CN110578494B - 一种水泥环初始应力状态监测实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水泥环初始应力状态监测实验装置，主要由井筒模拟机构和温压控制机构组成；井筒模拟机构包括：套管模拟管柱，其内腔形成清水容置腔；地层模拟管柱，同轴地套设在套管模拟管柱外部，二者之间形成固井水泥环空；外边界管，同轴地套设在地层模拟管柱外部，二者之间形成地层环空；温压控制机构包括：气瓶，三个气瓶分别连接清水容置腔、固井水泥环空和地层环空；加热管，设置在外边界管中，用于对井筒模拟机构进行整体加热。本发明提出了一套地层‑水泥环‑套管模拟实验装置，能够较好的还原固井过程中水泥浆注入后凝固过程，监测水泥浆凝固后的初始应力，为探索井下水泥环应力状态的准确计算以及水泥环完整性评价提供数据基础及分析依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种应力监测装置，特别涉及一种水泥环初始应力状态监测实验装置，属于油气井完井工程领域。
背景技术
油井水泥环是油气井全生命周期内支撑套管和地层、封隔井周不同压力层系、防止油、气、水层之间发生窜流的重要屏障，其完整性是保障后续钻进与油气开采顺利进行的必要条件。水泥环应力的确定是评估水泥环完整性的基础，水泥环完整性的丧失可能导致油气上窜、环空带压、套管变形等现象，造成重大的经济损失和严重的安全环保问题。近年来，国内外油气资源开采面临的地层条件愈来愈复杂，因工程、地质和生产动态变化造成的水泥环损坏问题较为突出，如美国的Williston盆地、中东的Missan油田、国内的塔里木盆地和普光气田等均因盐膏层引发了水泥环、套管损坏甚至油井报废的恶性事故。
油井水泥的全生命周期以候凝结束时刻为界线分为前后两个阶段，将候凝结束且套管内液柱压力未发生改变时刻的水泥环内部应力状态定义为水泥环初始应力，并且确定油井水泥环初始应力至关重要。然而对于水泥环初始应力的形成机理缺乏深入的认识，目前尚无高效、精确的水泥环初始应力计算模型和方法。
油井水泥在凝固期间，自身经历了由液态到固态的相变过程，其成分、结构和力学性质发生巨大变化，因此有必要开展室内实验，为理论分析与数值模拟综合研究提供支持。考虑水泥水化过程以及套管-水泥环-地层组合体系的相互作用，揭示不同条件下固井水泥环凝固过程中的初始应力形成机理，为井下水泥环应力状态的准确计算以及水泥环完整性评价奠定基础，指导水泥石力学性能的合理设计以及后续钻井、改造、开采作业参数的合理选择。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种监测水泥浆凝固过程中油井水泥对套管作用力变化的水泥环初始应力状态监测实验装置，进而为水泥浆凝固过程中的水泥环初始应力状态计算提供数据支撑。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种水泥环初始应力状态监测实验装置，该装置主要由井筒模拟机构和温压控制机构组成；所述井筒模拟机构包括：套管模拟管柱，所述套管模拟管柱的内腔形成清水容置腔；地层模拟管柱，同轴地套设在所述套管模拟管柱外部，所述地层模拟管柱与所述套管模拟管柱之间形成固井水泥环空；外边界管，同轴地套设在所述地层模拟管柱外部，所述外边界管与所述地层模拟管柱之间形成地层环空；顶端盖和底座，分别密封连接在所述套管模拟管柱、地层模拟管柱和外边界管的两敞口端；所述温压控制机构包括：气瓶，三个所述气瓶分别通过加压管线连通所述清水容置腔、固井水泥环空和地层环空，每一所述加压管线上均设置有压力控制阀和压力表；加热管，设置在所述外边界管中，用于对所述井筒模拟机构进行整体加热；其中，所述清水容置腔内注入清水并通过所述气瓶和压力控制阀施加压力以模拟钻井液压力，所述固井水泥环空内注入水泥浆并通过所述气瓶和压力控制阀施加压力以模拟水泥浆不同深度处的垂向压力，所述地层环空内注入配置好的地层水并通过所述气瓶和压力控制阀施加压力以模拟地层孔隙压力。
所述的水泥环初始应力状态监测实验装置，优选的，该装置还包括数据采集机构，所述数据采集机构包括：压力传感器，至少两个所述压力传感器分别布置在所述套管模拟管柱的外侧和所述地层模拟管柱的内侧；温度传感器，至少一个所述温度传感器布置在所述地层模拟管柱的内侧；数据处理***，通过数据线分别连接各压力传感器和温度传感器，实时采集相关数据。
所述的水泥环初始应力状态监测实验装置，优选的，所述顶端盖和底座通过沿周向均布的若干固定螺栓可拆卸地密封连接在所述套管模拟管柱、地层模拟管柱和外边界管的两敞口端。
