油井水泥第一胶结面的胶结强度测试方法技术

本发明专利技术公开了油井水泥第一胶结面的胶结强度测试方法，包括：(1)制作模拟套管‑水泥环组合结构试样；(2)将模拟套管‑水泥环组合结构试样竖直放置，两端夹持在液压式拉伸试验机上；开动试验机，缓慢而均匀地加载，得到屈服荷载值F，试样拉断后立即停止加载，此时的载荷值即为最大荷载值Fmax，在力‑延伸曲线图上读出屈服阶段的延伸长度L；计算水泥石与金属拉伸杆平行部分之间的胶结强度，即水泥第一胶结面的胶结强度。本发明专利技术原理可靠，操作简便，可同时测试水泥石的胶结强度和抗拉强度，有助于优化水泥浆配方，得到满足现场施工需求的水泥浆体系，具有广阔的市场应用前景。

【技术实现步骤摘要】
油井水泥第一胶结面的胶结强度测试方法
本专利技术涉及石油天然气勘探开发领域油气井固井过程中油井水泥第一胶结面的胶结强度测试方法。
技术介绍
随着勘探开发向深部地层迈进，固井工程面临越来越严峻的挑战和难题。高温、高压、高酸性和复杂载荷等条件对水泥环完整性要求越来越高。固井工程是钻井作业中的重要环节，是保证井下后续作业能正常进行的关键，固井的胶结面强度会直接影响油气井的有效开发。对于油气井来说，最常见的破坏是胶结界面的破坏；对脆性材料而言，界面的胶结强度一般比较薄弱。水泥材料在硬化过程中会发生收缩现象，水泥石的收缩会使水泥石与套管之间的胶结能力降低，容易使一结面(套管和水泥石的胶结面称为一结面)发生破坏。后期增产措施如射孔及后续大型作业带来的强大冲击力也会造成水泥环胶结面发生破坏。胶结面发生破坏，会导致油气窜流，产量降低，甚至出现油井的报废。随着复杂井、特殊井日益增长，水泥环的完整性要求越来越高，对固井胶结面破坏强度的测试就显得尤为重要。虽然国内外学者对结面胶结性能进行了一定的研究，但没有一个简便易操作的方法对胶结面胶结强度进行测试，对胶结面胶结强度测试也没有统一的标准，主要存在以下几个问题：(1)目前对于固井胶结面强度测试的装置大多都存在结构比较复杂、体积大、不容易实时操作等问题。如“一种测试水泥环与套管胶结强度的实验装置及方法”(CN106593414A)，虽然可以模拟地层压力，但是操作过程繁琐，装置也比较复杂，对于实验室内需要大量测试水泥材料的胶结面强度来说，并不方便可行。(2)单纯胶结面强度的测试，不能同时测量材料的其他性能。如“一种固井水泥胶结强度测试装置及方法”(CN105092465A)，利用常规的压出法测量水泥石的胶结强度，装置虽有所改进，但是测试方法比较单一。(3)常规的水泥石抗拉强度测试，除了劈裂抗拉，很少有其他测试方法。劈裂拉伸法由于其为间接测试，测试出的强度与真实值有很大偏差。而其他拉伸测试又比较复杂，不容易操作，如“油井水泥高温高压拉伸应力应变系统及其测试方法”(CN102401770A)，利用应力应变系统测试水泥石的拉伸应力，不具有实验室内普遍操作性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种油井水泥第一胶结面的胶结强度测试方法，该方法原理可靠，操作简便，可同时测试水泥石的胶结强度和材料的抗拉强度，有助于优化水泥浆配方的设计，从而得到满足现场施工需求的水泥浆体系，具有广阔的市场应用前景。为达到以上技术目的，本专利技术提供以下技术方案。本专利技术通过将模拟套管-水泥环组合结构试样放置于液压式拉伸试验机上进行测试，所述试样由金属拉伸杆及其外面包裹的水泥石和PVC管组成，金属拉伸杆、水泥石之间的界面模拟固井第一胶结面，该试样制作简单快捷，短时间可以做多个试样，重复性高，有利于进行胶结面破坏强度试验比较。