一种固井水泥环封隔能力动态测试装置及实验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种固井水泥环封隔能力动态测试装置及实验方法。该装置包括工作平台和测试主体，工作平台有计算机，测试主体上下为釜盖，中部为釜体，釜体里由外及内依次为模拟地层‑水泥环‑套管的结构，套管内插有实心柱体，釜盖与地层‑水泥环‑套管端面接触部分均有滤网和偏心座。该方法包括：配制水泥浆，灌入环形空间内；候凝，养护硬化成环；改变套管内温度压力，测试套管径向位移和模拟地层周向位移，通过声波测试曲线监测水泥环密封失效情况；检测水泥环内产生的微裂缝、一二界面处产生的微环隙，分析水泥环密封失效形式。本发明专利技术原理可靠，操作简便，实验过程一体化养护，为测试固井水泥环封隔能力的研究提供了更多的数据支撑和理论依据。

Dynamic test device and test method for cementing cement ring sealing ability

The present invention discloses a cementing cement ring sealing capability dynamic testing device and an experimental method thereof. The device comprises a working platform and the test subject, working platform of computer, test subjects under the kettle cover, the kettle body, a kettle body from outside to inside, for simulating the formation of cement structure casing, the casing is inserted in a solid column, a kettle cover and formation casing cement ring end face the contact part of the filter and has an eccentric seat. The method comprises: preparing slurry, poured into the annular space; curing, curing ring; change of temperature and pressure inside the casing, the casing test simulated formation radial displacement and circumferential displacement, seal failure of the test curve of acoustic monitoring of cement; cement produced in the detection of micro cracks at the interface, one or two generation the microannulus, analysis of cement ring seal failure. The invention has the advantages of reliable principle, simple operation and integrated maintenance of the experimental process, so as to provide more data support and theoretical basis for testing the sealing capacity of the cementing cement ring.

【技术实现步骤摘要】
一种固井水泥环封隔能力动态测试装置及实验方法
本专利技术涉及石油工程固井领域一种动态监测不同工况下水泥环封隔能力的动态测试装置及实验方法。技术背景油气井固井作业是指油井水泥注入井下套管与地层之间的环形空间内，使水泥浆在设计时间内凝结、固化，形成具有层间封隔能力的水泥环的过程。水泥环在井下的作用除了封隔地层外，对悬挂和保护套管，延长全井生产周期也有着不可或缺的作用。然而，水泥环在井下的服役环境十分恶劣。现场实际施工时，套管偏心、大肚子井眼、混浆、充填不均等工况亦会对水泥环自身性能产生不容忽视的影响，遇到恶劣、持续的载荷作业及热应力的冲击更会对保障固井水泥环封隔能力提出难题。