CN111307690B - 一种油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置及其方法,该装置承压筒、顶盖、底座构成。在该装置内设置有内压套管、水泥环、外压筒。在该装置上设置有加热套筒、温度传感器、氮气入口接口、渗透率检测模块接头、内压接头、当量裂缝宽度检测模块接头、环空压力传导系数检测模块接头、环压入口接头、流量监测计接头、环压出口接头、环压控制***、环空压力传导系数检测模块、当量裂缝宽度检测模块、内压控制***、氮气瓶、渗透率检测模块、温度控制***、流量监测计、阀门、计算机控制***。本申请解决了水泥环载荷物理等效的问题和水泥环封隔性能量化监测的问题。
Description
技术领域
本发明涉及石油与天然气井筒完整性测试技术领域，尤其涉及一种油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置及其方法。
背景技术
关于油气井筒环空水泥环的封隔性能测试或评价，近年来国内外有不少相关技术，有的称密封特性模拟评价、有的称水泥环完整性评价、有的称水泥环机械密封特性评价、有的称水泥环封隔能力测试等等，目标都是评价井筒环空水泥环的性能，水泥环环空封隔性能实验评价技术发展很快。由于实际井筒套管尺寸众多、层次多样，水泥环材质繁多，受温度压力影响大，地层岩性多样、地应力复杂，还有井眼轨迹、井眼形状不规则性，加上井筒作业工况的多样性、复杂性等多种复杂的影响因素，要真实模拟实际水泥环在服役工况下的受载过程，测试其环空封隔性能的变化，是一项不小的挑战，解决之路是一个不断发展递进之路。目前测试水泥环封隔性能的装置或***主要分为两类：全尺寸装置、非全尺寸装置，下面分别就这两类装置目前存在的问题展开说明。
全尺寸水泥环封隔性能测试装置存在的问题：1)套管、水泥环组合体大、笨重，实验操作不方便，必须有机械吊装，对安装场地要求也很高；2)管子压力密封面积大，密封难度大，加工成本高；3)对不同井身结构、多种尺寸的套管，要分别加工与之相同尺寸的套管，不能实现一对多的模拟，大长度、大体量水泥胶结的管子也很难重复使用，实验成本高；4)实验套管之间水泥环要加井下的围压对泵的要求非常高，很难模拟水泥环受高围压的环境；5)前期制样配浆量大，样品制作麻烦，在两个长套管之间充填水泥，若排泡不净、捣实不均，水泥环易产生初始缺陷；后期欲取实验后水泥环样做进一步的实验，会涉及套管切割，取样难度大，成本高。虽然全尺寸装置的具有易再现实际井筒水泥环承载破坏物理过程的优势，但根据上述缺点，全尺寸装置只能作为特殊测试工具，不能作为日常实验室使用的测试装置，很难普及推广。
要做到普及推广、日常使用、接近现场，还是得缩小尺寸，向非全尺寸方向发展。目前的非全尺寸水泥环封隔性能测试装置存在的核心问题就是：如何将实际水泥环在井下受载破坏的物理过程一致等效至实验小尺寸水泥环上。有学者提出了几何相似，但几何相似不是物理等效的充要条件，不能保证物理等效；有学者提出了以水泥环等效应力相等来实现物理等效，等效应力是由三个主应力合成的，不能决定主应力空间的形状，举个简单的例子，受拉伸破坏与受压缩破坏的破坏物理过程不一致，但其破坏时的等效应力可以相等，等效应力相等物理过程可不相同，等效应力相等也不是物理等效的充要条件。只有解决上述这一核心问题才能推动非全尺寸装置的进一步发展。
目前的技术中，不论是全尺寸还是非全尺寸的装置都存在一个相同的问题：水泥环封隔性能量化表征参数缺乏，目前大多数装置通过测试流量或声波数据来检测水泥环破坏的压力点或时间点，用这些参数来表征水泥环封隔性缺乏深度和内涵，不够全面，达不到表征性能的要求。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种油气井水泥环服役工况全过程模拟及其封隔性能量化监测的测试***与实验方法，是一种非全尺寸的水泥环封隔性能测试***，以解决水泥环井下受载物理等效问题，封隔性能量化监测问题。
一种油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置,包括：顶盖、底座、内压套管、水泥环、外压筒、承压筒、加热套筒、温度传感器、氮气入口接口、渗透率检测模块上接头、内压入口接头、当量裂缝宽度检测模块上接头、环空压力传导系数检测模块上接头、环压入口接头，流量监测计接头、渗透率检测模块下接头、内压出口接头、当量裂缝宽度检测模块下接头、环空压力传导系数检测模块下接头、环压出口接头、环压控制***、环空压力传导系数检测模块、当量裂缝宽度检测模块、内压控制***、氮气瓶、渗透率检测模块、温度控制***、流量监测计、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第一三通阀门、第二三通阀门、计算机控制***；
所述顶盖通过上螺纹与承压筒密封连接，所述底座通过下螺纹与承压筒密封连接；
所述内压套管、水泥环与外压筒组成模拟井筒组合体；
所述加热套筒包裹在承压筒外壁处；所述温度控制***设置有三个连接端口，分别连接所述加热套筒、温度传感器、计算机控制***；
所述环压控制***设置有两个连接端口，一端通过第二阀门连接在环压入口接头上，另一端连接在计算机控制***上；
所述内压控制***设置有两个连接端口，一端通过第一阀门连接在内压入口接头上，另一端连接在计算机控制***上；
所述渗透率检测模块设置有三个连接端口，分别连接所述渗透率检测模块上接头、渗透率检测模块下接头、计算机控制***；所述渗透率检测模块是通过气窜流量法、压力降落法、脉冲法三种测试方法来测定水泥环渗透率大小；
所述当量裂缝宽度检测模块设置有三个连接端口，分别连接所述当量裂缝宽度检测模块上接头、当量裂缝宽度检测模块下接头、计算机控制***；
所述环空压力传导系数检测模块设置有三个连接端口，分别连接所述环空压力传导系数检测模块上接头、环空压力传导系数检测模块下接头、计算机控制***；
