CN106499385A - 用于评价压裂环境下套管完整性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于评价压裂环境下套管完整性的装置及方法，该装置包括：密封的腔体，其内贴设井筒，井筒包括岩体和套管，套管与岩体之间形成水泥环空；地应力供给机构，其包括两个加压板，两个加压板设于腔体内并贴设于岩体；温度调节机构，其包括铜芯棒和液氮罐，铜芯棒的一端插设于套管内，铜芯棒的另一端与加热平台相连，液氮罐能分别与套管和水泥环空相连；压力供给机构，其包括与套管相连的第一液压泵和与水泥环空相连的第二液压泵；测量机构，其包括与计算处理单元电连接的气体流量计、三组应变片和三组热电偶，气体流量计与水泥环空相连。本发明其能真实模拟井筒压裂环境，准确、定量的实现对井筒完整性的评价。

Description

用于评价压裂环境下套管完整性的装置及方法

技术领域

本发明涉及油气井技术领域，具体是一种用于评价压裂环境下套管完整性的装置及方法，特别是一种用于评价页岩气井内大规模多级压裂环境下套管完整性的装置及方法。

背景技术

目前，国内外页岩气井的开发主要是通过大规模多级压裂改造储层渗透率实现的，而大规模多级压裂改造技术会对井筒产生循环温度效应及循环高压作用，影响井筒中套管完整性，其中完整性是指井筒与水泥环之间的密封性是否可靠、井筒是否变形。在实际开采中，页岩气井大规模多级压裂阶段多次出现套管变形损坏，主要是压裂产生的裂缝和高温高压环境改变地层应力分布，对套管产生应力集中，引起套管屈服。

现有的针对井筒完整性的实验装置集中研究了压力和温度对水泥环的影响，但是，现有的该些装置只是单纯针对套管或水泥环设定模拟条件，并没有设置地层，也没有针对地层设定压力环境，无法真实的模拟井下井筒环境，且该些装置只能实现单个或几个影响因素的井下环境模拟(例如只考虑了温度、压力因素)，而无法设置非均匀地应力、水泥浆高温高压侯凝及套管偏心等环境，测量系统简易，不能真实、准确、定量的评价井筒完整性。

有鉴于上述现有技术存在的问题，本发明人结合相关制造领域多年的设计及使用经验，提供一种用于评价压裂环境下套管完整性的装置及方法，来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的一目的是提供一种用于评价压裂环境下套管完整性的装置，其能真实模拟井筒压裂环境，准确、定量的实现对井筒完整性的评价。

本发明的另一目的是提供一种用于评价压裂环境下套管完整性的方法，其能真实模拟井筒压裂环境，准确、定量的实现对井筒完整性的评价。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种用于评价压裂环境下套管完整性的装置，其包括：密封的腔体，其横截面呈矩形，所述腔体内贴设井筒，所述井筒包括岩体和设于所述岩体内的套管，所述套管与所述岩体之间形成水泥环空，所述水泥环空与水泥浆储存罐相连；地应力供给机构，其包括两个能向所述岩体施加压力的加压板，两个所述加压板设于所述腔体内并相互垂直的贴设于所述岩体的两个侧面；温度调节机构，其包括铜芯棒和液氮罐，所述铜芯棒的一端插设于所述套管内，所述铜芯棒的另一端与加热平台相连，所述液氮罐能分别与所述套管和所述水泥环空相连；压力供给机构，其包括第一液压泵和第二液压泵，所述第一液压泵与所述套管相连，所述第二液压泵与所述水泥环空相连；测量机构，其包括气体流量计、三组应变片和三组热电偶，所述气体流量计与所述水泥环空相连，三组所述应变片和三组所述热电偶均分别设于所述套管的内壁、所述套管的外壁和所述岩体的内壁，所述气体流量计、所述应变片和所述热电偶分别与一计算处理单元电连接。

在优选的实施方式中，所述腔体的底壁的上表面凸设下环形凸起，所述腔体的顶壁的下表面凸设上环形凸起，所述套管的两端分别卡设于所述上环形凸起和所述下环形凸起。

在优选的实施方式中，所述腔体的两个侧面分别设有与所述加压板对应的密封板，所述密封板的内壁凹设活塞腔，所述加压板的外壁与活塞的一端相连，所述活塞的另一端密封设于所述活塞腔内并与所述活塞腔的底面围设形成压力室，所述压力室与第三液压泵相连。

在优选的实施方式中，所述腔体的底壁上设有与所述套管连通的油口，所述温度调节机构还包括油泵和油箱，所述油泵通过设有进油阀的管路与所述油口相连，所述油箱通过设有泄压阀的管路与所述油口相连。

在优选的实施方式中，所述铜芯棒包括基座和连接于所述基座上的棒体，所述基座的上表面与所述腔体的底壁相连，所述棒体穿过所述腔体的底壁并插设于所述套管内，所述基座的下表面与所述加热平台相连。

