CN106959270A - 固井一界面胶结强度养护装置、测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种固井一界面胶结强度养护装置、测试装置及测试方法，该养护装置包括至少一个胶结主体，所述胶结主体包括：养护筒，由多个筒块沿所述养护筒的轴向卡接而成，具有上端开口和下端开口；下部密封体，支撑密封所述下端开口；上部密封装置，包括上部密封体和传力螺杆，所述传力螺杆竖直连接于所述上部密封体的下表面，所述上部密封体固定密封所述上端开口，且所述传力螺杆伸入所述养护筒的内部腔体；其中，所述养护筒的上部或所述上部密封体的边缘设置有至少一个传压孔，用于使所述养护筒内外连通。本发明能够方便地用于一界面胶结强度养护和一界面胶结强度的径向胶结力测试。

Description

固井一界面胶结强度养护装置、测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及石油勘探技术领域，尤其涉及一种固井一界面胶结强度养护装置、测试装置及测试方法。

背景技术

随着石油钻采技术的发展，油气井的井下环境愈加复杂，对固井作业及固井质量的要求越来越高。在固井作业过程中，套管与水泥浆之间的界面(即一界面)、水泥浆与围岩之间的界面(即二界面)，即两种材料接触面，是影响固井封固效果的薄弱环节。界面胶结的好坏对整个固井完井过程以及生产过程中一界面和二界面是否会产生微环隙有直接影响。因此，固井界面胶结强度直接影响油气井的使用寿命和开发效益。

目前国内室内评价水泥浆胶结强度的装置存在结构复杂、体积大、不易操作等问题。这些胶结强度测试装置一般测试水泥浆在一界面(或二界面)上产生滑移错动时的力大小，即平行于胶结面方向的剪切胶结强度。

通过对水泥浆环完整性的分析，在套管内压力温度变化时，一界面(或二界面)会由于径向产生的拉应力大于界面胶结强度而发生界面脱离。判断界面脱离的前提是已知界面径向胶结强度的大小，而并非现有胶结强度测试装置所能够测试的剪切胶结强度的大小。

然而，对于垂直于胶结面方向的径向胶结强度的测试装置，尚未见到相关报道。为准确建立界面脱离判断标准，需要量化界面径向胶结强度值。因此，设计一种能够测试一界面径向胶结强度的装置十分必要。

发明内容

本发明提供一种固井一界面胶结强度养护装置、测试装置及测试方法，以养护及测试一界面径向胶结强度。

本发明提供一种固井一界面胶结强度养护装置，包括至少一个胶结主体，所述胶结主体包括：养护筒，由多个筒块沿所述养护筒的轴向卡接而成，具有上端开口和下端开口；下部密封体，支撑密封所述下端开口；上部密封装置，包括上部密封体和传力螺杆，所述传力螺杆竖直连接于所述上部密封体的下表面，所述上部密封体固定密封所述上端开口，且所述传力螺杆伸入所述养护筒的内部腔体；其中，所述养护筒的上部或所述上部密封体的边缘设置有至少一个传压孔，用于使所述养护筒内外连通。

一个实施例中，相邻的两个所述筒块通过其阶台式侧边端部相互配合卡接在一起。

一个实施例中，所述养护筒为圆筒形状。

一个实施例中，所述传力螺杆沿所述养护筒的中轴线伸入所述养护筒的内部腔体。

一个实施例中，所述多个筒块的数量为两个，所述筒块为半圆筒形状。

一个实施例中，所述上部密封体边缘和所述养护筒上端分别设置有通孔和螺孔，所述上部密封体和所述养护筒通过穿过所述通孔并穿入所述螺孔的螺钉连接在一起。

一个实施例中，所述下部密封体上表面设置有凹槽结构，所述养护筒的下端嵌入所述凹槽结构。

一个实施例中，所述胶结主体的个数为多个，所述养护装置还包括：底板、隔板及盖板；所述隔板将多个所述胶结主体分隔成多层放置，所述底板固定底层的所述胶结主体，所述盖板盖置于顶层的所述胶结主体上，所述隔板固定放置其上的所述胶结主体。

一个实施例中，还包括：中空连接杆；所述中空连接杆穿设于所述盖板、所述隔板及所述底板。

一个实施例中，所述胶结主体的个数为四个；底层的所述胶结主体的个数为两个，顶层的所述胶结主体的个数为两个；所述养护装置的尺寸适用于符合API标准的固井水泥浆养护釜。

本发明提供一种固井一界面胶结强度测试装置，包括上述各实施例中所述的胶结主体，还包括：上部夹持部，通过一连接部连接于所述上部密封体的上表面；下部夹持部，包括夹持体固定部和万能试验机下夹持体，所述万能试验机下夹持体固定于所述夹持体固定部下侧，所述夹持体固定部固定于所述下部密封体下侧。