所述氮气瓶外部管线通过第三阀门连接在氮气入口接头上；
所述流量监测计设置有三个连接端口，分别连接所述流量监测计接头、计算机控制***，另外一端依次连接所述第一三通阀门、第二三通阀门后通向大气环境；
所述内压出口接头连接的金属管线经第四阀门、第一三通阀门、第二三通阀门通向大气环境；
所述环压出口接头连接的金属管线经第五阀门、第二三通阀门通向大气环境。
进一步地，如上所述的油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置，所述模拟井筒组合体包括：测试高温高压下水泥环本体封隔能力的组合体、测试非均匀地应力下水泥环封隔能力的组合体、测试套管回接下水泥环封隔能力的组合体、测试地层围岩下水泥环一二界面封隔能力的组合体4种。
进一步地，如上所述的油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置，所述测试高温高压下水泥环本体封隔能力的组合体为：内压套管外加圆形水泥环，所述外压筒为耐高温橡胶筒。
进一步地，如上所述的油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置，其特征在于，所述测试非均匀地应力下水泥环封隔能力的组合体为：内压套管外加椭圆形水泥环，通过改变椭圆的长短轴比值模拟非均匀载荷，所述外压筒为耐高温橡胶筒。
进一步地，如上所述的油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置，其特征在于，所述测试套管回接下水泥环封隔能力的组合体包括：内压套管外加圆形水泥环，圆形水泥环外加外套管，所述外压筒由外套管+耐高温橡胶筒组成。
进一步地，如上所述的油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置，其特征在于，所述测试地层围岩下水泥环一二界面封隔能力测试的组合体为：内压套管外加圆形水泥环，圆形水泥环外加模拟围岩，所述模拟围岩由多段围岩环组成，并在每段围岩环面上涂有不渗透涂层，防止气体侵入模拟围岩内部的，所述外压筒由所述模拟围岩+耐高温橡胶筒组成。
一种油气井筒环空水泥环的封隔性能测试方法,包括以下步骤：
1)实验前，需要将实际水泥环通过几何相似、应力相等、工序相同三个过程等效在实验水泥环上，计算出每一工况下要实验水泥环与实际水泥环载荷相等内压套管内部与外压筒外部应加的压力值，形成一个内外实验压力值表后，开始进行实验，按实验要求和AP I标准配制相应水泥浆，注入水泥环养护模具中，将模具置于高温高压养护釜中养护一定期龄，取出“套管-水泥环”或“套管-水泥环-外压筒”组合体；
2)将底座与承压筒通过下部螺纹紧密连接，将养护出的组合体套上橡胶套筒，然后置于承压筒中，拧紧顶盖；
3)将温度控制***分别连接在加热套筒、温度传感器、计算机控制***上；将环压控制***一端通过阀门连接在环压入口接头上，另一端连接在计算机控制***上；将内压控制***一端通过阀门连接在内压入口接头上，另一端连接在计算机控制***上；将渗透率检测模块分别连接在渗透率检测模块上接头、渗透率检测模块下接头、计算机控制***上；将当量裂缝宽度检测模块分别连接在当量裂缝宽度检测模块上接头、当量裂缝宽度检测模块下接头、计算机控制***上；将环空压力传导系数检测模块分别连接在环空压力传导系数检测模块上接头、环空压力传导系数检测模块下接头、计算机控制***上；将氮气瓶外部管线通过阀门连接在氮气入口接头上；将流量监测计分别连接在流量监测计接头、计算机控制***上，另外一端连接第一三通阀门、第二三通阀门通向大气环境；将内压出口接头连接的金属管线经阀门、第一三通阀门、第二三通阀门通向大气环境；将环压出口接头连接的金属管线经阀门、三通阀门通向大气环境；
4)关闭第三阀门、第四阀门、第五阀门，打开第一阀门、第二阀门，用内压控制***从内压入口接头向套管内腔注满液体介质，用环压控制***从环压入口接头向承压筒与橡胶套筒之间的环形空间注满水，启动温度控制***，设置好升温时间,利用环形加热器对承压筒进行加热，随温度的增加，内压与环压均会增加，升温结束后，控制温度在目标温度，启动内压控制***与环压控制***，设置好目标压力，利用内压泵与环压泵向套管内腔、环形空间进行均匀连续打压，直到升至目标压力；
打开第三阀门，打开氮气瓶，启动流量监测计、渗透率检测模块、当量裂缝宽度检测模块、环空压力传导系数检测模块开始进行检测，模拟不同工况下套管内部、水泥环外部的压力升降，启动内压控制***及环压控制***，按照工序相同步骤进行升降压，三个模块检测出的渗透率大小、当量裂缝宽度、环空压力传导系数，实时监测水泥环封隔性能变化情况；
5)实验结束后，计算机控制***保存好实验数据，关闭氮气瓶以及第三阀门，关闭温度控制***，等到装置降温以后，使用内压泵与环压泵卸掉套管内腔和环形空间的压力，关闭内压控制***与环压控制***以及第一阀门、第二阀门，关闭渗透率检测模块、当量裂缝宽度检测模块、环空压力传导系数检测模块，打开第四阀门、第五阀门，将套管内腔和环形空间的水排放出去，拆除各个控制***与检测模块的所有管线，卸下顶盖与底座，取出水泥环组合体。可对水泥环组合体结构进行进一步的微细观检测实验，观察水泥环材料细微观失效机理。
有益效果：
(1)本申请以水泥环为研究目标，还原水泥环在实际井筒作业下的承载过程和受力状态，监测其机械破坏的发展过程，将实际水泥环载荷通过几何相似、应力相等、工序相同三个方法等效至实验水泥环上，解决了水泥环载荷物理等效的问题。
(2)水泥环封隔性能通过水泥环渗透率、当量裂缝宽度、压力传导系数三个参数表征，解决了水泥环封隔性能量化监测的问题。
附图说明
图1为本发明油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置结构示意图；
