CN110080716A - 一种测量固井水泥环微环隙及微膨胀的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量固井水泥环微环隙及微膨胀的方法，涉及油气田固井技术领域，所述方法包括：把水泥浆灌入包括两个套管的圆环柱水泥浆模具中，所述模具中设置有探头，所述探头抵靠在所述套管朝向水泥浆的侧壁上，且可在水泥浆凝固收缩或膨胀时同步径向移动；在水泥浆固化后，检测所述探头的径向位移量，根据所述径向位移量确定所述套管和水泥环之间的微环隙值或微膨胀值。本申请的测量方法测量的是水泥浆凝固收缩或膨胀后水泥环第一胶结面或/和第二胶结面的径向位移量，可评价最具密封本质特色的“微环空间隙”或径向微膨胀值，与井下实际工况相对应。

Description

一种测量固井水泥环微环隙及微膨胀的方法

技术领域

本申请涉及油气田固井技术领域，具体涉及一种测量固井水泥环微环隙及微膨胀的方法。

背景技术

解决油气田固井水泥浆防窜问题是提高固井质量、保护油气层的关键。

固井候凝过程中，水泥浆水化分胶凝阶段和硬化两个阶段。

胶凝阶段，水泥浆不断失重，当水泥浆失重后的有效液柱压力小于地层流体压力时，地层流体就窜入井内水泥浆中。解决此阶段防窜流的主要手段是提高压稳系数的浆柱结构、使用防窜能力强的水泥浆体系，使用水泥窜流仪模拟评价。

硬化阶段，一般水泥的体积都会收缩，使套管与水泥的第一界面、水泥与地层的第二界面出现微环空间隙，破坏了密封完整性，导致层间窜流，甚至井口环空带压，给生产带来严重的安全隐患。防止水泥环微环空间隙的有效手段是在水泥浆中加入合适种类、合适量的水泥膨胀剂。

水泥的水化反应是非常复杂的物理和化学反应，有些水泥浆轴向膨胀了，但径向收缩；有些水泥浆外径膨胀了，内径也膨胀变大了，即第一界面发生微环隙；有些水泥浆外径膨胀变大，内径膨胀变小，双界面都没有微环隙。固井工程追求的是在井下温压情况下，第一界面和第二界面都没有微环隙，且有微膨胀的水泥浆配方。

目前评价水泥浆膨胀能力的膨胀仪主要为“低温开口环法”、“体积膨胀法”、“轴向位移法”三类。它们从不同维度评价水泥的膨胀能力，但都存在与井下实际工况对应性差、无法在高温高压下评价最具密封本质特色的“微环空间隙”的缺点。

发明内容

本申请一实施例提供一种测量固井水泥环微环隙的方法，包括：

把水泥浆灌入包括两个套管的圆环柱水泥浆模具中，所述模具中设置有探头，所述探头抵靠在所述套管朝向水泥浆的侧壁上，且可在水泥浆凝固收缩时同步径向移动；

在水泥浆固化后，检测所述探头的径向位移量，根据所述径向位移量确定所述套管和水泥环之间的微环隙值。

本申请另一实施例提供一种测量固井水泥环微膨胀的方法，包括：

把水泥浆灌入包括内套管和外套管的圆环柱水泥浆模具中，所述外套管可膨胀变形，所述模具中设置有抵靠在所述外套管内壁上、可在水泥浆凝固膨胀时同步径向移动的探头；

在水泥浆固化后，检测所述探头的径向位移量，根据所述径向位移量确定所述外套管和水泥环之间的第二界面的微膨胀值。

有益效果：

本申请实施例的测量固井水泥环微环隙的方法与测量固井水泥环微膨胀的方法两者原理类似，前者测量的是水泥浆凝固收缩后水泥环的径向位移量，即为水泥环的径向收缩量，径向收缩量也即水泥环与内套管或与外套管之间的“微环空间隙”(即微环隙)值，也即第一界面微环隙值或第二界面微环隙值；后者测量的是水泥浆凝固膨胀后水泥环的径向位移量，实际为水泥环第二胶结面的径向膨胀量，也即外套管和水泥环之间的第二界面微膨胀值。