在优选的实施方式中，所述腔体的顶壁设有与所述套管连通的套管注入口和与所述水泥环空连通的环空注入口，所述第一液压泵通过设有套压控制阀的管路与所述套管注入口相连，所述第二液压泵通过设有环压控制阀的管路、所述水泥浆储存罐通过设有水泥浆注入阀的管路及所述液氮罐通过设有液氮罐控制阀的管路分别与所述环空注入口相连；所述腔体的底壁设有与所述水泥环空连通的检测口，所述气体流量计通过设有密封控制阀的管路与所述检测口相连。

在优选的实施方式中，每组所述应变片包括三个应变片单元，三个所述应变片单元自上而下等间隔设置，每组所述热电偶包括两个热电偶单元，两个所述热电偶单元分别设于两两相邻的所述应变片单元之间。

在优选的实施方式中，所述岩体内设有通孔，所述套管设于所述岩体的通孔内，所述套管的轴向中心线、所述岩体的通孔的轴向中心线和所述腔体的中心线共线；或所述套管的轴向中心线与所述腔体的中心线共线，且所述岩体的通孔的轴向中心线与所述套管的轴向中心线相偏离。

本发明还提供一种用于评价压裂环境下套管完整性的方法，其采用如上所述的用于评价压裂环境下套管完整性的装置，其包括如下步骤：步骤S1：由水泥浆储存罐向水泥环空内注入水泥浆，加热平台通过铜芯棒将所述套管加热至设定温度，通过第二液压泵向所述水泥环空注入设定压力，直至所述水泥环空内的水泥浆凝固，停止所述加热平台加热；步骤S2：将液氮罐和气体流量计分别与所述水泥环空连通，通过两个加压板向岩体加压；步骤S3：所述加热平台将所述套管加热至试验压裂温度，通过第一液压泵向所述套管内施加试验压裂压力，由计算处理单元记录气体流量计、应变片和热电偶的数值。

在优选的实施方式中，在所述步骤S1中，通过油泵向所述套管内注入矿物油，所述加热平台通过铜芯棒加热所述矿物油，所述矿物油将所述套管加热至所述设定温度。

本发明用于评价压裂环境下套管完整性的装置及方法的特点及优点是：

1、本发明通过岩体、套管和水泥环空组成的井筒模拟地下真实井筒，通过将套管置于密封腔体内并卡设于腔体的顶壁和底壁之间，以真实模拟套管在受高压高温和地应力作用下的变形状况，其中，通过加热平台加热铜芯棒和矿物油以模拟井下高温环境，并通过液氮罐向套管内注入氮气，实现对井筒的降温，并可通过循环加热-降温的方式模拟压裂过程中井筒的温度变化，通过第一液压泵向套管内注入压力，模拟井下的压裂压力，通过第三液压泵向活塞施加压力并传递给加压板，模拟地层的地应力，并通过调节两个第三液压泵施加相同或不同的压力，实现均匀地应力或非均匀地应力的模拟，精确控制温度和压力参数，以真实模拟高温高压及大规模多级压裂的复杂井下工况，检测分析井筒应力场和温度场的变化和分布、水泥环密封性的变化，以分析温度场变化和压力场变化对井筒完整性的影响，及不同地层状态和不同地应力作用对井筒完整性的影响，同时还有利于寻找套管疲劳或损坏的作业极限，为压裂作业的优化设计和套管体系的优选提供重要参考依据。

2、本发明将设置于套管内壁、套管外壁和岩体内壁的三组应变片和三组热电偶均与计算处理单元电连接，实现对岩体和套管的应力场和温度场的分布和变化的实时监测，将连接于水泥环空下端的气体流量计与计算处理单元电连接，实现定量的评价水泥环密封性，将用于分别监测并显示两个加压板施加给岩体的地应力的两个第三压力表、用于监测并显示第一液压泵施加给套管的压力的第一压力表、用于监测并显示第二液压泵施加给水泥环空的压力的第二压力表均通过导线传递给信号转换器再传递给计算处理单元，通过计算处理单元编程记录相关参数的变化并进行相应的处理，实现对地应力、套管内压力、水泥环空内压力的实时监测和分析，能精确控制各压力参数，模拟数值准确、精度高，为分析压裂环境下套管完整性提供完整、准确、全面的试验数据。

3、本发明通过加热平台加热铜芯棒、并通过铜芯棒加热矿物油、并通过矿物油加热套管，使套管均匀受热，进而对水泥环和岩体加热，并通过环压控制阀控制水泥环空内的压力，使水泥环空内的水泥浆在高温高压下凝固成水泥环(也可称为水泥块)，使水泥环连接套管与岩体，通过液氮罐向其内注入氮气，并通过气体流量计检测通过的氮气的流量，以实现对水泥环的密封性的检测，其真实的模拟了水泥浆高温高压的侯凝环境，使对凝固后的水泥环(或水泥块)的测试更加准确。

