CN112832743A - 一种快测式水泥环完整性实验装置及评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快测式水泥环完整性实验装置及评价方法。该装置包括加热套，加热套安装在模拟围岩外壁，模拟围岩外壁安装周向传感器，水泥浆注入模拟套管及模拟围岩中间的环空形成水泥环，环空两端均放置滤网，中心定位轴一端开设加压口，另一端开设传感器接口，中部开设贯穿孔放置径向位移传感器，上密封盖开设进气口，上密封盖开设排气口，中心定位轴、上密封盖和下密封盖采用螺纹搭配密封橡胶圈实现密封连接，加压口与液压泵相连，进气口与氮气瓶相连，排气口上安装气体流量计，传感器接口依次与数据采集系统和计算机相连，本发明原理可靠，结构简单，操作方便，可测量模拟井筒壁面位移，并能准确判别水泥环的失效形式及失效程度。

Description

一种快测式水泥环完整性实验装置及评价方法

技术领域

本发明涉及油气井固井水泥环完整性检测评价技术领域，特别涉及一种快测式水泥环完整性实验装置及评价方法。

背景技术

在石油天然气勘探开发过程中，固井可达到支撑套管和封隔井眼内油、气、水层的目的，是保证后续安全钻进、长期开采的关键技术之一。固井作业结束后，水泥环在井下环形空间硬化，硬化后的水泥环将承受井下各种工况的载荷作用，如：固井后套管试压、试油、注水以及后期压裂改造等井下作业均会使得井筒内外承受较大的压差使得水泥环应力状态发生改变，若水泥环承受的应力超出了其自身的强度极限，会造成水泥环出现开裂、破损和界面出现微环隙的现象，破坏水泥环力学完整性，导致环空封隔失效。

目前，针对压力变化对水泥环完整性的影响评价检测领域，国内外企业及高校的相关研究学者进行了较多的实验装置及评价方法研究：中国发明专利“一种评价压力变化对水泥环完整性影响的装置及方法”(CN104500034A)全尺寸模拟固井水泥环在井下的实际工况，利用长源距扇区水泥胶结测井仪(SBT)获得水泥环一二界面的胶结质量及水泥环内部裂缝、窜槽的数量大小和方位；中国发明专利“一种高温高压气井水泥环密封完整性评价系统”(CN109681190A)可根据高温高压气井的实际工况，模拟温度及压力的持续变化对水泥环密封失效的影响，检验是否产生环空气窜，并根据环空带压情况，实现环空气体泄压值、泄压步长、泄压周期等参数对水泥环完整性的评价；中国发明专利“一种固井水泥环完整性评价装置及方法”(CN111287731A)模拟井下实际试压、试采、压裂及注采过程中的套管内压变化，通过设置气窜检测口检验水泥环在全过程中的破坏导致的窜流情况；中国发明专利“用于测试水泥环射孔后层间封隔性能的试验装置及方法”(CN106483045A)模拟射孔井段，通过测量环空窜流的流量大小判别在套管内压作用下射孔后的水泥环的层间封隔能力。

通过调研国内固井水泥环完整性实验检测装置及方法发现，现有的实验检测装置及方法总体存在以下不足：(1)无法定量获得套管组合体的变形情况，如套管内壁径向位移及模拟围岩周向位移等；(2)对水泥环的失效形式判别方法较为单一，且无法判别水泥环是否发生屈服破坏及破坏程度；(3)结构复杂，实验过程繁琐，实验效率及操作容错率较低，不利于大批量实验及规律性验证实验研究的开展。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种快测式水泥环完整性实验装置及评价方法，该装置根据几何相似原理及等效应力原理将装置尺寸缩小至原井筒尺寸的一半，结构简单，实验简便，可测量模拟围岩外壁周径向位移及模拟套管内壁径向位移，并结合界面气窜实验水泥石三轴应力-应变曲线和准确判别水泥环的失效形式及失效程度。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种快测式水泥环完整性实验装置，包括：加热套、模拟围岩、模拟套管、中心定位轴、上密封盖、下密封盖、数据采集系统、计算机、氮气瓶和液压泵。