一个实施例中，所述下部密封体边缘和所述夹持体固定部边缘分别设置有第一连接孔和第二连接孔，所述下部密封体和所述夹持体固定部通过穿过所述第一连接孔和所述第二连接孔的螺栓连接在一起。

一个实施例中，所述连接部包括柔性连接体。

一个实施例中，所述上部密封体的上表面设置有销孔连接部，所述柔性连接体的下端设有连接环，所述连接环通过销栓与所述销孔连接部连接在一起。

一个实施例中，所述销孔连接部设置于所述上部密封体的上表面上正对所述传力螺杆的位置。

一个实施例中，所述销孔连接部可拆卸地设置于所述上部密封体的上表面。

本发明还提供一种固井一界面胶结强度测试方法，适用于上述各实施例所述的固井一界面胶结强度测试装置，包括：将设定量的水泥浆加入所述胶结主体的养护筒中，并利用所述养护装置将包含水泥浆的所述胶结主体放入反应釜中进行养护，直到所述养护筒中的水泥浆凝固为水泥石；利用万能试验机的上夹具对所述上部夹持部施加向上拉力，同时利用所述万能试验机的下夹具对所述万能试验机下夹持体施加向下拉力，以对所述养护筒中的水泥石和所述下部密封体之间的胶结界面施加径向拉力；匀速增加所述上拉力和所述下拉力的载荷，直到所述水泥石和所述下部密封体分离，并记录分离时刻的拉伸力；根据所述拉伸力、所述水泥石及所述养护筒自重以及所述胶结界面的面积计算得到所述水泥石与所述下部密封体之间的胶结强度。

本发明实施例的固井水泥胶结强度养护装置，可以一次养护多个试样，有利于胶结力测试试验对比。通过使用多个筒块卡接形成养护筒，并使用上部密封体固定密封养护筒的上端开口，可使胶结主体装卸方便。通过下部密封体支撑密封养护筒的下端开口，可允许养护筒中的水泥浆在养护过程中自由膨胀收缩，不会破坏胶结主体。通过与上部密封体的连接的传力螺杆插入水泥并固封在水泥中，上部密封装置及养护筒与水泥的结合更牢固，有利于万能试验机对水泥和下部密封体之间的胶结力进行测试。因此，本发明实施例的固井水泥胶结强度养护装置装卸方便，可以模拟壁面粗糙程度不同的套管；在养护过程中，允许水泥自由膨胀收缩；可以用于测试一界面径向胶结强度；可以适用于常见各种类型的水泥浆养护釜。本发明实施例的固井水泥胶结强度测试装置及测试方法，通过上部夹持部和下部夹持部可以方便地将胶结力养护装置安装至万能试验机，对胶结力养护装置模拟的一界面，进行径向胶结强度测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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。在附图中：

图1是本发明一实施例的固井一界面胶结强度养护装置中胶结主体的立体结构示意图；

图2是本发明一实施例中胶结主体的立体结构示意图；

图3是图2所示中胶结主体的立体分解结构示意图；

图4是本发明一实施例中上部密封装置的立体结构示意图；

图5是本发明一实施例中养护筒的立体结构示意图；

图6是图5所示养护筒的立体分解结构示意图；

图7是本发明一实施例中下部密封体的立体结构示意图；

图8是本发明另一实施例中下部密封体的立体结构示意图；

图9是本发明一实施例中固井一界面胶结强度测试装置的剖面结构示意图；

图10是图9所示固井一界面胶结强度测试装置的立体分解结构示意图；

图11是图9所示固井一界面胶结强度测试装置的立体结构示意图；

图12是本发明一实施例中上部夹持部的立体结构示意图；

图13是本发明一实施例中连接部的立体结构示意图；

图14是本发明一实施例中下部夹持部的立体结构示意图；

图15是本发明另一实施例中胶结主体的立体结构示意图；

图16是图15所示胶结主体的立体分解结构示意图；

图17是本发明另一实施例中上部密封装置的立体结构示意图；

图18是本发明一实施例中上部夹持部连接销孔连接部的示意图；

图19是本发明另一实施例中下部夹持部的立体结构示意图；

图20是本发明另一实施例的固井一界面胶结强度测试装置的立体分解结构示意图；

图21是本发明另一实施例的固井一界面胶结强度测试装置的立体结构示意图；

图22是本发明一实施例的固井一界面胶结强度测试方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图1是本发明一实施例的固井一界面胶结强度养护装置中胶结主体的立体结构示意图。图2是本发明一实施例中胶结主体的立体结构示意图。图3是图2所示胶结主体的立体分解结构示意图。如图1、图2和图3所示，固井一界面胶结强度养护装置可包括至少一个胶结主体100。胶结主体100可包括：养护筒101、下部密封体102及上部密封装置103。