本申请实施例的测量固井水泥环微环隙的方法与测量固井水泥环微膨胀的方法，较之现有的水泥膨胀能力测量方法，本申请实施例的两方法所测得的水泥环径向位移量，即可评价最具密封本质特色的“微环空间隙”或径向微膨胀值，与井下实际工况相对应，对固井水泥浆膨胀收缩能力的评价更为准确。

此外，本申请实施例的两方法可实现在井下温压下连续测量水泥环的径向位移量，可获知水泥环内外直径的变化过程。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请一实施例为实现其测量方法提供的测量系统的结构示意图；

图2为图1中的位移测量装置安装在养护釜上的结构示意图；

图3为图1中第一探头和第二探头安装于水泥模具上的结构示意图；

图4为图3中第二探头及第二弹性限位装置的安装结构示意图；

图5为图3中的水泥模具的截面结构示意图；

图6为图5的水泥模具的外套管在水泥凝固膨胀过程中发生膨胀变形的截面结构示意图；

附图标记为：1、水泥模具，11、环形空间，12、外套管，13、内套管，14、底座，15、隔离套，16、吊装部，17、环形凸起，201、中空本体，202、铁芯组件，203、调零弹簧，204、感应组件，205、调零螺母，21、第二探头位移测量装置，22、第二探头，221、第二探头的杆体，222、第二探头的座体，23、第一探头位移测量装置，24、第一探头，241、第一探头的杆体，242、第一探头的座体，25、参考位移测量装置，31、第二衬套，32、第二压紧帽，33、第二弹性件，41、第一连接座，42、第二连接座，43、弹簧，44、螺母，45、连接杆，5、养护釜，51、釜壁，6、温度测量装置，71、进液管路，72、排液管路，81、进气管路，82、恒压阀，83、加压泵，84、气源，9、加热装置，10、监控装置。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本申请的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。

参考图1和图3，本实施例提供一种测量固井水泥环微环隙的方法，包括：

把水泥浆灌入包括两个套管的圆环柱水泥浆模具1中，所述模具1中设置有探头，所述探头抵靠在所述套管朝向水泥浆的侧壁上，且可在水泥浆凝固收缩时同步径向移动；

在水泥浆固化后，检测所述探头的径向位移量，根据所述径向位移量确定所述套管和水泥环之间的微环隙值。

本实施例的测量固井水泥环微环隙的方法，通过检测所述探头的径向位移量，在不考虑系统误差等因素情况下，可以将所述径向位移量确定为所述套管和水泥环之间的微环隙值。本实施例的方法较之现有的水泥膨胀能力测量方法，本实施例的方法所测得的水泥环径向位移量，即可评价最具密封本质特色的“微环空间隙”，与井下实际工况相对应，对固井水泥浆膨胀收缩能力的评价更为准确。

参考图1和图3，示例性地，为确定第一界面的微环隙值，所述探头可以包括第一探头24，所述第一探头24抵靠在所述两个套管中内套管13的外壁上；在水泥浆固化后检测所述第一探头24的第一径向位移量，根据所述第一径向位移量确定所述内套管13和水泥环之间的第一界面的微环隙值。

示例性地，为确定第二界面的微环隙值，所述探头可以包括第二探头22，所述第二探头22抵靠在所述两个套管中外套管12的内壁上；在水泥浆固化后检测所述第二探头22的第二径向位移量，根据所述第二径向位移量确定所述外套管12和水泥环之间的第二界面的微环隙值。

第一探头24和/或第二探头22的一端抵靠在所述套管朝向水泥浆的侧壁上，另一端沿径向伸出到所述两个套管中外套管12的外部。其中，第一探头24和/或第二探头22可以为楔形、锥形、T形、十字头形等形状。

参考图1，为实现在真实的井下工况条件下进行测量，使测量结果更准确，本实施例中，所述把水泥浆灌入包括两个套管的圆环柱水泥浆模具1中之后，所述方法还可以包括：将所述模具1置于养护釜5内，向所述养护釜5内供给液体和气体，通过调节所述液体的温度及气体的压力以控制养护釜5内的温度和压力为设定值。或者，也可以先将所述模具1置于养护釜5内，再向模具1内灌入水泥浆。

