CN108868746A - 测试固井胶结面抗窜能力的实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种测试固井胶结面抗窜能力的实验装置及其实验方法，包括页岩开采模拟部，页岩开采模拟部包括模拟地层、水泥环环空和模拟套管，模拟地层的外侧设置围压腔，水泥环环空内能养化水泥浆构成模拟水泥环，模拟水泥环与模拟套管之间的接触面构成固井胶结面；页岩开采模拟部上密封连接有加压装置；模拟套管内设有加热装置；模拟套管的外壁设有固井质量检测仪；模拟水泥环密封连通有注气装置，水泥环环空的顶部设置气体检测仪，测试固井胶结面抗窜能力的实验装置还包括控制部。该测试固井胶结面抗窜能力的实验装置及其实验方法，能够真实有效地模拟研究不同温度压力循环次数条件下固井胶结面的抗窜能力。

Description

测试固井胶结面抗窜能力的实验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及油气井工程领域，尤其涉及一种页岩气压裂过程中不同循环温度压力条件下测试固井胶结面抗窜能力的实验装置及其实验方法。

背景技术

页岩气藏属于低孔低渗非常规油气藏，常规开采手段难以取得经济效益，需要用到水力压裂技术使页岩地层形成复杂人工缝网才能获得商业气流，但是水力压裂泵压高，排量大，使近井筒附近的套管-水泥环-地层承受较高的套管内压以及温度变化。

尤其是多级分段压裂，使井筒的完整性更加难以保证，现场施工数据证明：某页岩气田压裂之前环空带压井的比例不超过10％，压裂之后环空带压井的比例则超过50％，说明环空带压与水力压裂具有显著关系，现场井口气体检测结构认为：多级压裂过程中近井筒附近温度压力交替变化导致固井胶结面劣化，抗气抗液窜通的能力下降，地层气体沿着固井胶结面上窜至井口导致环空带压。

因此，基于页岩气水力压裂的特点，研究不同循环温度压力条件下固井胶结面的抗窜能力具有重要意义。但是，现有的实验装置不能模拟不同温度压力循环次数条件下固井胶结面的抗窜能力以及胶结面的胶结质量，为实验研究带来阻碍。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种测试固井胶结面抗窜能力的实验装置及其实验方法，实现不同循环温度压力条件下固井胶结面的抗窜能力研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试固井胶结面抗窜能力的实验装置及其实验方法，能够真实有效地模拟研究不同温度压力循环次数条件下固井胶结面的抗窜能力。

本发明的目的是这样实现的，一种测试固井胶结面抗窜能力的实验装置，包括呈密封设置的页岩开采模拟部，所述页岩开采模拟部包括自外向内依次同轴套设的模拟地层、水泥环环空和模拟套管，所述模拟地层的外侧设置围压腔，所述水泥环环空内能养化水泥浆构成模拟水泥环，所述模拟水泥环与所述模拟套管之间的接触面构成固井胶结面；所述页岩开采模拟部上密封连接有用于调整所述页岩开采模拟部内部压力的加压装置；所述模拟套管内设有用于调整所述页岩开采模拟部内部温度的加热装置；所述模拟套管的外壁中部设有固井质量检测仪；所述模拟水泥环内位于固井胶结面下部的位置密封连通有注气装置，所述水泥环环空的顶部设置气体检测仪，所述气体检测仪与所述模拟套管的外壁抵靠接触；所述测试固井胶结面抗窜能力的实验装置还包括控制部，所述控制部与所述加压装置、所述加热装置、所述固井质量检测仪、所述气体检测仪和所述注气装置电连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述加压装置包括第一液压活塞结构、第二液压活塞结构和第三液压活塞结构，所述第一液压活塞结构包括第一伸缩活塞杆和第一活塞，所述模拟套管的顶部设置套管加压接口，所述第一活塞能沿所述套管加压接口的内壁密封往复移动；所述第二液压活塞结构包括第二伸缩活塞杆和第二活塞，所述水泥环环空的顶部设置水泥环加压接口，所述第二活塞能沿所述水泥环加压接口的内壁密封往复移动；所述第三液压活塞结构包括第三伸缩活塞杆和第三活塞，所述围压腔的顶部设置围压腔加压接口，所述第三活塞能沿所述围压腔加压接口的内壁密封往复移动。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一液压活塞结构上设有第一液压活塞控制器，所述第二液压活塞结构上设有第二液压活塞控制器，所述第三液压活塞结构上设有第三液压活塞控制器，所述第一液压活塞控制器、所述第二液压活塞控制器和所述第三液压活塞控制器均与所述控制部电连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述测试固井胶结面抗窜能力的实验装置还包括注液结构和排液结构，所述注液结构包括导热液注入结构、水泥注入结构和围压液注入结构，所述围压液注入结构与所述围压腔的顶部连通，所述水泥注入结构与所述水泥环环空的上部连通，所述导热液注入结构与所述模拟套管的内腔顶部连通；所述排液结构包括导热液导出结构和围压液导出结构，所述围压液导出结构与所述围压腔的下部连通，所述导热液导出结构与所述模拟套管的内腔下部连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述页岩开采模拟部包括油缸结构，所述油缸结构包括油缸外壳，所述油缸外壳内部同轴且径向间隔套设第一套管结构和第二套管结构，所述第二套管结构构成所述模拟地层，所述油缸外壳与所述第二套管结构之间构成封闭的所述围压腔；

