CN105300803A - 一种hthp固井水泥环完整性模拟评价试验仪 - Google Patents
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Abstract
一种HTHP固井水泥环完整性模拟评价试验仪，包括釜体和釜盖，釜盖顶部中心处通过丝扣连接压头，压头顶部留有高压管线接头母扣，用于连接高压管线并施加驱替压力，底部为锥形尖头，锥面打磨光滑与压杆顶部锥形凹槽实现镜面密封；压杆安装于釜盖的中心孔处，在中心孔上下滑动，压杆通过杆上安装的密封圈实现与釜盖之间的滑动密封，压杆下端加工有安放钢管试样的凹槽，在钢管试样与压杆之间放置铜质密封垫片，钢管试样下端放置于釜体内底部凹槽，凹槽内同样放置铜质密封垫片，本发明能模拟水泥固化体所处的井下实际高温高压环境，并能同时在该条件下测定固化体样品微裂缝及微间隙的自修复能力，且试验浆体用量小，试验工作时间短。
Description
技术领域
本发明属于石油钻井技术领域，特别涉及一种HTHP(hightemperaturehighpressure高温高压)固井水泥环完整性模拟评价试验仪。
背景技术
在固井施工中，固井水泥浆被注入套管与地层之间的环空，水泥浆要经受井下环境而最终凝固形成具有一定胶结能力和硬度的水泥环。井内水泥环具有有效地封隔地层和支撑、保护套管的功能。为了稳产、增产，各油田都相继进行注水、压裂、酸化、补孔等提高生产压差等井下工程作业，不同的作业过程必然使井眼条件发生改变，套管内压改变、地层围岩压力变化以及井眼温度改变引起的温度应力等作用，使水泥环受力状态发生改变，可能导致水泥环产生裂纹，使水泥环的封隔作用失效，造成地下油气水层之间的窜流和套管的腐蚀破坏，严重时造成油气井报废(汪汉花，高莉莉.固井水泥石力学性能研究现状浅析.西部探矿工程，2010，4：70-74)。
随着小眼井、分支井、侧钻井和薄油层井、热采井数量的增多，对固井质量的要求也越来越高。对于小间隙环空和薄油层固井，因水泥环很薄，水泥石的完整性必须得到保证，否则油井寿命将受到严重影响；开窗侧钻井、大斜度井、大位移井和分支井中造斜段的水泥环经常遭受继续钻进时钻头、钻杆的撞击和震动，以及热采井中热冲击应力对水泥环产生的破坏，都要求研究和改善固井水泥环的力学性能，降低水泥环的脆性，增强水泥环的韧性(励争，苏先基.水泥石动态断裂韧性的实验研究[J].力学与实践，1999，21(1):41-44)。
因此，研究固井水泥石力学性能，提高水泥环本体的完整性对生产及油水井的长期寿命具有重要的意义。
有关油井水泥石力学性能方面的研究一般都集中在水泥石的强度方面，一般都将水泥石的单轴抗压强度作为主要工程性能指标并对其实施重点检测和分析(张景富，林波，王珣等人.单轴应力条件下水泥石强度与弹性模量的关系.科学技术与工程，2010，10(21)：5249-5253)。
常规水泥石力学性能评价方法基本上借鉴了混凝土、建筑水泥等材料力学中无机非金属的力学评价方法，其中常用的万能材料试验机可直接测得抗拉、抗折、抗剪切等力学性能，但不能模拟各种井下环境和工况对水泥石完整性的影响。因此，目前水泥石力学性能的研究多是针对于特定水泥浆体系形成水泥石的性能评价，而缺乏对水泥石力学性能受井下环境影响的规律性认识(汪汉花，高莉莉.固井水泥石力学性能研究现状浅析.西部探矿工程，2010，4：70-74)。
近年来，国内外学者对水泥石完整性的评价与研究越来越重视，并把在室内模拟井下环境对水泥石力学性能的影响研究试验作为考察水泥石完整性的主要技术手段。目前研究方法都力争尽可能地模拟固井水泥环的井下受力情况，但存在的问题是试验装置复杂庞大，试验成本高。更关键的是：作为固井水泥环的完整性和可靠性，其关键的力学性能指标应该是固井水泥环在油气井长期的开发过程中的层间封隔的可靠性能，即对油气水等井下流体的抗窜强度。现有的这些方法只能测定特定条件下固井水泥环的力学性能，不能定量分析测定井下压力变化对固井水泥环抗窜强度的变化，难以认识问题的本质。