地下储气库井筒水泥环密封性评价装置的制作方法

1.本发明涉及油气井设备技术领域，具体而言，涉及一种地下储气库井筒水泥环密封性评价装置。


背景技术：

2.在地下储气库注采井生产运行中，井筒完整性问题突出，主要表现为井口环空持续带压。井口环空持续带压的原因之一就是井筒水泥环的密封失效，导致流体泄漏，严重威胁人员、环境和设备的安全。
3.地下储气库进行天然气的循环注入和采出作业，伴随井筒温度、气体内压、运行压力及地应力场的交替变化，在多期注采后，水泥环的密封性可能失效，导致气体泄漏，引起环空持续带压。相比常规油气井，地下储气库水泥环服役条件最显著的特点就是承受压力-温度的连续变化，即多轮加载-卸载的低周交变载荷。其失效形式包括水泥与地层、水泥与套管胶结面密封失效形成“微环空”、水泥环发生径向开裂和塑性变形等。为提高地下储气库水泥环密封性，有必要评价水泥环在连续变化压力-温度条件下的密封性，从而优选出满足储气库运行条件的水泥石应具备的力学性能，指导水泥浆和固井工艺的设计。水泥环的密封性评价主要是通过室内模拟测试和现场测井两种手段，常见的室内评价方法主要关注水泥浆的流变、滤失、稠化性能和水泥石的力学性能如强度、弹性模量、泊松比、渗透率等，难以针对储气库的实际工况条件有效评价水泥环的密封性。
4.也就是说，现有技术中地下储气库井筒存在水泥环难评价的问题。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种地下储气库井筒水泥环密封性评价装置，以解决现有技术中地下储气库井筒存在水泥环难评价的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供了一种地下储气库井筒水泥环密封性评价装置，包括：筒体，筒体的底部具有第一通孔；橡胶筒结构，橡胶筒结构设置在筒体内，橡胶筒结构具有与第一通孔同轴设置的第二通孔；套管柱，套管柱设置在橡胶筒结构内，套管柱与橡胶筒结构的内筒壁间隔设置形成容纳环体，容纳环体用于容纳水泥浆，水泥浆在容纳环体中凝固成水泥环，套管柱的底端依次穿过第一通孔和第二通孔伸出，且套管柱与第二通孔的孔壁贴合设置；环境模拟装置，环境模拟装置与筒体、橡胶筒结构和套管柱连接。
7.进一步地，橡胶筒结构包括：橡胶筒，橡胶筒的外筒壁与筒体贴合设置，橡胶筒的侧壁具有夹层；环形岩石柱，环形岩石柱设置在橡胶筒内且与橡胶筒的内筒壁贴合设置，环形岩石柱与套管柱之间形成容纳环体。
8.进一步地，橡胶筒的顶面具有向套管柱伸出的内翻凸缘，内翻凸缘的边缘具有向下延伸的限位凸沿，环形岩石柱位于限位凸沿与橡胶筒的侧壁之间。
9.进一步地，第二通孔的孔壁具有向上伸出的密封凸沿，密封凸沿与套管柱贴合设置。
10.进一步地，地下储气库井筒水泥环密封性评价装置还包括：大顶盖，大顶盖设置在橡胶筒结构的上方，且大顶盖的外周与筒体的内表面螺纹连接，套管柱穿过大顶盖伸出；小顶盖，小顶盖设置在大顶盖的上方，套管柱穿过小顶盖伸出，且小顶盖与套管柱螺纹连接；套管顶盖，套管顶盖是筒状结构，套管顶盖盖设在套管柱顶部且与套管柱螺纹连接。
11.进一步地，地下储气库井筒水泥环密封性评价装置还包括：大底盖，大底盖设置在筒体的底面，且套管柱穿过大底盖伸出，大底盖与套管柱螺纹连接；套管底盖，套管底盖是筒状结构，套管底盖盖设在套管柱的底部且与套管柱螺纹连接。
12.进一步地，环境模拟装置包括：内压管路，内压管路与套管柱顶部连接；底压管路，底压管路与橡胶筒结构的底部连接；顶压管路，顶压管路与橡胶筒结构的顶部连接；围压管路，围压管路与橡胶筒结构的侧壁连接。
13.进一步地，围压管路包括：进液管路，进液管路与夹层连接，以将液压油送入夹层中；出液管路，出液管路与夹层连接，液压油经出液管路流出夹层，出液管路位于进液管路的下方。
