CN114215505B - 一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价的测试装置及方法，其特征在于，装置包括：外套管、第一环空、第二环空、内套管、承压腔室、圆环、六头螺栓、环向无线应变传感器、径向无线应变传感器、第一堵头、第二堵头、第三堵头、橡胶密封圈、红外CO₂传感器、精密压力表、第一螺纹、第二螺纹、第三螺纹、密封台阶、测量元件、水泥环、螺纹盲孔、检测腔室、通孔、定位台阶；利用该装置及方法可实时量化评价载荷谱作用下水泥环的径向应力/变形、环向应力/变形，反演水泥环内部裂纹萌生、起裂、扩展及失效行为，诊断水泥环在载荷谱作用下的失效形式。本发明适合于石油与天然气钻采工程技术领域。

Description

一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法

技术领域

本专利涉及石油与天然气钻采工程技术领域，具体是一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法。

背景技术

由于页岩储层的低孔隙度和低渗透性，页岩气需要通过水力压裂提高商业油气产量。然而，在页岩气水平井的大规模多级水力压裂过程中，水泥环空隙内的突然压降导致套管-水泥环-地层系统上的载荷分布不均匀，可能造成潜在的套管变形和水泥环损坏。因此，温度和压力的波动、连续变化、交替加载和卸载很容易导致套管-水泥环-地层组合体完整性被破坏。

水泥环完整性失效主要有6种形式，包括环向开裂、轴向开裂、第一界面分离、第二界面分离、轴向滑移、屈服破坏。在载荷谱作用下，水泥环容易发生环形开裂、轴向开裂、第一界面分离、第二界面分离以及屈服破坏等五种失效形式。准确预测和评价水泥环完整性失效形式，进而采取针对性措施，有助于保证工程的质量和安全，这对现场安全、高效的生产显得尤为重要。截止目前，国内外学者基于理论和实验的方法，在套管-水泥环界面完整性以及水泥环完整性等方面展开了诸多的研究，主要包括套管-水泥环界面胶结强度及密封性能。然而，针对水泥环完整性失效形式的研究鲜见报道，其主要原因包括以下两点：1)水泥环的径向应力/变形以及环向应力/变形难以准确测得；2)缺乏能真实模拟载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法。

为此，本发明针对目前在载荷谱作用下水泥环完整性失效形式难以准确获取的技术难题，提出一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法，该方法可准确获取真实工况下水泥环的径向应力和环向应力，并基于此评价水泥环完整性的失效形式，可为油气井固井界面力学性能、水泥环完整性及固井优化设计提供理论依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法，兼顾保持测试装置完整性的同时，解决载荷谱作用下水泥环径向应力/变形、环向应力/变形及其完整性失效难以量化评价的技术难题，该方法使用简单、成本低。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明提供一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置，其特征在于，装置包括加热套、外套管、第一环空、第二环空、内套管、承压腔室、圆环、六头螺栓、环向无线应变传感器、径向无线应变传感器、第一堵头、第二堵头、第三堵头、橡胶密封圈、红外CO₂传感器、进气管线、排气管线、普通压力表、第一阀门、第二阀门、CO₂管线、精密压力表、第三阀门、第四阀门、第一螺纹、第二螺纹、第三螺纹、密封台阶、测量元件、水泥环、螺纹盲孔、检测腔室、通孔、定位台阶；其中，承压腔室由外壁周向均匀分布有4个含螺纹盲孔的内套管、第一堵头和第二堵头组成，内套管通过第一螺纹和第二螺纹与第一堵头和第二堵头连接，实现承压腔室的密封；用于养护形成水泥环的第一环空由内套管、外套管和橡胶密封圈组成，外套管通过第三螺纹与第三堵头连接，第二堵头与第三堵头的定位台阶配合实现内套管在外套管内的居中；第二环空由外套管、第二堵头、第三堵头、橡胶密封圈组成，橡胶密封圈安装在内套管和外套管的密封台阶上，用于防止第一环空内水泥环养护过程中水泥浆的渗漏，且养护成型后取掉橡胶密封圈与第二环空形成检测腔室；测量元件由带通孔的圆环、六头螺栓、环向无线应变传感器和径向无线应变传感器组成，六头螺栓与圆环上的通孔及螺纹盲孔彼此匹配且沿周向90°间隔均匀分布，六头螺栓穿过通孔将圆环固定于内套管外壁的螺纹盲孔上，周向固定在圆环上的环向无线应变传感器用于动态测量圆环的环向应变，径向固定在六头螺栓上的径向无线应变传感器用于动态测量六头螺栓的径向应变；第一阀门、进气管线及普通压力表用于控制承压腔室的压力加载，第二阀门、排气管线及普通压力表用于控制承压腔室的压力卸载；精密压力表、CO₂管线、第三阀门和第四阀门用于控制检测腔室的压力加卸载并结合位于内套管外壁的红外CO₂传感器动态监测水泥环的完整性。

