CN106761679A - 一种可偏心测试固井第一界面胶结质量的评价装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种可偏心测试水泥‑套管界面胶结质量的评价装置及实验方法，水泥‑套管界面即固井第一胶结界面。目前第一界面的评价只考虑了套管外表面与水泥环的胶结情况，而在实际多开的井身结构中，套管内表面与水泥环也存在胶结，其胶结质量也决定着水泥环密封的成功与否。此外，在考虑内外表面的同时，还需要考虑套管的偏心对胶结的影响。本装置针对以上问题提出了解决方案，尽可能地模拟出现场固井的工艺和工况，包括泥饼的形成、冲洗、水泥的井下养护，井下压力温度等。本装置模拟程度高，既可评价套管内外表面与水泥的胶结情况，又能模拟任意偏心度的套管胶结情况，还可以模拟水泥浆等胶体段塞的封堵强度。实验结果与分析可为固井水泥第一界面胶结质量的评价提供重要参考，为工程设计提供重要的依据，亦可用于评价其他材料体系与套管的胶结强度。

Description

一种可偏心测试固井第一界面胶结质量的评价装置及方法

技术领域

本专利涉及油气井固井第一胶结界面即套管与水泥环界面的评价，可模拟出高温高压下固井的完整工艺以及套管任意偏心度工况，并可采用气窜方式评价套管内外表面水泥环的胶结情况。

背景技术

固井第一界面，即套管与水泥环的胶结界面，其良好的胶结可有效地保护套管，防止地层窜层。若第一界面发生窜流，不仅仅影响生产的安全进行，还会使地层中流体直接与套管接触，会加快套管的损坏，在压裂酸化等措施中会造成安全隐患。因而，确保第一界面的良好胶结有着重要意义。

目前室内评价第一胶结界面的方法存在两种形式。一种是采用压剪切的原理，直接测量胶结界面处的抗剪切强度，由此观察胶结状况。如彭志刚等人研发的水泥环胶结强度评价装置(彭志刚,冯茜,齐志刚，等.水泥环胶结强度评价装置[P].北京：CN104727805A,2015-06-24.)，但采用该原理进行测试所得到的结果无法直接给出胶结面可以承受的地层窜流压力，同时胶结强度的大小与防窜能力无法建立关系，如胶结面存在裂缝，实际地层已经发生窜流，但是测试显示的剪切胶结强度仍可能很大。可见，该种评价方法是存在一定问题的。另一种方法则是利用胶结界面的抗窜能力来评价。廖华林提出了一种通过测量水泥环密封特性来评价胶结状况的测试装置与实验方法(廖华林，管志川，史玉才，等.一种油气井水泥环密封特性模拟测试装置[P].山东：CN204024635U,2014-12-17.)，该装置及方法是同时测试两个胶结界面的窜层情况的，无法区分和研究具体是哪个界面发生了窜层；郭小阳提出了一种高温高压下一、二两个胶结界面的胶结能力评价装置(郭小阳，张凯，李早元，等.高温高压固井一、二界面封固能力测试装置及方法[P].四川：CN104406910A,2015-03-11.)，该装置虽有泥饼的形成但未体现出钻井液循环过程，虽然在装置中施加了围压，但岩心外套有胶套阻隔了液体的渗流，无法体现出地层孔隙压力，反而将围压大都作用于岩心上，模拟效果差，同时，该装置只测了套管外表面与水泥环的胶结状况，忽略了存在多级套管中并且水泥有返高时，套管内表面也会与水泥胶结的情况，此外，该装置无法评价偏心情况下第一界面的胶结情况。

根据目前调研所知，目前的研究中没有能完整模拟固井工艺并十分准确进行第一胶结界面抗窜能力评价的装置，存在较多缺陷，尤其是忽略了套管内外表面都分别有可能存在水泥的情况，同时，对于套管偏心情况下第一界面胶结评价装置的研究也未发现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够模拟出固井第一胶结界面状况包括套管偏心情况，并能准确测量第一胶结界面(套管内外表面)抗气窜能力的装置，克服并完善了现有技术的缺陷和空白。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案：