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种HTHP固井水泥环完整性模拟评价试验仪，能够较好地模拟固井水泥环所处的井下的环境条件，模拟井下温度对固井水泥环的影响，测定不同井下温度条件下固井水泥环抗窜强度的变化情况，从而准确评价固井水泥环在不同井下温度压力条件下的封隔可靠性，即完整性；具有结构简单，成本低廉，操作方便，试验浆体用量小，试验数据重现性好，短时间内可以开展大量试验工作的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种HTHP固井水泥环完整性模拟评价试验仪，包括釜体5和釜盖3，釜盖3顶部中心处通过螺纹一71连接压头2，压头2顶部留有高压管线接头母扣，用于连接高压管线并施加驱替压力，底部为锥形尖头，锥面打磨光滑与压杆4顶部锥形凹槽实现镜面密封；压杆4安装于釜盖3的中心孔处，在中心孔上下滑动，压杆4通过杆上安装的密封圈一81实现与釜盖3之间的滑动密封，压杆4下端加工有安放钢管试样6的凹槽，在钢管试样6与压杆4之间放置铜质密封垫片一91，钢管试样6下端放置于釜体5内底部凹槽，凹槽内同样放置铜质密封垫片二91。
所述釜盖3两斜侧通过螺纹紧扣有安装杆1，用于旋紧釜盖3与釜体5的螺纹二72连接。
所述钢管试样6所使用钢管是外径为25～26mm，内径为20～21mm，长度为79～81mm的不锈钢钢管13。通过不同的制作方法将水泥石12固结于钢管内部可制作成微裂缝和微间隙试样，以模拟不同水泥环损伤类型。
所述釜体5为外径110mm的空心圆柱筒，内筒底部有深3mm，直径26mm的凹槽，用于安放铜质密封垫片二91，筒内侧顶部车有螺纹二72及密封圈二82安装槽用于安装和密封釜盖3。
所述压杆4为直径25mm的中空圆柱杆，杆身加工有两道宽3mm，深2mm凹槽，用于安装密封圈一81，杆底端内径26mm，用于安装铜质密封垫片一91密封杆底与钢管试样6上端，杆顶部加工有锥形凹槽，凹槽面经过镜面抛光处理，实现与压头2的镜面密封连接。
所述釜盖3顶部加工有直径15mm，深20mm的螺纹一71孔眼，用于装配压头2，釜盖3上还加工有围压通道11，通道顶部加工有高压管线接头母扣用于连接围压管线，两侧加工有安装杆母扣用于安装安装杆1，中部为螺纹二72用于连接釜体5，下部留有密封圈二82安装凹槽，与釜体5相配合，用于密封与釜体5的连接，底部加工有直径26mm的中心孔，为压杆4的上下活动通道，孔内壁经过抛光处理，便于与压杆密封圈一81实现动态密封。
所述压头2为中空丝杆，杆身直径25mm，与釜盖3顶部孔眼相配合，压头2顶端留有高压管线安装母扣用于连接驱替压力通道10管线，底部为锥形尖头，锥面经过镜面抛光处理便于实现与压杆顶部凹槽的镜面密封连接。
装配时首先将钢管试样6放置于釜体5内底部凹槽的铜质密封垫片二92上，然后将压杆4放置有铜质密封垫片一91的底端放置于钢管试样上端，并向釜体内腔加入环空加压流体，将釜盖3保持竖直与釜体5旋紧，压杆4便伸入釜盖3中心孔中，继续将压头2旋入釜盖3并拧紧，此时压头抵紧压杆4实现压头2与压杆4之间的密封连接，同时向下滑动的压杆4压紧钢管试样6借助铜质密封垫片一91达到试样与压杆4和釜体5的密封，从而实现驱替通道的联通和密封。将围压管线和驱替管线跟别连接至釜盖3和压头2顶部，将仪器放置于加热套内，通过控制模拟在不同温度和围压的井底条件下测量钢管试样的抗窜强度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.可以实现钢管试样中心的驱替通道与周向的围压通道的独立密封，打破传统夹持器围压必须大于驱替压力的条件，可以更好的模拟底层应力对固井水泥环的作用。
2.可以实现高温条件下抗窜强度的测量，更好的模拟水泥环所处的井下高温高压条件。
3.通过控制围压与温度的变化可实现多种实验数据的测量工作，满足水泥环损伤修复实验室测量的各种要求。
本发明HTHP固井水泥环完整性模拟评价试验仪能够模拟水泥固化体所处的井下实际高温高压环境，并能同时在该条件下测定固化体样品微裂缝及微间隙的自修复能力，比常规常温评价方法更符合井下实际情况。具有结构简单、成本低廉、操作方便，试验浆体用量小，试验工作时间短的特点，能够真实模拟井下水泥环所处的高温高压环境，是评价研究固井水泥环完整性的可靠试验手段。
附图说明
图1是本发明HTHP固井水泥环完整性模拟评价试验仪剖面图。
