CN210660065U - 一种高仿真固井胶结强度联合测试辅助装置 - Google Patents
一种高仿真固井胶结强度联合测试辅助装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种高仿真固井胶结强度联合测试辅助装置，包括中硬地层中测试形态和松软地层中测试形态，分别可以测试中硬地层和松软地层中固井第一、二界面的胶结强度。本实用新型的优点在于：结构简单，减少整个装置的零部件数量，简化操作流程，降低零件间的配合难度与精度，方便量产的同时降低生产成本；可以快速模拟不同地层，提高水泥石‑地层胶结情况模拟的准确性；提高实验的简便性和可操作性。另外，达到一个物理模型测试两个界面胶结强度的目的。
Description
技术领域
本实用新型属于固井作业胶结强度的测试技术领域，特别涉及一种高仿真固井第一、二界面胶结强度联合测试辅助装置。
背景技术
固井作业是油气钻井工程中的重要环节，对维持井壁稳定性、防止层间窜流等具有重要作用。固井作业完成后，套管和地层与二者之间环空中的水泥石相互胶结，形成一个具有一定强度和封隔性能的联合体。固井水泥石与套管之间的胶结面称为第一界面，第一界面的胶结强度直接决定能有效支撑多少重量的套管，是套管选型的考量因素之一，同时胶结质量的好坏对测井准确性、以及防气窜能力有显著影响；而固井水泥石与地层胶之间的胶结面称为第二界面，第二界面是维持井壁力学稳定、防止气窜以及防止层间窜流的重要保障。对第一、二界面的胶结强度的测量有利于套管选型、固井水泥浆性能优化以及固井工艺参数的优选，对提高采集油气采收率、延长生产井寿命、提高长期经济效益具有重要作用。常见的第一、二界面的胶结强度的测试方法多样，相对比较成熟，但仍然需要进一步改善。如常用套管-水泥石-金属材料来模拟套管 -水泥石-地层系统，其方法简单快速，可重复性高，但水泥石-金属材料的胶结情况难以准确模拟水泥石与地层的胶结情况，导致测试结果对现场的指导性有限；通过先制作地层模拟样然后再进行固井模拟的实验准确性较高，然而工作量相对较大、单次实验略长，对于评价不同固井水泥浆配方或固井工艺的选择上效率相对较低。因此有必要设计一种高仿真简便的固井第一、二界面胶结强度联合测试辅助装置，同时拥有较高的实验准确性以及工作效率。
现有技术虽然可以测得同一水泥环不同界面的胶结强度值但其需拆卸、安装不同的支撑座，导致其操作比较繁琐。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术的缺陷，提供了一种高仿真固井胶结强度联合测试辅助装置，能有效的解决现有技术存在的问题。
本实用新型采取的技术方案如下：
一种高仿真固井胶结强度联合测试辅助装置，其特征在于：所述装置适用于中硬地层，包括部件：模拟地层1、模拟套管2、底座4、加压块5和底座环6；
其中底座4由带有环形凹槽14的基座11、环形底座垫片12和圆盘形底座垫片13组成，带有环形凹槽14的基座11置于圆盘形底座垫片13上，环形底座垫片12的内环直径与圆盘形底座垫片13的直径相同，圆盘形底座垫片13 设置于环形底座垫片12的内环内，所述基座11、环形底座垫片12和圆盘形底座垫片13三者同心；
模拟套管2嵌在环形凹槽14上，模拟地层1套在基座11外，且放置在环形底座垫片12上，模拟地层1和模拟套管2之间形成用于注入水泥的环形空间3；
环形凹槽14底面和环形底座垫片12之间高度差应等于模拟地层1和模拟套管2的高度差；
所述加压块5置于模拟套管2上，用于承受测试机的压力，并对模拟套管 2进行加压；加压块5为凸字形的两圆柱相连组成，小圆柱的直径略小于模拟套管2的外径，大圆柱的直径略小于模拟地层1的内径；
模拟地层1和模拟套管2的高度差等于加压块5的两圆柱高度差的二倍；
所述底座环6为圆环结构，与模拟地层1和模拟套管2之间皆为间隙配合；底座环6与水泥环下底面相贴合。
作为优选，环形底座垫片12和圆盘形底座垫片13之间、模拟地层1和模拟套管2与底座环6之间皆为间隙配合。
作为优选，所述装置适用于松软地层，包括以下部件：
模拟套管2、底座4、加压块5、底座环6、模拟地层B7、内模具8、外模具9和压制工具10；
