一种用于深水弱胶结地层固井强度的梯度层模拟的装置的制作方法

本发明涉及石油钻采技术领域，尤其涉及一种用于深水弱胶结地层固井强度的梯度层模拟的装置。

背景技术：

随着我国对油气资源的需求量持续增加和陆上东部油气产量的下降，西部、深水海域的油气以及水合物资源将变成我国石油工业可持续发展的重要领域。弱胶结地层是广泛分布在我国深水浅层和西部侏罗系、白垩系等地层中，特殊的成岩环境和沉积过程形成了其独特的地质条件与力学性质。

首先，对于深水弱胶结地层而言，深水浅层温度低，水泥水化时间长、强度增长慢，难以形成良好封固层，无法满足对浅层气、浅层水的封固要求，甚至造成气体从套管外喷出，在地面(泥线面)形成大坑，使设备陷入地下，造成严重的后果。

同时，深水弱胶结地层的地层压实时间短，渗透率高，所以高压浅层水在地层中会具有一定的流动性，产生应力波动，破坏水泥环，造成浅部水层井涌，严重时会导致井眼坍塌，造成油气井报废。其次，弱胶结地层压实差，地层强度低，而水泥环的强度高且具有脆性特征，不能有效地与周围地层胶结形成强度统一体，致使水下井口装置整体下沉。针对于以上的问题，常规的水泥浆体系和固井工艺技术无法有效适应弱胶结地层复杂的地质条件，更不能保证水泥环附近的弱胶结地层不发生破坏，因此由于弱胶结地层固井质量引发的事故频发。

目前，解决弱胶结地层固井质量问题的研究主要集中在水泥浆体系的研发上，性能优异的水泥浆体系在一定程度上解决了浅层水泥浆漏失、浅层水流动和深水环境下水泥早期强度低的问题。但是，由于弱胶结地层与水泥环的强度差异造成的井口装置整体下移问题，至今没有解决。同时，在海底浅层流的扰动下，弱胶结地层容易产生应力波动，导致水泥环发生脆性破坏。因此，水泥浆体系不能从根本上解决弱胶结地层的固井质量问题。

固井二界面的有效封隔是提高固井封固完整性的关键措施，为此部分学者对于泥饼固化技术进行了研究，这种方法有效解决了陆地井出现的气窜问题，这种思路把解决固井质量问题的方法由水泥环扩展到了界面上。尽管这种方法提高了常规地层的固井质量，但弱胶结地层比常规地层松软的多，对水泥环的支撑作用非常弱，二界面固化之后，其有限的厚度对固井质量的提升微乎其微，所以仅靠界面的固化，同样不能彻底解决弱胶结地层的固井质量问题。

灌浆加固技术可以通过将固化浆液注入地层来达到加固地层或防渗堵漏的效果，但灌浆加固技术的实施大多需要破坏和扰动地层结构，或者只能在注浆管端部形成浆泡，固化有限厚度的层位，如果应用在弱胶结地层的固井施工中，会对地层的结构造成更大的破坏，同时也不能达到使整个弱胶结层段固化的目的。

综合以上方法的优点与局限性，将解决深水弱胶结地层固井质量问题的思路延伸为固化地层，通过把固井工艺技术与灌浆加固技术相结合，在前置液或水泥浆中加入固化浆液，并通过一定的压差使固化浆液渗透进入地层，使深水井筒附近的弱胶结地层形成具有一定强度的结构体系，在井筒周围形成一层强度渐变的外壳，对水泥环产生支撑作用，是从根本上解决深水弱胶结地层固井质量问题的新途径。

但是，如何选取合适的固化材料，采用合适的固井施工参数，对于从根本上解决深水弱胶结地层固井质量问题起着至关重要的影响，国内外还没有程序的理论用于选取合适的固化材料和合适的固井施工参数，因此，急需开发一种用于深水弱胶结地层固井强度的梯度层模拟的装置，通过模拟的方法针对深水弱胶结地层固井强度的梯度层进行研究，选取出合适的固化材料和合适的固井施工参数，从根本上解决深水弱胶结地层固井质量问题。

技术实现要素：

本发明提供一种用于深水弱胶结地层固井强度的梯度层模拟的装置，旨在通过模拟的方法针对深水弱胶结地层固井强度的梯度层进行研究，选取出合适的固化材料和合适的固井施工参数，从根本上解决深水弱胶结地层固井质量问题。

