CN106917620A - 一种水泥环微环隙的模拟测试装置及模拟测试方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种水泥环微环隙的模拟测试装置及模拟测试方法，其中，所述装置包括内筒和外筒，所述内筒和所述外筒之间构成环空，所述内筒和所述外筒均置于基座上，所述内筒的端口由内筒上盖封闭，所述外筒的端口由外筒上盖封闭；所述内筒上盖中开有贯穿孔，所述贯穿孔中内嵌有高压油管；所述外筒上盖中开设有小孔；所述基座上开设有小孔，通过所述基座上的小孔可向所述环空内注入气体，所述外筒上盖中的小孔可排出注入的所述气体；在所述外筒的两侧设置有超声波成像仪，以对所述外筒和所述内筒进行扫描。本申请提供的一种水泥环微环隙的模拟测试装置及模拟测试方法，能够实时判断微环隙是否产生，并能够以可视化形式获得水泥与筒壁的胶结情况。

Description

一种水泥环微环隙的模拟测试装置及模拟测试方法

技术领域

本申请涉及油气井开发技术领域，特别涉及一种水泥环微环隙的模拟测试装置及模拟测试方法。

背景技术

水泥石是一种具有先天缺陷的脆性材料，井下水泥环在射孔弹高能聚流冲击力的作用下，会破裂形成宏观裂纹，油气井开发过程中的后续增产措施使这些裂纹进一步扩大，致使水泥环的封隔作用彻底失效。另外水泥石的收缩使界面产生微间隙，这些都可导致后期发生气水窜。国外对井下水泥环微环隙的研究主要有两个手段：实验研究和数值计算。在实验研究方面，主要采用的方法是在两层同心套管内注入水泥，待水泥固结后在内层套管内施加液压或改变套管内的温度，通过压力或温度变化改变两层套管内水泥环的应力状态，通过环空水泥环渗透性的改变分析水泥环的水力胶结性质。国内目前设计了一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪，能够模拟固井水泥环所处的井下的环境条件，模拟井下压力对固井水泥环的损伤，测定不同条件下固井水泥环康窜强度的变化情况，从而评价固井水泥环的抗冲击韧性和封隔可靠性。此外，国内还设计了一种深水固井水泥环封隔性能测试装置，能够模拟不同地层条件下液压载荷变化、变温循环对深水固井水泥环封隔性能影响。近期，国内还设计了一种高温高压固井水泥环力学完整性测试装置，模拟了在不同管柱结构下水泥环在高温高压环境中的损伤劣化。但这些研究装置未能实时判断微环隙是否产生，更不能以可视化形式获得水泥与筒壁的胶结情况。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本申请实施方式的目的在于提供一种水泥环微环隙的模拟测试装置及模拟测试方法，能够实时判断微环隙是否产生，并能够以可视化形式获得水泥与筒壁的胶结情况。

为实现上述目的，本申请一方面提供一种水泥环微环隙的模拟测试装置，所述装置包括内筒和外筒，所述内筒和所述外筒之间构成环空，所述内筒和所述外筒均置于基座上，所述内筒的端口由内筒上盖封闭，所述外筒的端口由外筒上盖封闭；所述内筒上盖中开有贯穿孔，所述贯穿孔中内嵌有高压油管，通过所述高压油管可向所述内筒中注入液体；所述外筒上盖中开设有小孔，通过所述外筒上盖中的小孔可向所述环空内注入液体；所述基座上开设有小孔，通过所述基座上的小孔可向所述环空内注入气体，所述外筒上盖中的小孔可排出注入的所述气体；在所述外筒的两侧设置有超声波成像仪，以对所述外筒和所述内筒进行扫描。

进一步地，所述内筒的筒壁上安装有用于检测形变的内应力片，所述外筒的筒壁上安装有用于检测形变的外应力片。

进一步地，所述内筒靠近所述基座的一端填充有下丝堵，所述下丝堵上套有O形圈和挡圈。

进一步地，所述外筒的一端由外筒法兰固定于所述基座上，所述外筒法兰上套有O形圈和挡圈。

进一步地，所述内筒上盖的上端设置有用于检测施加于内筒中的压力和拉力的拉压力传感器。

进一步地，所述装置还包括缸筒和液压顶板，所述缸筒内嵌套有活塞杆的一端，所述缸筒的下端口与中心开孔的缸筒顶盖相连，所述活塞杆穿过所述缸筒顶盖上的开孔与所述内筒上盖相连，所述液压顶板位于所述缸筒的顶端面上。

