一种可偏心测试固井第一界面胶结质量的评价装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公布了一种可偏心测试水泥‑套管界面胶结质量的评价装置及实验方法，水泥‑套管界面即固井第一胶结界面。目前第一界面的评价只考虑了套管外表面与水泥环的胶结情况，而在实际多开的井身结构中，套管内表面与水泥环也存在胶结，其胶结质量也决定着水泥环密封的成功与否。此外，在考虑内外表面的同时，还需要考虑套管的偏心对胶结的影响。本装置针对以上问题提出了解决方案，尽可能地模拟出现场固井的工艺和工况，包括泥饼的形成、冲洗、水泥的井下养护，井下压力温度等。本装置模拟程度高，既可评价套管内外表面与水泥的胶结情况，又能模拟任意偏心度的套管胶结情况，还可以模拟水泥浆等胶体段塞的封堵强度。实验结果与分析可为固井水泥第一界面胶结质量的评价提供重要参考，为工程设计提供重要的依据，亦可用于评价其他材料体系与套管的胶结强度。

Device and method for evaluating quality of first interface cementation in eccentric test cementing

The invention discloses a method for evaluation of eccentric testing cement casing interface cementing quality of the device and method of cement casing interface is the first cementing cementing interface. The evaluation of the first interface only consider the cement casing surface and cement, and in the actual open hole structure in the surface casing and cement sheath are cemented, the cementing quality also determines the success of the cement ring seal. In addition, the influence of the eccentricity of the casing on the cementation is also considered while considering the internal and external surfaces. This device puts forward the solution to the above problems and simulates the cementing process and working conditions as much as possible, including the formation of mud cake, flushing, cement underground maintenance, downhole pressure and temperature, etc.. The device has a high degree of simulation. It can not only evaluate the cementation between the inner and outer surface of the casing and cement, but also simulate the cementation of the casing with arbitrary eccentricity. It can also simulate the plugging strength of the colloidal slug such as cement slurry. The experimental results and analysis can provide important reference for the evaluation of the first bonding quality of cement and provide important basis for engineering design. It can also be used to evaluate the cementation strength of other materials system and casing.