所述第一套管结构和所述第二套管结构之间构成所述水泥环环空；

所述第一套管结构构成所述模拟套管，所述第一套管结构的顶部密封连接所述第一液压活塞结构，所述第一套管结构内设置所述加热装置，所述第一套管结构的内腔顶部与所述导热液注入结构连通，所述第一套管结构的内腔下部与所述导热液导出结构连通，所述第一套管结构的中部设置所述固井质量检测仪。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一套管结构上位于所述加热装置的上方设置第一压力传感器和第一温度传感器，所述水泥环环空的顶部设置第二压力传感器和第二温度传感器，所述围压腔的顶部设置第三压力传感器，所述第一压力传感器、所述第一温度传感器、所述第二压力传感器、所述第二温度传感器和所述第三压力传感器均与所述控制部电连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述导热液注入结构包括导热液储罐，所述导热液储罐的出口处设置第一储罐控制阀，所述第一储罐控制阀的出口与所述模拟套管的内腔顶部密封连通设置；所述导热液导出结构包括导热液抽吸泵，所述导热液抽吸泵的出口处设置第一抽吸泵控制阀，所述第一抽吸泵控制阀的出口与所述模拟套管的内腔下部密封连通设置；

所述水泥注入结构包括水泥储罐，所述水泥储罐的出口处设置第二储罐控制阀，所述第二储罐控制阀的出口与所述水泥环环空密封连通设置；

所述围压液注入结构包括围压液储罐，所述围压液储罐的出口处设置第三储罐控制阀，所述第三储罐控制阀的出口与所述围压腔的顶部密封连通设置；所述围压液导出结构包括围压液抽吸泵，所述围压液抽吸泵的出口处设置第三抽吸泵控制阀，所述第三抽吸泵控制阀的出口与所述围压腔的下部密封连通设置；

所述第一储罐控制阀、所述第二储罐控制阀、所述第三储罐控制阀、所述导热液抽吸泵、所述第一抽吸泵控制阀、所述围压液抽吸泵和所述第三抽吸泵控制阀均与所述控制部电连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述加热装置包括与所述模拟套管同轴设置的加热棒，所述加热棒与所述控制部电连接；

所述注气装置包括储气罐，所述储气罐的出口处连通设置气体压缩机，所述气体压缩机的出口处设置第四压力传感器，所述第四压力传感器的出口与所述模拟水泥环的底部密封连通。

本发明的目的还可以这样实现，一种测试固井胶结面抗窜能力的实验方法，完成前述的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置的组装，向水泥环环空内注入水泥浆，控制部控制加压装置和加热装置模拟地层条件，固井水泥养化构成模拟水泥环，模拟地层、模拟水泥环和模拟套管胶结成一个整体；控制部控制加压装置周期性调整页岩开采模拟部内的压力，控制部控制加热装置周期性调整页岩开采模拟部内的温度，至温度压力循环次数达到目标次数；固井质量检测仪检测固井胶结面的完整性情况，气体检测仪检测注气装置向固井胶结面处泵送的气体压力，控制部记录固井质量检测仪检测的微环隙数据和注气装置的压力数据。

在本发明的一较佳实施方式中，前述的测试固井胶结面抗窜能力的实验方法，包括以下步骤，

步骤a、完成测试固井胶结面抗窜能力的实验装置组装；

步骤b、向模拟套管内注入导热液，向围压腔内注入围压液，向水泥环环空内注入水泥浆，控制部控制加热装置加热导热液，直至升温至实验设计温度，控制部控制加压装置对水泥环环空和围压腔加压至指定压力，固井水泥养化构成模拟水泥环；设定养护测试模拟水泥环与模拟套管胶结强度的时间，直到模拟地层、模拟水泥环和模拟套管胶结成一个整体；

步骤c、关闭加热装置使导热液的温度下降，同时，控制部控制加压装置提高模拟套管内的压力达到指定压力，加热装置、模拟套管和水泥环环空的温度逐渐下降至室温，记录此时温度压力循环次数为1；

