CN115875022A - 一种用于测试水泥环密封完整性的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于测试水泥环密封完整性的实验装置及方法，包括由内至外依次间隔套设的套管、模拟围岩和釜体，套管和模拟围岩之间形成水泥环空，模拟围岩和釜体之间形成围压腔；下釜盖，密封固定在釜体下端，第一管路上设有第一增降压阀门，第二管路上设有第二增降压阀门；调压上釜盖，用于可拆卸地密封固定在釜体的上端，第三管路上设有第三增降压阀门，第四管路上设有第四增降压阀门；测试上釜盖，用于可拆卸地密封固定在釜体的上端，测试上釜盖连接有气体流量检测器；轴向加载装置，与套管连接。本发明能够模拟井下不同作业工况引起的套管轴向形变对水泥环密封完整性的影响，为探明套管轴向形变对水泥环密封完整性的损伤机理研究奠定基础。

Description

一种用于测试水泥环密封完整性的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及石油固井技术领域，尤其是一种用于测试水泥环密封完整性的实验装置及方法。

背景技术

油气井固井作业是指将设计的水泥浆注入井下套管与围岩间的环形空间，水泥浆逐渐凝固形成水泥环的过程。套管-水泥环-围岩形成良好的密封完整性是有效封隔围岩，防止井下流体窜流的重要因素，也是油气井后续钻进、压裂、酸化、生产等一系列作业工况的基础。

影响固井后水泥环密封完整性的主要因素包括：

①水泥环自身结构；

②水泥环与套管胶结界面(通常称之为“一界面”)的密封能力；

③水泥环与围岩胶结界面(通常称之为“二界面”)的密封能力。

目前，国内外学者从水泥浆自身角度出发开展了大量研究，形成了不同类型水泥浆体系，以满足不同井下复杂情况的要求，例如韧性水泥浆体系、防窜水泥浆体系、抗高温水泥浆体系等，也形成了不同类型的水泥环密封完整性评价装置和方法。但现有技术对水泥环密封完整性进行测试时，考虑的影响因素较片面。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于测试水泥环密封完整性的实验装置及方法，以解决现有技术对水泥环密封完整性进行测试时，考虑的影响因素较片面的问题。

为达到上述目的，本发明提出一种用于测试水泥环密封完整性的实验装置，包括：由内至外依次间隔套设的套管、模拟围岩和釜体，所述套管和所述模拟围岩之间形成用于容置水泥环的水泥环空，所述模拟围岩和所述釜体之间形成环形的围压腔；下釜盖，密封固定在所述釜体下端，所述下釜盖连接有与所述水泥环空连通的第一管路、以及与所述围压腔连通的第二管路，所述第一管路上设有第一增降压阀门，所述第二管路上设有第二增降压阀门；调压上釜盖，用于可拆卸地密封固定在所述釜体的上端，所述调压上釜盖连接有与所述水泥环空连通的第三管路、以及与所述套管的内腔连通的第四管路，所述第三管路上设有第三增降压阀门，所述第四管路上设有第四增降压阀门；测试上釜盖，用于可拆卸地密封固定在所述釜体的上端，所述测试上釜盖连接有与所述水泥环空连通的气体流量检测器；轴向加载装置，与所述套管连接，用于使所述套管产生轴向形变。

如上所述的实验装置，其中，所述实验装置还包括：位移传感器，用于测量所述轴向加载装置的轴向位移；多个应力应变片，设于所述套管的侧壁上；数据采集系统，与所述位移传感器、所述应力应变片和所述气体流量检测器电连接。