养护筒101，由多个筒块1011沿所述养护筒101的轴向卡接而成，具有上端开口1012和下端开口1013；下部密封体102，支撑密封所述下端开口1013；上部密封装置103，包括上部密封体1031和传力螺杆1032，所述传力螺杆1032竖直连接于所述上部密封体1031的下表面，所述上部密封体1031固定密封所述上端开口1012，且所述传力螺杆1032伸入所述养护筒101的内部腔体；其中，所述养护筒101的上部或所述上部密封体1031的边缘设置有至少一个传压孔10311，用于使所述养护筒101内外连通。

养护筒101可以直接放置在下部密封体102上，可从养护筒101的上端开口1012向养护筒101的内部腔体加入水泥，然后旋转传力螺杆1032插入水泥，从而使上部密封体1031密封养护筒101的上端开口1012。其中，水泥可以根据生产井中的水泥环所用水泥确定，下部密封体102可以选用各种不同粗糙程度材料制成，具体材料可根据生产井中套管的材料确定，可模拟不同套管外壁材料。将盛有水泥的固井一界面胶结强度养护装置放入养护釜中，养护釜中的水可通过传压孔10311进入养护筒101的内部腔体，从而为水泥加温加压，使水泥凝固并与下部密封体102胶结在一起，从而模仿生产井中水泥环和套管之间的胶结。

当传压孔10311设置在养护筒101的上部时，需要加入水泥的量略低于传压孔10311所在位置。当传压孔10311设置在所述上部密封体1031的边缘时，传压孔10311可以为槽形孔，使得养护筒101内外连通即可，此时，可在养护筒101中加满水泥，也不会致使水泥流出。传压孔10311的个数可以是一个、两个或更多个。

本实施例中，固井一界面胶结强度养护装置中包括至少个胶结主体，每个胶结主体可以作为一个胶结力测试试样，所以一次可以养护多个养护条件相同试样，这有利于对试样进行胶结力测试时的试验对比。通过使用多个筒块卡接形成养护筒，并使用上部密封体固定密封养护筒的上端开口，可使胶结主体装卸方便。通过下部密封体支撑密封养护筒的下端开口，可允许养护筒中的水泥在养护过程中自由膨胀收缩，不会破坏胶结主体。通过与上部密封体的连接的传力螺杆插入水泥并固封在水泥中，上部密封装置及养护筒与水泥的结合更牢固，有利于万能试验机对水泥和下部密封体之间的胶结力进行测试。

一些实施例中，如图1所示，胶结主体100的个数可为多个，所述养护装置还可包括：底板304、隔板303及盖板302。所述隔板303将多个所述胶结主体100分隔成多层放置，所述底板304固定底层的所述胶结主体100，所述盖板302盖置于顶层的所述胶结主体100上，所述隔板303固定放置其上的所述胶结主体100。

通过隔板303可将多个胶结主体100分隔成多层，例如两层、三层等。每层可以包含一个或多个胶结主体。

本实施例中，通过隔板可使养护装置中的胶结主体灵活放置，从而可以更好地适应各种固井水泥浆养护釜。通过底板固定底层的胶结主体，通过隔板固定放置其上的胶结主体，以此可以使胶结主体稳定地放置于固井水泥浆养护釜，放置倾倒。

一些实施例中，底板304、隔板303及盖板302中的一个或多个的材质可以为不锈钢材质。钢板质量重、抗压能力好，以此可以更好地固定胶结主体。

一些实施例中，底板和底层胶结主体的下部密封体上可以设有一个或多个通孔，从而底板和底层胶结主体可以通过该些通孔进行螺栓连接固定或螺钉连接固定。类似地，另一些实施例中，隔板和放置在该隔板上的胶结主体的下部密封体上可以设有一个或多个通孔，从而隔板和其上的胶结主体可以通过该些通孔进行螺栓连接固定或螺钉连接固定。

一些实施例中，再如图1所示，固井一界面胶结强度养护装置还可包括中空连接杆301。该中空连接杆301可穿设于盖板302、隔板303及底板304。本实施例中，可以将热电偶放置于中空连接杆301内部，以此可以使用热电偶测量养护过程中养护釜中的温度，并可以对养护装置进行加热。

一些实施例中，再如图1所示，胶结主体100的个数可为四个；底层的胶结主体100的个数可为两个，顶层的胶结主体100的个数也可为两个；养护装置的尺寸可适用于符合API标准的固井水泥浆养护釜。本实施例中，可一次养护四块试样，满足一组试验所需最低试样数量的要求；整个养护装置的尺寸适用于符合API规定的常见各种类型的固井水泥浆养护釜，使用方便。

胶结主体100的下部密封体102可以是多种形状，例如方形、圆形、多边形等。具体可视工艺、尺寸等情况而定。如图1所示，其中胶结主体100的下部密封体可以是方形，方形的下部密封体易于加工，工艺简单。如图2和图3所示，其中胶结主体100的下部密封体102可以是圆形。

