CN111504898A - 评价高温高压条件下水泥环界面胶结强度实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种评价高温高压条件下水泥环界面胶结强度的实验装置及方法，在所述内层套管的内部充满加热油及设置加热棒，所述加热棒的另一端连接温度控制系统，如此可通过温度控制系统来设置实验温度，使套管内处于高温条件下；通过在内层套管的顶部设置加压垫块，所述加压垫块的一侧连接高压泵，另一侧连接第一压力表，如此可通过高压泵来调节实验压力，使套管内处于高压条件下，以达到更接近实际工况、测量结果更准确的目的。同时，本发明通过气窜法测试出复杂温度和压力条件下的水泥环水力胶结强度，为更好的探究实际工况下水泥环密封失效机理提供了更准确可靠的技术支持。

Description

评价高温高压条件下水泥环界面胶结强度实验装置及方法

技术领域

本发明涉及石油钻采工程固井技术领域，特别涉及一种评价高温高压条件下水泥环界面胶结强度的实验装置及方法。

背景技术

深水高温高压油气井水泥环面临着高温、高压以及后续施工工况下产生的温度、压力变化等复杂条件，容易引起水泥环的密封失效，从而导致环空带压的出现，给油气井安全生产带来严重影响。据调查，在墨西哥湾OCS地区，大约有15500口(约43％)井至少有一层套管带压；在我国的川渝地区、塔里木油田以及松辽盆地等深层天然气井也同样面临着严峻的问题。由于水泥环界面胶结强度是衡量水泥环密封性的主要因素，因此，研究水泥环界面胶结强度的影响因素及其影响规律对深水高温高压水泥环密封完整性评价具有重要的意义。

目前，针对因实际工况中(试压、试油、关井、压裂)引起的井筒内温度、压力变化等复杂条件，导致水泥环密封完整性失效的问题，虽然许多油田和企业对评价水泥环密封完整性的实验装置及方法进行了研究，但设计的水泥环密封完整性实验装置所考虑的温度及套管内压力有限，且固井界面强度测试过程也无法在水泥环养护条件下实现，这就导致所测量的界面胶结强度与实际工况下的界面胶结强度存在差异。因此，为了更好的探究实际工况下水泥环密封失效机理，研制出一种新的测试水泥环界面胶结强度的实验装置，用于评价实际工况下的水泥环界面强度具有重要的实际意义。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一套可用于评价高温高压条件下水泥环界面胶结强度的实验装置及方法，该装置较为真实地模拟了实际工况下的水泥环密封环境，为研究其密封失效机理提供了技术支持。

本发明为解决其技术问题所采用的具体技术方案是：

一种评价高温高压条件下水泥环界面胶结强度的实验装置，包括由内向外同轴设置的内层套管和外层套管，所述内层套管和外层套管之间的环空体积中填充有水泥浆层及清水层，且所述清水层填充在水泥浆层的上端面，所述内层套管的内部充满导热油，且所述内层套管中连接一用于加热导热油的加热棒，所述加热棒的另一端连接温度控制系统，所述内层套管的顶部设有一上表面与外部材料试验机的压头相接触的加压垫块，所述加压垫块的上表面与外部材料试验机的压头相接触，所述加压垫块的一侧连接有高压泵，所述加压垫块的另一侧连接有第一压力表，所述内层套管和外层套管的上下两端分别通过上法兰和下法兰连接在一起，所述上法兰和下法兰通过相应的承力拉杆固定连接，所述上法兰上设有用于控制环空压力的第一出气口和用于监测气体窜出情况的第二出气口，所述第一出气口通过管道连接有第一阀门及压力表，所述第二出气口通过管道连接有第二阀门及水箱，所述下法兰上设有用于施加气体窜流压力的进气口，所述进气口通过管道连接有第三阀门及压力表和高压气瓶，所述下法兰的底部还设有一底座。