油井水泥第一胶结面的胶结强度测试方法，依次包括以下步骤：(1)制作模拟套管-水泥环组合结构试样：按照GB/T2975—1998制作金属拉伸杆，其横截面为圆形，上下两端为夹持端，中间为平行部分，夹持端直径大于平行部分，长度小于平行部分，夹持端和平行部分之间有过渡弧；将金属拉伸杆竖立固定，下夹持端外表面涂抹脱模油后，在下夹持端套上PVC1管，向PVC1管和下夹持端的环形空间注满水泥浆，常温养护至初凝状态；然后在裸露的水泥石表面涂抹脱模油，再在平行部分套上与PVC1管直径相同的PVC2管，继续向PVC2管和平行部分的环形空间注满水泥浆，常温养护至终凝状态；剥去下夹持端外面包裹的水泥石和PVC1管，留下平行部分外面包裹的水泥石和PVC2管，模拟套管-水泥环组合结构试样制作完成。(2)将模拟套管-水泥环组合结构试样放置于液压式拉伸试验机(试验机按照GB/T16825进行检验，应为1级或者优于1级进行检测)上进行拉伸实验，通过数据处理得到油井水泥第一胶结面的胶结强度，过程如下：1)开动试验机，预加少量载荷，然后卸载到零，检查试验机工作是否正常；2)将模拟套管-水泥环组合结构试样竖直放置，两端夹持在液压式拉伸试验机上；3)开动试验机，缓慢而均匀地加载，应变速率不超过0.0025/s，应变速率尽量保持恒定，仔细观察测力指针转动和绘图装置出图情况，图中出现第一个峰值点时，测力指针的值即为屈服荷载值F；继续加载，过了屈服阶段，加载速度可以稍作提升，试样拉断后立即停止加载，此时的载荷值即为最大荷载值Fmax；绘图装置绘出力-延伸曲线图，在图上读出屈服阶段(从加载开始到屈服荷载值出现的阶段)的延伸长度L；4)模拟套管-水泥环组合结构试样中平行部分及包裹的水泥石的直径为P，通过下式计算水泥石与金属拉伸杆平行部分之间的胶结强度，即水泥第一胶结面的胶结强度M：本专利技术还可以求得水泥石的抗拉强度，过程如下：分别将金属拉伸杆、模拟套管-水泥环组合结构试样夹持在液压式拉伸试验机进行拉伸实验，得到金属拉伸杆、模拟套管-水泥环组合结构试样的最大荷载值Fmax，利用抗拉强度R＝Fmax/S(S为金属拉伸杆平行部分的横截面积或模拟套管-水泥环组合结构试样平行部分及包裹的水泥石的横截面积)分别计算金属拉伸杆的原始抗拉强度、模拟套管-水泥环组合结构试样的抗拉强度，模拟套管-水泥环组合结构试样的抗拉强度和金属拉伸杆的原始抗拉强度之间的差值，即为水泥石的抗拉强度。金属拉伸杆与水泥接触面提前用钻井液、冲洗液及隔离液依次冲洗3-5分钟，用以模拟第一胶结面附着钻井液的实际工况。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)综合考虑了实际生产状况和实验测量条件，可按实际规格尺寸比例进行设计加工，更接近实际工况下一结面的等效试样模型；(2)模拟套管-水泥环组合结构试样中，充分考虑到井下多重影响因素，如滤饼与钻井液的影响及两者同时作用于一结面的耦合作用；(3)与目前常规静态胶结面强度的评价方法不同，本专利技术利用直接拉伸法测试其胶结强度，结果更加真实可靠；(4)本专利技术不仅能用于固井第一结面的胶结强度测试，还能通过直接拉伸测试水泥石的抗拉强度，方便简洁，有助于优化水泥浆配方，得到满足现场施工需求的水泥浆体系；(5)制样简单方便，测试容易，实验误差小，可重复性好。附图说明：图1为模拟套管-水泥环组合结构试样的制作流程图。图2为制作完成的模拟套管-水泥环组合结构试样。具体实施方式下面通过附图进一步说明本专利技术。参看图1。(a)：在拉伸杆下夹持端至弧度连接部位的四周涂抹脱模油。(b)：在下夹持端套上PVC1管(PVC1管直径大于下夹持端的直径，PVC1管的高度稍高于下夹持端和平行部分的过渡弧弧度连接处)，在PVC1管和下夹持端的环形空间注入水泥浆，常温养护至初凝。(c)：在裸露在外的水泥石表面涂抹脱模油，在平行部分外面固定PVC2管，在PVC2管和平行部分的环形空间注入水泥浆并养护至终凝。(d)：拆除PVC1管和包裹的水泥石。