14.进一步地，进液管路包括：平流泵；进液主路，进液主路与平流泵连接，平流泵将液压油泵入进液主路中，进液主路上设置有进液开关针型阀和进液压力表，进液开关针型阀控制平流泵与进液主路的连通情况；进液泄压支路，进液泄压支路与进液主路连通，且进液泄压支路位于进液压力表与进液开关针型阀之间，进液泄压支路上设置有进液泄压针型阀，以控制液压油的排出。
15.进一步地，出液管路上设置有出液开关针型阀，以控制出液管路上液压油的排出。
16.进一步地，内压管路包括：内压气源；内压主路，内压气源与内压主路连接，内压主路上设置有内压开关针型阀和内压压力表，内压开关针型阀控制内压气源与内压主路的连通情况；内压泄压支路，内压泄压支路与内压主路连通，且内压泄压支路位于内压压力表与内压开关针型阀之间，内压泄压支路上设置有内压泄压针型阀，以控制内压主路上气体的排出。
17.进一步地，底压管路包括：底压气源；底压主路，底压气源与底压主路连接，底压主路上设置有底压开关针型阀和底压压力表，底压开关针型阀控制底压气源与底压主路的连通情况；底压泄压支路，底压泄压支路与底压主路连通，且底压泄压支路位于底压压力表与底压开关针型阀之间，底压泄压支路上设置有底压泄压针型阀，以控制底压主路上气体的排出。
18.进一步地，顶压管路上设置有顶压压力表，以测量水泥环的顶部承受的压力。
19.应用本发明的技术方案，地下储气库井筒水泥环密封性评价装置包括筒体、橡胶筒结构、套管柱和环境模拟装置，筒体的底部具有第一通孔；橡胶筒结构设置在筒体内，橡胶筒结构具有与第一通孔同轴设置的第二通孔；套管柱设置在橡胶筒结构内，套管柱与橡胶筒结构的内筒壁间隔设置形成容纳环体，容纳环体用于容纳水泥浆，水泥浆在容纳环体中凝固成水泥环，套管柱的底端依次穿过第一通孔和第二通孔伸出，且套管柱与第二通孔的孔壁贴合设置；环境模拟装置与筒体、橡胶筒结构和套管柱连接。
20.筒体的设置为橡胶筒结构和套管柱提供了放置空间，同时便于地下储气库井筒水泥环密封性评价装置的移动。套管柱与橡胶筒结构之间间隔设置形成容纳环体，将水泥浆倒入到容纳环体中，水泥浆在容纳环体中凝固成为水泥环，以制作水泥环。环境模拟装置与
筒体、橡胶筒结构和套管柱连接，以模拟恶劣环境对水泥环造成的影响，进而准确对水泥环进行评价。而不再需要将水泥环放入到真实的环境中进行测试，使得水泥环的评价变得容易操作。
附图说明
21.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
22.图1示出了本发明的一个可选实施例的地下储气库井筒水泥环密封性评价装置的结构示意图；
23.图2示出了图1中橡胶筒结构与套管柱的位置关系示意图；
24.图3示出了图1中橡胶筒的结构示意图；
25.图4示出了图1中筒体与大顶盖的位置关系示意图；
26.图5示出了图1中筒体的结构示意图。
27.其中，上述附图包括以下附图标记：
28.10、筒体；11、第一通孔；20、橡胶筒结构；21、第二通孔；22、橡胶筒；23、夹层；24、环形岩石柱；25、内翻凸缘；26、限位凸沿；27、密封凸沿；30、套管柱；40、容纳环体；51、内压管路；511、内压气源；512、内压开关针型阀；513、内压压力表；514、内压泄压针型阀；52、底压管路；521、底压气源；522、底压开关针型阀；523、底压压力表；524、底压泄压针型阀；53、顶压管路；531、顶压压力表；54、围压管路；55、进液管路；551、平流泵；552、进液开关针型阀；553、进液压力表；554、进液泄压针型阀；56、出液管路；561、出液开关针型阀；60、大顶盖；70、小顶盖；80、套管顶盖；90、大底盖；100、套管底盖；110、加热套；120、密封圈。
具体实施方式