作为优选，所述水泥浆层的体积为环空体积的90％，所述清水层的体积为环空体积的10％，所述加压垫块上设有用于向内层套管内部施加压力的压力输入口和用于向内层套管内部加入导热油的进油口，所述压力输入口通过管道与高压泵相连接。

进一步优选的，所述内层套管与上法兰和下法兰之间均设有O型密封圈，所述进气口处设有将进气口封住的细纱网，所述细纱网的规格为200目，所述细纱网上还设有高磁力磁铁。

同时，本发明提供一种应用于上述实验装置的实验方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1，制备水泥浆，并将制备好的水泥浆注入到下端密封好的内层套管和外层套管之间的环空体积中形成水泥环；

S2，在步骤S1的水泥浆层上端面加入一定量的水，以模拟环空压力；并向内层套管内注入加热油，以模拟套管内压力；

S3，连接所述实验装置，并将连接后的实验装置放置于材料试验机上；

S4，加热棒通电，通过温度控制系统设置实验温度，使其加热至设置温度并控制水泥环端面压力；

S5，水泥浆凝固并养护一定时间后，根据实验方案，改变温度或套管内压力；

S6，对水泥环界面进行机械胶结强度测试及水力胶结强度测试，其中，

所述的机械胶结强度测试的具体过程为：开启材料试验机，当材料试验机的压头接触到加压垫块后，调节材料试验机加载速率至0.01mm/min，直至材料试验机达到最大载荷，测量此时的水泥环界面失效压力，通过测得出的水泥环界面失效压力进而求得水泥环界面机械胶结强度，由下述公式计算得到：

式中：S—为界面机械胶结强度，

P—为界面失效压力，

D—为水泥环内径，

H—为水泥环高度；

所述的水力胶结强度测试的水泥浆制备及养护过程如上述步骤S1-S5，然后打开高压气瓶的阀门，通过第三阀门及压力表慢慢增大进入到进气口的气体压力，直至水箱内有气泡冒出，此时第三阀门及压力表上的压力即为水泥环界面水力胶结强度。

进一步地，所述步骤S1中水泥浆注入的体积为环空体积的90％，所述步骤S2中清水注入的体积为环空体积的10％，所述加热油充满内层套管的内部。

更进一步地，所述步骤S4在加热过程中，通过第一阀门及压力表控制水泥环端面压力，使其在水泥浆凝固过程中慢慢释放直至温度达到平衡后逐步放掉环空压力；所述步骤S6中的第三阀门及压力表为气体减压阀门。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明设计的实验装置在内层套管的内部充满加热油及设置加热棒，所述加热棒的另一端连接温度控制系统，如此可通过温度控制系统来设置实验温度，使套管内处于高温条件下；通过在内层套管的顶部设置加压垫块，所述加压垫块的一侧连接高压泵，另一侧连接第一压力表，如此可通过高压泵来调节实验压力，使套管内处于高压条件下，达到更接近实际工况、测量结果更准确的目的。同时，本发明还设计一种应用于上述实验装置的实验方法，该实验方法中增加了水泥环养护过程，使得胶结强度能够在水泥环养护条件下测量；此外，对于水泥环密封完整性评价的另外一个重要参数-水力胶结强度，本发明一改现有将机械胶结强度的60％作为水力胶结强度的做法，而是通过气窜法测试出复杂温度和压力条件下的水泥环水力胶结强度，通过该方法测得的水泥环水力胶结强度更接近实际工况下的水力胶结强度，实验数据更准确，为更好的探究实际工况下水泥环密封失效机理提供了更准确可靠的技术支持。

