CN112782002B - 一种固井水泥浆侯凝过程中金属套管变形量测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固井水泥浆侯凝过程中金属套管变形量测试装置，包括高温高压釜1、空气压缩泵2、水泥浆搅拌储存容器3、液压增压机4、套管形变测量尺和计算机与数据显示系统7,高温高压釜1左端设置导热油进油口21和压力传感器20，右端设置导热油回油口28和加热器31；釜盖25设置开孔插入热电偶23，釜底设置水泥浆泵入口26；釜内有模拟套管浆筒；加热器、热电偶、压力传感器连接计算机与数据显示系统7；套管形变测量尺包括横向形变测量尺33和纵向形变测量尺34，分别检测模拟套管的横向和纵向变形量。本发明原理可靠，结构合理，能够测试不同温度、压力下由于固井水泥浆膨胀而引起的套管形变量，测试过程方便快捷，测试结果更加符合井下实际工况。

Description

一种固井水泥浆侯凝过程中金属套管变形量测试装置

技术领域

本发明涉及油气井固井领域模拟测量固井水泥浆在地层侯凝过程中由于水化反应放热引起金属套管发生形变的测试装置。

背景技术

套管在石油与天然气开采过程中的主要作用是隔离地层压力和保护油管，一旦套管发生变形、损伤或者开裂会直接影响到油气井的开采寿命。

石油与天然气行业中开采的关键之一就是套管与水泥的胶结界面，固井水泥进入地层后的侯凝过程中，油气井固井水泥自身发生的水化反应是一种放热反应，大量热量的释放使其温度骤升，其体积会发生相应的膨胀。与固井水泥紧密接触的套管也会在压力的改变下发生相应的形变，变形量超过标准会使得套管发生损伤，相应的给开采作业增加难度，甚至影响到工程安全。

尽管目前已经开始在多处油气井使用石油膨胀套管，但是金属套管变形量的实验室测试依旧没有统一的科学评估方法。更多的是停留在数字模拟计算力学导致套管变形方面，但是模拟计算公式设定的参数与现场施工的真实环境总会存在一定的误差，使得结果始终无法完美契合施工现场，数值拟合所得到的公式在一定条件下较为符合，更换开采场地或者不同条件，公式的适用性就会出现问题。

目前还有通过补贴（补漏）的方式来弥补套管形变过大后出现的裂纹、裂缝，但是无论是采用波纹管补贴技术还是采用套管补贴加固技术，都会存在明显不足，波纹管管壁薄，容易变形，修复效果受到极大限制，套管补贴加固技术的加固效果也一般。

因此，研发固井水泥浆侯凝过程中套管变形量的测试装置，对套管形变做出科学的评估与测试，成为当务之急。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固井水泥浆侯凝过程中金属套管变形量测试装置，该装置原理可靠，结构合理，能够满足地层高温、高压的环境，测试不同温度、压力下由于固井水泥浆膨胀而引起的套管形变量，测试过程方便快捷，测试结果更加符合井下实际工况。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

固井水泥浆侯凝过程中金属套管变形量测试装置，主要由高温高压釜、模拟套管浆筒系统、油井水泥浆搅拌储存泵入系统、浆筒内部压力传感器、套管形变千分尺、反应釜内部热电偶、反应釜内部压力传感器、反应釜温度控制系统、反应釜压力控制系统、数据采集单元、数据处理单元组成。

所述高温高压釜为楔形槽，便于套管形变千分尺的安装与测量，釜体两侧有精密度较高的温度控制系统。

所述模拟套管浆筒系统主要由浆筒（金属材质，与油井套管一致）、筒盖、筒盖固定螺栓、螺栓垫片、橡胶圈、底盖、底盖卡销组成。其中筒盖固定螺栓为中空设计，可连接插入压力传感器，测试浆筒内部的压力变化。

所述油井水泥浆搅拌储存泵入系统主要由空气压缩泵以及油井水泥浆搅拌储存容器组成，固井水泥浆搅拌储存容器内设搅拌器，待油井水泥浆搅拌充分后由空气压缩泵将其泵入高温高压釜。

所述浆筒内部压力传感器由反应釜盖深入浆筒内部，压力感应有效端位于传感器尖部，通过浆筒筒盖固定螺栓深入浆桶内部，测试侯凝过程中浆筒内部压力变化。

所述套管形变千分尺位于釜体内部，分为横向形变千分尺以及纵向形变千分尺，分别检测模拟套管在固井水泥浆体侯凝过程中的横向变形量与纵向变形量。其中，千分尺“0”刻度段刚好镶嵌入高温增压釜底部，并且游标尺与主尺接触紧密，即只会由金属套管形变而改变读数。

所述釜体内部热电偶主要分布于釜盖两端，一左一右两只热电偶，监测釜体内部水泥浆体的实时温度；所述釜体内部压力传感器分布于釜体两周，主要是监测釜体内部水泥浆体的实时压力值。主要目的是控制釜体内部环境，模拟地层的温度与压力对套管的形变影响及固井水泥浆的膨胀影响。

