CN110470596B - 一种模拟高温高压井下工况下水泥石胶结强度原位测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模拟高温高压井下工况下水泥石胶结强度原位测试装置及方法，装置主要包括：密封釜盖、密封釜体、顶柱、活动式底座、套管、密封盖板、加热保温装置、传感器、采集控制系统等。本发明利用密封釜模拟井下工况，通过密封盖板、活动式底座和套管形成水泥养护腔，水泥在养护腔内进行养护，养护结束后，进行水泥石胶结强度测试工作，从采集控制系统显示的力‑位移曲线上获取数据，以此数据为基础计算得到高温高压条件下水泥石的胶结强度。本发明可在原始状态下测试水泥石在模拟井下工况下的胶结性能，为优选固井水泥浆、提高固井质量提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及石油与天然气开发过程中的固井技术领域，具体涉及一种固井水泥石胶结强度测试装置及方法。
背景技术
油气井固井的目的之一是对套管外环形空间进行有效封隔，防止油气井钻井、增产作业和生产过程中的地层流体窜流。固井过程中，水泥浆是封固套管和井壁环形空间的重要材料，水泥浆在井下高温高压环境下最终凝固形成井壁与套管之间的具有一定胶结能力的水泥石，其胶结强度直接影响着空间封隔程度，因此如何测试水泥石的胶结强度并使其达到要求是固井时需考虑的重点。
目前公开的实验室内测试水泥石胶结强度的装置中，多数是需要实验人员将水泥浆灌入至模拟套管和模拟油管的环形空间中，并将整个养护装置放在规定条件下养护一段时间，养护完毕后，拆卸养护装置，用压力机进行压力测试，分别记录内环界面和外环界面水泥石剥落时的压力，从而得到胶结强度，如“一种固井水泥胶结强度测试装置”(CN105422080 A)。然而，在此作业过程中存在一定局限性，如若将养护完成的水泥石放置在室内条件下，存在着水泥石结构或强度发生变化的风险，从而使胶结强度测试结果产生一定误差。
针对此情况，本发明提供了一种模拟高温高压井下工况下水泥石胶结强度原位测试装置及方法，从而为在固井作业中选择优质水泥浆、提高固井质量提供技术支撑。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种模拟高温高压井下工况下水泥石胶结强度原位测试的新型装置及方法，便于在高温高压井固井作业中选择优质水泥浆。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种模拟高温高压井下工况下水泥石胶结强度原位测试装置，包括：密封釜、水泥浆养护装置和胶结强度测试装置。
本发明提出的一种模拟高温高压井下工况下水泥石胶结强度原位测试装置的密封釜，主要包括：密封釜盖、密封釜体、固定螺栓、固定螺栓垫圈、橡胶密封垫片、顶柱、上螺母、上垫圈、上压盖、上盘根、上盘根盒、活动式底座、下螺母、下垫圈、下压盖、下盘根、下盘根盒、进气口、出气口、上凹槽、下凹槽。密封釜盖通过固定螺栓固定在密封釜体上，固定螺栓施加压力将橡胶密封垫片压紧在密封釜盖和密封釜体之间，垫片的存在可以进一步提升实验装置的密封性能。密封釜盖中心存在上凹槽，拧动上螺母后，上螺母可压顶上垫圈，上垫圈挤压上压盖，继而挤压上盘根，使上盘根抱紧顶柱，通过上螺母、上垫圈、上压盖和上盘根对顶柱进行辅助固定，上盘根的存在不仅有固定顶柱的作用，也可对装置进行一定程度密封，密封釜体底部中心存在下凹槽，通过下螺母、下垫圈、下压盖及下盘根对活动式底座进行辅助固定，密封釜体底部有下盘根盒，装有下盘根，下压盖挤压下盘根，使下盘根抱紧活动式底座，从而实现对密封釜体底部的密封。密封釜体底部开有进气口，密封釜盖开有出气口。