进一步地，所述缸筒的内壁与所述活塞杆的外侧之间填充有聚氨酯油封，所述活塞杆与所述缸筒顶盖上开孔的内壁之间也填充有聚氨酯油封。

为实现上述目的，本申请实施方式还提供一种水泥环微环隙的模拟测试方法，所述方法包括：通过设置于内筒上盖上的高压油管向内筒中注入液体，以模拟井筒内的液压；在内筒和外筒形成的环空中注入水泥浆，并通过外筒上盖中开设的小孔，向所述环空中注入液体，以模拟所述环空中的压力；当所述水泥浆凝固后，向内筒中施加预设压力和拉力，并通过基座上开设的小孔，向所述环空内注入气体；通过所述外筒上盖上开设的小孔收集泄露的气体，以检测所述环空内的水泥是否产生微环隙；利用超声波成像仪，对所述内筒和所述外筒进行扫描，以确定第一界面和第二界面分别与水泥的胶结信息，其中，所述第一界面为水泥与内筒筒壁之间的界面，所述第二界面为水泥与外筒筒壁之间的界面。

进一步地，所述方法还包括：利用安装于内筒筒壁上的内应力片和安装于外筒筒壁上的外应力片，分别检测内筒筒壁和外筒筒壁上的压力。

进一步地，所述方法还包括：利用设置于所述内筒上盖上的拉压力传感器，检测施加于内筒中的压力和拉力。

本申请实施方式利用内筒和外筒，可以模拟水泥所处的环空，通过高压油管可以向内筒中注入液体，从而模拟井筒内的液压。通过外桶上盖中开设的小孔可以向环空内注入液体，从而为水泥提供液压，以模拟真实的地层环境。在水泥凝固之后，可以通过基座上开设的小孔，向环空内注入气体，通过检测外筒上盖中的小孔是否有气体排出，从而可以初步判定是否产生了微环隙。通过超声波成像仪对外筒和内筒进行扫描，从而可以实时地以可视化的形式显示第一界面和第二界面分别与水泥的胶结信息。这样，本申请实施方式提供的一种水泥环微环隙的模拟测试装置及模拟测试方法，能够实时地判断微环隙是否产生，并能够以可视化形式获得水泥与筒壁的胶结情况。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施方式的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请实施方式中水泥环微环隙的模拟测试装置的结构示意图；

图2为本申请实施方式中水泥环微环隙的模拟测试方法流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，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它实施方式，都应当属于本申请保护的范围。

请参阅图1，本申请实施方式提供一种水泥环微环隙的模拟测试装置。所述装置包括内筒9和外筒10，所述内筒9和所述外筒10之间构成环空，所述内筒9和所述外筒10均置于基座2上，所述内筒9的端口由内筒上盖13封闭，所述外筒10的端口由外筒上盖17封闭；所述内筒上盖13中开有贯穿孔(未示出)，所述贯穿孔中内嵌有高压油管8，通过所述高压油管8可向所述内筒9中注入液体；所述外筒上盖17中开设有小孔(未示出)，通过所述外筒上盖17中的小孔可向所述环空内注入液体；所述基座2上开设有小孔(未示出)，通过所述基座2上的小孔可向所述环空内注入气体，所述外筒上盖17中的小孔可排出注入的所述气体；在所述外筒10的两侧设置有超声波成像仪(未示出)，以对所述外筒10和所述内筒9进行扫描。

在本实施方式中，有时候为了模拟地层的温度，可以通过加热器组件将釜体中的加热油加热至设定值，然后可以将本申请实施方式中的水泥环微环隙的模拟测试装置放置于所述釜体中。所述釜体可以是能够容置所述模拟测试装置的桶状机构，在釜体中进行模拟测试的过程，能够保证温度波动较小。

在本实施方式中，可以预先将配置好的水泥浆注入内筒9和外筒10之间的环空，然后通过所述高压油管8，可以向内筒9中注入油，从而模拟井筒内的液压。此外，还可以通过所述高压油管8，向内筒9中施加一定的压力和拉力，以模拟井下套管所受的压力和拉力。