如上所述的实验装置，其中，所述实验装置还包括：联接头，用于连接所述轴向加载装置和所述套管，所述位移传感器设于所述联接头上。

如上所述的实验装置，其中，所述数据采集系统为计算机。

如上所述的实验装置，其中，所述实验装置还包括：加热保温套，固定套设于所述釜体外。

如上所述的实验装置，其中，所述实验装置还包括：渗透性隔板，设于所述下釜盖与所述水泥环的下端面之间。

如上所述的实验装置，其中，所述套管的上端与所述调压上釜盖或所述测试上釜盖密封接触，所述套管的下端与所述下釜盖密封固定连接。

如上所述的实验装置，其中，所述轴向加载装置为万能试验机。

如上所述的实验装置，其中，所述实验装置还包括与所述第一管路连接的气瓶。

本发明还提出一种用于测试水泥环密封完整性的实验方法，其采用上述的实验装置，所述实验方法包括：步骤S110：向所述水泥环空内注入水泥浆；步骤S120：将所述调压上釜盖密封固定在所述釜体的上端；步骤S130：调节所述第二增降压阀门，使所述围压腔内的压力达到预设围压；调节所述第三增降压阀门，使所述水泥浆上方的压力达到预设上覆压力；调节所述第四增降压阀门，使所述套管内的压力达到预设套管内压；步骤S140：待所述水泥浆固化成为水泥环后，调节所述第二增降压阀门、所述第三增降压阀门和所述第四增降压阀门，以卸掉所述围压、所述上覆压力和所述套管内压，并将所述调压上釜盖卸下；步骤S150：将所述测试上釜盖密封固定在所述釜体的上端；步骤S160：调节所述第一增降压阀门，使所述水泥环下方的压力达到预设验窜压力，启动所述轴向加载装置对所述套管施加轴向力，使所述套管发生轴向形变，根据所述气体流量检测器的气体流量数据判断所述水泥环的密封完整性。

本发明的用于测试水泥环密封完整性的实验装置及方法的特点和优点是：

1、本发明通过设置轴向加载装置对套管施加轴向力，使套管产生轴向形变，能研究套管的轴向形变对水泥环密封完整性的影响，解决现有技术对水泥环密封完整性进行测试时，考虑的影响因素较片面的问题；

2、本发明通过设置釜体，并将釜体与模拟围岩间隔设置，使二者之间形成围压腔，通过施加围压可以真实模拟井下的压力环境，提高实验准确性；

3、本发明通过设置加热保温套对釜体及其内部结构加热，可以真实模拟井下的温度环境，提高实验的准确性；

4、本发明的实验装置和实验方法能够模拟套管和水泥环在井下实际的温度压力环境，同时能够模拟井下不同作业工况引起的套管轴向形变对水泥环密封完整性的影响，为探明套管轴向形变对水泥环密封完整性的损伤机理研究奠定基础。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明一实施例的用于测试水泥环密封完整性的实验装置在水泥养护阶段的示意图；

图2是本发明一实施例的用于测试水泥环密封完整性的实验装置在测试阶段的示意图；

图3是本发明一实施例中调压上釜盖的示意图；

图4是本发明一实施例中测试上釜盖的示意图。

主要元件标号说明：

1、套管；2、模拟围岩；3、釜体；4、下釜盖；5、调压上釜盖；6、测试上釜盖；

7、轴向加载装置；8、水泥环；9、水泥环空；10、围压腔；11、第一管路；

12、第二管路；13、第一增降压阀门；14、第二增降压阀门；15、第三管路；

16、第四管路；17、第三增降压阀门；18、第四增降压阀门；

19、气体流量检测器；20、位移传感器；21、应力应变片；22、数据采集系统；

23、联接头；24、加热保温套；25、渗透性隔板；26、基座；27、钢钉；

28、密封垫圈。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，形容词性或副词性修饰语“上”和“下”、“顶”和“底”、“内”和“外”的使用仅是为了便于多组术语之间的相对参考，且并非描述对经修饰术语的任何特定的方向限制。另外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，除非另有说明，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，可以是可拆卸连接，可以是直接连接，可以是通过中间媒介间接连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

除非单独定义指出的方向以外，本文中涉及到的上、下等方向均是以本发明图1中的上、下等方向为准，在此一并说明。

发明人研究发现，现有技术针对水泥环密封完整性的测试研究，主要是在保证套管轴向位移不变、套管两端固定的的情况下，模拟一定温度压力变化或者其它作业工况对水泥环密封完整性的影响，并没有考虑因井下作业工况导致的“套管轴向形变”对套管-水泥环-围岩组合体密封完整性的影响。

发明人研究发现，对于油气井以及储气库井而言，井内试压、密度变化、压裂、生产等工况均会使作用在套管上的内压力发生变化，导致套管处于间断性的拉压状态，引起轴向形变，因水泥石的变形能力比套管的变形能力差，因此套管轴向形变必然会引起微环隙和微裂缝，影响水泥环的密封完整性，但其具体的影响规律及损伤机理尚未探明，因此形成一种评价套管轴向形变对水泥环密封完整性影响的模拟装置和方法，并开展相应研究是非常必要的。