基于一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置，提出了一种载荷谱作用下水泥环径向应力/变形、环向应力/变形及其完整性失效的量化评价方法，所述方法主要包括以下步骤：

步骤一：采用六头螺栓穿过通孔将圆环固定于内套管外壁的螺纹盲孔上，环向无线应变传感器周向固定在圆环上，径向无线应变传感器径向固定在六头螺栓上，红外CO₂传感器安装在内套管外壁上；

步骤二：将装好测量元件的内套管置于外套管内，涂有黄油的橡胶密封圈安装在内套管和外套管的台阶上，第二堵头通过第二螺纹与内套管连接，第三堵头通过第三螺纹与外套管连接，并使第二堵头与第三堵头的定位台阶配合，加热套套在外套管外壁上；

步骤三：关闭所有阀门，打开气源开关，打开第三阀门，向第二环空通入CO₂对橡胶密封圈提供支撑力，实现第二环空的密封；

步骤四：根据现场实际需求制备水泥浆体系，向第一环空浇筑水泥浆，启动加热套加热至设定温度养护形成水泥环；

步骤五：养护成型后，打开第四阀门，将第二环空压力卸掉，卸掉后打开第二堵头和第三堵头，取掉橡胶密封圈与第二环空形成检测腔室；

步骤六：将第二堵头和第三堵头通过第二螺纹和第三螺纹分别与内套管和外套管连接，将第一堵头通过第一螺纹与内套管连接实现承压腔室的密封；

步骤七：打开第三阀门，向检测腔室通入一定压力的CO₂气体，关闭第三阀门；

步骤八：关闭第二阀门，打开第一阀门，将承压腔室压力加载至模拟压力，此过程为模拟承压腔室压力加载过程，实时监测和记录环向无线应变传感器和径向无线应变传感器的数据；

步骤九：关闭第一阀门，打开第二阀门，此过程为模拟承压腔室压力卸载过程，实时监测和记录环向无线应变传感器和径向无线应变传感器的数据；

步骤十：关闭所有阀门，重复步骤八和步骤九，当观察到精密压力表有所下降，表明水泥环已经开始发生失效，记录此时水泥环开始失效时的节点数据(载荷谱次数、径向应变、环向应变)；

步骤十一：继续重复步骤八和步骤九，直到红外CO₂传感器检测到CO₂且其浓度急剧上升，表明水泥环完全失效，记录此时水泥环完全失效时的节点数据(载荷谱次数、径向应变、环向应变)，停止实验；

步骤十二：打开第二阀门和第四阀门，将承压腔室压力、检测腔室压力及管线压力卸掉，保存实验数据；

步骤十三：基于胡克定律，通过圆环上环向无线应变传感器记录的应变数据，使用公式σ_θ＝E₁ε₁计算水泥环受到的环向应力，拉为正，压为负，公式中σ_θ为水泥环的环向应力，MPa，E₁为圆环弹性模量，GPa，ε₁为圆环上的环向应变；通过六头螺栓上径向无线应变传感器记录的应变数据，使用公式σ_r＝E₂ε₂计算水泥环受到来自内套管的径向应力，拉为正，压为负，公式中σ_r为水泥环受到来自内套管的径向应力，MPa，E₂为六头螺栓弹性模量，GPa，ε₂为六头螺栓上的径向应变；