在本实施方式中，在向环空中注入水泥浆后，可以继续通过外筒上盖17中的小孔，向环空中注入水，从而可以模拟环空内的压力。待水泥浆凝固之后，可以通过高压油管8，改变内筒中的压力。这样，在不同的压力下，水泥与内筒壁和外筒壁之间可能会出现微环隙。其中，水泥与内筒筒壁之间的界面可以作为第一界面，水泥与外筒筒壁之间的界面可以作为第二界面。在本实施方式中，为了初步检测水泥环内部是否有微环隙产生，可以通过基座2上的小孔向环空内注入氮气，如果在第一界面和第二界面上出现了连续的微环隙，那么氮气便可以从环空的底部上窜至环空的顶部，从而可以通过外筒上盖17中的小孔逸出。通过检测外筒上盖17中小孔处的氮气，从而可以测试水泥环内部是否产生了连续的微环隙。

在本实施方式中，如果在第一界面和第二界面上产生了微环隙，但是微环隙不连续的话，氮气也无法从外筒上盖17中的小孔处逸出，因此，通过氮气检测微环隙的方法不够全面。鉴于此，本申请实施方式可以通过超声波成像仪，对所述外筒10和所述内筒9进行扫描，从而可以实时地以可视化的形式显示第一界面和第二界面处的胶结信息。

在本实施方式中，超声波成像仪可以位于外筒10的两侧，如果界面上产生了微环隙，那么射出的超声波便会被反射回来。通过检测是否有超声波被反射以及接收到反射波的时间，从而可以推断出微环隙的位置。通过比对不同微环隙对应的反射波，还可以确定多个微环隙的相对大小。

在本实施方式中，为了能够实时检测内筒和外筒上所受的应力，可以在所述内筒的筒壁上安装有用于检测形变的内应力片11，也可以在所述外筒的筒壁上安装有用于检测形变的外应力片12。

在本实施方式中，所述内筒9靠近所述基座2的一端填充有下丝堵1，所述下丝堵1上套有O形圈3和挡圈5，从而可以保证内筒9的密封性。

在本实施方式中，所述外筒10的一端由外筒法兰4固定于所述基座2上，所述外筒法兰4上套有O形圈6和挡圈7，从而可以保证外筒10的稳定性。

在本实施方式中，所述内筒上盖13的上端设置有用于检测施加于内筒中的压力和拉力的拉压力传感器19，这样，当通过高压油管8向内筒9中施加压力和拉力时，可以精确地控制施加的压力和拉力的量。

在本实施方式中，所述装置还包括缸筒25和液压顶板26，所述缸筒25内嵌套有活塞杆21的一端，所述缸筒25的下端口与中心开孔的缸筒顶盖20相连，所述活塞杆21穿过所述缸筒顶盖20上的开孔与所述内筒上盖13相连，所述液压顶板26位于所述缸筒25的顶端面上。通过所述活塞杆21在所述缸筒25内移动，从而可以带动内筒上盖13，这样可以通过施加外力，将内筒上盖13提起或者与内筒进行分离。

在本实施方式中，所述缸筒25的内壁与所述活塞杆21的外侧之间填充有聚氨酯油封24，所述活塞杆21与所述缸筒顶盖20上开孔的内壁之间也填充有聚氨酯油封22，从而可以保证界面之间的密封性。

请参阅图2，本申请实施方式提供一种水泥环微环隙的模拟测试方法，所述方法包括：

S1：通过设置于内筒上盖上的高压油管向内筒中注入液体，以模拟井筒内的液压；

S2：在内筒和外筒形成的环空中注入水泥浆，并通过外筒上盖中开设的小孔，向所述环空中注入液体，以模拟所述环空中的压力；

S3：当所述水泥浆凝固后，向内筒中施加预设压力和拉力，并通过基座上开设的小孔，向所述环空内注入气体；

S4：通过所述外筒上盖上开设的小孔收集泄露的气体，以检测所述环空内的水泥是否产生微环隙；

S5：利用超声波成像仪，对所述内筒和所述外筒进行扫描，以确定第一界面和第二界面分别与水泥的胶结信息，其中，所述第一界面为水泥与内筒筒壁之间的界面，所述第二界面为水泥与外筒筒壁之间的界面。