本发明提供一种用于深水弱胶结地层固井强度的梯度层模拟的装置，所述装置包括氮气罐、气瓶阀门、气瓶压力表、介质填充装置压力表、介质填充装置阀门、介质填充装置、冷水循环控制阀门、制冷装置、底座和支架，所述气瓶阀门安装在所述氮气罐的出口，所述气瓶阀门、所述气瓶压力表、所述介质填充装置压力表和所述介质填充装置阀门通过管线相连接，其中，所述气瓶阀门与所述气瓶压力表相连接，所述气瓶压力表与所述介质填充装置压力表相连接，所述介质填充装置压力表与所述介质填充装置阀门相连接；所述介质填充装置包括顶部密封板、底部密封板和环形侧壁，所述环形侧壁包括内壁和外壁，所述内壁和所述外壁间形成冷水循环腔，所述顶部密封板上设置有上气管，所述上气管与所述介质填充装置阀门相连接，所述底部密封板上设置有下气管，所述内壁的内腔中设置有固化浆液和弱胶结地层样品。

可选的，所述顶部密封板用于密封所述环形侧壁的顶部开口，所述顶部密封板通过第一螺栓固定在所述环形侧壁上。

可选的，所述第一螺栓沿所述环形侧壁的圆周方向均匀分布，所述第一螺栓的数量为6个。

可选的，所述底部密封板用于密封所述环形侧壁的底部开口，所述底部密封板通过第二螺栓固定在所述环形侧壁上。

可选的，所述第二螺栓沿所述环形侧壁的圆周方向均匀分布，所述第二螺栓的数量为6个。

可选的，所述环形侧壁的顶部设置有冷水出水口，所述冷水出水口通过管线与所述制冷装置的入口相连接。

可选的，所述环形侧壁的底部设置有冷水入水口，所述冷水入水口通过管线与所述制冷装置的出口相连接。

可选的，所述环形侧壁的内腔直径为10cm～20cm，所述环形侧壁的内腔高度为30cm～50cm。

可选的，所述环形侧壁的内腔中设置有造孔器，所述造孔器包括圆盘和设置在所述圆盘两侧的圆柱，所述圆柱位于所述圆盘的中心，所述圆柱用于模拟所述弱胶结地层的井眼，所述圆盘与所述环形侧壁的内腔间隙配合。

可选的，所述支架安装在所述底座上，所述介质填充装置安装在所述支架上。

本发明实施例提供的用于深水弱胶结地层固井强度的梯度层模拟的装置，通过利用氮气罐中的氮气对介质填充装置的内部空间的固化浆液进行加压压实，压实压力可调，最高可提供7MPa的压力，能够真实模拟深水弱胶结地层的压力环境，同时氮气罐与介质填充装置间的压力管线上设置有气瓶阀门和气瓶压力表，通过调节气瓶阀门，实时调整固化浆液的注浆压力；其次，本发明实施例的装置设置有制冷装置，通过制冷装置可以将介质填充装置的整体温度控制在弱胶结地层的真实温度范围内，最低温度可达4℃；介质填充装置的环形侧壁的两端设置有可分离的顶部密封板和底部密封板，进而保证了注浆完成后的固化浆液形成的圆柱形结石体可以整体取出，将结石体表面简单处理后用于进行抗压强度试验，从而可以方便得到反映深水弱胶结地层的固井强度梯度层的耐压能力。本发明实施例提供的装置，可以用于各种深水弱胶结地层的固井强度的梯度层的模拟试验，进而可以根据试验结果选取出用于该深水弱胶结地层固井的合适的固化材料和合适的固井施工参数，进而从根本上解决深水弱胶结地层固井质量问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于深水弱胶结地层固井强度的梯度层模拟的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的介质填充装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的造孔器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

参考图1所示，本发明实施例提供的用于深水弱胶结地层固井强度的梯度层模拟的装置，包括包括氮气罐1、气瓶阀门2、气瓶压力表3、介质填充装置压力表4、介质填充装置阀门5、介质填充装置17、冷水循环控制阀门13、制冷装置14、底座15和支架16；气瓶阀门2安装在氮气罐1的出口，即气瓶阀门安装氮气罐1的出口管线上，用于控制氮气罐1的出气量，调节氮气罐1的出口压力，其中，氮气罐1的出口压力可以在0MPa～7MPa之间调节；气瓶阀门2、气瓶压力表3、介质填充装置压力表4和介质填充装置阀门5通过管线相连接，其中，气瓶阀门2与气瓶压力表3相连接，即气瓶压力表用于测量气瓶阀门2出口处的气体压力，可以实时的显示气瓶阀门2出口处的氮气压力值；气瓶压力表3与介质填充装置压力表4相连接，介质填充装置压力表4与介质填充装置阀门5相连接，其中，介质填充装置压力表4用于测量介质填充装置17的内部压力，介质填充装置阀门5用于调节介质填充装置17的内部压力。

