干热岩地层高温高压环境井筒套管-水泥环胶结面测试装置的制作方法

本发明属于干热岩工程固井领域，具体涉及干热岩地层高温、高压环境下井筒套管-水泥环胶结强度的测试装置及方法。

背景技术：

地热资源是一种新型、清洁的可再生能源，是目前可以有效解决传统化石燃料，解决能源短缺和空气污染的绿色新能源之一。大量的地热能储存于数千米深的干热岩（hdr）地热资源中，所以干热岩也被称为增强型地热资源。干热岩本身是内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体，很少存在孔隙或裂隙，渗透性能极差，其温度一般大于200℃，绝大部分为中生代以来的中酸性侵入岩，但也可以是中新生代的变质岩，甚至是厚度巨大的块状沉积岩。因此，只有借助外部水力压裂等储层改造技术才可以实现地热资源的商业化开发。

目前，开发干热岩资源最主要的方法是水力压裂法。“水力压裂法”通过注入井高压注入常温压裂液，实现压裂干热岩地热储层的目的；借助于水力压裂裂缝，可建立储层地热交换通道，从而扩大储层换热面积，加速注入流体与周围岩体的热交换速率。同时还需在裂缝改造区域钻生产井，实现流体循环提取，通过生产井采出的高温流体经生产过程冷却后还可再次回注到注入井中，再次充当注入流体，从而达到循环利用的目的。

然而，井筒系统中的套管-水泥环胶结面等结构在干热岩储层中的环境非常恶劣，由于胶结面结构为井筒系统最薄弱结构，在使用过程中极易出现胶结面破裂，从而带来巨大的经济损失。因此，研究套管-水泥环胶结面在干热岩地层中的胶结强度，对于干热岩资源的利用具有非常重要的意义。发明专利申请201710916807.3公开了“干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置及方法”，该申请模拟干热岩高压高温生成环境，通过设计多级活塞来对岩芯施加精确应力，并采用耐压耐温多孔板来保持干热岩流体的渗透性，并通过导流槽外接到流体采集室，同时在真三轴高压斧内部嵌入可调节声发射探头来监测水力压裂过程中裂缝扩展时的声发射事件，利用该装置可以实现三轴围压条件对岩石水力压裂-声发射-热能采收效率等信息的一体化采集，研究干热岩水力裂缝的起裂与扩展情况。该申请以水力压裂腔为依托，通过多级活塞施加压力来实现三维压力；选用8个活塞施压，在一定程度上解决了压力不均匀的问题，但是在活塞施压的过程中，水力压裂腔本身会分担一定的压力，同时还会产生一定程度的变形，使得三个方向上的压力彼此干扰，从而降低了三个方向上施加地应力的精确度。而作为模拟装置，能否精确模拟特定的实验环境，是衡量模拟装置的重要指标；也是研究井筒套管-水泥环在干热岩地层中的胶结强度的关键所在。

技术实现要素：

针对现有技术中模拟装置所存在的问题，本发明提供了干热岩地层高温高压环境井筒套管-水泥环胶结面测试装置，不但环境温度可以达到干热岩地层温度的要求，而且提供了精确的非均匀地应力场载荷的施加，从而得到真实的干热岩室内试验数据。

本发明的技术方案：

干热岩地层高温高压环境井筒套管-水泥环胶结面测试装置，所述测试装置水平方向上以套管为中心，由内到外依次包括套管、水泥环、地层岩石、水平加载传力构件和保温层；所述保温层的内侧均匀设置加热装置。所述加热装置采用电热合金丝为加热元件，所述保温装置采用陶瓷纤维板-微孔绝热板为保温材料。

