CN112855119A - 一种可用于模拟固井疲劳极限的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可用于模拟固井疲劳极限的实验装置及方法，其中，一种可用于模拟固井疲劳极限的实验装置，包括：用于容纳测试总成的主体结构；所述测试总成包括外层测试管柱、内层测试管柱、以及位于外层测试管柱和内层测试管柱之间的模拟水泥环；所述外层测试管柱内部设有高压流体环空腔；所述内层测试管柱的外部设有高温流体环空腔；所述外层测试管柱上设有射孔孔眼；与所述高温流体环空腔和所述高压流体环空腔相连通的高温高压实验系统；用于检测所述外层测试管柱和所述内层测试管柱之间疲劳破坏情况的疲劳检测单元。

Description

一种可用于模拟固井疲劳极限的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一套模拟固井疲劳极限的实验装置及方法，主要用于测试在循环高温高压流体作用下固井疲劳极限规律的实验装置及方法。

背景技术

固井是开采油气过程中的重要作业。固井水泥浆在凝固后会在整口井的纵向上形成一个水力封隔系统，该系统必须在整个油气井寿命期间及报废之后都能够实现有效的层间封隔。在注采作业过程中，由于水泥环受循环高压高温流体的作用极易发生疲劳破坏，导致水泥环中的材料产生滑动错位和微裂隙等缺陷，引起其力学性能也随之发生改变，最终造成宏观结构上的开裂破坏。

因此，非常有必要设计一种可用于模拟固井疲劳极限的实验装置及方法，有助于了解该固井水泥环的力学特性及疲劳极限规律，以保证在不同温度及压力下油井水泥强度满足固井要求。

发明内容

鉴于上述不足，本发明的一个目的是提供一种可用于模拟固井疲劳极限的实验装置及方法，有助于了解该固井水泥环的力学特性及疲劳极限规律，以保证在不同温度及压力下油井水泥强度满足固井要求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可用于模拟固井疲劳极限的实验装置，包括：

用于容纳测试总成的主体结构；所述测试总成包括外层测试管柱、内层测试管柱、以及位于外层测试管柱和内层测试管柱之间的模拟水泥环；所述外层测试管柱内部设有高压流体环空腔；所述内层测试管柱的外部设有高温流体环空腔；所述外层测试管柱和内层测试管柱上设有射孔孔眼；

与所述高温流体环空腔和所述高压流体环空腔相连通的高温高压实验系统；

用于检测所述外层测试管柱和所述内层测试管柱之间疲劳破坏情况的疲劳检测单元。

作为一种优选的实施方式，所述主体结构包括外层环套、以及固定在所述外层环套两端的模拟基座；所述外层测试管柱、内层测试管柱以及模拟水泥环固定在两个所述模拟基座之间。

作为一种优选的实施方式，所述高温高压实验系统包括：设置于所述主体结构上的压力注入端和高温流体注入端；所述压力注入端与所述高压流体环空腔相连通；所述高温流体注入端与所述高温流体环空腔相连通；所述高温流体注入端设置在所述外层环套的管壁上；所述压力注入端通过连通管穿过所述模拟基座通入所述高压流体环空腔。

作为一种优选的实施方式，所述疲劳检测单元包括：设置在所述模拟水泥环上的位移传感器和应变传感器；所述位移传感器、应变传感器分别与测试引线相连接；所述测试引线在所述模拟水泥环中延伸，并从所述模拟基座穿出与检测控制器相连接。