图2为脉冲法测水泥环渗透率大小示意图；
图3(a)为测试高温高压下水泥环本体封隔能力的组合体示意图；
图3(b)为图3(a)的截面图；
图4(a)为测试非均匀地应力下水泥环封隔能力的组合体示意图
图4(b)为图4(a)的截面图；
图5(a)为测试套管回接下水泥环封隔能力的组合体示意图
图5(b)为图5(a)的截面图；
图6(a)为测试地层围岩下水泥环一二界面封隔能力的组合体示意图；
图6(b)为图6(a)的截面图；
附图标记：
1-顶盖、2-底座、3-内压套管、4-水泥环、5-外压筒、6-承压筒、7-加热套筒、8-温度传感器、9-氮气入口接口、10-渗透率检测模块上接头、11-内压入口接头、12-当量裂缝宽度检测模块上接头、13-环空压力传导系数检测模块上接头、14-环压入口接头，15-流量监测计接头、16-渗透率检测模块下接头、17-内压出口接头、18-当量裂缝宽度检测模块下接头、19-环空压力传导系数检测模块下接头、20-环压出口接头、21-环压控制***、22-环空压力传导系数检测模块、23-当量裂缝宽度检测模块、24-内压控制***、25-第一阀门、26-第二阀门、27-氮气瓶、28-第三阀门、29-渗透率检测模块、30-温度控制***、31-流量监测计、32-第四阀门、33-第一三通阀门、34-第二三通阀门、35-第五阀门、36-计算机控制***，51-外套管，52-模拟围岩。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明所采用的技术方案是：
1)关键方法
实验以水泥环为研究目标，还原水泥环在实际井筒作业下的承载过程和受力状态，监测其机械破坏的发展过程。将实际水泥环载荷通过几何相似、应力相等、工序相同三个方法等效至实验水泥环上，解决水泥环物理等效的问题。
所述几何相似为：
所述应力相等是通过将实际水泥环在井下的径向、周向、轴向应力状态转换在实验水泥环上，即：
σr实际＝σr实验，σθ实际＝σθ实验，σz实际＝σz实验
所述工序相同是指实验井筒模拟工况与实际井筒作业工序井相同，例如：模拟套管试压、降压、压裂、试采等工序的压力升降，实验井筒也采用同样工序压力升降。
水泥环封隔性能通过水泥环渗透率、当量裂缝宽度、压力传导系数三个参数表征。水泥环渗透率大小表征环空封隔性能好坏，当量裂缝宽度大小表征环空封隔性能损坏严重程度，环空压力传导系数大小表征环空气窜严重程度。通过测量监测上述三个参数解决水泥环封隔性能量化监测的问题。
所述水泥环渗透率大小是通过气窜流量法、压力降落法、脉冲法三种测试方法来测定。
所述气窜流量法为
测试水泥环封隔性能时，在水泥环一端接入氮气瓶，另一端接入气体流量计，根据达西定律：
其中：A为水泥环端面横截面积，L为水泥环长度，μ为通过水泥环的气体粘度，Q0为通过水泥环的气体流量，p0为大气压力，
为水泥环上端面的气压，
为水泥环下面端面的气压，K为水泥环的渗透率。当流量计测定的流量稳定时，通过压力传感器测量水泥环上下端面的压力，计算出水泥环的渗透率大小。
所述压力降落法为
测试水泥环封隔性能时，在水泥环上端面接入一个校准好体积的气罐、一个测量表压的精确压力传感器、入口阀和入口管线，下端面接一个通向大气的出口管线，该出口装有阀门以便在启动后可以关闭。打开入口阀产生压力瞬变，当水泥环上端面管线压力衰减到充满压力的一定比值时，整个水泥环长度上将建立连续平滑的压力变化，开始采集数据，读出并记录选择间隔的压力和对应的时间，由轴向流压力下降数据计算水泥环的渗透率大小。
所述脉冲法为(如图2所示)
测试水泥环封隔性能时，在水泥环上端面接入一个体积为V1的上流气体箱和阀门1，在水泥环下端面接入一个体积为V2的下流气体箱，在两个气体箱之间接入一个压差传感器以测量两个气体箱之间的压差，在下流气体箱上接入一个压力传感器P2，在两个气体箱之间连接一条接有阀门2的压力管线，在压力管线上连接一个气源和阀门3。打开阀门1、阀门2，阀门3，使用气源对两个气体箱和水泥环注入气体，充气时间必须充足以使气体充分扩散进入水泥环内部，气压达到一定值后，关闭阀门3，压力平衡后，该稳定压力为P2i，关闭阀门1和阀门2，打开阀门3，上流气体箱中的压力以ΔP1(为P2i的2％～3％)递增。等V1中的压力稳定后，关闭阀门3，打开阀门2，开始测量瞬时压力，由轴向流压力衰减数据计算水泥环的渗透率大小。
所述水泥环当量裂缝宽度大小为
当水泥环在测试过程中发生封隔失效时，通过渗透率检测模块计算出水泥环的渗透率，代入公式：
其中K为水泥环发生失效时的当量渗透率，W为当量裂缝宽度。由计算出的当量裂缝宽度大小来表征环空封隔性能损坏严重程度。
所述环空压力传导系数大小为
测试水泥环封隔性能时，在水泥环一端接入氮气瓶，另一端接入一个流量计和计时器，在水泥环上下端面之间接入一个压差传感器以测量上下端面的压差ΔP，根据公式：
其中ΔP为水泥环上下端面压力差，t为气体传导时间，L为水泥环长度，β为公式系数，α为压力传导系数。当水泥环发生破坏，流量计测定的流量稳定时，通过压差传感器测量水泥环两端面的压力差ΔP，计时器记录的时间t，代入公式计算出环空压力传导系数α，由此表征环空气窜严重程度。
***构架
本发明提供了一种油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置，如图1，主要由顶盖1、底座2、内压套管3、水泥环4、外压筒5、承压筒6、加热套筒7、温度传感器8、氮气入口接口9、渗透率检测模块上接头10、内压入口接头11、当量裂缝宽度检测模块上接头12、环空压力传导系数检测模块上接头13、环压入口接头14，流量监测计接头15、渗透率检测模块下接头16、内压出口接头17、当量裂缝宽度检测模块下接头18、环空压力传导系数检测模块下接头19、环压出口接头20、环压控制***21、环空压力传导系数检测模块22、当量裂缝宽度检测模块23、内压控制***24、氮气瓶27、渗透率检测模块29、温度控制***30、流量监测计31、第一阀门25、第二阀门26、第三阀门28、第四阀门32、第五阀门35、-第一三通阀门33、第二三通阀门34、计算机控制***36等组成。