所述水平加载传力构件是工字型截面的方型结构，所述水平加载传力构件包括方形构件i、方形构件iii和连接二者的连接构件ii。所述方形构件i位于保温层内部，所述方形构件iii位于保温层外部，所述连接构件ii穿透保温层。所述水平加载传力构件通过方形构件iii与液压油缸相连接获取水平方向的压力；进而通过方形构件i对地层岩石施加压力。所述地层岩石水平截面的外围为正方形，所述地层岩石垂直方向四个侧面的尺寸与水平加载传力构件的方形构件ii相匹配，从而实现了水平方向压力的均匀施加。所述液压油缸通过油缸固定结构与t型钢梁固定连接。所述t型钢梁的数量为两个，彼此之间无关联。t型钢梁的结构设计，可以最大程度上降低液压油缸施加水平载荷时所引起钢梁的变形。

所述测试装置的上下两端均设置垂向加载传力构件，所述垂向加载传力构件包括方形构件iv、方形构件vi和连接二者的连接构件v，所述连接构件v由四根柱状结构组成。所述方形构件iv位于保温层内部，方形构件vi位于保温层外部，所述连接构件v穿透保温层。所述垂向加载传力构件通过方形构件vi与万能试验机相连获取垂直方向的压力，进而通过方形构件iv与水泥环以及地层岩石相连接以施加垂向压力。所述垂向加载传力构件的方形构件iv与水泥环及地层岩石上、下两个端面的形状相匹配，从而实现了垂直方向压力的均匀施加。需要特别强调的是，所述两个t型钢梁、垂向加载三者之间无任何关联，从而避免施加的压力之间相互干扰。

其中，所述套管的上下两端均连接水管，通过水管与水泵相连，组成循环系统；通过水泵提供压力来施加套管内压，同时利用高速循环的水的温度来控制套管内壁温度。

所述测试装置还包括用于监控胶结面的破裂情况的渗漏测试系统。所述渗漏测试系统包括渗漏测试接口、压力表、阀门和压力泵；所述渗漏测试接口设置在水泥环中，并通过管道依次与压力表、阀门和压力泵相连接。

优选的是，所述测试装置包括结构对称且可拆分的上、下两部分；具体为将保温箱拆分成上下可移动部分，同时将水平载荷沿井筒轴向也分成两部分、同时加载；便于采用ct机实时扫描套管-水泥环胶结面和水泥环裂缝扩展过程。

干热岩地层高温高压环境井筒套管-水泥环胶结面测试装置的制备方法，具体包括以下步骤：制备长方体岩石试样并在试样中间钻孔，钻孔中心放入套管，将水泥混合搅拌倒入岩石和套管之间的环空区域；在岩石试样侧面位置钻孔，将渗漏测试接口通过该孔埋入环空区域靠近套管外壁处；然后将试样放入环境箱内部，用水平加载传力构件和垂向加载传力构件固定；所述环境箱包括保温层和设置在保温层内部的加热装置；所述水平加载传力构件与液压油缸相连接获取水平方向的压力；所述垂向加载传力构件与万能试压机试验机相连接获取垂直方向的压力。所述测试装置可以实现的温度范围为150℃~500℃。

干热岩地层高温高压环境井筒套管-水泥环胶结面测试装置的使用方法，包括以下几个步骤：

（一）启动加热装置，将环境温度加热到干热岩地层温度，保持温度恒定，进行试样养护；

（二）启动液压油缸，通过水平加载传力构件施加地层水平方向上的两个主应力；启动万能试压机试验机，通过垂向加载传力构件施加垂向应力；三个方向的主应力同时缓慢施加，直至达到试验要求；

（三）利用渗漏测试系统进行套管-水泥环间的胶结面胶结强度测试，具体为：打开阀门，将压力泵中的气体充渗漏测试接口的端部，观测压力表的变化，并记录压力值p1；

（四）关掉阀门，设定水箱中水的温度，打开水泵连接阀门，开启水泵，使套管内的水循环，实现套管温度变化，持续一段时间后关掉水泵，关闭水泵连接阀门；重复上述操作直至达到试验设计次数；