4、本发明还能通过设置不同页岩气井内的页岩岩心制成的岩体、设置套管与岩体同心或不同心、设置水泥环存在角度缺失(比如在注入水泥浆时，在水泥环空内设置空气囊，使水泥环出现角度缺失而不能保持整个环形体形状)等复杂的试验环境，定量分析各复杂的环境因素对井筒的应力场和温度场分布和变化的影响，为后期完井优化设计提供参考；本发明克服了现有试验装置过于简单、仅能模拟温度或压力等个别因素下的井下环境而无法准确模拟的缺陷，实现了准确、全面的模拟井下各种复杂工况，及在复杂的井下工况下对井筒完整性的定量分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于评价压裂环境下套管完整性的装置的整体结构示意图；

图2为本发明用于评价压裂环境下套管完整性的装置的俯视剖视结构示意图。

附图标号说明：

10腔体，11侧壁，12底壁，13顶壁，14密封板，141活塞腔，142加压口，15导线出入口，16套管注入口，17环空注入口，18油口，19检测口；

20井筒，21岩体，211通孔，22套管，23水泥环空，24水泥浆储存罐，25水泥浆注入阀；

30加热平台，31铜芯棒，311基座，312棒体，32油泵，33进油阀，34油箱，35泄油阀，36液氮罐，37液氮罐控制阀，38第一切换阀，39第二切换阀；

40第一液压泵，41第一压力表，42套压控制阀，43第二液压泵，44第二压力表，45环压控制阀；

50加压板，51活塞，52地应力控制阀，53第三液压泵，54第三压力表；

60计算处理单元，61信号转换器，62气体流量计，63密封控制阀，64应变片，65热电偶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非单独定义指出的方向以外，本文中涉及到的上、下等方向均是以本发明所示的图1中的上、下等方向为准，在此一并说明。

实施方式一

如图1至图2所示，本发明提供一种用于评价压裂环境下套管完整性的装置，其包括：密封的腔体10，其横截面呈矩形，所述腔体10内贴设井筒20，所述井筒20包括岩体21和设于所述岩体21内的套管22，所述套管22与所述岩体21之间形成水泥环空23，所述水泥环空23与水泥浆储存罐24相连；地应力供给机构，其包括两个能向所述岩体21施加压力的加压板50，两个所述加压板50设于所述腔体10内并相互垂直的贴设于所述岩体21的两个侧面，以通过地应力供给机构控制施加于井筒20的地应力；温度调节机构，其包括铜芯棒31和液氮罐36，所述铜芯棒31的一端插设于所述套管22内，所述铜芯棒31的另一端与加热平台30相连，所述液氮罐36能分别与所述套管22和所述水泥环空23相连，以通过温度调节机构控制井筒20的温度；压力供给机构，其包括第一液压泵40和第二液压泵43，所述第一液压泵40与所述套管22相连，所述第二液压泵43与所述水泥环空23相连，以通过压力供给机构控制注入套管22和水泥环空23内的压力；测量机构，其包括气体流量计62、三组应变片64和三组热电偶65，所述气体流量计62与所述水泥环空23相连，三组所述应变片64和三组所述热电偶65均分别设于所述套管22的内壁、所述套管22的外壁和所述岩体21的内壁，所述气体流量计62、所述应变片64和所述热电偶65分别与一计算处理单元60电连接。

具体的，如图1和图2所示，密封的腔体10大致呈立方体形(其可为长方体，也可为正方体)，以为井筒20提供一密封环境，保证实验过程中的温度、压力和地应力的稳定，同时还利于施加地应力，井筒20的岩体21呈与腔体10相对应的立方立体形，并使其两个相邻的侧面与腔体10的对应的两个相邻的侧面相贴设，使岩体21的外壁与横截面呈矩形的腔体10的内壁面完全吻合，岩体21内设有通孔211，且通孔211的内径大于套管22的外径，使岩体21与套管22之间形成能容纳水泥浆的水泥环空23，套管22的外壁还可附有薄层涂料，以模拟井下套管外壁上附着的泥饼；测量机构还包括信号转换器61，气体流量计62、应变片64和热电偶65分别通过信号转换器61与计算处理单元60相连，以实现信号的转换，利于计算处理单元60对信号的识别和显示，其中计算处理单元60可为计算机。

进一步的，所述腔体10的底壁12的上表面凸设下环形凸起，所述腔体10的顶壁13的下表面凸设上环形凸起，所述套管22的两端分别卡设于所述上环形凸起和所述下环形凸起，使套管22稳固的固定于腔体10内，并限制套管22的轴向应变，其中，腔体10的顶壁13可以为一能拆卸的盖体，该盖体通过螺栓与腔体10的侧壁11紧密相连，以保证二者高强度连接并保证套管22的轴向固定，且便于井筒20的安装与拆卸，同时还可在盖体与腔体10之间设置橡胶圈进行密封，套管22可选用页岩气井内的井下套管的一段，套管22均与腔体10的顶壁13和底壁12垂直，且三者紧密结合。