一种可偏心测试的固井一界面胶结质量评价装置，主要由釜体(分为上釜体、侧釜体、下釜体)，加热保温套，地层管，套管，上封盖，上调节螺钉，分隔圈，密封圈，下封盖，羊毛垫，下调节螺钉，承压螺钉，控制阀，回压阀，稳压阀，压力表，液压泵，泥浆泵，流量计，集气瓶，单向阀，氮气源以及计算机组成。

所述釜体分为上釜体、侧釜体，以及下釜体，所述侧釜体由内向外依次为套管，地层管，加热保温套，侧釜体；所述套管为现场使用的套管，套管上下分别与上封盖、下封盖连接，两者之间存在密封胶圈确保密封，所述套管下部可挤入一羊毛垫片，可隔离并阻挡水泥流入下部套管进气口的通道；所述地层管为一刚性的金属筒，模拟地层；所述加热保温套可以加热釜体内部，模拟地层温度，其内有热电偶和温度传感器，电连接计算机，对温度进行调整和监控。

所述上釜体通过承压螺钉与上封盖连接，二者间存在密封圈确保密封，所述环形密封圈嵌于上封盖内，并且宽度大于套管的最大平移距离即环空的宽度,确保上封盖在平移的过程与上釜体之间的密封性；所述上封盖上存在三条通道：一是套管出气口，与套管内部连通，二是第一界面出气口，紧贴于套管外侧，三是第二界面出气口，紧贴于地层管内侧；所述上封盖上嵌有一分隔圈，注入水泥后需要淹没该分隔圈一段距离，目的在于分隔开一界面和二界面窜流上来的气体。

所述下釜体通过承压螺钉与下封盖连接，二者间存在密封圈确保密封，所述环形密封圈嵌于下封盖内，并且宽度大于套管的最大平移距离即环空的宽度，确保下封盖在平移的过程中与下釜体之间的密封性；所述下釜体上存在两条通道：一是套管进气口，与套管内部连通，二是环空进气口，与环空相连通；所述下封盖上部，可在地层管与套管之间的环空内挤入一羊毛垫片，该羊毛垫片可隔离和阻挡水泥流入下部环空进气口通道。

所述上釜体和下釜体的一侧都存在调节螺钉，上调节螺钉可挤压上封盖平移，下调节螺钉可挤压下封盖平移，对套管的偏心度进行调整，所述调节螺钉上连有测量装置，可精确测量螺钉的移动距离，以确定偏心度的大小。

所述第一界面是指水泥环与套管形成的胶结面，所述第二界面是指水泥环与地层管形成的胶结面；所述套管进气口和环空进气口可注入高压气体，对第一、第二界面测窜；所述第一界面出气口与第一界面相连，收集并排出来自第一界面气窜的气体，并且由分隔圈分隔开来自第二界面气窜的气体；所述第二界面出气口与第二界面相连，收集并排出第二界面气窜的气体；所述套管出气口与套管内部连接，收集并排出套管内表面与水泥环的胶结面发生气窜时的气体。

所述套管进气口和环空进气口都可接三条管线，三条管线可实现三个目的：一是钻井液循环，二是水泥环养护施压，三是高压气体注入。

所述第一界面出气口、第二界面出气口和套管出气口都可接三条管线，三条管线可实现三个目的：一是钻井液循环，二是水泥环养护施压，三是气窜时气体的检测。

所述钻井液循环管线，只打开第一、第二、第四和第七控制阀门，其他阀门都关闭，此时钻井液在泥浆泵的作用下被吸入，由套管出气口流入套管内部，由套管进气口流出套管(此时并未放置羊毛垫片)，经控釜体外部管线由环空进气口处进入环空，从第一界面出气口和第二界面出气口流出环空流回钻井液池，模拟出钻井液完整循环。

