CN105403505A - 固井界面胶结强度测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种固井界面胶结强度测试装置及方法，涉及石油钻探技术领域，达到的目的是使得测试结果精确，提高了工作效率，便于大批样品的测试。主要采用的技术方案为：固井界面胶结强度测试装置包括支撑座，模拟套管，施压件和压力测试机。所述支撑座具有通孔；所述模拟套管的一端与所述支撑座连接，所述模拟套管的管腔与所述通孔尺寸一致且同轴设置，所述管腔的腔壁用于胶结水泥石；所述施压件设置在所述模拟套管的另一端，能够在压力作用下挤压所述水泥石，以将所述水泥石从所述管腔的腔壁上脱离掉入所述通孔内；所述压力测试机的压力输出端与所述施压件连接，用于对所述施压件施加所述压力并记录最大的压力值。

Description

固井界面胶结强度测试装置及方法

技术领域

本发明涉及石油钻探技术领域，尤其涉及一种固井界面胶结强度测试装置及方法。

背景技术

随着石油钻探技术的高速发展，对石油工程中的固井作业要求越来越高。而固井界面环境更加复杂，影响因素更多，固井界面胶结强度对工程质量的影响就更大。因此，固井界面胶结质量及强度直接影响油井的使用寿命和开发效益已是一个不争的事实。

目前，固井交界面胶结强度测试没有系统的测试装置和明确的操作规程，而是现场施工后通过超声波对固井界面胶结强度进行测试，整个过程中测试步骤繁琐，费时费力，工作强度大且效率低，还存在一定的安全隐患，测试结果不稳定，生产成本较高，不利于大批样品的测试。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种新型结构的固井界面胶结强度测试装置及方法，使得测试结果精确，提高了工作效率，便于大批样品的测试。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：

一方面，本发明提供一种固井界面胶结强度测试装置，该固井界面胶结强度测试装置包括：

支撑座，所述支撑座具有通孔；

模拟套管，所述模拟套管的一端与所述支撑座连接，所述模拟套管的管腔与所述通孔尺寸一致且同轴设置，所述管腔的腔壁用于胶结水泥石；

施压件，所述施压件设置在所述模拟套管的另一端，能够在压力作用下挤压所述水泥石，以将所述水泥石从所述管腔的腔壁上脱离掉入所述通孔内；

压力测试机，所述压力测试机的压力输出端与所述施压件连接，用于对所述施压件施加所述压力并记录最大的压力值。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

