CN114659906A - 一种原位井筒多界面剪切试验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位井筒多界面剪切试验装置及方法,所述原位井筒多界面剪切试验装置主要包括试样组件、上板组件、下板组件、温控组件等部件组成；该装置采用刚性和弹性材料相结合的方法，制作界面剪力加载板，将轴向压载荷变为界面剪切载荷，用于对水泥环施加剪切力；在套管内部与围压外套设置多组声发射‑接收探头，用于准确监测和定位界面破坏及滑移过程；在围压外套设置多组液压加载通道，可实现井筒不同位置非均匀应力的加载，完善了井筒完整性评价方法，对油气井寿命预测具有重要的意义。

Description

一种原位井筒多界面剪切试验装置及其方法

技术领域

本发明属于油气井钻完井技术领域，具体涉及一种原位井筒多界面渗流剪切试验装置及其方法。

背景技术

目前在固井施工后，固井水泥固化形成水泥环的同时，将与套管、地层围岩胶结形成完整的井筒，此时在围岩-固井水泥环-套管间将形成第一界面(固井水泥环-套管)和第二界面(固井水泥环-围岩)。完整的井筒可有效地封隔地层流体、支撑管柱、保护套管等。随着钻井的不断深入地层，钻柱在提升与下放过程不免会受到来自钻柱的摩擦提拉等作用，使得井筒在轴向上受到剪力的作用；此外，当固井水泥环部分失效出现环空带压时，将导致地层流体直接作用于井筒，此时上层井筒将受到来自窜入流体施加的剪力作用。由于围岩、固井水泥环、套管均具有较高的抗压强度，但受到剪力作用的第一、第二界面将成为井筒密封失效的薄弱结构，一旦失效将造成地下流体在层间窜流、套管腐蚀加剧，轻则造成油气减产，严重时将导致油气井无法修复而报废。

目前井筒完整性评价技术领域，苏东华等(CN108361024B)通过模拟油管冲击载荷评价水泥环完整性；邓宽海等(CN104500034B)提出了使用长源距信号探测水泥环破坏结构的方法；杨勇等(CN111287731A)和杨振杰等(CN103184866B)等人提出了不同构型的固井水泥环完整性评价试验装置；刘开强等(CN112832743A)设计了使用气体快速测试水泥环完整性的实验装置；曹广明等(CN110411679A)设计了一种用于评价储气库固井水泥环完整性的试验装置；李勇等(CN106991235B)提出了基于弹性屈服准则的计算方法，用于模拟和预测非均匀应力对井筒水泥环完整变化的方法；上述针对水泥环完整性的评价方案主要是，通过模拟高温高压地层环境，调控井筒内外压力差，模拟注水、压裂、撞击过程，利用气体或液体检测破坏后的水泥环是否出现窜流通道，作为评价井筒水泥石完整性是否破坏的技术手段。

由上述现有的试验研究装置及方法可知，存在以下不足：(1)无法模拟剪切作用条件下井筒多界面的破坏过程；(2)当完整性破坏后，井筒各结构由界面滑移引起的渗流过程无法研究；(3)针对井筒受多地层产生的非均匀地层应力，无法开展试验研究。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种原位井筒多界面剪切试验装置及其方法，该装置采用刚性和弹性材料相结合的方法，制作界面剪力加载板，将轴向压载荷变为界面剪切载荷，用于对水泥环施加剪切力；在套管内部与围压外套设置多组声发射-接收探头，用于准确监测和定位界面破坏及滑移过程；在围压外套设置多组液压加载通道，可实现井筒不同位置非均匀应力的加载。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案在于，提供一种原位井筒多界面剪切试验装置，包括：

试样组件，所述试样组件为中空结构且位于整个装置的内部，所述试样组件由内向外依次包括模拟套管、水泥环、人工环形围岩，所述人工环形围岩内部设有第一声波探测传感器，所述模拟套管内部设有第二声波探测传感器，所述模拟套管内部还设有声发射信号源导线；

上板组件，所述上板组件位于所述试样组件的顶部；

下板组件，所述下板组件位于所述试样组件的底部；

温控组件，所述温控组件位于所述试样组件的外部；

高压计量泵，所述高压计量泵位于试验装置外部且与所述上板组件相连；

围压控制泵，所述围压控制泵位于试验装置外部且与所述温控组件相连；

内压控制泵，所述内压控制泵位于试验装置外部且与所述下板组件相连；

精密流量计，所述精密流量计位于试验装置外部且与所述下板组件相连；

声发射信号放大器，所述声发射信号放大器与所述试样组件相连，所述声发射信号放大器依次连接声发射采集器、数据处理系统。

优选的，所述上板组件包括上端刚性板、第一硅胶垫板、第二硅胶垫板，所述上端刚性板位于所述水泥环的顶部，所述第一硅胶垫板位于所述模拟套管的顶部，所述第二硅胶垫板位于所述人工环形围岩的顶部。