所述水泥养护施压管线(以水泥环存在于套管外表面为例)，是在完成注水泥之后，只打开第三、第五、第六、第七、第八控制阀门，其他阀门都关闭，此时在液压泵的作用下，压力流体经第六、第五、第三控制阀门可流至水泥环上部，经第八、第七控制阀门可流至水泥环下部，在压力流体的作用下，因地层管和套管具有一定的刚性，根据反作用力原理，水泥环不仅受到纵向上的压力，还受到水平上的挤压力，完成对水泥环施加压力，模拟井下地层压力条件，当水泥存在于套管内部时也可控制相应的控制阀门，达到模拟井下水泥所受压力的条件。(注：根据实验测试的需要确定管线所需要打开的控制阀门：若实验时水泥环只存在于套管的外表面(即环空)，则在施加养护压力时关闭套管进气口和套管出气口，完成注压后可根据实验是否需要套管内压，确定是否在套管内部施加一定压力流体，即关闭环空进气口、第一界面出气口和第二界面出气口后再向套管进气口和套管出气口注压；若实验时水泥环只存在于套管内部亦可进行类似的操作。)

所述气体注入管线，关闭所有的控制阀门(第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八)，气体由氮气源流出。氮气经第一稳压阀、第五压力表以及第一单向阀由套管进气口进入套管内部，对套管内部的水泥胶结界面的情况进行检测；氮气经第二稳压阀、第六压力表、第二单向阀由环空进气口进入环空，对环空水泥胶结界面的情况进行检测。

所述气窜气体检测管线，关闭所有控制阀门(第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八)，气体由第一界面出气口、第二界面出气口以及套管出气口收集并排出。第一界面出气口由于分隔圈的作用，只能收集来自第一界面气窜的气体，排出后经第二回压阀、第二压力表以及第二流量表，由第二集气瓶收集；第二界面出气口排出的气体，经第三回压阀、第三压力表以及第三流量表，由第一集气瓶收集；套管出气口排出的气体，经第一回压阀表，第一压力表以及第一流量表，由第三集气瓶收集。

所述第一、第二、第三回压阀是为了确保水泥环养护时所需压力，即模拟地层压力；所述第一、第二、第三压力表分别记录气窜气体的压力，所述第一、第二、第三流量表分别记录气窜气体的流量。

所述第一、第二单向阀，氮气在此处只能进入釜体中，不能返回氮气源中，并且只有在氮气源输出气压大于套管内部和环空内部的的流体的压力时才能打开，否则则处于关闭状态。

所述加热保温带中的热电偶，以及所用到的压力表、流量表都与计算机电连接，由计算机记录、监控其变化。

所述第二界面气体检测通道的作用是为了释放从第二界面处窜通的气体防止其对第一界面检测通道的影响，准确地获知第一界面发生气窜时的压力和流量。

一种可偏心测试的固井一界面胶结质量评价装置的实验方法，具体包括如下步骤：

(1)调节偏心度：卸下上下封盖，将套管与下封盖连接好，并确保其密封住，将与套管连接好的下封盖装到下釜体上，暂时不要拧紧承压螺钉，此时可调节下调节螺钉，套管随着下封盖平移，当套管随着下封盖达到实验所需的偏心度时，再拧紧承压螺钉，随后将上封盖与套管连接好，并将上调节螺钉与承压螺钉都拧紧；

(2)钻井液循环：只打开第一、第二、第四和第七控制阀门，其他阀门都关闭，同时打开加热层加热至实验设定温度后(实验模拟的地层温度)，开启泥浆泵，此时钻井液在泥浆泵的作用下被吸入，由套管出气口流入套管内部，由套管进气口流出套管(此时并未放置羊毛垫片)，经控釜体外部管线由环空进气口处进入环空，从第一界面出气口和第二界面出气口流出环空流回钻井液池，模拟出钻井液完整循环；

(3)模拟注水泥前工艺流程：在形成泥饼或达到工况所需循环时间后，将钻井液排尽，替换成冲洗液，冲洗液为固井注水泥前常用冲洗液，也可选择不同类型冲洗液，并冲洗或浸泡一段时间，时间由根据所模拟的工况调整；完成之后可再次替换成隔离液，循环或浸泡一段时间后将装置内的液体全排放掉，模拟后续施工中冲洗液和隔离液对套管界面的作用；