开启加热装置使导热液的温度上升至温度值达到指定温度，同时，控制部控制加压装置降低模拟套管内的压力达到指定压力，记录此时温度压力循环次数为2；

重复前述的压力和温度调整过程，对页岩开采模拟部内的压力和温度周期性的调整，直至温度压力循环次数达到目标次数；

步骤d、温度压力循环过程中，固井质量检测仪检测固井胶结面的微环隙；开启注气装置向水泥环环空缓慢泵送氩气，控制部记录压力数据；气体检测仪检测到氩气后停止送气，此时氩气的气压为固井胶结面的抗窜压力；

步骤e、控制部控制模拟套管和围压腔内压力降为0，关闭加热装置，页岩开采模拟部内温度为室温时，控制部控制排出模拟套管内的导热液和围压腔内的围压液，完成实验。

由上所述，本发明提供的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置及其实验方法具有如下有益效果：

本发明的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置及其实验方法，通过加压装置和加热装置实现页岩开采模拟部内的压力和温度周期性变化，模拟地应力、近井筒附近页岩气压裂过程中套管内压周期性升降和近井筒附近温度的周期性变化，固井质量检测仪检测固井胶结面的完整性情况，气体检测仪检测到的模拟套管外壁顶部溢出的气体压力即固井胶结面的抗窜压力，该实验装置和实验方法真实有效地模拟研究不同温度压力循环次数条件下固井胶结面的抗窜能力及固井胶结面的胶结质量；本发明的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置中，模拟套管可以采用不同外壁光滑度和不同规格的套管，通过更换不同类型的套管可以测试不同套管对固井胶结面抗窜能力的影响；本发明的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置结构简单，操作方便，成本较低，适于推广使用。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置的示意图。

图中：

100、测试固井胶结面抗窜能力的实验装置；

101、外部刚性框架；102、固定座；

1、页岩开采模拟部；

10、油缸外壳；

11、模拟套管；

111、套管加压接口；

112、导热液注入结构；1121、导热液储罐；1122、第一储罐控制阀；

113、导热液导出结构；1131、导热液抽吸泵；1132、第一抽吸泵控制阀；

114、多级变径套管接头；

12、水泥环环空；

120、模拟水泥环；

121、水泥环加压接口；

122、水泥注入结构；1221、水泥储罐；1222、第二储罐控制阀；

13、模拟地层；

14、围压腔；

141、围压腔加压接口；

142、围压液注入结构；1421、围压液储罐；1422、第三储罐控制阀；

143、围压液导出结构；1431、围压液抽吸泵；1432、第三抽吸泵控制阀；

15、油缸支座；

2、加压装置；

21、第一液压活塞结构；211、第一伸缩活塞杆；212、第一活塞；213、第一液压活塞控制器；

22、第二液压活塞结构；221、第二伸缩活塞杆；222、第二活塞；223、第二液压活塞控制器；

23、第三液压活塞结构；231、第三伸缩活塞杆；232、第三活塞；233、第三液压活塞控制器；

3、加热装置；

4、固井质量检测仪；

5、注气装置；

51、储气罐；52、气体压缩机；

6、气体检测仪；

7、控制部；

81、第一压力传感器；82、第二压力传感器；83、第三压力传感器；84、第四压力传感器；

91、第一温度传感器；92、第二温度传感器。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供一种测试固井胶结面抗窜能力的实验装置100，包括页岩开采模拟部1，页岩开采模拟部1包括自外向内依次同轴套设的模拟地层13、水泥环环空12和模拟套管11，模拟地层13的外侧设置围压腔14，水泥环环空12内能养化水泥浆构成模拟水泥环120，模拟水泥环120与模拟套管11之间的接触面构成固井胶结面；页岩开采模拟部1的顶部和底部呈密封设置；模拟套管11可以采用不同外壁光滑度的套管，包括光面套管、螺纹状套管、凹凸状套管和磨砂状套管，通过更换不同类型的套管可以测试不同套管对固井胶结面抗窜能力的影响；

页岩开采模拟部1上密封连接有用于调整页岩开采模拟部1内部压力的加压装置2；模拟套管11内设有用于调整页岩开采模拟部1内部温度(加热模拟水泥环120)的加热装置3；模拟套管11的外壁中部设有用于检测固井胶结面的固井质量检测仪4，在本实施方式中，固井质量检测仪4为超声固井质量检测仪，通过检测固井胶结面处生成的微环隙判定固井质量；模拟水泥环120内位于固井胶结面下部的位置密封连通有注气装置5，水泥环环空12的顶部设置气体检测仪6，气体检测仪6与模拟套管11的外壁抵靠接触；