在本实施方式中，所述方法还包括：

利用安装于内筒筒壁上的内应力片和安装于外筒筒壁上的外应力片，分别检测内筒筒壁和外筒筒壁上的压力。

在本实施方式中，所述方法还包括：

利用设置于所述内筒上盖上的拉压力传感器，检测施加于内筒中的压力和拉力。

由上可见，本申请实施方式利用内筒和外筒，可以模拟水泥所处的环空，通过高压油管可以向内筒中注入液体，从而模拟井筒内的液压。通过外桶上盖中开设的小孔可以向环空内注入液体，从而为水泥提供液压，以模拟真实的地层环境。在水泥凝固之后，可以通过基座上开设的小孔，向环空内注入气体，通过检测外筒上盖中的小孔是否有气体排出，从而可以初步判定是否产生了微环隙。通过超声波成像仪对外筒和内筒进行扫描，从而可以实时地以可视化的形式显示第一界面和第二界面分别与水泥的胶结信息。这样，本申请实施方式提供的一种水泥环微环隙的模拟测试装置及模拟测试方法，能够实时地判断微环隙是否产生，并能够以可视化形式获得水泥与筒壁的胶结情况。

上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本发明限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本申请旨在包括在此已经讨论过的本发明的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。

本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

虽然通过实施方式描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。

Claims (10)

1.一种水泥环微环隙的模拟测试装置，其特征在于，所述装置包括内筒和外筒，所述内筒和所述外筒之间构成环空，所述内筒和所述外筒均置于基座上，所述内筒的端口由内筒上盖封闭，所述外筒的端口由外筒上盖封闭；所述内筒上盖中开有贯穿孔，所述贯穿孔中内嵌有高压油管，通过所述高压油管可向所述内筒中注入液体；所述外筒上盖中开设有小孔，通过所述外筒上盖中的小孔可向所述环空内注入液体；所述基座上开设有小孔，通过所述基座上的小孔可向所述环空内注入气体，所述外筒上盖中的小孔可排出注入的所述气体；在所述外筒的两侧设置有超声波成像仪，以对所述外筒和所述内筒进行扫描。

2.根据权利要求1所述的水泥环微环隙的模拟测试装置，其特征在于，所述内筒的筒壁上安装有用于检测形变的内应力片，所述外筒的筒壁上安装有用于检测形变的外应力片。

3.根据权利要求1所述的水泥环微环隙的模拟测试装置，其特征在于，所述内筒靠近所述基座的一端填充有下丝堵，所述下丝堵上套有O形圈和挡圈。

4.根据权利要求1所述的水泥环微环隙的模拟测试装置，其特征在于，所述外筒的一端由外筒法兰固定于所述基座上，所述外筒法兰上套有O形圈和挡圈。

5.根据权利要求1所述的水泥环微环隙的模拟测试装置，其特征在于，所述内筒上盖的上端设置有用于检测施加于内筒中的压力和拉力的拉压力传感器。

6.根据权利要求1所述的水泥环微环隙的模拟测试装置，其特征在于，所述装置还包括缸筒和液压顶板，所述缸筒内嵌套有活塞杆的一端，所述缸筒的下端口与中心开孔的缸筒顶盖相连，所述活塞杆穿过所述缸筒顶盖上的开孔与所述内筒上盖相连，所述液压顶板位于所述缸筒的顶端面上。

7.根据权利要求6所述的水泥环微环隙的模拟测试装置，其特征在于，所述缸筒的内壁与所述活塞杆的外侧之间填充有聚氨酯油封，所述活塞杆与所述缸筒顶盖上开孔的内壁之间也填充有聚氨酯油封。

8.一种应用于如权利要求1至7中任一所述的水泥环微环隙的模拟测试装置中的水泥环微环隙的模拟测试方法，其特征在于，所述方法包括：

通过设置于内筒上盖上的高压油管向内筒中注入液体，以模拟井筒内的液压；

在内筒和外筒形成的环空中注入水泥浆，并通过外筒上盖中开设的小孔，向所述环空中注入液体，以模拟所述环空中的压力；

当所述水泥浆凝固后，向内筒中施加预设压力和拉力，并通过基座上开设的小孔，向所述环空内注入气体；

通过所述外筒上盖上开设的小孔收集泄露的气体，以检测所述环空内的水泥是否产生微环隙；

利用超声波成像仪，对所述内筒和所述外筒进行扫描，以确定第一界面和第二界面分别与水泥的胶结信息，其中，所述第一界面为水泥与内筒筒壁之间的界面，所述第二界面为水泥与外筒筒壁之间的界面。

9.根据权利要求8所述的水泥环微环隙的模拟测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用安装于内筒筒壁上的内应力片和安装于外筒筒壁上的外应力片，分别检测内筒筒壁和外筒筒壁上的压力。

10.根据权利要求8所述的水泥环微环隙的模拟测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用设置于所述内筒上盖上的拉压力传感器，检测施加于内筒中的压力和拉力。