本发明专利技术公开了一种模拟冻土地层水泥环固结实验装置，属于油气井固井领域。本装置装置主体、压力系统和测量系统；主体包括固定板、可拆卸板和装置底盘，所述底座中心设有圆孔，中心柱或者隔热套管通过圆孔安装在底座上，所述固定板、可拆卸板、装置底盘和中心柱或者隔热套管组成用于制备岩心和水泥环的空腔。使用时，将本装置置于低温环境下，可人造中间带空心圆柱的冻土岩心，并下入隔热套管座，加入水泥来模拟实际地层条件下水泥环固结工况，同时通过温度传感器、应变片、声波测量水泥环固结过程在冻土地层的传热、冻土的蠕变对水泥环的挤压以及水泥环的固结情况。该实验装置具有低成本、高效率、易于使用等优点。
【技术实现步骤摘要】
一种模拟冻土地层水泥环固结的实验装置及方法
本专利技术涉及一种模拟水泥环固结的实验装置，具体涉及一种模拟冻土地层水泥环固结的实验装置及方法。属于油气井固井领域。
技术介绍
随着石油行业的发展与能源需求的日益增大，非常规油气资源逐渐成为油气勘探开发的重点，美国地调局于2008年发布一则报告证实北极地区具有丰富的油气资源，世界各国开始着眼于极地油气资源的勘探开发。在我国的青藏高原、准格尔盆地等冻土地区也存在巨大的油气开发潜力，因此对于冻土层油气勘探开发技术研究迫在眉睫，尤其是冻土地层固井技术。目前对于套管固井研究主要集中在常规陆地钻井和深水钻井，对于冻土地层固井技术的研究少之又少。与常规钻井的固井相比，冻土地层存在很大的差异。首先由于冻土地层温度低，使得水泥环强度发展缓慢，并且冻土蠕变特性无时无刻不在挤压水泥环，可能会对水泥环产生挤压破坏；其次低温使得水泥浆中的水分固结，不与水泥产生水化作用而起不到固结作用；再者水泥固结放出大量热，会使得局部冻土融化，进一步影响水泥的固结与地层的胶结作用。故冻土地层水泥环固结过程水泥的固结程度、地层与水泥环的挤压以及水泥固结放热对冻土地层温度影响的实验研究对于冻土地层油气的勘探开发有至关重要的作用。同时由于冻土地层取芯十分困难、成本高昂，而且地层除了重力作用外，受到的构造作用小，可使用人造冻土试样替代天然岩心。因此，研制本专利技术用于模拟冻土地层水泥环固结实验装置，来满足实验室对于冻土地层水泥环固结过程的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种模拟冻土地层水泥环固结的实验装置就方法。为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种模拟冻土地层水泥环固结实验装置，包括装置主体、压力系统和测量系统；所述主体包括固定板、可拆卸板和装置底盘，所述底座中心设有圆孔，中心柱或者隔热套管通过圆孔安装在底座上，所述固定板、可拆卸板、装置底盘和中心柱或者隔热套管组成用于制备岩心和水泥环的空腔；所述可拆卸板包括限位板和传压板；所述压力系统包括轴压加压装置和围压加压装置，所述轴压加压装置位于空腔上方，所述围压加压装置位于可拆卸板的外侧；所述测量系统包括声波发射器和声波接收器、温度传感器、应变片组成，所述测量系统与控制器连接；所述声波发射器安装于固定板上，所述声波接收器、应变片安装于隔热套管上，所述温度传感器安装于装置底盘上；声波发射器和声波接收器、温度传感器、应变片一共两组，一组的方向是最大水平主应力方向，一组方向是最小水平主应力方向，即两个围压加压装置的加压方向。所述装置主体、压力系统和测量系统工作时置于降温装置中。优选的，所述装置主体为方形，方形主体的侧面由两块可拆卸板和两组固定板组成，两块可拆卸板相邻设置；装置底盘上面设有底部钢板，装置底盘和底部钢板之间设有隔热层；两组相邻固定板、两块相邻可拆卸钢板、底部钢板、中心柱或者隔热套管组成空腔。进一步优选的，所述固定板包括固定板Ⅰ和固定板Ⅱ，一块固定板Ⅰ和一块固定板Ⅱ组成一组固定板，所述固定板Ⅰ和固定板Ⅱ平行设置，固定板Ⅱ位于固定板Ⅰ和外壳之间，所述固定板Ⅰ和固定板Ⅱ上设有的若干凹槽Ⅰ和凹槽Ⅱ。