所述加热套搭配温控系统使用，安装在模拟围岩外壁，所述模拟围岩与模拟套管形成的环空内有水泥浆固化形成的水泥环。

所述上密封盖、下密封盖均为三阶台阶的圆柱形状，且在密封盖端面中心位置均开设与中心定位轴尺寸配套的通孔。

所述中心定位轴设置于模拟套管中，中心定位轴两头设有密封橡胶圈，中心定位轴的两端穿入上密封盖和下密封盖搭配螺纹和密封橡胶圈实现密封连接。

所述模拟围岩、模拟套管与上密封盖、下密封盖尺寸相互搭配，模拟围岩、模拟套管的上表面与上密封盖接触，上表面与下密封盖接触，并采用橡胶密封圈实现密封。

所述模拟围岩材质与模拟套管材质相同，均为钢管，模拟围岩内径略大于模拟套管外径，长度略大于模拟套管长度，模拟围岩内径与模拟套管外径之比为定值，所述模拟围岩与模拟套管所形成的环形空间两端均放置滤网，防止水泥浆与上密封盖、下密封盖直接接触，所述模拟围岩外壁安装周向位移传感器，用于测量模拟围岩外壁周向位移变化量。

所述中心定位轴端部一端开设加压口，加压口安装针型阀并通过连接管线与液压泵相连，所述中心定位轴中部开设三个贯穿孔，三个贯穿孔在空间上呈垂直不相交分布，每个贯穿孔中放置一个径向位移传感器，所述径向位移传感器原始长度略大于贯穿孔长度，密封性良好，可长时间在加压液体环境中工作，用于测量模拟套管内壁径向位移变化量。

所述上密封盖开设进气口，下密封盖开设排气口，所述进气口、排气口均安装针型阀门，且排气口上安装气体流量计，在进行气窜实验时利用进气管线将进气口与氮气瓶相连。

所述中心定位轴另一端设置传感器接线口，所述传感器接线口共六个，其中三个为径向位移传感器接线口，其他三个分别为温度传感器接线口、压力传感器接线口和周向位移传感器接线口。

所述数据采集系统分别与传感器接线口和计算机相连，所述计算机会保留进行实验时的相关数据。

进一步地，所述液压泵和氮气瓶上均安装压力表。

本发明还公开了基于上述快测式水泥环完整性实验装置的评价方法，依次包括以下步骤：

(1)将密封橡胶圈分别安装在上密封盖、下密封盖和中心定位轴上，三个径向位移传感放置于中心定位轴的三个贯穿孔内，下密封盖与中心定位轴安装连接；

(2)将模拟围岩与模拟套管安装在下密封盖上，在环空靠近下密封盖一端放置滤网，将周向位移传感器安装在模拟围岩的外壁中部位置，之后加热套安装在模拟围岩外壁；

(3)按照规范《油井水泥试验方法》(GB/T19139-2003)配制水泥浆，将水泥浆灌至模拟套管与模拟围岩所形成的环空；

(4)将环空另一端放置滤网，液压油加入模拟套管、中心定位轴及下密封盖形成的空间内且刚好充满该空间，之后安装上密封盖；

(5)连接线路，将传感器接头与数据采集系统连接，再将数据采集系统与计算机连接，打开计算机，采集实验数据；

(6)根据实验条件，设定实验(养护)温度，待装置到达预定温度后，通过管线将加压口与液压泵相连，打开加压口上的针型阀，通过液压泵将模拟套管内压加至养护压力，加压结束后，关闭加压口上的针型阀，开始养护；

(7)养护结束后，利用液压泵根据实验条件对模拟套管内压进行调整；

(8)模拟套管内压变化结束后，将氮气瓶与进气口相连，根据实验要求调节进气压力，通气5min后观察出气口气体流量计的示数，如有示数，进气口继续通气5min后关闭氮气瓶，如无示数，继续通气20min并观察气体流量计示数，随后关闭氮气瓶；

(9)实验结束后，停止加热，将模拟套管内压力及管线压力泄掉，保存实验数据，待装置降至常温后，拆除并清理实验装置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明能在保持实验设备完整性的同时，准确而高效地定量获得模拟围岩外壁周向位移及模拟套管内壁径向位移，进而得到水泥环内外壁面的位移/应变大小，最终结合气窜实验及水泥石三轴应力-应变曲线能准确判别水泥环的失效形式及失效程度。