图2是本发明HTHP固井水泥环完整性模拟评价试验仪示意图。
图3是本发明压头结构示意图。
图4是本发明压杆结构示意图。
图5是本发明釜盖结构示意图。
图6是本发明釜体结构示意图。
图7是本发明钢管试样结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参见附图1～2，安装杆1通过螺纹紧扣于釜盖3两斜侧，用于旋紧釜盖3与釜体5的螺纹连接；压头2设置在釜盖3顶部中心处，通过丝扣与釜盖3连接，压头2顶部留有高压管线接头母扣，用于连接高压管线并施加驱替压力，底部为锥形尖头，锥面打磨光滑与压杆4顶部锥形凹槽实现镜面密封；压杆4安装于釜盖中心孔处，并且可在中心孔上下滑动，压杆4通过杆上安装的密封圈一81实现与釜盖3之间的滑动密封，压杆4下端加工有安放钢管试样6的凹槽，在钢管试样6与压杆之间放置铜质密封垫片一91，钢管试样6下端放置于釜体5内底部凹槽，凹槽内同样放置铜质密封垫片二92。
装配时首先将钢管试样6放置于釜体5内底部凹槽的铜质密封垫片二92上，然后将压杆4放置有铜质密封垫片一91的底端放置于钢管试样上端，并向釜体内腔加入环空加压流体，将釜盖3保持竖直与釜体5旋紧，压杆4便伸入釜盖3中心孔中，继续将压头2旋入釜盖3并拧紧，此时压头抵紧压杆4实现压头2与压杆4之间的密封连接，同时向下滑动的压杆4压紧钢管试样6借助铜质密封垫片一91达到试样与压杆4和釜体5的密封，从而实现驱替通道10的联通和密封。将围压管线和驱替管线跟别连接至釜盖3和压头2顶部，将仪器放置于加热套内，通过控制模拟在不同温度和围压的井底条件下测量钢管试样的抗窜强度。
参见附图3，压头2为中空丝杆，杆身直径25mm与釜盖顶部孔眼相配合，压头顶端留有高压管线安装母扣用于连接驱替压力管线。底部为锥形尖头，锥面经过镜面抛光处理便于实现与压杆顶部凹槽的镜面密封连接。
参见附图4，压杆4为25mm中空圆柱杆，杆身加工有两道宽3mm深2mm凹槽用于安装密封圈一81，杆底端内径26mm可安装铜质密封垫片一91用于密封杆与钢管试样上端。杆顶部加工有锥形凹槽，凹槽面经过镜面抛光处理，实现与压头的镜面密封连接。
参见附图5，釜盖3顶部加工有直径15mm深20mm螺纹孔眼用于装配压头，釜盖上还加工有围压通道11，通道顶部加工有高压管线接头母扣用于连接围压管线，两侧加工有安装杆母扣用于安装安装杆。中部为螺纹7连接用于连接釜体，下部留有密封圈二82安装凹槽，与釜体相配合用于密封于釜体的连接。底部加工有直径26mm中心孔，为压杆上下活动通道，孔内壁经过抛光处理，便于与压杆密封圈一81实现动态密封。
参见附图6，釜体5为外径110mm的空心圆柱筒，内筒底部有深3mm直径26mm的凹槽用于安放铜质密封垫片二92，筒内侧顶部车有螺纹二72及密封圈二82安装槽用于安装和密封釜盖。
参见附图7，钢管试样6所使用钢管是外径为25～26mm，内径为20～21mm，长度为79～81mm的不锈钢钢管13。通过不同的制作方法将水泥石12固结于钢管内部可制作成微裂缝和微间隙试样，以模拟不同水泥环损伤类型。
本发明的工作原理和试验流程是：
1、钢管试样6是HTHP固井水泥环完整性模拟试验仪的基本部件，不锈钢钢管13内部固结有水泥石12，按照不同实验要求制作微裂缝或微间隙钢管试样6备用。
2、将铜质密封垫片二92置于釜体5底部凹槽中，将第一步制备好的钢管试样6放置于密封垫片二92上并将压杆4与上密封垫片一91套于钢管试样上端。将釜体空间加入增压流体自来水或油。
3、将釜盖3与釜体5旋紧，此时压杆4会伸入到釜盖3的中心孔中，并凭借压杆4上的密封圈一81实现与釜盖3的动态密封。
4、将压头2旋入釜盖3上部螺纹孔眼中，直至接触压杆4，并继续旋紧使压杆4压紧钢管试样6，实现试样6与釜体5和压杆4间的密封。
5、将试验仪放入加热套中，然后将围压管线和驱替管线分别连接至釜盖3，建立驱替通道10与围压通道11。
a无围压常温试验
即不给试样施加围压(P2a＝0MPa)的情况下常温测得的抗窜强度。直接施加水力压力P1，测定仪器出口端滴出第一滴水时的水力压力Pmaxa，即为油井水泥固化体样品无围压常温条件下的抗窜强度值。
(b)带围压常温试验