进一步优选的，方形主体的侧面设有外壳，所述围压加压装置位于可拆卸钢板与外壳之间。优选的，所述控制器为工作电脑。进一步优选的，所述装置底盘、底部钢板和隔热层的中心分别设有圆孔Ⅰ、圆孔Ⅱ和圆孔Ⅲ；所述中心柱或隔热套管位于空腔中心，所述中心柱的纵向截面成倒“T”字形，所述中心柱由圆柱形底座和圆柱形杆组成，所述圆孔Ⅰ与圆柱形底座的直径相同，圆孔Ⅱ和圆孔Ⅲ与圆柱形杆的直径相同。进一步优选的，所述声波发射器安装于固定板Ⅰ和固定板Ⅱ之间；所述底部钢板上表面设有若干凹槽Ⅲ，温度传感器安装在凹槽Ⅲ中。进一步优选的，所述固定板Ⅰ和固定板Ⅱ上的凹槽Ⅰ和凹槽Ⅱ是对应设置的，即高度和数量一一对应，所述声波发射器的两端分别固定在固定板Ⅰ和固定板Ⅱ的凹槽Ⅰ和凹槽Ⅱ中，声波发射器安装于固定板Ⅰ和固定板Ⅱ之间；声波发射器包括声波发射器Ⅰ和声波发射器Ⅱ，分别安装于相邻两组固定板上；凹槽Ⅲ分为垂直设置的两组，分别用于安装温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ；每组凹槽Ⅲ成直线排列；即温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ是在底部钢板表面垂直设置的；声波接收器包括声波接收器Ⅰ和声波接收器Ⅱ，分别用于测量最小水平主应力和最大水平主应力方向水泥环的固结动态变化过程，声波接收器Ⅰ和声波接收器Ⅱ均竖直设置在套管内表面，高度相同；应变片包括应变片Ⅰ和应变片Ⅱ，所述应变片Ⅰ和应变片Ⅱ均竖直设置在套管内表面；应变片Ⅰ和应变片Ⅱ分别用于测量最小水平主应力和最大水平主应力方向的水泥环的变形。声波接收器Ⅰ、声波发射器Ⅰ、应变片Ⅰ在一条直线上，为一组，声波接收器Ⅱ、声波发射器Ⅱ、和应变片Ⅱ在一条直线上为一组，两组的安装方向分别是最大水平主应力方向和最小水平主应力方向，即两个围压加压装置的加压方向。优选的，所述轴压加压装置和围压加压装置分别通过输油管道与油泵连接，所述油泵上设有压力表，输油管道上设有阀门，用于控制加压压力。优选的，所述轴压加压装置位于装置空腔的上部，所述轴压加压装置中心带有圆孔Ⅳ，圆孔Ⅱ与圆柱形杆的直径相同，装置尺寸与空腔尺寸相配合；使用时，轴压加压装置套装在中心柱的圆柱形杆上或者套装在隔热套管柱上。优选的，所述围压加压装置与底部钢板、隔热层、装置底盘组成凹槽Ⅳ，所述可拆卸板底部插入凹槽Ⅳ中。所述围压加压装置包括第一围压加压装置和第二围压加压装置，分别位于壳体相邻的两个侧面的内侧。围压加压装置用于施加最大水平主应力和最小水平主应力。进一步优选的，所述传压板下方设有填充板，所述填充板和传压板的高度之和等于限位板的高度，使用时，填充板嵌插入凹槽Ⅳ中，传压板位于填充板上部。传压板和填充板组成可拆卸板同时使用，用于模拟水泥环固结过程；填充板起到填充凹槽Ⅳ和支撑传压板的作用，传压板作用为传递围压；限位板用于制造岩心过程，其作用为在岩心制作时限制岩心的水平位移。所述限位板包括限位板Ⅰ和限位板Ⅱ，为钢板，分别位于两个相邻侧面的相应位置。所述填充板包括填充板Ⅰ和填充板Ⅱ，分别位于两个相邻侧面的凹槽Ⅳ中；传压板包括传压板Ⅰ和传压板Ⅱ，分别位于两个相邻侧面的相应位置。优选的，所述降温设备为冷库。优选的，所述限位板上设有拉环，便于拆卸、更换钢板。优选的，所述的隔热套管包括底座、隔热套管柱和环形阶梯，环形阶梯位于隔热套管柱底部，套在隔热套管柱外侧。所述的底座大小与中心柱底座大小相同，所述的环形阶梯高度等于隔热层和底部钢板高度之和；环形阶梯外径与中心柱的圆柱形杆直径相同，环形阶梯内径与隔热套管柱外径相同；所述的隔热套管柱为中空管，内填充有隔热材料。隔热套管用于模拟地层固井过程中套管的作用，套管柱外径小于中心柱圆形杆的直径，即小于岩心中间孔的直径，套管柱与压制好的岩心间存在一定空间用于注水泥，形成水泥环，应变片可通过测量应变来反映地层对于水泥环的挤压，声波接收器用于接收声波发射器发射的声波来反映出水泥固结的动态过程。