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
30.需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
31.在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
32.为了解决现有技术中地下储气库井筒存在水泥环难评价的问题，本发明提供了一种地下储气库井筒水泥环密封性评价装置。
33.如图1至图5所示，地下储气库井筒水泥环密封性评价装置包括筒体10、橡胶筒结构20、套管柱30和环境模拟装置，筒体10的底部具有第一通孔11；橡胶筒结构20设置在筒体10内，橡胶筒结构20具有与第一通孔11同轴设置的第二通孔21；套管柱30设置在橡胶筒结构20内，套管柱30与橡胶筒结构20的内筒壁间隔设置形成容纳环体40，容纳环体40用于容纳水泥浆，水泥浆在容纳环体40中凝固成水泥环，套管柱30的底端依次穿过第一通孔11和第二通孔21伸出，且套管柱30与第二通孔21的孔壁贴合设置；环境模拟装置与筒体10、橡胶
筒结构20和套管柱30连接。
34.筒体10的设置为橡胶筒结构20和套管柱30提供了放置空间，同时便于地下储气库井筒水泥环密封性评价装置的移动。套管柱30与橡胶筒结构20之间间隔设置形成容纳环体40，将水泥浆倒入到容纳环体40中，水泥浆在容纳环体40中凝固成为水泥环，以制作水泥环。环境模拟装置与筒体10、橡胶筒结构20和套管柱30连接，以模拟恶劣环境对水泥环造成的影响，进而准确对水泥环进行评价。而不再需要将水泥环放入到真实的环境中进行测试，使得水泥环的评价变得容易操作。
35.需要说明的是，本技术中的地下储气库井筒水泥环密封性评价装置能够浇筑水泥环的同时还能对浇筑成型的水泥环进行评价，以测量环境和压力对水泥环的影响。
36.如图1所示，橡胶筒结构20包括橡胶筒22和环形岩石柱24，橡胶筒22的外筒壁与筒体10贴合设置，橡胶筒22的侧壁具有夹层23；环形岩石柱24设置在橡胶筒22内且与橡胶筒22的内筒壁贴合设置，环形岩石柱24与套管柱30之间形成容纳环体40。橡胶筒22的设置能够密封环形岩石柱24与筒体10之间的缝隙，以保证环形岩石柱24能够稳定工作，同时便于对水泥环进行评价。环形岩石柱24的表面比较光滑，在水泥环浇筑成型后便于与环形岩石柱24脱离，以便于将水泥环取出。夹层23的设置能够对水泥环的外周进行压力测试。
37.如图1和图3所示，橡胶筒22的顶面具有向套管柱30伸出的内翻凸缘25，内翻凸缘25的边缘具有向下延伸的限位凸沿26，环形岩石柱24位于限位凸沿26与橡胶筒22的侧壁之间。内翻凸缘25的设置能够对环形岩石柱24形成保护，避免其他结构件对环形岩石柱24造成碰撞。限位凸沿26的设置能够密封环形岩石柱24与内翻凸缘25之间的间隙，避免水泥浆流入到环形岩石柱24与内翻凸缘25之间的缝隙中，以保证环形岩石柱24能够稳定工作不变形。
38.如图1和图3所示，第二通孔21的孔壁具有向上伸出的密封凸沿27，密封凸沿27与套管柱30贴合设置。密封凸沿27的设置能够密封橡胶筒22与套管柱30之间的缝隙，避免水泥浆从第二通孔21处流出，保证水泥环浇筑的完整性，同时还可以减少水泥浆粘附到其他结构件上。
39.如图1所示，地下储气库井筒水泥环密封性评价装置还包括大顶盖60、小顶盖70和套管顶盖80，大顶盖60设置在橡胶筒结构20的上方，且大顶盖60的外周与筒体10的内表面螺纹连接，套管柱30穿过大顶盖60伸出；小顶盖70设置在大顶盖60的上方，套管柱30穿过小顶盖70伸出，且小顶盖70与套管柱30螺纹连接；套管顶盖80是筒状结构，套管顶盖80盖设在套管柱30顶部且与套管柱30螺纹连接。大顶盖60与筒体10螺纹连接便于大顶盖60的拆装，同时对筒体10进行固定。大顶盖60还能够压实橡胶筒结构20的顶部，大顶盖60对应水泥环的区域设置有顶压管路53，以测量水泥环的顶部能够承受的压力。小顶盖70与套管柱30螺纹连接，以对套管柱30进行固定。套管顶盖80设置在套管柱30的顶部，以对套管柱30形成保护，内压管路51的至少一部分设置在套管顶盖80上，进而对水泥环的内表面进行压力测试。
