CN107421813A - 一种液压式模拟套管围压试验装置及其围压方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液压式模拟套管围压试验装置及其围压方法。该装置主要由高压釜体2、套管5、水泥环6、橡胶套8、双半圆缸套9、空气至釜接口11、热电偶14、进水及压力控制接口15、气驱液体增压泵19、进水口22和压力监测***组成。该方法包括：（1）将水泥浆由注浆口注入；（2）进行水泥环养护；（3）将水泵入高压釜体内，液体通过橡胶套和水泥环将压力沿径向传递给套管，应力应变片采集信号，计算机绘制套管应力应变与时间的关系曲线；（4）从关系曲线得到水泥环破碎或套管失稳破坏的时间点及应力值；（5）开启泄压阀和空气至釜阀，取出固井模型。本发明能够模拟真实地层环境，实验结果直观准确，为油气井安全高效生产奠定理论基础。

Description

一种液压式模拟套管围压试验装置及其围压方法
技术领域
本发明涉及石油天然气勘探开发领域油气井固井过程中模拟套管围压试验装置及其围压方法，特别是涉及一种液压式模拟套管围压试验装置及其围压方法。
背景技术
套管广泛用于油气井固井与完井，保证井壁稳定和钻井顺利进行，形成油气流动通道。在油气井作业时，会面临塑性蠕变地层的非均布地应力作用以及复杂完井方式造成的高压差和交变应力作用。在复杂井筒条件下，生产套管失效日益增多，严重影响油井作业寿命。进一步研究复杂井筒条件下水泥环与生产套管的力学行为，研发出能够模拟套管围压的试验装置及围压方法，成为当务之急。
套管围压主要是通过ANSYS、ABAQUS等软件进行数值模拟，由于几何模型概化精度、边界条件、本构模型匹配等问题导致模拟结果与实际情况不符。
目前，模拟套管围压的设备一般是机械装置（一种机械式模拟套管围压试验装置及其围压方法，公开号：CN105606455A），由于不能够真实地模拟均匀地应力、地层温度及地层塑性，因此无法模拟水泥浆在井下环空中带温带压形成水泥环的过程，更无法模拟水泥环与套管及水泥环与地层之间的胶结，导致实验结果与井下实际情况同样存在较大差异。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液压式模拟套管围压试验装置，该装置原理可靠，操作简便，能够模拟真实地层环境，实验结果直观准确，可以更好地满足研究需要，克服了现有技术的缺陷和不足，具有广阔的市场前景。
本发明的另一目的还在于提供利用上述装置进行模拟套管围压试验的方法，该方法能够模拟水泥浆在井下环空中带温带压形成水泥环的过程，为油气井安全高效生产奠定理论基础。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
一种液压式模拟套管围压试验装置，主要由高压釜体、套管、水泥环、橡胶套、双半圆缸套、空气至釜接口、热电偶、进水及压力控制接口、气驱液体增压泵、泄压泵、进水口、出水口和压力监测***组成，所述高压釜体上端有釜盖，用于密封高压釜体内的高压水，底端开有凹槽，高压釜体内部由里向外分别是套管、水泥环、橡胶套和双半圆缸套，所述双半圆缸套位于橡胶套和高压釜体内壁之间。
所述套管有套管上盖和套管下盖，套管上盖通过螺纹连接嵌于釜盖内，用于密封套管和水泥环上端面，套管上盖设有注浆口，该注浆口与套管外壁和橡胶套之间的空间连通，通过注浆口将水泥浆注入套管外壁和橡胶套之间的空间，养护形成水泥环；套管下盖嵌于高压釜体底端的凹槽内。
所述橡胶套位于水泥环和双半圆缸套之间，用于密封及模拟地层塑性。
所述双半圆缸套位于橡胶套与高压釜体内壁之间，用于密封及带压养护水泥环。
所述压力监测***包括多个应力应变片（可以为4个）、应力应变仪和计算机，所述应力应变片均匀贴附于套管中部内壁上，用于采集套管所受应力及发生应变的信号，并将其传递至应力应变仪和计算机。
所述高压釜体连接热电偶，高压釜体外壁设有空气至釜接口和进水及压力控制接口，高压釜体通过空气至釜接口连接空气至釜阀和压缩空气进口，通过进水及压力控制接口连接压力表、围压截止阀和进水口，压缩空气进口和进水口之间通过电磁阀和气驱液体增压泵连接。
所述进水口用于给气驱液体增压泵提供驱动水，气驱液体增压泵用于将压缩空气进口的空气压力转化成水的出泵压力，所述电磁阀用于控制压缩空气进口的空气压力，从而控制气驱液体增压泵的出泵压力，所述围压截止阀用于阻止气驱液体增压泵继续向高压釜体内充压。
所述高压釜体还通过进水及压力控制接口连接泄压阀、泄压泵和出水口。
所述泄压阀用于泄去高压釜体内压力，泄压泵用于控制高压釜体内压力，出水口用于排出高压釜体内水，当高压釜体内压力超过泄压泵设置的预警压力时，泄压泵将泄去部分釜体压力以保证实验安全。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）液压式模拟套管围压试验装置能够模拟地层温度、均匀地应力，温度控制和压力控制达到自动化；
（2）液压式模拟套管围压试验装置能够模拟水泥浆在井下环空中带温带压形成水泥环的过程；
（3）液压式模拟套管围压试验装置能够模拟地层塑性；
（4）液压式模拟套管围压试验装置能够模拟水泥环与套管及水泥环与地层之间的胶结；
（5）液压式模拟套管围压试验装置能够控制高压釜体内压力，当高压釜体内压力超过泄压泵设置的预警压力时，泄压泵将泄去部分釜体压力以保证实验安全。
附图说明
图1是一种液压式模拟套管围压试验装置的结构示意图。
图中：1-釜盖、2-高压釜体、3-套管上盖、4-注浆口、5-套管、6-水泥环、7-应力应变片、8-橡胶套、9-双半圆缸套、10-套管下盖、11-空气至釜接口、12-空气至釜阀、13-压缩空气进口、14-热电偶、15-进水及压力控制接口、16-压力表、17-围压截止阀、18-电磁阀、19-气驱液体增压泵、20-泄压阀、21-泄压泵、22-进水口、23-出水口、24-应力应变仪、25-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参看图1。
一种液压式模拟套管围压试验装置，主要由高压釜体2、套管5、水泥环6、橡胶套8、双半圆缸套9、空气至釜接口11、热电偶14、进水及压力控制接口15、气驱液体增压泵19、进水口22和压力监测***组成。所述高压釜体2上端有釜盖1，底端开有凹槽，高压釜体内部由里向外分别是套管5、水泥环6、橡胶套8和双半圆缸套9，所述双半圆缸套位于橡胶套和高压釜体内壁之间；所述套管5有套管上盖3和套管下盖10，套管上盖3通过螺纹连接嵌于釜盖1内，套管上盖设有注浆口4，该注浆口与套管外壁和橡胶套之间的空间连通，套管下盖10嵌于高压釜体底端的凹槽内；所述压力监测***包括多个应力应变片7、应力应变仪24和计算机25；所述高压釜体2连接热电偶14，高压釜体外壁设有空气至釜接口11和进水及压力控制接口15，高压釜体2通过空气至釜接口11连接空气至釜阀12和压缩空气进口13，通过进水及压力控制接口15连接压力表16、围压截止阀17和进水口22，压缩空气进口和进水口之间通过电磁阀18和气驱液体增压泵19连接。
所述高压釜体2还通过进水及压力控制接口15连接泄压阀20、泄压泵21和出水口23，以保障装置的安全性。
利用上述装置进行模拟套管围压试验的方法，依次包括以下步骤：
（1）注浆：将配制好的水泥浆由注浆口注入；
（2）水泥环养护：开启进水口，釜体进满水，通过气驱液体增压泵给釜体内增压至养护压力，通过热电偶升温至养护温度后恒温控制，压力由增压泵和泄压泵联合控制稳定在养护压力，进行水泥环养护；
（3）围压模拟：通过气驱液体增压泵将水泵入高压釜体内，液体通过橡胶套和水泥环将压力沿径向传递给套管，应力应变片采集应力应变信号传递到应力应变仪，通过应力应变仪将应力应变信号转换并传到计算机，计算机绘制套管应力应变与时间的关系曲线；
（4）结果分析：如果套管应力应变值发生突降，说明水泥环已经破碎或套管失稳，因而从套管应力应变与时间的关系曲线可以得到水泥环破碎或套管失稳破坏的时间点及应力值；
（5）实验完成后，开启泄压阀释放压力，开启空气至釜阀引入压缩空气将水排净，旋开釜盖取出固井模型。

