一种固井水泥环-二界面水力封隔强度的测试装置

1.本实用新型涉及石油与天然气工程固井领域，是一种加温条件下测试水泥环-二界面水力封隔强度的新型装置，特别涉及不用胶套加围压密封来测试水泥环-二界面的水力封隔强度，无应力敏感效应。


背景技术：

2.在油气井固井工程中，水泥环除了要支撑保护套管，更关键要防止层间窜流，避免油气资源在地下窜入其它地层浪费资源或窜出地面造成安全事故。评价水泥环防止层间窜流能力的基本指标就是水泥环的界面封隔能力，水泥环与套管形成的胶结面称一界面，与地层岩石形成的胶结面称二界面，在套管-水泥环-地层岩石组合构成的油气井筒密封系统中，一二界面为薄弱界面，也是整个密封系统的短板，其封隔能力的高低将决定整个密封系统的封隔能力，因此有效评价水泥环界面封隔能力的设备及方法对油气井固井工程十分关键。
3.目前，常用测试机械力和液压力两种方式来评价水泥环的截面封隔能力。测试的机械力一般称界面胶结强度，大多是通过剪切作用使水泥环与套管(一界面)或岩石(二界面)的胶结面破坏，得到最大剪切强度即为界面胶结强度，比如专利cn2783312y、cn105092465b、cn205297542u、cn206696163u、cn210604342u等，测试剪切胶结强度的方法最突出的优点就是简单直接、方便快捷，但界面胶结强度的大小与界面抗窜流能力的高低不是一个等同关系，毕竟要抵抗的是高压流体的入侵作用，界面胶结强度可以用于对比筛选水泥材料，不能从根本上回答水泥环界面封隔能力的大小。于是发展了用液体压力来测试水泥环界面封隔能力的设备及方法通常是用水压力来突破水泥环的一二界面，并称该突破压力为水力封隔强度，比如专利cn2127786、cn103184866b、cn201620871u、cn203035188u、cn206386111u，这些专利解决了水泥环与套管胶结面(一界面)的水力封隔强度测试问题，但未能解决水泥环与岩石胶结面(二界面)的水力封隔强度测试问题。专利cn207406332u采用胶套密封的方式，具备了测试一二界面水力封隔强度的能力，但却引入应力敏感的问题，即用胶套包裹岩石，外加围压密封，要求围压必须大于端面测试液压，如果界面胶结较好，围压就会很大，使得岩石、二界面、水泥环相互之间挤压作用很大，这样使界面抗窜能力优于挤压而加强，要突破就要增加端面液压，要增加端面液压又要提高围压，陷入恶性循环，应力敏感效应显现，最终造成测出的突破压力值严重偏大或无法测出。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种固井水泥环一二界面水力封隔强度的测试装置，用于弥补现有测试装置的不足之处。
5.本实用新型采用如下技术方案：
6.一种固井水泥环一二界面水力封隔强度的测试装置，包括上盖、水泥石组合体、密封橡胶圈、多孔垫板、底座、计算机控制采集系统，水泥石组合体安装在钢套内，水泥石组合
体顶部为上盖，钢套与上盖之间通过密封橡胶圈密封，水泥石组合体底部为多孔垫板，多孔垫板下部为底座，上盖与底座之间通过螺杆连接。
7.所述上盖安装有用于在水泥石组合体上端面施加压力的压力控制系统，底座外部安装有用于给水泥石组合体加热测温的温控系统，底座底部安装有用于测量水泥石界面液体的流量测试模块。
8.所述压力控制系统、温控系统均与计算机控制采集系统连接。
9.进一步的，水泥石组合体包括测试一界面水力封隔强度组合体：钢管-水泥石、钢管-钻井液膜-水泥石；测试二界面水力封隔强度组合体：钢管-水泥石-岩心、钢管-水泥石-钻井液滤饼-岩心。
