一种环形油井水泥试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种水泥试验技术领域，尤其涉及一种环形油井水泥试验装置。

背景技术：

在油气田固井施工过程中，地层流体侵入水泥柱并在其中运移是普遍存在的现象。研究表明，影响地层流体侵入水泥柱的主要因素有水泥浆的性质和油藏的地质情况。与油井水泥浆性质有关的因素包括水泥浆的滤失性、水泥石的体积收缩、浆体的屈服应力及密度等；与油藏地质情况有关的因素包括地层的地质构造、地层渗透率等。但要在油气井中进行试验测定这些因素的影响，尤其是多种因素共同作用时，难度很大且经济上也不可行。

在固井施工过程中水泥浆失水是造成地层流体侵入水泥柱的原因之一，同时失水还会使得水泥浆的密度增大、流动性变差，甚至影响固井施工，滤液进入储层会对储层形成伤害，影响油气资源的开采。水泥浆的滤失可分为注水泥（或动态）和候凝（或静态）两个阶段，在动态阶段，不断流动的水泥浆会冲蚀滤饼，滤饼的厚度基本恒定不变，水泥浆通过滤饼发生滤失，很快达到平衡状态，此时的水泥浆发生滤失但不失去水泥颗粒，浆体密度随着滤失速率的增大而增大。在静态阶段，水泥浆处于静止状态，滤饼厚度不断增加，最终滤饼充满环形空间，造成堵塞，使静液柱压力不能传递到更深的地层。

目前评价水泥浆的失水性能主要是根据油井水泥试验方法（GB19139-2012）水泥浆静态滤失试验方法，采用高温高压失水仪或高温高压翻转失水仪测定，其试验结果为静态失水量并且是轴向失水，实际油井中水泥浆滤失都是径向失水，失水仪使用滤网也与实际地层的渗透率存在差异，不能客观真实的反映注水泥过程油井内的失水情况。此外，对于油气井固井施工过程中水泥石的体积收缩、浆体屈服应力变化等影响固井质量的重要因素，目前还没有有效的检测方法。

为此，现有技术中提出了授权公告号为CN102392634A，授权日为2012年3月28日的中国发明专利文献，来解决上述存在的技术问题，该专利文献所公开的技术方案如下：本发明涉及固井环空水泥浆失重测量装置及测量方法，该装置主要由底座、控制面板、立式支柱、浆筒、计算机组成，所述立式支柱通过支撑轴与浆筒连接，通过旋转轴与控制面板连接；所述浆筒有加压孔、内筒、外筒及内筒外筒之间的环空，所述浆筒为分段组合，每一段均有温度传感器、压力传感器和加热冷却套，所述浆筒通过偏心盖控制内筒的偏心，其下部还有三个压力传感器，所述温度传感器、压力传感器分别将数据传输到计算机。本发明能模拟井下温度随着井深变化存在的不同温度差，采集调控用计算机控制，操作简单、方便，用偏心盖控制套管的偏心，安全、稳定、可靠，适用于石油及天然气固井、挤水泥、注水泥等作业。

上述技术方案在实际使用过程中，虽然能测量水泥失重，但是结构复杂，且实现的测量功能少，不能根据实际地层情况灵活组合装置，装置实用性差。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提出了一种环形油井水泥试验装置，本实用新型能测定油井一次注水泥过程中地层流体侵入水泥环及其运移规律、注水泥过程中的动态失水、水泥浆流变性的变化以及浆体体积收缩等多种试验数据，实现多种试验功能，且本实用新型便于拆卸，可根据试验目的灵活组合，实用性强，便于维护保养。

本实用新型是通过采用下述技术方案实现的：

一种环形油井水泥试验装置，其特征在于：包括顶部封头、底部封头、管道和弧形模块，所述管道两端分别连接顶部封头和底部封头，用于模拟油井套管；所述弧形模块之间连接成环状，连接成环的弧形模块再首尾连接，用于模拟不同深度地层的井壁；所述成环形的弧形模块与管道之间形成环空，所述管道内侧设置有传感器，用于测定环空内水泥浆的参数。

所述弧形模块包括承压密封外壳和内部井壁层。

所述管道为多节短管以螺纹形式首尾连接而成。

所述顶部封头和底部封头内部为能更换的框架结构，管道两端与框架结构之间采用螺纹连接。

所述弧形模块的夹角为90°或120°，由四块或三块弧形模块连接成环形。

所述弧形模块之间采用法兰连接，弧形模块轴向和两端都设置有密封条。

所述弧形模块内部井壁层采用粗糙度为1~100μm或者0.5~2mm的材料制成或者打磨而成。

所述弧形模块的半径能调整。

所述弧形模块内部井壁层采用具有渗透作用的材料制成, 承压密封外壳连接有控制阀，用于控制装置内流体的交换。

所述弧形模块的承压密封外壳采用耐压的塑料玻璃材料制作而成。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果表现在：