测试固井胶结面抗窜能力的实验装置还包括控制部7，控制部7与加压装置2、加热装置3、固井质量检测仪4、气体检测仪6和注气装置5电连接。在本实施方式中，控制部7为计算机，控制部7能接收数据、记录数据，并控制加压装置2、加热装置3和注气装置5的工作状态。

本发明的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置100，通过加压装置和加热装置实现页岩开采模拟部内的压力和温度周期性变化，模拟地应力、近井筒附近页岩气压裂过程中套管内压周期性升降和近井筒附近温度的周期性变化，固井质量检测仪检测固井胶结面的完整性情况，气体检测仪检测到的模拟套管外壁顶部溢出的气体压力即固井胶结面的抗窜压力，该实验装置真实有效地模拟研究不同温度压力循环次数条件下固井胶结面的抗窜能力及固井胶结面的胶结质量；本发明的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置100中，模拟套管可以采用不同外壁光滑度的套管，通过更换不同类型的套管可以测试不同套管对固井胶结面抗窜能力的影响；本发明的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置100结构简单，操作方便，成本较低，适于推广使用。

进一步，如图1所示，加压装置2包括第一液压活塞结构21、第二液压活塞结构22和第三液压活塞结构23，第一液压活塞结构21包括第一伸缩活塞杆211和第一活塞212，模拟套管11的顶部设置套管加压接口111，第一活塞212能沿套管加压接口111的内壁密封往复移动，第一活塞212下移时模拟套管11内的压力升高，第一活塞212上移时模拟套管11内的压力降低，在本实施方式中，套管加压接口111通过多级变径套管接头114密封连接于模拟套管11的顶部；多级变径套管接头114可以安装不同尺寸的模拟套管进行测试，在本发明的一具体实施例中，多级变径套管接头114能连接外径为177.8mm、244.48mm、273.05mm的模拟套管；

第二液压活塞结构22包括第二伸缩活塞杆221和第二活塞222，水泥环环空12的顶部设置水泥环加压接口121，第二活塞222能沿水泥环加压接口121的内壁密封往复移动，第二活塞222下移时水泥环环空12内压力升高，第二活塞222上移时水泥环环空12内压力降低；第二液压活塞结构22的作用是模拟水泥浆硬化成水泥石过程中的液柱的压力；

第三液压活塞结构23包括第三伸缩活塞杆231和第三活塞232，围压腔14的顶部设置围压腔加压接口141，第三活塞232能沿围压腔加压接口141的内壁密封往复移动，第三活塞232下移时围压腔14内的压力升高，第三活塞232上移时围压腔14内的压力降低。

如图1所示，在本实施方式中，第一液压活塞结构21上设有第一液压活塞控制器213，第二液压活塞结构22上设有第二液压活塞控制器223，第三液压活塞结构23上设有第三液压活塞控制器233，第一液压活塞控制器213、第二液压活塞控制器223和第三液压活塞控制器233均与控制部7电连接。控制部7通过第一液压活塞控制器213、第二液压活塞控制器223和第三液压活塞控制器233分别控制第一伸缩活塞杆211、第二伸缩活塞杆221和第三伸缩活塞杆231的伸缩，使得第一活塞212、第二活塞222和第三活塞232根据实验要求上下移动。

进一步，如图1所示，测试固井胶结面抗窜能力的实验装置100还包括注液结构和排液结构，注液结构包括导热液注入结构112、水泥注入结构122和围压液注入结构142，围压液注入结构142与围压腔14的顶部通过管线连通，水泥注入结构122与水泥环环空12的上部通过管线连通，水泥注入结构122能向水泥环环空12内注入一定体积的水泥浆构成前述的模拟水泥环120，水泥浆体系可以根据现场水泥浆的体系进行配置。导热液注入结构112与模拟套管11的内腔顶部通过管线连通；排液结构包括导热液导出结构113和围压液导出结构143，围压液导出结构143与围压腔14的下部连通，导热液导出结构113与模拟套管11的内腔下部连通。

实验时，导热液注入结构112向模拟套管内注入导热液，围压液注入结构142向围压腔14注入围压液(液压油)，导热液能将加热装置的热量传递给模拟套管11，使得近井筒处的温度达到实验要求，同时，在第一液压活塞结构21作用下，模拟套管11内的导热液压力相应变化，实现近井筒处的压力变化；围压液填充于围压腔14内，在第三液压活塞结构23作用下，围压腔14内的压力相应变化，实现地层的压力变化；实验结束后，导热液导出结构113将导热液导出模拟套管11，围压液导出结构143将围压液导出围压腔14。