10.具体的，钢管-水泥石-岩心结构为：岩心位于钢套中心，岩心与钢套之间为填充的水泥石。
11.进一步的，压力控制系统由压力控制装置、传压介质供给容器、计算机控制采集系统、压力施加接口组成；压力施加接口安装在上盖上，压力施加接口通过液压管线ⅰ与压力控制装置连接，该压力控制装置可以控制并稳定待测水泥石组合体上端的压力，压力传感器的信号采集端与压力控制装置连接，压力传感器的信号输出端与计算机控制采集系统连接，压力控制装置通过液压管线ⅱ与传压介质供给容器连接。
12.所述压力施加接口与压力控制装置连接的液压管线ⅰ上安装有第一阀门，压力控制装置与传压介质供给容器相连的液压管线ⅱ上安装有第二阀门。
13.进一步的，温控系统由加热瓦、内耦温度传感器、外耦温度传感器、温度控制装置组成，底座圆周面上安装有加热瓦，外耦温度传感器安装在加热瓦上，内耦温度传感器安装在上盖上，内耦温度传感器和外耦温度传感器的信号输出端均与温度控制装置连接，温度控制装置的信号输出端与计算机控制采集系统连接。
14.进一步的，流量测试模块由液体流量计、排液阀及液体收集器构成，液体收集器安装在底座下，排出管安装在底座底部，排出管端部安装有排液阀，排出管上还安装有液体流量计。流量测试模块是为了测试通过水泥石界面液体的流量，可以辅助对水泥石水力封隔强度的认识，液体收集器可以收集流出的废液。
15.本实用新型的有益效果：
16.(1)可测试一二界面水力封隔强度。测试一界面水力封隔强度组合体使用钢筒-水泥石或钢筒-钻井液膜-水泥石；测试二界面水力封隔强度组合体使用钢筒-水泥石-岩心或钢筒-水泥石-钻井液滤饼-岩心。
17.(2)无应力敏感效应问题。设计在上盖和水泥石组合体外钢筒之间安装橡胶密封圈，上盖与底座通过螺杆相连，对水泥石组合体上端面施加液压，使钢筒、橡胶密封圈和上盖贴合密封，上端压力越大密封越好。
附图说明
18.图1为本实用新型测试装置结构示意图(钢筒-水泥石-岩心组合体)；
19.图2为一界面水力封隔强度测试的钢筒-水泥石组合体；
20.图3为一界面水力封隔强度测试的钢筒-钻井液膜-水泥石组合体；
21.图4为二界面水力封隔强度测试的钢筒-水泥石-岩心组合体；
22.图5为二界面水力封隔强度测试的钢筒-水泥石-钻井液滤饼-岩心组合体；
23.图6为实施例一进行水泥石一界面水力封隔强度测试过程中端面压力随时间的变化图。
24.图中：1-上盖、2-钢套、3-水泥石、4-底座、5-岩心、6-多孔垫板、7-压力传感器、8-第一阀门、9-压力控制装置、10-第二阀门、11-传压介质供给容器、12-计算机控制采集系统、13-内耦温度传感器、14-压力施加接口、15-加热瓦、16-温度控制器、17-外耦温度传感器、18-液体收集器、19-液体流量计、20-排液阀、21-密封橡胶圈。
具体实施方式
25.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.如图1-6所示，本实用新型的一种固井水泥环一二界面水力封隔强度的测试装置，包括上盖1、水泥石组合体、密封橡胶圈21、多孔垫板6、底座4、计算机控制采集系统12，水泥石组合体安装在钢套2内，水泥石组合体顶部为上盖1，钢套2与上盖1之间通过密封橡胶圈21密封，水泥石组合体底部为多孔垫板6，多孔垫板6下部为底座4，上盖1与底座4之间通过螺杆连接。
