CN113063664B - 油气井固井水泥环第一界面拉伸胶结强度测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油气井固井水泥环第一界面拉伸胶结强度测试装置及方法，包括浆筒、拉伸胶结面板和浆筒盖，拉伸胶结面板设置在浆筒底部，浆筒盖设置在浆筒顶部，拉伸胶结面板和浆筒盖上分别设置有拉环，浆筒盖上的拉环用于连接第一钢丝绳，拉伸胶结面板上的拉环通过第二钢丝绳与拉力传感器连接。将测试装置组装，测试拉伸胶结面板与水泥石试件分离瞬间的最大拉力，计算单位胶结界面上的拉力得到水泥石第一界面拉伸胶结强度。本发明可用于实验设计、评价和优化油气井固井水泥环空封隔安全和完整性的依据之一，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于石油与天然气勘探开发技术领域，具体为一种油气井固井水泥环第一界面拉伸胶结强度测试装置及方法。
背景技术
水泥石的胶结性能是水泥环能够长期有效封隔油、气、水层，支撑套管的关键指标之一。目前，表征水泥石胶结性能的方法有两种：一种是测量水泥石的剪切胶结强度，另一种是测量水泥石的水力胶结强度。剪切胶结强度是指迫使井筒中套管或水泥环纵向移动所需的力与套管和水泥环接触面积的比值，即剪切胶结强度＝剪切力/接触面积。剪切胶结强度对套管起到悬挂支撑作用。水力胶结强度是指流体突破水泥环与套管或地层胶结界面时的阻力。水力胶结强度反映水泥环能否成功封隔油、气、水层。
为此，国内外学者和相关机构提出了一系列的评价水泥环胶结强度的方法，国外学者主要有：Carter，etc.A Study of Cement-Pipe Bonding[J].Journal of PetroleumTechnology，1964，16(02)，应用实验技术研究了水泥环与套管的胶结问题，将剪切胶结强度定义为套管在水泥环中移动所需的力；F.Nath，etc.A Novel Method to InvestigateCement-casing Bonding Using Digital Image Correlation[J].Journal of PetroleumScience and Engineering，2020，提出了利用数字图像研究水泥环-套管胶结的新方法；Carpenter，etc.The Effects ofTemperature and Cement Admixes on Bond Strength[J].Journal of Petroleum Technology，1992，44(08)，通过特殊的加压剪切装置评估高温高压下水泥环-套管界面的剪切强度。国内测试评价水泥环与套管胶结强度的装置和方法的专利有：一种测试水泥环与套管胶结强度的实验装置及方法(CN106593414A)，固井一界面胶结强度养护装置、测试装置及测试方法(CN2017102159656)，一种固井水泥胶结强度测试装置及方法(CN105092465A)等。国内也有多位学者发表论文探讨了水泥环界面胶结强度的测试评价方法，如：唐世忠等.固井水泥界面胶结强度评价技术及在沈家铺油田的应用[J].石油地质与工程，2016，30(05)；刘小利.储气库井柔性水泥浆体系适应性评价实验[J].钻采工艺，2016，39(03)；徐璧华等.高温高压下油井水泥环胶结强度测试新方法[J].天然气工业，2016，36(11)；朱江林等.海洋深水表层固井壁面剪切及胶结强度室内试验研究[J].石油钻探技术，2007(03)；张万栋等.高温条件下的固井第一界面水力胶结强度实验研究[J].钻采工艺,2019,42(05)；武治强等.套管与水泥环胶结界面水力密封完整性评价实验研究[J].中国海上油气,2018,30(06)；柳华杰等.环空扰动固井二界面胶结性能评价装置及方法[J].实验室研究与探索，2020，39(07)等。