优选的，所述上板组件设有线管穿孔，所述线管穿孔位于所述上板组件的中央，所述上板组件还设有渗流体注入端口。

优选的，所述上端刚性板相对于所述第一硅胶垫板、所述第二硅胶垫板为下凸结构，所述上端刚性板与所述水泥环之间采用第一密封圈密封。

优选的，所述下板组件包括下端刚性板、第三硅胶垫板，所述第三硅胶垫板位于所述水泥环的底部，所述下板组件与所述试样组件之间采用第二密封圈密封。

优选的，所述下板组件设有内压入口，所述内压入口位于所述下板组件的中央，所述下板组件还设有渗流体排出端口。

优选的，所述渗流体排出端口数量为两个，一个所述渗流体排出端口位于所述模拟套管底部，另一个所述渗流体排出端口位于所述人工环形围岩底部。

优选的，所述温控组件由内向外依次包括固压胶套、腔体、加热保温套。

优选的，所述温控组件还包括围压端口，所述围压端口径向贯穿所述温控组件设置，所述围压端口数量为两个。

优选的，本发明提供的一种原位井筒多界面剪切试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，试验装置组装完毕后，将整个装置安装到轴压加载设备上，随后通过温控组件对试样组件进行加热至目标值；

S2，试样组件温度稳定后，通过温控组件由围压控制泵向试样组件加载围压至目标值；

S3，试样组件围压稳定后，通过下板组件由内压控制泵向试样组件加载内压至目标值；

S4，试样组件内压稳定后，由高压计量泵向上板组件施加渗流压力，使渗流液体从上板组件流向试样组件，开启精密流量计；

S5，保持高压计量泵体积恒定，在轴压加载设备的轴压压头与上板组件上端接触后，暂停轴压加载，做数据采集准备；

S6，保持轴压加载设备恒定速度加载，实施采集数据，当试样组件剪切位移至目标值时，停止数据采集，卸载轴压、渗流压、内压、围压并停止加热；

S7，后续数据分析处理，整个装置冷却至室温，做相应拆卸处理。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明使用的原位井筒多界面剪切试验装置及其方法，上板组件和下板组件均采用刚性和弹性材料相结，水泥环的顶部为刚性材料，底部为弹性材料，通过对井筒界面施加剪力载荷，形象的模拟剪切作用条件下井筒多界面的破坏过程。

(2)本发明使用的原位井筒多界面剪切试验装置及其方法，通过渗流体注入端口由高压计量泵向试样组件注入渗流液体，施加渗流压力，使渗流液体从上板组件流向试样组件，由两个渗流体排出端口排出，可评价渗流对井筒界面滑移影响过程。

(3)本发明使用的原位井筒多界面剪切试验装置及其方法，采用声发射方式，使用多维度声发射设备对界面破坏过程进行定位，提出了评价井筒完整性的新方法，为油气藏安全开发提供了技术保障。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明试样组件的结构示意图；

图3是本发明上板组件的结构示意图；

图4是本发明下板组件的结构示意图；

图5是本发明温控组件的结构示意图。

图中：100、试样组件；101、模拟套管；102、水泥环；103、人工环形围岩；104、第一密封圈；105、第一声波探测传感器；106、第二声波探测传感器；107、声发射信号源导线；200、上板组件；201、上端刚性板；202、第一硅胶垫板；203、第二硅胶垫板；204、渗流体注入端口；205、线管穿孔；300、下板组件；301、下端刚性板；302、第三硅胶垫板；303、内压入口；304、渗流体排出端口；305、第二密封圈；400、温控组件；401、固压胶套；402、加热保温套；403、围压端口；404、腔体；510、高压计量泵；520、围压控制泵；530、内压控制泵；540、精密流量计；610、声发射信号放大器；620、声发射采集器；700、数据处理系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见附图1至图5，本发明提供的一种原位井筒多界面剪切试验装置，包括：

试样组件100，试样组件100为中空结构且位于整个装置的内部，试样组件100包括模拟套管101、水泥环102、人工环形围岩103、第一声波探测传感器105、第二声波探测传感器106、声发射信号源导线107，模拟套管101位于试样组件100的内部，水泥环102位于模拟套管101与人工环形围岩103之间，第一声波探测传感器105与人工环形围岩103相连，第二声波探测传感器106与模拟套管101相连，声发射信号源导线107位于模拟套管101的内部，水泥环102上面设有第一密封圈104；

