用于大型压裂时水泥环的机械密封性评价的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于大型压裂时水泥环的力学性能与机械密封性评价的装置和方法，该装置包括：待测水泥环；内筒，其套设在水泥环的内表面；外筒，其套设在水泥环的外表面；调压机构，与内筒连接，以调节作用在水泥环内壁的压力；温度控制机构，其与水泥环连接，控制水泥环的温度；和检测组件，用于检测水泥环的应力状态、大小和机械密封性能。该装置能较好地对水泥环力学性能与机械密封性能进行测试从而为尤其是非常规储层在大型水力压裂时水泥浆体系的选择提供数据支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种测试实验装置，具体涉及一种用于大型压裂时水泥环的机械密封性能评价的装置和方法，尤其是用于大型水力压裂工况下。
技术介绍
近年来，非常规油气的开发成为了国内石油行业开发的热点。由于非常规油气(特别是页岩油、页岩气、致密砂岩油、致密砂岩气等)属于低孔低渗储层，需要采用大型水力压裂。而大型水力压裂对水泥环的力学性能，例如水泥环的弹性、韧性等要求较高，并要求实现段间的有效封隔。因此需要模拟分段压裂以开展对水泥环的力学性能及机械密封性能的评价，从而为水泥浆体系的选择提供科学的指导。长期以来，水泥环力学性能的评价多以单轴力学实验、三轴力学实验，测量水泥环的弹性模量、泊松比以及抗压强度。通过三点抗折实验、直拉实验、巴西劈裂实验等评价水泥环的断裂韧性和抗拉强度。现有文献报道是利用模拟井筒开展对水泥环的密封性的定性分析，未进行实际现场模拟与应力应变测量，因此现有技术得不到定量分析的结果和相关的数据支持，从而无法对不同配比的水泥环之间的性能进行比较，因而无法为水泥浆体系的选择提供实验测试和数据依据。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种用于测试水泥环的力学性能与机械密封性能的装置，该装置能较好地对水泥环的力学性能与机械密封性能进行测试从而为尤其是非常规储层在大型水力压裂时水泥浆体系的选择提供数据支持。本专利技术的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的用于测试大型压裂时水泥环的力学性能与机械密封性能的装置，包括:待测水泥环；内筒，其套设在水泥环的内表面，其中，内筒例如采用标准P110的139.7mm的套管；外筒，其套设在水泥环的外表面，外筒例如采用硬质铝，采用平面应变理论设计外径和壁厚，外筒在力学上等效于地层对水泥环的约束；调压机构，与内筒连接，以调节作用在水泥环内壁的压力；温度控制机构，其与水泥环连接，控制水泥环的温度；和检测组件，用于检测水泥环的应力状态、大小和机械密封性能。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果。通过调压机构可以调整对水泥环的作用力，最高压力可加到140MPa。通过检测组件可检测到压力增加到某个值时水泥环发生失效，这样就能测试出水泥环的力学性能和临界参数以及相应压力和温度下水泥环对应的应力状态和应力大小。另外，通过检测组件还能检测出水泥环与内筒之间、水泥环与外筒之间的机械密封性能。在一个实施例中，还包括限制轴向延伸机构和气体发生机构，其中:限制轴向延伸机构，其与水泥环连接，限制加压时水泥环的轴向延伸，确保水泥环的平面应变和测量数据的准确性。限制轴向延伸机构满足高压测试时对轴向应变的控制，提高测量精度。气体发生机构，作用在水泥环上，与检测组件一起对水泥环的气密性进行测试。由于在对水泥环的内壁加压力和对外壁施加约束时，水泥环不仅会产生应变还会产生径向压缩与切向延伸。设置限制轴向延伸机构可以限制水泥环的轴向延伸，减少因轴向延伸而对应力和密封性能测试的影响。另外，检测水泥环与内筒、水泥环与外筒之间的气密性的方法有很多种，通过气体发生机构对水泥环一端通气，在另一端检测这种方式比较容易实施。若是初步检测时，发现水泥环与内筒之间和/或水泥环与外筒之间的气密性不好，则表示水泥环与内外筒的胶结质量较差，这样的水泥环不会进入下面的应力状态和机械密封性能的测试中。对于与内筒和外筒之间的气密性良好的水泥环，在水泥环失效前，在另一端是检测不到气体的。只有当水泥环失效过，气体才能进入另一端而被检测到。