CN105092465A - 一种固井水泥胶结强度测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固井水泥胶结强度测试装置及方法，该装置包括底座和支架；液压动力系统，固定设置在底座的中部；压力传感器，设置在液压动力系统的底部；顶柱，设置在液压动力系统上平面的中部，顶柱包含顶柱下台阶和顶柱凸起；固定套筒和胶结筒，固定套筒设置在顶柱下台阶上，胶结筒置于固定套筒内，顶柱凸起置于胶结筒内；固定挡板和活动挡板，固定挡板固定设置于支架的上部，活动挡板位于固定顶板下并套设在胶结筒上；当液压动力系统推动顶柱向上运动将胶结筒内凝固的水泥顶出时，压力采集系统用于采集获得压力传感器检测到的压力值。通过上述技术方案，解决了现有技术中胶结强度测试准确性较低的技术问题，提高胶结强度测试时的准确性。

Description

一种固井水泥胶结强度测试装置及方法

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，特别涉及一种固井水泥胶结强度测试装置及方法。

背景技术

钻井过程中，由于井壁具有渗透性和钻井液中含有膨润土等固相物质，因此会在井壁上形成泥饼；在固井施工中，固井水泥浆被注入套管与井壁之间的环空，水泥浆在井下高温高压环境下而最终凝固形成与井壁和套管之间具有一定胶结能力的水泥环，胶结强度的大小表示水泥和井壁(或套管)结合的牢固程度。因此水泥与井壁(或套管)的胶结强度是保证固井质量的主要因素之一。为此，在固井前要根据井眼状况、地层条件及应用钻井液情况，测试水泥胶结强度，从而优选适应的水泥浆或钻井液体系尤为重要。

现有技术中的测试装置，包括：顶盖、底座、套管和油管。通过向油管和套管的环形空间中加入确定配方的水泥浆，并将整个测试装置放在规定养护条件的环境下养护一定时间，养护完毕后，拆卸下螺帽、螺栓等，取出水泥环，用压力机进行压力测试，分别记录内环界面和外环界面水泥石剥落时的压力，从而得到胶结强度。由于装置结构限制，用压力机进行内环、外环界面压力测试时会相互干扰，导致测试的准确性较低。

可见，现有技术中存在胶结强度测试准确性较低的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种固井水泥胶结强度测试装置及方法，用于解决现有技术中胶结强度测试准确性较低的技术问题，提高胶结强度测试时的准确性。

本申请实施例提供一种胶结强度测试装置，所述装置包括：

底座和支架，所述支架固定设置在所述底座的两侧；

液压动力系统，固定设置在所述底座的中部；

压力传感器，设置在所述液压动力系统的底部，其中，所述压力传感器与压力采集系统相连；

顶柱，设置在所述液压动力系统上平面的中部，所述顶柱包含顶柱下台阶和顶柱凸起；

固定套筒和胶结筒，所述固定套筒设置在所述顶柱下台阶上，所述胶结筒置于所述固定套筒内，所述顶柱凸起置于所述胶结筒内；

固定挡板和活动挡板，所述固定挡板固定设置于所述支架的上部，所述活动挡板位于所述固定顶板下并套设在所述胶结筒上，其中，所述活动挡板上包含有台阶圆孔，所述台阶圆孔上部直径大于等于胶结筒内径且小于胶结筒外径；所述台阶圆孔下部直径大于胶结筒外径且小于固定套筒外径；

当液压动力系统推动顶柱向上运动将胶结筒内凝固的水泥顶出时，所述压力采集系统用于采集获得所述压力传感器检测到的压力值。

可选的，所述装置还包括：

胶结筒底座，用于在向所述胶结筒内注入水泥浆时，密封所述胶结筒底部；

胶结筒上盖，用于在将盛满水泥浆的胶结筒放入高温高压养护装置中进行高温高压养护时盖在所述胶结筒顶部。

可选的，所述胶结筒上盖上包含排气孔，用于在高温高压养护时排出气体。

可选的，在测试水泥与井壁的胶结强度时，所述胶结筒具体为：

将钻井液倒入胶结筒中，钻井液挂壁后倒出、自然风干后，内壁附着有钻井液对应成分的胶结筒。

本申请实施例还提供一种固井水泥胶结强度测试方法，应用于上述固井水泥胶结强度测试装置，所述方法包括：

将盛有水泥浆的胶结筒进行高温高压养护，所述胶结筒底部安装有胶结筒底座、顶部盖有胶结筒上盖；

在养护结束后，将卸掉胶结筒底座和胶结筒上盖的胶结筒置于所述顶柱上，通过液压动力系统带动顶柱、固定套筒、胶结筒、活动挡板上移，直至将胶结筒内凝固的水泥与胶结筒内壁顶松动；