(4)注入水泥并养护：若是评价套管外表面与水泥环的胶结质量，在完成(4)之前的流程后取下下封盖，在套管与地层管之间的环空挤入一羊毛垫片，再次安装好下封盖，打开上封盖，利用管线向环空内由下至上缓慢注入水泥浆；若是评价套管内表面与水泥环的胶结质量，取下下封盖，在套管内部挤入一羊毛垫片，再次安装好下封盖后，打开上封盖，利用管线向套管内部由下而上缓慢注入水泥浆，二者注入水泥浆的高度要保证淹没上封盖上分隔圈(2～4cm)；注入水泥完成后，打开加热保温套加热至实验设定的温度，温度为模拟井段的地层温度；同时连通水泥养护施压管线，根据水泥环存在于套管内部还是外部亦或是都存在的情况，向上下封盖上的通道泵入水泥浆养护所需压力的液压流体，压力大小根据所模拟的地层压力以及水泥环自身重力分析计算得出；根据实验需求在设定的条件下养护一定时间(1～2日)；

(5)模拟气窜实验：连通气体注入管线和检测管线，向下封盖的两条通道上注入气体(氮气)，由套管进气口进入套管内部，对套管内部的水泥胶结界面的情况进行检测；由环空进气口进入环空，对环空水泥胶结界面的情况进行检测；逐渐升高气压，观察进气口处的压力变化以及气体收集口处第一、第二、第三流量计和第三、第二、第一集气瓶变化，若观察到气压表或流量表数值的显著变化或者集气瓶内产生气泡，则表明该界面已发生气窜，此时界面进气口处所连接的压力表的压力值则为该界面抵抗气窜的压力值，该值越大，说明界面胶结效果越好。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)可完整模拟出钻井液的循环以及泥饼的形成、冲洗以及后续工序对第一界面胶结强度的影响。

(2)该装置可分别评价套管内外表面与水泥环的胶结质量，甚至可以评价内外表面都存在水泥时的内外界面胶结质量。

(3)可评价套管偏心时固井第一界面胶结质量，包括套管的内外表面。

附图说明

图1是该评价系统的总体结构示意图。

图2可偏心式固井第一界面胶结质量评价装置示意图。

图3是可偏心式固井第一界面胶结质量评价装置俯视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明：

实施例1：

一种可偏心测试的固井一界面胶结质量评价装置，主要由套管进气口1，环空进气口2，羊毛垫3、4，环形密封圈5、18，下封盖6，下调节螺钉7，下釜体8，承压螺钉9，螺钉平移槽10，侧釜体11，加热保温套12，地层模拟层13，套管14，上釜体15，上调节螺钉16，上封盖17，第二界面出气口19，第一界面出气口20，套管出气口21，分隔圈22，钻井液池23，控制阀24(第一)、26(第二)、27(第三)、28(第四)、29(第五)、33(第六)、44(第七)、45(第八)，泥浆泵25，回压阀30(第一)、31(第二)、32(第三)，压力表34(第一)、35(第二)、36(第三)、48(第四)、49(第五)、50(第六)，流量表37(第一)、38(第二)、39(第三)，集气瓶40(第一)、41(第二)、42(第三)，计算机43，单向阀46(第一)、47(第二)，液压泵51，稳压阀52(第一)、53(第二)，以及氮气源54、55组成。

所述釜体分为上釜体15、侧釜体11，以及下釜体8，所述侧釜体由内向外依次为套管14，地层管13，加热保温套12，侧釜体11；所述套管14为现场使用的套管，套管上下分别与上封盖17、下封盖6连接，两者之间存在密封胶圈确保密封，所述套管14下部可挤入一羊毛垫片3，可隔离并阻挡水泥流入下部套管进气口1的通道；所述地层管13为一刚性的金属筒，模拟地层；所述加热保温套12可以加热釜体内部，模拟地层温度，其内有热电偶和温度传感器，电连接计算机43，对温度进行记录和监控。

所述上釜体15一侧存在上调节螺钉16，上调节螺钉可挤压上封盖17平移，对套管14的偏心度进行调整，所述调节螺钉上连有测量装置，可精确测量螺钉的移动距离，以确定套管偏心度。

所述上釜体15通过承压螺钉9与上封盖17连接，二者间存在密封圈18确保密封，所述环形密封圈18嵌于上封盖内，并且宽度大于套管14的最大平移距离即环空的宽度；所述上封盖17上存在三条通道：一是套管出气口21，与套管内部连通，二是第一界面出气口20，紧贴于套管14外侧，三是第二界面出气口19，紧贴于地层管13内侧；所述上封盖17上嵌有一分隔圈22，注入水泥后需要淹没该分隔圈一段距离，目的在于分隔开一界面和二界面窜流上来的气体。

