CN203097874U - 一种固井水泥环性能模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：它包括一套泥饼循环装置、一套水泥环性能检测装置和一套胶结面剪切力实验装置；泥饼循环装置可以用于模拟钻井过程、洗井过程以及固井试样的制作；水泥环性能检测装置可以用于检测固井试样中水泥环内、外侧胶结面的密封性及失效形式；胶结面剪切力实验装置可以用于测试胶结面的剪切力。本实用新型由于采用的套管试样与实际固井中应用的套管材料和尺寸相同，所用的地层试样为标准的人造地层试样，其孔渗特性、强度特性及流体特性等均与实际井中的地层特性相同，因此本实用新型能够真实地模拟全尺寸固井动态变化，且模拟条件准确。本实用新型可以广泛用于各种固井动态变化的模拟实验中。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种模拟实验装置，特别是关于一种在油/气井下实际温压条件下，能够模拟固井动态变化的固井水泥环性能模拟实验装置。
背景技术
目前，在水泥胶结固井过程中，钻井液泥饼的厚度及形成过程对固井水泥环胶结强度的影响很大，而由于受到泵压、接触时间和环空体积等因素的影响，冲洗液冲洗井过程的顶替效率不是很好，因此为了模拟井下钻井、洗井动态变化工况，研究不同条件下固井后水泥环胶结强度的变化，改善水泥胶结固井效果，目前国内出现了不少模拟钻井和固井过程的实验装置。但是由于水泥环的胶结强度还取决于水泥浆高度和水泥环直径，实际尺寸的环空与按照比例缩小的环空对胶结强度的影响不一样，目前国内同类型的实验装备均不完善，要么不能完全模拟现场实际储层孔渗特性，要么不能模拟套管及水泥环的实际尺寸，要么不能真实模拟泥饼的形成过程与泥饼厚度,及泥饼形成后的洗井过程等对第二胶结面强度的影响。
发明内容
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种功能全面，模拟条件准确，实验方法有效且能够模拟全尺寸固井动态变化的固井水泥环性能模拟实验装置。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：它包括一套泥饼循环装置、一套水泥环性能检测装置和一套胶结面剪切力实验装置；所述泥饼循环装置包括一具有通液口的下釜盖，所述下釜盖的顶面焊接有一筒体，且在所述下釜盖的凹缘内设置有一下托架，所述下托架顶面设置有一地层试样，所述地层试样顶面设置有一上托架，所述上托架顶面设置有一与所述筒体密封连接的、且具有侧面出液口和中心测井口的上釜盖，所述筒体中心设置有一连接驱动装置的实验工具；所述水泥环性能检测装置包括一具有通液口的下釜盖，所述下釜盖的顶面焊接有一具有侧面进口的筒体，且在所述下釜盖的凹缘内设置有一下托架，所述下托架顶面设置有一固井试样，所述固井试样顶面设置有一与所述筒体密封连接的、且具有中心测井口的上釜盖；所述胶结面剪切力实验装置包括一底座，所述底座顶面中心设置有一凸柱，所述底座顶面设置有一插设在所述凸柱上的垫块，所述垫块顶面设置有一固井试样，所述固井试样顶面设置有一冲压板，所述冲压板的底面设置有一圈凸缘；所述固井试样包括一设置在外层的地层试样、一设置内层的套管试样和一将所述地层试样与所述套管试样胶结在一起的水泥环。
所述实验工具为一钻杆，所述钻杆上端通过一顶针连接在所述上托架中心，下端通过一转轴连接在所述下釜盖的中心，且所述转轴通过传动机构连接一电机。
所述实验工具为一洗井管，所述洗井管包括一输液管和一通过上封板和下封板连接在所述输液管上的套筒，所述下封板设置有若干垂向排液口，所述上、下封板之间的所述输液管上设置有若干径向排液口，所述下封板底面中心设置有一转轴，所述转轴穿过所述下釜盖，并通过传动机构连接一电机；所述输液管顶部穿过所述上托板，转动支撑在所述中心测井口处。
所述下托架包括一外圆环，在所述外圆环的内径设置有至少三个伸出爪，所述三个伸出爪通过一内圆环连接成一体，所述内圆环内的各所述伸出爪的高度均低于所述内圆环外的相应所述伸出爪的高度，且在分界处形成的凹台处设置有用于安装密封圈的凹槽。
所述上托架包括一圆环，在所述圆环的内径设置有至少三个伸出爪，所述三个伸出爪的末端共同连接一具有中心孔的圆盘。