如前所述的固井界面胶结强度测试装置，其中，所述施压件包括：第一受力部和与所述第一受力部连接的第一施力部；

所述第一受力部与所述压力输出端连接，用于接收所述压力测试机施加的压力；

所述第一施力部的端部与所述水泥石接触，用于将接收的压力传输给所述水泥石，以使所述水泥石与所述管腔的腔壁脱离；

其中，所述第一受力部的外径大于所述第一施力部的外径，所述第一施力部的外径小于等于所述管腔的内径。

如前所述的固井界面胶结强度测试装置，其中，所述水泥石内具有岩心，所述岩心的轴线与所述管腔的轴线平行；

所述施压件设置在所述模拟套管的另一端，能够在压力作用下挤压所述岩心，以将所述岩心从与所述管腔的腔壁胶结的水泥石上脱离掉入所述通孔内。

如前所述的固井界面胶结强度测试装置，其中，所述施压件包括：第二受力部和与所述第二受力部连接的第二施力部；

所述第二受力部与所述压力输出端连接，用于接收所述压力测试机施加的压力；

所述第二施力部的端部与所述岩心接触，用于将接收的压力传输给所述岩心，以使所述岩心与所述水泥石脱离；

其中，所述第二受力部的外径大于所述第二施力部的外径，所述第二施力部的外径小于等于所述岩心的外径。

如前所述的固井界面胶结强度测试装置，其中，所述支撑座的一端部上设有支撑台，所述支撑台沿着所述管腔的腔壁设置，用于支撑所述模拟套管。

如前所述的固井界面胶结强度测试装置，其中，所述支撑台的宽度与所述模拟套管的厚度一致。

如前所述的固井界面胶结强度测试装置，其中，还包括：加热器、高压釜和养护杯；相应的，

所述模拟套管还具有可拆卸的管盖，所述管盖上设有孔，所述孔通过管线与所述压力输出端连接；

所述高压釜与所述管盖螺纹连接，所述高压釜内部放置所述养护杯，所述高压釜外部有所述加热器。

另一方面，本发明提供一种固井界面胶结强度测试方法，应用上述所述的固井界面胶结强度测试装置进行测试的方法，该方法包括：

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

将水泥石与所述模拟套管胶结，其中，所述水泥石位于所述模拟套管的管腔内且与所述管腔的腔壁胶结；

将胶结有水泥石的模拟套管的一端放置在所述支撑座上，且所述水泥石与所述支撑座的通孔同轴设置；

将所述施压件放置在所述胶结有水泥石的模拟套管的另一端上；

采用压力测试机对所述施压件施加压力，使所述水泥石从所述管腔的腔壁上脱离，或者，所述水泥石中的岩心从所述水泥石上脱离；其中，所述压力的方向为所述水泥石的轴线方向；

记录所述压力测试机的最大压力值，并计算固井界面胶结强度。

如前所述的固井界面胶结强度测试方法，其中，所述将水泥石与所述模拟套管胶结具体为：

将所述模拟套管的端部通过管盖密封；

采用钻井液、冲洗液和隔离液依次对所述模拟套管的腔壁进行润湿清洗3-5min；

将水泥浆灌满密封的模拟套管；

将灌满水泥浆的模拟套管放在养护釜内加温180℃，加压20MPa，并养护48h或72h，形成与所述模拟套管胶结的所述水泥石。

如前所述的固井界面胶结强度测试方法，其中，所述水泥石的外径小于等于所述通孔的外径；所述水泥石与所述施压件的接触面积大于等于所述施压件一端的端面积。

如前所述的固井界面胶结强度测试方法，其中，所述将水泥石与所述模拟套管胶结具体为：

将所述模拟套管的端部通过管盖密封，在所述模拟套管的中心固定岩心；

采用钻井液、冲洗液和隔离液依次对所述模拟套管的腔壁进行润湿清洗3-5min；

将水泥浆灌满所述岩心与所述模拟套管形成的环形空间；

将灌满水泥浆的模拟套管放在养护釜内加温180℃，加压20MPa，并养护48h或72h，形成具有岩心且与所述模拟套管胶结的所述水泥石。

如前所述的固井界面胶结强度测试方法，其中，所述岩心的外径小于等于所述通孔的外径；所述岩心与所述模拟套管同高度；所述岩心与所述施压件的接触面积大于等于所述施压件一端的端面积。

借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

一、本发明提供的技术方案通过在支撑座上设通孔，将模拟套管设置在支撑座上且模拟套管的管腔与通孔同轴设置，再在模拟套管的一端上设有连接压力测试机的施压件，当压力测试机对施压件施加压力时，施压件能够使模拟套管中的水泥石从模拟套管上脱离，记录压力测试机的最大压力值以计算固井界面胶结强度，实现了模拟井下真实环境的测试，测试精确，结构简单，实用性较高。

二、本发明提供的技术方案通过将水泥浆注入模拟套管内模拟井下环境使水泥浆形成水泥石后与模拟套管胶结，将模拟套管的一端放置在支撑座上后，另一端放上施压件，在通过压力测试机对施压件施加压力，使施压件将水泥石从模拟套管上脱离，同时记录压力测试机的最大压力值，最后计算出固井界面的胶结强度。因此，较现有技术，本发明提供的测试步骤是先进行固井界面胶结强度测试，然后在进行现场施工。在进行固井界面胶结强度测试的过程中可以对水泥浆、测试环境参数等进行调整，使得测试结果精确，提高了工作效率，降低了工作强度，成本较低，便于大批样品的测试。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明实施例提供的固井界面胶结强度测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的固井界面胶结强度测试装置中施压件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的固井界面胶结强度测试装置中模拟套管的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的固井界面胶结强度测试装置中支撑座的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的固井界面胶结强度测试方法的流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的试验台其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