附图说明

图1为本发明的实验装置结构示意图。

图中所示：

1-内层套管，2-外层套管，3-水泥浆层，4-清水层，5-加热棒，6-温度控制系统，7-加压垫块，8-高压泵，9-第一压力表，10-上法兰，10.1-一出气口，10.1a-第一阀门及压力表，10.2-第二出气口，10.2a-第二阀门及水箱，11-下法兰，11.1-进气口，11.1a-第三阀门及压力表，11.1b-高压气瓶，12-承力拉杆，13-底座，14-O型密封圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供一种评价高温高压条件下水泥环界面胶结强度的实验装置，该实验装置包括内层套管1及外层套管2，所述内层套管1和外层套管2由内向外同轴设置，且内层套管1和外层套管2之间形成一个环形空间，在所述环形空间中下部注入环空体积90％的水泥浆层3，在水泥浆层3的上端面上注入10％体积的清水层4，所述内层套管1和外层套管2的上下两端分别通过上法兰10和下法兰11连接在一起，并且在上法兰10和下法兰11之间相应的承力拉杆12固定连接在一起，所述下法兰11的底部还设有一底座13，用于将整个实验装置固定在底座13上。

具体的，本实施例的实验装置在实施时，在内层套管1的顶部通过螺纹连接一加压垫块7，所述加压垫块7上开设有用于向内层套管1内部施加压力的压力输入口和用于向内层套管1内部加入导热油的进油口，通过进油口向内层套管1的内部充满导热油，且内层套管1中连接一用于加热导热油的加热棒5，所述加热棒5的另一端连接温度控制系统6，通过温度控制系统6对套管内的温度进行控制，以模拟实际工况的高温条件，所述温度控制系统6可实现20～200℃温度的施加与控制。

进一步地，所述加压垫块7的上表面与外部材料试验机的压头相接触，所述加压垫块7的一侧经过压力输入口连接有高压泵8，所述加压垫块7的另一侧连接有第一压力表9，通过高压泵8和第一压力表9控制套管内部的压力情况，以模拟实际工况的高压条件，所述高压泵8可实现0～40MPa套管内压力的施加与控制。

具体的，所述上法兰10上设有用于控制环空压力的第一出气口10.1和用于监测气体窜出情况的第二出气口10.2，所述第一出气口10.1通过管道连接有第一阀门及压力表10.1a，所述第二出气口10.2通过管道连接有第二阀门及水箱10.2a，在实验加热过程中，通过第一阀门及压力表10.1a控制环空体积中的压力，由第一出气口10.1进行放气，所述环空体积中的清水层4则是通过第二出气口10.2将水注入至环空中，所述水箱10.2a用于水力胶结强度测试中观察是否有气泡产生。

具体的，所述下法兰11上设有用于施加气体窜流压力的进气口11.1，所述进气口11.1通过管道连接有第三阀门及压力表11.1a和高压气瓶11.1b，上述水箱10.2a及进气口11.1、第三阀门及压力表11.1a、高压气瓶11.1b组成了用于水力胶结强度的实验装置，当慢慢打开第三阀门及压力表11.1a，高压气瓶11.1b的气体由进气口11.1进入到环空体积中，再由第二出气口10.2通过管道进入到水箱10.2a中，当水箱10.2a中有气泡冒出，此时第三阀门及压力表11.1a上的压力即为水泥环界面水力胶结强度，此处水力胶结强度测试通过气窜法来完成，具有实验结果更准确的优势。

进一步地，在进行水力胶结强度测试之前，将所述进气口11.1用200目的细纱网封住，所述细纱网上还设有高磁力磁铁，以防止养护过程中水泥浆堵住进气口；进一步优选的，为了保证套管的密封效果，所述内层套管1与上法兰10和下法兰11之间均设有O型密封圈14。

同时，为克服目前水泥环机械胶结强度实验研究存在养护温度难以模拟井内实际温度、温度变化难以控制、套管内压力变化难以实现等问题，针对上述实验装置，本实施例提供一种实验方法，包括以下步骤：

S1，制备水泥浆，依据GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》的相关规定制备水泥浆，并将制备好的水泥浆注入到下端密封好的内层套管1和外层套管2之间的环空体积中形成水泥环，注入的水泥浆体积为整个环空体积的90％；