本发明提出的一种模拟高温高压井下工况下水泥石胶结强度原位测试装置的水泥浆养护装置，主要包括：外筒、套管、密封盖板、活动式底座、上层橡胶密封件、下层橡胶密封件。外筒放置在密封釜体底部，套管固定在外筒内，活动式底座固定在密封釜体底部中心的下凹槽内，活动式底座与套管内壁相套合，上层橡胶密封件嵌于套管内壁上，活动式底座套有下层橡胶密封件，套管、密封盖板与活动式底座形成水泥养护腔，用于存放水泥浆。
本发明提出的一种模拟高温高压井下工况下水泥石胶结强度原位测试装置的胶结强度测试装置，主要包括：套管、密封盖板、顶柱、上螺母、上垫圈、活动式底座、下螺母、下垫圈、上层橡胶密封件、下层橡胶密封件、加热保温装置、温度传感器、压力传感器、采集控制系统。水泥养护结束后，拧动下螺母，使活动式底座下移，随后拧动上螺母，并辅以外部装置对顶柱施加力，使顶柱下移，压顶密封盖板，密封盖板继而压顶水泥石，使套管中凝固的水泥石与套管内壁出现相对滑动，顶柱所施加的力由压力传感器采集，力学数据由压力传感器传输至采集控制系统，以此数据为基础计算出水泥石的胶结强度。
须注意，本发明所述的一种模拟高温高压井下工况下水泥石胶结强度原位测试装置，装配、固定之前，需对主要部件之间的接触面涂抹黄油，包括密封盖板、上层橡胶密封件和套管内壁之间的接触面，活动式底座、下层橡胶密封件和套管内壁之间的接触面，密封釜盖、橡胶密封垫片和密封釜体之间的接触面，一方面，可以提高各个接触面之间的密封性能，另一方面，也可防止水泥浆凝结过程中活动式底座和套管内壁之间出现粘黏，便于进行胶结强度测试工作时活动式底座的下移。
本发明的有益效果是：
(1)可在模拟井下工况下对水泥石胶结强度进行原位测试，去除了将水泥石从养护环境转移到室内环境时其结构或强度发生变化的风险。
(2)可通过密封釜及加热保温装置形成高温高压环境，测试水泥石在预设温度压力条件下的胶结性能，为优选固井水泥浆、提高固井质量提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明提供的装置进行水泥浆凝结养护的示意图；
图2为本发明提供的装置进行水泥石胶结强度测试的示意图；
图3为密封釜盖、顶柱、上螺母、上垫圈、上压盖、上盘根连接处的示意图；
图4为密封釜体、活动式底座、下压盖、下盘根、下螺母、下垫圈连接处的示意图；
图5为密封盖板、套管、外筒、活动式底座尺寸大小的说明示意图；
图6为胶结强度测试时采集控制系统显示的曲线示意图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明技术方案的主要实现原理、具体实施方式及其对应能够达到的有益效果进行详细的阐述：
实例1
本实例公开一种模拟高温高压井下工况下水泥石胶结强度原位测试方法，包括以下步骤：
步骤一，将HM液压油涂抹在上盘根(14)与顶柱(9)的接触面及下盘根(21)与活动式底座(16)的接触面上，并将一定剂量HM液压油储存于上储存腔(13)与下储存腔(20)中，将下盘根(21)放置在密封釜体(2)底部的下盘根盒(22)中，将下压盖(19)放置在下盘根(21)上方，随后将活动式底座(16)套入至密封釜体(2)底部，活动式底座(16)刻有螺纹，通过下螺母(17)、下垫圈(18)、下压盖(19)及下盘根(21)对活动式底座(16)进行辅助固定，使活动式底座(16)、下螺母(17)、下压盖(19)与密封釜体(2)中心线保持重合，保持活动式底座(16)与密封釜体(2)底部间的距离为9mm，以便在进行胶结强度测试工作时活动式底座(16)下移；