通过控制养护釜5内的温度和压力，可以模拟水泥浆在实际井下工况下的固化过程，与实际情况更为接近，测量结果更为准确。通过调节液体的温度及气体的压力以控制养护釜5内的温度和压力为设定值，这样可以实现高温、高压的温压调节，满足井下高温高压工况条件的模拟。

参考图1，为了对检测的所述探头的径向位移量进行修正，消除系统误差，所述检测所述探头的径向位移量，根据所述径向位移量确定所述套管和水泥环之间的微环隙值，包括：

通过探头位移测量装置检测所述探头的径向位移量，所述探头位移测量装置的一端与养护釜5内的所述探头连接，另一端位于所述养护釜5外；

通过参考位移测量装置25检测参考位移量，所述参考位移测量装置25的一端伸入养护釜5内，另一端位于所述养护釜5外；

将所述径向位移量与所述参考位移量的差值确定为所述套管和水泥环之间的微环隙值。

其中，参考位移测量装置25是作为空白对照，其测量的参考位移量是系统因素造成的参考位移测量装置25的检测值。将所述径向位移量减去所述参考位移量(即系统误差值)所得的值，即两者的差值，确定为所述套管和水泥环之间的微环隙值，测量结果更为精确。

可通过第一探头位移测量装置23检测第一探头24的第一径向位移量，和/或通过第二探头位移测量装置21检测第二探头22的第二径向位移量，则将第一径向位移量与所述参考位移量的差值确定为所述内套管13和水泥环之间的第一界面的微环隙值，将第二径向位移量与所述参考位移量的差值确定为所述外套管12和水泥环之间的第二界面的微环隙值。

参考图1和图3，本申请另一实施例提供一种测量固井水泥环微膨胀的方法，包括：

把水泥浆灌入包括内套管13和外套管12的圆环柱水泥浆模具1中，所述外套管12可膨胀变形，所述模具1中设置有抵靠在所述外套管12内壁上、可在水泥浆凝固膨胀时同步径向移动的探头(图中为第二探头22)；

在水泥浆固化后，检测所述探头的径向位移量，根据所述径向位移量确定所述外套管12和水泥环之间的第二界面的微膨胀值。

其中，本实施例中所述外套管12可膨胀变形，则在水泥浆凝固膨胀过程中可推动所述外套管12并带动所述探头同步径向移动。而在上述测量固井水泥环第一界面的微环隙或/和第二界面的微环隙的方法实施例中，对外套管12是否能膨胀变形没有要求，即外套管12可固定不动，也可膨胀变形。

本实施例的测量固井水泥环微膨胀的方法，通过检测所述探头(图中为第二探头22)的径向位移量，在不考虑系统误差等因素情况下，可以将所述径向位移量确定为所述水泥环第二胶结面的微膨胀值(也称为第二界面的微膨胀值)。较之现有的水泥膨胀能力测量方法，本实施例的测量固井水泥环微膨胀的方法，所测得的水泥环径向位移量，与井下实际工况相对应，对固井水泥浆膨胀收缩能力的评价更为准确。

本实施例中，所述探头的一端抵靠在所述外套管12的内壁上，另一端沿径向伸出到所述外套管12的外部。其中，所述探头可以为楔形、锥形、T形、十字头形等形状。

参考图1，为实现在真实的井下工况条件下进行测量，使测量结果更准确，本实施例中，所述把水泥浆灌入包括内套管13和外套管12的圆环柱水泥浆模具1中之后，所述方法还可以包括：将所述模具1置于养护釜5内，向所述养护釜5内供给液体和气体，通过调节所述液体的温度及气体的压力以控制养护釜5内的温度和压力为设定值。或者，也可以先将所述模具1置于养护釜5内，再向模具1内灌入水泥浆。

通过控制养护釜5内的温度和压力，可以模拟水泥浆在实际井下工况下的固化过程，与实际情况更为接近，测量结果更为准确。通过调节液体的温度及气体的压力以控制养护釜5内的温度和压力为设定值，这样可以实现高温、高压的温压调节，满足井下高温高压工况条件的模拟。

参考图1，为了对检测的所述探头(图中为第二探头22)的径向位移量进行修正，消除系统误差，所述检测所述探头的径向位移量，根据所述径向位移量确定所述外套管12和水泥环之间的第二界面的微膨胀值，包括：