40.如图1所示，地下储气库井筒水泥环密封性评价装置还包括大底盖90和套管底盖100，大底盖90设置在筒体10的底面，且套管柱30穿过大底盖90伸出，大底盖90与套管柱30螺纹连接；套管底盖100是筒状结构，套管底盖100盖设在套管柱30的底部且与套管柱30螺纹连接。大底盖90与筒体10连接以对筒体10进行固定，底压管路52的至少一部分设置在大底盖90内，以对水泥环的底部进行压力测试。套管底盖100的设置能够对套管柱30的底部形
成保护。
41.如图1所示，环境模拟装置包括内压管路51、底压管路52、顶压管路53和围压管路54，内压管路51与套管柱30顶部连接；底压管路52与橡胶筒结构20的底部连接；顶压管路53与橡胶筒结构20的顶部连接；围压管路54与橡胶筒结构20的侧壁连接。内压管路51能够对水泥环的内表面进行压力测试，底压管路52能够对水泥环的底部进行压力测试，顶压管路53能够对水泥环的顶部进行压力测试，围压管路54能够对水泥环的外围进行压力测试。内压管路51、底压管路52、顶压管路53和围压管路54能够对水泥环的多个位置进行压力测试。
42.如图1所示，围压管路54包括进液管路55和出液管路56，进液管路55与夹层23连接，以将液压油送入夹层23中；出液管路56与夹层23连接，液压油经出液管路56流出夹层23，出液管路56位于进液管路55的下方。进液管路55能够将液压油送入到夹层23中，夹层23围绕在环形岩石柱24的外周，使得夹层23中的液压油能够对水泥环的外周进行压力测试。出液管路56的设置可以将夹层23中的液压油进行排出。
43.如图1所示，进液管路55包括平流泵551、进液主路和进液泄压支路，进液主路与平流泵551连接，平流泵551将液压油泵入进液主路中，进液主路上设置有进液开关针型阀552和进液压力表553，进液开关针型阀552控制平流泵551与进液主路的连通情况；进液泄压支路与进液主路连通，且进液泄压支路位于进液压力表553与进液开关针型阀552之间，进液泄压支路上设置有进液泄压针型阀554，以控制液压油的排出。平流泵551的设置能够将液压油泵入到进液主路中，以使得液压油流入到夹层23中进行压力测试。进液开关针型阀552的设置能够控制平流泵551与进液主路的连通情况，以控制进液主路的进液时机。进液压力表553能够测量进液主路上压力的大小，通过观察进液压力表553的示数，从而判断水泥环的密封性及突破压力大小。进液泄压针型阀554的设置能够控制进液主路的泄压时机。
44.如图1所示，出液管路56上设置有出液开关针型阀561，以控制出液管路56上液压油的排出。进液管路55、出液管路56和夹层23形成了一个流路，在进液管路55将液压油送入到夹层23中后，夹层23中的气体会经出液管路56排出，在出液管路56能够排出液压油时，表明夹层23中全部充满液压油了，此时关闭出液开关针型阀561对水泥环进行围压测试。
45.在施加围压时，打开出液开关针型阀561和进液开关针型阀552，关闭进液泄压针型阀554，打开平流泵551泵入液压油，当出液开关针型阀561有连续液体排出时关闭出液开关针型阀561，观察进液压力表553，直至进液主路达到所需围压后关闭平流泵551。