步骤二，选择内径D为5cm的套管(7)，将上层橡胶密封件(23)嵌于套管(7)内壁上，将套管(7)与活动式底座(16)相套合，并置于密封釜体(2)底部，将外筒(6)套放在套管(7)外部，以达到固定套管(7)的作用，注意使外筒(6)、套管(7)与活动式底座(16)中心线重合，测量获得上层橡胶密封件(23)到活动式底座(16)上表面的距离为6cm，以此视为水泥石试样高度h；
步骤三，将配制好的水泥浆A倒入套管(7)内，注意倒入水泥浆时须用搅拌棒持续插捣水泥浆，并小心去除搅拌时产生的气泡，使水泥浆体密实均匀，需保持水泥浆上液面与套管(7)内壁上的上层橡胶密封件(23)高度一致，将密封盖板(8)放置在套管(7)内部，由于套管(7)内壁嵌有上层橡胶密封件(23)，可以使密封盖板(8)恰好卡于上层橡胶密封件(23)的高度，即水泥浆上液面上方，从而达到密封水泥养护腔(31)的目的；
步骤四，将上储存腔(13)内存有润滑剂的上盘根(14)放置在密封釜盖(1)的上盘根盒(15)中，并将上压盖(12)放置在上盘根(14)上方，随后将顶柱(9)套入至密封釜盖(1)中心，并将上垫圈(11)套放在上压盖(12)上方，顶柱(9)、上螺母(10)、上压盖(12)与密封釜盖(1)中心线重合，拧动上螺母(10)，使上垫圈(11)压顶上压盖(12)，上压盖(12)随即压顶上盘根(14)，上盘根(14)在挤压状态下抱紧顶柱(9)，从而达到固定顶柱(9)及密封的作用，注意需将顶柱(9)调节至合适的高度，使密封釜盖(1)与密封釜体(2)连接时，密封盖板(8)与顶柱(9)间的距离保持为18mm；
步骤五，加模拟地层水，注意提前计算模拟地层水液量，使模拟地层水液面高度恰好高于密封盖板(8)高度，随后将涂抹有黄油的橡胶密封垫片(5)放置在密封釜体(2)的凹槽内，将套放有顶柱(9)的密封釜盖(1)坐放在密封釜体(2)上方，上紧固定螺栓(3)，将密封釜盖(1)紧固在密封釜体(2)上，通过信号线连接温度传感器(28)、密封釜体(2)、加热保温装置(27)和采集控制系统(30)，通过信号线连接压力传感器(29)、顶柱(9)和采集控制系统(30)，启用采集控制系统(30)，使加热保温装置(27)运行并进行加热，保持水泥浆养护条件是压力为18MPa和温度为80℃，养护时间为24小时；
步骤六，水泥养护结束后，拧动下螺母(17)，使活动式底座(16)下移，随后拧动上螺母(10)，并辅以外部装置对顶柱(9)施加力，使顶柱(9)匀速下移，速度保持为2mm/min，使采集控制系统(30)保持5s的数据采集周期，在采集控制系统(30)生成的曲线上记录下顶柱(9)开始移动时的力，记为顶柱(9)与装置部件之间的摩擦力Ff为3264N；
步骤七，在采集Ff后，顶柱(9)继续匀速移动，从而使顶柱(9)压顶密封盖板(8)，密封盖板(8)继而压顶水泥石，直至套管(7)中凝固的水泥石与套管(7)内壁出现相对滑动，从采集控制系统(30)生成的曲线上采集得到水泥石与套管(7)内壁间出现相对滑动时的最大力Fmax为29169N；
步骤八，测试工作终止后，利用收集的压力数据计算获得水泥石A与套管(7)的胶结强度M为2.75MPa。
实例2
本实例公开一种模拟高温高压井下工况下水泥石胶结强度原位测试方法，包括以下步骤：
重复实例1的步骤一至步骤五，其中水泥浆A替换为水泥浆B，套管(7)内径D为5cm，测量获得上层橡胶密封件(23)到活动式底座(16)上表面的距离为6.5cm，以此视为水泥石试样高度h，活动式底座(16)与密封釜体(2)底部间的距离为9mm，密封釜盖(1)与密封釜体(2)连接时，密封盖板(8)与顶柱(9)间的距离保持为18mm，水泥浆养护条件改成压力为20MPa和温度为90℃，养护时间为24小时；