通过探头位移测量装置(图中为第二探头位移测量装置21)检测所述探头的径向位移量，所述探头位移测量装置的一端与养护釜5内的所述探头连接，另一端位于所述养护釜5外；

通过参考位移测量装置25检测参考位移量，所述参考位移测量装置25的一端伸入养护釜5内，另一端位于所述养护釜5外；

将所述径向位移量与所述参考位移量的差值确定为所述外套管12和水泥环之间的第二界面的微膨胀值。

其中，参考位移测量装置25是作为空白对照，其测量的参考位移量是系统因素造成的参考位移测量装置25的检测值。将所述径向位移量减去所述参考位移量(即系统误差值)所得的值，即两者的差值，确定为所述水泥环第二胶结面的微膨胀值(也即第二界面的微膨胀值)，测量结果更为精确。

关于水泥浆的凝固过程，水泥浆在固化至终凝失去流动性后，可能发生晶格收缩或者晶格膨胀。如果发生晶格收缩，则凝固形成的水泥环会脱离内套管13或/和外套管12的管壁，从而形成第一界面微环隙或/和第二界面微环隙。如果发生晶格膨胀，则凝固形成的水泥环的内环面或/和外环面会与内套管13或/和外套管12的管壁胶结在一起，两个界面处不会产生微环隙。如果发生晶格膨胀，则一般需要测量水泥环外环面的膨胀量(即水泥环外径的膨胀量)。其中，水泥环的内环面也即第一胶结面，水泥环的外环面也即第二胶结面。

下面示例性地给出一种实现上述固井水泥环微环隙和微膨胀测量方法的测量系统。

参考图1-图3，本实施例的测量系统包括养护釜5、温压调节系统、水泥模具1、第一探头24、第二探头22、第一探头位移测量装置23、第二探头位移测量装置21、参考位移测量装置25。

利用第一探头位移测量装置23测量所述第一探头24的径向位移量，利用第二探头位移测量装置21测量所述第二探头22的径向位移量，参考位移测量装置25测量参考位移量。

参考图3，所述水泥模具1包括两个套管，分别为内套管13和外套管12，内套管13和外套管12之间设有底端封闭的环形空间11，所述环形空间11用于在其内进行水泥浆的固化过程。环形空间11的环宽可以与固井环空间隙相同，比如可以取20mm。其中，第一探头24抵靠在所述内套管13的外壁上，第二探头22抵靠在所述外套管12的内壁上。

如图3、图5和图6所示，所述水泥模具还包括底座14，内套管13和外套管12设置在底座14上形成所述环形空间11，所述外套管12可发生膨胀变形，以使其管径在水泥膨胀力作用下变大。

关于外套管12的结构，示例性地，所述外套管12可以包括两个或两个以上数目的圆弧状板，两个或两个以上数目的圆弧状板围成所述外套管12，相邻的两个圆弧状板之间密封设置并采用连接组件连接；在水泥环膨胀力作用下，相邻的两个圆弧状板之间能够产生相对位移使所述外套管12的管径变大。所述圆弧状板的数目可以设置为两个，每个圆弧状板呈半圆形结构，两个圆弧状板的相接处设置所述连接组件。相邻的两个圆弧状板之间可以设置一个或多个所述连接组件。

本实施例中，内套管13和外套管12可均采用金属材料制成，比如不锈钢材料。所述连接组件在水泥浆还未凝固产生膨胀力时将相邻的两个圆弧状板紧密连接在一起，在后续水泥浆凝固产生膨胀力时能够使得相邻的两个圆弧状板之间产生相对位移使外套管12的管径变大，即外套管12发生膨胀变形。

参考图5、图6，所述连接组件可以包括第一连接座41、第二连接座42、连接杆45和弹簧43，第一连接座41和第二连接座42分别设置在相邻的两个所述圆弧状板上，所述连接杆45一端固定在第一连接座41上，另一端活动穿过第二连接座42上设置的杆孔，所述弹簧43套设在所述连接杆45上并利用其自身弹力使相邻的两个所述圆弧状板的对接部紧贴在一起。