(2)本发明原理可靠，结构简单，设计合理，成本较低，实验步骤简便，便于进行规律性研究及验证性实验。

附图说明

图1是本发明实施例快测式水泥环完整性实验装置结构示意图；

图2是本发明实施例中心定位轴结构示意图；

图3是本发明实施例上密封盖结构示意图；

图4是本发明实施例下密封盖结构示意图。

图中标记及对应的零部件名称：

1-加热套；2-模拟围岩；3-水泥环；4-模拟套管；5-中心定位轴；6-上密封盖；7-下密封盖；8-周向位移传感器；9-滤网；10-密封橡胶圈；11-加压口；12-传感器接线头；13-数据采集系统；14-径向位移传感器；15-进气口；16-排气口；17-氮气瓶；18-贯穿口；19-计算机；20-液压泵；21-压力表；22-针型阀；23-气体流量计。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种快测式水泥环完整性实验装置及评价方法，主要包括加热套1、模拟围岩2、模拟套管4、中心定位轴5、上密封盖6、下密封盖7、数据采集系统13、计算机19、氮气瓶17和液压泵20。

所述加热套1搭配温控系统使用，安装在模拟围岩2外壁，所述模拟围岩2与模拟套管4形成环空，环空内有水泥浆固化形成的水泥环3；

所述模拟围岩2材质与模拟套管4材质相同，均为钢管，模拟围岩2内径略大于模拟套管4外径，长度略大于模拟套管4长度，模拟围岩2内径与模拟套管4外径之比为定值，所述模拟围岩2与模拟套管4所形成的环形空间两端均放置滤网9，防止水泥浆与上密封盖6、下密封盖7直接接触，所述模拟围岩2外壁安装周向位移传感器8。

如图2所示，所述中心定位轴5端部一端开设加压口11，加压口11安装针型阀22并通过连接管线与液压泵20相连，所述中心定位轴5中部开设三个贯穿孔18，三个贯穿孔18在空间上呈垂直不相交分布，每个贯穿孔18中放置一个径向位移传感器14，所述径向位移传感器14原始长度略大于贯穿孔18长度。

所述中心定位轴5另一端设置传感器接线口12，所述传感器接线口12共六个，其中三个为径向位移传感器接线口，另外三个分别为温度传感器接线口、压力传感器接线口和周向位移传感器接线口。

如图3、4所示，所述上密封盖6开设进气口15，下密封盖7开设排气口16，所述进气口15、排气口16均安装针型阀22，且排气口16上安装气体流量计23，在进行气窜实验时利用进气管线将进气口15与氮气瓶17相连。

所述上密封盖6、下密封盖7均为三阶台阶的圆柱形状，且在密封盖端面中心位置均开设与中心定位轴5尺寸配套的通孔。

所述中心定位轴5设置于模拟套管4中，中心定位轴5两头设有密封橡胶圈10，中心定位轴5的两端穿入上密封盖6和下密封盖7搭配螺纹和密封橡胶圈10实现密封连接。

所述模拟围岩2、模拟套管4与上密封盖6、下密封盖7尺寸相互搭配，模拟围岩2、模拟套管4的上表面与上密封盖6接触，上表面与下密封盖7接触，并采用橡胶密封圈10实现密封。

所述数据采集系统13分别与传感器接线口12和计算机20相连。

所述液压泵20和氮气瓶17均安装压力表21。

利用本发明进行水泥环完整性测试实验时，依次包括以下步骤：

(1)将密封橡胶圈分别安装在上密封盖、下密封盖和中心定位轴上，三个径向位移传感放置于中心定位轴的三个贯穿孔内，下密封盖与中心定位轴安装连接；

(2)将模拟围岩与模拟套管安装在下密封盖上，在环空靠近下密封盖一端放置滤网，将周向位移传感器安装在模拟围岩的外壁中部位置，之后加热套安装在模拟围岩外壁；

(3)按照规范《油井水泥试验方法》(GB/T19139-2003)配制水泥浆，将水泥浆灌至模拟套管与模拟围岩所形成的环空；

(4)将环空另一端放置滤网，液压油加入模拟套管、中心定位轴及下密封盖形成的空间内且刚好充满该空间，之后安装上密封盖；

(5)连接线路，再将数据采集系统与计算机连接，打开计算机，采集实验数据；

(6)根据实验条件，设定实验(养护)温度，待装置到达预定温度后，通过管线将加压口与液压泵相连，打开加压口上的针型阀，通过液压泵将模拟套管内压加至养护压力，加压结束后，关闭加压口上的针型阀，开始养护；

(7)养护结束后，利用液压泵根据实验条件对模拟套管内压进行调整；

(8)模拟套管内压变化结束后，将氮气瓶与进气口相连，根据实验要求调节进气压力，通气5min后观察出气口气体流量计的示数，如有示数，进气口继续通气5min后关闭氮气瓶，如无示数，继续通气20min并观察气体流量计示数，随后关闭氮气瓶；

