一种模拟冻土地层水泥环固结的实验装置及方法与流程

本发明涉及一种模拟水泥环固结的实验装置，具体涉及一种模拟冻土地层水泥环固结的实验装置及方法。属于油气井固井领域。

背景技术

随着石油行业的发展与能源需求的日益增大，非常规油气资源逐渐成为油气勘探开发的重点，美国地调局于2008年发布一则报告证实北极地区具有丰富的油气资源，世界各国开始着眼于极地油气资源的勘探开发。在我国的青藏高原、准格尔盆地等冻土地区也存在巨大的油气开发潜力，因此对于冻土层油气勘探开发技术研究迫在眉睫，尤其是冻土地层固井技术。目前对于套管固井研究主要集中在常规陆地钻井和深水钻井，对于冻土地层固井技术的研究少之又少。与常规钻井的固井相比，冻土地层存在很大的差异。首先由于冻土地层温度低，使得水泥环强度发展缓慢，并且冻土蠕变特性无时无刻不在挤压水泥环，可能会对水泥环产生挤压破坏；其次低温使得水泥浆中的水分固结，不与水泥产生水化作用而起不到固结作用；再者水泥固结放出大量热，会使得局部冻土融化，进一步影响水泥的固结与地层的胶结作用。故冻土地层水泥环固结过程水泥的固结程度、地层与水泥环的挤压以及水泥固结放热对冻土地层温度影响的实验研究对于冻土地层油气的勘探开发有至关重要的作用。同时由于冻土地层取芯十分困难、成本高昂，而且地层除了重力作用外，受到的构造作用小，可使用人造冻土试样替代天然岩心。因此，研制本发明用于模拟冻土地层水泥环固结实验装置，来满足实验室对于冻土地层水泥环固结过程的研究。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种模拟冻土地层水泥环固结的实验装置就方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种模拟冻土地层水泥环固结实验装置，包括装置主体、压力系统和测量系统；

所述主体包括固定板、可拆卸板和装置底盘，所述底座中心设有圆孔，中心柱或者隔热套管通过圆孔安装在底座上，所述固定板、可拆卸板、装置底盘和中心柱或者隔热套管组成用于制备岩心和水泥环的空腔；所述可拆卸板包括限位板和传压板；

所述压力系统包括轴压加压装置和围压加压装置，所述轴压加压装置位于空腔上方，所述围压加压装置位于可拆卸板的外侧；

所述测量系统包括声波发射器和声波接收器、温度传感器、应变片组成，所述测量系统与控制器连接；所述声波发射器安装于固定板上，所述声波接收器、应变片安装于隔热套管上，所述温度传感器安装于装置底盘上；声波发射器和声波接收器、温度传感器、应变片一共两组，一组的方向是最大水平主应力方向，一组方向是最小水平主应力方向，即两个围压加压装置的加压方向。

所述装置主体、压力系统和测量系统工作时置于降温装置中。

优选的，所述装置主体为方形，方形主体的侧面由两块可拆卸板和两组固定板组成，两块可拆卸板相邻设置；装置底盘上面设有底部钢板，装置底盘和底部钢板之间设有隔热层；两组相邻固定板、两块相邻可拆卸钢板、底部钢板、中心柱或者隔热套管组成空腔。

进一步优选的，所述固定板包括固定板ⅰ和固定板ⅱ，一块固定板ⅰ和一块固定板ⅱ组成一组固定板，所述固定板ⅰ和固定板ⅱ平行设置，固定板ⅱ位于固定板ⅰ和外壳之间，所述固定板ⅰ和固定板ⅱ上设有的若干凹槽ⅰ和凹槽ⅱ。

进一步优选的，方形主体的侧面设有外壳，所述围压加压装置位于可拆卸钢板与外壳之间。

优选的，所述控制器为工作电脑。

进一步优选的，所述装置底盘、底部钢板和隔热层的中心分别设有圆孔ⅰ、圆孔ⅱ和圆孔ⅲ；所述中心柱或隔热套管位于空腔中心，所述中心柱的纵向截面成倒“t”字形，所述中心柱由圆柱形底座和圆柱形杆组成，所述圆孔ⅰ与圆柱形底座的直径相同，圆孔ⅱ和圆孔ⅲ与圆柱形杆的直径相同。

进一步优选的，所述声波发射器安装于固定板ⅰ和固定板ⅱ之间；所述底部钢板上表面设有若干凹槽ⅲ，温度传感器安装在凹槽ⅲ中。

进一步优选的，所述固定板ⅰ和固定板ⅱ上的凹槽ⅰ和凹槽ⅱ是对应设置的，即高度和数量一一对应，所述声波发射器的两端分别固定在固定板ⅰ和固定板ⅱ的凹槽ⅰ和凹槽ⅱ中，声波发射器安装于固定板ⅰ和固定板ⅱ之间；声波发射器包括声波发射器ⅰ和声波发射器ⅱ，分别安装于相邻两组固定板上；

凹槽ⅲ分为垂直设置的两组，分别用于安装温度传感器ⅰ和温度传感器ⅱ；每组凹槽ⅲ成直线排列；即温度传感器ⅰ和温度传感器ⅱ是在底部钢板表面垂直设置的；

声波接收器包括声波接收器ⅰ和声波接收器ⅱ，分别用于测量最小水平主应力和最大水平主应力方向水泥环的固结动态变化过程，声波接收器ⅰ和声波接收器ⅱ均竖直设置在套管内表面，高度相同；应变片包括应变片ⅰ和应变片ⅱ，所述应变片ⅰ和应变片ⅱ均竖直设置在套管内表面；应变片ⅰ和应变片ⅱ分别用于测量最小水平主应力和最大水平主应力方向的水泥环的变形。