1、本实用新型采用弧形模块为基本单元组成环形油井水泥试验装置，弧形模块可根据油井井壁情况和试验设计方案进行制作，使得装置兼具多种试验功能，可以对一次注水泥过程中地层流体侵入水泥环及其运移规律进行研究，也可用于测定注水泥过程中的动态失水、水泥浆流变性的变化以及浆体体积收缩等。

弧形模块组装成环形，可在水泥浆固化后拆卸得到完整的水泥石，以便研究流体侵入水泥石后在其中的运移规律。

采用弧形模块的组装方式，组装简单，在试验结束后便于拆卸清洗、维护保养，可延长装置的使用寿命。

2、弧形模块包括承压密封外壳和内部井壁层，便于真实模拟实际井壁的情况。

3、采用多节短管连接后模拟油井套管，便于管道清洗以及在短管上设置传感器，便于传感器的安放、维修和更换，使传感器放置在最佳的位置。

4、顶部封头和底部封头内部为能更换的框架结构，便于调整套管的偏心度。

5、弧形模块的夹角为90°或120°，由四块或三块弧形模块连接成环形，稳固性好，组装方式灵活。

6、采用法兰连接，连接方式简单，拆卸、安装方便，且弧形模块的轴向和两端设置有密封条，使装置位于密封状态。

7、当试验项目需要考虑到井壁粗糙度对试验结果的影响时，弧形模块内部井壁层采用粗糙的材料制成或者用其他材料打磨粗糙而成，便于真实模拟井壁，获得可靠的试验结果。

8、为了更好的模拟实际情况，弧形模块的半径可以根据实际的油井井眼尺寸变化而变化，弧形模块的半径是可以调整的。

9、当需要测定水泥浆动态失水时，所述弧形模块内部井壁层采用具有渗透作用的材料制成, 使试验结果更为准确。

10、采用耐压的塑料玻璃材料制作弧形模块密封外壳，便于观察装置内部试验情况。

附图说明

本实用新型的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1为本实用新型的装置结构前视图；

图2 为本实用新型的装置俯视图；

图3为顶部封头侧视图；

图4为顶部封头轴测图；

图5为底部封头侧视图；

图6为底部封头剖视图；

图7为弧形模块轴测图；

图8为环形模板连接关系侧视图；

图9为环形模板连接关系轴测图；

图10为弧形模块注入系统侧视图；

图11为弧形模块注入系统轴测图；

图12为具有流体交换功能弧形模块侧视图；

图13为具有流体交换功能弧形模块侧视图；

图14为具有流体交换功能弧形模块轴测图；

图15为管道连接示意图；

图中：

101、弧形模块，102、承压密封外壳，103、内部井壁层，104、轴向法兰，105、端面法兰，106、单向阀，107、控制阀，109、渗透作用的材料，201、管道，301、顶部封头，302、框架结构，303、水泥浆注入孔，304、钻井液注入孔，401、底部封头，402、泄压孔，403、传感器接线孔，501、传感器。

具体实施方式

下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本实用新型目的技术方案，需要说明的是，本实用新型要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1

作为本实用新型基本实施方式，参照说明书附图1和2，本实用新型包括一种环形油井水泥试验装置，其特征在于：包括顶部封头301、底部封头401、管道201和弧形模块101，所述管道201两端分别连接顶部封头301和底部封头401，用于模拟油井套管；所述弧形模块101之间连接成环状，连接成环的弧形模块101再首尾连接，用于模拟不同深度地层的井壁；所述成环形的弧形模块101与管道201之间形成环空，所述管道201内侧设置有传感器501，用于测定环空内水泥浆的参数。

用于收集试验数据，所述传感器501还可以设置在顶部封头301、底部封头401、弧形模板上，所述传感器501可以为压力传感器、温度传感器或者其他类型的传感器501。

实施例2

作为本实用新型另一较佳实施方式，参照说明书附图15，本实用新型包括一种环形油井水泥试验装置，其特征在于：包括顶部封头301、底部封头401、管道201和弧形模块101，所述管道201两端分别连接顶部封头301和底部封头401，用于模拟油井套管；所述弧形模块101之间连接成环状，连接成环的弧形模块101再首尾连接，用于模拟不同深度地层的井壁；所述成环形的弧形模块101与管道201之间形成环空，所述管道201内侧设置有传感器501，用于测定环空内水泥浆的参数。