所述第一连接座41、第二连接座42可以相对设置，第一连接座41和第二连接座42可以设置为两者紧靠在一起时相邻的两个圆弧状板的对接部紧贴在一起，相邻的两个所述圆弧状板之间呈密封状态。相邻的两个所述圆弧状板的对接部(也即相接处)可以重叠设置，两者之间可以采用设置密封条等密封件，涂抹密封脂等方式进行密封，以防止水泥浆在凝固前泄露。为便于所述连接组件安装和拆卸，所述连接杆45的另一端螺纹连接有螺母44，所述弹簧43呈压缩状态，其一端抵接在所述螺母44上，另一端抵接在第二连接座42上。其中，所述连接杆45一端可以螺纹连接于所述第一连接座41，端部可采用另一螺母紧固。

在将水泥浆(初始为可流动的)注入水泥模具的环形空间11后，水泥浆开始固化。如图5所示，在水泥浆还未凝固产生膨胀力时，通过所述连接组件的弹簧43自身的弹力使相邻的两个所述圆弧状板的对接部紧贴在一起，各个相邻的两个所述圆弧状板之间紧密相接。如图6所示，随着水泥浆的固化，水泥浆在水化至终凝失去流动性后，发生晶格膨胀，则凝固产生的膨胀力克服所述连接组件的弹簧43的弹力，相邻的两个圆弧状板之间产生相对位移，外套管12发生膨胀变形，其管径变大，但不会漏浆(水泥浆已凝固)。如果发生晶格收缩，则凝固形成的水泥环会脱离外套管12的内壁，产生微环空间隙。

参考图3，所述底座14顶面上设有环形凸起17，所述外套管12的底端放置于所述底座14顶面上，所述外套管12的内壁紧贴所述环形凸起17的外侧壁设置；所述内套管13的底端固接于所述底座14顶面上，所述内套管13的外壁紧贴所述环形凸起17的内侧壁设置。在水泥模具安装过程中，可以在内套管13和外套管12的底部，以及环形凸起17的内侧壁和外侧壁处涂抹密封脂，保证环形空间11的底部不会渗漏水泥浆。其中，所述环形凸起17可起到定位作用，便于对外套管12和内套管13在底座14上的安装位置进行定位，外套管12和内套管13可容易实现同轴设置。另外，环形凸起17还可起到限位作用，在水泥浆固化发生收缩时可限制外套管12向内侧移动，并限制内套管13向外侧移动，如此，不会对水泥收缩产生的两个界面的微环隙的大小造成影响，在测量水泥两个界面的微环隙时测量结果也更为准确。此外，环形凸起17可在水泥固化发生收缩时限制外套管12和内套管13的移动，而在水泥固化发生膨胀时，则不会限制外套管12向外侧移动，外套管12则能够受水泥环膨胀力发生膨胀变形(即管径变大)，不会影响水泥环膨胀量的测量。

所述底座14顶面上设有吊装部16，所述吊装部16位于所述内套管13内，用于连接吊装装置以在安置模具时将模具吊起。所述吊装部16可以为一个固定座，在该固定座上安装可拆卸的吊耳组件以与吊装装置连接。

参考图3，第一探头24包括杆体241和连接于杆体241一端的座体242，第一探头的座体242抵靠在所述内套管13的外壁上，第一探头的杆体241另一端沿所述环形空间11的径向从内套管13上设置的开孔中活动穿出，并延伸至外套管12的外侧。其中，第一探头的杆体241另一端依次穿过内套管第一开孔、内套管第二开孔和外套管第一开孔。为保证在水泥浆凝固过程中第一探头的杆体241可径向自由移动，水泥模具1内可以设置隔离套15，隔离套15的一端设于所述外套管第一开孔内，另一端设于所述内套管第一开孔内或者内套管第二开孔内，第一探头的杆体241从隔离套15中活动穿过。在安装过程中，可先将隔离套15安装在水泥模具上，再将第一探头的杆体241从隔离套15中插入到位，然后将第一探头的座体242螺纹连接于杆体241的一端。当隔离套15的另一端设于内套管第二开孔内时，可以在所述内套管第一开孔内设置第一衬套，该第一衬套可以凸出于内套管第一开孔设置，对第一探头的杆体241起到一定的支撑导向作用。

第二探头包括杆体221和连接于杆体一端的座体222，第二探头的座体222位于所述环形空间11内并抵靠在外套管12的内壁上，第二探头的杆体221另一端沿所述环形空间11的径向从外套管12上设置的外套管第二开孔中活动穿出。

