CN105424331B - 用于大型压裂时水泥环的机械密封性评价的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大型压裂时水泥环的力学性能与机械密封性评价的装置和方法，该装置包括：待测水泥环；内筒，其套设在水泥环的内表面；外筒，其套设在水泥环的外表面；调压机构，与内筒连接，以调节作用在水泥环内壁的压力；温度控制机构，其与水泥环连接，控制水泥环的温度；和检测组件，用于检测水泥环的应力状态、大小和机械密封性能。该装置能较好地对水泥环力学性能与机械密封性能进行测试从而为尤其是非常规储层在大型水力压裂时水泥浆体系的选择提供数据支持。

Description

用于大型压裂时水泥环的机械密封性评价的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测试实验装置，具体涉及一种用于大型压裂时水泥环的机械密封性能评价的装置和方法，尤其是用于大型水力压裂工况下。

背景技术

近年来，非常规油气的开发成为了国内石油行业开发的热点。由于非常规油气(特别是页岩油、页岩气、致密砂岩油、致密砂岩气等)属于低孔低渗储层，需要采用大型水力压裂。而大型水力压裂对水泥环的力学性能，例如水泥环的弹性、韧性等要求较高，并要求实现段间的有效封隔。因此需要模拟分段压裂以开展对水泥环的力学性能及机械密封性能的评价，从而为水泥浆体系的选择提供科学的指导。

长期以来，水泥环力学性能的评价多以单轴力学实验、三轴力学实验，测量水泥环的弹性模量、泊松比以及抗压强度。通过三点抗折实验、直拉实验、巴西劈裂实验等评价水泥环的断裂韧性和抗拉强度。现有文献报道是利用模拟井筒开展对水泥环的密封性的定性分析，未进行实际现场模拟与应力应变测量，因此现有技术得不到定量分析的结果和相关的数据支持，从而无法对不同配比的水泥环之间的性能进行比较，因而无法为水泥浆体系的选择提供实验测试和数据依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于测试水泥环的力学性能与机械密封性能的装置，该装置能较好地对水泥环的力学性能与机械密封性能进行测试从而为尤其是非常规储层在大型水力压裂时水泥浆体系的选择提供数据支持。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的用于测试大型压裂时水泥环的力学性能与机械密封性能的装置，包括：

待测水泥环；

内筒，其套设在水泥环的内表面，其中，内筒例如采用标准P110的139.7mm的套管；

外筒，其套设在水泥环的外表面，外筒例如采用硬质铝，采用平面应变理论设计外径和壁厚，外筒在力学上等效于地层对水泥环的约束；

调压机构，与内筒连接，以调节作用在水泥环内壁的压力；

温度控制机构，其与水泥环连接，控制水泥环的温度；和

检测组件，用于检测水泥环的应力状态、大小和机械密封性能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。通过调压机构可以调整对水泥环的作用力，最高压力可加到140MPa。通过检测组件可检测到压力增加到某个值时水泥环发生失效，这样就能测试出水泥环的力学性能和临界参数以及相应压力和温度下水泥环对应的应力状态和应力大小。另外，通过检测组件还能检测出水泥环与内筒之间、水泥环与外筒之间的机械密封性能。

在一个实施例中，还包括限制轴向延伸机构和气体发生机构，其中：

限制轴向延伸机构，其与水泥环连接，限制加压时水泥环的轴向延伸，确保水泥环的平面应变和测量数据的准确性。限制轴向延伸机构满足高压测试时对轴向应变的控制，提高测量精度。