（五）按照步骤（三），打开阀门，将压力泵中的气体经过渗漏测试接口的埋入端部充到套管和水泥环胶结面的位置，观测压力表的变化，并记录压力值p2；

（六）关掉阀门，设定水箱中水的温度，打开水泵连接阀门，开启水泵，设定水泵输出功率，达到试验要求的套管内压；调整水泵输出功率可实现套管内压的变化；

（七）按照步骤（三），打开阀门，将压力泵中的气体经过渗漏测试接口的埋入端部充到套管和水泥环胶结面的位置，观测压力表的变化，并记录压力值p3；

（八）在试验过程中，将环境箱的上下部分分开，将x-ct机器的x射线发射端放置在试样的中间位置，从而实时扫描套管-水泥环胶结面和水泥环裂缝扩展过程。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述的干热岩地层高温高压环境固井水泥环测试装置，不但环境温度可以达到干热岩地层温度的要求，而且提供了精确的非均匀地应力场载荷的施加，从而得到真实的干热岩室内试验数据。

（2）所述测试装置设计为可拆分的上、下两部分，从而实现了套管-水泥环胶结面和水泥环裂缝扩展过程的实时扫描；结合渗漏测试系统所监测的胶结面破裂情况，可以全面的模拟胶结面在实际环境中的各种挑战，从而寻找应对之策，以避免由此带来的巨大经济损失。

附图说明

附图1为干热岩地层高温高压环境固井水泥环测试装置的结构示意图；

附图2是附图1中a-a’截面的结构示意图。

其中：1.地层岩石，2.水泥环，3.套管，4.保温层，5.加热装置，6.t型钢梁，7.垂向加载传力构件，8.水平加载传力构件，9.液压油缸，10.油缸固定结构，11.垫片，12.渗漏测试接口，13.压力表，14.阀门，15.压力泵，16.水泵，17.水箱，18.ct扫描窗口。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

干热岩地层高温高压环境井筒套管-水泥环胶结面测试装置的制备方法，具体包括以下步骤：制备长方体岩石试样并在试样中间钻孔，钻孔中心放入套管3，将水泥混合搅拌倒入岩石和套管3之间的环空区域。在岩石试样侧面位置钻孔，将渗漏测试接口12通过该孔埋入环空区域靠近套管外壁处；然后将试样放入环境箱内部，用水平加载传力构件8和垂向加载传力构件7固定；所述环境箱包括保温层4和设置在保温层4内部的加热装置5。所述水平加载传力构件8与液压油缸9相连接获取水平方向的压力；所述垂向加载传力构件7与万能试压机试验机相连接获取垂直方向的压力。所述测试装置可以实现的温度范围为150℃~500℃。

干热岩地层高温高压环境井筒套管-水泥环胶结面测试装置，所述测试装置水平方向上以套管3为中心，由内到外依次包括套管3、水泥环2、地层岩石1、水平加载传力构件8和保温层4；所述保温层4的内侧均匀设置加热装置5。所述加热装置5采用电热合金丝为加热元件，所述保温装置4采用陶瓷纤维板-微孔绝热板为保温材料。

所述水平加载传力构件8是工字型截面的方型结构，所述水平加载传力构件8包括方形构件i、方形构件iii和连接二者的连接构件ii。所述方形构件i位于保温层4内部，所述方形构件iii位于保温层4外部，所述连接构件ii穿透保温层4。所述水平加载传力构件8通过方形构件iii与液压油缸9相连接获取水平方向的压力；进而通过方形构件i对地层岩石1施加压力。所述地层岩石3水平截面的外围为正方形，所述地层岩石3垂直方向四个侧面的尺寸与水平加载传力构件8的方形构件ii相匹配，从而实现了水平方向压力的均匀施加。所述液压油缸9通过油缸固定结构10和垫片11与t型钢梁6固定连接。所述t型钢梁6的数量为两个，彼此之间无关联。所述t型钢梁如图2所示的截面为t形，所述两个t型钢梁均沿方形构件iii环绕保温层4（如图1所示）。