如图1所示，本发明实施例提供的固井界面胶结强度测试装置的结构示意图。本实施例的一种固井界面胶结强度测试装置包括：支撑座10(如图4所示)，模拟套管20(如图3所示)，施压件30(如图2所示)和压力测试机40。支撑座10具有通孔11。模拟套管20的一端与支撑座10连接，模拟套管20的管腔21与通孔11尺寸一致且同轴设置，管腔21的腔壁用于胶结水泥石1。模拟套管20与水泥石1胶结的具体实现为：将水泥浆注入模拟套管20内后，对模拟套管20加温加压以模拟井下真实环境，从而实现对井下真实环境下的固井界面的胶结强度测试。其中，水泥石1的长度与模拟套管20的高度一致。施压件30设置在模拟套管20的另一端，能够在压力f作用下挤压水泥石1，以将水泥石1从管腔21的腔壁上脱离掉入通孔11内。其中，施压件的作用力在水泥石的中心处，使得水泥石均匀受力，从而提高了测量精度。压力测试机40的压力输出端与施压件30连接，无需加压泵及温度控制装置只需压力检测机辅助即可，生产成本较低。压力测试机40用于对施压件30施加压力并记录最大的压力值，在通过计算得出固井界面的胶结强度，结构简单，易于实现。这里需要说明的是，本实施例实现了对水泥石1与固井胶结的界面进行的测试，即固井第一界面胶结强度测试。

具体实施时，如图2所示，上述所述的施压件30可以包括：第一受力部31和与第一受力部31连接的第一施力部32。第一受力部31与压力输出端连接，用于接收压力测试机40施加的压力。第一施力部32的端部与水泥石1接触，用于将接收的压力传输给水泥石1，以使水泥石1与管腔21的腔壁脱离。其中，第一受力部31的外径大于第一施力部32的外径，第一施力部32的外径小于等于管腔21的内径，第一施力部32的长度等于模拟套管20的高度。在实际应用中，第一施力部32可以为圆柱状结构，第一受力部31可以为圆盘形结构，第一施力部32与第一受力部31同心设置。示例性，第一施力部32的高度为90mm，第一施力部32的外径为48mm，第一受力部31的厚度为15mm，第一受力部31的外径为60mm。

本发明提供的技术方案通过在支撑座上设通孔，将模拟套管设置在支撑座上且模拟套管的管腔与通孔同轴设置，再在模拟套管的一端上设有连接压力测试机的施压件，当压力测试机对施压件施加压力时，施压件能够使模拟套管中的水泥石从模拟套管上脱离，记录压力测试机的最大压力值以计算固井界面胶结强度，实现了模拟井下真实环境的测试，测试精确，结构简单，实用性较高。

进一步的，上述实施例中所述的水泥石1还可以为具有岩心的水泥石1。带有岩心的水泥石1的具体形成为：将岩心固定在模拟套管20的中心处，再将水泥浆注入模拟套管20与岩心形成的环形空间内后，将模拟套管20加温加压以模拟井下真实环境，从而形成具有岩心的水泥石1。其中，岩心的轴线与管腔21的轴线平行。施压件30设置在模拟套管20的另一端，能够在压力作用下挤压岩心(未给出示图)，以将岩心从与管腔21的腔壁胶结的水泥石1上脱离掉入通孔11内。其中，施压件的作用力在岩心的中心处，使得岩心均匀受力，从而提高了测量精度。在本实施例中，通过对水泥石1内的岩心施加压力，并记录岩心从水泥石1上脱离的最大压力值，从而得出岩心与水泥石1界面(即第二固井界面)的胶结强度。因此，本发明实施例提供的固井界面胶结强度测试装置能够实现双界面的测试，更适于实用。

具体实施时，上述实施例中所述的施压件可以包括：第二受力部和与第二受力部连接的第二施力部。第二受力部与压力输出端连接，用于接收压力测试机施加的压力。第二施力部的端部与岩心接触，用于将接收的压力传输给岩心，以使岩心与水泥石脱离。其中，第二受力部的外径大于第二施力部的外径，第二施力部的外径小于等于岩心的外径，第二施力部的长度等于模拟套管的高度。在实际应用中，第二施力部可以为圆柱状结构，第二受力部可以为圆盘形结构，第二施力部与第二受力部同心设置。示例性，第二施力部的高度为90mm，第二施力部的外径为30mm，第二受力部的厚度为15mm，第二受力部的外径为40mm。