相邻的两个筒块1011可以通过多种卡接结构卡接在一起。图5是本发明一实施例中养护筒的立体结构示意图。图6是图5所示养护筒的立体分解结构示意图。如图5和图6所示，相邻的两个所述筒块1011可通过筒块1011的阶台式侧边端部10111相互配合卡接在一起。本领域技术人员知道相邻两个筒块1011的邻接的阶台式侧边端部10111应相互配合，例如，左边的筒块侧边端部外凸内凹，则右边的筒块侧边端部应内凹外凸。本实施例中，阶台式卡接方式加工方便。多个筒块卡接牢靠，制模简单，操作方便。

养护筒101可以为多种不同形状，例如多边筒形、圆筒形等。一些实施例中，如图5所示，所述养护筒101可为圆筒形状。本实施例中圆筒形状的养护筒便于由多个筒块构成，在进行胶结力测试时，便于对胶结界面均匀施力。圆筒形状与其他多边形筒相比，可以减少壁面摩擦，有利于脱模。

一些实施例中，所述传力螺杆1032沿所述养护筒101的中轴线伸入所述养护筒101的内部腔体。本实施例中，传力螺杆可以方便的旋入水泥，且易使上部密封体密封养护筒的上端开口。传力螺杆1032可以为多种结构，例如上部分为实心柱状体，下部分为高劲度系数钢丝绕制成的螺旋形状。传力螺杆1032可通过一体成型、焊接等方式连接至上部密封体。

一些实施例中，如图5和图6所示，所述多个筒块1011的数量可为两个，所述筒块1011为半圆筒形状。本实施例中，使用两个筒块，方便安装和拆卸，将筒块设计为相同的半圆筒形状，加工方便，且便于组装成圆筒形状的养护筒。

上部密封体1031可以通过多种不同方式固封养护筒101的上端开口，例如螺纹连接、卡扣连接等。图4是本发明一实施例中上部密封装置的立体结构示意图。如图2、图4及图5所示，所述上部密封体1031边缘和所述养护筒101上端可分别设置有通孔10312和螺孔10112，所述上部密封体1031和所述养护筒101通过穿过所述通孔10312并穿入所述螺孔10112的螺钉10313连接在一起。螺钉的个数可以根据需要设置，例如，2个、3个、4个等，以此可以保证上部密封装置和养护筒在试验过程中的整体性。本领域技术人员知道，养护筒可具有一定厚度，螺孔10112可以设置在养护筒101上部端面上。本实施例中，上部密封体1031通过螺钉固封养护筒101的上端开口，固定方便，便于拆卸。

图7是本发明一实施例中下部密封体的立体结构示意图。图8是本发明另一实施例中下部密封体的立体结构示意图。图7和图8的区别主要在于，图7所示的下部密封体为圆形，图8所示的下部密封体为方形。如图7和图8所示，所述下部密封体102上表面可设置有凹槽结构1021，所述养护筒101的下端可嵌入所述凹槽结构1021。本实施例中，通过下部密封体上表面的凹槽结构可以方便地将养护筒的筒块限定起来，向养护筒内加入水泥使，更不易使筒块分离。值得说明的是，在不具备凹槽结构的情况下，筒块一般也不会轻易分离，因为水泥主要对下部密封体施加重力，而对养护筒施加的力较小。

上述各实施例的胶结主体中，各部件的形状尺寸可以相互配合，例如当养护筒为圆筒形状时，上部密封体和下部密封体可为圆形形状。各部件的尺寸可以根据养护装置和养护釜等装置的尺寸设置，例如养护筒和下部密封体的尺寸可以配合养护装置设置，养护装置可以配合养护釜设置。养护装置的尺寸大小，可以适用于常见各种类型的水泥浆养护釜。

本发明实施例的固井一界面胶结强度养护装置，其中的胶结主体方便装卸，操作简便，可以模拟不同套管外壁的粗糙程度；在水泥养护过程中，允许水泥自由膨胀收缩；可以测试一界面径向胶结强度；养护装置可以适用于常见各种类型的水泥浆养护釜。

图9是本发明一实施例中固井一界面胶结强度测试装置的剖面结构示意图。图10是图9所示固井一界面胶结强度测试装置的立体分解结构示意图。图11是图9所示固井一界面胶结强度测试装置的立体结构示意图。如图9至图11所示，固井一界面胶结强度测试装置200，可包括上述各实施例的胶结主体100，还可包括：上部夹持部201和下部夹持部202。

上部夹持部201，通过一连接部203连接于所述上部密封体1031的上表面；下部夹持部202，可包括夹持体固定部2021和万能试验机下夹持体2022，所述万能试验机下夹持体2022固定于所述夹持体固定部2021下侧，所述夹持体固定部2021固定于所述下部密封体102下侧。