Claims (3)

1.一种液压式模拟套管围压试验装置，主要由高压釜体（2）、套管（5）、水泥环（6）、橡胶套（8）、双半圆缸套（9）、空气至釜接口（11）、热电偶（14）、进水及压力控制接口（15）、气驱液体增压泵（19）、进水口（22）和压力监测***组成，其特征在于，所述高压釜体（2）上端有釜盖（1），底端开有凹槽，高压釜体内部由里向外分别是套管（5）、水泥环（6）、橡胶套（8）和双半圆缸套（9），所述双半圆缸套位于橡胶套和高压釜体内壁之间；所述套管（5）有套管上盖（3）和套管下盖（10），套管上盖（3）通过螺纹连接嵌于釜盖（1）内，套管上盖设有注浆口（4），该注浆口与套管外壁和橡胶套之间的空间连通，套管下盖（10）嵌于高压釜体底端的凹槽内；所述压力监测***包括应力应变片（7）、应力应变仪（24）和计算机（25）；所述高压釜体（2）连接热电偶（14），高压釜体外壁设有空气至釜接口（11）和进水及压力控制接口（15），高压釜体（2）通过空气至釜接口（11）连接空气至釜阀（12）和压缩空气进口（13），通过进水及压力控制接口（15）连接压力表（16）、围压截止阀（17）和进水口（22），压缩空气进口和进水口之间通过电磁阀（18）和气驱液体增压泵（19）连接。
2.如权利要求1所述的液压式模拟套管围压试验装置，其特征在于，所述高压釜体（2）通过进水及压力控制接口（15）连接泄压阀（20）、泄压泵（21）和出水口（23）。
3.利用权利要求1或2所述的装置进行模拟套管围压试验的方法，依次包括以下步骤：
（1）将配制好的水泥浆由注浆口注入；
（2）开启进水口，釜体进满水，通过气驱液体增压泵给釜体内增压至养护压力，通过热电偶升温至养护温度后恒温控制，压力由增压泵和泄压泵联合控制稳定在养护压力，进行水泥环养护；
（3）通过气驱液体增压泵将水泵入高压釜体内，液体通过橡胶套和水泥环将压力沿径向传递给套管，应力应变片采集应力应变信号传递到应力应变仪，通过应力应变仪将应力应变信号转换并传到计算机，计算机绘制套管应力应变与时间的关系曲线；
（4）从套管应力应变与时间的关系曲线得到水泥环破碎或套管失稳破坏的时间点及应力值；
（5）实验完成后，开启泄压阀释放压力，开启空气至釜阀引入压缩空气将水排净，旋开釜盖取出固井模型。
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