所述下釜体8一侧存在下调节螺钉7，下调节螺钉可挤压下封盖6平移，对套管14的偏心度进行调整，所述调节螺钉上连有测量装置，可精确测量螺钉的移动距离，以确定套管偏心度。

所述下釜体8通过承压螺钉9与下封盖6连接，二者间存在密封圈5确保密封，所述环形密封圈5嵌于下封盖6内，并且宽度大于套管14的最大平移距离即环空的宽度，以保证在任意的偏心度下下釜体与下封盖之间的密封性；所述下釜体8上存在两条通道：一是套管进气口1，与套管内部连通，二是环空进气口2，与环空相连通；所述下封盖6上部，可在地层管13与套管14之间的环空内挤入一羊毛垫片4，可隔离和阻挡水泥流入下部环空进气口2通道。

所述上釜体15和下釜体8上都对称存在螺钉平移槽10，螺钉平移槽中为承压螺钉9，所述平移槽10长度大于套管14可平移的最大距离，即环空的宽度，以保证获得尽量大范围的偏心度，且套管居中时，承压螺钉位于平移槽的起点(图中最左端)。

所述第一界面是指水泥环与套管14形成的胶结面，所述第二界面是指水泥环与地层管13形成的胶结面；所述套管进气口1和环空进气口2可注入高压气体，对第一、第二界面测窜；所述第一界面出气口20与第一界面相连，收集并排出来自第一界面气窜的气体，并且由分隔圈22分隔开来自第二界面气窜的气体；所述第二界面出气口19与第二界面相连，收集并排出第二界面气窜的气体；所述套管出气口21与套管内部连接，收集并排出套管14内表面与水泥环的胶结面发生气窜时的气体。

所述套管进气口1和环空进气口2都可接三条管线，三条管线可实现三个目的：一是钻井液循环，二是水泥环养护施压，三是高压气体注入。

所述第一界面出气口19、第二界面出气口20和套管出气口21都可接三条管线，三条管线可实现三个目的：一是钻井液循环，二是水泥环养护施压，三是气窜时气体的检测。

所述钻井液循环管线，只打开控制阀门24、26、28、44，其他阀门都关闭，此时钻井液在泥浆泵25的作用下被吸入，流经控制阀28，由套管出气口21流入套管14内部，由套管进气口1流出套管(此时并未放置羊毛垫片3和4)，经控制阀44，由环空进气口进入环空，由第一界面出气口20和第二界面出气口19流出环空，经控制阀24、26流回钻井液池，模拟出钻井液完整循环。

所述水泥养护施压管线，在完成注水泥之后，若水泥环位于套管外部，只打开控制阀门27、29、33、44、45，其他阀门都关闭，并且关闭套管进气口1和套管出气口21，此时在液压泵51的作用下，压力流体经阀门33、29、27可流至水泥环上部，经45、44流至水泥环下部，在压力流体的作用下，因地层管13和套管14具有较大的刚性，根据反作用力原理，水泥环不仅受到纵向上的压力，还受到水平上的挤压力；当水泥存在于套管内部时，只打开控制阀门33、45，在液压泵51的作用下，压力流体流经控制阀33由套管出气口进入水泥浆上部，经控制阀45由套管进气口进入水泥浆底部，同样的原理，达到模拟井下水泥所受压力的条件。(注：根据实验测试的需要确定管线所需要打开的阀门：若实验时水泥环只存在于套管的外表面(即环空)，则在施加养护压力时关闭套管进气口1和套管出气口21，完成注压后可根据是否需要套管内压确定是否在套管内部施加一定压力流体，即关闭环空进气口2、第一界面出气口和第二界面出气口后再向套管进气口1和套管出气口21注压；若实验时水泥环只存在于套管内部亦同理。)

所述气体注入管线，关闭所有的控制阀门(24、26、27、28、29、33、44、45)，气体由氮气源54、55流出。54流出的氮气经稳压阀52、压力表49以及单向阀46进入套管进气口1，对套管内部的水泥界面胶结情况进行检测；55流出的氮气经稳压阀53、压力表50、单向阀47进入环空进气阀2，对环空水泥环界面的胶结情况进行检测。

