一种模拟预应力作用下水泥环完整性测试装置及方法

1.本专利涉及石油与天然气钻采工程技术领域，具体是一种模拟预应力作用下水泥环完整性测试装置及方法。


背景技术：

2.中国重油资源分布广泛，约占总石油资源的25％～30％，而个别油田的资源量所占比例更高，稠油生产在其产量中成为最重要的组成部分。国内外各油田在稠油开采中，普遍采用蒸汽吞吐、蒸汽驱技术。蒸汽吞吐技术是先向井内注入高温高压蒸汽(一般300℃～360℃、10mpa～15mpa)，保温保压一定时间(称为“焖井”)，稠油变稀后再进行开采。与常规的稀油开采方式相比，稠油油田开发发现的最主要问题之一是高温导致套管产生较高的热应力且具有一定的伸长量，同时固井套管又被水泥环封固限制了套管的自由伸长，在多次热循环作用下，套管与水泥环界面剪切胶结强度失效，导致套管成为完全自由段，从而加剧井口抬升。
3.预应力作为解决井口抬升的主要途径之一，其机理是在固井注水泥前或注水泥后对井内套管串施加一定的预拉力，在施加预应力的情况下使水泥浆凝固。由于提前对套管施加了预应力，套管产生了一定的预伸长，就能够减小或抵消注蒸汽时热应力造成的套管伸长，防止套管与水泥环发生剪切胶结失效，保护油井从而延长寿命。然而，预应力对水泥环完整性，尤其是水泥环界面剪切胶结强度的影响机制以及影响规律还不清楚，其主要原因有以下两点：1)存在预应力作用时水泥环界面剪切胶结强度难以测试；2)缺乏能真实模拟预应力作用下水泥环完整性测试的装置及方法。
4.为此，本发明针对目前预应力对水泥环完整性影响规律难以准确分析的技术难题，提出一种模拟预应力作用下水泥环完整性测试装置及方法，该方法可准确获取真实工况下水泥环在不同预应力作用下的水泥环界面剪切胶结强度，并基于此量化预应力与水泥环界面剪切胶结强度的关系，进而验证预应力对水泥环完整性所起的保护作用，可为油气井固井界面力学性能、水泥环完整性及固井优化设计提供理论依据。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种模拟预应力作用下水泥环完整性测试装置及方法，兼顾保持测试装置完整性的同时，解决预应力作用下水泥环界面剪切胶结强度与预应力大小关系量化评价的技术难题，该方法使用简单、成本低。
6.本发明提供一种模拟预应力作用下水泥环完整性测试装置及方法，其特征在于，装置包括承压腔室、内盲管、环空、外套管、加热套、第一螺杆、第二螺杆、第一螺母、助推轴承、方杆、应力传感器、橡胶垫圈、圆板、垫圈、第二螺母、压力控制系统、第一通孔、环槽、圆槽、第二通孔、第一公螺纹、第二公螺纹、第三公螺纹、水泥环；其中，圆板包括第一通孔、环槽以及圆槽，分别用于固定内盲管、外套管和第一螺杆；焊接有第二螺杆的内盲管依次穿过橡胶垫圈、第一通孔和垫圈，最终通过第二公螺纹与第二螺母连接，外接于内盲管的压力控
制系统用于承压腔室压力的加载和卸载以模拟井下实际压力，橡胶垫圈用于密封环空以避免环空养护水泥环时造成水泥的泄露，垫圈用于保护第二螺母；用于养护水泥形成水泥环的环空由内盲管、外套管、橡胶垫圈以及圆板组成，外套管坐封于环槽当中，以防止外套管与内盲管发生偏心；外接温控系统的加热套包裹于外套管外壁上，用于模拟井下实际温度；第一螺杆通过第三公螺纹与带有第二通孔的方杆连接在一起后，将方杆通过第二通孔插入第二螺杆外，并使第一螺杆固定于圆槽内；助推轴承插入第二螺杆外，最终放置于方杆上，以避免方杆与第一螺母的直接接触；第一螺母通过第一公螺纹与焊接有第二螺杆的内盲管连接在一起，通过拧动第一螺母使焊接有第二螺杆的内盲管承受一个向上拉的轴向载荷，实现预应力的模拟和界面剪切胶结强度的测试，应力传感器用于检测内盲管的轴向载荷大小。