进一步的，如图2所示，所述腔体10的两个侧面分别设有与所述加压板50对应的密封板14，所述密封板14的内壁凹设活塞腔141，所述加压板50的外壁与活塞51的一端相连，所述活塞51的另一端密封设于所述活塞腔141内并与所述活塞腔141的底面围设形成压力室，所述压力室与第三液压泵53相连，具体的，密封的腔体10由一个底壁12、一个顶壁13、两个相邻的侧壁11和两个相邻的密封板14围设而成，两个密封板14相互垂直设置(即在腔体10的水平面的正交方向上设置)，两个密封板14均与所述腔体10的侧壁11通过连接件(例如螺栓)紧密相连，以保证径向(也即与轴向垂直的方向)的密封，同时还可在密封板14与腔体10的侧壁11之间设置橡胶圈进行密封，加压板50可为钢板，两个加压板50分别位于两个密封板14的内侧并与密封板14之间设有活塞51，活塞51的一端连接于加压板50外壁的中心，以均匀施力，活塞51的另一端密封设于活塞腔141内，以通过活塞51的顶面(即与活塞腔141的底面相对的面)承受第三液压泵53向压力室施加的压力，并能将此压力经加压板50施加给岩体21，以模拟地层的地应力。

更进一步的，如图2所示，活塞腔141的底面上设有与压力室连通的加压口142，第三液压泵53为两个，每个第三液压泵53均通过一设有地应力控制阀52的管路与加压口142相连，以实现向两个加压板50同时施加相同或不同的地应力，以实现均匀地应力和不均匀地应力的模拟，每个设有地应力控制阀52的管路上设有一个第三压力表54，以监测第三液压泵53的压力，且第三压力表54经信号转换器61与计算处理单元60电连接，以实现向计算处理单元60实时反馈施加于两个加压板50的地应力，同时，设有地应力控制阀52的管路为耐高压管路。

进一步的，如图1所示，所述腔体10的底壁12上设有与所述套管22连通的油口18，所述温度调节机构还包括油泵32和油箱34，所述油泵32通过设有进油阀33的管路与所述油口18相连，所述油箱34通过设有泄压阀35的管路与所述油口18相连，其中，油泵32能通过设有进油阀33的管路经油口18向套管22内泵入矿物油，以经铜芯棒31的温度均匀的传递给套管22，同时，套管22内的矿物油还能通过油口18经设有泄压阀35的管路流回油箱34，保证后续顺利的向套管22内施加内压力，在一实施例中，腔体10的底壁12下方设有支座，支座与底壁12整体呈工字型，支座和底壁12上设有开孔以供铜芯棒31穿设，铜芯棒31与支座连接，油口18设于支座上并与支座上的开孔连通，铜芯棒31穿设于支座上的开孔且与开孔之间具有间隙，以利于油泵32经油口18向套管22内泵入矿物油。

进一步的，如图1所示，所述铜芯棒31包括基座311和连接于所述基座311上的棒体312，所述基座311的上表面与所述腔体10的底壁12相连，所述棒体312穿过所述腔体10的底壁12并插设于所述套管22内，所述基座311的下表面与所述加热平台30相连，以通过加热平台30给铜芯棒31加热，进而实现对套管22的加热，其中，棒体312可以呈细长圆柱形，以利于将铜芯棒31插入于套管22内，铜芯棒31的棒体312与套管22同轴心设置，且与套管22的内壁之间具有间隙，以供注入矿物油，基座311可以呈扁平圆柱形，其形状可以与腔体10的底壁12的形状一致，并通过连接件(例如螺栓)实现基座311与腔体10的底壁12的紧固连接，以利于铜芯棒31的安装与固定。

进一步的，如图1所示，所述腔体10的顶壁13设有与所述套管22连通的套管注入口16和与所述水泥环空23连通的环空注入口17，所述第一液压泵40通过设有套压控制阀42的管路与所述套管注入口16相连，实现向套管22内注入压力，以模拟压裂压力，其中，套管注入口16位于上环形凸起的内侧，环空注入口17位于上环形凸起的外侧，所述第二液压泵43通过设有环压控制阀45的管路、所述水泥浆储存罐24通过设有水泥浆注入阀25的管路及所述液氮罐36通过设有液氮罐控制阀37的管路分别与所述环空注入口17相连，实现由水泥浆储存罐24向水泥环空23内注入水泥浆，同时由第二液压泵43向水泥环空23内注入压力，以提供水泥浆侯凝呈水泥块的高压环境，并且由液氮罐36向水泥环空23内注入高压氮气，以监测水泥环空23内的凝固后与套管22和岩体21结为一体的水泥环(或水泥块)的密封性；所述腔体10的底壁12设有与所述水泥环空23连通的检测口19，所述气体流量计62通过设有密封控制阀63的管路与所述检测口19相连，如果水泥环空23内的水泥环发生裂缝或套管22发生变形而与水泥环之间出现间隙，则液氮罐36注入水泥环空23内的氮气会经设有密封控制阀63的管路进入气体流量计62，气体流量计62即可实时的、定量的检测水泥环空23内的水泥环的密封性，进而研究套管22的完整性，其中，检测口19贴靠于岩体21的内壁设置，环空注入口17贴靠于套管22的外壁设置，或检测口19与环空注入口17于水泥环空23的径向呈180度错开设置，以更好的检测设置水泥环空23的密封性。

