本发明专利技术公开了一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置及方法，本发明专利技术的装置通过在套管和软管间填充水泥，形成水泥环，水泥环的两侧的轴向载荷液压动力系统能够对水泥环施加轴向载荷，水泥环上下两侧的第一径向载荷液压动力系统和第二径向载荷液压动力系统能够对水泥环施加径向载荷，实现了复杂压裂过程中套管变形可控，保证井筒完整性，为页岩气井水泥环剪切载荷下破碎试验提供技术支撑，填补了现有装置的空白。
【技术实现步骤摘要】
一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置及方法
本专利技术属于石油管实物试验检测技术及装备领域，具体涉及一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置及方法。
技术介绍
截止2019年，我国西南油气田页岩气井复杂压裂套管变形率接近50％，诸多实践和研究表明，大量套管的变形失效是由于高参数水力压裂导致页岩储层发生相对错动，进而造成水泥环-套管系统在剪切作用下发生变形，导致桥塞、射孔抢等无法下入，严重影响了中石油集团公司产能建设。目前传统的防套变措施包括采用下入高钢级(>140ksi)、大壁厚(>16mm)、旋转下套管、降低水力压裂工艺参数等。专利技术专利CN201611183431.1提出一种多层高强度组合套管，根据现场高强度套管下井试验和测井数据，结果表明，该方法尚不能抵抗地层滑移所产生的载荷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提供页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置及方法，通过试验模拟套管-水泥环在剪切载荷作用下的水泥环破碎程度，在同等剪切载荷工况下，建立水泥环破碎程度与套管径向变形的关系，形成水泥环破碎程度五级分级，实现套管变形转移，可用于控制页岩气井复杂压裂工况套管变形程度。为了达到上述目的，一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置，包括套管，套管外套设有软管，软管与套管间留有用于填充水泥的间隙，软管的两端面上均设置有挡板，挡板连接轴向载荷液压动力系统，软管的上下两侧分别设置有第一径向载荷液压动力系统和第二径向载荷液压动力系统。挡板与软管连接并密封。挡板包括左挡板和右挡板，左挡板与第一轴向载荷液压动力系统连接，右挡板与第二轴向载荷液压动力系统连接。左挡板和右挡板同轴设置，第一轴向载荷液压动力系统和第二轴向载荷液压动力系统同轴设置。软管通过第一径向剪切夹具、第二径向剪切夹具和第三径向剪切夹具固定在第一径向载荷液压动力系统和第二径向载荷液压动力系统之间，第一径向剪切夹具固定在软管上部，第二径向剪切夹具和第三径向剪切夹具固定在软管下部。第二径向剪切夹具和第三径向剪切夹具间具有间隙。软管采用树脂软管。一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置的分级方法，包括以下步骤：S1，将套管的两端与挡板连接，将套管并放置于软管的中部；S2，将水泥按所需配比搅拌均匀后倒入套管与软管间的环形间隙中，使水泥的液面与挡板平齐；S3，将软管与挡板连接且密封，静置使水泥固结；S4，将软管固定到试验架上，并连接轴向载荷液压动力系统以及第一径向载荷液压动力系统和第二径向载荷液压动力系统；S5，通过轴向载荷液压动力系统以及第一径向载荷液压动力系统和第二径向载荷液压动力系统给软管的外表面施加径向剪切载荷，当加载曲线出现明显拐点时，停止试验；S6，切开软管，取出水泥岩屑和变形后的套管，测量套管变形后径向变量，确定外部剪切载荷工况下水泥环的破碎程度，经过振筛试验筛选，实现水泥岩屑破碎分级，建立岩屑破碎分级与套管剪切变形内径该变量的对应关系。步骤S4中，通过通过第一径向剪切夹具、第二径向剪切夹具和第三径向剪切夹具将软管固定在试验架上，第二径向剪切夹具和第三径向剪切夹具的间距为1-2mm。与现有技术相比，本专利技术的装置通过在套管和软管间填充水泥，形成水泥环，水泥环的两侧的轴向载荷液压动力系统能够对水泥环施加轴向载荷，水泥环上下两侧的第一径向载荷液压动力系统和第二径向载荷液压动力系统能够对水泥环施加径向载荷，实现了复杂压裂过程中套管变形可控，保证井筒完整性，为页岩气井水泥环剪切载荷下破碎试验提供技术支撑，填补了现有装置的空白。本专利技术的方法通过给软管的外表面施加径向剪切载荷，再对水泥环破碎分级，建立水泥环破碎程度与套管径向变形该变量的对应关系，优选水泥环的性能，优化固井工艺和压裂工艺，保证桥塞、射孔抢等工具顺利下入。本专利技术可以较真实的模拟页岩气井复杂压裂工况下套管实际服役工况。附图说明图1为本专利技术的装置结构示意图；图2为本专利技术装置的横截面示意图；其中：1为软管，2为水泥，3为套管，4为左挡板，5为右挡板，6为第一轴向载荷液压动力系统，7为第二轴向载荷液压动力系统，8为第一径向载荷液压动力系统，9为第二径向载荷液压动力系统，12为第一径向剪切夹具，13为第二径向剪切夹具，14为第三径向剪切夹具。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。