一种套管-水泥环界面应力监测装置及方法

本专利涉及石油与天然气钻采工程，具体是一种套管-水泥环界面应力监测装置及方法。

背景技术：

1、随着我国勘探开发方向逐渐由深井向超深井转移，如何维持井筒完整性成为油气长期安全生产的关键。水泥环作为井筒中最为薄弱的环节，在高温高压的作用下，极易导致其完整性失效，造成水泥环连通、泄漏，引发持续的环空带压和井口抬升，严重威胁了油气井的安全生产，极大降低了油井安全服役寿命。

2、截止目前，国内外学者主要通过理论计算的方法计算套管-水泥环界面应力，包括初始界面应力以及后续由温度压力引发的界面附加应力等。而关于直接监测从水泥浆凝固至后续工况变化整个周期过程中套管-水泥环界面应力的实验装置及方法较为匮乏。专利cn202111261276提供了一种高温高压下水泥环界面初始接触应力测试实验装置及方法，其主要通过在套管外壁粘贴应变片的方法间接计算套管-水泥环界面应力，无法直接获得套管-水泥环界面在整个周期过程中的应力变化。

3、为此，为克服本发明针对目前在套管-水泥环界面应力难以直接、准确获取的技术难题，提出一种套管-水泥环界面应力监测装置及方法，该方法可直接准确获取水泥浆凝固过程以及模拟工况下的套管-水泥环界面应力演化特征，可为油气井固井力学性能、水泥环完整性及固井优化设计提供理论依据。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种套管-水泥环界面应力监测装置及方法，兼顾保持测试装置完整性的同时，解决套管-水泥环界面应力直接监测的技术难题，该方法使用简单、成本低。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、本发明提供一种套管-水泥环界面应力监测装置，其特征在于，装置包括承压控温腔室、内套管、环空、外套管、压力接收装置、高精度测力传感器、第一螺杆、挡板、压力采集装置、下端盖、密封圈、底座、上端盖、热电偶、热电偶控制系统、卸压阀门、加压阀门、水泥环、第一螺纹孔、环板、第二螺杆、环孔、第二螺纹孔、沉孔、传感器接线、圆孔、环槽、方槽；其中，承压控温腔室由内套管、下端盖、上端盖、热电偶、热电偶控制系统、卸压阀门和加压阀门组成，加压阀门用于控制承压控温腔室压力的加载，卸压阀门用于控制承压控温腔室压力的卸载，热电偶和热电偶控制系统用于承压控温腔室温度的控制；环空由内套管、外套管和密封圈组成，密封圈用于防止水泥浆泄漏。套管-水泥环界面应力监测系统由外套管、压力接收装置、高精度测力传感器、第一螺杆、挡板、第二螺杆组成，实现外套管与水泥环界面应力监测；环板与第二螺杆焊接形成压力接收装置，实现外套管与水泥环界面压力变化的实时感应；压力接收装置上的第二螺杆与高精度测力传感器内的第二螺纹孔连接，实现压力接收装置上的压力传递至高精度测力传感器；高精度测力传感器通过传感器接线与压力采集装置连接实现外套管与水泥环界面压力的显示；第一螺杆通过高精度测力传感器的沉孔与挡板上的第一螺纹孔连接实现高精度测力传感器的固定；底座含有圆孔、环槽、方槽，圆孔与环槽用于定位内套管和外套管，实现内套管在外套管内的居中；方槽用于固定挡板。

4、基于一种套管-水泥环界面应力监测装置，提出了一种监测套管-水泥环界面应力的方法，所述方法主要包括以下步骤：

5、步骤一：在环板侧面涂上黄油，保证与外套管内的环孔刚好匹配，防止注水泥浆从环板与环孔之间的间隙流出；

6、步骤二：组装实验设备，开启压力采集装置，校正高精度测力传感器；

7、步骤三：根据模拟工况，打开加压阀门和热电偶控制系统，将承压控温腔室的温度及压力升至养护温度及压力；

8、步骤四：根据现场实际需求，按照标准gb/t 19139-2012制备水泥浆，向环空浇筑水泥浆养护形成水泥环，实时监测水泥浆凝固过程中外套管与水泥环界面压力；

9、步骤五：水泥环养护成型后，根据模拟工况条件，利用卸压阀门、加压阀门和热电偶控制系统控制承压控温腔室内的温度和压力，实时监测水泥环在不同工况变化下的外套管与水泥环界面压力；