本专利技术还提供了利用上述装置制备冻土试样的方法，包括以下步骤：(1)安装中心柱、限位板，组成制备冻土试样的空腔；(2)将已按一定土水配比混合均匀的湿土填进装置空腔中，每填充空腔体积的1/5，使用活塞压实，直至空腔填本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种模拟冻土地层水泥环固结实验装置，其特征在于，包括装置主体、压力系统和测量系统；所述主体包括固定板、可拆卸板和装置底盘，所述底座中心设有圆孔，中心柱或者隔热套管通过圆孔安装在底座上，所述固定板、可拆卸板、装置底盘和中心柱或者隔热套管组成用于制备岩心和水泥环的空腔；所述可拆卸板包括限位板和传压板；所述压力系统包括轴压加压装置和围压加压装置，所述轴压加压装置位于空腔上方，所述围压加压装置位于可拆卸板的外侧；所述测量系统包括声波发射器和声波接收器、温度传感器、应变片组成，所述测量系统与控制器连接；所述声波发射器安装于固定板上，所述声波接收器、应变片安装于隔热套管上，所述温度传感器安装于装置底盘上。
【技术特征摘要】
1.一种模拟冻土地层水泥环固结实验装置，其特征在于，包括装置主体、压力系统和测量系统；所述主体包括固定板、可拆卸板和装置底盘，所述底座中心设有圆孔，中心柱或者隔热套管通过圆孔安装在底座上，所述固定板、可拆卸板、装置底盘和中心柱或者隔热套管组成用于制备岩心和水泥环的空腔；所述可拆卸板包括限位板和传压板；所述压力系统包括轴压加压装置和围压加压装置，所述轴压加压装置位于空腔上方，所述围压加压装置位于可拆卸板的外侧；所述测量系统包括声波发射器和声波接收器、温度传感器、应变片组成，所述测量系统与控制器连接；所述声波发射器安装于固定板上，所述声波接收器、应变片安装于隔热套管上，所述温度传感器安装于装置底盘上。2.根据权利要求1所述的一种模拟冻土地层水泥环固结实验装置，其特征在于，所述装置主体为方形，方形主体的侧面由两块可拆卸板和两组固定板组成，两块可拆卸板相邻设置；装置底盘上面设有底部钢板，装置底盘和底部钢板之间设有隔热层；两组相邻固定板、两块相邻可拆卸钢板、底部钢板、中心柱或者隔热套管组成空腔。3.根据权利要求1或2所述的一种模拟冻土地层水泥环固结实验装置，其特征在于，所述固定板包括固定板Ⅰ和固定板Ⅱ，一块固定板Ⅰ和一块固定板Ⅱ组成一组固定板，所述固定板Ⅰ和固定板Ⅱ平行设置，固定板Ⅱ位于固定板Ⅰ和外壳之间，所述固定板Ⅰ和固定板Ⅱ上设有的若干凹槽Ⅰ和凹槽Ⅱ；方形主体的侧面设有外壳，所述围压加压装置位于可拆卸钢板与外壳之间。4.根据权利要求2所述的一种模拟冻土地层水泥环固结实验装置，其特征在于，所述装置底盘、底部钢板和隔热层的中心分别设有圆孔Ⅰ、圆孔Ⅱ和圆孔Ⅲ；所述中心柱或隔热套管位于空腔中心，所述中心柱的纵向截面成倒“T”字形，所述中心柱由圆柱形底座和圆柱形杆组成，所述圆孔Ⅰ与圆柱形底座的直径相同，圆孔Ⅱ和圆孔Ⅲ与圆柱形杆的直径相同。5.根据权利要求3所述的一种模拟冻土地层水泥环固结实验装置，其特征在于，所述固定板Ⅰ和固定板Ⅱ上的凹槽Ⅰ和凹槽Ⅱ是对应设置的，即高度和数量一一对应，所述声波发射器的两端分别固定在固定板Ⅰ和固定板Ⅱ的凹槽Ⅰ和凹槽Ⅱ中；声波发射器包括声波发射器Ⅰ和声波发射器Ⅱ，分别安装于相邻两组固定板上；声波接收器包括声波接收器Ⅰ和声波接收器Ⅱ，声波接收器Ⅰ和声波接收器Ⅱ...
【专利技术属性】
技术研发人员：闫传梁，李阳，程远方，韩忠英，宋本健，周晓辉，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37
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