上板组件200，上板组件200位于试样组件100的顶部，上板组件200包括上端刚性板201、第一硅胶垫板202、第二硅胶垫板203，上端刚性板201位于水泥环102的顶部，第一硅胶垫板202位于模拟套管101的顶部，第二硅胶垫板203位于人工环形围岩103的顶部，上板组件200设有线管穿孔205，线管穿孔205位于上板组件200的中央，上板组件200还设有渗流体注入端口204，上端刚性板201相对于第一硅胶垫板202、第二硅胶垫板203为下凸结构，上端刚性板201与水泥环102之间采用第一密封圈104密封，通过轴压加载设备(图中未标注)对上板组件200施加压力，从而对整个试验装置加载轴压；渗流压力由高压计量泵提供压力；轴压加载设备为液压装置，实现压力的外部加载即可，其为现有技术，本发明并不对其具体的型号做限定。

下板组件300，下板组件300位于试样组件100的底部，下板组件300包括下端刚性板301、第三硅胶垫板302，第三硅胶垫板302位于水泥环102的底部，下板组件300与试样组件100之间采用第二密封圈305密封，下板组件300设有内压入口303，内压入口位于下板组件300的中央，下板组件300还设有渗流体排出端口304，渗流体排出端口304数量为两个，一个渗流体排出端口304位于模拟套管101底部，另一个渗流体排出端口304位于人工环形围岩103底部，通过下板组件200可对整个试验装置加内压；

温控组件400，温控组件400位于试样组件100的外部，温控组件400由内向外依次包括固压胶套401、腔体404、加热保温套402，温控组件400还包括围压端口403，围压端口403贯穿于温控组件400设置，围压端口403数量为两个，通过温控组件400可对整个试验装置加热和加载围压；

高压计量泵510，高压计量泵510位于整个装置的外部且与上板组件200相连，启动高压计量泵510后，通过渗流体注入端口204向试样组件100注入渗流液体；

围压控制泵520，围压控制泵520位于整个装置的外部且与温控组件400相连，启动围压控制泵520后，通过围压端口403向试样组件100加载围压；

内压控制泵530，内压控制泵530位于整个装置的外部且与下板组件300相连，启动内压控制泵530，通过内压入口304向试样组件100加载围内压；

精密流量计540，所述精密流量计540位于整个装置的外部且与所述下板组件300相连，当渗流液体在渗流压、围压、内压等压力作用下，水泥环部分位置可能有变形，渗流液体会通过套筒101下面的渗流体排出端口303、人工环形围岩103下面的渗流体排出端口303排出，利用精密流量计540得出流出液体的体积；

声发射信号放大器610，声发射信号放大器610与试样组件100相连，声发射信号放大器610依次连接声发射采集器620、数据处理系统700，第一声波探测传感器105连接线经声发射信号放大器610处理后将信号反馈给声发射采集器620，第二声波探测传感器106连接线由线管穿孔205穿出，经声发射信号放大器610处理后将信号反馈给声发射采集器620，再由声发射采集器620将信号反馈给数据处理系统700进行分析处理。

本发明提供的一种原位井筒多界面剪切试验装置试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)，试验装置组装完毕后，将整个装置安装到轴压加载设备上，通过温控组件400对试样组件100进行加热至目标值；

S2)，试样组件100温度稳定后，启动围压控制泵520后，通过围压端口403向试样组件100加载围压至目标值；

S3)，试样组件100围压稳定后，启动内压控制泵530，通过内压入口304向试样组件100加载围内压至目标值；

S4)，试样组件100内压稳定后，启动高压计量泵510后，通过渗流体注入端口204向试样组件100注入渗流液体，施加渗流压力，使渗流液体从上板组件200流向试样组件100，开启精密流量计540；

S5)，保持高压计量泵510体积恒定，在轴压加载设备的轴压压头与上板组件200上端接触后，暂停轴压加载，做数据采集准备；

S6)，保持轴压加载设备恒定速度加载，实施采集数据，当试样组件100剪切位移至目标值时，停止数据采集，卸载轴压、渗流压、内压、围压并停止加热；

S7)，后续数据分析处理，整个装置冷却至室温，做相应拆卸处理。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种原位井筒多界面剪切试验装置，其特征在于，包括：