步骤十四：根据实时记录的节点数据反演加载过程中水泥环的径向应力/变形、环向应力/变形、裂纹萌生、起裂、扩展及失效行为并诊断水泥环的失效形式：如果水泥环的径向压应力σ_r大于等于水泥环的抗压强度σ_s，水泥环发生屈服失效；如果水泥环的环向拉应力σ_θ大于等于水泥环的抗拉强度σ_m，水泥环发生环向开裂；

步骤十五：根据实时记录的节点数据反演卸载过程中水泥环的径向应力/变形、环向应力/变形、裂纹萌生、起裂、扩展及失效行为并诊断水泥环的失效形式：如果水泥环的径向拉应力σ_r大于等于水泥环的界面抗拉胶结强度σ_b，水泥环与内套管发生界面分离，出现微环隙。

本发明具有以下优点：

本发明可准确获取水泥环在套管内压加载和卸载时的径向应力/变形和环向应力/变形，可用于量化评价水泥环完整性及水泥环完整性失效形式；本发明测试方法简单，只需要通过精密压力表压力是否降低或红外CO₂传感器所检测的CO₂浓度是否上升即可判断水泥环完整性是否失效；测试结果可为高温高压深井及超深井压裂工况下的水泥环完整性及固井工程优化设计提供重要理论依据。

附图说明

图1是水泥浆浇筑前水泥环环向及径向变形量化评价装置示意图。

图2是水泥浆浇筑后水泥环环向及径向变形量化评价装置示意图。

图3是测量元件及内套管俯视示意图。

图4是测量元件示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细的描述。

参见附图，本发明提供一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置，其特征在于，装置包括加热套1、外套管2、第一环空3、第二环空4、内套管5、承压腔室6、圆环7、六头螺栓8、环向无线应变传感器9、径向无线应变传感器10、第一堵头11、第二堵头12、第三堵头13、橡胶密封圈14、红外CO₂传感器15、进气管线16、排气管线17、普通压力表18、第一阀门19、第二阀门20、CO₂管线21、精密压力表22、第三阀门23、第四阀门24、第一螺纹25、第二螺纹26、第三螺纹27、密封台阶28、测量元件29、水泥环30、螺纹盲孔31、检测腔室32、通孔33、定位台阶34；其中，承压腔室6由外壁周向均匀分布有4个含螺纹盲孔31的内套管5、第一堵头11和第二堵头12组成，内套管5通过第一螺纹25和第二螺纹26与第一堵头11和第二堵头12连接，实现承压腔室6的密封；用于养护形成水泥环30的第一环空3由内套管5、外套管2和橡胶密封圈14组成，外套管2通过第三螺纹27与第三堵头13连接，第二堵头12与第三堵头13的定位台阶34配合实现内套管5在外套管2内的居中；第二环空4由外套管2、第二堵头12、第三堵头13、橡胶密封圈14组成，橡胶密封圈14安装在内套管5和外套管2的密封台阶28上，用于防止第一环空3内水泥环30养护过程中水泥浆的渗漏，且养护成型后取掉橡胶密封圈14与第二环空4形成检测腔室32；测量元件29由带通孔33的圆环7、六头螺栓8、环向无线应变传感器9和径向无线应变传感器10组成，六头螺栓8与圆环7上的通孔33及螺纹盲孔31彼此匹配且沿周向90°间隔均匀分布，六头螺栓8穿过通孔33将圆环7固定于内套管5外壁的螺纹盲孔31上，周向固定在圆环7上的环向无线应变传感器9用于动态测量圆环7的环向应变，径向固定在六头螺栓8上的径向无线应变传感器10用于动态测量六头螺栓8的径向应变；第一阀门19、进气管线16及普通压力表18用于控制承压腔室6的压力加载，第二阀门20、排气管线17及普通压力表18用于控制承压腔室6的压力卸载；精密压力表22、CO₂管线21、第三阀门23和第四阀门24用于控制检测腔室32的压力加卸载并结合位于内套管5外壁的红外CO₂传感器15动态监测水泥环30的完整性。