所述垫块包括分别使用的两块，其中一所述垫块的外径与所述套管试样的外径相匹配，另一所述垫块的顶面边缘设置有一圈凸缘，且凸缘的内、外径与所述水泥环的内、外径相匹配；所述冲压板包括分别使用的两块，其中一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述套管试样的外径，小于所述水泥环的外径；另一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述水泥环的外径。
本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型由于采用的套管试样与实际固井中应用的套管材料和尺寸相同，所用的地层试样为标准的地层试样，地层试样的孔渗特性、强度特性及流体特性等均与实际油/气井中的地层特性相同，因此本实用新型能够真实地模拟全尺寸固井动态变化，且模拟条件准确。2、本实用新型的模拟实验装置中由于设置了泥饼循环装置，因此只要在模拟实验装置内装配上钻井杆或洗井管，就可以模拟实际钻井过程中钻井液泥饼的形成过程，或冲洗液冲洗井过程。3、本实用新型的模拟实验装置中由于设置了水泥环性能检测装置，因此只要向水泥环性能检测装置中注入液体、气体或二氧化碳，就可以分别检测各种液体或气体对水泥环胶结面的影响，以及二氧化碳对水泥环胶结面的腐蚀作用。4、本实用新型由于在泥饼循环装置和水泥环性能检测装置上分别设置有上釜盖和下釜盖，装置内的温度和压强均可以调节，因此，不但可以模拟实际井下温压条件下固井工况的动态变化，而且可以检测实际井下温压条件下水泥环的密封性。本实用新型模拟实验装置功能全面，实验方法简单有效，它可以广泛用于各种固井动态变化的模拟实验中。
附图说明
图1是本实用新型泥饼循环装置结构示意图
图2是本实用新型水泥环性能检测装置结构示意图
图3是本实用新型胶结面剪切力实验装置结构示意图
图4是本实用新型安装有洗井管的泥饼循环装置结构示意图
图5是本实用新型泥饼循环装置下托架结构示意图
图6是图5的A-A剖视图
图7是本实用新型泥饼循环装置上托架结构示意图
图8是图7的A-A剖视图
图9是本实用新型胶结面剪切力实验装置底座结构示意图
图10是本实用新型胶结面剪切力实验装置小垫块结构示意图
图11是本实用新型胶结面剪切力实验装置大垫块结构示意图
图12是本实用新型胶结面剪切力实验装置小冲压板结构示意图
图13是本实用新型胶结面剪切力实验装置大冲压板结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。
如图1、图2、图3所示，本实用新型装置包括泥饼循环装置1、水泥环性能检测装置2和胶结面剪切力实验装置3。
如图1、图4所示，泥饼循环装置1包括下釜盖11、下托架12、筒体13、上托架14、上釜盖15、地层试样16，根据实验的要求在筒体内3还设置有钻杆7或洗井管8等实验工具。下釜盖11的顶面和底面中心分别设置有一圈凹缘111、112，在顶面凹缘112上垂向设置有一通液口113。
如图5、图6所示，泥饼循环装置1的下托架12包括一外圆环121，在外圆环121的内径设置有至少三个伸出爪122，三个伸出爪122通过一内圆环123连接成一体，内圆环内123的各伸出爪122的高度均低于内圆环123外的相应伸出爪122的高度，且在分界处形成有一凹台124，凹台124立面凹设有用于安装密封圈的凹槽125。下托架12装配在下釜盖11顶面的凹缘112内（如图1所示）。
如图1、图4所示，泥饼循环装置1的筒体13上部设置有内螺纹131，在内螺纹下方的筒体13内设置有一圈内凸缘132，内凸缘132的立面设置有两圈用于安装密封圈133的凹槽，筒体13的底部焊接在下釜盖11上。
如图7、图8所示，泥饼循环装置1的上托架14包括一圆环141，在圆环141的内径设置有至少三个伸出爪142，各伸出爪142的末端共同连接一具有中心孔143的圆盘144。
如图1、图4所示，泥饼循环装置1的上釜盖15下部通过其上设置的外螺纹和两密封圈133密封连接在筒体13的上端，上釜盖15顶部具有一向上的凸起151，在凸起151侧面设置有供钻井液和洗井液排出的出液口152，在凸起151顶面中心设置有中心测井口153。上釜盖15的顶部可以设置有连接起吊装置的吊环154。
泥饼循环装置1的地层试样16呈环状坐在下托架12的外圆环121上，上托架14放置在地层试样的顶端，将上釜盖15旋紧在筒体13顶部后，上釜盖15的底面可以压紧上托架14。
泥饼循环装置1的钻杆17上端和下端各设置一封板171、172，上封板171中心固定连接一顶针173，下封板172中心固定连接一转轴174。使用钻杆17时，上封板171的顶针173插入上托架14的中心孔143中，下封板172的转轴174下部穿出下釜盖11，并通过传动机构与电机（图中未示出）连接。