钻进过程中，上一开次水泥环要承受当前钻进过程中的钻柱碰撞、钻井液密度变化、井下复杂作业时带来的压力骤增与骤减以及套管试压等；增产求产过程中，射孔、酸化、压裂、试油等作业带来的载荷变化，均会对水泥环封隔能力提出更严峻的挑战；生产过程中，尤其是高温高压的天然气井，不断产出的高压气体会使油管温度逐渐升高，而环空中填充的工作液温度也会愈来愈高，液体升温必然会存在膨胀效应，液体高温膨胀对固井水泥环的影响也不容忽视。近年来，随着对固井水泥环封隔能力研究的不断深入，国内外诸多学者、机构推出了自己的测试手段及测试装置，例如：水泥环密封完整性实验装置(SPE168321)，可以模拟套管内外压力及温度变化，直接观察水泥环表面是否发生微裂缝，并借助CT扫描进行后续研究；一种水泥环结构完整性力学实验装置(CN103498662A)，预先在养护釜体内养护套管水泥环结构，而后放入测试釜体内通过轴向机械加压方式检测套管-水泥环组合体的完整性；一种深水固井水泥环封隔性能测试装置(CN103174409A)，采用不同类型材料模拟不同地层，仪器配有应变片，用于测量水泥环应变，借以推算应力，通过改变套管内压，测试水泥环完整性；地层作用下套管-水泥环损坏室内模拟试验装置(CN101725345A)，在模拟器内养护实验样品，放入实验装置内模拟层间滑动，通过应变片检测水泥环样品位移情况；一种固井水泥环性能模拟实验装置及实验方法(CN102979505A)，采用全尺寸模拟井下结构，并采用人造围岩，设有注入工作液的进口，可以循环不同工作液。上述测试手段及测试装置都是力图还原水泥环在井下的实际承载状态来研究水泥环的完整性问题，存在诸多不足：首先，井下温度压力的还原，随着当前井下条件的日益恶劣，室内实验的条件也必定会要求高温高压，而这一要求对实验釜体壁厚、材质的控制、选择十分苛刻，因此能够同时加载内压、外压并且能够达到井下实际的温度压力条件才能满足要求。其次，井下复杂情况的模拟，以往装置仅仅模拟套管居中的情况，但是鲜有对于偏心、混浆、大肚子井眼、充填不均、水平井、双层套管、封隔器坐封位置处水泥环、腐蚀的模拟，对比规则井眼，完全充填与井下实际情况下的水泥环封隔性能也不会相同。最后，测试手段的单一，以是否发生“气窜”作为观测水泥环封隔能力破坏与否的依据。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种固井水泥环封隔能力动态测试装置，该装置依据几何相似、力学等效理论及材料性能相似的原理，模拟水泥环在井下的实际温度压力环境，更加真实地模拟钻井、试油、生产及紧急关断等作业时套管内温度压力变化对水泥环封隔能力的影响，温度上限250℃，模拟地层压力上限100MPa，模拟套管内压120MPa，为模拟固井水泥环在井下承载情况提供了基础。本专利技术的另一个目的在于提供利用上述装置对固井水泥环封隔能力进行动态测试的实验方法，该方法原理可靠，操作简便，实验过程一体化养护，可以动态测试水泥环及套管在实验周期内的变化，弥补了当前研究测试手段的不足，为测试固井水泥环封隔能力的研究提供了更多的数据支撑和理论依据。为达到以上技术目的，本专利技术采用以下技术方案。固井水泥环封隔能力动态测试装置，在模拟地层-水泥环-套管组合体中，将液态水泥灌入模拟地层-套管间的环形空间，加压候凝，养护成环，改变实验温度压力模拟井下工况，同时选用耐高温高压的应变计测量套管径向位移，采用周向位移计测量模拟地层周向位移，通过声波检测水泥环封隔失效情况，判断水泥环在何处产生微裂纹或微裂隙，在水泥环端面利用高压气体评价水泥环是否发生密封失效，该装置能够检测套管在实际载荷下的变形，检测水泥环在何种工况发生密封失效，判断水泥环能否承受实际作业中的载荷变化保障层间封隔。一种固井水泥环封隔能力动态测试装置，包括测试主体和工作平台。所述工作平台有计算机，用于采集、整理、分析实验数据，还设有压力温度控制终端，用于增减压和升降温操作，可实时检测温度压力，自动恒温稳压。所述测试主体包括支架、位于支架上的养护测试一体化装置，测试主体外部有金属外罩及保温层，中部为放置模拟地层-水泥环-套管结构的釜体，釜体内部空间由外及内依次为设有周向位移计及声波接收探头的模拟地层，模拟地层与套管之间为水泥环养护、实验的环形空间，套管内插有能够调节套管偏心程度的圆柱形实心柱体，柱体与套管之间存在环隙，柱体内有放置应变计的三处孔道，可以检测不同方向上的套管应变量。所述测试主体上下为釜盖，与地层-水泥环-套管端面接触部分为滤网及可调节偏心程度的偏心座结构，同时上釜盖预留了套管内实心柱体插口，还分别设有声波引线器、周向位移计引线器、连接水泥环气窜出口的气窜采集口、连接氮气注入管线的氮气注入口，实心柱体上有应变计引线器、内压注排气口、内压传感器，下釜盖设有围压传感器、围压降压阀、围压增压阀、安全阀。