实施方式一

如图1、图2所示，为了评价套管轴向形变对水泥环密封完整性影响，本发明提供一种用于测试水泥环密封完整性的实验装置，本发明一实施例的实验装置包括套管1、模拟围岩2、釜体3、下釜盖4、调压上釜盖5、测试上釜盖6和轴向加载装置7，套管1、模拟围岩2和釜体3由内至外依次间隔套设，套管1和模拟围岩2之间形成用于容置水泥环8的水泥环空9，实验时，向水泥环空9内注入水泥浆，待水泥浆固化后，即得到模拟围岩2-水泥环8-套管1的组合体；轴向加载装置7与套管1连接，用于使套管1产生轴向形变，以研究套管1的轴向形变对水泥环8密封完整性的影响，例如轴向加载装置7为万能试验机。

如图1所示，模拟围岩2和釜体3之间形成环形的围压腔10，下釜盖4密封固定在釜体3下端，下釜盖4连接有与水泥环空9连通的第一管路11、以及与围压腔10连通的第二管路12，第一管路11上设有第一增降压阀门13，第二管路12上设有第二增降压阀门14，实验时，可以经由第一管路11向水泥环空9中水泥环8的下端面处注入气体，以在此处施加验窜压力，并通过第一增降压阀门13调节验窜压力，可以经由第二管路12向围压腔10内注入气体，以在围压腔10内形成围压，并通过第二增降压阀门14调节围压，通过施加围压可以真实模拟井下的压力环境，提高实验准确性，需说明的是，第二管路12并不限于与下釜盖4连接，也可以与调压上釜盖5连接，只要能向围压腔10内施加围压即可，此变形实施例也包括在本发明的保护范围之内。

如图1、图3所示，调压上釜盖5用于可拆卸地密封固定在釜体3的上端，调压上釜盖5连接有与水泥环空9连通的第三管路15、以及与套管1的内腔连通的第四管路16，第三管路15上设有第三增降压阀门17，第四管路16上设有第四增降压阀门18，实验时，可以经由第三管路15向水泥环空9中水泥环8的上端面处注入气体，以在此处施加上覆压力，并通过第三增降压阀门17调节上覆压力，可以经由第四管路16向套管1内注入气体，以在套管1内形成套管内压，并通过第四增降压阀门18调节套管内压。

如图2、图4所示，测试上釜盖6用于可拆卸地密封固定在釜体3的上端，实验时，在水泥环8固化阶段，调压上釜盖5密封固定在釜体3的上端，而在水泥环8固化后，将调压上釜盖5更换为测试上釜盖6，测试上釜盖6连接有与水泥环空9连通的气体流量检测器19，实验时，通过气体流量检测器19可以检测水泥环8上端面处的气体流量，据此可以判断水泥环8下端面处的气体窜流至其上端面处的程度，也就可以判断套管1与水泥环8之间、以及水泥环8与模拟围岩2之间是否发生窜通、以及窜通的程度，从而可以评价套管轴向形变对水泥环密封完整性影响。另外，在实验结束后，还可以从釜体内取出模拟围岩-水泥环-套管组合体做微观检测，检测水泥环内部及其与套管和模拟围岩的界面是否产生微裂缝、微环隙，分析套管轴向形变对水泥环密封完整性的失效机理。

在一些实施例中，如图2所示，实验装置还包括位移传感器20、多个应力应变片21和数据采集系统22，位移传感器20用于测量轴向加载装置7的轴向位移，多个应力应变片21设于套管1的侧壁上，用于测量套管1不同位置处的应变量，数据采集系统22与位移传感器20、应力应变片21和气体流量检测器19电连接，用于获取轴向加载装置7的轴向位移数据、套管1的应变量数据和气体流量数据，以便于实验人员记录和分析。例如，多个应力应变片21沿套管1的轴向和周向间隔设置，数据采集系统22为计算机。

在一些实施例中，如图2所示，实验装置还包括联接头23，联接头23用于连接轴向加载装置7和套管1，位移传感器20设于联接头23上。

具体是，例如，如图2所示，联接头23的一端与轴向加载装置7连接，联接头23的另一端具有螺纹，以与套管1螺纹连接密封，拆装非常方便。

在一些实施例中，如图1、图2所示，实验装置还包括加热保温套24，加热保温套24固定套设于釜体3外，用于在实验时对釜体3及其内部结构进行加热和保温，可以真实模拟井下的温度环境，提高实验的准确性。