在一个优选的实施例中，所述检测组件包括声波检测机构与应力应变检测系统，所述声波检测机构通过是否检测到水泥环失效时的声音来判断在水泥环是否失效；所述应力应变检测系统与连接在水泥环内壁的应变片联用。通过多种检测方式来相互验证以便及时判断水泥环的失效状态、对应的径向压缩应力和周向拉伸应力的大小。从而为不同配方的水泥环组的力学性能提供实验数据的支持，为水泥浆体系的选择和设计提供指导。在一个实施例中，所述检测组件还包括光纤式气泡检测机构，所述气泡检测机构与设在水泥环另一侧的气体发生机构联用，在水泥环失效前气泡检测机构检测不到气泡；在水泥环失效时，位于水泥环一侧的气体通过水泥环被设在另一侧的气泡检测机构检测到。在一个优选的实施例中，所述气体发生机构包括氮气瓶，所述氮气瓶通过输送管路与水泥环上端的环形腔连接，在水泥环失效前，从所述氮气瓶输送到水泥环的环形腔的氮气被密封在环形腔内。在一个优选的实施例中，所述氮气瓶与水泥环的环形腔之间的输送管路上设有减压阀、流量计和单向阀，往环形腔内充入气体饱和后且在水泥环失效前，所述流量计的计数不变。通过多种方式来及时检测水泥环是否发生失效。在一个实施例中，所述温度控制系统包括设在水泥环的上端的冷却系统和设在水泥环的下端的加热系统。当温度超过设定值时，加热系统不工作，冷却系统工作。当温度低于设定值时，冷却系统不工作，加热系统工作。模拟井下温度环境来开展物理模拟试验。在一个实施例中，所述调压机构包括压力自动控制泵，所述压力自动控制泵与内筒连接以调整所述水泥环的内壁上的作用力，模拟分段压裂时套管对水泥环的作用力，最高压力可达140MPa。 在一个优选的实施例中，所述限制轴向延伸机构包括设在水泥环的上表面的上压板和设在水泥环的下表面的下压板，所述上压板和下压板通过多根连接杆连接，并通过紧固件来进行调节。均匀地限制水泥环在受到压力时的轴向延伸。本专利技术还涉及一种大型压裂时水泥环力学性能与机械密封性能评价的方法，其采用上述的用于大型压裂时水泥环的力学性能与机械密封性能评价的装置。该方法是通过对多组不同配比的水泥环组进行测试。通过对不同配比和规格的水泥环组的测试结果进行比较后，总结自身的性能和参数对水泥环密封能力的影响。另外，每一组水泥环组包括多个相同配比和规格的水泥环，对一组中的多个水泥环分别施加不同的温度和压力，通过测试和比较来了解温度和压力等环境对水泥环密封能力的影响，从而为不同工况下的水泥浆体系的选择和设计提供指导。优选地，在对一组相同配比的水泥环组进行测试时，包括以下步骤:1)选取至少四个相同规格的水泥环，先对水泥环进行气密性检测，以检测水泥环的内壁与内筒之间、外壁与外筒之间是否密封良好；2)对于一个密封良好的水泥环进行应力测试，在温度保持在某一设定值的条件下，通过调压机构不断对内筒加压，直至检测机构检测到水泥环失效为止，加压过程中测量水泥环内、外壁的应力。优选地，利用拉梅公式计算水泥环的任意位置在弹性阶段和塑性阶段的周向拉应力和径向压应力；3)选取另一个密封良好的水泥环进行安装，然后通过温度调节机构对水泥环内壁的温度进行调节，记录在不同温度下的应力变化，直至检测组件检测到该水泥环发生失效。优选地，利用拉梅公式计算水泥环的任意位置在弹性阶段和塑性阶段的周向拉应力和径向压应力；4)选取第三个密封良好的水泥环进行安装，然后通过温度调节机构和调压机构分别对水泥环的温度和压力进行调整，直至检测到水泥环发生失效。优选地，利用拉梅公式计算水泥环的任意位置在弹性阶段和塑性阶段的周向拉应力和径向压应力；5)将步骤2)、3)和4)中的实验数据进行比较后，与未进行测试实验的第四个密封良好的水泥环进行比较，对该组四个水泥环对应的温度、压力和失效状态进行比对，并分析水泥环在压裂期间，水泥环的失效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于大型压裂时水泥环的力学性能与机械密封性评价的装置，包括：待测水泥环；内筒，其套设在水泥环的内表面；外筒，其套设在水泥环的外表面；调压机构，与内筒连接，以调节作用在水泥环内壁的压力；温度控制机构，其与水泥环连接，控制水泥环的温度；和检测组件，用于检测水泥环的应力状态、大小和机械密封性能。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陶谦，周仕明，杨红歧，汪晓静，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11