然而，由上述装置和方法可知，得到的是胶结界面的剪切胶结强度或水力胶结强度，其测量结果只能说明水泥环是否能悬挂套管的自重，或胶结界面是否能防止油、气、水窜流。
油气井在运行过程中由于井筒内压有变化，会使水泥石与套管或地层界面产生径向上的应力。当井筒内压减小时就会产生径向拉应力，使水泥石与套管或地层发生剥离脱落而产生微间隙。此时，如果用剪切胶结强度或水力胶结强度来评价水泥石能否有效封隔油、气、水层，就与实际不符。此外，水力剪切胶结强度由于操作复杂且涉及安全问题，测试时还受水泥石渗透率的影响而较少应用。目前，还没有关于固井水泥石第一界面拉伸胶结强度测试装置及方法的报道。因此，水泥石第一界面拉伸胶结强度测试装置及方法，可填补固井水泥环第一界面胶结强度测试的空白，对研究油气井固井水泥石封隔完整性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种油气井固井水泥石第一界面拉伸胶结强度测试的装置，通过测试固井水泥石与拉伸胶结面板的拉伸胶结强度，作为水泥石第一界面的拉伸胶结强度，更接近工程实际。
本发明的另一目的是提供一种利用上述装置测试油气井固井水泥石第一界面拉伸胶结强度的方法，该方法原理可靠、操作简便、适用范围广，解决了胶结界面剪切胶结强度不符合拉伸胶结实际的工程问题，更真实有效地反映了水泥石与套管胶结界面的拉伸胶结质量，可用于实验设计、评价和优化油气井固井水泥环空封隔安全和完整性的依据之一，具有广阔的应用前景。
为了实现上述技术目的，本发明具体的技术方案如下：
一种油气井固井水泥石第一界面拉伸胶结强度的测试装置，包括浆筒、拉伸胶结面板和浆筒盖，所述的拉伸胶结面板设置在浆筒底部，所述的浆筒盖设置在浆筒顶部，所述的拉伸胶结面板和浆筒盖上分别设置有拉环，所述浆筒盖上的拉环用于连接第一钢丝绳，所述拉伸胶结面板上的拉环通过第二钢丝绳与拉力传感器连接。
所述的浆筒盖上设置有通孔，通孔用于排出灌注水泥浆后浆筒内的空气和多余的水泥浆。
所述的浆筒顶部内径大于底部内径，用于防止测拉伸力时水泥石与浆筒内壁面发生位移影响测试结果和便于测试后水泥石的脱模。
所述的浆筒盖内壁和浆筒外壁顶部设置有匹配的螺纹，用于连接固定。
所述的测试装置还包括机架和游动横梁，所述游动横梁活动设置机架上，所述的第一钢丝绳连接于机架的顶部，所述的拉力传感器与游动横梁固定，游动横梁活动时产生拉力。
所述的机架顶部固定有上夹具，所述上夹具通过拉杆与第一钢丝绳连接，所述的拉力传感器与游动横梁上的下夹具连接。
在本发明的另一方面，还提供了利用上述测试装置检测油气井固井水泥石第一界面拉伸胶结强度的方法，包括以下步骤：
1)筒的内壁和两端、浆筒盖的丝扣和内端面，均匀涂抹一薄层密封脂；
2)将浆筒低端安放在拉伸胶结面板上，并用力压紧防止水泥浆渗漏；
3)将待测水泥浆注满浆筒，盖上浆筒盖，排出浆筒中的空气和多余的水泥浆；
4)将由胶结面板、浆筒和浆筒盖组装并灌满水泥浆的模具置于高温高压养护釜中，模拟地层温度压力条件养护至凝期，取出模具；
5)将第一钢丝绳和第二钢丝绳分别连接在浆筒盖和拉伸胶结面板的拉环上；
6)将第一钢丝绳和第二钢丝绳分别与上夹具和下夹具连接，调整游动横梁至拉力传感器归零，启动测试装置，测试拉伸胶结面板与水泥石分离瞬间的最大拉力；