上部夹持部201可用于固定至万能试验机的上部，万能试验机下夹持体2022可用于固定至万能试验机的下部，通过上部夹持部201和万能试验机下夹持体2022可以利用万能试验机对胶结力养护装置中的水泥-下部密封体界面施加拉力。在胶结力测试时下部夹持部202固定于所述下部密封体102下侧；在胶结力养护时下部夹持部202可与下部密封体102分离，不必将下部夹持部202一同放入养护釜中，可防止下部夹持部202收到养护釜中液体侵害。上部夹持部201可一直固定至万能试验机的上部，万能试验机下夹持体2022可一直固定至万能试验机的下部，以此在试验时，可以直接使用，从而节省试验时间。

上部夹持部201和万能试验机下夹持体2022上装入万能试验机的部分的尺寸，可以根据万能试验机进行配合设置。

本实施例中，通过上部夹持部和下部夹持部可以方便地将胶结力养护装置安装至万能试验机，对胶结界面进行胶结力测试，而且可以方便地将胶结力养护装置从万能试验机拆卸下来，操作方便。

下部密封体102和夹持体固定部2021可以通过多种不同方式固定连接在一起，例如螺栓连接、螺纹连接、卡扣连接等。图14是本发明一实施例中下部夹持部的立体结构示意图。如图10、图11和图14所示，所述下部密封体102边缘和所述夹持体固定部2021边缘可分别设置有第一连接孔1022和第二连接孔20211，所述下部密封体102和所述夹持体固定部2021通过穿过所述第一连接孔1022和所述第二连接孔20211的螺栓204连接在一起。第一连接孔1022和第二连接孔20211一般需配合设置。第一连接孔1022和第二连接孔20211的个数可根据需要设置，例如，3个、4个、5个等。本实施例中，通过螺栓和连接孔将下部密封体和夹持体固定部连接在一起，下部密封体和夹持体固定部加工，拆装方便，连接牢固，能够保证胶结力试验的准确性。夹持体固定部与胶结主体之间可分开，可以减少万能试验机试验前调节过程中对胶结主体的扰动，确保试验的成功率和准确率。

连接部203可以是多种连接结构。图13是本发明一实施例中连接部的立体结构示意图。如图11和图13所示，所述连接部203可包括柔性连接体2031。本实施例中，通过柔性连接体2031可以将上部夹持部201柔性连接至上部密封体1031，从而柔性连接胶结力养护装置100。在使用万能试验机对水泥-下部密封体的胶结界面进行胶结力测试时，可以先将万能试验机下夹持体2022固定在万能试验机的下部，再将上部夹持部201固定在万能试验机的上部，然后调节万能试验机的上部的高度，使柔性连接体2031伸直，之后再进行胶结力测试。因此，本实施例中，通过柔性连接体可以方便地将上部夹持部安装至万能试验机的上部，不用事先准确调节万能试验机的上部高度，安装灵活。万能试验机上夹具通过柔性连接体与胶结主体连接，不仅操作方便，而且能够有效避免万能试验机上夹具夹持操作对胶结主体造成扰动，确保试验的成功率和准确率。

柔性连接体2031可以通过多种不同方式连接至上部密封体1031，例如销栓连接、销钉连接、卡扣连接等。柔性连接体2031例如可为柔性链。图12是本发明一实施例中上部夹持部的立体结构示意图。如图4、图11至图13所示，所述上部密封体1031的上表面设置有销孔连接部10314，所述柔性连接体2031的下端设有连接环，所述连接环通过销栓2032与所述销孔连接部10314连接在一起。本实施例中，通过销栓和销孔将柔性连接体连接至上部密封体，拆装灵活，连接牢固。

柔性连接体2031可以通过多种不同方式连接至上部夹持部201，例如环扣连接、焊接等。如图12所示，上部夹持部2022下端可设置有连接环2033，所述柔性连接体2031的上端也可设有连接环，该连接环可与连接环2033扣合在一起。其他实施例中，柔性连接体2031的上端可以通过其他各种方式连接至上部夹持部2022下端，例如焊接。

一些实施例中，如图4所示，所述销孔连接部10314设置于所述上部密封体1031的上表面上正对所述传力螺杆1032的位置。本实施例中，通过销孔连接部设置于上部密封体的上表面上正对传力螺杆的位置，例如上部密封体的中心位置，可使万能试验机上端对固定在水泥中的传力螺杆施力，可有效增大传力螺杆与水泥浆的接触面积，以此便于拉动水泥整体，保证试验过程中不易使上部密封体和养护筒与水泥发生脱离。