步骤六，水泥养护结束后，拧动下螺母(17)，使活动式底座(16)下移，随后拧动上螺母(10)，并辅以外部装置对顶柱(9)施加力，使顶柱(9)匀速下移，速度保持为2mm/min，使采集控制系统(30)保持5s的数据采集周期，在采集控制系统(30)生成的曲线上记录下顶柱(9)开始移动时的力，记为顶柱(9)与装置部件之间的摩擦力Ff为3929N；
步骤七，在采集Ff后，顶柱(9)继续匀速移动，从而使顶柱(9)压顶密封盖板(8)，密封盖板(8)继而压顶水泥石，直至套管(7)中凝固的水泥石与套管(7)内壁出现相对滑动，从采集控制系统(30)生成的曲线上采集得到水泥石与套管(7)内壁间出现相对滑动时的最大力Fmax为36993N；
步骤八，测试工作终止后，利用收集的压力数据计算获得水泥石B与套管(7)的胶结强度M为3.24MPa。
最后应说明的是：以上实例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实例记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种模拟高温高压井下工况下水泥石胶结强度原位测试装置，其特征在于：该装置由密封釜、水泥浆养护装置和胶结强度测试装置所构成；
所述的密封釜由密封釜盖(1)、密封釜体(2)、固定螺栓(3)、固定螺栓垫圈(4)、橡胶密封垫片(5)、顶柱(9)、上螺母(10)、上垫圈(11)、上压盖(12)、上盘根(14)、上盘根盒(15)、活动式底座(16)、下螺母(17)、下垫圈(18)、下压盖(19)、下盘根(21)、下盘根盒(22)、进气口(25)、出气口(26)、上凹槽(32)、下凹槽(33)组成，密封釜盖(1)通过固定螺栓(3)固定在密封釜体(2)上，固定螺栓(3)施加压力将橡胶密封垫片(5)压紧在密封釜盖(1)和密封釜体(2)之间；密封釜盖(1)中心存在上凹槽(32)，顶柱(9)由上螺母(10)、上垫圈(11)、上压盖(12)及上盘根(14)辅助固定在上凹槽(32)中；密封釜体(2)底部中心存在下凹槽(33)，活动式底座(16)由下螺母(17)、下垫圈(18)、下压盖(19)及下盘根(21)辅助固定在下凹槽(33)中；密封釜体(2)底部开有进气口(25)，密封釜盖(1)开有出气口(26)；
所述的水泥浆养护装置由外筒(6)、套管(7)、密封盖板(8)、活动式底座(16)、上层橡胶密封件(23)、下层橡胶密封件(24)组成，套管(7)固定于外筒(6)内，上层橡胶密封件(23)嵌于套管(7)内壁上，下层橡胶密封件(24)套在活动式底座(16)上，套管(7)、密封盖板(8)与活动式底座(16)形成水泥养护腔(31)；
所述的胶结强度测试装置由套管(7)、密封盖板(8)、顶柱(9)、上螺母(10)、上垫圈(11)、活动式底座(16)、下螺母(17)、下垫圈(18)、上层橡胶密封件(23)、下层橡胶密封件(24)、加热保温装置(27)、温度传感器(28)、压力传感器(29)、采集控制系统(30)组成，加热保温装置(27)包络在密封釜体(2)外壁，温度传感器(28)及压力传感器(29)所产生的数据由采集控制系统(30)进行采集及整合；
所述的橡胶密封垫片(5)、上盘根(14)、下盘根(21)、上层橡胶密封件(23)、下层橡胶密封件(24)均为聚四氟乙烯材料，固定螺栓垫圈(4)、上垫圈(11)、下垫圈(18)为哈氏合金材料，上盘根(14)与下盘根(21)为梯形盘根，盘根中设置存有润滑剂的上储存腔(13)及下储存腔(20)；
密封盖板(8)直径D1较套管(7)内径D小0.7mm-1mm，活动式底座(16)直径D2较套管(7)内径D小0.7mm-1mm，套管(7)外径D3较外筒(6)内径D4小1mm-1.5mm。