即给试样施加一定围压的情况下常温测得的抗窜强度。首先，施加预定的围压值P2b，然后施加水力压力P，并测定样品的抗窜强度值Pmaxb，即为油井水泥固化体样品在P2b围压常温条件下的抗窜强度值。
(c)带围压高温试验
即给试样施加一定围压并在高温情况下测得的抗窜强度。首先封住围压通道与驱替通道，将仪器置于加热套中升温，随着温度的升高，由于釜体中传压流体的膨胀，围压会缓慢增长，到温度达到指定温度后，打开围压通道将围压增至指定围压P2c，然后按照b测试方法继续测试，测定样品的抗窜强度值Pmaxc，即为油井水泥固化体样品在Pc2围压常温条件下的抗窜强度值。
综上，本发明通过模拟井下温度变化对固井水泥环抗窜强度的影响规律，定量测定分析固井水泥环在不同井深温度条件下抗窜强度的变化情况，使测试数据能够真实、准确和完整地反应固井水泥环的完整性和力学性能，如水泥环在高温高压条件下的自修复性能等等，进而有针对性地提出改善固井水泥石力学性能的机理与措施，提高固井水泥石在井下条件的完整性和承载能力。该固井水泥环完整性模拟评价试验仪的研究对于准确评价固井水泥环的完整性，开展固井水泥环完整性与耐久性的研究，为固井设计提供可靠的设计依据，提高固井质量，延长油气井寿命具有重要的工程价值。
Claims (7)
1.一种HTHP固井水泥环完整性模拟评价试验仪，包括釜体(5)和釜盖(3)，其特征在于，釜盖(3)顶部中心处通过螺纹一(71)连接压头(2)，压头(2)顶部留有高压管线接头母扣，用于连接高压管线并施加驱替压力，底部为锥形尖头，锥面打磨光滑与压杆(4)顶部锥形凹槽实现镜面密封；压杆(4)安装于釜盖(3)的中心孔处，在中心孔上下滑动，压杆(4)通过杆上安装的密封圈一(81)实现与釜盖(3)之间的滑动密封，压杆(4)下端加工有安放钢管试样(6)的凹槽，在钢管试样(6)与压杆(4)之间放置铜质密封垫片一(91)，钢管试样(6)下端放置于釜体(5)内底部凹槽，凹槽内同样放置铜质密封垫片二(91)。
2.根据权利要求1所述HTHP固井水泥环完整性模拟评价试验仪，其特征在于，所述釜盖(3)两斜侧通过螺纹紧扣有安装杆(1)，用于旋紧釜盖(3)与釜体(5)的螺纹二(72)连接。
3.根据权利要求1所述HTHP固井水泥环完整性模拟评价试验仪，其特征在于，所述钢管试样(6)所使用钢管是外径为25～26mm，内径为20～21mm，长度为79～81mm的不锈钢钢管(13)。
4.根据权利要求1所述HTHP固井水泥环完整性模拟评价试验仪，其特征在于，所述釜体(5)为外径110mm的空心圆柱筒，内筒底部有深3mm，直径26mm的凹槽，用于安放铜质密封垫片二(91)，筒内侧顶部车有螺纹二(72)及密封圈二(82)安装槽用于安装和密封釜盖(3)。
5.根据权利要求1所述HTHP固井水泥环完整性模拟评价试验仪，其特征在于，所述压杆(4)为直径25mm的中空圆柱杆，杆身加工有两道宽3mm，深2mm凹槽，用于安装密封圈一(81)，杆底端内径26mm，用于安装铜质密封垫片一(91)密封杆底与钢管试样(6)上端，杆顶部加工有锥形凹槽，凹槽面经过镜面抛光处理，实现与压头(2)的镜面密封连接。
6.根据权利要求1所述HTHP固井水泥环完整性模拟评价试验仪，其特征在于，所述釜盖(3)顶部加工有直径15mm，深20mm的螺纹一(71)孔眼，用于装配压头(2)，釜盖(3)上还加工有围压通道(11)，通道顶部加工有高压管线接头母扣用于连接围压管线，两侧加工有安装杆母扣用于安装安装杆(1)，中部为螺纹二(72)用于连接釜体(5)，下部留有密封圈二(82)安装凹槽，与釜体(5)相配合，用于密封与釜体(5)的连接，底部加工有直径26mm的中心孔，为压杆(4)的上下活动通道，孔内壁经过抛光处理，便于与压杆密封圈一(81)实现动态密封。
7.根据权利要求1所述HTHP固井水泥环完整性模拟评价试验仪，其特征在于，所述压头(2)为中空丝杆，杆身直径25mm，与釜盖(3)顶部孔眼相配合，压头(2)顶端留有高压管线安装母扣用于连接驱替压力通道(10)管线，底部为锥形尖头，锥面经过镜面抛光处理便于实现与压杆顶部凹槽的镜面密封连接。
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