一些实施例中，所述销孔连接部10314可拆卸地设置于所述上部密封体1031的上表面。以此，在养护过程中，可以将销孔连接部10314拆卸下来，防止被腐蚀。

图15是本发明另一实施例中胶结主体的立体结构示意图。图16是图15所示胶结主体的立体分解结构示意图。图17是本发明另一实施例中上部密封装置的立体结构示意图。与图2相比，下部密封体102的形状不同，图15和图16所示的胶结主体的下部密封体102可以为方形。与图4相比，通孔10312的个数不同，上部密封体1031上的通孔10312的个数例如可以是3个。如图15和图16所示，图17所示的上部密封体1031上可设置有螺孔10315，销孔连接部10314可以螺接至螺孔10315，从而固定至上部密封体1031。在包含盖板301、隔板302及底板303的情况下，盖板301、隔板302及底板303可以将螺孔10315盖封起来，以防螺孔10315被腐蚀。图18是本发明一实施例中上部夹持部连接销孔连接部的示意图。如图18所示，销孔连接部10314可以通过销栓2032连接至柔性连接体2031，柔性连接体2031再连接至上部夹持部201。

图19是本发明另一实施例中下部夹持部的立体结构示意图。图19所示的下部夹持部202与图14所示的下部夹持部202区别在于夹持体固定部2021的形状可以不同，如图19所示，夹持体固定部2021可以为方形。方形的夹持体固定部2021较佳地可与图15所示的胶结主体配合使用。

图20是本发明另一实施例的固井一界面胶结强度测试装置的立体分解结构示意图。图21是本发明另一实施例的固井一界面胶结强度测试装置的立体结构示意图。如图20和图21所示，固井一界面胶结强度测试装置可以由图18所示的上部夹持部连接结构、图15所示的胶结主体100及图19所示的下部夹持部202的组成。

本发明实施例的固井一界面胶结强度测试装置，可以方便地将胶结主体安装至万能试验机且方便地将胶结主体从万能试验机拆卸下来，操作方便。本发明实施例的测试装置能够实现在万能试验机上进行一界面径向胶结力的测试。

一个实施例中，如图1所示，固井一界面胶结强度养护装置可包括：中空连接杆301、盖板302、胶结主体100、隔板303及底板304。如图15所示，胶结主体100主要可包括上部密封装置103、养护筒101及下部密封体102。固井一界面胶结强度养护装置可包括一个或多个胶结主体100，一次可养护一个或多个胶结主体100。

一个实施例中，固井一界面胶结强度测试装置，主要可包括：上部夹持部201、柔性的连接部203、上部密封装置103、养护筒101、下部密封体102及下部夹持部202。养护筒101由养护左半筒和养护右半筒组成。在水泥养护过程中，将养护左半筒和养护右半筒卡接组合后放置在下部密封体102上，并向养护筒101的腔中注入一定体积的水泥后，将上部密封装置103安装至养护筒101上部后得到胶结主体100，将一个或多个胶结主体放入养护釜进行养护，养护完成后取出。将下部夹持部202、上部夹持部201和柔性的连接部203装入万能试验机测试端，将柔性的连接部203和下部夹持部202分别连接到上部密封装置103和下部密封体102上，启动万能试验机拉伸试验装置进行胶结强度测试。

一个实施例中，可将两个完成组装的胶结主体100放在养护装置的底板304上，并用螺栓固定，顺次放入隔板303，将另外两个完成组装的胶结主体100通过螺栓固定在隔板303上，放入盖板302，同时将中空连接杆301穿过盖板302和隔板303连接到底板304上。用提拉环将养护装置放入养护釜中进行养护。在养护期间，可提前将万能试验机下夹持体2022下部装入万能试验机下夹具，上部夹持部201上部装入万能试验机上夹具。养护完成后，用提拉环将养护装置取出，将胶结主体100从养护装置上拆卸下来，并通过螺栓固定在夹持体固定部2021上表面。将柔性的连接部203下部连接到胶结主体100上表面，打开万能试验机试验操作界面进行试验。

本发明还提供一种固井一界面胶结强度测试方法，适用于上述各实施例所述的固井一界面胶结强度测试装置

图22是本发明一实施例的固井一界面胶结强度测试方法的流程示意图。如图22所示，本发明一实施例的固井一界面胶结强度测试方法，可包括步骤：

S410：将设定量的水泥浆加入所述胶结主体的养护筒中，并将包含水泥浆的所述胶结主体放入反应釜中进行养护，直到所述养护筒中的水泥浆凝固为水泥石；

S420：利用万能试验机的上夹具对所述上部夹持部施加向上拉力，同时利用所述万能试验机的下夹具对所述万能试验机下夹持体施加向下拉力，以对所述养护筒中的水泥石和所述下部密封体之间的胶结界面施加径向拉力；

S430：匀速增加所述上拉力和所述下拉力的载荷，直到所述水泥石和所述下部密封体分离，并记录分离时刻的拉伸力；

S440：根据所述拉伸力、所述水泥石及所述养护筒自重以及所述胶结界面的面积计算得到所述水泥石与所述下部密封体之间的胶结强度。

在上述步骤S410中，可以先将包含水泥浆的所述胶结主体安装至上述各实施例的养护装置中，在将养护装置放入反应釜进行养护，之后再取出胶结主体，进行后续胶结力测试。水泥浆的量可以是填满或不填满养护筒。养护过程中，可以根据需要设置温度和压强。