作为一种优选的实施方式，多个所述位移传感器位于所述模拟水泥环和所述内层测试管柱之间；多个所述位移传感器沿着轴向等间隔排布。

作为一种优选的实施方式，多个所述应变传感器位于所述模拟水泥环和所述外层测试管柱之间；多个所述应变传感器沿着轴向等间隔排布。

作为一种优选的实施方式，所述模拟基座内还固定有将所述内层测试管柱轴向限位的固定块。

作为一种优选的实施方式，所述外层测试管柱的两端分别固定插设在所述模拟基座内，并通过螺扣与所述模拟基座固定连接。

作为一种优选的实施方式，所述测试总成内还设有将所述模拟水泥环两端限位的轴向块。

一种基于上任意一项实施方式所述的实验装置的模拟固井疲劳极限的实验方法，包括：

在温度恒定时，从压力注入端向高压流体环空腔内注入可循环高压流体，以在施加循环压力的状态下测试内层测试管柱的固井疲劳极限规律；

在压力恒定时，从高温流体注入端注入循环高温流体，测试高温流体环空腔的固井疲劳极限规律以及水泥环处的疲劳极限规律；

在非温度恒定和非压力恒定时，在压力注入端和高温流体注入端同时注入可循环高温高压流体，测试在可循环高温高压流体共同作用下的水泥环内外表面处的疲劳极限规律。

有益效果：

本发明设计了一种可用于模拟固井疲劳极限的实验装置及方法，该实验装置主要由模拟测试管柱、模拟水泥环、高温高压实验系统、测试接收终端和模拟基座组成，其中，模拟内外层管柱前期进行射孔处理，将其与模拟水泥环胶结在一起，模拟水泥环上设有位移测试传感器和应变测试传感器，将测试引线牵引至检测控制器(位移及应变接受终端)。在主体结构中里含有两个腔体：高压流体腔和高温流体腔，以进行高温高压的物理模拟，借此实现固井疲劳极限的模拟和测试。

另外，本发明中模拟内、外测试管柱与模拟水泥环完全胶结在一起，分别用来模拟固井过程中水泥环力学完整性。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种可用于模拟固井疲劳极限的实验装置示意图；

图2是图1的部分放大图；

图3是图1的部分放大图。

其中，1、外层环套；2、外层测试管柱；3、应变传感器测试引线；4、模拟水泥环；5、应变传感器；6、位移传感器测试引线；7、位移传感器；8、高温流体注入端；9、位移传感器接收端；10、压力释放出口；11、应变传感器接受端；12、模拟基座；13、射孔孔眼；14、内层测试管柱；15、高温流体环空腔；16、高压流体环空腔；17、密封圈；18、压力注入端；19、测试引线出口；20、螺扣；21、固定块；22、轴向块。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1、图2、图3，本发明一个实施例提供一种可用于模拟固井疲劳极限的实验装置，包括：用于容纳测试总成的主体结构；所述测试总成包括外层测试管柱2、内层测试管柱14、以及位于外层测试管柱2和内层测试管柱14之间的模拟水泥环4；所述外层测试管柱2内部设有高压流体环空腔16；所述内层测试管柱14的外部设有高温流体环空腔15；所述外层测试管柱2和内层测试管柱14上设有射孔孔眼13；与所述高温流体环空腔15和所述高压流体环空腔16相连通的高温高压实验系统；用于检测所述外层测试管柱2和所述内层测试管柱14之间疲劳破坏情况的疲劳检测单元。

所述主体结构包括外层环套1、以及固定在所述外层环套1两端的模拟基座12；所述外层测试管柱2、内层测试管柱14以及模拟水泥环4固定在两个所述模拟基座12之间。

所述高温高压实验系统包括：设置于所述主体结构上的压力注入端18和高温流体注入端8。所述压力注入端18与所述高压流体环空腔16相连通。所述高温流体注入端8与所述高温流体环空腔15相连通。所述高温流体注入端8设置在所述外层环套1的管壁上。所述压力注入端18通过连通管穿过所述模拟基座12通入所述高压流体环空腔16。

所述疲劳检测单元包括：设置在所述模拟水泥环4上的位移传感器7和应变传感器5；所述位移传感器7、应变传感器5分别与测试引线相连接；所述测试引线在所述模拟水泥环4中延伸，并从所述模拟基座12穿出与检测控制器相连接。

在本实施例中，模拟基座12上具有测试引线出口19。其中，测试引线包括连接应变传感器5的应变传感器测试引线3和连接位移传感器7的位移传感器测试引线6。更具体的，在模拟基座12外均设有位移接收端9和应变接收端11。应变传感器测试引线3连接应变接收端11，位移传感器测试引线6连接位移接收端9。检测控制器包括位移接收端9和应变接收端11、以及内部的用于进行疲劳判断的计算模块。