S2，通过第二出气口10.2在步骤S1的水泥浆层上端面加入整个环空体积10％的水，以模拟环空压力；并通过加压垫块7上的进油口向内层套管1内注入加热油，以模拟套管内压力；

S3，按上述实验装置的结构连接所述实验装置，并将连接后的实验装置放置于材料试验机上；

S4，加热棒5通电，通过温度控制系统6设置实验温度，该实验温度可在20～200℃中选取，使其加热至设置温度并控制水泥环端面压力；在加热过程中，通过第一阀门及压力表10.1a控制水泥环端面压力，使其在水泥浆凝固过程中慢慢释放直至温度达到平衡后逐步放掉环空压力；

S5，设定水泥浆养护温度及养护时间，待水泥浆凝固并养护一定时间后，根据实验方案，通过温度控制系统6和高压泵8改变温度或套管内压力；

S6，对水泥环界面进行机械胶结强度测试及水力胶结强度测试，首先进行机械胶结强度测试：开启材料试验机，当材料试验机的压头接触到加压垫块7后，调节材料试验机加载速率至0.01mm/min，直至材料试验机达到最大载荷，测量在此温度压力条件下的水泥环界面失效压力，进而将界面失效压力转化为水泥环界面胶结强度，通过下式计算求得：

式中：S—为界面机械胶结强度，单位MPa；

P—为界面失效压力，单位N；

D—为水泥环内径，单位mm；

H—为水泥环高度，单位mm；

不同温度及压力条件下的水泥环界面机械胶结强度的计算测量如上述，亦是通过材料试验机测量计算得出。

然后进行水泥环界面的水力胶结强度测量，而在本实验方法设计之前，国内外大都采用水泥环机械胶结强度来衡量整个水泥环界面胶结强度，然而，对于工作液密度变化引起套管内压力变化以及套管内温度变化等情况，水泥环的径向剥离是引起水泥环密封失效的主要形式，因此，水力胶结强度也是水泥环密封完整性评价极为重要的参数，部分企业将机械胶结强度的60％作为水力胶结强度，然而，该设定缺乏实验数据，本实施例的实验方法中将通过气窜法来测试复杂温压条件下的水泥环水力胶结强度，其具体过程在完成上述步骤S1-S5后，进行水力胶结强度测试：打开高压气瓶11.1b的阀门，通过第三阀门及压力表11.1a慢慢增大进入到进气口11.1的气体压力(此处的第三阀门为气体减压阀门)，直至水箱10.2a中有气泡冒出，此时第三阀门及压力表11.1a上的压力即为水泥环界面水力胶结强度。

具体的，在进行水泥环界面的水力胶结强度实验之前，要将上述实验装置的进气口11.1用高磁力磁铁加细纱网封住，以防止养护过程中水泥浆堵住进气口。

综上，本发明设计的实验装置及方法能够较为真实的模拟实际工况下的水泥环密封环境，实现了在高温高压条件下评价水泥环界面胶结强度的目的，为研究密封失效机理提供了技术支持。

应当理解的是，说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施例仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。

Claims (10)

1.一种评价高温高压条件下水泥环界面胶结强度的实验装置，其特征在于：所述实验装置包括由内向外同轴设置的内层套管(1)和外层套管(2)，所述内层套管(1)和外层套管(2)之间的环空体积中填充有水泥浆层(3)及清水层(4)，且所述清水层(4)填充在水泥浆层(3)的上端面，所述内层套管(1)的内部充满导热油，且所述内层套管(1)中连接一用于加热导热油的加热棒(5)，所述加热棒(5)的另一端连接温度控制系统(6)，所述内层套管(1)的顶部设有一上表面与外部材料试验机的压头相接触的加压垫块(7)，所述加压垫块(7)的一侧连接有高压泵(8)，所述加压垫块(7)的另一侧连接有第一压力表(9)，所述内层套管(1)和外层套管(2)的上下两端分别通过上法兰(10)和下法兰(11)连接在一起，所述上法兰(10)和下法兰(11)通过相应的承力拉杆(12)固定连接，所述上法兰(10)上设有用于控制环空压力的第一出气口(10.1)和用于监测气体窜出情况的第二出气口(10.2)，所述第一出气口(10.1)通过管道连接有第一阀门及压力表(10.1a)，所述第二出气口(10.2)通过管道连接有第二阀门及水箱(10.2a)，所述下法兰(11)上设有用于施加气体窜流压力的进气口(11.1)，所述进气口(11.1)通过管道连接有第三阀门及压力表(11.1a)和高压气瓶(11.1b)，所述下法兰(11)的底部还设有一底座(13)。