10、步骤六：模拟实验完成后，关闭加压阀门和热电偶控制系统，打开卸压阀门卸掉承压控温腔室的温度和压力；

11、步骤七：采集并保存监测数据；

12、步骤八：通过套管-水泥环界面压力监测数据，结合式σ＝f/a计算外套管与水泥环界面应力，公式中，σ为外套管与水泥环界面应力，pa；f为监测的外套管与水泥环界面压力，n；a为环板的面积，m2。

13、本发明具有以下优点：

14、本发明可准确获取水泥浆在凝固过程中的套管-水泥环界面应力变化以及水泥环形成后在不同工况下的套管-水泥环界面应力演变规律；本发明测试方法简单，测试结果直接、准确，可为水泥环完整性及固井工程优化设计提供重要理论依据。

技术特征：

1.本发明提供一种套管-水泥环界面应力监测装置，其特征在于，装置包括承压控温腔室(1)、内套管(2)、环空(3)、外套管(4)、压力接收装置(5)、高精度测力传感器(6)、第一螺杆(7)、挡板(8)、压力采集装置(9)、下端盖(10)、密封圈(11)、底座(12)、上端盖(13)、热电偶(14)、热电偶控制系统(15)、卸压阀门(16)、加压阀门(17)、水泥环(18)、第一螺纹孔(19)、环板(20)、第二螺杆(21)、环孔(22)、第二螺纹孔(23)、沉孔(24)、传感器接线(25)、圆孔(26)、环槽(27)、方槽(28)；其中，承压控温腔室(1)由内套管(2)、下端盖(10)、上端盖(13)、热电偶(14)、热电偶控制系统(15)、卸压阀门(16)和加压阀门(17)组成，加压阀门(17)用于控制承压控温腔室(1)压力的加载，卸压阀门(14)用于控制承压控温腔室(1)压力的卸载，热电偶(14)和热电偶控制系统(15)用于承压控温腔室(1)温度的控制；环空(3)由内套管(2)、外套管(4)和密封圈(11)组成，密封圈(11)用于防止水泥浆泄漏。套管-水泥环界面应力监测系统由外套管(4)、压力接收装置(5)、高精度测力传感器(6)、第一螺杆(7)、挡板(8)、第二螺杆(21)组成，实现外套管(4)与水泥环(18)界面应力监测；环板(20)与第二螺杆(21)焊接形成压力接收装置(5)，实现外套管(4)与水泥环(18)界面压力变化的实时感应；压力接收装置(5)上的第二螺杆(21)与高精度测力传感器(6)内的第二螺纹孔(23)连接，实现压力接收装置(5)上的压力传递至高精度测力传感器(6)；高精度测力传感器(6)通过传感器接线(25)与压力采集装置(9)连接实现外套管(4)与水泥环(18)界面压力的显示；第一螺杆(7)通过高精度测力传感器(6)内的沉孔(24)与挡板(8)上的第一螺纹孔(19)连接实现高精度测力传感器(6)的固定；底座(12)含有圆孔(26)、环槽(27)、方槽(28)，圆孔(26)与环槽(27)用于定位内套管(2)和外套管(4)，实现内套管(2)在外套管(4)内的居中；方槽(28)用于固定挡板(8)。

2.根据权利要求1所述的装置而提出一种监测套管-水泥环界面应力的方法，所述方法主要包括以下步骤：

技术总结
一种套管‑水泥环界面应力监测装置及方法，其特征在于，装置包括由热电偶、加压阀门和卸压阀门形成的承压控温腔室，内套管与外套管环空形成的水泥环，压力接收装置、高精度传感器以及压力采集装置形成的套管‑水泥环界面应力监测系统组成，套管‑水泥环界面应力监测系统可直接测得水泥浆凝固期间以及水泥环形成后在不同工况变化下的套管‑水泥环界面受力情况，实现对套管‑水泥环界面在整个生命周期的应力监测。本发明适合于石油与天然气钻采工程技术领域。

技术研发人员：周念涛,邓宽海,林元华,晏凯,黎昌灵,罗开怀,王鹏杰,谢鹏飞,张弘
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15