进一步的，为了稳固模拟套管20与支撑座10的连接，上述实施例中所述的支撑座10的一端部上设有支撑台12，支撑台12沿着管腔21的腔壁设置，用于支撑模拟套管20。具体实施时，若模拟套管20胶结水泥石1，则支撑台12的宽度小于等于模拟套管20的厚度，优选地，支撑台12的宽度与模拟套管20的厚度一致。；若模拟套管20胶结具有岩心的水泥石1，则支撑台12的宽度大于模拟套管20的厚度，支撑台12的宽度小于等于模拟套管20和水泥石1的厚度，示例性，支撑台12的宽度为3mm～7.6mm。

进一步的，上述实施例中所述的固井界面胶结强度测试装置还可以包括：加热器、高压釜和养护杯(未给出示图)；相应的，模拟套管还具有可拆卸的管盖，管盖上设有孔，孔通过管线与压力输出端连接。高压釜与管盖螺纹连接，高压釜内部放置养护杯，高压釜外部有加热器，从而为模拟套管模拟井下真实环境。在实际应用中，加热器加热180℃，高压釜加压20MPa。

如图5所示，本发明实施例提供的固井界面胶结强度测试方法的流程图。本实施例的一种固井界面胶结强度测试方法应用上述实施例所述的固井界面胶结强度测试装置进行测试的方法，该方法包括：

101、将水泥石与模拟套管胶结，其中，水泥石位于模拟套管的管腔内且与管腔的腔壁胶结。

其中，本步骤中所述的水泥石包含具有岩心的水泥石。将水泥石与模拟套管胶结分为以下两种情况：

第一种，将水泥石与模拟套管胶结具体实现为：将模拟套管的端部通过管盖密封；采用钻井液、冲洗液和隔离液依次对模拟套管的腔壁进行润湿清洗3-5min；将水泥浆灌满密封的模拟套管；将灌满水泥浆的模拟套管放在养护釜内加温180℃，加压20MPa，并养护48h或72h，形成与模拟套管胶结的水泥石。其中，水泥石的外径小于等于通孔的外径；水泥石与施压件的接触面积大于等于施压件一端的端面积。

第二种，将具有岩心的水泥石与模拟套管胶结具体实现为：将模拟套管的端部通过管盖密封，在模拟套管的中心固定岩心；采用钻井液、冲洗液和隔离液依次对模拟套管的腔壁进行润湿清洗3-5min；将水泥浆灌满岩心与模拟套管形成的环形空间；将灌满水泥浆的模拟套管放在养护釜内加温180℃，加压20MPa，并养护48h或72h，形成具有岩心且与模拟套管胶结的水泥石。其中，岩心的外径小于等于通孔的外径；岩心与模拟套管同高度；岩心与施压件的接触面积大于等于施压件一端的端面积。

102、将胶结有水泥石的模拟套管的一端放置在支撑座上，且水泥石与支撑座的通孔同轴设置。

其中，支撑座的一端上设有支撑台，支撑台的宽度等于模拟套管的厚度或支撑台的宽度等于模拟套管与具有岩心的水泥石的厚度之和。

103、将施压件放置在胶结有水泥石的模拟套管的另一端上。

其中，施压件沿着水泥石的轴线对水泥石施加压力，使水泥石沿着其轴线移动；或者，施压件沿着具有岩心的水泥石的轴线对岩心施加压力，使岩心沿着水泥石的轴线移动。

104、采用压力测试机对施压件施加压力，使水泥石从管腔的腔壁上脱离，或者，水泥石中的岩心从水泥石上脱离。

其中，压力方向为水泥石的轴线方向。

105、记录压力测试机的最大压力值，并计算固井界面胶结强度。

其中，固井界面胶结强度为压力与交界面积的比值。

本发明提供的技术方案通过将水泥浆注入模拟套管内模拟井下环境使水泥浆形成水泥石后与模拟套管胶结，将模拟套管的一端放置在支撑座上后，另一端放上施压件，在通过压力测试机对施压件施加压力，使施压件将水泥石从模拟套管上脱离，同时记录压力测试机的最大压力值，最后计算出固井界面的胶结强度。因此，较现有技术，本发明提供的测试步骤是先进行固井界面胶结强度测试，然后在进行现场施工。在进行固井界面胶结强度测试的过程中可以对水泥浆、测试环境参数等进行调整，使得测试结果精确，提高了工作效率，降低了工作强度，成本较低，便于大批样品的测试。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种固井界面胶结强度测试装置，其特征在于，包括：