气体发生机构，作用在水泥环上，与检测组件一起对水泥环的气密性进行测试。由于在对水泥环的内壁加压力和对外壁施加约束时，水泥环不仅会产生应变还会产生径向压缩与切向延伸。设置限制轴向延伸机构可以限制水泥环的轴向延伸，减少因轴向延伸而对应力和密封性能测试的影响。另外，检测水泥环与内筒、水泥环与外筒之间的气密性的方法有很多种，通过气体发生机构对水泥环一端通气，在另一端检测这种方式比较容易实施。若是初步检测时，发现水泥环与内筒之间和/或水泥环与外筒之间的气密性不好，则表示水泥环与内外筒的胶结质量较差，这样的水泥环不会进入下面的应力状态和机械密封性能的测试中。对于与内筒和外筒之间的气密性良好的水泥环，在水泥环失效前，在另一端是检测不到气体的。只有当水泥环失效过，气体才能进入另一端而被检测到。

在一个优选的实施例中，所述检测组件包括声波检测机构与应力应变检测系统，所述声波检测机构通过是否检测到水泥环失效时的声音来判断在水泥环是否失效；所述应力应变检测系统与连接在水泥环内壁的应变片联用。通过多种检测方式来相互验证以便及时判断水泥环的失效状态、对应的径向压缩应力和周向拉伸应力的大小。从而为不同配方的水泥环组的力学性能提供实验数据的支持，为水泥浆体系的选择和设计提供指导。

在一个实施例中，所述检测组件还包括光纤式气泡检测机构，所述气泡检测机构与设在水泥环另一侧的气体发生机构联用，在水泥环失效前气泡检测机构检测不到气泡；在水泥环失效时，位于水泥环一侧的气体通过水泥环被设在另一侧的气泡检测机构检测到。

在一个优选的实施例中，所述气体发生机构包括氮气瓶，所述氮气瓶通过输送管路与水泥环上端的环形腔连接，在水泥环失效前，从所述氮气瓶输送到水泥环的环形腔的氮气被密封在环形腔内。在一个优选的实施例中，所述氮气瓶与水泥环的环形腔之间的输送管路上设有减压阀、流量计和单向阀，往环形腔内充入气体饱和后且在水泥环失效前，所述流量计的计数不变。通过多种方式来及时检测水泥环是否发生失效。

在一个实施例中，所述温度控制系统包括设在水泥环的上端的冷却系统和设在水泥环的下端的加热系统。当温度超过设定值时，加热系统不工作，冷却系统工作。当温度低于设定值时，冷却系统不工作，加热系统工作。模拟井下温度环境来开展物理模拟试验。

在一个实施例中，所述调压机构包括压力自动控制泵，所述压力自动控制泵与内筒连接以调整所述水泥环的内壁上的作用力，模拟分段压裂时套管对水泥环的作用力，最高压力可达140MPa。

在一个优选的实施例中，所述限制轴向延伸机构包括设在水泥环的上表面的上压板和设在水泥环的下表面的下压板，所述上压板和下压板通过多根连接杆连接，并通过紧固件来进行调节。均匀地限制水泥环在受到压力时的轴向延伸。

本发明还涉及一种大型压裂时水泥环力学性能与机械密封性能评价的方法，其采用上述的用于大型压裂时水泥环的力学性能与机械密封性能评价的装置。该方法是通过对多组不同配比的水泥环组进行测试。通过对不同配比和规格的水泥环组的测试结果进行比较后，总结自身的性能和参数对水泥环密封能力的影响。另外，每一组水泥环组包括多个相同配比和规格的水泥环，对一组中的多个水泥环分别施加不同的温度和压力，通过测试和比较来了解温度和压力等环境对水泥环密封能力的影响，从而为不同工况下的水泥浆体系的选择和设计提供指导。

优选地，在对一组相同配比的水泥环组进行测试时，包括以下步骤：

1)选取至少四个相同规格的水泥环，先对水泥环进行气密性检测，以检测水泥环的内壁与内筒之间、外壁与外筒之间是否密封良好；

2)对于一个密封良好的水泥环进行应力测试，在温度保持在某一设定值的条件下，通过调压机构不断对内筒加压，直至检测机构检测到水泥环失效为止，加压过程中测量水泥环内、外壁的应力。优选地，利用拉梅公式计算水泥环的任意位置在弹性阶段和塑性阶段的周向拉应力和径向压应力；