参考图1所示，支架16安装在底座15上，介质填充装置17安装在支架16上。需要说明的是，对于支架16与底座15之间的固定方式，本发明实施例不做限定，示例的，支架16可以通过螺栓固定在底座15上，或者支架16可以通过焊接的方式固定在底座15上。示例的，介质填充装置17焊接在支架16上。

参考图1和图2所示，介质填充装置17包括顶部密封板172、底部密封板173和环形侧壁171，环形侧壁171包括内壁和外壁，内壁和外壁间形成冷水循环腔9，顶部密封板172上设置有上气管6，上气管6与介质填充装置阀门5相连接，底部密封板173上设置有下气管12，内壁的内腔中设置有固化浆液8和弱胶结地层样品10。

参考图1和图2所示，顶部密封板172用于密封环形侧壁171的顶部开口，顶部密封板172通过第一螺栓固定在环形侧壁171上。示例的，参考图2所示，顶部密封板172和环形侧壁171上设置有相互配合的螺栓孔，且顶部密封板172上的螺栓孔是带有螺纹的螺栓孔，通过在顶部密封板172和环形侧壁171上的螺栓孔内安装固定螺栓将顶部密封板172和环形侧壁171相互固定，其中，固定螺栓为第一螺栓，该第一螺栓与顶部密封板172上带有螺纹的螺栓孔相互配合。优选的，参考图2所示，第一螺栓沿环形侧壁171的圆周方向均匀分布，第一螺栓的数量为6个，即顶部密封板172和环形侧壁171上设置的螺栓孔沿其圆周方向均匀分布，且顶部密封板172和环形侧壁171上设置的螺栓孔的数量为6个。

参考图1和图2所示，底部密封板173用于密封环形侧壁171的顶部开口，底部密封板173通过第一螺栓固定在环形侧壁171上。示例的，参考图2所示，底部密封板173和环形侧壁171上设置有相互配合的螺栓孔，且底部密封板173上的螺栓孔是带有螺纹的螺栓孔，通过在底部密封板173和环形侧壁171上的螺栓孔内安装固定螺栓将底部密封板173和环形侧壁171相互固定，其中，固定螺栓为第一螺栓，该第一螺栓与底部密封板173上带有螺纹的螺栓孔相互配合。优选的，参考图2所示，第一螺栓沿环形侧壁171的圆周方向均匀分布，第一螺栓的数量为6个，即底部密封板173和环形侧壁171上设置的螺栓孔沿其圆周方向均匀分布，且底部密封板173和环形侧壁171上设置的螺栓孔的数量为6个。

参考图2所示，环形侧壁171的顶部设置有冷水出水口7，冷水出水口7通过管线与所述制冷装置14的入口相连接；环形侧壁171的底部设置有冷水入水口11，冷水入水口11通过管线与制冷装置14的出口相连接。

参考图1所示，冷水入水口11通过管线与制冷装置14的出口相连接，保证制冷装置14产生的冷却液能够从介质填充装置17的底部进入环形侧壁171的内壁和外壁形成的冷水循环腔9，冷却液在冷水循环腔9与介质填充装置17整体发生热交换，温度升高后的冷却液经冷水出水口7排出后，经管线返回冷却装置14，再经冷却装置14制冷后，重新返回冷水循环腔9内，如此往返循环，可以将介质填充装置17的整体温度控制在弱胶结地层的真实温度范围内，最低温度可达4℃。

参考图2所示，环形侧壁171的内腔直径为10cm～20cm，环形侧壁171的内腔高度为30cm～50cm。

需要说明的是，环形侧壁171和顶部密封板172间设置有密封圈，同理，环形侧壁171和底部密封板173间设置有密封圈，对于密封圈的种类和型号，本发明实施例不做具体限定。对于密封圈的安装位置和安装方式，本发明实施例不做具体限定，示例的，可以在环形侧壁171上与顶部密封板172和底部密封板173相配合的地方设置密封圈安装槽，用于安装该密封圈。

需要说明的是，底部密封板173上的下气管12的入口处设置有高目数双层金属滤网，用于防止下气管12排除气体和水分的过程中弱胶结地质样本的漏失。优选的，金属滤网的目数为260目～400目。对于高目数双层金属滤网在下气管12的入口处的具体安装固定方式，本发明实施例不做具体限定，本领域技术人员可参考现有技术。

参考图3所示，本发明实施例提供的造孔器18包括圆盘181和设置在圆盘181两侧的圆柱，该圆柱包括第一圆柱182和第二圆柱183，第一圆柱182和第二圆柱183分别位于圆盘181的两侧，圆柱位于圆盘181的中心，圆柱用于模拟弱胶结地层的井眼，可以保证模拟的弱胶结地层的井眼位于该弱胶结地层样品的中心。优选的，圆盘181的中心处设置有通孔，第一圆柱182和第二圆柱183为一个整体圆柱，该整体圆柱可以通过焊接的方式安装在该通孔中。