更进一步的，如图1所示，设有套压控制阀42的管路上设有第一压力表41，以监测第一液压泵40的压力，设有环压控制阀45的管路上设有第二压力表44，以监测第二液压泵43的压力，且第一压力表41和第二压力表44能分别经信号转换器61与计算处理单元60电连接，以实时的向计算处理单元60反馈施加于套管22内的压力和施加于水泥环空23内的压力，在一实施例中，设有液氮罐控制阀37的管路通过设有第一切换阀38的管路连接于设于套压控制阀42的管路上，设有液氮罐控制阀37的管路通过设有第二切换阀39的管路连接于设有环压控制阀45的管路上，在需要向套管22内注入氮气时，同时开启第一切换阀38和套压控制阀42，在需要向水泥环空内注入氮气时，同时开启第二切换阀39和环压控制阀45，其中，设有套压控制阀42的管路、设有环压控制阀45的管路和设有液氮罐控制阀37的管路均为耐高压管路。

进一步的，如图1所示，每组所述应变片64包括三个应变片单元，三个所述应变片单元自上而下等间隔设置，每组所述热电偶65包括两个热电偶单元，两个所述热电偶单元分别设于两两相邻的所述应变片单元之间；具体的，三组应变片64分别贴设于套管22的内壁、套管22的外壁和岩体21的内壁，且贴设于套管22的内壁的一组应变片64的三个应变片单元分布于套管22的内壁的上部、中部和下部，同理，贴设于套管22的外壁的一组应变片64和贴设于岩体21的内壁的一组应变片64也采用相同的设置，即三组应变片64的应变片单元在设置高度上相互对应，以监测井筒20的应力场变化和应力场分布；三组热电偶65也分别贴设于所述套管22的内壁、所述套管22的外壁和所述岩体21的内壁，且贴设于套管22的内壁的一组热电偶65的两个热电偶单元设于该套管22内壁上的两两相邻的应变片单元之间，同理，贴设于套管22的外壁的一组热电偶65和贴设于岩体21的内壁的一组热电偶65的两个热电偶单元也采取同样的设置，即三组热电偶65的热电偶单元在设置高度上相互对应，以监测井筒20的温度场变化和温度场分布；腔体10的顶壁13上设有三个导线出入口15，每个导线出入口15穿设一耐高温高压的导线，三根导线分别与套管22的内壁的应变片64和热电偶65、套管22的外壁的应变片64和热电偶65和岩体21的内壁的应变片64和热电偶65连接，以将该些应变片64和热电偶65的信号通过导线与信号转换器61相连，并通过信号转换器61转换后反馈给计算处理单元60。

进一步的，如图1和图2所示，所述岩体21内设有通孔211，所述套管22设于所述岩体21的通孔211内，所述套管22的轴向中心线、所述岩体21的通孔211的轴向中心线和所述腔体10的中心线共线，即岩体21的通孔211为其中心通孔，以实现三者同轴心的实验环境下的模拟检测；或所述套管22的轴向中心线与所述腔体10的中心线共线，且所述岩体21的通孔211的轴向中心线与所述套管22的轴向中心线相偏离，其可通过在岩体21上加工通孔211时，使岩体21的通孔211并不设置在岩体21的中心位置，使设于岩体21的通孔211内的套管22的外壁与岩体21的内壁之间的距离不等，以实现套管22偏心的实验环境下的模拟检测。

本发明通过岩体21、套管22和水泥环空23组成的井筒20模拟井下真实的套管-水泥环-地层的井筒单元，通过温度调节机构实现水泥浆在高温高压环境下侯凝，并通过温度调节机构控制井筒20的模拟温度，通过压力供给机构控制套管22内压力和水泥环空23内压力，通过地应力供给机构控制施加于岩体21的均匀或非均匀地应力，以真实模拟高温高压及大规模多级压裂的复杂井下工况，检测分析井筒20应力场和温度场的变化和分布、水泥环密封性的变化，以分析温度场变化和压力场变化对井筒20完整性的影响，及不同地层状态和不同地应力作用对井筒20完整性的影响。

实施方式二

本发明提供一种用于评价压裂环境下套管完整性的方法，其采用如上所述的用于评价压裂环境下套管完整性的装置，如图1至图2所示，具体用于评价压裂环境下套管完整性的装置的结构在此不再赘述，所述用于评价压裂环境下套管完整性的方法包括如下步骤：