如图4所示，泥饼循环装置1的洗井管18包括一套筒181，套筒181的上、下端各焊接有一封板182、183，上、下封板182、183的中心共同固定连接一输液管184，下封板183上设置有若干垂向排液口185，且下封板183的底面中心焊接有一转轴186；上、下封板182、183之间的输液管184上设置有若干径向排液口187。需要洗井时将钻杆17取出，将下封板底面的转轴下部穿出下釜盖11，并通过传动机构与电机连接；输液管184顶部穿过上托板14，并通过一圆盘188转动支撑在中心测井口153处。
如图2所示，本实用新型的水泥环性能检测装置2包括下釜盖21、下托架22、筒体23、固井试样24和上釜盖25。
水泥环性能检测装置2的下釜盖21与泥饼循环装置1的下釜盖11类似，二者相同之处是：顶面也具有一圈凹缘211，垂向设置有一通液口212；二者不同之处是：下釜盖21的底面为平面。
水泥环性能检测装置2的下托架22与泥饼循环装置1的下托架12完全相同，在此不再赘述。
水泥环性能检测装置2的筒体23与泥饼循环装置1的筒体13类似，二者相同之处是：筒体23上部也设置有内螺纹231，在内螺纹下方的筒体23内设置有一圈内凸缘232，内凸缘232内立面设置有两圈用于安装密封圈233的凹槽，筒体23焊接在下釜盖21上；二者不同之处是：筒体23的筒壁上设置有一进口234，用于进液、进气等。
水泥环性能检测装置2的固井试样24包括设置在外层的地层试样16，设置在内层的套管试样241，填充在套管试样241与地层试样16之间的环空体积中、将套管试样241与地层试样16胶结在一起的水泥环242。固井试样24坐在下托架22上。
水泥环性能检测装置2的上釜盖25与泥饼循环装置1的上釜盖15类似，二者相同之处是：上釜盖25下部通过其上设置的外螺纹和两密封圈251密封连接在筒体23的上端，上釜盖25的顶部可以设置连接起吊装置的吊环253；二者不同之处是：上釜盖25没有向上的凸起151，而是在上釜盖25的中心设置一测井口253。
如图3所示，本实用新型的胶结面剪切力实验装置3包括底座31、垫块32和冲压板33。
如图3、图9所示，胶结面剪切力实验装置3的底座31顶面中心设置有一凸柱311。
如图3所示，胶结面剪切力实验装置3的垫块32底面中心设置有一与底座31上的凸柱配合的凹孔321。本实用新型根据测试的需要设置有不同尺寸的垫块32，比如：如图10所示，当需要测试套管241与水泥环242之间胶结面的剪切力时，可以使用直径与套管试样241外径相匹配的垫块32，即垫块的外径与套管试样241的外径相同或稍小，但不能小于套管试样241的内径；如图11所示，当需要测试水泥环242与地层试样16之间胶结面的剪切力时，可以使用直径与地层试样16内径相匹配的垫块32，此时垫块32边缘设置有一圈凸缘322，凸缘322的内、外径尺寸与水泥环242的内、外径尺寸相匹配，即凸缘322的内、外径尺寸与水泥环242的内、外径尺寸相同或稍小。
如图3所示，胶结面剪切力实验装置3的冲压板33包括一圆盘331，圆盘331的底面设置有一圈凸缘332。本实用新型根据测试的需要设置有不同尺寸的冲压板33，比如：如图12所示，当需要测试套管241与水泥环242之间胶结面的剪切力时，可以使用凸缘332内径与套管试样241外径相匹配的冲压板33，即凸缘332内径与套管试样241外径相同或稍大，但不能大于水泥环242的外径；如图13所示，当需要测试水泥环242与地层试样16之间胶结面的剪切力时，可以使用凸缘334内径与地层试样16内径相匹配的冲压板33，即冲压板33的凸缘334内径与地层试样16内径相同或稍大。
本实用新型的使用方法包括固井试样的制作、水泥环密封性的检测和水泥环两个胶结面剪切力的测试，各步骤如下：
1）固井试样的制作
a、将地层试样16放入泥饼循环装置1的筒体13中，将钻杆17安装在筒体13内，盖好上釜盖15，并封住上釜盖15上部的中心测井口153，启动电机带动钻杆17转动，同时从下釜盖11的通液口113连续注入钻井液，钻井液从上釜盖15的出液口152流出，被钻杆17带起的钻井液会挂设在地层试样16的内壁形成泥饼；
b、关闭电机，取出钻杆17，通过声波测井仪测量粘接在地层试样16内壁的泥饼层厚度；