模拟套管2、模拟地层B7、内模具8和外模具9都为圆环柱状结构且都放置于底座4上，模拟套管2外壁套入内模具8，内模具8外壁套入模拟地层B7、模拟地层B7外壁套入外模具9；
底座环6盖在模拟套管2和内模具8上，底座环6的外环与模拟地层B7 内壁间隙配合，底座环6的内环与模拟套管2的外壁间隙配合；
其中底座4由环形底座垫片12和圆盘形底座垫片13组成，环形底座垫片 12的内环嵌入圆盘形底座垫片13；圆盘形底座垫片13的直径等于内模具8的外径；
所述压制工具10下部圆环内径应略大于内模具8的外径，而下部圆环外径应略小于外模具9的内径；压制工具10用于压实模拟地层B7；
所述加压块5为置于底座环6上，加压块5形状为倒置凸字形，由小圆柱和大圆柱相连组成；其中小圆柱的直径小于模拟套管2的外径，大圆柱的直径小于模拟地层B7的内径。
与现有技术相比本实用新型的优点在于：
1.装置可以模拟不同地层中井壁与固井水泥环之间的胶结情况，且固井第一、二界面与实际较为贴近，仿真程度高，所测得的胶结强度对现场的指导性高，另外，一个物理模型可同时测量两个界面的胶结强度。
2.装置结构优化，所需的零部件较少，同一部件可分拆用于不同流程中。
3.操作简单，在养护模具装置基础上进行简单拆卸后，就可以作为测试装置进行水泥环的测试试验。
4.部件配合的难度与精度低，方便加工与批量生产。
附图说明
图1为本实用新型为中硬地层中固井界面测试时所用装置部件与水泥石制备示意图；
图2为本实用新型为中硬地层中固井第一、二界面胶结强度测试示意图；
图3为本实用新型为松软地层中固井界面测试时所用装置部件结构示意图；
图4为本实用新型压制工具的结构示意图；
图5为本实用新型为松软地层中固井水泥石制备示意图；
图6为本实用新型为松软地层中固井第二界面胶结强度测试示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型做进一步详细说明。
整个装置依据模拟测试对象的不同可分为两个部分，分别可以测试中硬地层和松软地层中固井第一、二界面的胶结强度，装置示意图与主要测试流程如图1-5所示。其中，图1和2主要表示中硬地层中测试固井界面所需要的仪器部件与主要流程，而图3-6主要表示松软地层中测试固井界面所需要的仪器部件与主要流程，两种地层中的测试所用部件与流程略有不同。
如图1和2所示，一种高仿真固井胶结强度联合测试辅助装置，
中硬地层中测试形态时，包括部件：
模拟地层1、模拟套管2、底座4、加压块5、底座环6；
其中底座4由带有环形凹槽14的基座11、环形底座垫片12和圆盘形底座垫片13组成，带有环形凹槽14的基座11置于圆盘形底座垫片13上，环形底座垫片12的内环直径与圆盘形底座垫片13的直径相同，圆盘形底座垫片13 设置于环形底座垫片12的内环内，所述基座11、环形底座垫片12和圆盘形底座垫片13三者同心。
模拟套管2嵌在环形凹槽14上，模拟地层1套在基座11外，且放置在环形底座垫片12上，模拟地层1和模拟套管2之间形成用于注入水泥的环形空间3，以形成水泥石。
环形凹槽14底面和环形底座垫片12之间高度差应等于模拟地层1和模拟套管2的高度差。
所述加压块5置于模拟套管2上，用于承受测试机的压力，并对模拟套管 2进行加压。加压块5为凸字形的两圆柱相连组成，小圆柱的直径略小于模拟套管2的外径，大圆柱的直径略小于模拟地层1的内径。
模拟地层1和模拟套管2的高度差等于加压块5的两圆柱高度差的二倍，以便达到测试完第一界面胶结强度后还能继续测试第二界面胶结强度的目的。
所述底座环6为圆环结构，与模拟地层1和模拟套管2之间皆为间隙配合，主要目的是为了在测试第一界面胶结强度时，防止第二界面也出现位移。底座环6使用时与水泥环下底面相贴合，即底座环6在测试第一界面强度时，应安放在环形空间3中以补齐固井水泥石与模拟地层1的高度差，测试完第一界面胶结强度后取出，然后继续测试第二界面胶结强度。
模拟地层1和模拟套管2与底座4之间、环形底座垫片12和圆盘形底座垫片13之间、模拟地层1和模拟套管2与底座环6之间皆为间隙配合。