3)选取另一个密封良好的水泥环进行安装，然后通过温度调节机构对水泥环内壁的温度进行调节，记录在不同温度下的应力变化，直至检测组件检测到该水泥环发生失效。优选地，利用拉梅公式计算水泥环的任意位置在弹性阶段和塑性阶段的周向拉应力和径向压应力；

4)选取第三个密封良好的水泥环进行安装，然后通过温度调节机构和调压机构分别对水泥环的温度和压力进行调整，直至检测到水泥环发生失效。优选地，利用拉梅公式计算水泥环的任意位置在弹性阶段和塑性阶段的周向拉应力和径向压应力；

5)将步骤2)、3)和4)中的实验数据进行比较后，与未进行测试实验的第四个密封良好的水泥环进行比较，对该组四个水泥环对应的温度、压力和失效状态进行比对，并分析水泥环在压裂期间，水泥环的失效规律及水泥环的极限破坏参数。

附图说明

图1所示是本发明的用于大型压裂时水泥环的力学性能与机械密封性能评价的装置的一种具体实施例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明的用于测试水泥环的力学性能与机械密封性能评价的装置的一种具体实施例。在该实施例中，该装置主要包括：用于模拟非常规油气的标准的待测水泥环1、套设在水泥环1的内表面的标准套管式的内筒2、套设在水泥环1的外表面用于模拟外岩层的外筒3；用于调节内筒2对水泥环1的压力的调压机构4、限制轴向延伸机构5、气体发生机构6和用于检测水泥环1的应力状态与机械密封性能的检测组件。标准的水泥环1的内壁的直径为139.7mm、外壁的直径为233mm。优选地，从内筒2引出了管道以注入和排放内筒2内的气体和液体以及应变片的数据通道。该管路有多条，引出到外筒3的外部的部分上连接有密封头13。

在一个实施例中，调压机构4可采用压力自动控制泵或液体增压泵。该调压机构4分别通过管路内筒2提供压力。而内筒2的压力作用在水泥环1的内壁上以用于模拟大型压裂时套管对水泥环1的作用力，设计压裂的压力范围最高可达140MPa。外筒3的压力作用在水泥环1的外壁上，模拟外岩层的作用力，形成对水泥环的约束，其设计原理采用平面应变理论，保证模拟过程的完全相似。

在一个优选的实施例中，如图1所示，为了限制水泥环1在受到内、外作用力时轴向延伸而影响测试结果，将水泥环1限制在一个限制轴向延伸机构5上。优选地，该限制轴向延伸机构5主要包括压在水泥环1的上表面的上压板和设在水泥环1的下表面的下压板，上压板和下压板通过多根连接杆连接，并通过紧固件来进行固定或调节。

在一个实施例中，检测组件主要包括用于检测水泥环1的力学性能的声波检测机构9、应变检测仪器10和气泡检测机构11。其中，声波检测机构9通过发生失效时的噪声来判断水泥环1发生失效。另外，应变检测仪器10与连接在水泥环1的内壁和外壁上的应变片12联用，来得到水泥环1失效时的应力临界值大小，以及此时对应的调压机构4施加的压力大小。在另外的实施例中，应变片12可以仅设在水泥环1的内壁或外壁，通过实验测得的系数或者根据拉梅公式，然后换算成水泥环1的外壁或内壁受到的压力。当然，也可以将应变片12设在内筒2的内壁，然后进行换算得到水泥环1的内壁和/或外壁受到的压力。

在一个实施例中，气体发生机构6和气泡检测机构11分设在水泥环1的两端。两者联用，由于水泥环1与内筒2和外筒3之间没有间隙，因此在水泥环1失效前气泡检测机构11检测不到气泡。在水泥环1失效时，由于气体会顺着水泥环1的裂缝移动，位于水泥环1的一侧的气体通过水泥环1的裂缝从而被设在另一侧的气泡检测机构11检测到。