参看图2，图2为制作完成的模拟套管-水泥环组合结构试样。油井水泥第一胶结面的胶结强度测试方法，依次包括以下步骤：1、制样：(1)在金属拉伸杆的下夹持端表面涂上脱模油，并在其外面套上PVC1管，向PVC1管与下夹持端的环形空腔内倒满水泥浆，放在常温下凝固；(2)在水泥石上表面继续涂抹脱模油，在金属拉伸杆中部平行部分套上直径与PVC1管完全一致的PV本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.油井水泥第一胶结面的胶结强度测试方法，依次包括以下步骤：(1)制作模拟套管‑水泥环组合结构试样：制作金属拉伸杆，其横截面为圆形，上下两端为夹持端，中间为平行部分，夹持端直径大于平行部分，长度小于平行部分，夹持端和平行部分之间有过渡弧；将金属拉伸杆竖立固定，下夹持端外表面涂抹脱模油后，在下夹持端套上PVC1管，向PVC1管和下夹持端的环形空间注满水泥浆，常温养护至初凝状态；然后在裸露的水泥石表面涂抹脱模油，再在平行部分套上与PVC1管直径相同的PVC2管，继续向PVC2管和平行部分的环形空间注满水泥浆，常温养护至终凝状态；剥去下夹持端外面包裹的水泥石和PVC1管，留下平行部分外面包裹的水泥石和PVC2管，模拟套管‑水泥环组合结构试样制作完成；(2)将模拟套管‑水泥环组合结构试样放置于液压式拉伸试验机上进行拉伸实验，通过数据处理得到油井水泥第一胶结面的胶结强度，过程如下：1)开动试验机，预加少量载荷，然后卸载到零，检查试验机工作是否正常；2)将模拟套管‑水泥环组合结构试样竖直放置，两端夹持在液压式拉伸试验机上；3)开动试验机，缓慢而均匀地加载，应变速率不超过0.0025/s，观察测力指针转动和绘图装置出图情况，图中出现第一个峰值点时，测力指针的值即为屈服荷载值F；继续加载，试样拉断后立即停止加载，此时的载荷值即为最大荷载值Fmax；绘图装置绘出力‑延伸曲线图，在图上读出屈服阶段的延伸长度L；4)模拟套管‑水泥环组合结构试样中平行部分及包裹的水泥石的直径为P，通过下式计算水泥石与金属拉伸杆平行部分之间的胶结强度，即水泥第一胶结面的胶结强度M：...

【技术特征摘要】
1.油井水泥第一胶结面的胶结强度测试方法，依次包括以下步骤：(1)制作模拟套管-水泥环组合结构试样：制作金属拉伸杆，其横截面为圆形，上下两端为夹持端，中间为平行部分，夹持端直径大于平行部分，长度小于平行部分，夹持端和平行部分之间有过渡弧；将金属拉伸杆竖立固定，下夹持端外表面涂抹脱模油后，在下夹持端套上PVC1管，向PVC1管和下夹持端的环形空间注满水泥浆，常温养护至初凝状态；然后在裸露的水泥石表面涂抹脱模油，再在平行部分套上与PVC1管直径相同的PVC2管，继续向PVC2管和平行部分的环形空间注满水泥浆，常温养护至终凝状态；剥去下夹持端外面包裹的水泥石和PVC1管，留下平行部分外面包裹的水泥石和PVC2管，模拟套管-水泥环组合结构试样制作完成；(2)将模拟套管-水泥环组合结构试样放置于液压式拉伸试验机上进行拉伸实验，通过数据处理得到油井水泥第一胶结面的胶结强度，过程如下：1)开动试验机，预加少量载荷，然后卸载到零，检查试验机工作是否正常；2)将模拟套管-水泥环组合结构试样竖直放置，两端夹持在液压式拉伸试验机上；3)开动试验机，缓慢而均匀地加载，应变速率不超过0.0025/s，观察测力指针转动和绘图装置出图情况，...

【专利技术属性】
技术研发人员：程小伟，秦丹，高显束，于永金，文寨军，张弛，王晶，刘开强，梅开元，刘慧婷，陈祖伟，董庆广，张春梅，
申请(专利权)人：西南石油大学，中国建筑材料科学研究总院有限公司，中国石油集团工程技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51