支撑座，所述支撑座具有通孔；

模拟套管，所述模拟套管的一端与所述支撑座连接，所述模拟套管的管腔与所述通孔尺寸一致且同轴设置，所述管腔的腔壁用于胶结水泥石；

施压件，所述施压件设置在所述模拟套管的另一端，能够在压力作用下挤压所述水泥石，以将所述水泥石从所述管腔的腔壁上脱离掉入所述通孔内；

压力测试机，所述压力测试机的压力输出端与所述施压件连接，用于对所述施压件施加所述压力并记录最大的压力值。

2.根据权利要求1所述的固井界面胶结强度测试装置，其特征在于，所述施压件包括：第一受力部和与所述第一受力部连接的第一施力部；

所述第一受力部与所述压力输出端连接，用于接收所述压力测试机施加的压力；

所述第一施力部的端部与所述水泥石接触，用于将接收的压力传输给所述水泥石，以使所述水泥石与所述管腔的腔壁脱离；

其中，所述第一受力部的外径大于所述第一施力部的外径，所述第一施力部的外径小于等于所述管腔的内径。

3.根据权利要求1所述的固井界面胶结强度测试装置，其特征在于，所述水泥石内具有岩心，所述岩心的轴线与所述管腔的轴线平行；

所述施压件设置在所述模拟套管的另一端，能够在压力作用下挤压所述岩心，以将所述岩心从与所述管腔的腔壁胶结的水泥石上脱离掉入所述通孔内。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的固井界面胶结强度测试装置，其特征在于，

所述支撑座的一端部上设有支撑台，所述支撑台沿着所述管腔的腔壁设置，用于支撑所述模拟套管。

5.根据权利要求4所述的固井界面胶结强度测试装置，其特征在于，所述支撑台的宽度与所述模拟套管的厚度一致。

6.一种固井界面胶结强度测试方法，应用上述权利要求1～5中任一项所述的固井界面胶结强度测试装置进行测试的方法，其特征在于，所述方法包括：

将水泥石与所述模拟套管胶结，其中，所述水泥石位于所述模拟套管的管腔内且与所述管腔的腔壁胶结；

将胶结有水泥石的模拟套管的一端放置在所述支撑座上，且所述水泥石与所述支撑座的通孔同轴设置；

将所述施压件放置在所述胶结有水泥石的模拟套管的另一端上；

采用压力测试机对所述施压件施加压力，使所述水泥石从所述管腔的腔壁上脱离，或者，所述水泥石中的岩心从所述水泥石上脱离；其中，所述压力的方向为所述水泥石的轴线方向；

记录所述压力测试机的最大压力值，并计算固井界面胶结强度。

7.根据权利要求6所述的固井界面胶结强度测试方法，其特征在于，所述将水泥石与所述模拟套管胶结具体为：

将所述模拟套管的端部通过管盖密封；

采用钻井液、冲洗液和隔离液依次对所述模拟套管的腔壁进行润湿清洗3-5min；

将水泥浆灌满密封的模拟套管；

将灌满水泥浆的模拟套管放在养护釜内加温180℃，加压20MPa，并养护48h或72h，形成与所述模拟套管胶结的所述水泥石。

8.根据权利要求7所述的固井界面胶结强度测试方法，其特征在于，

所述水泥石的外径小于等于所述通孔的外径；所述水泥石与所述施压件的接触面积大于等于所述施压件一端的端面积。

9.根据权利要求6所述的固井界面胶结强度测试方法，其特征在于，所述将水泥石与所述模拟套管胶结具体为：

将所述模拟套管的端部通过管盖密封，在所述模拟套管的中心固定岩心；

采用钻井液、冲洗液和隔离液依次对所述模拟套管的腔壁进行润湿清洗3-5min；

将水泥浆灌满所述岩心与所述模拟套管形成的环形空间；

将灌满水泥浆的模拟套管放在养护釜内加温180℃，加压20MPa，并养护48h或72h，形成具有岩心且与所述模拟套管胶结的所述水泥石。

10.根据权利要求9所述的固井界面胶结强度测试方法，其特征在于，

所述岩心的外径小于等于所述通孔的外径；所述岩心与所述模拟套管同高度；所述岩心与所述施压件的接触面积大于等于所述施压件一端的端面积。