在一个优选的实施例中，气体发生机构11采用氮气瓶。水泥环1的上端设有容纳氮气瓶的氮气的环形腔。在水泥环失效前，从氮气瓶输送到水泥环的环形腔的氮气被密封在环形腔内不会泄漏到水泥环1的下端，因此连接在水泥环1的下端的气泡检测机构11检测不到任何气体。优选地，在氮气瓶与水泥环1的环形腔之间的输送管路上依次设有减压阀14、压力表15、流量计16和单向阀17。此处，反向阀17防止氮气倒流。减压阀14将氮气瓶的高压气体经过降压到设定压力后充入环形腔。往环形腔内充入一定气体使得环形腔内的气体饱和后，且在水泥环1失效前，可以看到压力表15保持一定的压力，但流量计16的计数基本保持不变。

在一个实施例中，温度控制系统包括设在水泥环1的上端的冷却系统7和设在水泥环的下端的加热系统8。其中，冷却系统7和加热系统8的位置设置是为了方便操作和达到节能的目的。例如，当温度超过设定值时，加热系统8不工作，冷却系统从上端注入冷却水进行降温。而当温度低于设定值时，冷却系统7不工作，加热系统8从下端开始加热，热量向上传递到整个水泥环1。

本发明另外还涉及一种水泥环的力学性能与机械密封性能测试方法，其采用上述的用于测试水泥环的力学性能与机械密封性能的装置。

下面通过实施例来更好地对本发明的水泥环力学性能与机械密封性能测试方法进行说明。

说明的是，实际实验过程中会有多组不同配比和规格的水泥环。不同配比和/或规格的水泥环组之间可以做比较，从而评价出水泥环自身的性能对其应力性能和机械密封性能的影响。同组的水泥环采用的是相同的配比和规格，其主要用于研究压力和温度对该组水泥环的影响。以下仅一组实施例做示例性说明。

首先按照水灰比为0.44常规水泥浆230L，注入外筒内径为233mm、内筒外径为139.7mm的模拟井筒内，养护7天后取出得到水泥环，先对水泥环进行基本的气密性检测合格后，再将水泥环安装至本发明的装置进行测试实验。每一批水泥环至少包括四个气密性合格的水泥环。

实例一：

试验温度在24小时内由室温缓慢升至85℃，底部环空段注入2MPa气体，维持气体稳定，测量水泥环周向应力0.52MPa。温度在48小时内缓慢升高至120℃，检测到环空顶部压力1.9MPa，水泥环周向应力峰值2.3MPa，水泥环密封失效。确认为水泥环由于热膨胀导致水泥环密封失效，并记录相关的数据。

实例二：

试验温度为23℃，水泥环的底部注入气体压力2MPa。通过液体增压泵往环空模型内筒增压，增压速率10MPa/10min。当内压30MPa时，测量水泥环周向应力1.4MPa，顶部压力为0MPa，声波检测仪器未检测到声音信号。当模型内压为61.5MPa时，测量周向应力由2.3MPa降至0MPa，气泡检察仪出现明显峰值，声波检测到明显峰值，模型顶部压力1.8MPa。确认为内压过载导致水泥环产生拉伸破坏，导致水泥环密封失效。

实施例三：

实验温度从23℃缓慢上升，最高温度不超过85℃。水泥环的底部注入气体压力2MPa，通过液体增压泵往环空模型内筒增压，实验压力增压速率10MPa/10min。当内压30MPa时，测量水泥环周向应力1.7MPa，顶部压力为0MPa，声波检测仪器未检测到声音信号。当模型内压为55MPa时，测量周向应力由2.3MPa降至0MPa，气泡检察仪出现明显峰值，声波检测到明显峰值，模型顶部压力1.8MPa。

将以上三个实施例的数据与未进行实验的水泥环进行比较后，可知，温度和压力的变化导致水泥环的密封失效，失效原因主要表现在水泥环周向拉伸的应力破坏。

虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，然而可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进或替换。尤其是，只要不存在结构上的冲突，各实施例中的特征均可相互结合起来，所形成的组合式特征仍属于本发明的范围内。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (12)