为实现疲劳检测的准确性，多个所述位移传感器7位于所述模拟水泥环4和所述内层测试管柱14之间。多个所述位移传感器7沿着轴向等间隔排布。多个所述应变传感器5位于所述模拟水泥环4和所述外层测试管柱2之间；多个所述应变传感器5沿着轴向等间隔排布。并且，将应变传感器5、位移传感器7与射孔孔眼13相错开。

所述模拟基座12内还固定有将所述内层测试管柱14轴向限位的固定块21。固定块21固定套设在连通杆和模拟基座12之间，固定块21和连通杆之间设有密封圈17进行密封。所述外层测试管柱2的两端分别固定插设在所述模拟基座12内，并通过螺扣20(螺纹扣)与所述模拟基座12固定连接。所述测试总成内还设有将所述模拟水泥环4两端限位的轴向块22。

本发明一个实施例还提供一种模拟固井疲劳极限的实验方法，该实验方法可以采用上述实施例的实验装置进行包括：

在温度恒定时，从压力注入端18向高压流体环空腔16内注入可循环高压流体，以在施加循环压力的状态下测试内层测试管柱14的固井疲劳极限规律；

在压力恒定时，从高温流体注入端8注入循环高温流体，测试高温流体环空腔15的固井疲劳极限规律以及水泥环处的疲劳极限规律；

在非温度恒定和非压力恒定时，在压力注入端18和高温流体注入端8同时注入可循环高温高压流体，测试在可循环高温高压流体共同作用下的水泥环内外表面处的疲劳极限规律。

综上所述，本实施例提供一种可用于模拟固井疲劳极限的实验装置及方法，主要用于测试在循环的高温高压流体作用下，该内外测试管柱是否由于受到循环作用力的影响进而影响测试管柱的力学行为，使其达到疲劳极限，从而使得固井水泥环完整性失效。

本实施例的实验装置主要由内外测试管柱、模拟水泥环4、位移、应变接收终端和模拟基座12组成。在模拟水泥环4实验测试前期对内外测试管柱进行射孔处理，将其与内、外层测试管柱2胶结在一起，并在水泥环中安置有压力和应变传感器5，将压力及应变测试引线牵引至测试腔外的位移和应变的接受终端上。

本实施例的模拟基座12焊接性及封闭性较好，测试腔(所述高温流体环空腔15和所述高压流体环空腔16)外部加有液压活塞(高压流体注入端)和高温流体注入端8分别注入高压和高温流体。该试验装置与试验方法可以对固井疲劳极限进行模拟测试，在实验室条件下研究该固井疲劳极限的实验规律，从而为安全高效固井及其固井发生疲劳现象进行预测，实现高效安全固井的目的。

下面通过详细描述本实施例所提供的模拟固井疲劳极限的实验装置的组装以及使用过程，以便更好地理解本发明。

(1)、将位移接收端9和应变接收端11安装在主体结构的外部表面，并连接位移传感器测试引线7和应变传感器测试引线3，在模拟水泥环4上设有的位移传感器6及应变传感器5与测试引线相连接，并将测试引线置于模拟水泥环4中，对外牵引至信号接收终端(位移接收端9和应变接收端11)。当然，位移传感器6及应变传感器5也可以设置在模拟水泥环4内，以便测量数据更加真实准确。

(2)、将外层测试管柱2、模拟水泥环5和内层测试管柱14完全胶结在一起，胶结性完整；另外，可以在胶结前对内外层测试管柱进行前期射孔处理，得到相应的射孔孔眼13；内外层测试管柱和模拟水泥环4端部置有轴向块22，主要用于固定各个部件的在测试过程中的稳定性；

(3)、在外层测试管柱2内部和内层测试管柱14外部分别设有高压流体环空腔17和高温流体环空腔16，该流体腔(高压流体环空腔17和高温流体环空腔16)的设置主要是为了分别注入循环的高温高压流体，来测试在该条件下的固井疲劳极限规律；

(4)、将上述内层测试管柱14、外层测试管柱2、模拟水泥环5、外层环套1、模拟基座12设置为一个测试总成，对其进行完全封闭，使得封闭性较好，实现地层固井模拟系统；