c、封住下釜盖11上的通液口113，将洗井管18安装在筒体13内，盖好上釜盖15，并将输液管184的上部转动支撑在上釜盖15的中心测井口153处，启动电机带动洗井管18转动，同时从洗井管18中心的输液管184顶部注入洗井液，洗井液从下封板183的排液口185流出，并向上充填在地层试样16与洗井管18之间的环空中，洗井管18的转动起到搅拌洗井液的作用，洗井液从上釜盖15的出液口152流出；
d、关闭电机，取出洗井管18，通过声波测井仪测量洗井后粘接在地层试样16内壁的泥饼层厚度，并通过计算得到洗井前、后钻井液泥饼厚度的变化。
e、在上、下托架12、14之间装入套管试样241，并向套管试样241与地层试样16之间的环空内注入固井水泥形成水泥环242，待水泥环242凝固后，便形成一将套管试样241和地层试样16胶结在一起的固井试样24；
2）水泥环的密封性能和耐腐蚀性能的检测
a、模拟油井在流体压力作用下水泥环242胶结面密封性检测实验时，首先将步骤1）得的固井试样24放入水泥环性能检测装置2中，然后从筒体23的进口234注入油水混合物至筒体23与固井试样24之间的环空中，使油水混合物通过地层试样16渗入水泥环242，并从下斧盖21上的通液口212流出，最后利用声波测试仪测量得到油水混合物浸入后，水泥环242内、外两个胶结面的声波曲线；
b、模拟气井在气体压力作用下水泥环胶结面密封性检测实验时，首先将步骤1）得的固井试样24放入水泥环性能检测装置2中，然后从筒体23的进口234注入氮气至筒体23与固井试样24之间的环空中，使氮气通过地层试样16渗入水泥环242，并从下斧盖21上的通液口212流出，最后利用声波测试仪测量得到氮气浸入后，水泥环242内、外两个胶结面的声波曲线；
c、模拟二氧化碳腐蚀情况下水泥环胶结面的失效形式时，首先将步骤1）得的固井试样24放入水泥环性能检测装置2中，然后从筒体23的进口234注入二氧化碳气体至筒体23与固井试样24之间的环空中，使二氧化碳气体通过地层试样16渗入水泥环，并从下斧盖21上的通液口212流出，最后利用声波测试仪测量得到二氧化碳气体浸入后，水泥环242内、外两个胶结面的声波曲线；
3）套管试样与水泥环之间胶结面剪切力的检测
a、在胶结面剪切力实验装置3中，选择一外径与套管试样241外径相匹配的垫块32，并装配在底座31上；
b、将步骤1）得到的固井试样24坐在垫块32上；
c、选择一凸缘内径与套管试样241外径匹配的冲压板33，并压在固井试样24的顶面；
d、向冲压板33施加压力，并记录在施压过程中，套管试样与水泥环之间胶结面剪切力的实时数据；
4）水泥环与地层试样之间胶结面剪切力的检测
a、在胶结面剪切力实验装置3中，选择一外径与水泥环242外径相匹配的垫块32，并装配在底座31上；
b、将步骤1）得到的固井试样24坐在垫块32上；
c、选择一凸缘内径与水泥环242外径匹配的冲压板33，并压在固井试样24的顶面；
d、向冲压板33施加压力，并记录在施压过程中，地层试样16与水泥环242之间胶结面剪切力的实时数据。
上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。
Claims (10)
1.一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：它包括一套泥饼循环装置、一套水泥环性能检测装置和一套胶结面剪切力实验装置；
所述泥饼循环装置包括一具有通液口下釜盖，所述下釜盖的顶面焊接有一筒体，且在所述下釜盖的凹缘内设置有一下托架，所述下托架顶面设置有一地层试样，所述地层试样顶面设置有一上托架，所述上托架顶面设置有一与所述筒体密封连接的、且具有侧面出液口和中心测井口的上釜盖，所述筒体中心设置有一连接驱动装置的实验工具；
所述水泥环性能检测装置包括一具有通液口的下釜盖，所述下釜盖的顶面焊接有一具有侧面进口的筒体，且在所述下釜盖的凹缘内设置有一下托架，所述下托架顶面设置有一固井试样，所述固井试样顶面设置有一与所述筒体密封连接的、且具有中心测井口的上釜盖；
所述胶结面剪切力实验装置包括一底座，所述底座顶面中心设置有一凸柱，所述底座顶面设置有一插设在所述凸柱上的垫块，所述垫块顶面设置有一固井试样，所述固井试样顶面设置有一冲压板，所述冲压板的底面设置有一圈凸缘；
所述固井试样包括一设置在外层的地层试样、一设置内层的套管试样和一将所述地层试样与所述套管试样胶结在一起的水泥环。
2.如权利要求1所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述实验工具为一钻杆，所述钻杆上端通过一顶针连接在所述上托架中心，下端通过一转轴连接在所述下釜盖的中心，且所述转轴通过传动机构连接一电机。