所述气窜气体检测管线，关闭所有控制阀门(24、26、27、28、29、33、44、45)，气体由第一界面出气口20、第二界面出气口19以及套管出气口21收集并排出。第一界面出气口20由于分隔圈22的作用，只能收集来自第一界面气窜的气体，排出后经回压阀31、压力表35以及流量表38，由集气瓶41收集；第二界面出气口19排出的气体，经回压阀32、压力表36以及流量表39，由集气瓶40收集；套管出气口21排出的气体，经回压阀30,、压力表34以及流量表37，由集气瓶42收集。

所述回压阀30、31、32是为了保证水泥环养护所需压力，所述压力表34、35、36记录气窜气体的压力，所述流量表37、38、39记录气窜气体的流量。

所述单向阀46、47，氮气在此处只能进入釜体中，不能返回氮气源中，并且只有在氮气源54、55输出气压大于套管内部和环空内部的液体压力时才能打开，否则则处于关闭状态。

所述加热保温带12中的热电偶、压力表(34、35、36、48、49、50)、流量表(37、38、39)，都与计算机43电连接，由计算机43记录或监控其变化。

实施例2：

采用实施例1所述的一种固井第二界面胶结质量的评价装置的实验方法，包括如下步骤：

1.调节偏心度：

(1)将上封盖17和下封盖6都取下，把套管14与下封盖6连接好，二者以胶圈密封其连接处，确保密封性后将下封盖6连接至下釜体8，此时承压螺钉9不需拧紧。

(2)拧动下调节螺钉7，由于承压螺钉9未拧紧，此时套管14会随着下封盖6平移相同的距离，可调节至实验所需的偏心度。

(3)达到实验所需偏心度后立即拧紧承压螺钉9，并将上封盖17与套管14连接密封好，并拧紧相应的承压螺钉。

2.钻井液循环、冲洗(泥饼形成)：

(1)根据实验需要设定好偏心度后，此时釜体中并没有放置羊毛垫片3和4，根据上述钻井液循环管线的要求连接好管路，并打开加热保温套12加热至实验所需温度。

(2)钻井液在泥浆泵25的作用下被吸入，流经控制阀28，由套管出气口21流入套管14内部，由套管进气口1流出套管(此时并未放置羊毛垫片3和4)，经控制阀44，由环空进气口进入环空，由第一界面出气口20和第二界面出气口19流出环空，经控制阀24、26流回钻井液池，模拟出钻井液完整循环。

(3)完成钻井液循环和泥饼形成之后，将钻井液排尽并替换成冲洗液，冲洗液为固井注水泥前常用冲洗液，也可选择不同类型冲洗液，并冲洗或浸泡一段时间，时间由根据所模拟的工况调整。

(4)冲洗完成后，可将冲洗液替换成隔离液，循环或浸泡一定时间后(时间根据固井工艺要求调整)将装置内的液体排尽，模拟后续施工中冲洗液和隔离液对套管界面的作用。

3.套管外表面与水泥环胶结情况的评价：

(1)取下下封盖6，根据偏心度确定羊毛垫片4的形状，并将羊毛垫片4挤入套管14与地层管13之间的环空，完成后再次将下封盖6与下釜体8和套管14连接并密封好。

(2)取下上封盖17，利用管线将水泥由下而上缓慢注入套管与地层管之间的环空中，直至一定刻度线，该刻度线的水泥总体积保证水泥环淹没分隔圈22一段距离(2～4cm)。

(3)注完水泥后，再次将上封盖17与上釜体15以及套管14连接并密封好，此时打开加热保温带12设定好水泥养护所需温度并开始升温，温度为所模拟井段的地层温度；此外按照水泥养护施压管线的要求连接好管线。