在一些实施例，如图1所示，实验装置还包括渗透性隔板25，渗透性隔板25设于下釜盖4与水泥环8的下端面之间，例如渗透性隔板25上密布有气孔，其供气体穿过。

在一些实施例中，如图1所示，套管1的上端与调压上釜盖5或测试上釜盖6密封接触，套管1的下端与下釜盖4密封固定连接，以防止气体从套管1处泄漏。

在一些实施例中，实验装置还包括与第一管路11连接的气瓶(图未示出)，以向水泥环8的下端面处通入气体。例如该气瓶为氮气瓶。

在一些实施例中，如图1、图2所示，实验装置还包括基座26，下釜盖4固定在基座26上，例如基座26固定在地面中，稳定性好。例如下釜盖4通过钢钉27与基座26固定连接。

在图1的示例中，釜体3和模拟围岩2均为圆筒状，体和模拟围岩2分别通过密封垫圈28与下釜盖4和调压上釜盖5/测试上釜盖6密封接触，密封性好。例如密封圈的材质为聚四氟乙烯。

例如，釜体3、调压上釜盖5、测试上釜盖6和下釜盖4的材质为不锈钢；模拟围岩2的材质为铜制合金，可在还原实际地层地质参数的基础上进行实验；第一管路11、第二管路12、第三管路15和第四管路16均为可承受高压的不锈钢管线，本说明书中涉及到的固定连接可以采用螺栓连接或螺纹连接。

实施方式二

如图1、图2所示，本发明还提供一种用于测试水泥环密封完整性的实验方法，其采用实施方式一的实验装置，本发明一实施例的实验方法包括以下步骤：

步骤S110：向水泥环空9内注入液态水泥浆；

步骤S120：将调压上釜盖5密封固定在釜体3的上端；

步骤S130：调节第二增降压阀门14，使围压腔10内的压力达到预设围压；调节第三增降压阀门17，使水泥浆上方的压力达到预设上覆压力；调节第四增降压阀门18，使套管1内的压力达到预设套管内压；

步骤S140：待水泥浆固化成为水泥环8后，调节第二增降压阀门14、第三增降压阀门17和第四增降压阀门18，以卸掉围压、上覆压力和套管内压，并将调压上釜盖5卸下；

步骤S150：将测试上釜盖6密封固定在釜体3的上端；

步骤S160：调节第一增降压阀门13，使水泥环8下方的压力达到预设验窜压力，启动轴向加载装置7对套管1施加轴向力，使套管1发生轴向形变，根据气体流量检测器19的气体流量数据判断水泥环8的密封完整性。

进一步，实验方法还包括步骤S125：通过加热保温套24对釜体3施加温度，例如达到预设实验温度。

进一步，实验方法还包括步骤S170：从釜体3内取出模拟围岩-水泥环-套管组合体做微观检测，检测水泥环内部及其与套管和模拟围岩的界面是否产生微裂缝、微环隙，分析套管轴向形变对水泥环密封完整性的失效机理。

本发明的实验装置和实验方法能够模拟套管和水泥环在井下实际的温度压力环境，同时能够模拟井下不同作业工况引起的套管轴向形变对水泥环密封完整性的影响，为探明套管轴向形变对水泥环密封完整性的损伤机理研究奠定基础，可辅助识别及预估不同作业工况对井下环空带压的风险。本发明的原理可靠，操作简便。

本发明也可通过改变水泥环下端面处的注入流体，分析井下地层水、酸性条件等工况下，注入流体对水泥环和套管的侵蚀情况以及不同注入流体条件下套管轴向形变对水泥环密封完整性的影响。

本发明既可以模拟套管居中时，高温高压条件下套管轴向形变对水泥环密封完整性的影响，还可以在不规则井眼、套管偏心、水泥浆顶替不干净等模拟条件下进行实验，可根据实际情况调整装置内部结构，使得研究的井下条件和工况更加广泛。具体举例说明如下。

(1)套管居中情况下套管轴向形变对水泥环密封完整性影响实验

将实际套管1、井眼尺寸按照几何模型等比例缩小至装置尺寸，组装实验装置，按API标准配制现场应用的水泥浆，并倒入套管1和模拟围岩2之间的水泥环空9，密封实验装置，按固井时套管内液柱压力、地层压力、水泥浆上覆压力分别通过模型折算成实验的套管内压、围压和上覆压力，并通过相应的增降压阀门和加热保温套24调节实验压力和温度，养护水泥浆至现场实际天数，使其固化成为水泥环8。

实验过程中，利用增降压阀门卸掉套管内压、围压和上覆压力，将调压上釜盖5更换为测试上釜盖6，在套管1内安装应力应变片21，将套管1上部通过联接头23与万能试验机相连，根据固井后续作业工况，通过模型计算出套管轴向形变量，并折算出实验套管的轴向形变量，利用万能试验机控制套管产生相应的轴向形变，调节水泥环8下端的验窜压力至设定压力，通过水泥环8上端面的气体流量器监测水泥环密封完整性失效情况。