步骤S1：由水泥浆储存罐24向水泥环空23内注入水泥浆，加热平台30通过铜芯棒31将所述套管22加热至设定温度，通过第二液压泵43向所述水泥环空23注入设定压力，直至所述水泥环空23内的水泥浆凝固呈水泥环，停止所述加热平台30加热；

步骤S2：将液氮罐36和气体流量计62分别与所述水泥环空23连通，通过两个加压板50向岩体21加压；

步骤S3：所述加热平台30将所述套管22加热至试验压裂温度，通过第一液压泵40向所述套管22内施加试验压裂压力，由计算处理单元60记录气体流量计62、应变片64和热电偶65的数值，实现对水泥环的密封性、井筒20的应力场和温度场的检测。

进一步的，在进行实验前，还包括步骤S0：准备用于评价压裂环境下套管完整性的装置，其中，该步骤S0包括如下步骤：

步骤S01，从待模拟测试的页岩气井内提取页岩岩心，将页岩岩心加工成立方体形的岩体21，以模拟真实地层，例如40cm×40cm×40cm的立方体形，并在立方体形的岩体21的中心或非中心钻设通孔211，例如直径为11cm的通孔，同时，在水泥浆储存罐24中按照试验需要配置一定比例的水泥浆；

步骤S02，将铜芯棒31的基座311通过连接件(例如螺栓)固定连接于腔体10的底壁12，使铜芯棒31的棒体312穿过腔体10的底壁12而插入腔体10内，将铜芯棒31的基座311置于加热平台30上；然后，将加工好的岩体21置入腔体10内，并使岩体21的两个相邻的侧面与腔体10的两个内侧面相贴靠，将套管22置于腔体10底壁12的环形凸起的凹槽内紧密卡设，在套管22的内壁、套管22的外壁和岩体21的内壁分别贴设应变片64和热电偶65，其中在每组应变片64的两两相邻的应变片单元之间粘贴热电偶单元，通过导线连接应变片64和热电偶65，并将顶盖(也即顶壁)密封盖设于腔体10上(例如可通过螺栓连接)，使导线穿过顶盖上的导线出入口15，实现与计算处理单元60电连接；

步骤S03，将两个加压板50贴靠于岩体21的另外两个侧面，将两个密封板14对应所述加压板50密封设于腔体10的两个侧面，并与腔体10的两个侧壁11密封相连(例如通过螺栓紧固)，再与密封板14上的加压口142处通过设有地应力控制阀52的管路连接第三液压泵53；

步骤S04，在腔体10底壁12的油口18处通过设有进油阀33的管路连接油泵32，并通过设有泄油阀35的管路连接油箱34，在腔体10顶壁13的套管注入口16处通过设有套压控制阀42的管路连接第一液压泵40，在腔体10顶壁13的环空注入口17处通过设有水泥浆注入阀25的管路连接水泥浆储存罐24、通过设有环压控制阀45的管路连接第二液压泵43及通过设有液氮罐控制阀37的管路连接液氮罐36。

进一步的，在所述步骤S1中，通过油泵32向所述套管22内注入矿物油，所述加热平台30通过铜芯棒31加热所述矿物油，所述矿物油将所述套管22加热至所述设定温度。

更进一步的，在所述步骤S1中，首先，打开水泥浆注入阀25，使水泥浆储存罐24通过环空注入口17向水泥环空23内注入水泥浆，直至注满整个水泥环空23，关闭水泥浆注入阀25；然后，打开进油阀33，使油泵32通过油口18向套管22内注入矿物油，并控制加热平台30通过铜芯棒31和矿物油的传递作用将套管22加热至设定温度，如120℃，或者通过计算处理单元60控制加热平台30的开启和加热温度；接着，打开环压控制阀45，使第二液压泵43通过环空注入口17向水泥环空23内注入设定压力，如10MPa，或者通过计算处理单元60控制第二液压泵43的开启和压力；最后，在上述设定温度和设定压力条件下养护三天，使水泥浆凝固为水泥环(或水泥块)，以模拟井下套管与地层之间的密封结合，待水泥浆彻底固结后，停止加热平台30加热，使井筒20内的温度降至常温。

在所述步骤S2中，首先，打开液氮罐控制阀37和密封控制阀63，使液氮罐36和气体流量计62分别与所述水泥环空23连通，然后，通过第三液压泵53向所述活塞腔141的压力室内注入压力，推动活塞51以带动加压板50向岩体21施加压力，比如分别向两个加压板50施加20MPa和30MPa的压力，以模拟地应力，其中可通过计算处理单元60控制地应力控制阀52的开启。