(4)关闭套管进气口1和套管出气口21，只打开控制阀27、29、33、44、45，其他阀门都关闭，此时在液压泵51的作用下，压力流体经阀门33、29、27可流至水泥环上部，经45、44流至水泥环下部。在压力流体的挤压作用下，因地层管13和套管14具有一定的刚性，对水泥环有一定反作用力，水泥环不仅受到纵向上的压力，还受到水平上的挤压力，模拟井下水泥环所受地层压力及其上部的液柱压力。根据实验是否对套管14内部压力有要求，可在关闭环空进气口2和第一界面出气口20以及第二界面出气口19的前提下，打开套管进气口1和套管出气口21，由液压泵51向套管内注入所需压力的流体。

(5)根据实验要求养护水泥一段时间后，按照气体注入管线和气窜气体检测管线的要求连接好管线。关闭所有的控制阀门(24、26、27、28、29、33、44、45)，气体由氮气源55流出，经稳压阀53、压力表50以及单向阀47进入环空进气口2，对环空内部的水泥胶结情况进行检测。

(6)第一界面出气口20由于分隔圈22的分隔作用，只能收集来自第一界面气窜的气体，排出后经回压阀31，由压力表35记录气压，由流量表38记录流量，最后由集气瓶41收集；第二界面出气口19排出的气体，经回压阀32，压力表36记录气压以及流量表39记录流量，最终由集气瓶40收集。

(7)逐渐增大氮气源释放的气压，直至压力表50数值发生显著变化或者集气瓶41产生气泡，说明此时第一界面已气窜，此时压力表50显示的数值则为气窜压力值，该压力值越大，表明界面的胶结效果越好，固井质量越高。

4.套管内表面与水泥环胶结情况的评价：

(1)取下下封盖6，将羊毛垫片3挤入套管14，完成后再次将下封盖6与下釜体8和套管14连接并密封好。

(2)取下上封盖17，利用管线将水泥浆由下而上缓慢注入套管14中，注完水泥后，再次将上封盖17与上釜体15以及套管14连接并密封好，此时打开加热保温带12设定好水泥养护所需温度并开始升温，温度为所模拟井段的地层温度；此外按照水泥养护施压管线的要求连接好管线。

(3)关闭环空进气口2和第一界面出气口20以及第二界面出气口19，只打开控制阀33、45，其他阀门都关闭，此时在液压泵51的作用下，压力流体经阀门33、可流至套管上部，经45流至套管下部，使水泥在压力流体的挤压下养护。根据实验是否对套管14围压有要求，可在关闭套管进气口1和套管出气口21的前提下，打开套管进气口1和套管出气口21，打开控制阀门27、29、44，由液压泵51向环空内注入所需套管围压的流体。

(4)根据实验要求养护水泥一段时间后，按照气体注入管线和气窜气体检测管线的要求连接好管线。关闭所有的控制阀门(24、26、27、28、29、33、44、45)，气体由氮气源54流出，经稳压阀52、压力表49以及单向阀46进入套管进气口1，对套管内部的水泥胶结情况进行检测。

(5)套管出气口21排出的气体，经回压阀30，由压力表34记录压力以及流量表37记录流量值，最终由集气瓶42收集。

(6)逐渐增大氮气源释放的气压，直至压力表49数值发生显著变化或者集气瓶42产生气泡，说明此时套管内表面与水泥环的胶结界面已气窜，此时压力表49显示的数值则为气窜压力值，该压力值越大，则表明界面胶结效果越好，固井质量越高。

5.套管内外表面都存在水泥时胶结情况的评价：

若套管内外都存在水泥时，则将以上两种操作方法结合起来，同时操作。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种可偏心测试的套管-水泥界面胶结质量评价装置，主要包括釜体，所述釜体分为上釜体、侧釜体，以及下釜体，所述上釜体通过承压螺钉与上封盖连接，所述下釜体通过承压螺钉与下封盖连接；

所述侧釜体由内向外依次为套管，地层管，加热保温套，侧釜体，套管与上下可分别与上封盖、下封盖连接，套管下部设置有羊毛垫片。

所述上釜体通过承压螺钉与上封盖连接，上釜体一侧设置有调节螺钉，调节螺钉上设置有距离测量装置，上封盖和上釜体之间设置有环形密封圈，上封盖上嵌有一分隔圈；

所述上封盖上存在三条通道：一是套管出气口，与套管内部连通，二是第一界面出气口，紧贴于套管外侧，三是第二界面出气口，紧贴于地层管内侧；

所述第一界面出气口、第二界面出气口和套管出气口都可接三条管线，三条管线可实现三个目的：一、钻井液循环，二、水泥环养护施压，三、气窜时气体的检测；

所述下釜体通过承压螺钉与下封盖连接，下釜体一侧设置有调节螺钉，调节螺钉上设置有距离测量装置，下封盖和下釜体之间设置有环形密封圈，下封盖的上部(紧贴于下封盖，)设置有环形羊毛垫片；