试样组件(100)，所述试样组件(100)为中空结构且位于整个装置的内部，所述试样组件(100)由内向外依次包括模拟套管(101)、水泥环(102)、人工环形围岩(103)，所述人工环形围岩(103)内部设有第一声波探测传感器(105)，所述模拟套管(101)内部设有第二声波探测传感器(106)，所述模拟套管(101)内部还设有声发射信号源导线(107)；

上板组件(200)，所述上板组件(200)位于所述试样组件(100)的顶部；

下板组件(300)，所述下板组件(300)位于所述试样组件(100)的底部；

温控组件(400)，所述温控组件(400)位于所述试样组件(100)的外部；

高压计量泵(510)，所述高压计量泵(510)位于试验装置外部且与所述上板组件(200)相连；

围压控制泵(520)，所述围压控制泵(520)位于试验装置外部且与所述温控组件(400)相连；

内压控制泵(530)，所述内压控制泵(530)位于试验装置外部且与所述下板组件(300)相连；

精密流量计(540)，所述精密流量计(540)位于试验装置外部且与所述下板组件(300)相连；

声发射信号放大器(610)，所述声发射信号放大器(610)与所述试样组件(100)相连，所述声发射信号放大器(610)依次连接声发射采集器(620)、数据处理系统(700)。

2.根据权利要求1所述的原位井筒多界面剪切试验装置，其特征在于，所述上板组件(200)包括上端刚性板(201)、第一硅胶垫板(202)、第二硅胶垫板(203)，所述上端刚性板(201)位于所述水泥环(102)的顶部，所述第一硅胶垫板(202)位于所述模拟套管(101)的顶部，所述第二硅胶垫板(203)位于所述人工环形围岩(103)的顶部。

3.根据权利要求2所述的原位井筒多界面剪切试验装置，其特征在于，所述上板组件(200)设有线管穿孔(205)，所述线管穿孔(205)位于所述上板组件(200)的中央，所述上板组件(200)还设有渗流体注入端口(204)。

4.根据权利要求2所述的原位井筒多界面剪切试验装置，其特征在于，所述上端刚性板(201)相对于所述第一硅胶垫板(202)、所述第二硅胶垫板(203)为下凸结构，所述上端刚性板(201)与所述水泥环(102)之间采用第一密封圈(104)密封。

5.根据权利要求1所述的原位井筒多界面剪切试验装置，其特征在于，所述下板组件(300)包括下端刚性板(301)、第三硅胶垫板(302)，所述第三硅胶垫板(302)位于所述水泥环(102)的底部，所述下板组件(300)与所述试样组件(100)之间采用第二密封圈(305)密封。

6.根据权利要求5所述的原位井筒多界面剪切试验装置，其特征在于，所述下板组件(300)设有内压入口(303)，所述内压入口(303)位于所述下板组件(300)的中央，所述下板组件(300)还设有渗流体排出端口(304)。

7.根据权利要求6所述的原位井筒多界面剪切试验装置，其特征在于，所述渗流体排出端口(304)数量为两个，一个所述渗流体排出端口(304)位于所述模拟套管(101)底部，另一个所述渗流体排出端口(304)位于所述人工环形围岩(103)底部。

8.根据权利要求1所述的原位井筒多界面剪切试验装置，其特征在于，所述温控组件(400)由内向外依次包括固压胶套(401)、腔体(404)、加热保温套(402)。

9.根据权利要求8所述的原位井筒多界面剪切试验装置，其特征在于，所述温控组件(400)还包括围压端口(403)，所述围压端口(403)径向贯穿所述温控组件(400)设置，所述围压端口(403)数量为两个。

10.根据权利要求1所述的原位井筒多界面剪切试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，试验装置组装完毕后，将整个装置安装到轴压加载设备上，随后通过温控组件(400)对试样组件(100)进行加热至目标值；

S2，试样组件(100)温度稳定后，通过温控组件(400)由围压控制泵(520)向试样组件(100)加载围压至目标值；

S3，试样组件(100)围压稳定后，通过下板组件(300)由内压控制泵(530)向试样组件(100)加载内压至目标值；

S4，试样组件(100)内压稳定后，由高压计量泵(510)向上板组件(200)施加渗流压力，使渗流液体从上板组件(200)流向试样组件(100)，开启精密流量计(540)；

S5，保持高压计量泵(510)体积恒定，在轴压加载设备的轴压压头与上板组件(200)上端接触后，暂停轴压加载，做数据采集准备；

S6，保持轴压加载设备恒定速度加载，实施采集数据，当试样组件(100)剪切位移至目标值时，停止数据采集，卸载轴压、渗流压、内压、围压并停止加热；

S7，后续数据分析处理，整个装置冷却至室温，做相应拆卸处理。

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