为了拆装操作的方便，装置中模拟地层1和模拟套管2与底座4之间、环形底座垫片12和圆盘形底座垫片13之间、模拟地层1和模拟套管2与底座环 6之间皆为间隙配合，而当在模拟地层1、模拟套管2和底座4的环形空间3 中注入水泥浆以形成水泥环之前，需在底座4相应的缝隙处涂上密封脂(如凡士林)用以防止水泥浆外流以及底座与水泥胶结住。
通过在模拟地层1的内表面用环氧树脂粘接一定粒度与一定量的石英砂来模拟中硬地层井壁情况，而所粘接粒度与量根据所模拟的地层情况可以灵活调整，从而可以灵活地模拟不同类型的中硬地层，所测试的结果的与现场的匹配程度也相对较高。同时环氧树脂也可以通过有机溶剂进行清除，从而模拟地层 1也可以多次回收利用。而对于松软地层的模拟则需要先通过内模具8、外模具9以及压制工具10先制作模拟地层B7，然后再在地层与套管之间的环形空间3中注入水泥浆以形成水泥石。
如图3、4、5所示，用于松软地层测试形态
包括以下部件：
模拟套管2、底座4、加压块5、底座环6、模拟地层B7、内模具8、外模具9和压制工具10。
模拟套管2、模拟地层B7、内模具8、外模具9都为圆环柱状结构，且都放置于底座4上，模拟套管2外壁套入内模具8，内模具8外壁套入模拟地层B7、模拟地层B7外壁套入外模具9；
底座环6盖在模拟套管2和内模具8上，底座环6的外环与模拟地层B7 内壁间隙配合，底座环6的内环与模拟套管2的外壁间隙配合。
其中底座4由环形底座垫片12和圆盘形底座垫片13组成，环形底座垫片 12的内环嵌入圆盘形底座垫片13；圆盘形底座垫片13的直径等于内模具8的外径。
所述压制工具10主要是在制作模拟地层B7的过程中起压实作用，根据实验需要可压制不同密实程度(渗透率、孔隙度)的模拟地层B7。
所述加压块5为置于底座环6上，加压块5由倒置凸字形的两圆柱相连组成；小圆柱的直径小于模拟套管2的外径，大圆柱的直径小于外模具9的内径。
装置中模拟套管2的材料应与现场套管所用材料相同或接近，其它部件可用不锈钢制作，在测试过程中直接受压应力的底座4、加压块5和底座环6需进行淬火处理。装置的尺寸主要由模拟套管2来决定，而模拟套管2可根据实验需要制作成不同尺寸的标准石油套管尺寸即可，也可根据标准石油套管尺寸按比例缩放。
另外，当所制作的装置尺寸较大时，为了方便实验操作，模拟地层1和外模具9外表面、内模具8端面可留有螺口，同时配备相应的螺纹把手以方便拆卸和移动，示意图中没有给出。
使用方式之一：
实验目的主要是测试硬岩地层中固井第一、二界面的胶结强度。
首先根据图1和2所示选用测试所需的装置部件模拟地层1、模拟套管2、底座4、加压块5、底座环6，按图1所示进行组装。其中，模拟地层1的内表面通过环氧树脂粘接粗颗粒石英砂来模拟地层井壁情况；预先用凡士林涂抹环形空间3底面防止水泥浆注入时从缝隙流走。
其次，根据实验设计方案制备所需的固井水泥浆，注入图2所示的模拟地层1和模拟套管2之间的环形空间3中，在实验设计的环境中养护4天，然后拆卸掉底座4，并在底部套上底座环6。将测试装置放于测试机上，将加压块5 置于模拟套管2上并进行对准，启动测试机。加压块5受到测试机的压力，并对模拟套管2进行加压，当模拟套管2与水泥环出现移动时且水泥环尚未接触 c端面时停止加压，记录过程中压力值F1；然后去掉底座环6，继续加压，当加压块5的c端面与水泥环上端面接触后，且水泥环与模拟地层套管2出现移动时，停止加压，记录过程中压力值F2。则固井第一、二界面的胶结强度可分别表示为：
式中：
P1—第一界面胶结强度，m1—加压块5的质量，m2—模拟套管2的质量， D1—模拟套管2外径，H—水泥环高度。
式中：
P2—第二界面胶结强度，m3—水泥环的质量，D2—模拟地层1内径。
使用方式之二：
实验目的主要是测试粘土地层中固井二界面的胶结强度。
根据图3至6所示选用测试所需的装置部件模拟套管2、底座4、加压块5、底座环6、内模具8、外模具9和地层模拟制作时的压制工具10。