压力采集系统通过压力传感器收集并记录胶结筒内凝固的水泥与胶结筒内壁松动时的压力值；

基于所述压力值计算获得水泥的胶结强度。

可选的，在将盛有水泥浆的胶结筒进行高温高压养护之前，所述方法还包括：

在测试水泥与套管的胶结强度时，将水泥浆盛入安装有胶结筒底座的胶结筒中，并将胶结筒上盖盖在所述胶结筒的顶部；或者

在测试水泥与井壁的胶结强度时，将钻井液倒入安装有胶结筒底座的胶结筒中，钻井液挂壁后倒出，自然风干预设时长，使得胶结筒内壁上附有钻井液对应的成分；将水泥浆盛入胶结筒中，并将胶结筒上盖盖在所述胶结筒的顶部。

可选的，基于所述压力值计算获得水泥的胶结强度，具体通过如下公式计算胶结强度：

$M=\frac{F}{S}$

其中，M表示胶结强度，S表示胶结筒的内表面积。

可选的，所述方法还包括：获得不同水泥浆与相同井壁或套管之间的胶结强度，确定与所述井壁或所述套管之间具有最大胶结强度的水泥浆适应所述井壁或所述套管；或者，获得相同水泥浆与附着不同钻井液的井壁之间的胶结强度，确定所述井壁与所述水泥浆之间具有最大胶结强度时所附着的钻井液适应所述水泥浆。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果：

本申请实施例提供的胶结强度测试装置，通过设置胶结筒、固定套筒、压力传感器、液压动力系统、顶柱等，来单独模拟测量固井水泥与井壁(或套管)之间的压力值，避免了井壁压力测量和套管压力测量时的相互影响，即避免了测试胶结强度时内环表面和外环表面的相互影响，从而测量获得更准确的压力值，进而使由此计算获得的水泥与井壁(或套管)的胶结强度更准确，解决了现有技术中胶结强度测试准确性较低的技术问题，提高胶结强度测试时的准确性。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种固井水泥胶结强度测试装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的胶结筒的装配示意图；

图3为本申请实施例提供的活动挡板的放大示意图；

图4为本申请实施例提供的顶柱的放大示意图。

具体实施方式

在本申请实施例提供的技术方案中，通过采集到的准确压力值，能够计算胶结试样的胶结强度，从而准确的评价水泥与井壁(或套管)的胶结强度，避免了测试胶结强度时内环表面和外环表面的相互影响，解决了现有技术中胶结强度测试准确性较低的技术问题，提高胶结强度测试时的准确性。

下面结合附图对本申请实施例技术方案的主要实现原理、具体实施方式及其对应能够达到的有益效果进行详细的阐述。

请参考图1，本申请实施例提供一种固井水泥胶结强度测试装置，所述装置包括：

底座1和支架2，所述支架2固定设置在所述底座1的两侧；

液压动力系统5，固定设置在所述底座1的中部；

压力传感器3，设置在所述液压动力系统5的底部，其中，所述压力传感器3与压力采集系统4相连；

顶柱10，设置在所述液压动力系统5上平面的中部，所述顶柱10包含顶柱下台阶13和顶柱凸起14；

固定套筒9和胶结筒8，所述固定套筒9设置在所述顶柱下台阶13上，所述胶结筒8置于所述固定套筒9内，所述顶柱凸起14置于所述胶结筒8内；

固定挡板6和活动挡板7，所述固定挡板6固定设置于所述支架2的上部，所述活动挡板7位于所述固定顶板6的下方并套设在所述胶结筒8上，其中，所述活动挡板7上包含有台阶圆孔，所述台阶圆孔上部直径大于等于胶结筒8的内径且小于胶结筒8的外径；所述台阶圆孔下部直径大于胶结筒8的外径且小于固定套筒9的外径；