在上述步骤S430中，根据力的相互作用原理，所述上拉力的载荷和所述下拉力的载荷相同。

本实施例中，首先利用养护试样，水泥石和下部密封体之间的胶结界面可以模拟围岩和套管之间的一界面，通过对水泥石和下部密封体之间的胶结界面施加径向拉力，可以模拟对围岩和套管之间的一界面施加径向拉力。利用最终计算得到的水泥石与下部密封体之间的胶结强度可以分析围岩和套管之间的一界面的胶结强度。

一个实施例中，在上述步骤S440中，水泥石与下部密封体之间的胶结强度可表示为：

F＝(N-M)/A

上式中，F为胶结强度，单位为Pa；N为最大拉伸力，单位为N；M为水泥石及养护筒自重，单位为N；A为胶结面面积，单位为m²。

一个实施例中，固井一界面胶结强度养护及测试装置的实施可分成两部分进行。其中，第一部分是胶结强度养护过程，第二部分是胶结强度测试过程。

在胶接强度养护过程中具体操作可包括如下步骤：

操作1：将如图6所示的养护左半筒(左边筒块1011)和养护右半筒(右边筒块1011)通过卡接结构(例如阶台式侧边端部10111)卡接牢固，组合成养护筒101，如图5所示。

操作2：将如图7所示的下部密封体102(例如其胶结面朝上)平放在试验台上，并将养护筒101安放在下部密封体102的凹槽结构1021(卡接槽)上，向养护筒101的腔内注入(例如多半腔)水泥浆。如图4所示，将上部密封装置103的传力螺杆1032下端放入水泥浆中，并使用螺纹(例如三个)连接密封上部密封装置103与养护筒101，组合成胶结主体100，如图3所示。

操作3：将例如两个胶结主体100安放在底板304上，并用螺纹连接固定。在胶结主体100上安放隔板303，并将例如两个胶结主体100螺纹连接在隔板303上。在胶结主体100上安放盖板302，并用中空连接杆301将盖板302、隔板303和底板303连接起来组成如图1所示的养护装置。将整个养护装置放入养护釜中，进行养护。在养护过程中，通过如图9所示的槽形的传压孔10311保证养护釜内压力传入养护装置100(胶结主体100)，满足养护的压力和温度要求。另外，可以将热电偶放入中空连接杆301内，进行温度监测和加热。

操作4：养护完成后，从养护釜中取出养护装置100，并拆出例如4个胶结主体100，将胶结主体100表面的水擦拭干净，准备进行胶结强度测试。

在胶结强度测试过程中具体操可包括如下步骤：

操作A：如图18所示，将上部夹持部201安装在万能试验机的拉伸测试上部。可将柔性连接体2031连接至上部夹持部201下端的连接环2033(或者本来就已经连接上)。

操作B：如图14或图19所示，将下部夹持部202的万能试验机下夹持体2022安装在万能试验机的拉伸测试下部，并将下部夹持部202调平。

操作C：如图6所示，将胶结主体100平放在下部夹持部202上，并将第一连接孔1022和第二连接孔20211对齐使用螺钉或螺栓连接固定。

操作D：如图20所示，将销孔连接部10314与上部密封体1031用螺纹连接，将销孔连接部10314与如图13所示的柔性连接体2031用销栓2032连接固定，完成胶结强度测试前的组装。

操作E：微机控制操作万能试验机，匀速缓慢加载载荷，记录加载曲线。得到最大拉伸力的大小N，测得水泥浆与腔体自重M，则胶结强度为：

F＝(N-M)/A

上式中，F为胶结强度，单位为Pa；N为最大拉伸力，单位为N；M为水泥浆与腔体自重，单位为N，腔体可包括养护筒101和上部密封装置103；A为胶结面面积，单位为m²。

本发明实施例的固井水泥胶结强度养护装置，通过使用多个筒块卡接形成养护筒，并使用上部密封体固定密封养护筒的上端开口，可使胶结主体装卸方便。通过下部密封体支撑密封养护筒的下端开口，可允许养护筒中的水泥在养护过程中自由膨胀收缩，不会破坏胶结主体。通过与上部密封体的连接的传力螺杆插入水泥并固封在水泥中，上部密封装置及养护筒与水泥的结合更牢固，有利于万能试验机对水泥和下部密封体之间的胶结力进行测试。因此，本发明实施例的固井水泥胶结强度养护装置装卸方便，其中的胶结主体可以模拟壁面粗糙程度不同的套管；在养护过程中，允许水泥浆自由膨胀收缩；可以用于测试一界面径向胶结强度；可以适用于常见各种类型的水泥浆养护釜。本发明实施例的固井水泥胶结强度测试装置，通过上部夹持部和下部夹持部可以方便地将胶结力养护装置安装至万能试验机，对胶结力养护装置模拟的一界面，进行径向胶结强度测试。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本发明的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种固井一界面胶结强度养护装置，其特征在于，包括至少一个胶结主体，所述胶结主体包括：