【技术实现步骤摘要】
一种可偏心测试固井第一界面胶结质量的评价装置及方法
本专利涉及油气井固井第一胶结界面即套管与水泥环界面的评价，可模拟出高温高压下固井的完整工艺以及套管任意偏心度工况，并可采用气窜方式评价套管内外表面水泥环的胶结情况。
技术介绍
固井第一界面，即套管与水泥环的胶结界面，其良好的胶结可有效地保护套管，防止地层窜层。若第一界面发生窜流，不仅仅影响生产的安全进行，还会使地层中流体直接与套管接触，会加快套管的损坏，在压裂酸化等措施中会造成安全隐患。因而，确保第一界面的良好胶结有着重要意义。目前室内评价第一胶结界面的方法存在两种形式。一种是采用压剪切的原理，直接测量胶结界面处的抗剪切强度，由此观察胶结状况。如彭志刚等人研发的水泥环胶结强度评价装置(彭志刚,冯茜,齐志刚，等.水泥环胶结强度评价装置[P].北京：CN104727805A,2015-06-24.)，但采用该原理进行测试所得到的结果无法直接给出胶结面可以承受的地层窜流压力，同时胶结强度的大小与防窜能力无法建立关系，如胶结面存在裂缝，实际地层已经发生窜流，但是测试显示的剪切胶结强度仍可能很大。可见，该种评价方法是存在一定问题的。另一种方法则是利用胶结界面的抗窜能力来评价。廖华林提出了一种通过测量水泥环密封特性来评价胶结状况的测试装置与实验方法(廖华林，管志川，史玉才，等.一种油气井水泥环密封特性模拟测试装置[P].山东：CN204024635U,2014-12-17.)，该装置及方法是同时测试两个胶结界面的窜层情况的，无法区分和研究具体是哪个界面发生了窜层；郭小阳提出了一种高温高压下一、二两个胶结界面的胶结能力评价装置(郭小阳，张凯，李早元，等.高温高压固井一、二界面封固能力测试装置及方法[P].四川：CN104406910A,2015-03-11.)，该装置虽有泥饼的形成但未体现出钻井液循环过程，虽然在装置中施加了围压，但岩心外套有胶套阻隔了液体的渗流，无法体现出地层孔隙压力，反而将围压大都作用于岩心上，模拟效果差，同时，该装置只测了套管外表面与水泥环的胶结状况，忽略了存在多级套管中并且水泥有返高时，套管内表面也会与水泥胶结的情况，此外，该装置无法评价偏心情况下第一界面的胶结情况。根据目前调研所知，目前的研究中没有能完整模拟固井工艺并十分准确进行第一胶结界面抗窜能力评价的装置，存在较多缺陷，尤其是忽略了套管内外表面都分别有可能存在水泥的情况，同时，对于套管偏心情况下第一界面胶结评价装置的研究也未发现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够模拟出固井第一胶结界面状况包括套管偏心情况，并能准确测量第一胶结界面(套管内外表面)抗气窜能力的装置，克服并完善了现有技术的缺陷和空白。为达到以上技术目的，本专利技术提供以下技术方案：一种可偏心测试的固井一界面胶结质量评价装置，主要由釜体(分为上釜体、侧釜体、下釜体)，加热保温套，地层管，套管，上封盖，上调节螺钉，分隔圈，密封圈，下封盖，羊毛垫，下调节螺钉，承压螺钉，控制阀，回压阀，稳压阀，压力表，液压泵，泥浆泵，流量计，集气瓶，单向阀，氮气源以及计算机组成。所述釜体分为上釜体、侧釜体，以及下釜体，所述侧釜体由内向外依次为套管，地层管，加热保温套，侧釜体；所述套管为现场使用的套管，套管上下分别与上封盖、下封盖连接，两者之间存在密封胶圈确保密封，所述套管下部可挤入一羊毛垫片，可隔离并阻挡水泥流入下部套管进气口的通道；所述地层管为一刚性的金属筒，模拟地层；所述加热保温套可以加热釜体内部，模拟地层温度，其内有热电偶和温度传感器，电连接计算机，对温度进行调整和监控。