所述顶盖1通过上螺纹与承压筒6紧密连接，拆卸与安装方便。
所述底座2通过下螺纹与承压筒6紧密连接，拆卸与安装方便。
内压套管3、水泥环4与外压筒5组成模拟井筒组合体，有4钟组合体：测试高温高压下水泥环本体封隔能力的组合体、测试非均匀地应力下水泥环封隔能力的组合体、测试套管回接下水泥环封隔能力的组合体、测试地层围岩下水泥环一二界面封隔能力的组合体4种。
所述测试高温高压下水泥环本体封隔能力的组合体如图3(a)、图3(b)所示：内压套管3外加圆形水泥环4，外压筒5为耐高温橡胶筒。
所述测试非均匀地应力下水泥环封隔能力的组合体如图4(a)、图4(b)所示：内压套管3外加椭圆形水泥环4，外压筒5为耐高温橡胶筒。
所述测试套管回接下水泥环封隔能力的组合体如图5(a)、图5(b)所示：内压套管3外加圆形水泥环4，圆形水泥环外加外套管51，外压筒5为外套管+耐高温橡胶筒。
所述测试地层围岩下水泥环一二界面封隔能力的组合体如图6(a)、图6(b)所示：内压套管3外加圆形水泥环4，圆形水泥环外加模拟围岩52，模拟围岩52由多段围岩环组成，并在每段围岩环上涂有不渗透涂层，防止气体侵入模拟围岩内部，外压筒5为模拟围岩+耐高温橡胶筒。
所述承压筒6为钢材套筒，所述加热套筒7包裹在承压筒6外壁处，主要由环形加热器和保温棉两部分组成。
所述温度控制***30有三个主要连接端口，分别连接有加热套筒7、温度传感器8、计算机控制***36。
所述环压控制***21有两个主要连接端口，一端通过第二阀门26连接在环压入口接头14上，另一端连接在计算机控制***36上。
所述内压控制***24有两个主要连接端口，一端通过第一阀门25连接在内压入口接头11上，另一端连接在计算机控制***36上。
所述渗透率检测模块29有三个主要连接端口，分别连接有渗透率检测模块上接头10、渗透率检测模块下接头16、计算机控制***36。渗透率检测模块是通过气窜流量法、压力降落法、脉冲法三种测试方法来测定水泥环渗透率大小。
所述当量裂缝宽度检测模块23有三个主要连接端口，分别连接有当量裂缝宽度检测模块上接头12、当量裂缝宽度检测模块下接头18、计算机控制***36。所述环空压力传导系数检测模块22有三个主要连接端口，分别连接有环空压力传导系数检测模块上接头13、环空压力传导系数检测模块下接头19、计算机控制***36。
所述氮气瓶27外部管线通过第三阀门28连接在氮气入口接头9上。
所述流量监测计31有三个主要连接端口，分别连接有流量监测计接头15、计算机控制***36，另外一端连接第一三通阀门33、第二三通阀门34后通向大气环境。
所述内压出口接头17连接的金属管线经第四阀门32、第一三通阀门33、第二三通阀门34通向大气环境。
所述环压出口接头20连接的金属管线经第五阀门35、第二三通阀门34后通向大气环境。
本发明的另一个方面还提供了一种基于上述测试装置的测试方法，依次包括以下步骤：
步骤1：实验前，需要将实际水泥环通过几何相似、应力相等、工序相同三个过程等效在实验水泥环上，计算出每一工况下要实验水泥环与实际水泥环载荷相等内压套管3内部与外压筒5外部应加的压力值，形成一个内外实验压力值表后，开始进行实验，按实验要求和API标准配制相应水泥浆，注入水泥环养护模具中，将模具置于高温高压养护釜中养护一定期龄，取出“套管-水泥环”或“套管-水泥环-外压筒”组合体。
步骤2：将底座2与承压筒6通过下部螺纹紧密连接，将养护出的组合体套上橡胶套筒，然后置于承压筒中，拧紧顶盖1。
步骤3：将温度控制***30分别连接在加热套筒7、温度传感器8、计算机控制***36上；将环压控制***21一端通过第二阀门26连接在环压入口接头14上，另一端连接在计算机控制***36上；将内压控制***24一端通过第一阀门25连接在内压入口接头11上，另一端连接在计算机控制***36上；将渗透率检测模块29分别连接在渗透率检测模块上接头10、渗透率检测模块下接头16、计算机控制***36上；将当量裂缝宽度检测模块23分别连接在当量裂缝宽度检测模块上接头12、当量裂缝宽度检测模块下接头18、计算机控制***36上；将环空压力传导系数检测模块22分别连接在环空压力传导系数检测模块上接头13、环空压力传导系数检测模块下接头19、计算机控制***36上；将氮气瓶27外部管线通过第三阀门28连接在氮气入口接头9上；将流量监测计31分别连接在流量监测计接头15、计算机控制***36上，另外一端连接第一三通阀门33、第二三通阀门34后通向大气环境；将内压出口接头17连接的金属管线经第四阀门32、第一三通阀门33、第二三通阀门34通向大气环境；将环压出口接头20连接的金属管线经第五阀门35、第二三通阀门34通向大气环境。
步骤4：关闭第三阀门28、第四阀门32、第五阀门35，打开第一阀门25、第二阀门26，用内压控制***24从内压入口接头11向套管内腔注满水，用环压控制***21从环压入口接头14向承压筒与橡胶套筒之间的环形空间注满水，启动温度控制***30，设置好升温时间，利用环形加热器对承压筒进行加热，随温度的增加，内压与环压均会增加，升温结束后，控制温度在目标温度，启动内压控制***24与环压控制***21，设置好目标压力，利用内压泵与环压泵向套管内腔、环形空间进行均匀连续打压，直到升至目标压力。打开第三阀门28，打开氮气瓶27，启动流量监测计31、渗透率检测模块29、当量裂缝宽度检测模块23、环空压力传导系数检测模块22开始进行检测，模拟不同工况下套管内部、水泥环外部的压力升降，启动内压控制***24及环压控制***21，按照工序相同步骤进行升降压，三个模块检测出的渗透率大小、当量裂缝宽度、环空压力传导系数，实时监测水泥环封隔性能变化情况。