首先制作模拟地层B7，将所需部件按按图3所示进行组装，预先用凡士林涂抹环形空间3底面防止水泥浆注入时从缝隙流走。然后把搅拌混合好的粘土装入内模具8和外模具9之间，利用压制工具10对粘土料进行适当压实，制作过程中所用的粘土的配方以及压实压力的大小根据实验设计方案进行。接着移去底座环6和内模具8，将配制好的水泥浆注入地层与套管之间的环形空间 3中(液面高度+底座环6的高度应不低于地层高度)，在所需的条件下养护4 天，然后进行第二界面胶结强度测试。移去底座4中的圆盘形底座垫片13，将装置放于测试机上，
底座环6安置在水泥环上方，加压块5倒置并对准，如图5所示。启动测试机，加压块5与底座环6受到测试机的压力，并对水泥环进行加压，当水泥环与地层7之间出现移动且行走一段之后停止加压，记录过程中压力值F3。则固井第二界面的胶结强度可分别表示为：
式中：
P’2—第二界面胶结强度，D3—内模具8外径。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的实施方法，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。
Claims (3)
1.一种高仿真固井胶结强度联合测试辅助装置，其特征在于：所述装置适用于中硬地层，包括部件：模拟地层(1)、模拟套管(2)、底座(4)、加压块(5)和底座环(6)；
其中底座(4)由带有环形凹槽(14)的基座(11)、环形底座垫片(12)和圆盘形底座垫片(13)组成，带有环形凹槽(14)的基座(11)置于圆盘形底座垫片(13)上，环形底座垫片(12)的内环直径与圆盘形底座垫片(13)的直径相同，圆盘形底座垫片(13)设置于环形底座垫片(12)的内环内，所述基座(11)、环形底座垫片(12)和圆盘形底座垫片(13)三者同心；
模拟套管(2)嵌在环形凹槽(14)上，模拟地层(1)套在基座(11)外，且放置在环形底座垫片(12)上，模拟地层(1)和模拟套管(2)之间形成用于注入水泥的环形空间(3)；
环形凹槽(14)底面和环形底座垫片(12)之间高度差应等于模拟地层(1)和模拟套管(2)的高度差；
所述加压块(5)置于模拟套管(2)上，用于承受测试机的压力，并对模拟套管(2)进行加压；加压块(5)为凸字形的两圆柱相连组成，小圆柱的直径略小于模拟套管(2)的外径，大圆柱的直径略小于模拟地层(1)的内径；
模拟地层(1)和模拟套管(2)的高度差等于加压块(5)的两圆柱高度差的二倍；
所述底座环(6)为圆环结构，与模拟地层(1)和模拟套管(2)之间皆为间隙配合；底座环(6)与水泥环下底面相贴合。
2.根据权利要求1所述的一种高仿真固井胶结强度联合测试辅助装置，其特征在于：环形底座垫片(12)和圆盘形底座垫片(13)之间、模拟地层(1) 和模拟套管(2)与底座环(6)之间皆为间隙配合。
3.一种高仿真固井胶结强度联合测试辅助装置，其特征在于：所述装置适用于松软地层，包括以下部件：
模拟套管(2)、底座(4)、加压块(5)、底座环(6)、模拟地层B(7)、内模具(8)、外模具(9)和压制工具(10)；
模拟套管(2)、模拟地层B(7)、内模具(8)和外模具(9)都为圆环柱状结构且都放置于底座(4)上，模拟套管(2)外壁套入内模具(8)，内模具(8)外壁套入模拟地层B(7)、模拟地层B(7)外壁套入外模具(9)；
底座环(6)盖在模拟套管(2)和内模具(8)上，底座环(6)的外环与模拟地层B(7)内壁间隙配合，底座环(6)的内环与模拟套管(2)的外壁间隙配合；
其中底座(4)由环形底座垫片(12)和圆盘形底座垫片(13)组成，环形底座垫片(12)的内环嵌入圆盘形底座垫片(13)；圆盘形底座垫片(13)的直径等于内模具(8)的外径；
所述压制工具(10)下部圆环内径应略大于内模具(8)的外径，而下部圆环外径应略小于外模具(9)的内径；压制工具(10)用于压实模拟地层B(7)；
所述加压块(5)为置于底座环(6)上，加压块(5)形状为倒置凸字形，由小圆柱和大圆柱相连组成；其中小圆柱的直径小于模拟套管(2)的外径，大圆柱的直径小于模拟地层B(7)的内径。
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2019
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