如图4所示，为了使第二探头的座体222抵靠在外套管12的内壁上，水泥模具1上可以设置第二弹性限位装置。第二弹性限位装置包括第二衬套31和第二弹性件33，所述第二弹性件33可以为弹簧，所述第二衬套31设于外套管12上的外套管第二开孔中，所述第二衬套31凸出于外套管第二开孔的部分(即第二衬套31凸出于外套管12外侧的部分)套设有所述弹簧，所述弹簧处于压缩状态，其一端固定在外套管12或第二衬套31上，另一端固定在第二探头的杆体221上。本实施例中，第二弹性限位装置利用其弹簧的弹力拉紧第二探头的杆体221，使得第二探头的座体222能够紧靠在外套管12的管壁上或者第二衬套31上。

为方便第二弹性限位装置的安装，所述第二弹性限位装置还包括第二压紧帽32，第二压紧帽32可以螺纹连接于第二探头的杆体221的另一端，所述弹簧的一端可抵触在外套管12的外侧壁上，另一端抵触在第二压紧帽32内。第二压紧帽32的端面与外套管12的外侧壁之间的间隙需不小于水泥的最大径向收缩量。安装过程中，可先将第二衬套31安装在外套管第二开孔内，第二衬套31内壁涂密封脂，将第二探头的杆体221从第二衬套31中穿出外套管12外侧，然后在第二衬套31上套上弹簧，然后把第二压紧帽32螺纹连接在第二探头的杆体221的另一端，安装完毕手动按压第二压紧帽32，应灵活，压紧和弹出不受限。

如图3所示，为使第一探头的座体242抵靠在内套管13的外壁上，水泥模具1上可以设置第一弹性限位装置。第一弹性限位装置可以安装在外套管第一开孔处，其设置方式类似于第二弹性限位装置，在第一弹性限位装置的实施方式中，所述隔离套15可类似于第二弹性限位装置的第二衬套31。示例性地，所述隔离套15的一端凸出于所述外套管12的外侧，所述隔离套15凸出于所述外套管12外侧的部分套设有弹簧，所述弹簧一端固定于第一探头的杆体241上，另一端固定在所述隔离套15或所述外套管12上，所述弹簧处于压缩状态并使第一探头的座体242抵触在所述内套管13的管壁上。同样地，为方便第一弹性限位装置的安装，第一弹性限位装置还包括第一压紧帽，第一压紧帽可以螺纹连接于第一探头的杆体241的另一端，所述弹簧的一端可抵触在第一压紧帽内，另一端抵触在外套管12的外侧壁上。第一弹性限位装置的其他设置及安装方式同第二弹性限位装置，不再赘述。

参考图1，所述温压调节系统用于调节所述养护釜5内的温度和压力，以使养护釜5内的温度和压力为水泥浆固化的实际井下工况条件。

所述温压调节系统可以包括供液系统、供气系统和加热装置9，供液系统包括与养护釜5内部连通的进液管路71和排液管路72，分别用于向养护釜5内输送和排出液体(比如水)。加热装置9用于加热养护釜5内的所述液体，使养护釜5内能达到所需的温度，加热装置9可以设于养护釜5外部或内部。供气系统用于向养护釜5内输送气体(比如氮气)，用于使养护釜5内部能达到所需的压力。可以通过加热装置9来调节养护釜5内的温度高低，可通过供气系统调节养护釜5内的压力大小。

供气系统可以包括气源84、进气管路81和加压泵83，所述加压泵83用于将来自气源84的气体加压后经所述进气管路81输送至所述养护釜5内。所述进气管路81上还可以设置恒压阀82、压力表等，恒压阀82可保证进入养护釜5的气体压力恒定。所述加压泵83可以为气动泵，采用压缩空气推动气动泵将来自高压氮气瓶中的氮气增压到预设的压力值。本实施例中，采用气体加压方式对养护釜5内部进行加压，则在整个测试过程中，即使有轻微渗漏，压力衰减也很小，测试过程中几乎不会再次启动加压泵83给系统补压，这样就避免了不必要的震动，进而保证了各位移测量装置的精确测量。此外，加压泵83采用气动泵，也可以防止压力加载过程的震动过大对位移测量结果的影响。