(9)实验结束后，停止加热，将模拟套管内压力及管线压力泄掉，保存实验数据，待装置降至常温后，拆除并清理实验装置。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种快测式水泥环完整性实验装置，其特征在于，包括：加热套、模拟围岩、模拟套管、中心定位轴、上密封盖、下密封盖、数据采集系统、计算机、氮气瓶和液压泵；

所述加热套搭配温控系统使用，安装在模拟围岩外壁，所述模拟围岩与模拟套管形成的环空内有水泥浆固化形成的水泥环；

所述上密封盖、下密封盖均为三阶台阶的圆柱形状，且在密封盖端面中心位置均开设与中心定位轴尺寸配套的通孔；

所述中心定位轴设置于模拟套管中，中心定位轴两头设有密封橡胶圈，中心定位轴的两端穿入上密封盖和下密封盖搭配螺纹和密封橡胶圈实现密封连接；

所述模拟围岩、模拟套管与上密封盖、下密封盖尺寸相互搭配，模拟围岩、模拟套管的上表面与上密封盖接触，上表面与下密封盖接触，并采用橡胶密封圈实现密封；

所述模拟围岩材质与模拟套管材质相同，均为钢管，模拟围岩内径略大于模拟套管外径，长度略大于模拟套管长度，模拟围岩内径与模拟套管外径之比为定值，所述模拟围岩与模拟套管所形成的环形空间两端均放置滤网，防止水泥浆与上密封盖、下密封盖直接接触，所述模拟围岩外壁安装周向位移传感器，用于测量模拟围岩外壁周向位移变化量；

所述中心定位轴端部一端开设加压口，加压口安装针型阀并通过连接管线与液压泵相连，所述中心定位轴中部开设三个贯穿孔，三个贯穿孔在空间上呈垂直不相交分布，每个贯穿孔中放置一个径向位移传感器，所述径向位移传感器原始长度略大于贯穿孔长度，密封性良好，可长时间在加压液体环境中工作，用于测量模拟套管内壁径向位移变化量；

所述上密封盖开设进气口，下密封盖开设排气口，所述进气口、排气口均安装针型阀门，且排气口上安装气体流量计，在进行气窜实验时利用进气管线将进气口与氮气瓶相连；

所述中心定位轴另一端设置传感器接线口，所述传感器接线口共六个，其中三个为径向位移传感器接线口，其他三个分别为温度传感器接线口、压力传感器接线口和周向位移传感器接线口；

所述数据采集系统分别与传感器接线口和计算机相连，所述计算机会保留进行实验时的相关数据。

2.根据权利要求1所述的一种快测式水泥环完整性实验装置，其特征在于：所述液压泵和氮气瓶上均安装压力表。

3.根据权利要求1所述的一种快测式水泥环完整性实验装置的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将密封橡胶圈分别安装在上密封盖、下密封盖和中心定位轴上，三个径向位移传感放置于中心定位轴的三个贯穿孔内，下密封盖与中心定位轴安装连接；

(2)将模拟围岩与模拟套管安装在下密封盖上，在环空靠近下密封盖一端放置滤网，将周向位移传感器安装在模拟围岩的外壁中部位置，之后加热套安装在模拟围岩外壁；

(3)按照规范《油井水泥试验方法》(GB/T19139-2003)配制水泥浆，将水泥浆灌至模拟套管与模拟围岩所形成的环空；

(4)将环空另一端放置滤网，液压油加入模拟套管、中心定位轴及下密封盖形成的空间内且刚好充满该空间，之后安装上密封盖；

(5)连接线路，将传感器接头与数据采集系统连接，再将数据采集系统与计算机连接，打开计算机，采集实验数据；

(6)根据实验条件，设定实验(养护)温度，待装置到达预定温度后，通过管线将加压口与液压泵相连，打开加压口上的针型阀，通过液压泵将模拟套管内压加至养护压力，加压结束后，关闭加压口上的针型阀，开始养护；

(7)养护结束后，利用液压泵根据实验条件对模拟套管内压进行调整；

(8)模拟套管内压变化结束后，将氮气瓶与进气口相连，根据实验要求调节进气压力，通气5min后观察出气口气体流量计的示数，如有示数，进气口继续通气5min后关闭氮气瓶，如无示数，继续通气20min并观察气体流量计示数，随后关闭氮气瓶；

(9)实验结束后，停止加热，将模拟套管内压力及管线压力泄掉，保存实验数据，待装置降至常温后，拆除并清理实验装置。

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