27.所述上盖1安装有用于在水泥石组合体上端面施加压力的压力控制系统，底座4外部安装有用于给水泥石组合体加热测温的温控系统，底座4底部安装有用于测量水泥石界面液体的流量测试模块。
28.所述压力控制系统、温控系统均与计算机控制采集系统12连接。
29.进一步的，水泥石组合体包括测试一界面水力封隔强度组合体：钢管-水泥石、钢管-钻井液膜-水泥石；测试二界面水力封隔强度组合体：钢管-水泥石-岩心、钢管-水泥石-钻井液滤饼-岩心。
30.具体的，钢管-水泥石-岩心结构为：岩心位于钢套中心，岩心5与钢套2之间为填充的水泥石3。
31.进一步的，压力控制系统由压力控制装置9、传压介质供给容器11、计算机控制采集系统12、压力施加接口14组成；压力施加接口14安装在上盖1上，压力施加接口14通过液压管线ⅰ与压力控制装置9连接，该压力控制装置9可以控制并稳定待测水泥石组合体上端的压力，压力传感器7的信号采集端与压力控制装置9连接，压力传感器7的信号输出端与计算机控制采集系统12连接，压力控制装置9通过液压管线ⅱ与传压介质供给容器11连接。
32.所述压力施加接口14与压力控制装置9连接的液压管线ⅰ上安装有第一阀门8，压力控制装置9与传压介质供给容器11相连的液压管线ⅱ上安装有第二阀门10。
33.进一步的，温控系统由加热瓦15、内耦温度传感器13、外耦温度传感器17、温度控制装置16组成，底座4圆周面上安装有加热瓦15，外耦温度传感器17安装在加热瓦15上，内耦温度传感器13安装在上盖1上，内耦温度传感器13和外耦温度传感器17的信号输出端均与温度控制装置16连接，温度控制装置16的信号输出端与计算机控制采集系统12连接。
34.进一步的，流量测试模块由液体流量计19、排液阀20及液体收集器18构成，液体收
集器18安装在底座4下，排出管安装在底座4底部，排出管端部安装有排液阀20，排出管上还安装有液体流量计19。流量测试模块是为了测试通过水泥石界面液体的流量，可以辅助对水泥石水力封隔强度的认识，液体收集器18可以收集流出的废液。
35.本装置的使用方法，包括如下步骤：
36.步骤1.将多孔垫板6和水泥石组合体依次放入装置的底座4中，在上盖1内部装上密封橡胶圈21然后盖上上盖1并用螺杆与底座4相连。
37.步骤2.将加热瓦15与温控控制器16、内耦温度传感器13、外耦温度传感器17相连接，并最终连接到计算机控制采集系统12。
38.步骤3.将压力控制装置9、传压介质供给容器11、压力传感器7、压力施加接口14相连接，并最终连接到计算机控制采集系统12。
39.步骤4.通过加热瓦15为水泥石组合体加热，并由计算机控制采集系统12收集温度数据，直到温度达到实验温度。
40.步骤5.温度达到后，打开废液排液阀20，通过压力控制装置9给水泥石组合体端面加压，并通过计算机控制采集系统12记录压力数值，水泥石组合体端面能承受的最大压力即为界面封隔强度。
41.步骤6.由液体流量计19监测是否有液体流出，并在有液体流出时记录流出液体的流量，流出的废液由液体收集器18收集。
42.步骤7.实验结束后，计算机控制采集系统12保存好实验数据，等到实验装置降至常温以后，使用压力控制装置卸掉测试装置内部压力，关闭压力控制装置。关闭所有阀门，拆除各个装置及管线，卸下上盖1与底座4，取出测试样品。
43.制取水泥石组合体的方法为：
44.1)钢筒-水泥石组合体，钢筒内径50mm，高80mm，壁厚3mm，有上盖和底盖，上盖、底盖涂油，钢筒内壁不涂油，底盖与钢筒组合好。按照gb19139配制水泥浆，注入钢筒内，不注满，上端预留25-30mm的空筒，可在筒内水泥浆上部盖上一层滤纸，将水泥浆与养护水隔开，盖上上盖等待养护。