所述釜体温度控制系统主要由釜体两端加热套组成，对釜体内部进行加热控温。

所述釜体压力控制系统主要由液压增压器、高压释放阀等组成，对釜体内部进行增压以及压力控制。

数据采集单元以及数据处理单元是计算机端实施对浆筒内部压力、釜体内部温度及压力变化的监测、采集与处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）实验结果直观，读数变化直接为模拟金属套管形变量；

（2）能够精准模拟地层内部高温高压工况，使用导热油作为加热载体以及增压载体，最高实验温度可达到300℃，最高实验压力可达到200MPa；

（3）热密闭性与气密闭性好，实验结果准确；

（4）模拟套管使用井场施工套管材料，实验结果更加贴合实际工况；并且模拟套管浆筒可拆卸，能够根据井况不同而实时更换实验设备，灵活便捷；

（5）能够在实验室有效解决套管变形的问题。

本发明可用于研究油气井开采过程中地层内固井水泥浆侯凝过程中自身反应膨胀引起的套管变形量测量，尤其适用于一些高温高压地层下套管的形变测试，有效避免套管变形损伤，影响开采作业。

附图说明

图1为固井水泥侯凝过程中金属套管变形量测试装置结构示意图。

图2为高温高压釜内部结构示意图。

图中：1—高温高压釜；2—空气压缩泵；3—水泥浆搅拌储存容器；4—液压增压机；5—温度压力控制面板；6—数据处理系统；7—计算机与数据显示系统；8—水泥浆泵入管道；9—水泥浆泵入控制阀门；10—水泥浆泵出控制阀门；11—液压增压机高压泄压阀门；12—液压增压机增压阀；13—导热油泵入管道；14—釜体泄压阀门；15—导热油回流管道；16—高温高压釜温度采集线路；17—模拟套管浆筒内部压力采集线路；18—高温高压釜压力采集线路；19—卡销；20—高温高压釜压力传感器；21—液压增压器导热油进油口；22—增压单向阀门；23—高温高压釜热电偶；24—模拟套管浆筒内部压力传感器；25—高温高压釜釜盖；26—水泥浆泵入口；27—水泥浆泵出口；28—液压增压器导热油回油口；29—浆筒筒盖固定螺栓；30—模拟套管浆筒筒盖；31—高温高压釜加热器；32—密封橡胶圈；33—横向形变测量尺；34—纵向形变测量尺；35—模拟套管浆筒；36—模拟套管浆筒底盖；37—模拟套管浆筒底部卡销；38—纵向形变测量尺底部卡销。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

参看图1、图2。

一种固井水泥浆侯凝过程中金属套管变形量测试装置，包括高温高压釜1、空气压缩泵2、水泥浆搅拌储存容器3、液压增压机4、套管形变测量尺、温度压力控制面板5、数据处理系统6和计算机与数据显示系统7。

所述高温高压釜1左端设置导热油进油口21（通过增压单向阀门22）和高温高压釜压力传感器20（通过卡销19安装固定），右端设置导热油回油口28和高温高压釜加热器31，高温高压釜左端通过导热油进油口、导热油泵入管道13、增压阀12连接液压增压机4，右端通过导热油回油口28、釜体泄压阀门14、导热油回流管道15连接液压增压机。

所述高温高压釜釜盖25设置开孔插入热电偶23，釜底设置水泥浆泵入口26和水泥浆泵出口27（水泥浆泵出口连接水泥浆泵出控制阀门10），高温高压釜通过水泥浆泵入口、水泥浆泵入管道8、水泥浆泵入控制阀门9依次连接水泥浆搅拌储存容器3和空气压缩泵2。

所述高温高压釜内有模拟套管浆筒35，所述模拟套管浆筒通过浆筒底盖36和底部卡销37固定于高温高压釜釜底，模拟套管浆筒通过固定螺栓29、密封橡胶圈32固定、密封浆筒筒盖30，压力传感器24通过固定螺栓插入浆筒内。

所述高温高压釜加热器31、热电偶23（通过高温高压釜温度采集线路16）、浆筒内部压力传感器24（通过模拟套管浆筒内部压力采集线路17）、高温高压釜压力传感器20（通过高温高压釜压力采集线路18）依次连接温度压力控制面板5、数据处理系统6和计算机与数据显示系统7。

所述套管形变测量尺位于高温高压釜釜体内部，包括横向形变测量尺33和纵向形变测量尺34，分别检测模拟套管在固井水泥浆侯凝过程中的横向变形量与纵向变形量。

所述横向形变测量尺33位于釜体内正面位置，横向测量尺游标尺的外测量爪与模拟套管浆筒35左侧焊嵌连接，主尺的外测量爪与模拟套管浆筒右侧焊嵌连接，焊嵌方式为其“0”刻度刚好与模拟套管浆筒35右侧边沿齐平，由模拟套管浆筒横向的变形带动游标尺的移动，进行横向形变量的测试。

所述纵向形变测量尺34位于釜体内右端（通过底部卡销38固定），其主尺“0”刻度刚好与模拟套管浆筒底盖36上沿齐平，游标尺的外测量爪与模拟套管浆筒筒盖30上沿焊嵌连接，由模拟套管浆筒纵向的变形带动游标尺的移动，进行纵向形变量的测试。