进一步，如图1所示，页岩开采模拟部1包括油缸结构，油缸结构包括油缸外壳10，油缸外壳内部同轴且径向间隔套设第一套管结构和第二套管结构，第二套管结构构成模拟地层13，油缸外壳10与第二套管结构之间构成封闭的围压腔14；第一套管结构和第二套管结构之间构成前述的水泥环环空；第一套管结构构成模拟套管11，第一套管结构的顶部密封连接第一液压活塞结构21，第一套管结构内设置加热装置3，第一套管结构的内腔顶部与导热液注入结构112连通，第一套管结构的内腔下部与导热液导出结构113连通，第一套管结构的中部设置固井质量检测仪4。在本实施方式中，第一套管结构的底部通过接地的油缸支座15进行密封，油缸支座15的顶部设置多个同心螺纹部，各同心螺纹部的尺寸与多级变径套管接头114对应设置，油缸支座15与多级变径套管接头114匹配使用，用以安装不同规格尺寸的第一套管结构。

进一步，如图1所示，第一套管结构上位于加热装置3的上方设置第一压力传感器81和第一温度传感器91，水泥环环空的顶部设置第二压力传感器82和第二温度传感器92，围压腔14的顶部设置第三压力传感器83。第一压力传感器81、第一温度传感器91、第二压力传感器82、第二温度传感器92和第三压力传感器83均与控制部7电连接。第一压力传感器81和第一温度传感器91实时监控模拟套管11内的压力和温度，并将模拟套管11内的压力和温度数值反馈至控制部7，控制部7对该数值进行记录；第二压力传感器82和第二温度传感器92实时监控水泥环环空12的压力和温度，并将水泥环环空12的压力和温度数值反馈至控制部7，控制部7对该数值进行记录；第三压力传感器83实时监控围压腔14的压力，并将围压腔14的压力数值反馈至控制部7，控制部7对该数值进行记录。

进一步，如图1所示，导热液注入结构112包括导热液储罐1121，导热液储罐1121的出口处设置第一储罐控制阀1122，第一储罐控制阀1122的出口与模拟套管11的内腔顶部密封连通设置；导热液导出结构113包括导热液抽吸泵1131，导热液抽吸泵1131的出口处设置第一抽吸泵控制阀1132，第一抽吸泵控制阀1132的出口与模拟套管11的内腔下部密封连通设置；

水泥注入结构122包括水泥储罐1221，水泥储罐1221的出口处设置第二储罐控制阀1222，第二储罐控制阀1222的出口与水泥环环空密封连通设置；

围压液注入结构142包括围压液储罐1421，围压液储罐1421的出口处设置第三储罐控制阀1422，第三储罐控制阀1422的出口与围压腔14的顶部密封连通设置；围压液导出结构143包括围压液抽吸泵1431，围压液抽吸泵1431的出口处设置第三抽吸泵控制阀1432，第三抽吸泵控制阀1432的出口与围压腔14的下部密封连通设置。第一储罐控制阀1122、第二储罐控制阀1222、第三储罐控制阀1422、导热液抽吸泵1131、第一抽吸泵控制阀1132、围压液抽吸泵1431和第三抽吸泵控制阀1432均与控制部7电连接。控制部7控制导热液储罐1121、水泥储罐1221、围压液储罐1421、导热液抽吸泵1131和围压液抽吸泵1431的开闭。

进一步，如图1所示，测试固井胶结面抗窜能力的实验装置100还包括固定设置于固定座上的外部刚性框架101，外部刚性框架101跨设于页岩开采模拟部1的上方，第一伸缩活塞杆211、第二伸缩活塞杆221和第三伸缩活塞杆231的顶端固定连接于外部刚性框架101上。在本实施方式中，外部刚性框架101的两端分别通过固定座102固定于地面上。

进一步，加热装置3包括与模拟套管11同轴设置的加热棒，加热棒与控制部7电连接。

进一步，如图1所示，注气装置5包括储气罐51，储气罐51的出口处连通设置气体压缩机52，气体压缩机52的出口处设置第四压力传感器84，第四压力传感器84的出口与模拟水泥环120的底部密封连通。在本实施方式中，储气罐51内存储氩气，气体压缩机52根据实验要求将氩气注入模拟水泥环120的底部靠近固井胶结面处，氩气通过固井胶结面处的微环隙向上流动溢出，气体检测仪6检测到氩气时，第四压力传感器84检测到的氩气的压力即为固井胶结面的抗窜压力(评价固井胶结面的水力胶结强度的指标参数)，抗窜压力除以模拟水泥环120的高度即为抗窜压力梯度。