参考图1，本测量系统还可以包括温度测量装置6和监控装置10，所述温度测量装置6用于测量养护釜5内的温度，并可以将所测数据发送至所述监控装置10。所述温度测量装置6可以采用热电偶。所述监控装置10监测养护釜5内的温度，并可以控制加热装置9的加热温度。所述监控装置10还可以监测第一探头位移测量装置23、第二探头位移测量装置21、参考位移测量装置25各自的测量结果。

参考图1和图2，关于第一探头位移测量装置23、第二探头位移测量装置21、参考位移测量装置25三者的结构，三者结构相同，采用相同产品规格，可以采用差动变压器等可测线性位移的位移测量装置。三者可以均安装在养护釜5的侧壁上。如图1和图2所示，三者可以均包括中空本体201、铁芯组件202和感应组件204；所述中空本体201一端开口，另一端封闭，所述中空本体201的开口端固定于所述养护釜5上并与养护釜5内部连通；所述铁芯组件202滑动设于所述中空本体201内部，所述铁芯组件202的一端伸出所述中空本体201的开口端，并伸入养护釜5内；第一探头位移测量装置23的铁芯组件202伸入养护釜5内的一端与第一探头的杆体241的另一端抵接(比如可以是采用磁铁吸引力紧密接触，或者采用弹簧在其弹力作用下紧密接触等方式)或硬连接(比如螺纹连接、采用连接件连接等)，第二探头位移测量装置21的铁芯组件202伸入养护釜5内的一端与第二探头的杆体221的另一端抵接或硬连接，参考位移测量装置25的铁芯组件202的一端伸入养护釜5内即可；所述感应组件204设于所述中空本体201外部，用于检测所述铁芯组件202的位移量。其中，所述中空本体201的开口端与所述养护釜5的釜壁51之间密封连接，防止釜内液体泄漏。在测量过程中，中空本体201的内部与养护釜5的内部连通，中空本体201内部与养护釜5内部为同样的高温高压状态，铁芯组件202整体所处的温度压力状态一致，不会对铁芯组件202的移动造成影响，可避免影响测量结果，并能够在养护釜5内的高温高压条件下连续测量探头的径向位移，从而可获知水泥浆凝固过程中径向收缩或膨胀量的变化过程。

所述感应组件204可以为电磁感应组件，其能够根据铁芯组件202移动(探头径向移动时其推动或拉动铁芯组件202移动)时的磁场变化，输出电信号，即将铁芯组件202的位移量转换成电信号输出。所述感应组件204可包括线圈框架和设于线圈框架上的初级线圈和次级线圈，其感应原理同差动变压器的原理相同。

参考图2，上述位移测量装置还可以包括调零弹簧203和调零螺母205，所述感应组件204的线圈框架套设于所述中空本体201上，所述调零弹簧203一端限位于所述中空本体201外侧壁上设置的凸环处，另一端抵触在所述感应组件204的一端，所述调零螺母205螺纹连接于所述中空本体201上并对所述感应组件204的另一端进行限位。通过旋转所述调零螺母205可调节所述感应组件204的位置，实现调零目的。

利用上述测量系统测量固井水泥环微环隙、微膨胀的过程包括如下步骤：

S1、将水泥浆灌入水泥模具1内，水泥模具1内预先设置有第一探头24和第二探头22，其中，第一探头24抵靠在所述内套管13的外壁上，第二探头22抵靠在所述外套管12的内壁上。

S2、将水泥模具1放置于养护釜5内，养护釜5的釜壁上可预先安装有第一探头位移测量装置23、第二探头位移测量装置21和参考位移测量装置25，使第一探头位移测量装置23的测量端与第一探头的杆体241硬连接，第二探头位移测量装置21的测量端与第二探头的杆体221硬连接。

S3、盖上养护釜5的盖子保证其密封，然后通过供液系统向养护釜5内供给液体，可使养护釜5内液面高度高于水泥模具1，通过供气系统向养护釜5内供给气体(气体在液面上方)，启动加热装置9对养护釜5内的液体进行加热。

S4、在养护釜5内的温度和压力升到设定值(可设定为井下实际温度和压力值)并恒定两小时后，将三个位移测量装置均调零，消除因养护釜5内高温高压造成的位移测量装置的测杆变长的误差。