当液压动力系统5推动顶柱10向上运动将胶结筒8内凝固的水泥顶出时，所述压力采集系统4用于采集获得所述压力传感器3检测到的压力值。

在具体实施过程中，固定挡板6与支架2可以通过支架2顶部的丝扣用螺母固定。压力采集系统4可以通过数据线与压力传感器3连接。其中，液压动力系统5、顶柱10、固定套筒9、胶结筒8、活动挡板7、固定挡板6的轴心在一条直线上。

本申请实施例提供的胶结筒8的高度是其内径的1-2倍，例如：胶结筒内径可以为5cm，胶结筒高度可以为8cm。请参考图2，本申请实施例提供的胶结强度测试装置还包括：胶结筒底座12和胶结筒上盖11。胶结筒底座12用于在向所述胶结筒8内注入水泥浆时，密封所述胶结筒8底部；胶结筒上盖11用于在将盛满水泥浆的胶结筒放入高温高压养护装置中进行高温高压养护时盖在所述胶结筒顶部。其中，胶结筒底座12与胶结筒8底部可以采用丝扣形式连接。在制备胶结试样时，胶结筒8与胶结筒上盖11和胶结筒底座12配合使用，胶结筒上盖11中心位置有一排气孔，用于在高温高压养护时排出气体。

请参考图3，本申请实施例提供的活动挡板7为中间有带台阶圆孔的钢板，台阶圆孔上部直径大于等于胶结筒8内径，且小于胶结筒8外径；台阶圆孔下部直径大于胶结筒8外径，且小于固定套筒9外径，使用时台阶圆孔下部套在胶结筒8的上部。套在胶结筒外的固定套筒9具体可以为圆柱筒，其内径大于胶结筒8的外径，在使用过程中置于顶柱10的顶柱下台阶13上，起固定胶结筒8的作用。

请参考图4，本申请实施例提供的顶柱10包含有两个台阶圆柱体，其顶部即顶柱凸起14的直径小于胶结筒8的内径，使用过程中置于液压动力系统上平面的中部，起推动胶结筒8内水泥的作用。

针对本申请实施例提供的一种固井水泥胶结强度测试装置，本申请实施例还提供一种固井水泥胶结强度测试方法，该方法包括：将盛有水泥浆的胶结筒8进行高温高压养护，所述胶结筒8底部安装有胶结筒底座12、顶部盖有胶结筒上盖11；在养护结束后，将卸掉胶结筒底座12和胶结筒上盖11的胶结筒8置于所述顶柱10上，通过液压动力系统5带动顶柱10、固定套筒9、胶结筒8、活动挡板7上移，直至将胶结筒8内凝固的水泥与胶结筒8内壁顶松动；压力采集系统通过压力传感器3收集并记录胶结筒8内凝固的水泥与胶结筒8内壁松动时的压力值；基于所述压力值计算获得水泥的胶结强度。

本申请实施例在将盛有水泥浆的胶结筒8进行高温高压养护之前，还包括：在测试水泥与套管的胶结强度时，将水泥浆盛入安装有胶结筒底座12的胶结筒8中，并将胶结筒上盖11盖在所述胶结筒8的顶部；或者，在测试水泥与井壁的胶结强度时，将钻井液倒入安装有胶结筒底座12的胶结筒8中，钻井液挂壁后倒出，自然风干预设时长，使得胶结筒内壁上附有钻井液对应的成分；将水泥浆盛入胶结筒8中，并将胶结筒上盖11盖在所述胶结筒8的顶部。

为了选择适应的水泥浆或钻井液，本申请实施例还通过上述胶结强度测试方法，获得不同水泥浆与相同井壁或套管之间的胶结强度，确定与所述井壁或所述套管之间具有最大胶结强度的水泥浆适应所述井壁或所述套管；或者，获得相同水泥浆与附着不同钻井液的井壁之间的胶结强度，确定所述井壁与所述水泥浆之间具有最大胶结强度时所附着的钻井液适应所述水泥浆。

下面结合具体实例，对本申请实施例提供的测试方法进行详细说明：

①、将胶结筒底座12与胶结筒8连接。

②、如需评价水泥与套管的胶结强度时，直接将待评价的水泥浆盛满胶结8；如需评价水泥与井壁的胶结强度时，先将钻井液倒入胶结筒8中，钻井液挂壁后倒出，自然风干预设时长如5分钟后，将待评价的水泥浆盛满胶结筒8。