本发明还提供一种测试固井胶结面抗窜能力的实验方法，完成前述的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置的组装，向水泥环环空内注入水泥浆，控制部控制加压装置和加热装置模拟地层条件，固井水泥养化构成模拟水泥环，模拟地层、模拟水泥环和模拟套管胶结成一个整体；控制部控制加压装置周期性调整页岩开采模拟部内的压力，控制部控制加热装置周期性调整页岩开采模拟部内的温度，至温度压力循环次数达到目标次数；固井质量检测仪检测固井胶结面的完整性情况，气体检测仪检测注气装置向固井胶结面处泵送的气体压力，控制部记录固井质量检测仪检测的微环隙数据和注气装置的压力数据。

测试固井胶结面抗窜能力的实验方法具体包括以下步骤：

步骤a、按照图1所示结构图，完成测试固井胶结面抗窜能力的实验装置100组装。

步骤b、控制部7(计算机)控制导热液储罐1121向第一套管结构的内腔注入导热液，控制部7(计算机)控制围压液储罐1421向围压腔14内注入围压液，控制部7(计算机)控制水泥储罐1221向水泥环环空12内注入水泥浆，水泥浆体系可以根据现场水泥浆的体系进行配置；控制部7(计算机)控制加热棒加热导热液，直至升温至实验设计温度(在本发明的一具体实施例中，加热棒的温度可以设置为100℃以模拟地层的温度)，控制部7控制第二活塞222、第三活塞232下行，通过第二液压活塞控制器223和第三液压活塞控制器233监测水泥环环空12、围压腔14的压力到达指定压力，在本发明的一具体实施例中，设定第三活塞232下移使围压腔14内的压力到达50MPa，模拟地层条件，固井水泥养化构成模拟水泥环120；设定养护测试模拟水泥环与模拟套管胶结强度的时间，直到模拟地层13、模拟水泥环120和模拟套管11胶结成一个整体。

步骤c、关闭加热棒使导热液的温度下降，同时，控制部7控制第一活塞212下移提高模拟套管11内的压力，模拟套管11内压升高后对水泥环的挤压增强，模拟套管11和水泥环之间的压力增加，至第一液压活塞控制器213监测到的压力值达到指定压力后停止下移(保持第一活塞212稳定)，在本发明的一具体实施例中，设定第一活塞212下移使模拟套管11内的压力升至60MPa，加热棒、模拟套管11和水泥环环空12的温度逐渐下降至室温，记录此时温度压力循环次数为1。

上述的温度和压力调控过程，模拟了压裂过程中套管和水泥环压力升高、温度下降的现象。

开启加热棒使导热液的温度上升，至第一温度传感器91监测到的温度值达到指定温度，同时，控制部7控制第一活塞212缓慢上移降低模拟套管11内的压力，模拟套管11内压降低后对水泥环的挤压减弱，模拟套管11和水泥环之间的压力减小，至第一液压活塞控制器213监测到的压力值达到指定压力后停止上移(保持第一活塞212稳定)，在本发明的一具体实施例中，设定第一活塞212上移使模拟套管11内的压力降至20MPa，记录此时温度压力循环次数为2。

上述的温度和压力调控过程，模拟了压裂液返排过程中套管和水泥环内压力降低、温度升高的现象。

重复前述的压力和温度调整过程(周期性模拟压裂和返排过程)，实现加压装置对页岩开采模拟部内的压力周期性的调整，加热装置对页岩开采模拟部内的温度周期性的调整，直至温度压力循环次数达到目标次数。

步骤d、温度压力循环过程中，固井质量检测仪检测固井胶结面的微环隙，实现固井胶结面完整性情况的监测；开启气体压缩机52缓慢泵送储气罐51内的高压氩气至水泥环环空12，第四压力传感器84监测气体压缩机52出口处的气压，并将来自气体压缩机52的多组压力数据传递至控制部7；气体检测仪6检测到氩气后停止送气，此时气体压缩机52出口处的气压即为固井胶结面的抗窜压力，抗窜压力除以水泥环的高度即为抗窜压力梯度。

步骤e、控制部控制模拟套管11和围压腔14内压力降为大气压(第一活塞212和第三活塞232上移)，关闭加热棒，各温度传感器监测到的页岩开采模拟部1内温度为室温时，控制部7控制开启导热液抽吸泵1131和围压液抽吸泵1431，排出模拟套管11内的导热液和围压腔14内的围压液，完成实验。

实验完成后，控制部7(计算机)输出实验数据报表，实验数据报表中，包括页岩开采模拟部1内压力数据、页岩开采模拟部1内温度数据、固井胶结面微环隙和气体压缩机52出口气压。