步骤5：实验结束后，计算机控制***36保存好实验数据，关闭氮气瓶27以及第三阀门28，关闭温度控制***30，等到装置降温以后，使用内压泵与环压泵卸掉套管内腔和环形空间的压力，关闭内压控制***24与环压控制***21以及第一阀门25、第二阀门26，关闭渗透率检测模块29、当量裂缝宽度检测模块23、环空压力传导系数检测模块22，打开第四阀门32、第五阀门35，将套管内腔和环形空间的水排放出去，拆除各个控制***与检测模块的所有管线，卸下顶盖1与底座2，取出水泥环组合体，可对水泥环组合体结构进行进一步的微细观检测实验，观察水泥环材料细微观失效机理。
实施例一
测试压裂工况下的高温高压水泥环本体封隔能力的实施过程如下：
1、实验前，需要将实际井筒中的水泥环载荷通过几何相似、应力相等、工序相同三个过程等效至实验水泥环上，计算出实验水泥环上的尺寸、应力和模拟压裂工况载荷，然后开始进行实验，按实验要求和API标准配制相应水泥浆，注入水泥环养护模具中，将模具置于高温高压养护釜中养护一定龄期，取出“内压套管-圆形水泥环”组合体。
2、将底座2与承压筒6通过下部螺纹紧密连接，将养护出的组合体套上橡胶套筒，然后置于承压筒中，拧紧顶盖1。
3、将温度控制***30分别连接在加热套筒7、温度传感器8、计算机控制***36上；将环压控制***21一端通过第二阀门26连接在环压入口接头14上，另一端连接在计算机控制***36上；将内压控制***24一端通过第一阀门25连接在内压入口接头11上，另一端连接在计算机控制***36上；将渗透率检测模块29分别连接在渗透率检测模块上接头10、渗透率检测模块下接头16、计算机控制***36上；将当量裂缝宽度检测模块23分别连接在当量裂缝宽度检测模块上接头12、当量裂缝宽度检测模块下接头18、计算机控制***36上；将环空压力传导系数检测模块22分别连接在环空压力传导系数检测模块上接头13、环空压力传导系数检测模块下接头19、计算机控制***36上；将氮气瓶27外部管线通过第三阀门28连接在氮气入口接头9上；将流量监测计31分别连接在流量监测计接头15、计算机控制***36上，另外一端连接第一三通阀门33、第二三通阀门34通向大气环境；将内压出口接头17连接的金属管线经第四阀门32、第一三通阀门33、第二三通阀门34通向大气环境；将环压出口接头20连接的金属管线经第五阀门35、第二三通阀门34通向大气环境。
4、关闭第三阀门28、第四阀门32、第五阀门35，打开第一阀门25、第二阀门26，用内压控制***24从内压入口接头11向套管内腔注满水，用环压控制***21从环压入口接头14向承压筒与橡胶套筒之间的环形空间注满水，启动温度控制***30，设置好升温时间，利用环形加热器对承压筒进行加热，随温度的增加，内压与环压均会增加，升温结束后，控制温度在目标温度，启动内压控制***24与环压控制***21，设置好目标压力，利用内压泵与环压泵向套管内腔、环形空间进行均匀连续打压，直到升至目标压力。打开第三阀门28，打开氮气瓶27，启动流量监测计31、渗透率检测模块29、当量裂缝宽度检测模块23、环空压力传导系数检测模块22开始进行检测，模拟压裂过程套管内压的升降，启动内压控制***24，按照工序相同步骤进行升降压，三个模块检测出的渗透率大小、当量裂缝宽度、环空压力传导系数，实时监测水泥环封隔性能变化情况。
5、实验结束，计算机控制***36保存好实验数据后，关闭氮气瓶27以及第三阀门28，关闭温度控制***30，等到装置降温以后，使用内压泵与环压泵卸掉套管内腔和环形空间的压力，关闭内压控制***24与环压控制***21以及第一阀门25、第二阀门26，关闭渗透率检测模块29、当量裂缝宽度检测模块23、环空压力传导系数检测模块22，打开第四阀门32、第五阀门35，将套管内腔和环形空间的水排放出去，拆除各个控制***与检测模块的所有管线，卸下顶盖1与底座2，取出水泥环组合体。可对水泥环组合体结构进行进一步的微细观检测实验，观察水泥环材料细微观失效机理。
实施例二
测试压裂工况和非均匀地应力下的水泥环封隔能力的实施过程如下：
1、实验前，需要将实际井筒中的水泥环载荷通过几何相似、应力相等、工序相同三个过程等效至实验水泥环上，计算出实验水泥环上的尺寸、应力和模拟压裂工况载荷，然后开始进行实验，按实验要求和API标准配制相应水泥浆，注入水泥环养护模具中，将模具置于高温高压养护釜中养护一定龄期，取出“内压套管-椭圆形水泥环”组合体，该组合体目的在于模拟非均匀地应力下的水泥环应力环境。
2、将底座2与承压筒6通过下部螺纹紧密连接，将养护出的组合体套上橡胶套筒，然后置于承压筒中，拧紧顶盖1。
3、将温度控制***30分别连接在加热套筒7、温度传感器8、计算机控制***36上；将环压控制***21一端通过第二阀门26连接在环压入口接头14上，另一端连接在计算机控制***36上；将内压控制***24一端通过第一阀门25连接在内压入口接头11上，另一端连接在计算机控制***36上；将渗透率检测模块29分别连接在渗透率检测模块上接头10、渗透率检测模块下接头16、计算机控制***36上；将当量裂缝宽度检测模块23分别连接在当量裂缝宽度检测模块上接头12、当量裂缝宽度检测模块下接头18、计算机控制***36上；将环空压力传导系数检测模块22分别连接在环空压力传导系数检测模块上接头13、环空压力传导系数检测模块下接头19、计算机控制***36上；将氮气瓶27外部管线通过第三阀门28连接在氮气入口接头9上；将流量监测计31分别连接在流量监测计接头15、计算机控制***36上，另外一端连接第一三通阀门33、第二三通阀门34通向大气环境；将内压出口接头17连接的金属管线经第四阀门32、第一三通阀门33、第二三通阀门34通向大气环境；将环压出口接头20连接的金属管线经第五阀门35、第二三通阀门34通向大气环境。