2.根据权利要求1所述的一种模拟高温高压井下工况下水泥石胶结强度原位测试装置，其特征在于：装置装配之后，密封盖板(8)与顶柱(9)间的距离不超过20mm，活动式底座(16)与密封釜体(2)底部间的距离保持为8mm-10mm，顶柱(9)可依靠外部装置向下移动，下移速度为2mm/min，行程最高为30mm。
3.根据权利要求1所述的一种模拟高温高压井下工况下水泥石胶结强度原位测试装置，其特征在于：采集控制系统(30)的数据采集周期为5s。
4.根据权利要求1所述的一种模拟高温高压井下工况下水泥石胶结强度原位测试装置的测试方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，将下储存腔(20)内存有润滑剂的下盘根(21)放置在密封釜体(2)底部的下盘根盒(22)中，随后将下压盖(19)放置在下盘根(21)上方，并将套有下层橡胶密封件(24)的活动式底座(16)套入至密封釜体(2)底部，活动式底座(16)刻有螺纹，通过下螺母(17)、下垫圈(18)、下压盖(19)及下盘根(21)对活动式底座(16)进行辅助固定；
步骤二，将内壁上嵌有上层橡胶密封件(23)的套管(7)放置在密封釜体(2)底部，注意保持活动式底座(16)与套管(7)相套合，将外筒(6)套放在套管(7)外部；
步骤三，将配制好的水泥浆倒入套管(7)内，保持水泥浆上液面与套管(7)内壁上的上层橡胶密封件(23)高度一致，将密封盖板(8)放置在套管(7)内部，使密封盖板(8)恰好位于上层橡胶密封件(23)的高度；
步骤四，将上储存腔(13)内存有润滑剂的上盘根(14)放置在密封釜盖(1)的上盘根盒(15)中，并将上压盖(12)放置在上盘根(14)上方，随后将顶柱(9)套入至密封釜盖(1)中，顶柱(9)刻有螺纹，将上垫圈(11)套放在上压盖(12)上方，拧动上螺母(10)，上垫圈(11)压顶上压盖(12)，上压盖(12)随即压顶上盘根(14)，上盘根(14)在挤压状态下抱紧顶柱(9)；
步骤五，加模拟地层水，使模拟地层水液面高度恰好高于密封盖板(8)高度，随后将涂抹有黄油的橡胶密封垫片(5)放置在密封釜体(2)的凹槽内，将套放有顶柱(9)的密封釜盖(1)坐放在密封釜体(2)上方，上紧固定螺栓(3)，将密封釜盖(1)紧固在密封釜体(2)上，通过信号线连接密封釜体(2)、加热保温装置(27)、温度传感器(28)和采集控制系统(30)，通过信号线连接顶柱(9)、压力传感器(29)和采集控制系统(30)，启用采集控制系统(30)，使加热保温装置(27)运行以进行加热，水泥浆在预设温度压力条件下养护24小时；
步骤六，水泥养护结束后，拧动下螺母(17)，使活动式底座(16)下移，随后拧动上螺母(10)，并辅以外部装置对顶柱(9)施加力，使顶柱(9)匀速下移，速度保持为2mm/min，在采集控制系统(30)生成的曲线上记录下顶柱(9)开始移动时的力，记为顶柱(9)与装置部件之间的摩擦力Ff；
步骤七，在采集Ff后，顶柱(9)继续匀速移动，从而使顶柱(9)压顶密封盖板(8)，密封盖板(8)继而压顶水泥石，直至采集控制系统(30)采集出最大力Fmax；
步骤八，通过公式(1)计算获得水泥石的胶结强度M：
(1)
式中：Fmax是水泥石与套管(7)内壁间出现相对滑动时的最大力，N；Ff是顶柱(9)与装置部件间的摩擦力，N；π取3.14；D是套管(7)内径，mm；h是水泥石试样高度，mm；M是水泥石的胶结强度，MPa。
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