③、将带有排气孔的胶结筒上盖11置于胶结筒顶部，洗净溢出的水泥浆，放入高温高压养护装置中进行高温高压养护。

④、养护结束后，卸掉胶结筒底座12和胶结筒上盖11；

⑤、将顶柱10置于液压动力系统5上平面的中部，固定套筒9置于顶柱下台阶13上，凝固有水泥的胶结筒8置于固定套筒9中，将活动挡板7置于胶结筒8上部，且调整液压动力系统5、顶柱10、固定套筒9、胶结筒8、活动挡板7、固定挡板6的轴心在一条直线上。

⑥、启动液压动力系统5，带动顶柱10、固定套筒9、胶结筒8、活动挡板7上移，直至将胶结筒8内的水泥与胶结筒8内壁松动。

⑦、压力采集系统4通过压力传感器3收集并记录胶结筒8内的水泥与胶结筒8内壁松动时的压力值。

⑧、通过下列公式计算水泥的胶结强度

$M=\frac{F}{S}=\frac{F}{\mathrm{\π}DH},$

其中，胶结强度M的单位为Pa，F为水泥与胶结筒8内壁松动时的压力值，单位为N；S为胶结筒8的内表面积，单位为m²；D为胶结筒8的内径，单位为m；H为胶结筒8的高度，单位为m。

下面结合不同水泥浆与井壁胶结强度测试实验对本发明进行进一步说明：

某井采用有机硅钻井液完井，固井层段的地层压力为20MPa，地层温度为70℃，开展水泥浆A、水泥浆B与井壁的胶结强度测试实验，并评价优选出适应的水泥浆。

步骤一：水泥浆A与井壁胶结强度测试实验。

1、选择内径为5cm、高度为8cm的胶结筒8，将胶结筒8与胶结筒底座12连接。

2、将有机硅钻井液倒入胶结筒8中，钻井液均匀挂壁后倒出，自然风干5分钟后，再将待评价的水泥浆A盛满胶结筒8。

3、将带有排气孔的胶结筒上盖11置于胶结筒8顶部，洗净溢出的水泥浆，放入高温高压养护装置中，在20MPa压力和70℃温度条件下进行养护24小时。

4、养护结束后，卸掉胶结筒底座12和胶结筒上盖11。

5、将顶柱10置于液压动力系统5上平面的中部，固定套筒9置于顶柱下台阶13上，凝固有水泥的胶结筒8置于固定套筒9中，将活动挡板7置于胶结筒8上部，且液压动力系统5、顶柱10、固定套筒9、胶结筒8、活动挡板7、固定挡板6的轴心在一条直线上。

6、启动液压动力系统5，带动顶柱10、固定套筒9、胶结筒8、活动挡板7上移，直至胶结筒8内的水泥与胶结筒8内壁松动。

7、压力采集系统4通过压力传感器3收集并记录胶结筒8内的水泥与胶结筒8内壁松动时的压力值为35.67×10³N。

8、计算水泥浆A与井壁的胶结强度：

$M_A=\frac{F}{S}=\frac{F}{\mathrm{\π}DH}=\frac{35.67\×{10}^{3}N}{3.14\×0.05m\×0.08m}=2839968Pa\≈2.84MPa$

步骤二：水泥浆B与井壁胶结强度测试实验。

重复步骤一的1至7，水泥浆替换为B，测得水泥与胶结筒8的内壁松动时压力值为32.56×10³N，计算水泥浆B与井壁的胶结强度：

$M_B=\frac{F}{S}=\frac{F}{\mathrm{\π}DH}=\frac{32.56\×{10}^{3}N}{3.14\×0.05m\×0.08m}=2592356Pa\≈2.59MPa$

步骤三：水泥浆胶结强度的评价。水泥浆A与井壁的胶结强度高于水泥浆B与井壁的胶结强度，在其它条件相同的情况下，选择水泥浆A。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如一个或多个下技术效果：