7)水泥石与拉伸胶结面板的拉伸胶结强度可采用以下公式计算得到：
其中，P为水泥石第一界面拉伸胶结强度，kPa；F为拉伸胶结面板与水泥石试件分离瞬间的最大拉力，kN；A为拉伸胶结面板与水泥石胶结的面积，m2；d为浆筒与拉伸胶结面板胶结端的内径，m。
本发明的有益效果为：
本发明用水泥石与拉伸胶结面板的拉伸胶结强度作为水泥石第一界面的拉伸胶结强度，填补了现有技术空白，更真实有效地反映了固井环空水泥石与套管胶结界面的胶结质量，可用于实验设计、评价和优化油气井固井水泥环空封隔安全和完整性的依据之一，具有操作简单、适用性强的特点。
附图说明
图1为本发明测试装置的结构示意图；
图2为本发明测试装置浆筒的结构示意图；
图3为本发明测试装置拉伸胶结面板的结构示意图；
其中，1、上夹具，2、第一钢丝绳，3、浆筒盖，4、浆筒，5、拉伸胶结面板，6、第二钢丝绳，7、拉力传感器，8、下夹具，9、游动横梁，10、计算机，11、拉力数据显示器。
具体实施方式
下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1～3所示，一种油气井固井水泥石第一界面拉伸胶结强度的测试装置，机架、浆筒4、拉伸胶结面板5和浆筒盖3，其中浆筒盖3通过螺纹固定在浆筒4顶部，拉伸胶结面板5依靠水泥的粘力设置在浆筒4底部，拉伸胶结面板5和浆筒盖3上分别设置有拉环，浆筒盖3上的拉环用于连接第一钢丝绳2，拉伸胶结面板5上的拉环通过第二钢丝绳6与拉力传感器7连接，拉力传感器7为市售的拉力范围和精度，满足预估水泥石与拉伸胶结面板5的胶结力值大小的要求。机架顶部固定有上夹具1，上夹具1通过拉杆与第一钢丝绳2连接，在机架上活动设置有游动横梁9，拉力传感器7与游动横梁9上的下夹具8通过拉杆连接，游动横梁9活动时产生拉力，用于测试拉伸胶结面板5与水泥石分离瞬间的最大拉力。
其中，浆筒盖3上设置有通孔，通孔用于排出灌注水泥浆后浆筒4内的空气和多余的水泥浆。浆筒4顶部内径大于底部内径，用于防止测拉伸力时水泥石与浆筒4内壁面发生位移影响测试结果和便于测试后水泥石的脱模。
进一步的，测试装置还包括拉力数据显示器11和计算机10，计算机10分别与拉力传感器7和拉力数据显示器11电联接，用于显示记录拉力数据，该过程可通过现有装置完成。
本发明所述装置中，确保实验数据的可靠性，根据水泥浆高温高压养护釜釜体的有效空间，考虑尽可能增大水泥石与拉伸胶结面板5的胶结面积，因此，确定拉伸胶结面板5的直径D1为90mm；进一步地确定浆筒4外径D和浆筒4胶结端内径d分别为80mm和70mm，浆筒4内壁坡度1:20；根据国家标准GB 23561.10－2010《煤和岩石物理力学性质测定方法第10部分：煤和岩石抗拉强度测定方法》，水泥石厚度宜为直径的0.25～0.75倍，即浆筒4高度为浆筒4内径的0.25～0.75倍，再根据高温高压养护釜釜体的有效高度，考虑一次可养护6～8个试样的水泥石拉伸胶结养护模具，则浆筒4高度为40mm；根据WDW-200型电子万能试验机横梁移动行程800mm，夹具的有效加持范围9～14mm，最大试验恒力200kN，范围为0.4％～100％，即直接用该电子万能试验机测拉伸胶结力不满足要求，确定本发明实施装置的总高度约为500mm；拉杆的直径确定为小端10mm，大端12mm；根据水泥石拉伸胶结强度值的大小范围和市售拉力传感器7的类型，确定拉力传感器7为市售带拉力测试数据显示器的CYT-201型拉力传感器7，量程为0～10kN。