3.如权利要求1所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述实验工具为一洗井管，所述洗井管包括一输液管和一通过上封板和下封板连接在所述输液管上的套筒，所述下封板设置有若干垂向排液口，所述上、下封板之间的所述输液管上设置有若干径向排液口，所述下封板底面中心设置有一转轴，所述转轴穿过所述下釜盖，并通过传动机构连接一电机；所述输液管顶部穿过所述上托板，转动支撑在所述中心测井口处。
4.如权利要求1或2或3所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述下托架包括一外圆环，在所述外圆环的内径设置有至少三个伸出爪，所述三个伸出爪通过一内圆环连接成一体，所述内圆环内的各所述伸出爪的高度均低于所述内圆环外的相应所述伸出爪的高度，且在分界处形成的凹台处设置有用于安装密封圈的凹槽。
5.如权利要求1或2或3所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征 在于：所述上托架包括一圆环，所述圆环的内径设置有至少三个伸出爪，所述三个伸出爪的末端共同连接一具有中心孔的圆盘。
6.如权利要求4所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述上托架包括一圆环，在所述圆环的内径设置有至少三个伸出爪，所述三个伸出爪的末端共同连接一具有中心孔的圆盘。
7.如权利要求1或2或3所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述垫块包括分别使用的两块，其中一所述垫块的外径与所述套管试样的外径相匹配，另一所述垫块的顶面边缘设置有一圈凸缘，且凸缘的内、外径与所述水泥环的内、外径相匹配；所述冲压板包括分别使用的两块，其中一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述套管试样的外径，小于所述水泥环的外径；另一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述水泥环的外径。
8.如权利要求4所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述垫块包括分别使用的两块，其中一所述垫块的外径与所述套管试样的外径相匹配，另一所述垫块的顶面边缘设置有一圈凸缘，且凸缘的内、外径与所述水泥环的内、外径相匹配；所述冲压板包括分别使用的两块，其中一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述套管试样的外径，小于所述水泥环的外径；另一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述水泥环的外径。
9.如权利要求5所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述垫块包括分别使用的两块，其中一所述垫块的外径与所述套管试样的外径相匹配，另一所述垫块的顶面边缘设置有一圈凸缘，且凸缘的内、外径与所述水泥环的内、外径相匹配；所述冲压板包括分别使用的两块，其中一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述套管试样的外径，小于所述水泥环的外径；另一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述水泥环的外径。
10.如权利要求6所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述垫块包括分别使用的两块，其中一所述垫块的外径与所述套管试样的外径相匹配，另一所述垫块的顶面边缘设置有一圈凸缘，且凸缘的内、外径与所述水泥环的内、外径相匹配；所述冲压板包括分别使用的两块，其中一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述套管试样的外径，小于所述水泥环的外径；另一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述水泥环的外径。
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