需要说明的是，造孔器18可以安装在环形侧壁171的内腔中，圆181与环形侧壁171的内腔间隙配合。

本发明实施例的装置用于深水弱胶结地层固井强度的梯度层模拟的试验过程如下：

(1)将介质填充装置17的内壁均匀的涂抹一层凡士林，便于试验完成后取出试样，因为凡士林具有润滑作用，可以降低试验完成后的取样难度。将橡胶密封圈放入介质填充装置17的环形侧壁171靠近底部设置的凹槽中，将滤网至于底部密封版173的下气管12的入口处，底部密封板173通过六角螺栓固定在环形侧壁171上。

(2)底部密封板172确认安装完成之后，向介质填充装置17的内腔中加入高度为15cm～30cm的配置好的一定含水率的弱胶结地层样品，示例的，向介质填充装置17的内腔中装入800g含水率为50％的弱胶结地层样品。弱胶结地层样品装填完成之后，向介质填充装置17的内腔中竖直插入造孔18，调整造孔器18，进而可以保证造孔器18在弱胶结地层样品中形成的深度与所需模拟的井口深度相同，然后将顶部密封172通过六角螺栓固定在环形侧壁171上。

(3)将介质填充装置17放置于支架16上，将上气嘴6与压力管线相连。确认仪器密封良好后，打开氮气罐1出口处的气瓶阀门2，将压力调整到所需地层压实压力，打开上气嘴6，观察下气嘴7的出气情况。示例的，将气瓶压力表3的压力调整到3MPa。

(4)待下气嘴7处有大量气体溢出时关闭气瓶阀门2，保持下气嘴7开启，待介质填充装置17完全卸压后，拆开上密封板172，取出造孔器18，加入固化浆液，使固化浆液充满该弱胶结地层样品中心的人工井筒并保证固化浆液溢出人工井筒1cm，以保证注浆过程中不会发生气穿。示例的，固化浆液采用1:1.5:0.2比例的水性环氧树脂、固化剂、水配制而成。

(5)将顶部密封板172通过六角螺栓固定在环形侧壁171上，将介质填充装置17放置于支架16上，将上气嘴6与压力管线相连，将介质填充装置17的冷水入水口11、冷水出水口7与制冷装置14相连后，打开制冷装置14，调整到试验温度，开始循环冷却液，示例的，将试验温度调整到7℃。

(6)确认仪器密封良好后，打开氮气罐1出口处的气瓶阀门2，将压力调整到所需地层压实压力，示例的，将气瓶压力表3的压力调整到1MPa，注浆时间根据具体固井施工要求确定，示例的，一般为1小时～2小时或直到下气嘴12处有固化浆液流出。

(7)注浆结束后保持冷却液循环的情况下静置12小时，即注浆结束后，保证介质填充装置17的整体温度控制在弱胶结地层的真实温度范围内静置一定时间，示例的，保持介质填充装置17的整体温度为7℃静置12小时。待介质填充装置17在7℃下静置12小时后，拆卸介质填充装置17，打开顶部密封板172和底部密封板173，取出结石体。用水流冲掉未固化部分，观察注浆加固形态，测量固化浆液渗透深度，测试结石体整体抗压强度等参数。

本发明实施例提供的用于深水弱胶结地层固井强度的梯度层模拟的装置，通过利用氮气罐中的氮气对介质填充装置的内部空间的固化浆液进行加压压实，压实压力可调，最高可提供7MPa的压力，能够真实模拟深水弱胶结地层的压力环境，同时氮气罐与介质填充装置间的压力管线上设置有气瓶阀门和气瓶压力表，通过调节气瓶阀门，实时调整固化浆液的注浆压力；其次，本发明实施例的装置设置有制冷装置，通过制冷装置可以将介质填充装置的整体温度控制在弱胶结地层的真实温度范围内，最低温度可达4℃；介质填充装置的环形侧壁的两端设置有可分离的顶部密封板和底部密封板，进而保证了注浆完成后的固化浆液形成的圆柱形结石体可以整体取出，将结石体表面简单处理后用于进行抗压强度试验，从而可以方便得到反映深水弱胶结地层的固井强度梯度层的耐压能力。本发明实施例提供的装置，可以用于各种深水弱胶结地层的固井强度的梯度层的模拟试验，进而可以根据试验结果选取出用于该深水弱胶结地层固井的合适的固化材料和合适的固井施工参数，进而从根本上解决深水弱胶结地层固井质量问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。