本发明所述装置在装配前，参照GB/T19139－2012《油井水泥试验方法》中“7.5.1试模准备”的方法，将水泥石拉伸胶结养护模具清理干净，在浆筒4的内壁和两端、浆筒盖3的丝扣和内端面，均匀涂抹一薄层密封脂，用于胶结板端面密封和便于测试结束后水泥石脱模和模具拆卸。在装置装配过程中使用的密封脂，参照GB/T19139－2012《油井水泥试验方法》的“7.4.7试模密封脂”的要求选用。注意在浆筒4灌浆及装配过程中，应确保浆筒4与拉伸胶结面板5的接触面无相对移动，保证各水泥试件的有效胶结面积一致。同时，涂抹密封脂的部位应薄而均匀，避免多余的密封脂在养护过程中受热运移，影响水泥石与胶结面板的实际有效面积。
实施例2
本发明提供了利用实施例1测试装置检测油气井固井水泥石第一界面拉伸胶结强度的方法，包括以下步骤：
1)筒的内壁和两端、浆筒盖3的丝扣和内端面，均匀涂抹一薄层密封脂；
2)将浆筒4低端安放在拉伸胶结面板5上，并用力压紧防止水泥浆渗漏；
3)将待测水泥浆注满浆筒4，盖上浆筒盖3，排出浆筒4中的空气和多余的水泥浆；
4)将由胶结面板5、浆筒4和浆筒盖5组装并灌满水泥浆的模具置于高温高压养护釜中，模拟地层温度压力条件养护至凝期，取出模具；
5)将第一钢丝绳2和第二钢丝绳6分别连接在浆筒盖3和拉伸胶结面板5的拉环上；
6)将第一钢丝绳2和第二钢丝绳6分别与上夹具1和下夹具8连接，调整游动横梁至拉力传感器7归零，启动测试装置，测试拉伸胶结面板5与水泥石分离瞬间的最大拉力；
7)水泥石与拉伸胶结面板5的拉伸胶结强度可采用以下公式计算得到：
其中，P为水泥石第一界面拉伸胶结强度，kPa；F为拉伸胶结面板5与水泥石试件分离瞬间的最大拉力，kN；A为拉伸胶结面板5与水泥石胶结的面积，m2；d为浆筒4与拉伸胶结面板5胶结端的内径，m。
实施例3
参照GB/T19139－2012《油井水泥试验方法》中“7.5.1试模准备”的方法，将水泥石拉伸胶结养护模具清理干净，在浆筒4的内壁和两端、浆筒盖3的丝扣和内端面，均匀涂抹一薄层密封脂后，按本发明实施方式描述的方法和步骤连接各组成部分，准备好待用。注意在水泥石拉伸胶结养护模具灌浆及装配过程中，确保浆筒4与拉伸胶结面板5的接触面无相对移动，保证各水泥石与胶结面板的有效胶结面积一致。
为验证本发明装置的普遍适用性和方法的可靠性，参照GB/T19139－2012《油井水泥试验方法》中“5水泥浆的制备”的方法，分别配制基本配方水泥浆、纤维增韧水泥浆、膨胀增韧水泥浆、胶乳水泥浆和自愈合水泥浆共5种不同的水泥浆体系，每种水泥浆测试3～5个平行试样，设计密度为1.90g/cm3。
参照GB/T19139－2012《油井水泥试验方法》中“7.5.2水泥浆的装模”的方法，将配制好的水泥浆装满本发明实施的装置，装上浆筒盖3，排出浆筒4内的空气和多余的水泥浆。
参照GB/T19139－2012《油井水泥试验方法》中“7.5.4加压养护”的方法，将装满水泥浆的由胶结面板5、浆筒4和浆筒盖3组装并灌满水泥浆的模具置于高温高压养护釜中，模拟地层温度压力条件进行养护48h，养护条件为90℃×21MPa。
模拟地层温度压力条件养护至设计凝期后，取出模具，分别将拉力传感器7上的第二钢丝绳6和拉杆上的第一钢丝绳2，分别连接在拉伸胶结面板5的拉环上和浆筒盖3的拉环上，再将连接浆筒盖3一端的拉杆和拉力传感器7上的拉杆，分别夹在WDW-200型电子万能试验机的上夹具1和下夹具8中，接通拉力数据显示器11，启动计算机10拉力测试软件，待拉力数显仪表显示归零后，启动材料试验机，测试拉伸胶结面板5与水泥石试件分离瞬间的最大拉力，最后根据本发明所述拉伸胶结强度计算公式得出水泥石第一界面拉伸胶结强度。测试及计算结果如下表1。