所述管道201可以为单管或者多管，当为多管时，所述管道201为多节短管以螺纹形式首尾连接而成，短管上设置有传感器501用以测定并采集其外部环空内水泥浆的温度、压力或流变性等特征参数。

实施例3

作为本实用新型又一较佳实施方式，参照说明书附图3--6，本实用新型包括一种环形油井水泥试验装置，其特征在于：包括顶部封头301、底部封头401、管道201和弧形模块101，所述管道201两端分别连接顶部封头301和底部封头401，用于模拟油井套管；所述弧形模块101之间连接成环状，连接成环的弧形模块101再首尾连接，用于模拟不同深度地层的井壁；所述成环形的弧形模块101与管道201之间形成环空，所述管道201内侧设置有传感器501，用于测定环空内水泥浆的参数。

所述弧形模块101包括承压密封外壳102和内部井壁层103。

所述顶部封头301上设置有水泥浆注入孔303，底部封头401上设置有泄压孔402和传感器接线孔403，顶部封头301和底部封头401内部为能更换的框架结构302，通过更换框架可以调整套管的偏心度，管道201两端与框架结构302之间采用螺纹连接。

实施例4

本实用新型包括一种环形油井水泥试验装置，其特征在于：包括顶部封头301、底部封头401、管道201和弧形模块101，所述管道201两端分别连接顶部封头301和底部封头401，用于模拟油井套管；所述弧形模块101之间连接成环状，连接成环的弧形模块101再首尾连接，用于模拟不同深度地层的井壁；所述成环形的弧形模块101与管道201之间形成环空，所述管道201内侧设置有传感器501，用于测定环空内水泥浆的参数。

弧形模块101的夹角一般为120°，也可以根据需要制作为60°、90°或180°的弧形模块101，根据弧形模块101的角度选择数量连接成环形，例如当弧形模块101的夹角为90°时，选择4块弧形模块101，当夹角为120°时，选择3块弧形模块101。

也可以直接使用环形模块，环形模块之间再首尾相连，模拟不同深度底层的井壁。

实施例5

作为本实用新型又一较佳实施方式，参照说明书附图7-9，本实用新型包括一种环形油井水泥试验装置，其特征在于：包括顶部封头301、底部封头401、管道201和弧形模块101，所述管道201两端分别连接顶部封头301和底部封头401，用于模拟油井套管；所述弧形模块101之间连接成环状，连接成环的弧形模块101再首尾连接，用于模拟不同深度地层的井壁；所述成环形的弧形模块101与管道201之间形成环空，所述管道201内侧设置有传感器501，用于测定环空内水泥浆的参数。

所述弧形模块101包括承压密封外壳102和内部井壁层103，通过在承压密封外壳102的轴向和两端环向设轴向法兰104和端面法兰105，采用螺栓将弧形模块101连接成环，成环的弧形模块101之间采用螺栓连接，形成不同高度的井壁，连接方式简单，组合、拆卸容易。

为了保持密封，不让水泥浆外流，影响试验结果，所述弧形模块101的轴向和两端都设置有密封条。

实施例6

本实用新型包括一种环形油井水泥试验装置，其特征在于：包括顶部封头301、底部封头401、管道201和弧形模块101，所述管道201两端分别连接顶部封头301和底部封头401，用于模拟油井套管；所述弧形模块101之间连接成环状，连接成环的弧形模块101再首尾连接，用于模拟不同深度地层的井壁；所述成环形的弧形模块101与管道201之间形成环空，所述管道201内侧设置有传感器501，用于测定环空内水泥浆的参数。

所述弧形模块101包括承压密封外壳102和内部井壁层103。

所述顶部封头301上设置有水泥浆注入孔303和钻井液注入孔304，底部封头401上设置有泄压孔402和传感器接线孔403。

当需要考虑井壁粗糙度影响时，弧形模块101内部井壁层103应采用一定粗糙度的材料，如地层岩心制作，或用不锈钢材料打磨粗糙。

当实际井壁粗糙度较小时，可以使用粗糙度为1μm或者100μm的材料，或者将其他材料打磨成该粗糙度，也可以将粗糙度设计为10μm或者80μm；当实际井壁粗糙度较大时，可以设计内部井壁层103的粗糙度为0.5mm、1mm、1.5mm或者2mm，具体粗糙度根据试验设计方案确定。