所述上釜体通过承压螺钉与上封盖连接，二者间存在密封圈确保密封，所述环形密封圈嵌于上封盖内，并且宽度大于套管的最大平移距离即环空的宽度,确保上封盖在平移的过程与上釜体之间的密封性；所述上封盖上存在三条通道：一是套管出气口，与套管内部连通，二是第一界面出气口，紧贴于套管外侧，三是第二界面出气口，紧贴于地层管内侧；所述上封盖上嵌有一分隔圈，注入水泥后需要淹没该分隔圈一段距离，目的在于分隔开一界面和二界面窜流上来的气体。所述下釜体通过承压螺钉与下封盖连接，二者间存在密封圈确保密封，所述环形密封圈嵌于下封盖内，并且宽度大于套管的最大平移距离即环空的宽度，确保下封盖在平移的过程中与下釜体之间的密封性；所述下釜体上存在两条通道：一是套管进气口，与套管内部连通，二是环空进气口，与环空相连通；所述下封盖上部，可在地层管与套管之间的环空内挤入一羊毛垫片，该羊毛垫片可隔离和阻挡水泥流入下部环空进气口通道。所述上釜体和下釜体的一侧都存在调节螺钉，上调节螺钉可挤压上封盖平移，下调节螺钉可挤压下封盖平移，对套管的偏心度进行调整，所述调节螺钉上连有测量装置，可精确测量螺钉的移动距离，以确定偏心度的大小。所述第一界面是指水泥环与套管形成的胶结面，所述第二界面是指水泥环与地层管形成的胶结面；所述套管进气口和环空进气口可注入高压气体，对第一、第二界面测窜；所述第一界面出气口与第一界面相连，收集并排出来自第一界面气窜的气体，并且由分隔圈分隔开来自第二界面气窜的气体；所述第二界面出气口与第二界面相连，收集并排出第二界面气窜的气体；所述套管出气口与套管内部连接，收集并排出套管内表面与水泥环的胶结面发生气窜时的气体。所述套管进气口和环空进气口都可接三条管线，三条管线可实现三个目的：一是钻井液循环，二是水泥环养护施压，三是高压气体注入。所述第一界面出气口、第二界面出气口和套管出气口都可接三条管线，三条管线可实现三个目的：一是钻井液循环，二是水泥环养护施压，三是气窜时气体的检测。所述钻井液循环管线，只打开第一、第二、第四和第七控制阀门，其他阀门都关闭，此时钻井液在泥浆泵的作用下被吸入，由套管出气口流入套管内部，由套管进气口流出套管(此时并未放置羊毛垫片)，经控釜体外部管线由环空进气口处进入环空，从第一界面出气口和第二界面出气口流出环空流回钻井液池，模拟出钻井液完整循环。所述水泥养护施压管线(以水泥环存在于套管外表面为例)，是在完成注水泥之后，只打开第三、第五、第六、第七、第八控制阀门，其他阀门都关闭，此时在液压泵的作用下，压力流体经第六、第五、第三控制阀门可流至水泥环上部，经第八、第七控制阀门可流至水泥环下部，在压力流体的作用下，因地层管和套管具有一定的刚性，根据反作用力原理，水泥环不仅受到纵向上的压力，还受到水平上的挤压力，完成对水泥环施加压力，模拟井下地层压力条件，当水泥存在于套管内部时也可控制相应的控制阀门，达到模拟井下水泥所受压力的条件。(注：根据实验测试的需要确定管线所需要打开的控制阀门：若实验时水泥环只存在于套管的外表面(即环空)，则在施加养护压力时关闭套管进气口和套管出气口，完成注压后可根据实验是否需要套管内压，确定是否在套管内部施加一定压力流体，即关闭环空进气口、第一界面出气口和第二界面出气口后再向套管进气口和套管出气口注压；若实验时水泥环只存在于套管内部亦可进行类似的操作。)所述气体注入管线，关闭所有的控制阀门(第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八)，气体由氮气源流出。氮气经第一稳压阀、第五压力表以及第一单向阀由套管进气口进入套管内部，对套管内部的水泥胶结界面的情况进行检测；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可偏心测试的套管‑水泥界面胶结质量评价装置，主要包括釜体，所述釜体分为上釜体、侧釜体，以及下釜体，所述上釜体通过承压螺钉与上封盖连接，所述下釜体通过承压螺钉与下封盖连接；所述侧釜体由内向外依次为套管，地层管，加热保温套，侧釜体，套管与上下可分别与上封盖、下封盖连接，套管下部设置有羊毛垫片。