表1高温高压条件下不同类型水泥浆体系的拉伸胶结强度和剪切胶结强度对比
此外，为验证本发明装置常压养护条件下也适用，将上述5种不同类型的水泥浆装于本发明实施的装置中，置于恒温水浴箱中养护48h，养护条件为90℃×0.1MPa，其测试及计算结果如下表2。
表2高温常压条件下不同类型水泥浆体系的拉伸胶结强度和剪切胶结强度对比
根据水泥石界面拉伸胶结强度和剪切胶结强度测试结果，可得到水泥石拉伸胶结强度与其剪切胶结强度的比值在0.37～0.45之间。表1和表2的具体结果说明拉伸胶结强度比剪切胶结强度低得多，拉伸胶结强度更能反映界面胶结质量的实际，用其作为环空水泥环封隔完整性评价依据之一，更能保证油气井的安全生产运行。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (2)
1.一种油气井固井水泥石第一界面拉伸胶结强度的测试装置，其特征在于，包括浆筒(4)、拉伸胶结面板(5)和浆筒盖(3)，所述的拉伸胶结面板(5)设置在浆筒(4)底部，所述的浆筒盖(3)设置在浆筒(4)顶部，所述的拉伸胶结面板(5)和浆筒盖(3)上分别设置有拉环，所述浆筒盖(3)上的拉环用于连接第一钢丝绳(2)，所述拉伸胶结面板(5)上的拉环通过第二钢丝绳(6)与拉力传感器(7)连接；
所述的浆筒盖(3)上设置有通孔，通孔用于排出灌注水泥浆后浆筒(4)内的空气和多余的水泥浆，所述的浆筒(4)顶部内径大于底部内径，用于防止测拉伸力时水泥石与浆筒(4)内壁面发生位移影响测试结果，所述的浆筒盖(3)内壁和浆筒(4)外壁顶部设置有匹配的螺纹，用于连接固定；
所述的测试装置还包括机架和游动横梁(9)，所述游动横梁(9)活动设置机架上，所述的第一钢丝绳(2)连接于机架的顶部，所述的拉力传感器(7)与游动横梁固定，游动横梁活动时产生拉力；所述的机架顶部固定有上夹具(1)，所述上夹具(1)通过拉杆与第一钢丝绳(2)连接，所述的拉力传感器(7)与游动横梁上的下夹具(8)连接。
2.利用权利要求1所述测试装置检测油气井固井水泥石第一界面拉伸胶结强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)浆筒(4)的内壁和两端、浆筒盖(3)的丝扣和内端面，均匀涂抹一薄层密封脂；
2)将浆筒(4)低端安放在拉伸胶结面板(5)上，并用力压紧防止水泥浆渗漏；
3)将待测水泥浆注满浆筒(4)，盖上浆筒盖(3)，排出浆筒(4)中的空气和多余的水泥浆；
4)将由胶结面板(5)、浆筒(4)和浆筒盖(3)组装并灌满水泥浆的模具置于高温高压养护釜中，模拟地层温度压力条件养护至凝期，取出模具；
5)将第一钢丝绳(2)和第二钢丝绳(6)分别连接在浆筒盖(3)和拉伸胶结面板(5)的拉环上；
6)将第一钢丝绳(2)和第二钢丝绳(6)分别与上夹具(1)和下夹具(8)连接，调整游动横梁至拉力传感器(7)归零，启动测试装置，测试拉伸胶结面板(5)与水泥石分离瞬间的最大拉力；
7)水泥石与拉伸胶结面板(5)的拉伸胶结强度可采用以下公式计算得到：
其中，P为水泥石第一界面拉伸胶结强度，kPa；F为拉伸胶结面板(5)与水泥石试件分离瞬间的最大拉力，kN；A为拉伸胶结面板(5)与水泥石胶结的面积，m2；d为浆筒(4)与拉伸胶结面板(5)胶结端的内径，m。
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