所述测试装置的上下两端均设置垂向加载传力构件7，所述垂向加载传力构件7包括方形构件iv、方形构件vi和连接二者的连接构件v，所述连接构件v由四根柱状结构组成。所述方形构件iv位于保温层4内部，方形构件vi位于保温层4外部，所述连接构件v穿透保温层4。所述垂向加载传力构件7通过方形构件vi与万能试验机相连获取垂直方向的压力，进而通过方形构件iv与水泥环2以及地层岩石1相连接以施加垂向压力。所述垂向加载传力构件7的方形构件iv与水泥环及地层岩石1上、下两个端面的形状相匹配，从而实现了垂直方向压力的均匀施加。

其中，所述套管3的上下两端均连接水管，通过水管与水泵16、水箱17相连，组成循环系统；通过水泵16提供压力来施加套管内压，同时利用高速循环的水的温度来控制套管3内壁温度。

所述测试装置还包括用于监控胶结面的破裂情况的渗漏测试系统。所述渗漏测试系统包括渗漏测试接口12、压力表13、阀门14和压力泵15；所述渗漏测试接口12设置在水泥环2中，并通过管道依次与压力表13、阀门14和压力泵15相连接。

所述测试装置包括结构对称且可拆分的上、下两部分，并设置ct扫描窗口18；具体为将环境箱拆分成上下可移动部分，同时将水平载荷沿井筒轴向也分成两部分、同时加载；便于采用ct机实时扫描套管-水泥环胶结面和水泥环裂缝扩展过程。

干热岩地层高温高压环境井筒套管-水泥环胶结面测试装置的使用方法，包括以下几个步骤：

（一）启动加热装置5，将环境温度加热到干热岩地层温度，保持温度恒定，进行试样养护。

（二）启动液压油缸9，通过水平加载传力构件8施加地层水平方向上的两个主应力；启动万能试压机试验机，通过垂向加载传力构件7施加垂向应力；三个方向的主应力同时缓慢施加，直至达到试验要求。

（三）利用渗漏测试系统进行套管-水泥环间的胶结面胶结强度测试，具体为：打开阀门14，将压力泵15中的气体充渗漏测试接口12的端部，观测压力表13的变化，并记录初始压力值p1，即初始套管-水泥胶结面处的压力。

（四）关掉阀门14，设定水箱17中水的温度，打开水泵连接阀门，开启水泵16，使套管3内的水循环，实现套管温度变化，持续一段时间后关掉水泵16，关闭水泵连接阀门；重复上述操作，直至达到试验设计次数。

（五）按照步骤（三），打开阀门14，将压力泵15中的气体经过渗漏测试接口12的埋入端部充到套管3和水泥环2胶结面的位置，观测压力表13的变化，并记录压力值p2，即套管温度改变后，套管-水泥胶结面处的压力。如果胶结面发生破裂，则p2<p1；同时，根据降低的压力值可以判断胶结面的破坏程度，降低的越多，则胶结面的破坏越严重。

（六）关掉阀门14，设定水箱17中水的温度，打开水泵连接阀门，开启水泵16，设定水泵输出功率，达到试验要求的套管内压；调整水泵输出功率可实现套管内压的变化。

（七）按照步骤（三），打开阀门14，将压力泵15中的气体经过渗漏测试接口12的埋入端部充到套管3和水泥环2胶结面的位置，观测压力表13的变化，并记录压力值p3，即套管内压变化后，套管-水泥胶结面处的压力。如果胶结面发生破裂，则p3<p1；同时，根据降低的压力值可以判断胶结面的破坏程度，降低的越多，则胶结面的破坏越严重。

（八）在试验过程中，将温度环境箱的上下部分分开，将x-ct机器的x射线发射端放置在试样的中间位置，从而实时扫描套管-水泥环胶结面和水泥环裂缝扩展过程。