基于一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置，提出了一种载荷谱作用下水泥环径向应力/变形、环向应力/变形及其完整性失效的量化评价方法，所述方法主要包括以下步骤：

步骤一：采用六头螺栓8穿过通孔33将圆环7固定于内套管5外壁的螺纹盲孔31上，环向无线应变传感器9周向固定在圆环7上，径向无线应变传感器10径向固定在六头螺栓8上，红外CO₂传感器15安装在内套管5外壁上；

步骤二：将装好测量元件29的内套管5置于外套管2内，涂有黄油的橡胶密封圈14安装在内套管5和外套管2的密封台阶28上，第二堵头12通过第二螺纹26与内套管5连接，第三堵头13通过第三螺纹27与外套管2连接，并使第二堵头12与第三堵头13的定位台阶34配合，加热套1套在外套管2外壁上；

步骤三：关闭所有阀门，打开气源开关，打开第三阀门23，向第二环空4通入CO₂对橡胶密封圈14提供支撑力，实现第二环空4的密封；

步骤四：根据现场实际需求制备水泥浆体系，向第一环空3浇筑水泥浆，启动加热套1加热至设定温度养护形成水泥环30；

步骤五：养护成型后，打开第四阀门24，将第二环空4压力卸掉，卸掉后打开第二堵头12和第三堵头13，取掉橡胶密封圈14与第二环空4形成检测腔室32；

步骤六：将第二堵头12和第三堵头13通过第二螺纹26和第三螺纹27分别与内套管5和外套管2连接，将第一堵头11通过第一螺纹25与内套管5连接实现承压腔室6的密封；

步骤七：打开第三阀门23，向检测腔室32通入一定压力的CO₂气体，关闭第三阀门23；

步骤八：关闭第二阀门20，打开第一阀门19，将承压腔室6压力加载至模拟压力，此过程为模拟承压腔室6压力加载过程，实时监测和记录环向无线应变传感器9和径向无线应变传感器10的数据；

步骤九：关闭第一阀门19，打开第二阀门20，此过程为模拟承压腔室6压力卸载过程，实时监测和记录环向无线应变传感器9和径向无线应变传感器10的数据；

步骤十：关闭所有阀门，重复步骤八和步骤九，当观察到精密压力表22有所下降，表明水泥环30已经开始发生失效，记录此时水泥环30开始失效时的节点数据(载荷谱次数、径向应变、环向应变)；

步骤十一：继续重复步骤八和步骤九，直到红外CO₂传感器15检测到CO₂且其浓度急剧上升，表明水泥环30完全失效，记录此时水泥环30完全失效时的节点数据(载荷谱次数、径向应变、环向应变)，停止实验；

步骤十二：打开第二阀门20和第四阀门24，将承压腔室6压力、检测腔室32压力及管线压力卸掉，保存实验数据；

步骤十三：基于胡克定律，通过圆环7上环向无线应变传感器9记录的应变数据，使用公式σ_θ＝E₁ε₁计算水泥环30受到的环向应力，拉为正，压为负，公式中σ_θ为水泥环30的环向应力，MPa，E₁为圆环7弹性模量，GPa，ε₁为圆环7上的环向应变；通过六头螺栓8上径向无线应变传感器10记录的应变数据，使用公式σ_r＝E₂ε₂计算水泥环30受到来自内套管5的径向应力，拉为正，压为负，公式中σ_r为水泥环30受到来自内套管5的径向应力，MPa，E₂为六头螺栓8弹性模量，GPa，ε₂为六头螺栓8上的径向应变；

步骤十四：根据实时记录的节点数据反演加载过程中水泥环30的径向应力/变形、环向应力/变形、裂纹萌生、起裂、扩展及失效行为并诊断水泥环30的失效形式：如果水泥环30的径向压应力σ_r大于等于水泥环30的抗压强度σ_s，水泥环30发生屈服失效；如果水泥环30的环向拉应力σ_θ大于等于水泥环30的抗拉强度σ_m，水泥环30发生环向开裂；