所述高温高压釜1为楔形槽。

所述模拟套管浆筒35的材质与油气井套管的材质相同。

所述数据处理系统6实时处理来自釜体内部的温度、压力以及模拟套管浆筒内部的压力；所述计算机与数据显示系统7对数据处理系统的数据进行记录与实时显示。

利用上述装置测试固井水泥浆侯凝过程中套管变形量的测试，测试过程具体如下：

实验开始时，在温度压力控制面板5上输入测试温度与压力，将模拟套管浆筒35从高温高压釜1取出，将实验装置所有带螺纹处全部进行抹油处理，将高压泄压阀14调为自动。

将纯净水填装至模拟套管浆筒35中接近密封橡胶圈32处位置，依次安装橡胶圈32，模拟套管浆筒筒盖30以及模拟套管浆筒固定螺栓29。将浆筒35装嵌入高温高压釜1内部，测量尺卡于浆筒35，读取初始读数。盖上高温高压釜釜盖25，将釜体内部热电偶23拧紧。将浆筒内部压力传感器24拧紧后松半圈。打开空气压缩泵2将油井水泥泵入釜体内部，加至刚好没入模拟浆筒筒盖固定螺栓29处的垫片后，立即拧紧压力传感器24的螺栓，并且迅速关掉空气压缩泵2以及阀门9。打开加热器与液压增压泵4调制自动，数据采集系统7进行固井水泥浆体内部压力的实时数据采集。

结束实验后，关闭温度压力控制面板6处的加热器与液压增压泵4开关，打开高压泄压阀14进行缓慢泄压，将高温高压釜1中的压力进行释放，导热油通过管道15回油至液压增压器4的储油箱。打开阀门9、10，利用空气压缩泵2将油井水泥排出。

Claims (6)

1.一种固井水泥浆侯凝过程中金属套管变形量测试装置，包括高温高压釜（1）、空气压缩泵（2）、水泥浆搅拌储存容器（3）、液压增压机（4）、套管形变测量尺、温度压力控制面板（5）、数据处理系统（6）和计算机与数据显示系统（7），其特征在于，所述高温高压釜（1）左端设置导热油进油口（21）和高温高压釜压力传感器（20），右端设置导热油回油口（28）和高温高压釜加热器（31），高温高压釜左端通过导热油进油口、导热油泵入管道（13）连接液压增压机（4），右端通过导热油回油口、导热油回流管道（15）连接液压增压机；所述高温高压釜釜盖（25）设置开孔插入热电偶（23），釜底设置水泥浆泵入口（26）和水泥浆泵出口（27），高温高压釜通过水泥浆泵入口、水泥浆泵入管道（8）依次连接水泥浆搅拌储存容器（3）和空气压缩泵（2）；所述高温高压釜内有模拟套管浆筒（35），所述模拟套管浆筒通过浆筒底盖（36）和底部卡销（37）固定于高温高压釜釜底，模拟套管浆筒通过固定螺栓（29）、密封橡胶圈（32）固定、密封浆筒筒盖（30），浆筒内部压力传感器（24）通过固定螺栓插入浆筒内；所述高温高压釜加热器、热电偶、浆筒内部压力传感器、高温高压釜压力传感器依次连接温度压力控制面板（5）、数据处理系统（6）和计算机与数据显示系统（7）；所述套管形变测量尺位于高温高压釜釜体内部，包括横向形变测量尺（33）和纵向形变测量尺（34）。

2.如权利要求1所述的一种固井水泥浆侯凝过程中金属套管变形量测试装置，其特征在于，所述横向形变测量尺（33）位于釜体内正面位置，横向测量尺游标尺的外测量爪与模拟套管浆筒（35）左侧焊嵌连接，主尺的外测量爪与模拟套管浆筒右侧焊嵌连接，焊嵌方式为其“0”刻度刚好与模拟套管浆筒右侧边沿齐平，由模拟套管浆筒横向的变形带动游标尺的移动，进行横向形变量的测试。

3.如权利要求1所述的一种固井水泥浆侯凝过程中金属套管变形量测试装置，其特征在于，所述纵向形变测量尺（34）位于釜体内右端，其主尺“0”刻度刚好与模拟套管浆筒底盖（36）上沿齐平，游标尺的外测量爪与模拟套管浆筒筒盖（30）上沿焊嵌连接，由模拟套管浆筒纵向的变形带动游标尺的移动，进行纵向形变量的测试。

4.如权利要求1所述的一种固井水泥浆侯凝过程中金属套管变形量测试装置，其特征在于，所述高温高压釜为楔形槽。

5.如权利要求1所述的一种固井水泥浆侯凝过程中金属套管变形量测试装置，其特征在于，所述模拟套管浆筒的材质与油气井套管的材质相同。

6.如权利要求1所述的一种固井水泥浆侯凝过程中金属套管变形量测试装置，其特征在于，所述数据处理系统实时处理来自釜体内部的温度、压力以及模拟套管浆筒内部的压力；所述计算机与数据显示系统对数据处理系统的数据进行记录与实时显示。

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