CN202381076U - 固井界面胶结强度试验仪 - Google Patents
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Abstract
固井界面胶结强度试验仪，应用于石油钻探固井界面胶结强度试验。在外筒的外壁上固定有环压加压接头；在外筒内有橡胶筒，在橡胶筒内套有模拟固井套管的钢管在外筒的上端螺纹连接有上套筒；上内套筒螺纹固定在上套筒内；上压头套在上内套筒内，在上压头的上端固定有上加压接头；上压头的内端在橡胶筒内并且上压头的内端面压紧模拟固井套管的钢管上端面；钢管的下端与钢管的上端结构相同。效果是：将固井液样品灌入模拟固井套管的钢管内，经过养护成为固化体，并与钢管胶结在一起，能方便准确地测出固井液与套管的界面胶结强度，使仪器结构紧凑，操作方便，试验样品用量小，试验数据准确的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及石油钻探技术领域，具体涉及一种固井界面胶结强度试验仪。
背景技术
界面即两相的接触面，对于复合材料而言，界面胶结历来被认为是整体结构的薄弱环节。界面的结构、性质及改善，对复合材料的宏观行为有重要影响。复合材料由于其优异的性能在建筑材料中得到越来越广泛的应用，对界面的研究也就越来越成为重要的课题，目的是弄清界面的性质，对其进行改性，以改善材料的整体性能1。特别是混凝土和砂浆，由于浆体和集料之间有一个过渡区，其特点是多孔、疏松、晶体粗大且定向排列2。因此，水泥浆体和集料之间的反应及界面的物理状态对混凝土的力学性能和耐久性有重要的影响，界面胶结强度往往是整体结构强度的关键3。吴中伟教授4认为，在混凝土中，集料或钢筋等增强材料与水泥石之间的界面，一直被认为是薄弱环节，阻碍着混凝土性能的进一步提高；强度、抗渗、抗冻和耐蚀等重要性能常常因界面上存在的缺陷而受到损失，甚至受到严重的破坏。
因此，要想大幅度地提高水泥基复合材料的性能，为这一大类材料开阔新的用途，且能达到节能、经济和耐久等目的，首先必须深入研究界面问题，并有所突破。
对石油工程中的固井作业来说，界面环境更加复杂，影响因素更多，界面胶结强度对工程质量的影响就更大。固井的双界面胶结质量及强度，直接影响油井的使用寿命和开发效益已是一个不争的事实。特别是在开发后期的调整区块，层系细分，产层薄、隔层薄，通常还要采取增产措施后才能进行生产，对固井界面的胶结质量要求更高。因此，随着油田开采强度的加大，对封固界面抗冲蚀破坏性能要求越来越高，迫切需要解决影响界面胶结质量的各种问题，特别是流体渗流条件下的界面胶结强度的建立和保持问题。
越来越多的工程实践表明，对于石油工程中的固井和挤堵作业涉及的界面胶结质量和强度问题，仅仅局限于固井液体系的改进完善是很不够的，要想真正实现技术上的突破，就必须开展胶结界面微观结构的基础研究工作5。国内外已越来越重视固井界面的研究工作，认为界面胶结质量是影响油气井使用寿命的关键因素。固井界面封固失效，会降低开发效益，引起环保(污染地下水源)和安全(天然气窜到地面)的危害6。深入开展固井界面的研究工作，对全面提高固井工程和油水井堵漏的界面胶结质量，适应油田开发的各种特殊要求，提高油气井使用寿命、保护油气层和提高开发效益有重要意义。
而开展固井胶结界面的基础研究工作，一个首要的问题就是如何更好地模拟评价固井界面的胶结强度，这个问题不解决，固井界面的基础研究工作无从开展。
目前，国内外对固井界面胶结强度的研究评价方法主要有以下几种：
(1)哈尔滨建筑大学和大庆钻井工艺研究所王详林，钟启刚等人7为了研究在一定温度和压力下固化体的动态力学性能，他们和中科院力学研究所合作，研制了一台带围压和温度的多功能材料动态性能测试装置，可分别进行材料的拉伸，压缩和扭转试验。拉压试验可在三向应力状态下进行，能够测定出动静态弹性模量，动态断裂韧性和破碎吸收能等参数。模拟固井射孔综合试验装置模拟固井条件进行射孔试验，以检验射孔时各种改性配方制作的水泥环的实际力学状态，通过验窜压力能够测定出界面胶结强度。该仪器的特点是功能齐全，但造价昂贵，试验操作复杂，不能进行大量的界面胶结强度探索试验。