所述下封盖上存在两条通道：一是套管进气口，与套管内部连通，二是环空进气口，与环空相连通；

所述套管进气口和环空进气口都可接三条管线，三条管线可实现三个目的：一、钻井液循环，二、水泥环养护施压，三、高压气体注入；

所述钻井液循环管线，钻井液在泥浆泵的作用下被吸入，由套管出气口流入套管内部，由套管进气口流出套管(此时并未放置羊毛垫片)，经外部管线由环空进气口进入环空，从第一界面出气口和第二界面出气口流出环空流回钻井液池，模拟出钻井液完整循环；

所述水泥养护施压管线，是在完成注水泥之后，打开特定的阀门，在液压泵的作用下，使压力流体流至水泥环上部和水泥环下部，在压力流体的挤压作用下，对水泥环施加压力。

所述气体注入管线，关闭所有的控制阀门。由套管进气口进入的气体，对套管内部的水泥胶结情况进行检测；由环空进气口进入的气体，对环空水泥胶结情况进行检测。

所述气窜气体检测管线，关闭所有控制阀门，气体由第一界面出气口、第二界面出气口以及套管出气口收集并排出，排出后经相应的回压阀、压力表以及流量表，由集气瓶收集。

2.如权利要求1所述的一种可偏心测试的套管-水泥界面胶结质量评价装置，其特征在于，所述的热电偶以及所有的压力表和流量表都分别电连接计算机。

3.一种可偏心测试的套管-水泥界面胶结质量评价装置的实验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)调节偏心度：取下上下封盖，将套管与下封盖连接好，并确保其密封住，将与套管连接好的下封盖装到下釜体上，暂时不要拧紧承压螺钉，此时可调节下调节螺钉，使套管随着下封盖达到实验所需的偏心度，再拧紧承压螺钉，随后将上封盖与套管连接好，并将上调节螺钉与承压螺钉都拧紧；

(2)钻井液循环：打开控制阀门将下封盖上的两条通道连通，打开加热层加热至实验设定温度后，在泥浆泵的作用下，由上封盖的套管出气口通道注入钻井液，钻井液流经套管、控制阀、环空后从第一界面出气口和第二界面出气口的通道流出，模拟钻井液的循环；

(3)模拟注水泥前工艺流程：钻井液循环一段时间后，将钻井液替换成冲洗液，并冲洗一段时间，之后可再次替换成隔离液，循环一段时间后将装置内的液体全排放掉，模拟后续施工中冲洗液和隔离液对套管界面的作用；

(4)注入水泥浆并养护：若是评价套管外表面与水泥环的胶结质量，取下下封盖，在套管与地层管之间挤入一羊毛垫片，再次安装好下封盖后，打开上封盖，利用管线向环空内由下至上缓慢注入水泥浆；若是评价套管内表面与水泥环的胶结质量，取下下封盖，在套管内部挤入一羊毛垫片，再次安装好下封盖后，打开上封盖，利用管线向套管内部由下至上缓慢注入水泥浆，二者注入水泥浆的高度要淹没上封盖上分隔圈，注入水泥完成后，打开加热保温套加热至实验设定的温度，同时向上下封盖上的通道注入水泥浆养护所需压力的液压流体，根据实验要求在设定的条件下养护一定时间；

(5)模拟气窜实验：向下封盖的两条通道上注入气体(氮气)，逐渐升高气压，观察进气口处的压力变化以及气体收集口处流量计和集气瓶变化，若观察到气压表或流量表数值的显著变化或者集气瓶内产生气泡，则表明该界面已发生气窜，此时界面进气口处所连接的压力表的压力值则为该界面抵抗气窜的最大压力值，该值越大，说明界面胶结效果越好，固井质量也越高。