评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟装置和方法与流程

本发明属于石油工程固井领域，特别涉及一种评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟装置和方法。

背景技术：

1、目前固井水泥环密封完整性研究主要以水泥环自身结构及其与套管和围岩的一、二界面胶结评价为主。国内外对水泥环密封完整性实验装置都进行了较为全面的研究，例如中国发明专利(cn 104500034a)公开了一种评价压力变化对水泥环完整性影响的装置及方法，该专利通过对内外环空的加载和卸载，模拟实际工况下井筒压力和地层压力变化对水泥环密封完整性的影响；另一篇中国发明专利(cn 108361024a)提出了一种评价油管冲击载荷对水泥环完整性影响的实验装置及方法，该装置在釜体外设置加热罩，釜体中形成模拟围岩－水泥环－套管组合体，套管内有振击器，上釜盖有内压增降压阀门，下釜盖有围压增降压阀门，还设有气体进出管路，水泥环下端面的气体进口连接氮气瓶，水泥环上端面的气体出口连接气体流量计。该方法包括：改变实验温度压力，开启振击器，使振击器持续撞击套管内壁，在水泥环端面评价水泥环是否发生密封失效。但上述两篇专利均未考虑射孔作业对水泥环造成的影响。

2、射孔作业是油气开采中非常重要的环节，是套管完井后实现油气井正常生产的必要条件之一，具体是通过射孔弹直接穿透套管和水泥环，在破坏对应射孔位置的水泥环的同时，还会对其上部水泥环造成冲击，破坏其密封完整性，射孔所产生的冲击作用会导致水泥环震裂破坏，造成散裂微纹。目前，实验室内还没有真实模拟射孔冲击载荷对水泥环密封完整性影响的评价装置，大多数研究仅依赖有限元软件模拟射孔对水泥环的破坏作用，具有一定的局限性。因此，形成一种能够模拟射孔冲击载荷对水泥环密封完整性影响的实验装置和评价方法，并开展相应研究是十分必要的。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟装置，所述模拟装置包括：