步骤十五：根据实时记录的节点数据反演卸载过程中水泥环30的径向应力/变形、环向应力/变形、裂纹萌生、起裂、扩展及失效行为并诊断水泥环30的失效形式：如果水泥环30的径向拉应力σ_r大于等于水泥环30的界面抗拉胶结强度σ_b，水泥环30与内套管5发生界面分离，出现微环隙。

Claims (2)

1.一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置，其特征在于，装置包括：加热套(1)、外套管(2)、第一环空(3)、第二环空(4)、内套管(5)、承压腔室(6)、圆环(7)、六头螺栓(8)、环向无线应变传感器(9)、径向无线应变传感器(10)、第一堵头(11)、第二堵头(12)、第三堵头(13)、橡胶密封圈(14)、红外CO₂传感器(15)、进气管线(16)、排气管线(17)、普通压力表(18)、第一阀门(19)、第二阀门(20)、CO₂管线(21)、精密压力表(22)、第三阀门(23)、第四阀门(24)、第一螺纹(25)、第二螺纹(26)、第三螺纹(27)、密封台阶(28)、测量元件(29)、水泥环(30)、螺纹盲孔(31)、检测腔室(32)、通孔(33)、定位台阶(34)；其中，承压腔室(6)由外壁周向均匀分布有4个含螺纹盲孔(31)的内套管(5)、第一堵头(11)和第二堵头(12)组成，内套管(5)通过第一螺纹(25)和第二螺纹(26)与第一堵头(11)和第二堵头(12)连接，实现承压腔室(6)的密封；用于养护形成水泥环(30)的第一环空(3)由内套管(5)、外套管(2)和橡胶密封圈(14)组成，外套管(2)通过第三螺纹(27)与第三堵头(13)连接，第二堵头(12)与第三堵头(13)的定位台阶(34)配合实现内套管(5)在外套管(2)内的居中；第二环空(4)由外套管(2)、第二堵头(12)、第三堵头(13)、橡胶密封圈(14)组成，橡胶密封圈(14)安装在内套管(5)和外套管(2)的密封台阶(28)上，用于防止第一环空(3)内水泥环(30)养护过程中水泥浆的渗漏，且养护成型后取掉橡胶密封圈(14)与第二环空(4)形成检测腔室(32)；测量元件(29)由带通孔(33)的圆环(7)、六头螺栓(8)、环向无线应变传感器(9)和径向无线应变传感器(10)组成，六头螺栓(8)与圆环(7)上的通孔(33)及螺纹盲孔(31)彼此匹配且沿周向90°间隔均匀分布，六头螺栓(8)穿过通孔(33)将圆环(7)固定于内套管(5)外壁的螺纹盲孔(31)上，周向固定在圆环(7)上的环向无线应变传感器(9)用于动态测量圆环(7)的环向应变，径向固定在六头螺栓(8)上的径向无线应变传感器(10)用于动态测量六头螺栓(8)的径向应变；第一阀门(19)、进气管线(16)及普通压力表(18)用于控制承压腔室(6)的压力加载，第二阀门(20)、排气管线(17)及普通压力表(18)用于控制承压腔室(6)的压力卸载；精密压力表(22)、CO₂管线(21)、第三阀门(23)和第四阀门(24)用于控制检测腔室(32)的压力加卸载并结合位于内套管(5)外壁的红外CO₂传感器(15)动态监测水泥环(30)的完整性。

2.一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价方法，其采用权利要求1所述的一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置，其特征在于，所述的载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价方法包括以下步骤：

步骤一：采用六头螺栓(8)穿过通孔(33)将圆环(7)固定于内套管(5)外壁的螺纹盲孔(31)上，环向无线应变传感器(9)周向固定在圆环(7)上，径向无线应变传感器(10)径向固定在六头螺栓(8)上，红外CO₂传感器(15)安装在内套管(5)外壁上；

步骤二：将装好测量元件(29)的内套管(5)置于外套管(2)内，涂有黄油的橡胶密封圈(14)安装在内套管(5)和外套管(2)的密封台阶(28)上，第二堵头(12)通过第二螺纹(26)与内套管(5)连接，第三堵头(13)通过第三螺纹(27)与外套管(2)连接，并使第二堵头(12)与第三堵头(13)的定位台阶(34)配合，加热套(1)套在外套管(2)外壁上；

