CN215339309U - 一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置，其特征在于，装置主要包括：直角台肩、上腔体、第一锥形台肩、下腔体、水泥环、内螺纹、下组合垫圈、承压腔室、上组合垫圈、高精度应变计、第二锥形台肩、定位孔、凹槽、盲孔，基于该装置可有效模拟套管外水泥环对深井及超深井地层压力的传递及演化过程，开展不同地层压力作用下，套管外水泥环压力传递演化规律测试，并准确获取地层压力作用下水泥环套管受到的外压/背压及其随时间的演变规律、套管外水泥环对地层压力的传递效率、水泥浆体系及水泥环厚度对管外水泥环压力传递的影响规律，全面反应水泥环压力传递特性及演化规律，为深井及超深井套管选材及强度设计提供理论支撑。
Description
技术领域
本实用新型涉及油气井钻采工程技术领域，具体是一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置。
背景技术
在固井施工中，水泥浆被注入套管与地层之间的环空，对套管外的环空形成有效封隔，防止油气井钻井、增产作业和生产过程中的地层流体流窜；并形成具有一定胶结能力和硬度的水泥环，具有有效地封隔地层和支撑、保护套管的作用。在油气井钻井及油气开发过程中，固井水泥环主要受到诸如套管内压力、地层岩石外压等的作用，只有明确地层压力通过水泥环作用于套管外壁的外压及背压，才能实现深井及超深井套管的合理选材及强度的优化设计，否则可能造成材料过渡浪费或因套管强度不够而造成井筒完整性失效。
为了实现既能不浪费材料，又能满足套管强度要求且保证井筒的完整性，需要对套管进行合理选材及强度(抗外挤强度、抗内压强度及抗拉强度)的优化设计，尤其针对深井及超深井。如果套管受到压裂产生的内压过大，套管可能发生爆裂失效；如果套管受到的地层外压过大，套管可能发生挤毁失效，上述事故发生都将造成油气井报废。 (水泥环对地层压力传递的影响)
研究水泥环对地层压力的传递特性及演化规律，为套管进行全生命周期的强度设计和选材及深井、超深井的开采提供保证。
目前，我国还没有能模拟油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置及方法，无法对水泥环压力传递特性及演化规律进行系统性的评价。为此，本实用新型提出一种水泥环压力传递演化规律的测试装置，并给出对应的测试方法，该装置既可以模拟不同地层压力通过水泥环作用于套管外壁的外压/背压及其随时间的演变规律，又能模拟不同水泥浆体系及水泥环厚度对管外水泥环压力传递的影响规律，实现对水泥环压力传递特性及演化规律的测试，明确不同地层压力通过水泥环作用于套管外壁的外压及背压，为深井及超深井套管选材及强度设计提供理论支撑，既能避免减少材料不必要的浪费，又能防止因套管强度不够而造成井筒完整性失效。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提出一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置，以解决实际油气井套管外水泥环压力传递演化规律不能准确测量的技术难题及其导致套管选材及强度设计问题，尤其针对深井及超深井，并在达到上述目的的同时，最大限度的降低了测试装置及实验成本。
为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种油气井水泥环压力传递演化规律的测试装置，其特征在于，主要包括：压力表、进液管线及阀门、导线、套管、螺母、直角台肩、上腔体、第一锥形台肩、下腔体、水泥环、地基、内螺纹、下组合垫圈、排液管线及阀门、承压腔室、上组合垫圈、橡胶密封圈、高精度应变计、第二锥形台肩、定位孔、凹槽、盲孔，其中，套管、螺母、上腔体和下腔体均为金属材料；上腔体、下腔体、带水泥环的套管、螺母及起密封作用的上组合垫圈、下组合垫圈和橡胶密封圈组成承压腔室，螺母通过带水泥环的套管将上腔体固定在下腔体上；上腔体由直角台肩、第二锥形台肩、定位孔和凹槽组成，其中直角台肩的宽度大于水泥环的厚度；固定在地基上的下腔体由第一锥形台肩和带内螺纹的盲孔组成；带水泥环的套管通过内螺纹及下组合垫圈固定在盲孔内，同时封隔承压腔室内的高压流体；位于直角台肩的上组合垫圈用于封隔承压腔室内的高压流体；定位孔和位于凹槽内的橡胶密封圈用于对套管的上部段进行环向封隔和径向定位；第一锥形台肩和第二锥形台肩在螺母紧固作用下产生高接触应力，实现金属-金属的锥形密封，用于封隔承压腔室内的高压流体；带内螺纹的盲孔用于对套管的下部段进行轴向和径向定位；高精度应变计用于动态测试承压腔室压力传递演化规律；导线一端与高精度应变计连接，另一端与动态应变测试系统连接；压力表用于显示承压腔室的压力；进液管线及阀门用于控制向承压腔室泵注高压流体，排液管线及阀门用于控制承压腔室的泄压。