45.2)钢筒-钻井液膜-水泥石组合体，钢筒内径50mm，高80mm，壁厚3mm，有上盖和底盖，上盖、底盖涂油，钢筒内壁涂上钻井液或用其他方式附着钻井液，底盖与钢筒组合好。按照gb19139配制水泥浆，注入钢筒内，不注满，上端预留25-30mm的空筒，可在筒内水泥浆上部盖上一层滤纸，将水泥浆与养护水隔开，盖上上盖等待养护。
46.3)钢筒-水泥石-岩心组合体。钢筒内径50mm，高80mm，壁厚3mm，有上盖和底盖，岩心直径25mm，高度50mm。上盖、底盖涂油，钢筒内壁不涂油，将岩心放在底盖中心，与钢筒组合好。按照gb19139配制水泥浆，注入钢筒与岩心之间，不注满，上端预留25-30mm的空筒，可在筒内水泥浆上部盖上一层滤纸，将水泥浆与养护水隔开，盖上上盖等待养护。
47.4)钢筒-水泥石-钻井液滤饼-岩心组合体。钢筒内径50mm，高80mm，壁厚3mm，有上盖和底盖，岩心直径25mm，高度50mm。上盖、底盖涂油，钢筒内壁不涂油，将岩心上压制一层钻井液滤饼或涂抹一层钻井液，然后放在底盖中心，与钢筒组合好。按照gb19139配置水泥浆，注入钢筒与岩心之间，不注满，上端预留25-30mm的空筒，可在筒内水泥浆上部盖上一层滤纸，将水泥浆与养护水隔开，盖上上盖等待养护。
48.实施例
49.水泥浆配方：g级水泥(水灰比0.44)+2％降湿水剂(g33s)+0.55分散剂(sxy-2)
50.养护条件：60℃
×
21mpa
×
72h
51.测试目标：水泥环一界面水力封隔强度
52.测试条件：常温
53.①
采用钢筒-水泥石组合体，钢筒内径50mm，高80mm，壁厚3mm，有上盖和底盖，上盖、底盖涂油，钢筒内壁不涂油，底盖与钢筒组合好。按照gb19139配制水泥浆，注入钢筒内，不注满，上端预留25-30mm的空筒，可在筒内水泥浆上部盖上一层滤纸，将水泥浆养护水隔开，盖上上盖等待养护。
54.②
将上述水泥石组合体放入高温高压养护釜，根据实验要求的温度、压力、龄期进行养护，最终形成测试所需的水泥石组合体。
55.③
将多孔垫板6和水泥石组合体依次放入测试装置底座4中，在上盖1内部装上密封橡胶圈21然后盖上上盖1并用螺杆与底座4相连；
56.④
将加热瓦15与温度控制器16、内耦温度传感器13、外耦温度传感器17相连接，最终连接计算机控制采集系统12。
57.⑤
将压力控制装置9、传压介质供给容器11、压力传感器7、压力施加接口14相连接，最终连接计算机控制采集系统12。
58.⑥
打开废液排液阀20，通过压力控制装置9给水泥石组合体端面加压，并通过计算机控制采集系统12记录压力数值，水泥石组合体端面能承受的最大压力即为界面封隔强度。
59.⑦
由液体流量计19监测是否有液体流出，并在有液体流出时记录流出液体的流量，流出的废液由液体收集器18收集。
60.⑧
实验结束后，计算机控制采集系统12保存好实验数据，等到实验装置降至常温以后，使用压力控制装置9卸掉测试装置内部压力，关闭压力控制装置9；关闭所有阀门，拆除各个装置及管线，卸下上盖1与底座4，去除测试样品。
61.测试过程压力检测数据如图6所示，该水泥界面封隔强度的击穿压力达到了21mpa，这个值是无法用胶套密封测试的。
62.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。