养护筒，由多个筒块沿所述养护筒的轴向卡接而成，具有上端开口和下端开口；

下部密封体，支撑密封所述下端开口；

上部密封装置，包括上部密封体和传力螺杆，所述传力螺杆竖直连接于所述上部密封体的下表面，所述上部密封体固定密封所述上端开口，且所述传力螺杆伸入所述养护筒的内部腔体；

其中，所述养护筒的上部或所述上部密封体的边缘设置有至少一个传压孔，用于使所述养护筒内外连通。

2.如权利要求1所述的固井一界面胶结强度养护装置，其特征在于，相邻的两个所述筒块通过其阶台式侧边端部相互配合卡接在一起。

3.如权利要求1所述的固井一界面胶结强度养护装置，其特征在于，所述养护筒为圆筒形状。

4.如权利要求3所述的固井一界面胶结强度养护装置，其特征在于，所述传力螺杆沿所述养护筒的中轴线伸入所述养护筒的内部腔体。

5.如权利要求3所述的固井一界面胶结强度养护装置，其特征在于，所述多个筒块的数量为两个，所述筒块为半圆筒形状。

6.如权利要求1所述的固井一界面胶结强度养护装置，其特征在于，所述上部密封体边缘和所述养护筒上端分别设置有通孔和螺孔，所述上部密封体和所述养护筒通过穿过所述通孔并穿入所述螺孔的螺钉连接在一起。

7.如权利要求1所述的固井一界面胶结强度养护装置，其特征在于，所述下部密封体上表面设置有凹槽结构，所述养护筒的下端嵌入所述凹槽结构。

8.如权利要求1所述的固井一界面胶结强度养护装置，其特征在于，所述胶结主体的个数为多个，所述养护装置还包括：底板、隔板及盖板；所述隔板将多个所述胶结主体分隔成多层放置，所述底板固定底层的所述胶结主体，所述盖板盖置于顶层的所述胶结主体上，所述隔板固定放置其上的所述胶结主体。

9.如权利要求8所述的固井一界面胶结强度养护装置，其特征在于，还包括：中空连接杆；所述中空连接杆穿设于所述盖板、所述隔板及所述底板。

10.如权利要求8所述的固井一界面胶结强度养护装置，其特征在于，所述胶结主体的个数为四个；底层的所述胶结主体的个数为两个，顶层的所述胶结主体的个数为两个；所述养护装置的尺寸适用于符合API标准的固井水泥浆养护釜。

11.一种固井一界面胶结强度测试装置，其特征在于，包括如权利要求1至10任一项权利要求中所述的胶结主体，还包括：

上部夹持部，通过一连接部连接于所述上部密封体的上表面；

下部夹持部，包括夹持体固定部和万能试验机下夹持体，所述万能试验机下夹持体固定于所述夹持体固定部下侧，所述夹持体固定部固定于所述下部密封体下侧。

12.如权利要求11所述的固井一界面胶结强度测试装置，其特征在于，所述下部密封体边缘和所述夹持体固定部边缘分别设置有第一连接孔和第二连接孔，所述下部密封体和所述夹持体固定部通过穿过所述第一连接孔和所述第二连接孔的螺栓连接在一起。

13.如权利要求11所述的固井一界面胶结强度测试装置，其特征在于，所述连接部包括柔性连接体。

14.如权利要求13所述的固井一界面胶结强度测试装置，其特征在于，所述上部密封体的上表面设置有销孔连接部，所述柔性连接体的下端设有连接环，所述连接环通过销栓与所述销孔连接部连接在一起。

15.如权利要求14所述的固井一界面胶结强度测试装置，其特征在于，所述销孔连接部设置于所述上部密封体的上表面上正对所述传力螺杆的位置。

16.如权利要求14所述的固井一界面胶结强度测试装置，其特征在于，所述销孔连接部可拆卸地设置于所述上部密封体的上表面。

17.一种固井一界面胶结强度测试方法，其特征在于，适用于如权利要求11至16任一项所述的固井一界面胶结强度测试装置，包括：

将设定量的水泥浆加入所述胶结主体的养护筒中，并利用所述养护装置将包含水泥浆的所述胶结主体放入反应釜中进行养护，直到所述养护筒中的水泥浆凝固为水泥石；

利用万能试验机的上夹具对所述上部夹持部施加向上拉力，同时利用所述万能试验机的下夹具对所述万能试验机下夹持体施加向下拉力，以对所述养护筒中的水泥石和所述下部密封体之间的胶结界面施加径向拉力；

匀速增加所述上拉力和所述下拉力的载荷，直到所述水泥石和所述下部密封体分离，并记录分离时刻的拉伸力；

根据所述拉伸力、所述水泥石及所述养护筒自重以及所述胶结界面的面积计算得到所述水泥石与所述下部密封体之间的胶结强度。