参见图1和图2，一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置，包括套管3，套管3外套设有软管1，软管1与套管3间留有用于填充水泥2的间隙，软管1的两端面上均设置有挡板，挡板连接轴向载荷液压动力系统，软管1的上下两侧分别设置有第一径向载荷液压动力系统8和第二径向载荷液压动力系统9。挡板与软管1连接并密封。挡板包括左挡板4和右挡板5，左挡板4与第一轴向载荷液压动力系统6连接，右挡板5与第二轴向载荷液压动力系统7连接。左挡板4和右挡板5同轴设置，第一轴向载荷液压动力系统6和第二轴向载荷液压动力系统7同轴设置。软管1通过第一径向剪切夹具12、第二径向剪切夹具13和第三径向剪切夹具14固定在第一径向载荷液压动力系统8和第二径向载荷液压动力系统9之间，第一径向剪切夹具12固定在软管1上部，第二径向剪切夹具13和第三径向剪切夹具14固定在软管1下部。第二径向剪切夹具13和第三径向剪切夹具14间具有间隙。优选的，软管1采用树脂软管。一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置的分级方法，包括以下步骤：S1，将套管3的两端与挡板连接，将套管3并放置于软管1的中部；S2，将水泥2按所需配比搅拌均匀后倒入套管3与软管1间的环形间隙中，使水泥2的液面与挡板平齐；S3，将软管1与挡板连接且密封，静置使水泥2固结；S4，将软管1固定到试验架上，并连接轴向载荷液压动力系统以及第一径向载荷液压动力系统8和第二径向载荷液压动力系统9；S5，通过轴向载荷液压动力系统以及第一径向载荷液压动力系统8和第二径向载荷液压动力系统9给软管1的外表面施加径向剪切载荷，当加载曲线出现明显拐点时，停止试验；S6，切开软管1，取出水泥岩屑和变形后的套管3，测量套管3变形后径向变量，确定外部剪切载荷工况下水泥环的破碎程度，经过振筛试验筛选，实现水泥岩屑破碎分级，建立岩屑破碎分级与套管剪切变形内径该变量的对应关系。实施例：本专利技术的试验装置适用于《APISpec5CT套管和油管规范》中规定的所有规格套管，水泥环的壁厚为高弹性树脂软管内径与套管外径间的距离。此试验装置尺寸为1500mm×250mm×250mm；液压动力系统的尺寸为Φ8000mm×600mm；径向剪切夹具内径等于高弹性树脂软管外径，宽度为300mm。进行试验时，首先将套管两端与挡板连接并将之放置于高弹性树脂软管中部，使二者同轴，并将挡板与高弹性树脂软管连接且保持密封；其次将水泥按照现场配比搅拌均匀后本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置，其特征在于，包括套管(3)，套管(3)外套设有软管(1)，软管(1)与套管(3)间留有用于填充水泥(2)的间隙，软管(1)的两端面上均设置有挡板，挡板连接轴向载荷液压动力系统，软管(1)的上下两侧分别设置有第一径向载荷液压动力系统(8)和第二径向载荷液压动力系统(9)。/n
【技术特征摘要】
1.一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置，其特征在于，包括套管(3)，套管(3)外套设有软管(1)，软管(1)与套管(3)间留有用于填充水泥(2)的间隙，软管(1)的两端面上均设置有挡板，挡板连接轴向载荷液压动力系统，软管(1)的上下两侧分别设置有第一径向载荷液压动力系统(8)和第二径向载荷液压动力系统(9)。
2.根据权利要求1所述的一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置，其特征在于，挡板与软管(1)连接并密封。
3.根据权利要求1所述的一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置，其特征在于，挡板包括左挡板(4)和右挡板(5)，左挡板(4)与第一轴向载荷液压动力系统(6)连接，右挡板(5)与第二轴向载荷液压动力系统(7)连接。
4.根据权利要求3所述的一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置，其特征在于，左挡板(4)和右挡板(5)同轴设置，第一轴向载荷液压动力系统(6)和第二轴向载荷液压动力系统(7)同轴设置。
5.根据权利要求1所述的一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置，其特征在于，软管(1)通过第一径向剪切夹具(12)、第二径向剪切夹具(13)和第三径向剪切夹具(14)固定在第一径向载荷液压动力系统(8)和第二径向载荷液压动力系统(9)之间，第一径向剪切夹具(12)固定在软管(1)上部，第二径向剪切夹具(13)和第三径向剪切夹具(14)固定在软管(1)下部。
6.根据权利要求5所述的一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置，其特征在于，第二径向剪切...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨尚谕，韩礼红，王建军，潘志勇，路彩虹，王航，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，中国石油天然气集团公司管材研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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