7.基于一种模拟预应力作用下水泥环完整性测试装置，提出了模拟预应力作用下水泥环完整性测试方法，所述方法主要包括以下步骤：步骤一：拧动第一螺母对焊接有第二螺杆的内盲管施加向上拉的轴向载荷f1，并通过应力传感器记录轴向载荷f1的大小；步骤二：根据现场实际需求制备水泥浆体系，向环空浇筑水泥浆，启动加热套加热至模拟温度，启动压力控制系统，加载承压腔室压力至模拟压力，养护形成水泥环；步骤三：养护完成后，根据实验要求，通过控制加热套和压力控制系统实现交变温度/压力的加-卸载；步骤四：通过压力控制系统，将承压腔室1内的压力卸载掉后，拧开第二螺母，并取下垫圈；步骤五：拧动第一螺母，直至内盲管与水泥环界面发生脱离，通过应力传感器记录此过程中的最大轴向载荷f2；步骤六：计算预应力f1作用下的水泥环界面剪切胶结强度为σb＝f
2-f1。步骤七：通过拧动第一螺母形成不同的轴向载荷f1，重复步骤一到步骤六，即可得到轴向载荷f1与水泥环界面剪切胶结强度σb的量化关系。
8.本发明具有以下优点：
9.本发明可准确获取内盲管预应力的大小，并结合水泥环界面剪切胶结强度，测试预应力作用下的水泥环完整性；本发明测试方法简单，只需要通过拧动第二螺母的即可实现预应力的加载和水泥环界面剪切胶结强度的测试；测试结果可为稠油热采的水泥环完整性及固井工程优化设计提供重要理论依据。
附图说明
10.图1是预应力作用下水泥环完整性测试装置示意图。
11.图2是预应力施加后水泥环完整性测试装置示意图。
12.图3是圆环俯视图。
具体实施方式
13.下面结合附图，对本发明进行详细的描述。本发明提供一种模拟预应力作用下水泥环完整性测试装置及方法，其特征在于，
装置包括承压腔室1、内盲管2、环空3、外套管4、加热套5、第一螺杆6、第二螺杆7、第一螺母8、助推轴承9、方杆10、应力传感器11、橡胶垫圈12、圆板13、垫圈14、第二螺母15、压力控制系统16、第一通孔17、环槽18、圆槽19、第二通孔20、第一公螺纹21、第二公螺纹22、第三公螺纹23、水泥环24；其中，圆板13包括第一通孔17、环槽18以及圆槽19，分别用于固定内盲管2、外套管4和第一螺杆6；焊接有第二螺杆7的内盲管2依次穿过橡胶垫圈12、第一通孔17和垫圈14，最终通过第二公螺纹22与第二螺母15连接，外接于内盲管2的压力控制系统16用于承压腔室1压力的加载和卸载以模拟井下实际压力，橡胶垫圈12用于密封环空3以避免环空3养护水泥环24时造成水泥的泄露，垫圈14用于保护第二螺母15；用于养护水泥形成水泥环24的环空3由内盲管2、外套管4、橡胶垫圈12以及圆板13组成，外套管4坐封于环槽18当中，以防止外套管4与内盲管2发生偏心；外接温控系统的加热套5包裹于外套管4外壁上，用于模拟井下实际温度；第一螺杆6通过第三公螺纹23与带有第二通孔20的方杆10连接在一起后，将方杆10通过第二通孔20插入第二螺杆7外，并使第一螺杆6固定于圆槽19内；助推轴承9插入第二螺杆7外，最终放置于方杆10上，以避免方杆10与第一螺母8的直接接触；第一螺母8通过第一公螺纹21与焊接有第二螺杆7的内盲管2连接在一起，通过拧动第一螺母8使焊接有第二螺杆7的内盲管2承受一个向上拉的轴向载荷，实现预应力的模拟和界面剪切胶结强度的测试，应力传感器11用于检测内盲管2的轴向载荷大小。
14.基于一种模拟预应力作用下水泥环完整性测试装置，提出了模拟预应力作用下水泥环完整性测试方法，所述方法主要包括以下步骤：步骤一：拧动第一螺母8对焊接有第二螺杆7的内盲管2施加向上拉的轴向载荷f1，并通过应力传感器11记录轴向载荷f1的大小；步骤二：根据现场实际需求制备水泥浆体系，向环空3浇筑水泥浆，启动加热套5加热至模拟温度，启动压力控制系统16，加载承压腔室1压力至模拟压力，养护形成水泥环24；步骤三：养护完成后，根据实验要求，通过控制加热套5和压力控制系统6实现交变温度/压力的加-卸载；步骤四：通过压力控制系统16，将承压腔室1内的压力卸载掉后，拧开第二螺母15，并取下垫圈14；步骤五：拧动第一螺母8，直至内盲管2与水泥环24界面发生脱离，通过应力传感器11记录此过程中的最大轴向载荷f2；步骤六：计算预应力f1作用下的水泥环界面剪切胶结强度为σb＝f
2-f1。步骤七：通过拧动第一螺母8形成不同的轴向载荷f1，重复步骤一到步骤六，即可得到轴向载荷f1与水泥环界面剪切胶结强度σb的量化关系。