(5)、在温度恒定时，从压力注入端18向高压流体环空腔14内注入可循环高压流体，主要用于在施加循环压力的状态下，测试其内层测试管柱14的固井疲劳极限规律；在压力恒定时，从高温流体注入端8注入循环高温流体，测试高温流体环空腔15的固井疲劳极限规律，及水泥环处的疲劳极限规律；在压力注入端18和高温流体注入端8同时注入可循环的高温高压流体，测试在两者共同作用下水泥环内外表面处的疲劳极限规律；

(6)、在模拟试件总成的外部接有位移传感器接收端9和应变传感器接收端11，通过循环高温高压流体的注入，进而判断水泥环内外表面与内层测试管柱14和外层测试管柱2是否会发生滑动错位和微裂隙，从而使得胶结面不能完全胶结，出现空隙，此刻采集系统可检测到测试应变及测试位移会发生较大波动，则可根据相关应变和位移规律进一步确定固井疲劳极限。

本文引用的任何数值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (10)

1.一种可用于模拟固井疲劳极限的实验装置，其特征在于，包括：

用于容纳测试总成的主体结构；所述测试总成包括外层测试管柱、内层测试管柱、以及位于外层测试管柱和内层测试管柱之间的模拟水泥环；所述外层测试管柱内部设有高压流体环空腔；所述内层测试管柱的外部设有高温流体环空腔；所述外层测试管柱和内层测试管柱上设有射孔孔眼；

与所述高温流体环空腔和所述高压流体环空腔相连通的高温高压实验系统；

用于检测所述外层测试管柱和所述内层测试管柱之间疲劳破坏情况的疲劳检测单元。

2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述主体结构包括外层环套、以及固定在所述外层环套两端的模拟基座；所述外层测试管柱、内层测试管柱以及模拟水泥环固定在两个所述模拟基座之间。

3.如权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述高温高压实验系统包括：设置于所述主体结构上的压力注入端和高温流体注入端；所述压力注入端与所述高压流体环空腔相连通；所述高温流体注入端与所述高温流体环空腔相连通；所述高温流体注入端设置在所述外层环套的管壁上；所述压力注入端通过连通管穿过所述模拟基座通入所述高压流体环空腔。

4.如权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述疲劳检测单元包括：设置在所述模拟水泥环上的位移传感器和应变传感器；所述位移传感器、应变传感器分别与测试引线相连接；所述测试引线在所述模拟水泥环中延伸，并从所述模拟基座穿出与检测控制器相连接。

5.如权利要求4所述的实验装置，其特征在于，多个所述位移传感器位于所述模拟水泥环和所述内层测试管柱之间；多个所述位移传感器沿着轴向等间隔排布。

6.如权利要求4所述的实验装置，其特征在于，多个所述应变传感器位于所述模拟水泥环和所述外层测试管柱之间；多个所述应变传感器沿着轴向等间隔排布。

7.如权利要求4所述的实验装置，其特征在于，所述模拟基座内还固定有将所述内层测试管柱轴向限位的固定块。

8.如权利要求4所述的实验装置，其特征在于，所述外层测试管柱的两端分别固定插设在所述模拟基座内，并通过螺扣与所述模拟基座固定连接。

9.如权利要求8所述的实验装置，其特征在于，所述测试总成内还设有将所述模拟水泥环两端限位的轴向块。

10.一种基于权利要求1至9任意一项所述的实验装置的模拟固井疲劳极限的实验方法，其特征在于，包括：

在温度恒定时，从压力注入端向高压流体环空腔内注入可循环高压流体，以在施加循环压力的状态下测试内层测试管柱的固井疲劳极限规律；

在压力恒定时，从高温流体注入端注入循环高温流体，测试高温流体环空腔的固井疲劳极限规律以及水泥环处的疲劳极限规律；

在非温度恒定和非压力恒定时，在压力注入端和高温流体注入端同时注入可循环高温高压流体，测试在可循环高温高压流体共同作用下的水泥环内外表面处的疲劳极限规律。

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