步骤三：关闭所有阀门，打开气源开关，打开第三阀门(23)，向第二环空(4)通入CO₂对橡胶密封圈(14)提供支撑力，实现第二环空(4)的密封；

步骤四：根据现场实际需求制备水泥浆体系，向第一环空(3)浇筑水泥浆，启动加热套(1)加热至设定温度养护形成水泥环(30)；

步骤五：养护成型后，打开第四阀门(24)，将第二环空(4)压力卸掉，卸掉后打开第二堵头(12)和第三堵头(13)，取掉橡胶密封圈(14)与第二环空(4)形成检测腔室(32)；

步骤六：将第二堵头(12)和第三堵头(13)通过第二螺纹(26)和第三螺纹(27)分别与内套管(5)和外套管(2)连接，将第一堵头(11)通过第一螺纹(25)与内套管(5)连接实现承压腔室(6)的密封；

步骤七：打开第三阀门(23)，向检测腔室(32)通入一定压力的CO₂气体，关闭第三阀门(23)；

步骤八：关闭第二阀门(20)，打开第一阀门(19)，将承压腔室(6)压力加载至模拟压力，此过程为模拟承压腔室(6)压力加载过程，实时监测和记录环向无线应变传感器(9)和径向无线应变传感器(10)的数据；

步骤九：关闭第一阀门(19)，打开第二阀门(20)，此过程为模拟承压腔室(6)压力卸载过程，实时监测和记录环向无线应变传感器(9)和径向无线应变传感器(10)的数据；

步骤十：关闭所有阀门，重复步骤八和步骤九，当观察到精密压力表(22)有所下降，表明水泥环(30)已经开始发生失效，记录此时水泥环(30)开始失效时的载荷谱次数、径向应变、环向应变；

步骤十一：继续重复步骤八和步骤九，直到红外CO₂传感器(15)检测到CO₂且其浓度急剧上升，表明水泥环(30)完全失效，记录此时水泥环(30)完全失效时的载荷谱次数、径向应变、环向应变，停止实验；

步骤十二：打开第二阀门(20)和第四阀门(24)，将承压腔室(6)压力、检测腔室(32)压力及管线压力卸掉，保存实验数据；

步骤十三：基于胡克定律，通过圆环(7)上环向无线应变传感器(9)记录的应变数据，使用公式σ_θ＝E₁ε₁计算水泥环(30)受到的环向应力，拉为正，压为负，公式中σ_θ为水泥环(30)的环向应力，MPa，E₁为圆环(7)弹性模量，GPa，ε₁为圆环(7)上的环向应变；通过六头螺栓(8)上径向无线应变传感器(10)记录的应变数据，使用公式σ_r＝E₂ε₂计算水泥环(30)受到来自内套管(5)的径向应力，拉为正，压为负，公式中σ_r为水泥环(30)受到来自内套管(5)的径向应力，MPa，E₂为六头螺栓(8)弹性模量，GPa，ε₂为六头螺栓(8)上的径向应变；

步骤十四：根据实时记录数据反演加载过程中水泥环(30)的径向应力/变形、环向应力/变形、裂纹萌生、起裂、扩展及失效行为并诊断水泥环(30)的失效形式：如果水泥环(30)的径向压应力σ_r大于等于水泥环(30)的抗压强度σ_s，水泥环(30)发生屈服失效；如果水泥环(30)的环向拉应力σ_θ大于等于水泥环(30)的抗拉强度σ_m，水泥环(30)发生环向开裂；

步骤十五：根据实时记录数据反演卸载过程中水泥环(30)的径向应力/变形、环向应力/变形、裂纹萌生、起裂、扩展及失效行为并诊断水泥环(30)的失效形式：如果水泥环(30)的径向拉应力σ_r大于等于水泥环(30)的界面抗拉胶结强度σ_b，水泥环(30)与内套管(5)发生界面分离，出现微环隙。

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