S5、待第一探头位移测量装置23和第二探头位移测量装置21的测量值不再变化时，记录三个位移测量装置各自的测量值。

S6、将第一探头位移测量装置23的测量值减去参考位移测量装置25的测量值所得的差值，确定为第一界面的微环隙值；将第二探头位移测量装置21的测量值减去参考位移测量装置25的测量值所得的差值，确定为第二界面的微环隙值或者微膨胀值。

本申请的测量方法操作简单、重复性高、与井下工况匹配性好，适用于石油及天然气井固井的防微环隙窜流的膨胀水泥浆设计及水泥膨胀材料的开发研究。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；术语“安装”、“连接”、“固定连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

Claims (10)

1.一种测量固井水泥环微环隙的方法，其特征在于，包括：

把水泥浆灌入包括两个套管的圆环柱水泥浆模具中，所述模具中设置有探头，所述探头抵靠在所述套管朝向水泥浆的侧壁上，且可在水泥浆凝固收缩时同步径向移动；

在水泥浆固化后，检测所述探头的径向位移量，根据所述径向位移量确定所述套管和水泥环之间的微环隙值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述探头包括第一探头，所述第一探头抵靠在所述两个套管中内套管的外壁上；

所述在水泥浆固化后检测所述探头的径向位移量，根据所述径向位移量确定所述套管和水泥环之间的微环隙值，包括：在水泥浆固化后检测所述第一探头的第一径向位移量，根据所述第一径向位移量确定所述内套管和水泥环之间的第一界面的微环隙值。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

所述探头包括第二探头，所述第二探头抵靠在所述两个套管中外套管的内壁上；

所述在水泥浆固化后检测所述探头的径向位移量，根据所述径向位移量确定所述套管和水泥环之间的微环隙值，包括：在水泥浆固化后检测所述第二探头的第二径向位移量，根据所述第二径向位移量确定所述外套管和水泥环之间的第二界面的微环隙值。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探头的一端抵靠在所述套管朝向水泥浆的侧壁上，另一端沿径向伸出到所述两个套管中外套管的外部。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述把水泥浆灌入包括两个套管的圆环柱水泥浆模具中之后，所述方法还包括：将所述模具置于养护釜内，向所述养护釜内供给液体和气体，通过调节所述液体的温度及气体的压力以控制养护釜内的温度和压力为设定值。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述检测所述探头的径向位移量，根据所述径向位移量确定所述套管和水泥环之间的微环隙值，包括：

通过探头位移测量装置检测所述探头的径向位移量，所述探头位移测量装置的一端与养护釜内的所述探头连接，另一端位于所述养护釜外；

通过参考位移测量装置检测参考位移量，所述参考位移测量装置的一端伸入养护釜内，另一端位于所述养护釜外；

将所述径向位移量与所述参考位移量的差值确定为所述套管和水泥环之间的微环隙值。

7.一种测量固井水泥环微膨胀的方法，其特征在于，包括：

把水泥浆灌入包括内套管和外套管的圆环柱水泥浆模具中，所述外套管可膨胀变形，所述模具中设置有抵靠在所述外套管内壁上、可在水泥浆凝固膨胀时同步径向移动的探头；

在水泥浆固化后，检测所述探头的径向位移量，根据所述径向位移量确定所述外套管和水泥环之间的第二界面的微膨胀值。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述探头的一端抵靠在所述外套管的内壁上，另一端沿径向伸出到所述外套管的外部。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述把水泥浆灌入包括内套管和外套管的圆环柱水泥浆模具中之后，所述方法还包括：将所述模具置于养护釜内，向所述养护釜内供给液体和气体，通过调节所述液体的温度及气体的压力以控制养护釜内的温度和压力为设定值。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述检测所述探头的径向位移量，根据所述径向位移量确定所述外套管和水泥环之间的第二界面的微膨胀值，包括：

通过探头位移测量装置检测所述探头的径向位移量，所述探头位移测量装置的一端与养护釜内的所述探头连接，另一端位于所述养护釜外；

通过参考位移测量装置检测参考位移量，所述参考位移测量装置的一端伸入养护釜内，另一端位于所述养护釜外；

将所述径向位移量与所述参考位移量的差值确定为所述外套管和水泥环之间的第二界面的微膨胀值。