所述的水泥环初始应力状态监测实验装置，优选的，所述地层模拟管柱采用PVC、聚烯烃或软金属，用以模拟不同软硬程度的地层。
所述的水泥环初始应力状态监测实验装置，优选的，在所述地层模拟管柱上布置若干细孔以模拟地层的渗透性，并通过改变细孔的数目或直径来调整地层渗透率的大小。
所述的水泥环初始应力状态监测实验装置，优选的，在所述顶端盖和底座上由内至外依次开设有套管模拟管柱配合槽、地层模拟管柱配合槽和外边界管配合槽，并在每一配合槽内设置密封圈，以使所述清水容置腔、固井水泥环空和地层环空形成压力独立状态，以分别施加所需压力。
所述的水泥环初始应力状态监测实验装置，优选的，所述顶端盖上由内至外依次开设有三个注气孔，三个所述注气孔分别连通所述清水容置腔、固井水泥环空和地层环空，三个所述气瓶通过分别通过加压管线与三个所述注气孔连接。
所述的水泥环初始应力状态监测实验装置，优选的，所述压力传感器为四个，其中两个所述压力传感器分别安装在所述套管模拟管柱的外侧上部和外侧下部，另外两个所述压力传感器分别安装在所述地层模拟管柱的内侧上部和内侧下部。
所述的水泥环初始应力状态监测实验装置，优选的，所述温度传感器为两个，两个所述温度传感器分别安装在所述地层模拟管柱的内侧上部和内侧下部。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提出了一套地层-水泥环-套管模拟实验装置，该装置能够较好的还原固井过程中水泥浆注入后凝固过程，监测水泥浆凝固后的初始应力，为探索井下水泥环应力状态的准确计算以及水泥环完整性评价提供数据基础及分析依据。2、本发明设置的温压控制***能够使水泥浆、地层水、钻井液具有不同的垂向压力以模拟真实工况。3、本发明的地层模拟管柱可以采用不同的材质制成，从而能够模拟不同强度地层情况，有较广的应用范围，并且可以通过配置不同地层水研究化学作用对水泥浆凝固及水泥环初始应力的影响。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明顶端盖的截面示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
如图1所示，本发明提供的水泥环初始应力状态监测实验装置主要由井筒模拟机构和温压控制机构组成。
井筒模拟机构包括：套管模拟管柱1，套管模拟管柱1的内腔形成清水容置腔10；地层模拟管柱2，同轴地套设在套管模拟管柱1外部，地层模拟管柱2与套管模拟管柱1之间形成固井水泥环空20；外边界管3，同轴地套设在地层模拟管柱2外部，外边界管3与地层模拟管柱2之间形成地层环空30；顶端盖4和底座5，分别密封连接在套管模拟管柱1、地层模拟管柱2和外边界管3的两敞口端。
温压控制机构包括：气瓶6，三个气瓶6分别通过加压管线连通清水容置腔10、固井水泥环空20和地层环空30，每一加压管线上均设置有压力控制阀7和压力表8；加热管9，设置在外边界管3中，用于对井筒模拟机构进行整体加热。
其中，清水容置腔10内注入清水并通过气瓶6和压力控制阀7施加压力以模拟钻井液压力，固井水泥环空20内注入水泥浆并通过气瓶6和压力控制阀7施加压力以模拟水泥浆不同深度处的垂向压力，地层环空30内注入配置好的地层水并通过气瓶6和压力控制阀7施加压力以模拟地层孔隙压力。
在上述实施例中，优选的，该水泥环初始应力状态监测实验装置还包括数据采集机构，数据采集机构包括：压力传感器11，至少两个压力传感器11分别布置在套管模拟管柱1的外侧和地层模拟管柱2的内侧；温度传感器12，至少一个温度传感器12布置在地层模拟管柱2的内侧；数据处理***13，通过数据线分别连接各压力传感器11和温度传感器12，实时采集相关数据。
在上述实施例中，优选的，顶端盖4和底座5通过沿周向均布的若干固定螺栓14可拆卸地密封连接在套管模拟管柱1、地层模拟管柱2和外边界管3的两敞口端。
在上述实施例中，优选的，地层模拟管柱2可以采用PVC、聚烯烃、软金属等不同的材质，用以模拟不同软硬程度的地层。
在上述实施例中，优选的，在地层模拟管柱2上布置若干细孔以模拟地层的渗透性，并可以通过改变细孔的数目、直径等分布参数来调整地层渗透率的大小。
在上述实施例中，优选的，在顶端盖4和底座5上由内至外依次开设有套管模拟管柱配合槽15、地层模拟管柱配合槽16和外边界管配合槽17，并在每一配合槽内设置密封圈18，以使清水容置腔10、固井水泥环空20和地层环空30形成压力独立状态，以分别施加所需压力。