在所述步骤S3中，首先，设定加热平台30的加热温度至试验压裂温度120℃，以使套管22的温度也加热至该温度，然后，打开泄油阀35，直至套管22内的矿物油从套管22内全部排出到油箱34内，接着，打开套压控制阀42，通过第一液压泵40向套管22内施加试验压裂压力80MPa(图2中的箭头示出了套管内的压力和岩体上的压力)，并始终保证套压控制阀42的开启，以保证套管22内始终保持在该压裂压力，最后，将气体流量计62、应变片64、热电偶65的数据通过数据传输线传输给信号转换器61进行转换后，反馈给计算处理单元60，以实现对水泥环密封性、井筒20应力场和温度场的检测，其中气体流量计62的示数可以直接评价水泥环的密封性，即示数越大，说明氮气流量越大，说明水泥环的密封性越差，示数为零，说明密封严密，没有氮气通过水泥环。

在所述步骤S3之后，还包括步骤S4，对加压板50泄压，停止所述加热平台30加热，将液氮罐36与所述套管22连通进行降温，具体的，关闭套压控制阀42并关闭第一液压泵40，打开地应力控制阀52对加压板50泄压，关停加热平台0，然后开启液氮罐控制阀37，使液氮罐36向套管22内通入高压氮气进行降温。

进一步的，在所述步骤S4之后还包括步骤S5，重复上述步骤S3和步骤S4，以在重复压裂压力载荷和循环温度载荷下，模拟测试水泥环的密封性、井筒的应力场和温度场的变化。

本发明用于评价压裂环境下套管完整性的装置及方法的特点及优点是：

1、本发明通过岩体21、套管22和水泥环空23组成的井筒20模拟地下真实井筒，通过将套管22置于密封腔体10内并卡设于腔体10的顶壁13和底壁12之间，以真实模拟套管22在受高压高温和地应力作用下的变形状况，其中，通过加热平台30加热铜芯棒31和矿物油以模拟井下高温环境，并通过液氮罐36向套管22内注入氮气，实现对井筒20的降温，并可通过循环加热-降温的方式模拟压裂过程中井筒20的温度变化，通过第一液压泵40向套管22内注入压力，模拟井下的压裂压力，通过第三液压泵53向活塞51施加压力并传递给加压板50，模拟地层的地应力，并通过调节两个第三液压泵53施加相同或不同的压力，实现均匀地应力或非均匀地应力的模拟，精确控制温度和压力参数，以真实模拟高温高压及大规模多级压裂的复杂井下工况，检测分析井筒20应力场和温度场的变化和分布、水泥环密封性的变化，以分析温度场变化和压力场变化对井筒完整性的影响，及不同地层状态和不同地应力作用对井筒20完整性的影响，同时还有利于寻找套管22疲劳或损坏的作业极限，为压裂作业的优化设计和套管22体系的优选提供重要参考依据。

2、本发明将设置于套管22内壁、套管22外壁和岩体21内壁的三组应变片64和三组热电偶65均与计算处理单元60电连接，实现对岩体21和套管22的应力场和温度场的分布和变化的实时监测，将连接于水泥环空23下端的气体流量计62与计算处理单元60电连接，实现定量的评价水泥环密封性，将用于分别监测并显示两个加压板50施加给岩体21的地应力的两个第三压力表54、用于监测并显示第一液压泵40施加给套管22的压力的第一压力表41、用于监测并显示第二液压泵43施加给水泥环空23的压力的第二压力表44均通过导线传递给信号转换器61再传递给计算处理单元60，通过计算处理单元60编程记录相关参数的变化并进行相应的处理，实现对地应力、套管22内压力、水泥环空23内压力的实时监测和分析，能精确控制各压力参数，模拟数值准确、精度高，为分析压裂环境下套管完整性提供完整、准确、全面的试验数据。

3、本发明通过加热平台30加热铜芯棒31、并通过铜芯棒31加热矿物油、并通过矿物油加热套管22，使套管22均匀受热，进而对水泥环和岩体21加热，并通过环压控制阀45控制水泥环空23内的压力，使水泥环空23内的水泥浆在高温高压下凝固成水泥环(也可称为水泥块)，使水泥环连接套管22与岩体21，通过液氮罐36向其内注入氮气，并通过气体流量计62检测通过的氮气的流量，以实现对水泥环的密封性的检测，其真实的模拟了水泥浆高温高压的侯凝环境，使对凝固后的水泥环(或水泥块)的测试更加准确。

4、本发明还能通过设置不同页岩气井内的页岩岩心制成的岩体21、设置套管22与岩体21同心或不同心、设置水泥环存在角度缺失(比如在注入水泥浆时，在水泥环空23内设置空气囊，使水泥环出现角度缺失而不能保持整个环形体形状)等复杂的试验环境，定量分析各复杂的环境因素对井筒20的应力场和温度场分布和变化的影响，为后期完井优化设计提供参考；本发明克服了现有试验装置过于简单、仅能模拟温度或压力等个别因素下的井下环境而无法准确模拟的缺陷，实现了准确、全面的模拟井下各种复杂工况，及在复杂的井下工况下对井筒完整性的定量分析。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种用于评价压裂环境下套管完整性的装置，其特征在于，所述用于评价压裂环境下套管完整性的装置包括：