实验结束后，取出模拟围岩-水泥环-套管组合体，做微观检测，检测水泥环8内部及其与套管1和模拟围岩2的界面是否产生微裂缝、微环隙，进行下一步水泥环密封完整性失效机理分析。

(2)在不规则井眼、套管偏心、水泥浆顶替不干净等模拟条件下进行实验

通过调整模拟围岩2为井下实际不规则井眼的形状，按照方法(1)的后续操作可模拟不规则井眼情况下套管轴向形变对水泥环密封完整性的影响；

通过调整套管1的偏心位置，按照方法(1)的后续操作可模拟套管不同偏心程度下套管轴向形变对水泥环密封完整性的影响；

通过在套管1和模拟围岩2上放置滤饼及在水泥浆中加入钻井液，按照方法(1)的后续操作可模拟滤饼清除不干净和水泥浆顶替不干净情况下套管轴向形变对水泥环密封完整性的影响；

通过改变水泥环8下端面处的注入流体，如水和酸性气体等，按照方法(1)的实验操作也可分析井下地层水、酸性条件等工况下，注入流体对水泥环和套管的侵蚀情况以及不同注入流体条件下套管轴向形变对水泥环密封完整性的影响。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

Claims (10)

1.一种用于测试水泥环密封完整性的实验装置，其特征在于，包括：

由内至外依次间隔套设的套管、模拟围岩和釜体，所述套管和所述模拟围岩之间形成用于容置水泥环的水泥环空，所述模拟围岩和所述釜体之间形成环形的围压腔；

下釜盖，密封固定在所述釜体下端，所述下釜盖连接有与所述水泥环空连通的第一管路、以及与所述围压腔连通的第二管路，所述第一管路上设有第一增降压阀门，所述第二管路上设有第二增降压阀门；

调压上釜盖，用于可拆卸地密封固定在所述釜体的上端，所述调压上釜盖连接有与所述水泥环空连通的第三管路、以及与所述套管的内腔连通的第四管路，所述第三管路上设有第三增降压阀门，所述第四管路上设有第四增降压阀门；

测试上釜盖，用于可拆卸地密封固定在所述釜体的上端，所述测试上釜盖连接有与所述水泥环空连通的气体流量检测器；

轴向加载装置，与所述套管连接，用于使所述套管产生轴向形变。

2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：

位移传感器，用于测量所述轴向加载装置的轴向位移；

多个应力应变片，设于所述套管的侧壁上；

数据采集系统，与所述位移传感器、所述应力应变片和所述气体流量检测器电连接。

3.如权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：

联接头，用于连接所述轴向加载装置和所述套管，所述位移传感器设于所述联接头上。

4.如权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述数据采集系统为计算机。

5.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：

加热保温套，固定套设于所述釜体外。

6.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：

渗透性隔板，设于所述下釜盖与所述水泥环的下端面之间。

7.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述套管的上端与所述调压上釜盖或所述测试上釜盖密封接触，所述套管的下端与所述下釜盖密封固定连接。

8.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述轴向加载装置为万能试验机。

9.如权利要求1至8任一项所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括与所述第一管路连接的气瓶。

10.一种用于测试水泥环密封完整性的实验方法，其特征在于，所述实验方法采用权利要求1至9任一项所述的实验装置，所述实验方法包括：

步骤S110：向所述水泥环空内注入水泥浆；

步骤S120：将所述调压上釜盖密封固定在所述釜体的上端；

步骤S130：调节所述第二增降压阀门，使所述围压腔内的压力达到预设围压；调节所述第三增降压阀门，使所述水泥浆上方的压力达到预设上覆压力；调节所述第四增降压阀门，使所述套管内的压力达到预设套管内压；

步骤S140：待所述水泥浆固化成为水泥环后，调节所述第二增降压阀门、所述第三增降压阀门和所述第四增降压阀门，以卸掉所述围压、所述上覆压力和所述套管内压，并将所述调压上釜盖卸下；

步骤S150：将所述测试上釜盖密封固定在所述釜体的上端；

步骤S160：调节所述第一增降压阀门，使所述水泥环下方的压力达到预设验窜压力，启动所述轴向加载装置对所述套管施加轴向力，使所述套管发生轴向形变，根据所述气体流量检测器的气体流量数据判断所述水泥环的密封完整性。

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