(2)J.J.Nahm和R.N.Romero8为研究矿渣MTC固化体的界面封隔性能使用了带一个长剪切管和两个短剪切管的HTHP剪切胶结强度试验仪，能够测出剪切胶结强度，剪切破坏后活塞与固化体表面的摩擦力，更重要的是能够测出剪切破坏后再养护两周的剪切胶结强度。该仪器不能通过施加水力压力或气体压力测定出样品的水力界面胶结强度，只能测定界面的剪切胶结强度。
(3)罗长吉，王允良9等人专门设计了“水泥环界面胶结强度仪”和“水泥环界面压窜试验仪”等装置开展了水泥环界面胶结强度与水泥抗压强度关系的研究；水泥界面胶结强度发展规律的研究；水泥界面胶结强度与表观体积胀缩特性的关系研究及水泥界面胶结强度与水泥水化热效应的关系研究，对水泥界面胶结特性取得了一些认识。该仪器存在的问题是仍然是不能进行大量的试验，设备结构复杂，操作不方便。
综上所述的仪器具有以下缺点：a.其结构过于复杂，操作起来不方便，过于复杂的结构也使成本过大，限制了它的广泛应用，维修起来也不方便；b.需要配制大量的固井液，不适合于开展大量的试验研究工作，测量效率太低。c.大多数的国内外常用的固井界面胶结强度评价仪器测量的数据重现性差，每次试验的结果难以吻合。d.多数仪器不能测胶结界面的抗气窜和抗水窜强度。
实用新型内容
本实用新型的目的是：提供一种固井界面胶结强度试验仪，能够较好地模拟固井水泥环与套管的胶结界面，数据重现性好，具有结构简单、成本低廉、操作方便，试验浆体用量小，短时间内可以开展大量试验工作。
本实用新型采用的技术方案是：固井界面胶结强度试验仪，包括上加压接头、上内套筒、上套筒、上压头、外筒、橡胶筒、环压空腔、模拟固井套管的钢管、下压头、环压加压接头、下内套筒、下套筒和下加压接头。其特征在于：外筒中部内壁有环压空腔；在外筒的外壁上固定有环压加压接头，环压加压接头中心孔与环压空腔连通；在外筒内有橡胶筒，在橡胶筒内套有模拟固井套管的钢管；外筒的两端分别有内螺纹；
在外筒的上端螺纹连接有上套筒，上套筒的内端面与橡胶筒的上端面压紧；上套筒有内螺纹，上内套筒螺纹固定在上套筒内；上内套筒有中心孔，上压头套在上内套筒内，上压头为阶梯圆柱体形有中心孔，在上压头的上端固定有上加压接头，上加压接头与上压头的中心孔连通；上压头的内端在橡胶筒内并且上压头的内端面压紧模拟固井套管的钢管上端面；
在外筒的下端螺纹连接有下套筒，下套筒的内端面与橡胶筒的下端面压紧；下套筒有内螺纹，下内套筒螺纹固定在下套筒内；下内套筒有中心孔，下压头套在下内套筒内，下压头为阶梯圆柱体形有中心孔，在下压头的下端固定有下加压接头，下加压接头与下压头的中心孔连通；下压头的内端在橡胶筒内并且下压头的内端面压紧模拟固井套管的钢管下端面。
所述的模拟固井套管的钢管采用的是不锈钢钢管或普通钢管，外径在20～40mm之间，内径在18～35mm之间，长度在70～130mm之间。
所述的上压头和下压头中心孔的直径在2～6mm之间。
简述固井界面胶结强度试验仪的实验过程。参阅图1。将要测试的固井液样品从模拟固井套管的钢管9上端灌入，下端临时密封，填实并将上端密封。然后放入专用的养护釜中加压。固井界面胶结强度试验仪的加压方式主要有两种：(a)使用手动液压泵或平流泵施加水力压力，模拟井下地层水对水泥环胶结界面施加的水力压力，测定样品的抗水窜强度；(b)使用高压氮气瓶施加气体压力，模拟井下天然气对水泥环胶结界面施加的气体压力，测定样品的抗气窜强度。
在规定的压力、温度和养护时间的条件下进行养护，使固井液样品成为固井液样品固化体10，并胶结在钢管9内，形成水泥浆固化体与钢管的胶结界面8；模拟固井液对套管的胶结工况。固井液样品可以是油井水泥净浆，也可以是各种配方的固井液浆体。通过改变试样的养护条件，形成不同的胶结界面，从而模拟出油气井不同温度、压力、时间条件下的胶结界面，还能模拟动态条件和静态养护条件下形成胶结界面，为全面深入地研究固井界面的微观结构、力学性能创造了有利条件。
本实用新型的有益效果：本实用新型固井界面胶结强度试验仪，由于将固井液样品灌入模拟固井套管的钢管内，经过特定条件下的养护成为固化体，并与钢管胶结在一起，形成了模拟水泥浆与固井套管胶结的模拟胶结界面，通过施加流体压力可以方便准确地测出固井液与套管的界面胶结强度，使仪器结构紧凑，操作方便，试验样品用量小，适用于进行大量的试验研究，数据重现性好。通过旋紧上内套筒和下内套筒，使上压头、钢管和下压头形成的部件组合紧密固定在仪器内的胶筒内，并通过对胶筒施加环压实现对部件组合的周向密封，所以具有周向密封性好，能承受较高试验压力，试验数据准确的特点。