本实用新型与现有技术相比具有如下优点：
(1)本测试装置可有效模拟套管外水泥环对深井及超深井地层压力的传递及演化过程，开展不同地层压力作用下，套管外水泥环压力传递演化规律测试，并准确获取地层压力作用下水泥环套管受到的外压/背压及其随时间的演变规律、套管外水泥环对地层压力的传递效率、水泥浆体系及水泥环厚度对管外水泥环压力传递的影响规律，全面反应水泥环压力传递特性及演化规律，为深井及超深井套管选材及强度设计提供理论支撑。
(2)装置结构简单，操作方便，成本低廉，且测试结果能对深井及超深井全生命周期的井筒完整进行系统评价。
附图说明
图1为管外水泥环压力传递演化规律的测试装置示意图。
图2为测试装置之上腔体示意图。
图3为测试装置之下腔体示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型进行详细描述。
如附图所示，本实用新型提出的一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置，其特征在于，装置主要包括：压力表1、进液管线及阀门2、导线3、套管4、螺母5、直角台肩6、上腔体7、第一锥形台肩8、下腔体9、水泥环10、地基11、内螺纹 12、下组合垫圈13、排液管线及阀门14、承压腔室15、上组合垫圈16、橡胶密封圈17、高精度应变计18、第二锥形台肩19、定位孔20、凹槽21、盲孔22，其中，套管4、螺母5、上腔体7和下腔体9均为金属材料；上腔体7、下腔体9、带水泥环10的套管4、螺母5及起密封作用的上组合垫圈16、下组合垫圈13和橡胶密封圈17组成承压腔室 15，螺母5通过带水泥环10的套管4将上腔体7固定在下腔体9上；上腔体7由直角台肩6、第二锥形台肩19、定位孔20和凹槽21组成，其中直角台肩6的宽度大于水泥环10的厚度；固定在地基11上的下腔体9由第一锥形台肩8和带内螺纹12的盲孔22组成；带水泥环10的套管4通过内螺纹12及下组合垫圈固定在盲孔22内，同时封隔承压腔室15内的高压流体；位于直角台肩6的上组合垫圈16用于封隔承压腔室15内的高压流体；定位孔20和位于凹槽21内的橡胶密封圈17用于对套管4的上部段进行环向封隔和径向定位；第一锥形台肩8和第二锥形台肩19在螺母5紧固作用下产生高接触应力，实现金属-金属的锥形密封，用于封隔承压腔室15内的高压流体；带内螺纹 12的盲孔用于对套管4的下部段进行轴向和径向定位；高精度应变计18用于动态测试承压腔室15压力传递演化规律；导线3一端与高精度应变计18连接，另一端与动态应变测试系统连接；压力表用于显示承压腔室15的压力；进液管线及阀门2用于向控制承压腔室15泵注高压流体，排液管线及阀门14用于控制承压腔室15的泄压。
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清晰，下面结合附图1、附图2和附图3对本实用新型提出的一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置的具体实施方式进行阐述，其详细步骤如下：
步骤一：制备带水泥环10的套管4，其中套管4上端加工与螺母5匹配的外螺纹，套管下端加工与内螺纹12匹配的外螺纹，套管中部养护形成水泥环10；
步骤二：在套管4内壁布置高精度应变计18，高精度应变计18环向间隔为180°，轴向间隔为50mm，共3对；
步骤三：将步骤二得到的套管4通过内螺纹12和下组合垫圈13固定在下腔体9 的盲孔22内，对套管4的下部进行轴向和径向定位，同时封隔器承压腔室15内的高压流体；
步骤四：通过螺母5、套管4上端外螺纹、橡胶密封圈17和上组合垫圈16将上腔体7固定于下腔体9的第一锥形台肩8上，同时封隔高压腔室15内的高压流体；
步骤五：将导线3一端与高精度应变计18连接，另一端与动态应变测试系统连接；
步骤六：通过进液管线及阀门2向承压腔室15泵注高压流体，直到到达模拟地层压力P1，关闭进液管线及阀门2；
步骤七：启动动态应变测试系统，记录P1压力下套管4内壁环向应变ε1i及其随时间t1的演变规律，得到f(t1)＝ε1i；
步骤八：根据应力-应变本构关系，计算套管内壁环向应力σ1i及其随时间的演变规律，得到f(t1)＝σ1i；
步骤九：基于厚壁筒理论及拉梅公式，反演计算套管4外壁受到的外压P1i及其随时间的演变规律，得到f(t1)＝P1i；
步骤十：对比分析不同时间下的P1i与模拟地层压力P1，得到套管4外水泥环10 压力传递演化规律；
步骤十一：采用相同水泥浆体系，重新制备带相同厚度水泥环10的套管4，通过进液管线及阀门2向承压腔室15泵注高压流体，直到到达模拟地层压力P2，重复步骤二至步骤十，可得到模拟地层压力P2作用下，套管4外水泥环10压力传递演化规律，
