CN113756743B - 一种复杂温度压力条件下水泥环微观结构实验装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂温度压力条件下水泥环微观结构实验装置及测试方法。所述实验装置包括内层套管和外层套管；内层套管设于外层套管的外部，两者之间形成一环腔；内层套管和外层套管的两端通过上法兰和下法兰连接；内层套管内设有一加热棒，加热棒的另一端与设于内层套管外的温度控制系统连接；内层套管的顶部延伸至上法兰的外部，并连接一加压头，通过加压头向内层套管内部施加压力；上法兰上设有一进气口，用于向环腔施加压力。本发明提供的实验方法增加了水泥环养护过程、套管内温度压力变化过程，使得水泥环所受复杂温度压力环境更为接近实际工况，微观结构测试结果更可靠准确，能够更好的探究实际工况下水泥环密封失效机理。
Description
技术领域
本发明涉及一种复杂温度压力条件下水泥环微观结构实验装置及测试方法，属于油气井钻采工程固井技术领域。
背景技术
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。调查发现，我国川渝地区、塔里木盆地、松辽盆地及其它深层高温高压地区的油气井完井测试结束后，均存在不同程度的环空带压；研究发现，环空带压现象主要是由于复杂温压条件引起水泥环密封完整性破坏，因此，研究复杂温压条件下水泥环内部微观结构变化对解释水泥环密封完整性失效规律具有重要意义。
目前，国内外开展了大量水泥环密封失效实验研究，但是针对复杂温压条件下水泥环内部微观结构变化研究较少，无法揭示高温高压气井温度压力变化对水泥环内部微观结构的影响规律，因此，有必要提供一种复杂温度压力条件下水泥环内部微观结构实验装置及测试方法，为揭示水泥环失效与内部微观结构的关系规律奠定基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于复杂温度压力条件下水泥环微观结构实验装置及测试方法，该装置较为真实地模拟了实际工况下的水泥环密封环境，为研究水泥环失效与内部微观结构的关系规律提供了技术支持。
本发明提供的复杂温度压力条件下水泥环微观结构实验装置，包括内层套管和外层套管；
所述内层套管设于所述外层套管的外部，两者之间形成一环腔；
所述内层套管和所述外层套管的两端通过上法兰和下法兰连接；
所述内层套管内设有一加热棒，所述加热棒的另一端与设于所述内层套管外的温度控制系统连接；
所述内层套管的顶部延伸至所述上法兰的外部，并连接一加压头，通过所述加压头向所述内层套管内部施加压力；
所述上法兰上设有一进气口，用于向所述环腔施加压力。
上述的实验装置中，所述内层套管与所述外层套管为同轴设置，优点是便于进行可重复性实验比较。
上述的实验装置中，所述内层套管与所述上法兰和所述下法兰之间均通过密封圈密封，如O型密封圈。
上述的实验装置中，所述加压头与所述内层套管之间通过螺纹连接。
上述的实验装置中，所述加压头上设有压力输入口，所述压力输入口依次与压力表Ⅰ和高压泵连接，用于向所述内层套管内部施加压力；
所述加压头上还设有进油口，通过所述进油口向所述内层套管内注入导热油。
上述的实验装置中，所述进气口依次连接压力表Ⅱ、减压阀和氮气瓶，用于向所述环腔中施加压力。
上述的实验装置中，所述上法兰和所述下法兰之间连接有高强度拉杆，其作用是固定所述上法兰和所述下法兰，防止由于系统压力增大，引起螺栓及法兰飞溅，导致安全事故。
所述下法兰的底部设有一底座。
本发明进一步提供了复杂温度压力条件下水泥环微观结构测试方法，包括如下步骤：
S1、在所述内层套管的外壁和所述外层套管的内壁上涂敷润滑脂；
S2、将所述内层套管和所述外层套管与所述下法兰连接，然后将水泥浆注入至所述内层套管与所述外层套管之间形成的环腔中，并预留一定的空间；
S3、向所述内层套管内注满导热油，并通过所述加压头对所述导热油施加压力；
S4、连接形成所述实验装置；
S5、启动所述温度控制系统，对所述导热油进行加热并实现温度控制；通过所述进气口控制所述环腔中水泥环端面的压力，对水泥浆进行凝固并养护；
S6、根据实验方案，改变温度和压力进行水泥浆的凝固和养护；
S7、测试结束后，将所述实验装置降温并泄压，利用万能材料机压出水泥环在CT扫描仪上进行微观结构测试。
上述的测试方法中，步骤S2中，所述水泥浆注入的体积为所述环腔体积的85％～95％，剩余空间作为空气层，利用氮气瓶施加环空压力，实现高温高压养护条件。
上述的测试方法中，步骤S5中，控制所述环腔中水泥环端面的压力为1～5MPa，防止高温条件下水泥浆的沸腾，并保持5～10h，然后逐步放掉该环空压力；
控制所述导热油的温度为20～200℃。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的实验装置在内层套管的内部充满导热油及设置加热棒，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头，加压头的一侧连接高压泵，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，本发明还提供了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，以及套管内温度压力变化过程，使得水泥环所受复杂温度压力环境更为接近实际工况，微观结构测试结果更为可靠准确，为更好的探究实际工况下水泥环密封失效机理研究提供了更准确可靠的技术支持。
附图说明
图1为本发明实验装置结构示意图。
图2为利用本发明实验装置高温高压养护后的水泥环的CT扫描微观结构图。
图3为图2所示水泥环在本发明实验装置套管内压力变化后水泥环内部发生结构破坏的CT扫描微观结构图。
图中各标记如下：
1-内层套管，2-外层套管，3-水泥浆层，4-高强度拉杆，5-加热棒，6-温度控制系统，7、17-O型密封圈，8-底座，9-下法兰，10-高压泵，11、14-压力表，12-加压头，13-进气口，14-O型密封圈，15-减压阀，16-氮气瓶，18-空气层，19-上法兰。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，为本发明提供的复杂温度压力条件下水泥环微观结构实验装置的i结构示意图，包括内层套管1及外层套管2，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，可在该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的上端面保留10％的空气层。内层套管1和外层套管2的上下两端分别通过上法兰19和下法兰9连接在一起，并且在上法兰19和下法兰9之间由相应的高强度拉杆4固定连接在一起，下法兰9的底部还设有一底座8，用于将整个实验装置固定在底座8上。
