一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置，该装置包括：水泥环固化养护模拟组件、射孔作业模拟组件、水泥环性能测试组件，通过模拟射孔作业参数下爆轰效应、流固耦合作用对套管

【技术实现步骤摘要】
一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置及其使用方法


[0001]本专利技术涉及矿业开采
，特别涉及一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置，还涉及使用该装置模拟测试射孔后水泥环强度性能、内部裂纹尺寸、密封封隔性能的评价方法。

技术介绍

[0002]射孔完井是最广泛、最实用的完井方法，即钻穿油气层后，下入油层套管至油层底部，在油层套管与井眼环形空间中注水泥固井并形成水泥环，下入射孔枪，引爆射孔弹爆炸产生高速能量流，依次穿透油层套管、水泥环并穿进油层一定深度，建立油气流进入井筒的通道。合理的射孔作业参数有利于保护油气层，保障分层开采、注水、酸化压裂等增产措施的实施，同时对增加产能、提高油气田开发效益以及减少修井作业意义重大。但固井水泥环是一种脆性材料，其实质是骨架
‑
孔隙连续相分布的多孔结构体系，当受到射孔爆轰能量流冲击时，水泥环内部裂纹形核并急速扩展，导致水泥环本体丧失密封能力、水泥环与套管之间的固井I界面出现微环隙、水泥环与岩石之间的固井II界面失效，而射孔井段井筒丧失密封封隔能力，将严重影响深井超深井井筒安全，同时可能引发一系列井筒完整性风险事故。
[0003]当前解决上述问题的方法主要是研发高性能水泥浆体系、优化射孔作业参数，但无法切实掌握不同射孔作业参数对水泥环性能影响，唯有通过模拟测试射孔后水泥环强度性能变化规律，为水泥浆体系助剂优化设计提供强度力学参数；模拟测试射孔后水泥环密封封隔能力大小，为射孔参数调整提供密封完整性依据；从而有效指导水泥浆体系固化后的综合性能与射孔作业参数协调匹配，因此，射孔后水泥环强度和密封性能测试在理论和工程方面具有极其重要的价值。
[0004]针对射孔后水泥环密封封隔性能测试问题，多采用数值仿真模拟方法计算和预测，而物理模拟方法常按照射孔作业参数采用预制射孔孔眼、爆轰形成射孔孔眼两种方法。
[0005]采用预制射孔孔眼的方法，即套管
‑
水泥环不经历射孔爆轰、直接加工预制射孔孔眼的方法，如CN113107467A采用在套管壁预制射孔孔眼的方法，模拟进行射孔后套管
‑
水泥环
‑
地层组合体的密封性能测试，预制孔眼的孔径、孔密、相位等参数与射孔作业参数保持一致，使用流体模拟测试水泥环及固井界面的封隔性能；CN108982225A采用物理模拟地层水平、垂直方向的非均布载荷，根据射孔参数在套管
‑
水泥环相应部位开圆孔，测量分析套管
‑
水泥环应变大小，为射孔后套管
‑
水泥环破坏机理分析提供实验依据；CN106483045A采用物理模拟套管内压，通过在套管
‑
水泥环
‑
地层围岩设置模拟射孔通道，端面安装流量计测定通入油、气或水的流量，判定水泥环射孔后的层间封隔能力。
[0006]直接采用射孔作业的物理模拟方法，即采用射孔作业一致的射孔弹、装药量、孔径、相位、穿深等参数，爆轰能量流冲击套管
‑
水泥环形成射孔孔眼的方法，如CN113482581A采用双层套管，中间固化水泥环，外侧包裹混凝土靶，具体测试射孔孔径、最大穿深是否满足射孔工艺，提出了双层套管射孔穿透与否的临界判据，为高温高压工况射孔枪和射孔弹优选提供实验数据支撑；此类实验所涉及射孔参数复杂、射孔爆炸风险高、安全资质要求
严，缺乏风险可控、安全可靠的物理模拟方法，且无法定量评价不同射孔参数对深井超深井套管
‑
水泥环
‑
地层组合体的综合影响，严重影响深井超深井水泥浆体系性能优选和射孔工艺参数优化调整，阻碍了射孔作业井筒完整性管控技术的发展。
[0007]综上所述，常规的井筒密封完整性评价方法存在以下不足：
[0008](A)套管
‑
水泥环
‑
地层组合体上的射孔孔眼非爆轰能量流冲击形成，物理模拟水泥环密封封隔能力测试结果无法适用于现场射孔作业工况。
[0009](B)水泥环作为一种骨架
‑
孔隙连续相分布的多孔结构脆性材料，受到射孔爆轰能量流冲击时极易开裂，无法测试其内部裂纹形核扩展特征。
[0010](C)射孔后孔眼及其附近套管
‑
水泥环
‑
地层组合体发生变化，与水泥环固化养护后力学性能差异较大，无法测试射孔后水泥环力学性能大小。