所述上釜体通过承压螺钉与上封盖连接，上釜体一侧设置有调节螺钉，调节螺钉上设置有距离测量装置，上封盖和上釜体之间设置有环形密封圈，上封盖上嵌有一分隔圈；所述上封盖上存在三条通道：一是套管出气口，与套管内部连通，二是第一界面出气口，紧贴于套管外侧，三是第二界面出气口，紧贴于地层管内侧；所述第一界面出气口、第二界面出气口和套管出气口都可接三条管线，三条管线可实现三个目的：一、钻井液循环，二、水泥环养护施压，三、气窜时气体的检测；所述下釜体通过承压螺钉与下封盖连接，下釜体一侧设置有调节螺钉，调节螺钉上设置有距离测量装置，下封盖和下釜体之间设置有环形密封圈，下封盖的上部(紧贴于下封盖，)设置有环形羊毛垫片；所述下封盖上存在两条通道：一是套管进气口，与套管内部连通，二是环空进气口，与环空相连通；所述套管进气口和环空进气口都可接三条管线，三条管线可实现三个目的：一、钻井液循环，二、水泥环养护施压，三、高压气体注入；所述钻井液循环管线，钻井液在泥浆泵的作用下被吸入，由套管出气口流入套管内部，由套管进气口流出套管(此时并未放置羊毛垫片)，经外部管线由环空进气口进入环空，从第一界面出气口和第二界面出气口流出环空流回钻井液池，模拟出钻井液完整循环；所述水泥养护施压管线，是在完成注水泥之后，打开特定的阀门，在液压泵的作用下，使压力流体流至水泥环上部和水泥环下部，在压力流体的挤压作用下，对水泥环施加压力。所述气体注入管线，关闭所有的控制阀门。由套管进气口进入的气体，对套管内部的水泥胶结情况进行检测；由环空进气口进入的气体，对环空水泥胶结情况进行检测。所述气窜气体检测管线，关闭所有控制阀门，气体由第一界面出气口、第二界面出气口以及套管出气口收集并排出，排出后经相应的回压阀、压力表以及流量表，由集气瓶收集。...

【技术特征摘要】
1.一种可偏心测试的套管-水泥界面胶结质量评价装置，主要包括釜体，所述釜体分为上釜体、侧釜体，以及下釜体，所述上釜体通过承压螺钉与上封盖连接，所述下釜体通过承压螺钉与下封盖连接；所述侧釜体由内向外依次为套管，地层管，加热保温套，侧釜体，套管与上下可分别与上封盖、下封盖连接，套管下部设置有羊毛垫片。所述上釜体通过承压螺钉与上封盖连接，上釜体一侧设置有调节螺钉，调节螺钉上设置有距离测量装置，上封盖和上釜体之间设置有环形密封圈，上封盖上嵌有一分隔圈；所述上封盖上存在三条通道：一是套管出气口，与套管内部连通，二是第一界面出气口，紧贴于套管外侧，三是第二界面出气口，紧贴于地层管内侧；所述第一界面出气口、第二界面出气口和套管出气口都可接三条管线，三条管线可实现三个目的：一、钻井液循环，二、水泥环养护施压，三、气窜时气体的检测；所述下釜体通过承压螺钉与下封盖连接，下釜体一侧设置有调节螺钉，调节螺钉上设置有距离测量装置，下封盖和下釜体之间设置有环形密封圈，下封盖的上部(紧贴于下封盖，)设置有环形羊毛垫片；所述下封盖上存在两条通道：一是套管进气口，与套管内部连通，二是环空进气口，与环空相连通；所述套管进气口和环空进气口都可接三条管线，三条管线可实现三个目的：一、钻井液循环，二、水泥环养护施压，三、高压气体注入；所述钻井液循环管线，钻井液在泥浆泵的作用下被吸入，由套管出气口流入套管内部，由套管进气口流出套管(此时并未放置羊毛垫片)，经外部管线由环空进气口进入环空，从第一界面出气口和第二界面出气口流出环空流回钻井液池，模拟出钻井液完整循环；所述水泥养护施压管线，是在完成注水泥之后，打开特定的阀门，在液压泵的作用下，使压力流体流至水泥环上部和水泥环下部，在压力流体的挤压作用下，对水泥环施加压力。所述气体注入管线，关闭所有的控制阀门。由套管进气口进入的气体，对套管内部的水泥胶结情况进行检测；由环空进气口进入的气体，对环空水泥胶结情况进行检测。所述气窜气体检测管线，关闭所有控制阀门，气体由第一界面出气口、第二界面出气口以及套管出气口收集并排出，排出后经相应的回压阀、压力表以及流量表，由...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨浩，吴少诚，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11