密封的腔体，其横截面呈矩形，所述腔体内贴设井筒，所述井筒包括岩体和设于所述岩体内的套管，所述套管与所述岩体之间形成水泥环空，所述水泥环空与水泥浆储存罐相连；

地应力供给机构，其包括两个能向所述岩体施加压力的加压板，两个所述加压板设于所述腔体内并相互垂直的贴设于所述岩体的两个侧面；

温度调节机构，其包括铜芯棒和液氮罐，所述铜芯棒的一端插设于所述套管内，所述铜芯棒的另一端与加热平台相连，所述液氮罐能分别与所述套管和所述水泥环空相连；

压力供给机构，其包括第一液压泵和第二液压泵，所述第一液压泵与所述套管相连，所述第二液压泵与所述水泥环空相连；

测量机构，其包括气体流量计、三组应变片和三组热电偶，所述气体流量计与所述水泥环空相连，三组所述应变片和三组所述热电偶均分别设于所述套管的内壁、所述套管的外壁和所述岩体的内壁，所述气体流量计、所述应变片和所述热电偶分别与一计算处理单元电连接。

2.根据权利要求1所述的用于评价压裂环境下套管完整性的装置，其特征在于，所述腔体的底壁的上表面凸设下环形凸起，所述腔体的顶壁的下表面凸设上环形凸起，所述套管的两端分别卡设于所述上环形凸起和所述下环形凸起。

3.根据权利要求1所述的用于评价压裂环境下套管完整性的装置，其特征在于，所述腔体的两个侧面分别设有与所述加压板对应的密封板，所述密封板的内壁凹设活塞腔，所述加压板的外壁与活塞的一端相连，所述活塞的另一端密封设于所述活塞腔内并与所述活塞腔的底面围设形成压力室，所述压力室与第三液压泵相连。

4.根据权利要求1所述的用于评价压裂环境下套管完整性的装置，其特征在于，所述腔体的底壁上设有与所述套管连通的油口，所述温度调节机构还包括油泵和油箱，所述油泵通过设有进油阀的管路与所述油口相连，所述油箱通过设有泄压阀的管路与所述油口相连。

5.根据权利要求1所述的用于评价压裂环境下套管完整性的装置，其特征在于，所述铜芯棒包括基座和连接于所述基座上的棒体，所述基座的上表面与所述腔体的底壁相连，所述棒体穿过所述腔体的底壁并插设于所述套管内，所述基座的下表面与所述加热平台相连。

6.根据权利要求1所述的用于评价压裂环境下套管完整性的装置，其特征在于，所述腔体的顶壁设有与所述套管连通的套管注入口和与所述水泥环空连通的环空注入口，所述第一液压泵通过设有套压控制阀的管路与所述套管注入口相连，所述第二液压泵通过设有环压控制阀的管路、所述水泥浆储存罐通过设有水泥浆注入阀的管路及所述液氮罐通过设有液氮罐控制阀的管路分别与所述环空注入口相连；所述腔体的底壁设有与所述水泥环空连通的检测口，所述气体流量计通过设有密封控制阀的管路与所述检测口相连。

7.根据权利要求1所述的用于评价压裂环境下套管完整性的装置，其特征在于，每组所述应变片包括三个应变片单元，三个所述应变片单元自上而下等间隔设置，每组所述热电偶包括两个热电偶单元，两个所述热电偶单元分别设于两两相邻的所述应变片单元之间。

8.根据权利要求1所述的用于评价压裂环境下套管完整性的装置，其特征在于，所述岩体内设有通孔，所述套管设于所述岩体的通孔内，所述套管的轴向中心线、所述岩体的通孔的轴向中心线和所述腔体的中心线共线；或所述套管的轴向中心线与所述腔体的中心线共线，且所述岩体的通孔的轴向中心线与所述套管的轴向中心线相偏离。

9.一种用于评价压裂环境下套管完整性的方法，其特征在于，其采用如权利要求1至权利要求8中任一项所述的用于评价压裂环境下套管完整性的装置，所述用于评价压裂环境下套管完整性的方法包括如下步骤：

步骤S1：由水泥浆储存罐向水泥环空内注入水泥浆，加热平台通过铜芯棒将所述套管加热至设定温度，通过第二液压泵向所述水泥环空注入设定压力，直至所述水泥环空内的水泥浆凝固，停止所述加热平台加热；

步骤S2：将液氮罐和气体流量计分别与所述水泥环空连通，通过两个加压板向岩体加压；

步骤S3：所述加热平台将所述套管加热至试验压裂温度，通过第一液压泵向所述套管内施加试验压裂压力，由计算处理单元记录气体流量计、应变片和热电偶的数值。

10.根据权利要求9所述的用于评价压裂环境下套管完整性的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，通过油泵向所述套管内注入矿物油，所述加热平台通过铜芯棒加热所述矿物油，所述矿物油将所述套管加热至所述设定温度。