46.如图1所示，内压管路51包括内压气源511、内压主路和内压泄压支路，内压气源511与内压主路连接，内压主路上设置有内压开关针型阀512和内压压力表513，内压开关针型阀512控制内压气源511与内压主路的连通情况；内压泄压支路与内压主路连通，且内压泄压支路位于内压压力表513与内压开关针型阀512之间，内压泄压支路上设置有内压泄压针型阀514，以控制内压主路上气体的排出。内压气源511的设置能够将气体送入到内压主路中，以对水泥环的内表面进行压力测试。内压开关针型阀512的设置能够控制内压气源511与内压主路的连通情况，以控制气体进入的时机。内压压力表513能够测量内压主路上气体压力的大小，通过观察内压压力表513上的示数，从而判断水泥环的密封性及突破压力大小。内压泄压针型阀514的设置能够控制内压主路的泄压时机。
47.施加连续变化的内压和温度时，打开内压开关针型阀512、关闭内压泄压针型阀514，打开内压气源511，观察内压压力表513，直至达到所需内压，同时调节加热套110的加
热温度，然后关闭内压开关针型阀512，打开内压泄压针型阀514，缓慢卸载压力的同时调节温度。多次施加压力温度变化，在对套管柱30施加压力和卸载压力的过程中来观察顶压压力表531的示数，从而判断水泥环的密封性及突破压力大小。
48.如图1所示，底压管路52包括底压气源521、底压主路和底压泄压支路，底压气源521与底压主路连接，底压主路上设置有底压开关针型阀522和底压压力表523，底压开关针型阀522控制底压气源521与底压主路的连通情况；底压泄压支路与底压主路连通，且底压泄压支路位于底压压力表523与底压开关针型阀522之间，底压泄压支路上设置有底压泄压针型阀524，以控制底压主路上气体的排出。底压气源521的设置能够将气体送入到低压主路中，以对水泥环的底部进行压力测试。底压开关针型阀522的设置能够控制底压气源521与底压主路的连通情况，以控制气体进入的时机。底压压力表523能够测量底压主路上气体压力的大小，通过观察底压压力表523上的示数，从而判断水泥环的密封性及突破压力大小。底压泄压针型阀524的设置能够控制底压主路的泄压时机。
49.施加底压时，打开底压开关针型阀522，关闭底压泄压针型阀524，打开底压气源521，观察底压压力表523，直至达到所需底压后关闭底压气源521。
50.如图1所示，顶压管路53上设置有顶压压力表531，以测量水泥环的顶部承受的压力。顶压压力表531能够测量顶压管路上气体压力的大小，通过观察顶压压力表531上的示数，从而判断水泥环的密封性及突破压力大小。
51.如图1所示地下储气库井筒水泥环密封性评价装置还包括加热套110，加热套110套设在筒体10的外侧，以对筒体10进行加热。加热套110的设置能够对水泥环周围的结构进行加热，以使得水泥环周围的温度能够达到地层的温度，以对水泥环能够承受的温度进行测试。
52.最后关闭内压气源511并泄压、关闭底压气源521并泄压，卸载围压。打开大顶盖60、小顶盖70观察水泥环的破坏情况，有无开裂和微环空的产生。
53.如图1所示，大底盖90与套管柱30之间设置有密封圈120，密封圈120的设置能够密封大底盖90与套管柱30之间的缝隙，以保证套管柱30与大底盖90之间的密封性。在大顶盖60与套管柱30之间也设置有密封圈120，能保证大顶盖60与套管柱30之间的密封性。
54.显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
55.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
56.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
57.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。