在本发明的一具体实施例中，测试固井胶结面抗窜能力的实验方法中的主要技术指标如下：

(1)实验温度：常温-120℃；

(2)套管内压：0-60Mpa；

(3)地层围压：0-60Mpa；

(4)套管尺寸：外径177.8mm、244.48mm、273.05mm；高度200mm；

(5)模拟地层尺寸：内径355mm，外径435mm，长度200mm；

(6)气体压缩机加压范围：0-20Mpa；

(7)各传感器：压力传感器的监测范围为0-70MPa，温度传感器的监测范围为室温-150℃；传感器敏感度为0.27％FS。

由上所述，本发明提供的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置及其实验方法具有如下有益效果：

本发明的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置及其实验方法，通过加压装置和加热装置实现页岩开采模拟部内的压力和温度周期性变化，模拟地应力、近井筒附近页岩气压裂过程中套管内压周期性升降和近井筒附近温度的周期性变化，固井质量检测仪检测固井胶结面的完整性情况，气体检测仪检测到的模拟套管外壁顶部溢出的气体压力即固井胶结面的抗窜压力，该实验装置和实验方法真实有效地模拟研究不同温度压力循环次数条件下固井胶结面的抗窜能力及固井胶结面的胶结质量；本发明的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置中，模拟套管可以采用不同外壁光滑度和不同规格的套管，通过更换不同类型的套管可以测试不同套管对固井胶结面抗窜能力的影响；本发明的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置结构简单，操作方便，成本较低，适于推广使用。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种测试固井胶结面抗窜能力的实验装置，其特征在于，包括呈密封设置的页岩开采模拟部，所述页岩开采模拟部包括自外向内依次同轴套设的模拟地层、水泥环环空和模拟套管，所述模拟地层的外侧设置围压腔，所述水泥环环空内能养化水泥浆构成模拟水泥环，所述模拟水泥环与所述模拟套管之间的接触面构成固井胶结面；所述页岩开采模拟部上密封连接有用于调整所述页岩开采模拟部内部压力的加压装置；所述模拟套管内设有用于调整所述页岩开采模拟部内部温度的加热装置；所述模拟套管的外壁中部设有固井质量检测仪；所述模拟水泥环内位于固井胶结面下部的位置密封连通有注气装置，所述水泥环环空的顶部设置气体检测仪，所述气体检测仪与所述模拟套管的外壁抵靠接触；所述测试固井胶结面抗窜能力的实验装置还包括控制部，所述控制部与所述加压装置、所述加热装置、所述固井质量检测仪、所述气体检测仪和所述注气装置电连接。

2.如权利要求1所述的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置，其特征在于，所述加压装置包括第一液压活塞结构、第二液压活塞结构和第三液压活塞结构，所述第一液压活塞结构包括第一伸缩活塞杆和第一活塞，所述模拟套管的顶部设置套管加压接口，所述第一活塞能沿所述套管加压接口的内壁密封往复移动；所述第二液压活塞结构包括第二伸缩活塞杆和第二活塞，所述水泥环环空的顶部设置水泥环加压接口，所述第二活塞能沿所述水泥环加压接口的内壁密封往复移动；所述第三液压活塞结构包括第三伸缩活塞杆和第三活塞，所述围压腔的顶部设置围压腔加压接口，所述第三活塞能沿所述围压腔加压接口的内壁密封往复移动。

3.如权利要求2所述的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置，其特征在于，所述第一液压活塞结构上设有第一液压活塞控制器，所述第二液压活塞结构上设有第二液压活塞控制器，所述第三液压活塞结构上设有第三液压活塞控制器，所述第一液压活塞控制器、所述第二液压活塞控制器和所述第三液压活塞控制器均与所述控制部电连接。

4.如权利要求2所述的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置，其特征在于，所述测试固井胶结面抗窜能力的实验装置还包括注液结构和排液结构，所述注液结构包括导热液注入结构、水泥注入结构和围压液注入结构，所述围压液注入结构与所述围压腔的顶部连通，所述水泥注入结构与所述水泥环环空的上部连通，所述导热液注入结构与所述模拟套管的内腔顶部连通；所述排液结构包括导热液导出结构和围压液导出结构，所述围压液导出结构与所述围压腔的下部连通，所述导热液导出结构与所述模拟套管的内腔下部连通。

5.如权利要求4所述的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置，其特征在于，所述页岩开采模拟部包括油缸结构，所述油缸结构包括油缸外壳，所述油缸外壳内部同轴且径向间隔套设第一套管结构和第二套管结构，所述第二套管结构构成所述模拟地层，所述油缸外壳与所述第二套管结构之间构成封闭的所述围压腔；

所述第一套管结构和所述第二套管结构之间构成所述水泥环环空；

所述第一套管结构构成所述模拟套管，所述第一套管结构的顶部密封连接所述第一液压活塞结构，所述第一套管结构内设置所述加热装置，所述第一套管结构的内腔顶部与所述导热液注入结构连通，所述第一套管结构的内腔下部与所述导热液导出结构连通，所述第一套管结构的中部设置所述固井质量检测仪。