该装置还包括传感器501接线、水泥浆注入管线、增压系统管线及压力控制系统管线。

所述试验时，首先根据试验目的（测定地层流体侵入或注水泥浆变性变化）及试验方案，选择相应的弧形模块101及配套的管道201，采用螺栓将弧形模块101连接成环，再将成环的弧形模块101和管道201与底部封头401连接，按照试验方案分层依次连接环状的弧形模块101和管道201，最后连接顶部封头301。

当需要进行测定地层流体侵入水泥柱试验时，连接好传感器501接线、水泥浆注入管线、增压系统管线及压力控制系统管线，连接模拟地层流体侵入管线，按照试验方案开始试验，采集试验数据。根据传感器501采集的压力、流变性等数据，判断是否发生流体侵入。待水泥浆固化后，拆开弧形模块101取出水泥石，观察地层流体在水泥石中的运移规律。

当需要测定水泥浆流变性变化时，连接好传感器501接线、水泥浆注入管线、增压系统管线及压力控制系统管线，按照试验方案开始试验，采集注水泥浆过程压力及流变性试验数据。

实施例7

本实用新型包括一种环形油井水泥试验装置，其特征在于：包括顶部封头301、底部封头401、管道201和弧形模块101，所述管道201两端分别连接顶部封头301和底部封头401，用于模拟油井套管；所述弧形模块101之间连接成环状，连接成环的弧形模块101再首尾连接，用于模拟不同深度地层的井壁；所述成环形的弧形模块101与管道201之间形成环空，所述管道201内侧设置有传感器501，用于测定环空内水泥浆的参数。

弧形模块101的半径可以调整，根据实际的油井井眼尺寸变化而变化，确保试验结果的准确性。

实施例8

作为本实用新型又一较佳实施方式，参照说明书附图12-14，本实用新型包括一种环形油井水泥试验装置，其特征在于：包括顶部封头301、底部封头401、管道201和弧形模块101，所述管道201两端分别连接顶部封头301和底部封头401，用于模拟油井套管；所述弧形模块101之间连接成环状，连接成环的弧形模块101再首尾连接，用于模拟不同深度地层的井壁；所述成环形的弧形模块101与管道201之间形成环空，所述管道201内侧设置有传感器501，用于测定环空内水泥浆的参数。

所述弧形模块101包括承压密封外壳102和内部井壁层103。

所述顶部封头301上设置有水泥浆注入孔303和钻井液注入孔304，底部封头401上设置有泄压孔402和传感器接线孔403，顶部封头301和底部封头401内部为能更换的框架结构302，通过更换框架可以调整套管的偏心度，管道201两端与框架结构302之间采用螺纹连接。

当需要测定水泥浆动态失水时，弧形模块101内部井壁采用具有一定渗透作用的材料109制成，如地层岩心，承压密封外壳102连接有控制阀107，来控制装置内流体的交换。

该装置还包括传感器501接线、水泥浆注入管线、增压系统管线、压力控制系统管线和滤液收集系统。

具体操作步骤如下：使用时，首先根据试验目的及试验方案，选择相应的弧形模块101及配套的管道201，采用螺栓将弧形模块101连接成环，再将成环的弧形模块101和管道201与底部封头401连接，按照试验方案分层依次连接环状的弧形模块101和管道201，最后连接顶部封头301模块。

选择内部井壁时，采用包含有一定渗透作用的材料109的弧形模块101，将其安装完成后，连接好传感器501接线、水泥浆注入管线、增压系统管线及压力控制系统管线和滤液收集系统，将水泥浆沿水泥注入孔倒入环空内，按照试验方案开始试验，待达到试验时间后，读取失水量，完成动态失水试验。

实施例9

作为本实用新型又一较佳实施方式，参照说明书附图10-11，本实用新型包括一种环形油井水泥试验装置，其特征在于：包括顶部封头301、底部封头401、管道201和弧形模块101，所述管道201两端分别连接顶部封头301和底部封头401，用于模拟油井套管；所述弧形模块101之间连接成环状，连接成环的弧形模块101再首尾连接，用于模拟不同深度地层的井壁；所述成环形的弧形模块101与管道201之间形成环空，所述管道201内侧设置有传感器501，用于测定环空内水泥浆的参数。

所述弧形模块101上连接有注入管道201，管道201上设置单向阀106，便于控制注入环空内的液体或者气体。

所述弧形模块101包括承压密封外壳102和内部井壁层103，当需要观察装置内部试验情况且在试验条件允许时，可采用耐压的塑料玻璃材料制作弧形模块101的承压密封外壳102。

综上所述，本领域的普通技术人员阅读本实用新型文件后，根据本实用新型的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本实用新型所保护的范围。