2、水泥养护实验装置，用于对水泥浆进行养护形成水泥环；

3、模拟射孔冲击载荷装置，用于将养护好的水泥环进行射孔冲击载荷实验；

4、所述射孔后完整性检测装置，用于对完成射孔冲击载荷实验后的水泥环进行完整性检测；

5、所述水泥养护实验装置、模拟射孔冲击载荷装置和射孔后完整性检测装置均包括釜体和上釜盖，所述釜体上端面与上釜盖配合连接。

6、进一步地，所述水泥养护装置还包括高温高压养护釜和一型下釜盖；所述釜体为中空不锈刚材质圆筒，安装在高温高压养护釜内部；

7、所述一型下釜盖和釜体的下端面可拆卸连接；

8、所述上釜盖上安装有用于控制釜内外的压力上釜盖阀门。

9、进一步地，所述模拟射孔冲击载荷装置还包括控制倾斜角支架、底座和安装在底座上方的霍普金森杆；

10、所述霍普金森杆的上方安装控制倾斜角支架，所述控制倾斜角支架通过双层固定支架的固定扣将釜体固定；

11、所述霍普金森杆包括入射杆和透射杆，所述入射杆和透射杆分别设置在釜体下端裸露水泥环的两侧。

12、进一步地，所述固定扣由上层固定扣和下层固定扣组成；

13、所述控制倾斜角支架配合设有控制倾斜角支架滑轨；所述透射杆远离釜体的一端对应设置阻尼装置；

14、所述入射杆的远离釜体的一端对应设置撞击杆，所述入射杆和透射杆关于釜体对称设置。

15、进一步地，所述射孔后完整性检测装置还包括二型下釜盖，所述二型下釜盖配合固定在釜体的下端；

16、所述二型下釜盖上安装有用于控制气源的二型下釜盖阀门；

17、所述釜体的上釜盖阀门上设有可供安装气体流量检测器的安装口。

18、进一步地，所述上釜盖、一型下釜盖、二型下釜盖和釜体均采用不锈钢材质，所述釜体为中空圆筒。

19、进一步地，所述模拟装置还包括釜体和上釜盖、一型下釜盖或二型下釜盖之间的连接构件和密封件；

20、所述连接构件包括螺纹、螺母和压环；

21、所述密封构件包括垫片和o型圈，所述密封构件的材料为四氟乙烯。

22、本发明还提出了一种评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟方法，所述方法包括：

23、将水泥浆放入水泥养护实验装置中进行养护形成水泥环；

24、采用模拟射孔冲击载荷装置对水泥环进行射孔冲击载荷实验；

25、将完成射孔冲击载荷实验后的水泥环进行完整性检测。

26、进一步地，所述将水泥浆放入水泥养护实验装置中进行养护形成水泥环包括以下步骤：

27、将一型下釜盖安装在釜体的下端面并在一型下釜盖内均匀涂抹黄油；

28、配制水泥浆并将所述水泥浆倒入釜体空间内，通过螺纹连接上釜盖；

29、将釜体放入高温高压养护釜中，打开上釜盖阀门，保证釜体内外压力一致，设定高温高压养护釜参数养护水泥浆成水泥环，并取下一型下釜盖。

30、进一步地，采用模拟射孔冲击载荷装置对水泥环进行射孔冲击载荷实验包括以下步骤：

31、将养护后的釜体垂直固定在控制倾斜支架的双层固定支架上；

32、将霍普金森杆的入射杆和透射杆置于釜体下端裸露水泥环的两侧，根据所需冲击载荷调整撞击杆参数，进行模拟射孔冲击载荷实验。

33、进一步地，将完成射孔冲击载荷实验后的水泥环进行完整性检测包括以下步骤：

34、在釜体下端面安装二型下釜盖，并通过二型下釜盖阀门连接氮气源；

35、在上釜盖阀门连接气体流量检测器和数据采集电脑；

36、上釜盖阀门和下釜盖阀门通入一定压力氮气，采集上釜盖处气体流量数据；

37、取出水泥环样品，进行微观检测并根据据检测结果分析射孔冲击载荷对水泥环密封完整性影响。

38、进一步地，所述微观检测包括检测水泥环内部是否产生微裂缝和微环隙。

39、本发明的有益效果：

40、本发明利用水泥养护实验装置、模拟射孔冲击载荷装置和射孔后完整性检测装置可以准确模拟射孔冲击载荷对水泥环密封完整性实验，在模拟装置中考虑了射孔冲击造成的冲击载荷，可以真实反映射孔冲击载荷对水泥环密封完整性影响，而不仅仅局限于软件进行模拟。通过设置双层固定支架和控制倾斜角支架，使得模拟装置能够模拟评价不同井斜角情况下射孔冲击载荷对水泥环密封完整性的影响，弥补了现有技术的空白。

41、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟装置，其特征在于，所述模拟装置包括：

2.根据权利要求1所述的评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟装置，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟装置，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟装置，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟装置，其特征在于，

6.根据权利要求2－5任一所述的评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟装置，其特征在于，

7.根据权利要求1－5任一所述的评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟装置，其特征在于，

8.一种评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟方法，其特征在于，所述方法包括：

9.根据权利要求8所述的一种评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟方法，其特征在于，

10.根据权利要求8所述的一种评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟方法，其特征在于，

11.根据权利要求8所述的一种评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟方法，其特征在于，

12.根据权利要求11所述的一种评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟方法，其特征在于，

技术总结
本发明公开了一种评价射孔冲击载荷对水泥环完整性影响的模拟装置和方法，包括将水泥浆放入水泥养护实验装置中进行养护形成水泥环；采用模拟射孔冲击载荷装置对水泥环进行射孔冲击载荷实验；将完成射孔冲击载荷实验后的水泥环进行完整性检测。本发明利用上述装置可以模拟射孔冲击载荷对水泥环密封完整性实验，在模拟装置中考虑了射孔冲击造成的冲击载荷，可以真实反映射孔冲击载荷对水泥环密封完整性影响，而不仅仅局限于软件进行模拟。通过设置双层固定支架和控制倾斜角支架，使得模拟装置能够模拟评价不同井斜角情况下射孔冲击载荷对水泥环密封完整性的影响，弥补了现有技术的空白。

技术研发人员：郑友志,范宇,陈力力,赵军,张华礼,张占武,汪瑶,何雨,付嫱,汪洋松,杨苗
受保护的技术使用者：中国石油天然气股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15