6.如权利要求5所述的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置，其特征在于，所述第一套管结构上位于所述加热装置的上方设置第一压力传感器和第一温度传感器，所述水泥环环空的顶部设置第二压力传感器和第二温度传感器，所述围压腔的顶部设置第三压力传感器，所述第一压力传感器、所述第一温度传感器、所述第二压力传感器、所述第二温度传感器和所述第三压力传感器均与所述控制部电连接。

7.如权利要求5所述的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置，其特征在于，所述导热液注入结构包括导热液储罐，所述导热液储罐的出口处设置第一储罐控制阀，所述第一储罐控制阀的出口与所述模拟套管的内腔顶部密封连通设置；所述导热液导出结构包括导热液抽吸泵，所述导热液抽吸泵的出口处设置第一抽吸泵控制阀，所述第一抽吸泵控制阀的出口与所述模拟套管的内腔下部密封连通设置；

所述水泥注入结构包括水泥储罐，所述水泥储罐的出口处设置第二储罐控制阀，所述第二储罐控制阀的出口与所述水泥环环空密封连通设置；

所述围压液注入结构包括围压液储罐，所述围压液储罐的出口处设置第三储罐控制阀，所述第三储罐控制阀的出口与所述围压腔的顶部密封连通设置；所述围压液导出结构包括围压液抽吸泵，所述围压液抽吸泵的出口处设置第三抽吸泵控制阀，所述第三抽吸泵控制阀的出口与所述围压腔的下部密封连通设置；

所述第一储罐控制阀、所述第二储罐控制阀、所述第三储罐控制阀、所述导热液抽吸泵、所述第一抽吸泵控制阀、所述围压液抽吸泵和所述第三抽吸泵控制阀均与所述控制部电连接。

8.如权利要求1所述的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置，其特征在于，所述加热装置包括与所述模拟套管同轴设置的加热棒，所述加热棒与所述控制部电连接；

所述注气装置包括储气罐，所述储气罐的出口处连通设置气体压缩机，所述气体压缩机的出口处设置第四压力传感器，所述第四压力传感器的出口与所述模拟水泥环的底部密封连通。

9.一种测试固井胶结面抗窜能力的实验方法，其特征在于，完成如权利要求1至8任一项所述的测试固井胶结面抗窜能力的实验装置的组装，向水泥环环空内注入水泥浆，控制部控制加压装置和加热装置模拟地层条件，固井水泥养化构成模拟水泥环，模拟地层、模拟水泥环和模拟套管胶结成一个整体；控制部控制加压装置周期性调整页岩开采模拟部内的压力，控制部控制加热装置周期性调整页岩开采模拟部内的温度，至温度压力循环次数达到目标次数；固井质量检测仪检测固井胶结面的完整性情况，气体检测仪检测注气装置向固井胶结面处泵送的气体压力，控制部记录固井质量检测仪检测的微环隙数据和注气装置的压力数据。

10.如权利要求9所述的测试固井胶结面抗窜能力的实验方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤a、完成测试固井胶结面抗窜能力的实验装置组装；

步骤b、向模拟套管内注入导热液，向围压腔内注入围压液，向水泥环环空内注入水泥浆，控制部控制加热装置加热导热液，直至升温至实验设计温度，控制部控制加压装置对水泥环环空和围压腔加压至指定压力，固井水泥养化构成模拟水泥环；设定养护测试模拟水泥环与模拟套管胶结强度的时间，直到模拟地层、模拟水泥环和模拟套管胶结成一个整体；

步骤c、关闭加热装置使导热液的温度下降，同时，控制部控制加压装置提高模拟套管内的压力达到指定压力，加热装置、模拟套管和水泥环环空的温度逐渐下降至室温，记录此时温度压力循环次数为1；

开启加热装置使导热液的温度上升至温度值达到指定温度，同时，控制部控制加压装置降低模拟套管内的压力达到指定压力，记录此时温度压力循环次数为2；

重复前述的压力和温度调整过程，对页岩开采模拟部内的压力和温度周期性的调整，直至温度压力循环次数达到目标次数；

步骤d、温度压力循环过程中，固井质量检测仪检测固井胶结面的微环隙；开启注气装置向水泥环环空缓慢泵送氩气，控制部记录压力数据；气体检测仪检测到氩气后停止送气，此时氩气的气压为固井胶结面的抗窜压力；

步骤e、控制部控制模拟套管和围压腔内压力降为0，关闭加热装置，页岩开采模拟部内温度为室温时，控制部控制排出模拟套管内的导热液和围压腔内的围压液，完成实验。