在上述实施例中，优选的，顶端盖4上由内至外依次开设有三个注气孔19，三个注气孔19分别连通清水容置腔10、固井水泥环空20和地层环空30，三个气瓶6通过分别通过加压管线与三个注气孔19连接。
在上述实施例中，优选的，压力传感器11为四个，其中两个压力传感器11分别安装在套管模拟管柱1的外侧上部和外侧下部，另外两个压力传感器11分别安装在地层模拟管柱2的内侧上部和内侧下部。
在上述实施例中，优选的，温度传感器12为两个，两个温度传感器12分别安装在地层模拟管柱2的内侧上部和内侧下部。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (6)
1.一种水泥环初始应力状态监测实验装置，其特征在于，该装置主要由井筒模拟机构和温压控制机构组成；
所述井筒模拟机构包括：
套管模拟管柱(1)，所述套管模拟管柱(1)的内腔形成清水容置腔(10)；
地层模拟管柱(2)，同轴地套设在所述套管模拟管柱(1)外部，所述地层模拟管柱(2)与所述套管模拟管柱(1)之间形成固井水泥环空(20)；
外边界管(3)，同轴地套设在所述地层模拟管柱(2)外部，所述外边界管(3)与所述地层模拟管柱(2)之间形成地层环空(30)；
顶端盖(4)和底座(5)，分别密封连接在所述套管模拟管柱(1)、地层模拟管柱(2)和外边界管(3)的两敞口端；
所述温压控制机构包括：
气瓶(6)，三个所述气瓶(6)分别通过加压管线连通所述清水容置腔(10)、固井水泥环空(20)和地层环空(30)，每一所述加压管线上均设置有压力控制阀(7)和压力表(8)；
加热管(9)，设置在所述外边界管(3)中，用于对所述井筒模拟机构进行整体加热；
其中，所述清水容置腔(10)内注入清水并通过所述气瓶(6)和压力控制阀(7)施加压力以模拟钻井液压力，所述固井水泥环空(20)内注入水泥浆并通过所述气瓶(6)和压力控制阀(7)施加压力以模拟水泥浆不同深度处的垂向压力，所述地层环空(30)内注入配置好的地层水并通过所述气瓶(6)和压力控制阀(7)施加压力以模拟地层孔隙压力；
在所述地层模拟管柱(2)上布置若干细孔以模拟地层的渗透性，并通过改变细孔的数目或直径来调整地层渗透率的大小；
所述地层模拟管柱(2)采用PVC、聚烯烃或软金属，用以模拟不同软硬程度的地层；
所述顶端盖(4)上由内至外依次开设有三个注气孔(19)，三个所述注气孔(19)分别连通所述清水容置腔(10)、固井水泥环空(20)和地层环空(30)，三个所述气瓶(6)通过分别通过加压管线与三个所述注气孔(19)连接。
2.根据权利要求1所述的水泥环初始应力状态监测实验装置，其特征在于，该装置还包括数据采集机构，所述数据采集机构包括：
压力传感器(11)，至少两个所述压力传感器(11)分别布置在所述套管模拟管柱(1)的外侧和所述地层模拟管柱(2)的内侧；
温度传感器(12)，至少一个所述温度传感器(12)布置在所述地层模拟管柱(2)的内侧；
数据处理***(13)，通过数据线分别连接各压力传感器(11)和温度传感器(12)，实时采集相关数据。
3.根据权利要求1所述的水泥环初始应力状态监测实验装置，其特征在于，所述顶端盖(4)和底座(5)通过沿周向均布的若干固定螺栓(14)可拆卸地密封连接在所述套管模拟管柱(1)、地层模拟管柱(2)和外边界管(3)的两敞口端。
4.根据权利要求1所述的水泥环初始应力状态监测实验装置，其特征在于，在所述顶端盖(4)和底座(5)上由内至外依次开设有套管模拟管柱配合槽(15)、地层模拟管柱配合槽(16)和外边界管配合槽(17)，并在每一配合槽内设置密封圈(18)，以使所述清水容置腔(10)、固井水泥环空(20)和地层环空(30)形成压力独立状态，以分别施加所需压力。
5.根据权利要求2所述的水泥环初始应力状态监测实验装置，其特征在于，所述压力传感器(11)为四个，其中两个所述压力传感器(11)分别安装在所述套管模拟管柱(1)的外侧上部和外侧下部，另外两个所述压力传感器(11)分别安装在所述地层模拟管柱(2)的内侧上部和内侧下部。
6.根据权利要求2所述的水泥环初始应力状态监测实验装置，其特征在于，所述温度传感器(12)为两个，两个所述温度传感器(12)分别安装在所述地层模拟管柱(2)的内侧上部和内侧下部。
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Non-Patent Citations (1)
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