2.根据权利要求1所述的一种评价高温高压条件下水泥环界面胶结强度的实验装置，其特征在于：所述水泥浆层(3)的体积为环空体积的90％，所述清水层(4)的体积为环空体积的10％。

3.根据权利要求1所述的一种评价高温高压条件下水泥环界面胶结强度的实验装置，其特征在于：所述加压垫块(7)上设有用于向内层套管(1)内部施加压力的压力输入口和用于向内层套管(1)内部加入导热油的进油口，所述压力输入口通过管道与高压泵(8)相连接。

4.根据权利要求1所述的一种评价高温高压条件下水泥环界面胶结强度的实验装置，其特征在于：所述内层套管(1)与上法兰(10)和下法兰(11)之间均设有O型密封圈(14)。

5.根据权利要求1所述的一种评价高温高压条件下水泥环界面胶结强度的实验装置，其特征在于：所述进气口(11.1)处设有将进气口(11.1)封住的细纱网，所述细纱网的规格为200目，所述细纱网上还设有高磁力磁铁。

6.一种应用于如权利要求1-5任一项所述的高温高压条件下水泥环界面胶结强度实验装置的实验方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤:

S1，制备水泥浆，并将制备好的水泥浆注入到下端密封好的内层套管(1)和外层套管(2)之间的环空体积中形成水泥环；

S2，在步骤S1的水泥浆层上端面加入一定量的水，以模拟环空压力；并向内层套管(1)内注入加热油，以模拟套管内压力；

S3，连接如权利要求1-5所述的实验装置，并将连接后的实验装置放置于材料试验机上；

S4，加热棒(5)通电，通过温度控制系统(6)设置实验温度，使其加热至设置温度并控制水泥环端面压力；

S5，水泥浆凝固并养护一定时间后，根据实验方案，改变温度或套管内压力；

S6，对水泥环界面进行机械胶结强度测试及水力胶结强度测试，其中，所述机械胶结强度测试是通过材料试验机测得出水泥环界面失效压力进而求得水泥环界面机械胶结强度，通过下述公式计算得到：

式中：S—为界面机械胶结强度，

P—为界面失效压力，

D—为水泥环内径，

H—为水泥环高度；

所述水力胶结强度测试的水泥浆制备及养护过程如上述步骤S1-S5，然后打开高压气瓶(11.1b)的阀门，通过第三阀门及压力表(11.1a)慢慢增大进入到进气口(11.1)的气体压力，直至水箱内有气泡冒出，此时第三阀门及压力表(11.1a)上的压力即为水泥环界面水力胶结强度。

7.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于：所述步骤S1中水泥浆注入的体积为环空体积的90％，所述步骤S2中清水注入的体积为环空体积的10％，所述加热油充满所述内层套管(1)的内部。

8.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于：所述步骤S4在加热过程中，通过第一阀门及压力表(10.1a)控制水泥环端面压力，使其在水泥浆凝固过程中慢慢释放直至温度达到平衡后逐步放掉环空压力。

9.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于：所述步骤S6中在机械胶结强度测试时，开启材料试验机，当材料试验机的压头接触到加压垫块(7)后，调节材料试验机加载速率至0.01mm/min，直至材料试验机达到最大载荷，测量此时的水泥环界面失效压力。

10.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于：所述步骤S6中的第三阀门及压力表(11.1a)为气体减压阀门。

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