为实现对内层套管1内部施加压力，在内层套管1的顶部通过螺纹连接一加压头12，加压头12上开设有用于向内层套管1内部施加压力的压力输入口，该压力输入口连接高压泵10，加压头7与高压泵之间连接有压力表14，通过高压泵10和压力表14控制内层套管1内部的压力情况，以模拟实际工况的高压条件，高压泵10可实现0～25MPa套管内压力的施加与控制。加压头12上还设有进油口，通过该进油口向内层套管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，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，该温度控制系统6可实现20～200℃温度的施加与控制。
为了控制环腔中水泥环端面上的压力(即环空压力)，在上法兰19上设有进气口13，该进气口13通过管道连接有压力表14、减压阀15以及氮气瓶16，在实验加热过程中，通过减压阀15控制环空体积中的气体压力。
利用本发明提供的实验装置，可实现对水泥环微观结构在复杂温度压力条件下的测试，可按照下述步骤进行：
S1、在内层套管1的外壁和外层套管2的内壁均匀涂抹一层润滑脂；
S2、将内层套管1和外层套管2与下法兰9连接，内层套管1和外层套管2以及下法兰9之间形成环形空间；
S3、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％；
S4、在步骤S3的水泥浆上端面留有一定的空间，即空气层18，以模拟环空压力；并向内层套管1内注入导热油，以模拟套管内压力；
S5、连接如图1所示的实验装置，并将连接后的实验装置放置于底座8上；
S6、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，打开氮气瓶16，并利用减压阀15控压气体压力，协调温度控制系统6与减压阀15，使实验装置加热至设置温度并控制水泥环端面至2MPa压力，水泥浆凝固后逐步放掉环空压力；
S7、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；
S8、在步骤S7结束后，将整个实验装置降温并泄压，利用万能材料机压出水泥环；
S9、将步骤S8压出的水泥环放置于CT扫描仪上进行微观结构测试。
S10、经高温高压养护后(150℃、2MPa)的水泥环如图2所示，可以看出，温度压力恒定养护下的水泥环内部结构完整，没有出现破坏情况。
调整套管内的压力(水泥环端面压力由2MPa降至0MPa)至20MPa后的水泥环如图3所示，可以看出，套管内压力增大20MPa后，水泥环内部出现了微裂纹，水泥环完整性遭到破坏。
本发明提供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，实现了复杂温度压力条件下水泥环微观结构测试目的，为研究水泥环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 (9)
1.一种复杂温度压力条件下水泥环微观结构测试方法，包括采用水泥环微观结构实验装置进行的如下步骤：
所述水泥环微观结构实验装置包括内层套管和外层套管；
所述内层套管设于所述外层套管的外部，两者之间形成一环腔；
所述内层套管和所述外层套管的两端通过上法兰和下法兰连接；
所述内层套管内设有一加热棒，所述加热棒的另一端与设于所述内层套管外的温度控制系统连接；
所述内层套管的顶部延伸至所述上法兰的外部，并连接一加压头，通过所述加压头向所述内层套管内部施加压力；
所述上法兰上设有一进气口，用于向所述环腔施加压力；
S1、在所述水泥环微观结构实验装置的所述内层套管的外壁和所述外层套管的内壁上涂敷润滑脂；
S2、将所述内层套管和所述外层套管与所述下法兰连接，然后将水泥浆注入至所述内层套管与所述外层套管之间形成的环腔中，并预留一定的空间；
S3、向所述内层套管内注满导热油，并通过所述加压头对所述导热油施加压力；
S4、连接形成所述水泥环微观结构实验装置；
S5、启动所述温度控制系统，对所述导热油进行加热并实现温度控制；通过所述进气口控制所述环腔中水泥环端面的压力，对水泥浆进行凝固并养护；
S6、根据实验方案，改变温度和压力进行水泥浆的凝固和养护；
S7、测试结束后，将所述实验装置降温并泄压，取出水泥环进行微观结构测试。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述内层套管与所述外层套管为同轴设置。
3.根据权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于：所述内层套管与所述上法兰和所述下法兰之间均通过密封圈密封。
4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于：所述加压头与所述内层套管之间通过螺纹连接。
5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：所述加压头上设有压力输入口，所述压力输入口依次与压力表Ⅰ和高压泵连接；
所述加压头上还设有进油口。
6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述进气口依次连接压力表Ⅱ、减压阀和氮气瓶。
7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于：所述上法兰和所述下法兰之间连接有高强度拉杆；
所述下法兰的底部设有一底座。
8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于：步骤S2中，所述水泥浆注入的体积为所述环腔体积的85％～95％，剩余空间作为空气层，利用氮气瓶施加环空压力，实现高温高压养护条件。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于：步骤S5中，控制所述环腔中水泥环端面的压力为1～5MPa，并保持5～10h；
控制所述导热油的温度为20～200℃。
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| GR01 | Patent grant | ||
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