其中围压管线、内压管线及氮气注入口均连接由计算机控制的压力泵，气窜采集口连接转子流量计。所述测试主体的釜体壁内部备有加热丝，外部有保温层，实验时可由釜体加热，加热全程由计算机控制及检测，避免误差。所述测试主体内实心圆柱结构备有特制圆环形封隔构件，能够封隔圆柱与套管间环形空间，形成两个独立空间。所述釜体为钢质中空圆筒。所述上下釜盖采用不锈钢材质，尺寸与釜体匹配，达到密封“模拟地层-水泥环-套管”组合体的目的。所述模拟地层为铝制合金，力图还原实际地层地质参数。所述模拟地层上的声波接收探头间周向相隔角度为90°，共4个(可根据实验要求添加)，以螺旋状分布于模拟地层。所述支架为四角梯形不锈钢钢架，目的是支撑测试主体。所述装置的所有压力管汇均为能承受140MPa的不锈钢管线。所述装置备有连接构件和密封件，连接构件为螺纹、螺母、压环；密封件为垫片和O型圈，材料为聚四氟乙烯。本专利技术不仅可以模拟套管居中时工况载荷下对水泥环完整性的影响，还可以模拟大肚子井眼、椭圆井眼、偏心、混浆、充填不均及多层套管等井下实际情况，可根据实际情况调整装置内部结构，弥补了以往测试结构的不足。本专利技术还可以通过添加特制插件模拟封隔器坐封位置处的水泥环封隔能力，通过改变实验温度压力，检测封隔上下位置处水泥环失效位置，进一步分析该处水泥环损伤情况，研究失效机理。本专利技术也可通过改变水泥环端面注入流体，分析不同地层流体对水泥环封隔能力的影响。利用上述装置对固井水泥环封隔能力进行动态测试的实验方法，依次包括以下步骤：(1)按照API规定配制所需水泥浆，灌入模拟地层与套管的环形空间内，密封上釜盖，根据井下固井施工作业时的温度压力，通过相应等效模型换算成实验装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固井水泥环封隔能力动态测试装置，包括工作平台和测试主体，其特征在于，所述工作平台有计算机，计算机设有压力温度控制终端，所述测试主体位于支架上，测试主体外部为金属外罩(6)及保温层(7)，上下为釜盖，中部为釜体，釜体里由外及内依次为模拟地层(12)‑水泥环(10)‑套管(13)的结构，模拟地层(12)设有周向位移计(14)及声波接收探头(11)，套管(13)内插有能够调节套管偏心程度的圆柱形实心柱体(18)，实心柱体与套管间存在环隙用于施加套管内压，实心柱体内有三处孔道放置应变计(16)；所述测试主体上下均有釜盖，上釜盖、下釜盖与地层‑水泥环‑套管端面接触部分均有滤网(9)和偏心座(17)，上釜盖有实心柱体插口，还分别有声波接收探头引线器(5)、周向位移计引线器(4)、连接水泥环气窜出口(15)的气窜采集口(24)、连接氮气注入管线(8)的氮气注入口(23)，实心柱体上有应变计引线器(2)、内压注排气口(1)、内压传感器(3)；下釜盖设有围压传感器(22)、围压降压阀(19)、围压增压阀(21)、安全阀(20)；所述围压传感器(22)、内压传感器(3)及氮气注入口(23)均连接由计算机控制的压力泵，气窜采集口(24)连接转子流量计。...

【技术特征摘要】
1.一种固井水泥环封隔能力动态测试装置，包括工作平台和测试主体，其特征在于，所述工作平台有计算机，计算机设有压力温度控制终端，所述测试主体位于支架上，测试主体外部为金属外罩(6)及保温层(7)，上下为釜盖，中部为釜体，釜体里由外及内依次为模拟地层(12)-水泥环(10)-套管(13)的结构，模拟地层(12)设有周向位移计(14)及声波接收探头(11)，套管(13)内插有能够调节套管偏心程度的圆柱形实心柱体(18)，实心柱体与套管间存在环隙用于施加套管内压，实心柱体内有三处孔道放置应变计(16)；所述测试主体上下均有釜盖，上釜盖、下釜盖与地层-水泥环-套管端面接触部分均有滤网(9)和偏心座(17)，上釜盖有实心柱体插口，还分别有声波接收探头引线器(5)、周向位移计引线器(4)、连接水泥环气窜出口(15)的气窜采集口(24)、连接氮气注入管线(8)的氮气注入口(23)，实心柱体上有应变计引线器(2)、内压注排气口(1)、内压传感器(3)；下釜盖设有围压传感器(22)、围压降压阀(19)、围压增压阀(21)、安全阀(20)；所述围压传感器(22)、内压传感器(3)及氮气注入口(23)均连接由计算机控制的压力泵，气窜采集口(24)连接转子流量计。2.如权利要求1所述的一种固井水泥环封隔能力动态测试装置，其特征在于，所述圆柱形实心柱体有圆环形封隔构件，分隔柱体与...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴国，苏东华，李早元，刘健，郭小阳，陈一健，杜建波，唐毅，肖夏，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51