附图说明
图1是本实用新型固井界面胶结强度试验仪结构剖面示意图。
图中，1-上加压接头；2-上内套筒；3-上套筒；4-上压头；5-外筒；6-橡胶筒；7-环压空腔；8-水泥浆固化体与钢管的胶结界面；9-模拟固井套管的钢管；10-固井液样品固化体；11-下压头；12-环压加压接头；13-下内套筒；14-下套筒；15-下加压接头。
具体实施方式
实施例1：以一个固井界面胶结强度试验仪为例，对本实用新型作进一步详细说明。
参阅图1。本实用新型固井界面胶结强度试验仪，包括上加压接头1、上内套筒2、上套筒3、上压头4、外筒5、橡胶筒6、环压空腔7、模拟固井套管的钢管9、下压头11、环压加压接头12、下内套筒13、下套筒14和下加压接头15。
外筒5中部内壁有环压空腔7；在外筒5的外壁上固定有环压加压接头12，环压加压接头12中心孔与环压空腔7连通；在外筒5内有橡胶筒6，在橡胶筒6内套有模拟固井套管的钢管9，模拟固井套管的钢管9外径是30mm，内径为22mm，长度为110mm的不锈钢钢管。外筒5的两端分别有内螺纹。
在外筒5的上端螺纹连接有上套筒3，上套筒3的内端面与橡胶筒6的上端面压紧；上套筒3有内螺纹，上内套筒2螺纹固定在上套筒3内；上内套筒2有中心孔，上压头4套在上内套筒2内，上压头4为阶梯圆柱体形有中心孔，上压头4中心孔直径为4mm。在上压头4的上端固定有上加压接头1，上加压接头1与上压头4的中心孔连通；上压头4的内端在橡胶筒6内并且上压头4的内端面压紧模拟固井套管的钢管9上端面。
在外筒5的下端螺纹连接有下套筒14，下套筒14的内端面与橡胶筒6的下端面压紧；下套筒14有内螺纹，下内套筒13螺纹固定在下套筒14内；下内套筒13有中心孔，下压头11中心孔直径为4mm。下压头11套在下内套筒13内，下压头11为阶梯圆柱体形有中心孔，在下压头11的下端固定有下加压接头15，下加压接头15与下压头11的中心孔连通；下压头11的内端在橡胶筒6内并且下压头11的内端面压紧模拟固井套管的钢管9下端面。
Claims (3)
1.一种固井界面胶结强度试验仪，包括上加压接头(1)、上内套筒(2)、上套筒(3)、上压头(4)、外筒(5)、橡胶筒(6)、环压空腔(7)、模拟固井套管的钢管(9)、下压头(11)、环压加压接头(12)、下内套筒(13)、下套筒(14)和下加压接头(15)；其特征在于：外筒(5)中部内壁有环压空腔(7)；在外筒(5)的外壁上固定有环压加压接头(12)，环压加压接头(12)中心孔与环压空腔(7)连通；在外筒(5)内有橡胶筒(6)，在橡胶筒(6)内套有模拟固井套管的钢管(9)；外筒(5)的两端分别有内螺纹；
在外筒(5)的上端螺纹连接有上套筒(3)，上套筒(3)的内端面与橡胶筒(6)的上端面压紧；上套筒(3)有内螺纹，上内套筒(2)螺纹固定在上套筒(3)内；上内套筒(2)有中心孔，上压头(4)套在上内套筒(2)内，上压头(4)为阶梯圆柱体形有中心孔，在上压头(4)的上端固定有上加压接头(1)，上加压接头(1)与上压头(4)的中心孔连通；上压头(4)的内端在橡胶筒(6)内并且上压头(4)的内端面压紧模拟固井套管的钢管(9)上端面；
在外筒(5)的下端螺纹连接有下套筒(14)，下套筒(14)的内端面与橡胶筒(6)的下端面压紧；下套筒(14)有内螺纹，下内套筒(13)螺纹固定在下套筒(14)内；下内套筒(13)有中心孔，下压头(11)套在下内套筒(13)内，下压头(11)为阶梯圆柱体形有中心孔，在下压头(11)的下端固定有下加压接头(15)，下加压接头(15)与下压头(11)的中心孔连通；下压头(11)的内端在橡胶筒(6)内并且下压头(11)的内端面压紧模拟固井套管的钢管(9)下端面。
2.根据权利要求1所述的一种固井界面胶结强度试验仪，其特征在于：所述的模拟固井套管的钢管(9)采用的是不锈钢钢管或普通钢管，外径在20～40mm之间，内径在18～35mm之间，长度在70～130mm之间。
3.根据权利要求1所述的一种固井界面胶结强度试验仪，其特征在于：所述的上压头(4)和下压头(11)中心孔的直径在2～6mm之间。
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