(1)能够准确测试地层高温高压条件下固井水泥与井壁(或套管)的胶结强度。

(2)制备、养护胶结试样简单、方便，可在同一地层温度、压力条件下同时制备、养护多个试样，并进行平行实验，提高实验的准确性。

(3)通过采集到的准确压力数据值，能够定量计算胶结试样的胶结强度，从而准确的评价水泥与井壁(或套管)的胶结强度，评价方法更科学。

(4)测试实验操作简便、实验误差小，对比性强、可重复性好。

目前已测试了常规G级水泥浆体系、低渗聚合物水泥浆体系、胶乳水泥浆体系与聚合物、抑制性、有机硅、钾盐聚合物共四种钻井液附着井壁的胶结强度，实验结果对比性强，依据测试结果优选了适应不同钻井液的水泥浆，以及适应不同水泥浆的钻井液，有效指导了固井方案设计及现场施工。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种固井水泥胶结强度测试装置，其特征在于，所述装置包括：

底座和支架，所述支架固定设置在所述底座的两侧；

液压动力系统，固定设置在所述底座的中部；

压力传感器，设置在所述液压动力系统的底部，其中，所述压力传感器与压力采集系统相连；

顶柱，设置在所述液压动力系统上平面的中部，所述顶柱包含顶柱下台阶和顶柱凸起；

固定套筒和胶结筒，所述固定套筒设置在所述顶柱下台阶上，所述胶结筒置于所述固定套筒内，所述顶柱凸起置于所述胶结筒内；

固定挡板和活动挡板，所述固定挡板固定设置于所述支架的上部，所述活动挡板位于所述固定顶板下并套设在所述胶结筒上，其中，所述活动挡板上包含有台阶圆孔，所述台阶圆孔上部直径大于等于胶结筒内径且小于胶结筒外径；所述台阶圆孔下部直径大于胶结筒外径且小于固定套筒外径；

当液压动力系统推动顶柱向上运动将胶结筒内凝固的水泥顶出时，所述压力采集系统用于采集获得所述压力传感器检测到的压力值。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

胶结筒底座，用于在向所述胶结筒内注入水泥浆时，密封所述胶结筒底部；

胶结筒上盖，用于在将盛满水泥浆的胶结筒放入高温高压养护装置中进行高温高压养护时盖在所述胶结筒顶部。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述胶结筒上盖上包含排气孔，用于在高温高压养护时排出气体。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在测试水泥与井壁的胶结强度时，所述胶结筒具体为：

将钻井液倒入胶结筒中，钻井液挂壁后倒出、自然风干后，内壁附着有钻井液对应成分的胶结筒。

5.一种固井水泥胶结强度测试方法，应用于如权利要求1～4任一所述的固井水泥胶结强度测试装置，其特征在于，所述方法包括：

将盛有水泥浆的胶结筒进行高温高压养护，所述胶结筒底部安装有胶结筒底座、顶部盖有胶结筒上盖；

在养护结束后，将卸掉胶结筒底座和胶结筒上盖的胶结筒置于所述顶柱上，通过液压动力系统带动顶柱、固定套筒、胶结筒、活动挡板上移，直至将胶结筒内凝固的水泥与胶结筒内壁顶松动；

压力采集系统通过压力传感器收集并记录胶结筒内凝固的水泥与胶结筒内壁松动时的压力值；

基于所述压力值计算获得水泥的胶结强度。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在将盛有水泥浆的胶结筒进行高温高压养护之前，所述方法还包括：

在测试水泥与套管的胶结强度时，将水泥浆盛入安装有胶结筒底座的胶结筒中，并将胶结筒上盖盖在所述胶结筒的顶部；或者

在测试水泥与井壁的胶结强度时，将钻井液倒入安装有胶结筒底座的胶结筒中，钻井液挂壁后倒出，自然风干预设时长，使得胶结筒内壁上附有钻井液对应的成分；将水泥浆盛入胶结筒中，并将胶结筒上盖盖在所述胶结筒的顶部。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，基于所述压力值计算获得水泥的胶结强度，具体通过如下公式计算胶结强度：

$M=\frac{F}{S}$

其中，M表示胶结强度，S表示胶结筒的内表面积，F表示所述压力值。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获得不同水泥浆与相同井壁或套管之间的胶结强度，确定与所述井壁或所述套管之间具有最大胶结强度的水泥浆适应所述井壁或所述套管；或者

获得相同水泥浆与附着不同钻井液的井壁之间的胶结强度，确定所述井壁与所述水泥浆之间具有最大胶结强度时所附着的钻井液适应所述水泥浆。