜管，模拟套管顶部密封端盖通过螺杆与圆形托盘的螺纹孔连接将模拟套管和岩芯紧紧夹固。

5.如权利要求4所述的水泥环胶结强度评价装置，其特征是：搅拌浆叶的直径与岩芯直径相同，顶在岩芯上面。

6.如权利要求5所述的水泥环胶结强度评价装置，其特征是：该装置中还包括强度测试伺服试验机。