技术实现思路

[0011]基于此，有必要针对上述
技术介绍
中的技术问题，提供一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置及其使用方法。
[0012]本专利技术实施例提供一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置，包括：水泥环固化养护模拟组件、射孔作业模拟组件和水泥环性能测试组件；
[0013]所述水泥环固化养护模拟组件，包括：
[0014]套管；
[0015]地层岩石，围设于所述套管外部，且所述套管和所述地层岩石围成密闭环形空间，所述密闭环形空间内固化养护有水泥环；
[0016]所述射孔作业模拟组件，包括：
[0017]射孔枪，其枪体设于所述套管内部；且所述枪体内设有多个射孔弹，多个所述射孔弹通过引爆索串联、并穿出所述套管顶部；
[0018]压井液，罐装于所述套管和所述枪体之间；
[0019]所述水泥环性能测试组件，包括：
[0020]验窜增压泵，通过验窜管线和可透气水泥隔离环将验窜压力施加在水泥环的下部端面；
[0021]验窜压力传感器，设于所述验窜管线上；
[0022]温压控制系统，其与所述验窜压力传感器电连接；用于通过绘制射孔参数、射孔距离下的窜漏压力曲线，以实现射孔后水泥环强度和密封性能测试。
[0023]进一步地，所述套管和所述地层岩石底部之间从内到外依次设有套管密封圈和下堵头，所述套管和所述地层岩石顶部之间从内到外依次设有上部密封头和上堵头。
[0024]进一步地，所述水泥环固化养护模拟组件，还包括：
[0025]套管增压泵，其通过套管压力管线与所述套管连通；
[0026]套管内压控制阀，靠近所述套管增压泵设于所述套管压力管线上。
[0027]进一步地，所述水泥环固化养护模拟组件，还包括：
[0028]套管加热装置，设于所述套管内；
[0029]套管温压传感器，设于所述套管内，且与所述温压控制系统电连接。
[0030]进一步地，所述水泥环固化养护模拟组件，还包括：
[0031]胶筒，围设于所述套管地层岩石外部；
[0032]液压腔，围设于所述胶筒外部；
[0033]液压筒，围设于所述液压腔外部；
[0034]地层加热套，围设于所述液压筒外部；
[0035]围压增压泵，其通过围压增压管线与所述液压腔顶部连通；
[0036]围压传感器，设于所述围压增压管线上，且与所述温压控制系统电连接；
[0037]围压卸压阀，其通过围压卸压管线连通于所述液压腔底部。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置，其特征在于，包括：水泥环固化养护模拟组件、射孔作业模拟组件和水泥环性能测试组件；所述水泥环固化养护模拟组件，包括：套管(1)；地层岩石(8)，围设于所述套管(1)外部，且所述套管(1)和所述地层岩石(8)围成密闭环形空间，所述密闭环形空间内固化养护有水泥环(7)；所述射孔作业模拟组件，包括：射孔枪，其枪体(29)设于所述套管(1)内部；且所述枪体(29)内设有多个射孔弹(30)，多个所述射孔弹(30)通过引爆索(31)串联、并穿出所述套管(1)顶部；压井液(36)，罐装于所述套管(1)和所述枪体(29)之间；所述水泥环性能测试组件，包括：验窜增压泵(17)，通过验窜管线(15)和可透气水泥隔离环(14)将验窜压力施加在水泥环(7)的下部端面；验窜压力传感器(16)，设于所述验窜管线(15)上；温压控制系统(27)，其与所述验窜压力传感器(16)电连接；用于通过绘制射孔参数、射孔距离下的窜漏压力曲线，以实现射孔后水泥环强度和密封性能测试。2.如权利要求1所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置，其特征在于，所述套管(1)和所述地层岩石(8)底部之间从内到外依次设有套管密封圈(2)和下堵头(4)，所述套管(1)和所述地层岩石(8)顶部之间从内到外依次设有上部密封头(5)和上堵头(3)。3.如权利要求2所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置，其特征在于，所述水泥环固化养护模拟组件，还包括：套管增压泵(20)，其通过套管压力管线(18)与所述套管(1)连通；套管内压控制阀(19)，靠近所述套管增压泵(20)设于所述套管压力管线(18)上。4.如权利要求3所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置，其特征在于，所述水泥环固化养护模拟组件，还包括：套管加热装置(13)，设于所述套管(1)内；套管温压传感器(6)，设于所述套管(1)内，且与所述温压控制系统(27)电连接。5.如权利要求1所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置，其特征在于，所述水泥环固化养护模拟组件，还包括：胶筒(9)，围设于所述套管地层岩石(8)外部；液压腔(10)，围设于所述胶筒(9)外部；液压筒(11)，围设于所述液压腔(10)外部；地层加热套(12)，围设于所述液压筒(11)外部；围压增压泵(24)，其通过围压增压管线(22)与所述液压腔(10)顶部连通；围压传感器(23)，设于所述围压增压管线(22)上，且与所述温压控制系统(27)电连接；围压卸压阀(26)，其通过围压卸压管线(25)连通于所述液压腔(10)底部。6.如权利要求1所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置，其特征在于，所述射孔枪，包括：枪体(29)；
枪头(28)，设于枪体(29)顶部，且位于所述套管(1)内；枪尾(32)，设于枪体(29)底部，且位于所述套管(1)内；枪体上堵头(33)，设于所述套管(1)外部，且位于所述枪体(29)正上方；用于引导所述引爆索(31)；枪体下堵头(34)，设于所述枪尾(32)底部，且位于所述套管(1)内；枪体提手(35)，设于所述枪体上堵头(33)顶部。7.如权利要求1所述的一种射孔后水泥环强度和密封性能测试装置，其特征在于，所述射孔作业模拟组件，还包括：内铁套(37)，围设于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯铎，肖中玲，张智，丁剑，王嘉伟，施太和，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：