1.一种用于大型压裂时水泥环的力学性能与机械密封性评价的装置，包括：

待测水泥环；

内筒，其套设在水泥环的内表面；

外筒，其套设在水泥环的外表面；

调压机构，与内筒连接，以调节作用在水泥环内壁的压力；

温度控制机构，其与水泥环连接，控制水泥环的温度；和

检测组件，用于检测水泥环的应力状态、大小和机械密封性能；

还包括气体发生机构，其中：

气体发生机构，作用在水泥环上，与检测组件一起对水泥环的气密性进行测试；初步检测时，根据水泥环与内筒之间和/或水泥环与外筒之间的气密性判定，水泥环是否进入下面的应力状态和机械密封性能的测试。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括限制轴向延伸机构，其中：

限制轴向延伸机构，其与水泥环连接，限制加压时水泥环的轴向延伸。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述检测组件包括声波检测机构与应力应变检测系统，所述声波检测机构通过是否检测到水泥环失效时的声音来判断在水泥环是否失效；所述应力应变检测系统与连接在水泥环内壁的应变片联用。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述检测组件还包括光纤式气泡检测机构，所述气泡检测机构与设在水泥环另一侧的气体发生机构联用，在水泥环失效前气泡检测机构检测不到气泡；在水泥环失效时，位于水泥环一侧的气体通过水泥环被设在另一侧的气泡检测机构检测到。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述气体发生机构包括氮气瓶，所述氮气瓶通过输送管路与水泥环上端的环形腔连接，在水泥环失效前，从所述氮气瓶输送到水泥环的环形腔的氮气被密封在环形腔内。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述氮气瓶与水泥环的环形腔之间的输送管路上设有减压阀、流量计和单向阀，往环形腔内充入气体饱和后且在水泥环失效前，所述流量计的计数不变。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述温度控制系统包括设在水泥环的上端的冷却系统和设在水泥环的下端的加热系统；当温度超过设定值时，加热系统不工作，冷却系统工作；当温度低于设定值时，冷却系统不工作，加热系统工作。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述调压机构包括压力自动控制泵，所述压力自动控制泵与内筒连接以调整水泥环的内壁上的作用力，模拟分段压裂时套管对水泥环的作用力，最高压力可达140MPa。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述限制轴向延伸机构包括设在水泥环的上表面的上压板和设在水泥环的下表面的下压板，所述上压板和下压板通过多根连接杆连接，并通过紧固件来进行调节。

10.一种用于大型压裂时水泥环的力学性能与机械密封性评价的方法，其采用权利要求1～9中任一项所述的装置分别对多组不同配比的水泥环组进行测试。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在对一组相同配比的水泥环进行测试时，包括以下步骤：

1)选取至少四个相同规格的水泥环，先对水泥环进行气密性检测，以检测水泥环的内壁与内筒之间、外壁与外筒之间是否密封良好；

2)对于一个密封良好的水泥环进行应力测试，在温度保持在某一设定值的条件下，通过调压机构不断对内筒加压，直至检测机构检测到水泥环失效为止，加压过程中测量水泥环内、外壁的应力；

3)选取另一个密封良好的水泥环进行安装，然后通过温度调节机构对水泥环内壁的温度进行调节，记录在不同温度下的应力变化，直至检测组件检测到该水泥环发生失效；

4)选取第三个密封良好的水泥环进行安装，然后通过温度调节机构和调压机构分别对水泥环的温度和压力进行调整，直至检测到水泥环发生失效；

5)将步骤2)、3)和4)中的实验数据进行比较后，与未进行测试实验的第四个密封良好的水泥环进行比较，对该组四个水泥环对应的温度、压力和失效状态进行比对，并分析水泥环在压裂期间，水泥环的失效规律及水泥环的极限破坏参数。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤2)、3)和4)中，利用拉梅公式计算水泥环的任意位置在弹性阶段和塑性阶段的周向拉应力和径向压应力。