4、关闭第三阀门28、第四阀门32、第五阀门35，打开第一阀门25、第二阀门26，用内压控制***24从内压入口接头11向套管内腔注满水，用环压控制***21从环压入口接头14向承压筒与橡胶套筒之间的环形空间注满水，启动温度控制***30，设置好升温时间，利用环形加热器对承压筒进行加热，随温度的增加，内压与环压均会增加，升温结束后，控制温度在目标温度，启动内压控制***24与环压控制***21，设置好目标压力，利用内压泵与环压泵向套管内腔、环形空间进行均匀连续打压，直到升至目标压力。打开第三阀门28，打开氮气瓶27，启动流量监测计31、渗透率检测模块29、当量裂缝宽度检测模块23、环空压力传导系数检测模块22开始进行检测，模拟压裂过程套管内压的升降，启动内压控制***24，按照工序相同步骤进行升降压，三个模块检测出的渗透率大小、当量裂缝宽度、环空压力传导系数，实时监测水泥环封隔性能变化情况。
5、实验结束，计算机控制***36保存好实验数据后，关闭氮气瓶27以及第三阀门28，关闭温度控制***30，等到装置降温以后，使用内压泵与环压泵卸掉套管内腔和环形空间的压力，关闭内压控制***24与环压控制***21以及第一阀门25、第二阀门26，关闭渗透率检测模块29、当量裂缝宽度检测模块23、环空压力传导系数检测模块22，打开第四阀门32、第五阀门35，将套管内腔和环形空间的水排放出去，拆除各个控制***与检测模块的所有管线，卸下顶盖1与底座2，取出水泥环组合体，取出水泥环组合体。可对水泥环组合体结构进行进一步的微细观检测实验，观察水泥环材料细微观失效机理。
实施例三
测试循环加载工况和套管回接下的水泥环封隔能力的实施过程如下：
1、实验前，需要将实际井筒中的水泥环载荷通过几何相似、应力相等、工序相同三个过程等效至实验水泥环上，计算出实验水泥环上的尺寸、应力和模拟循环加载载荷，然后开始进行实验，按实验要求和API标准配制相应水泥浆，注入水泥环养护模具中，将模具置于高温高压养护釜中养护一定龄期，取出“内压套管-圆形水泥环-外套管”组合体，该组合体目的在于模拟套管回接下的水泥环应力环境。
2、将底座2与承压筒6通过下部螺纹紧密连接，将养护出的组合体套上橡胶套筒，然后置于承压筒中，拧紧顶盖1。
3、将温度控制***30分别连接在加热套筒7、温度传感器8、计算机控制***36上；将环压控制***21一端通过第二阀门26连接在环压入口接头14上，另一端连接在计算机控制***36上；将内压控制***24一端通过第一阀门25连接在内压入口接头11上，另一端连接在计算机控制***36上；将渗透率检测模块29分别连接在渗透率检测模块上接头10、渗透率检测模块下接头16、计算机控制***36上；将当量裂缝宽度检测模块23分别连接在当量裂缝宽度检测模块上接头12、当量裂缝宽度检测模块下接头18、计算机控制***36上；将环空压力传导系数检测模块22分别连接在环空压力传导系数检测模块上接头13、环空压力传导系数检测模块下接头19、计算机控制***36上；将氮气瓶27外部管线通过第三阀门28连接在氮气入口接头9上；将流量监测计31分别连接在流量监测计接头15、计算机控制***36上，另外一端连接第一三通阀门33、第二三通阀门34通向大气环境；将内压出口接头17连接的金属管线经第四阀门32、第一三通阀门33、第二三通阀门34通向大气环境；将环压出口接头20连接的金属管线经第五阀门35、第二三通阀门34通向大气环境。
4、第三阀门28、第四阀门32、第五阀门35，打开第一阀门25、第二阀门26，用内压控制***24从内压入口接头11向套管内腔注满水，用环压控制***21从环压入口接头14向承压筒与橡胶套筒之间的环形空间注满水，启动温度控制***30，设置好升温时间，利用环形加热器对承压筒进行加热，随温度的增加，内压与环压均会增加，升温结束后，控制温度在目标温度，启动内压控制***24与环压控制***21，设置好目标压力，利用内压泵与环压泵向套管内腔、环形空间进行均匀连续打压，直到升至目标压力，此时内压大于环压形成正压差。打开第三阀门28，打开氮气瓶27，启动流量监测计31、渗透率检测模块29、当量裂缝宽度检测模块23、环空压力传导系数检测模块22开始进行检测，持续一段时间，然后使用内压泵降低套管内腔压力，使用环压泵升高环空压力，此时内压小于环压形成负压差，持续一段时间，随后重复上述过程循环N周以模拟循环加载过程，三个模块检测出的渗透率大小、当量裂缝宽度、环空压力传导系数，实时监测水泥环封隔性能变化情况。
5、计算机控制***36保存好实验数据后，关闭氮气瓶27以及第三阀门28，关闭温度控制***30，等到装置降温以后，使用内压泵与环压泵卸掉套管内腔和环形空间的压力，关闭内压控制***24与环压控制***21以及第一阀门25、第二阀门26，关闭渗透率检测模块29、当量裂缝宽度检测模块23、环空压力传导系数检测模块22，打开第四阀门32、第五阀门35，将套管内腔和环形空间的水排放出去，拆除各个控制***与检测模块的所有管线，卸下顶盖1与底座2，取出水泥环组合体。可对水泥环组合体结构进行进一步的微细观检测实验，观察水泥环材料细微观失效机理。
实施例四
模拟循环加载工况和测试水泥环二界面胶结能力的实施过程如下：
1、实验前，需要将实际井筒中的水泥环载荷通过几何相似、应力相等、工序相同三个过程等效至实验水泥环上，计算出实验水泥环上的尺寸、应力和模拟循环加载载荷，然后开始进行实验，按实验要求和API标准配制相应水泥浆，注入水泥环养护模具中，将模具置于高温高压养护釜中养护一定期龄，取出“内压套管-圆形水泥环-模拟围岩”组合体，该组合体目的在于测试水泥环二界面胶结能力。
2、将底座2与承压筒6通过下部螺纹紧密连接，将养护出的组合体套上橡胶套筒，然后置于承压筒中，拧紧顶盖1。