步骤十二：依次类推，采用相同水泥浆体系，重新制备带相同厚度水泥环10的套管4，通过进液管线及阀门2向承压腔室15泵注高压流体，直到到达模拟地层压力Pn，重复步骤二至步骤十，可得到模拟地层压力Pn作用下，套管4外水泥环10压力传递演化规律，从而得到模拟地层压力对水泥环10压力传递的影响规律；
步骤十三：同理，采用相同水泥浆体系，重新制备带不同厚度水泥环10的套管4，重复步骤二至步骤十，可得到水泥环厚度对水泥环10压力传递的影响规律；
步骤十四：同理，采用不同水泥浆体系，重新制备带相同厚度水泥环10的套管4，重复步骤二至步骤十，可得到水泥浆体系对水泥环10压力传递的影响规律。
Claims (1)
1.一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置，其特征在于，装置主要包括：套管(4)、直角台肩(6)、上腔体(7)、第一锥形台肩(8)、下腔体(9)、水泥环(10)、内螺纹(12)、下组合垫圈(13)、承压腔室(15)、上组合垫圈(16)、橡胶密封圈(17)、高精度应变计(18)、第二锥形台肩(19)、定位孔(20)、凹槽(21)、盲孔(22)，其中，套管(4)、螺母(5)、上腔体(7)和下腔体(9)均为金属材料；上腔体(7)、下腔体(9)、带水泥环(10)的套管(4)、螺母(5)及起密封作用的上组合垫圈(16)、下组合垫圈(13)和橡胶密封圈(17)组成承压腔室(15)，螺母(5)通过带水泥环(10)的套管(4)将上腔体(7)固定在下腔体(9)上；上腔体(7)由直角台肩(6)、第二锥形台肩(19)、定位孔(20)和凹槽(21)组成，其中直角台肩(6)的宽度大于水泥环(10)的厚度；固定在地基(11)上的下腔体(9)由第一锥形台肩(8)和带内螺纹(12)的盲孔(22)组成；带水泥环(10)的套管(4)通过内螺纹(12)及下组合垫圈(13)固定在盲孔(22)内，同时封隔承压腔室(15)内的高压流体；位于直角台肩(6)的上组合垫圈(16)用于封隔承压腔室(15)内的高压流体；定位孔(20)和位于凹槽(21)内的橡胶密封圈(17)用于对套管(4)的上部段进行环向封隔和径向定位；第一锥形台肩(8)和第二锥形台肩(19)在螺母(5)紧固作用下产生高接触应力，实现金属-金属的锥形密封，用于封隔承压腔室(15)内的高压流体；带内螺纹(12)的盲孔(22)用于对套管(4)的下部段进行轴向和径向定位；高精度应变计(18)用于动态测试承压腔室(15)压力传递演化规律；导线(3)一端与高精度应变计(18)连接，另一端与动态应变测试系统连接；压力表(1)用于显示承压腔室(15)的压力；进液管线及阀门(2)用于控制向承压腔室(15)泵注高压流体，排液管线及阀门(14)用于控制承压腔室(15)的泄压。
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| CN202121690298.5U CN215339309U (zh) | 2021-07-23 | 2021-07-23 | 一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置 |
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| CN202121690298.5U Active CN215339309U (zh) | 2021-07-23 | 2021-07-23 | 一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置 |
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| CN (1) | CN215339309U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113376030A (zh) * | 2021-07-23 | 2021-09-10 | 西南石油大学 | 一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置及方法 |
| CN115266307A (zh) * | 2022-08-04 | 2022-11-01 | 西南石油大学 | 一种测试带有水泥环的高温高压油井管冲蚀试验装置 |
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2021
- 2021-07-23 CN CN202121690298.5U patent/CN215339309U/zh active Active
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