3、将温度控制***30分别连接在加热套筒7、温度传感器8、计算机控制***36上；将环压控制***21一端通过第二阀门26连接在环压入口接头14上，另一端连接在计算机控制***36上；将内压控制***24一端通过第一阀门25连接在内压入口接头11上，另一端连接在计算机控制***36上；将渗透率检测模块29分别连接在渗透率检测模块上接头10、渗透率检测模块下接头16、计算机控制***36上；将当量裂缝宽度检测模块23分别连接在当量裂缝宽度检测模块上接头12、当量裂缝宽度检测模块下接头18、计算机控制***36上；将环空压力传导系数检测模块22分别连接在环空压力传导系数检测模块上接头13、环空压力传导系数检测模块下接头19、计算机控制***36上；将氮气瓶27外部管线通过第三阀门28连接在氮气入口接头9上；将流量监测计31分别连接在流量监测计接头15、计算机控制***36上，另外一端连接第一三通阀门33、第二三通阀门34通向大气环境；将内压出口接头17连接的金属管线经第四阀门32、第一三通阀门33、第二三通阀门34通向大气环境；将环压出口接头20连接的金属管线经第五阀门35、第二三通阀门34通向大气环境。
4、关闭第三阀门28、第四阀门32、第五阀门35，打开第一阀门25、第二阀门26，用内压控制***24从内压入口接头11向套管内腔注满水，用环压控制***21从环压入口接头14向承压筒与橡胶套筒之间的环形空间注满水，启动温度控制***30，设置好升温时间，利用环形加热器对承压筒进行加热，随温度的增加，内压与环压均会增加，升温结束后，控制温度在目标温度，启动内压控制***24与环压控制***21，设置好目标压力，利用内压泵与环压泵向套管内腔、环形空间进行均匀连续打压，直到升至目标压力，此时内压大于环压形成正压差。打开第三阀门28，打开氮气瓶27，启动流量监测计31、渗透率检测模块29、当量裂缝宽度检测模块23、环空压力传导系数检测模块22开始进行检测，持续一段时间，然后使用内压泵降低套管内腔压力，使用环压泵升高环空压力，此时内压小于环压形成负压差，持续一段时间，随后重复上述过程循环N周以模拟循环加载过程，三个模块检测出的渗透率大小、当量裂缝宽度、环空压力传导系数，实时监测水泥环封隔性能变化情况。
5、计算机控制***36保存好实验数据后，关闭氮气瓶27以及第三阀门28，关闭温度控制***30，等到装置降温以后，使用内压泵与环压泵卸掉套管内腔和环形空间的压力，关闭内压控制***24与环压控制***21以及第一阀门25、第二阀门26，关闭渗透率检测模块29、当量裂缝宽度检测模块23、环空压力传导系数检测模块22，打开第四阀门32、第五阀门35，将套管内腔和环形空间的水排放出去，拆除各个控制***与检测模块的所有管线，卸下顶盖1与底座2，取出水泥环组合体。可对水泥环组合体结构进行进一步的微细观检测实验，观察水泥环材料细微观失效机理。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置,其特征在于，包括：顶盖(1)、底座(2)、内压套管(3)、水泥环(4)、外压筒(5)、承压筒(6)、加热套筒(7)、温度传感器(8)、氮气入口接口(9)、渗透率检测模块上接头(10)、内压入口接头(11)、当量裂缝宽度检测模块上接头(12)、环空压力传导系数检测模块上接头(13)、环压入口接头(14)，流量监测计接头(15)、渗透率检测模块下接头(16)、内压出口接头(17)、当量裂缝宽度检测模块下接头(18)、环空压力传导系数检测模块下接头(19)、环压出口接头(20)、环压控制***(21)、环空压力传导系数检测模块(22)、当量裂缝宽度检测模块(23)、内压控制***(24)、氮气瓶(27)、渗透率检测模块(29)、温度控制***(30)、流量监测计(31)、第一阀门(25)、第二阀门(26)、第三阀门(28)、第四阀门(32)、第五阀门(35)、第一三通阀门(33)、第二三通阀门(34)和计算机控制***(36)；
所述顶盖(1)通过上螺纹与承压筒(6)密封连接，所述底座(2)通过下螺纹与承压筒(6)密封连接；
所述内压套管(3)、水泥环(4)与外压筒(5)组成模拟井筒组合体；
所述加热套筒(7)包裹在承压筒(6)外壁处；所述温度控制***(30)设置有三个连接端口，分别连接所述加热套筒(7)、温度传感器(8)、计算机控制***(36)；
所述环压控制***(21)设置有两个连接端口，一端通过第二阀门(26)连接在环压入口接头(14)上，另一端连接在计算机控制***(36)上；
所述内压控制***(24)设置有两个连接端口，一端通过第一阀门(25)连接在内压入口接头(11)上，另一端连接在计算机控制***(36)上；
所述渗透率检测模块(29)设置有三个连接端口，分别连接所述渗透率检测模块上接头(10)、渗透率检测模块下接头(16)、计算机控制***(36)；所述渗透率检测模块是通过气窜流量法、压力降落法、脉冲法三种测试方法来测定水泥环渗透率大小；
所述当量裂缝宽度检测模块(23)设置有三个连接端口，分别连接所述当量裂缝宽度检测模块上接头(12)、当量裂缝宽度检测模块下接头(18)、计算机控制***(36)；
所述环空压力传导系数检测模块(22)设置有三个连接端口，分别连接所述环空压力传导系数检测模块上接头(13)、环空压力传导系数检测模块下接头(19)、计算机控制***(36)；
所述氮气瓶(27)外部管线通过第三阀门(28)连接在氮气入口接头(9)上；
所述流量监测计(31)设置有三个连接端口，分别连接所述流量监测计接头(15)、计算机控制***(36)，另外一端依次连接所述第一三通阀门(33)、第二三通阀门(34)后通向大气环境；
所述内压出口接头(17)连接的金属管线经第四阀门(32)、第一三通阀门(33)、第二三通阀门(34)通向大气环境；
所述环压出口接头(20)连接的金属管线经第五阀门(35)、第二三通阀门(34)通向大气环境。
2.根据权利要求1所述的油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置，其特征在于，所述模拟井筒组合体包括：测试高温高压下水泥环本体封隔能力的组合体、测试非均匀地应力下水泥环封隔能力的组合体、测试套管回接下水泥环封隔能力的组合体、测试地层围岩下水泥环一二界面封隔能力的组合体共4种组合体。
3.根据权利要求2所述的油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置，其特征在于，所述测试高温高压下水泥环本体封隔能力的组合体为：内压套管(3)外加圆形水泥环(4)，所述外压筒(5)为耐高温橡胶筒。
4.根据权利要求2所述的油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置，其特征在于，所述测试非均匀地应力下水泥环封隔能力的组合体包括：内压套管(3)外加椭圆形水泥环(4)，通过改变椭圆的长短轴比值模拟非均匀载荷，所述外压筒(5)为耐高温橡胶筒。
5.根据权利要求2所述的油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置，其特征在于，所述测试套管回接下水泥环封隔能力的组合体为：内压套管(3)外加圆形水泥环(4)，圆形水泥环外加外套管(51)，所述外压筒(5)由外套管+耐高温橡胶筒组成。
6.根据权利要求2所述的油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置，其特征在于，所述测试地层围岩下水泥环一二界面封隔能力的组合体为：内压套管(3)外加圆形水泥环(4)，圆形水泥环外加模拟围岩(52)，所述模拟围岩(52)由多段围岩环组成，并在每段围岩环面上涂有不渗透涂层，防止气体侵入模拟围岩内部，所述外压筒(5)由所述模拟围岩+耐高温橡胶筒组成。
7.一种油气井筒环空水泥环的封隔性能测试方法,其特征在于，包括以下步骤：
1)实验前，需要将实际水泥环通过几何相似、应力相等、工序相同三个过程等效在实验水泥环上，计算出每一工况下要实验水泥环与实际水泥环载荷相等内压套管(3)内部与外压筒(5)外部应加的压力值，形成一个内外实验压力值表后，开始进行实验，按实验要求和AP I标准配制相应水泥浆，注入水泥环养护模具中，将模具置于高温高压养护釜中养护一定期龄，取出“套管-水泥环”或“套管-水泥环-外压筒”组合体；
2)将底座(2)与承压筒(6)通过下部螺纹紧密连接，将养护出的组合体套上橡胶套筒，然后置于承压筒中，拧紧顶盖(1)；
3)将温度控制***(30)分别连接在加热套筒(7)、温度传感器(8)、计算机控制***(36)上；将环压控制***(21)一端通过第二阀门(26)连接在环压入口接头(14)上，另一端连接在计算机控制***(36)上；将内压控制***(24)一端通过第一阀门(25)连接在内压入口接头(11)上，另一端连接在计算机控制***(36)上；将渗透率检测模块(29)分别连接在渗透率检测模块上接头(10)、渗透率检测模块下接头(16)、计算机控制***(36)上；将当量裂缝宽度检测模块(23)分别连接在当量裂缝宽度检测模块上接头(12)、当量裂缝宽度检测模块下接头(18)、计算机控制***(36)上；将环空压力传导系数检测模块(22)分别连接在环空压力传导系数检测模块上接头(13)、环空压力传导系数检测模块下接头(19)、计算机控制***(36)上；将氮气瓶(27)外部管线通过第三阀门(28)连接在氮气入口接头(9)上；将流量监测计(31)分别连接在流量监测计接头(15)、计算机控制***(36)上，另外一端连接第一三通阀门(33)、第二三通阀门(34)通向大气环境；将内压出口接头(17)连接的金属管线经第四阀门(32)、第一三通阀门(33)、第二三通阀门(34)通向大气环境；将环压出口接头(20)连接的金属管线经第五阀门(35)、第二三通阀门(34)通向大气环境；
4)关闭第三阀门(28)、第四阀门(32)、第五阀门(35)，打开第一阀门(25)、第二阀门(26)，用内压控制***(24)从内压入口接头(11)向套管内腔注满水，用环压控制***(21)从环压入口接头(14)向承压筒与橡胶套筒之间的环形空间注满液体介质，启动温度控制***(30)，设置好升温时间,利用环形加热器对承压筒进行加热，随温度的增加，内压与环压均会增加，升温结束后，控制温度在目标温度，启动内压控制***(24)与环压控制***(21)，设置好目标压力，利用内压泵与环压泵向套管内腔、环形空间进行均匀连续打压，直到升至目标压力；
打开第三阀门(28)，打开氮气瓶(27)，启动流量监测计(31)、渗透率检测模块(29)、当量裂缝宽度检测模块(23)、环空压力传导系数检测模块(22)开始进行检测，模拟不同工况下套管内部、水泥环外部的压力升降，启动内压控制***(24)及环压控制***(21)，按照工序相同步骤进行升降压，三个模块检测出的渗透率大小、当量裂缝宽度、环空压力传导系数，实时监测水泥环封隔性能变化情况；
5)实验结束后，计算机控制***(36)保存好实验数据，关闭氮气瓶(27)以及第三阀门(28)，关闭温度控制***(30)，等到装置降温以后，使用内压泵与环压泵卸掉套管内腔和环形空间的压力，关闭内压控制***(24)与环压控制***(21)以及第一阀门(25)、第二阀门(26)，关闭渗透率检测模块(29)、当量裂缝宽度检测模块(23)、环空压力传导系数检测模块(22)，打开第四阀门(32)、第五阀门(35)，将套管内腔和环形空间的水排放出去，拆除各个控制***与检测模块的所有管线，卸下顶盖(1)与底座(2)，取出水泥环组合体，可对水泥环组合体结构进行进一步的微细观检测实验，观察水泥环材料细微观失效机理。
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