声波接收器ⅰ、声波发射器ⅰ、应变片ⅰ在一条直线上，为一组，声波接收器ⅱ、声波发射器ⅱ、和应变片ⅱ在一条直线上为一组，两组的安装方向分别是最大水平主应力方向和最小水平主应力方向，即两个围压加压装置的加压方向。

优选的，所述轴压加压装置和围压加压装置分别通过输油管道与油泵连接，所述油泵上设有压力表，输油管道上设有阀门，用于控制加压压力。

优选的，所述轴压加压装置位于装置空腔的上部，所述轴压加压装置中心带有圆孔ⅳ，圆孔ⅱ与圆柱形杆的直径相同，装置尺寸与空腔尺寸相配合；使用时，轴压加压装置套装在中心柱的圆柱形杆上或者套装在隔热套管柱上。

优选的，所述围压加压装置与底部钢板、隔热层、装置底盘组成凹槽ⅳ，所述可拆卸板底部插入凹槽ⅳ中。

所述围压加压装置包括第一围压加压装置和第二围压加压装置，分别位于壳体相邻的两个侧面的内侧。围压加压装置用于施加最大水平主应力和最小水平主应力。

进一步优选的，所述传压板下方设有填充板，所述填充板和传压板的高度之和等于限位板的高度，使用时，填充板嵌插入凹槽ⅳ中，传压板位于填充板上部。传压板和填充板组成可拆卸板同时使用，用于模拟水泥环固结过程；填充板起到填充凹槽ⅳ和支撑传压板的作用，传压板作用为传递围压；限位板用于制造岩心过程，其作用为在岩心制作时限制岩心的水平位移。

所述限位板包括限位板ⅰ和限位板ⅱ，为钢板，分别位于两个相邻侧面的相应位置。

所述填充板包括填充板ⅰ和填充板ⅱ，分别位于两个相邻侧面的凹槽ⅳ中；传压板包括传压板ⅰ和传压板ⅱ，分别位于两个相邻侧面的相应位置。

优选的，所述降温设备为冷库。

优选的，所述限位板上设有拉环，便于拆卸、更换钢板。

优选的，所述的隔热套管包括底座、隔热套管柱和环形阶梯，环形阶梯位于隔热套管柱底部，套在隔热套管柱外侧。

所述的底座大小与中心柱底座大小相同，所述的环形阶梯高度等于隔热层和底部钢板高度之和；环形阶梯外径与中心柱的圆柱形杆直径相同，环形阶梯内径与隔热套管柱外径相同；所述的隔热套管柱为中空管，内填充有隔热材料。

隔热套管用于模拟地层固井过程中套管的作用，套管柱外径小于中心柱圆形杆的直径，即小于岩心中间孔的直径，套管柱与压制好的岩心间存在一定空间用于注水泥，形成水泥环，应变片可通过测量应变来反映地层对于水泥环的挤压，声波接收器用于接收声波发射器发射的声波来反映出水泥固结的动态过程。

本发明还提供了利用上述装置制备冻土试样的方法，包括以下步骤：

(1)安装中心柱、限位板，组成制备冻土试样的空腔；

(2)将已按一定土水配比混合均匀的湿土填进装置空腔中，每填充空腔体积的1/5，使用活塞压实，直至空腔填充满；

(3)固定轴压加压系统，施加轴压，其压力为模拟地层深度岩石所受的上覆岩层压力大小；

(4)稳定加压半个小时后，卸轴压，冻土试样制备完成；

本发明还提供了一种利用上述装置模拟冻土地层水泥环固结过程的方法，具体的，通过温度传感器、应变片、声波检测装置测量水泥环固结过程中，冻土地层的传热、冻土的蠕变对水泥环的挤压以及水泥环的固结情况，

包括以下步骤：

(1)安装中心柱、限位板，组成制备冻土试样的空腔；

(2)将已按一定土水配比混合均匀的湿土填进装置空腔中，每填充空腔体积的1/5，使用活塞压实，直至空腔填充满；

(3)固定轴压加压系统，施加轴压，其压力为模拟地层深度岩石所受的上覆岩层压力大小；

(4)稳定加压半个小时后，卸轴压，冻土试样制备完成；

(5)更换限位板为传压板，更换中心柱为隔热套管，冻土试样和隔热套管柱之间形成水泥环环形空间；

(6)将装置置于低温环境中，至温度传感器示数达到设定试验温度，形成冻土试样；

(7)设定第一围压加压装置和的第二围压加压装置压力分别为地层最小水平主应力和地层最大水平主应力，设定轴压加压压力为地层上覆岩层压力；

(8)向水泥环环形空间中注入调配好的水泥；

(9)打开声波发射器测量水泥环的固结动态过程，通过应变片测量冻土的蠕变对于水泥环固结过程的挤压，通过温度传感器测量测量水泥固结过程中放热对于冻土地层温度分布的影响；

(10)卸掉压力，取出试样观察冻土与水泥环之间的胶结面。

目前对于固井工程中的水泥环固结的研究主要集中在高温高压地层，对于冻土地带水泥环固结状况及水泥固结对于冻土地层的影响还鲜有研究。同时已有的装置中大多将水泥环的固结与实际的地层应力分布分开研究，而没有考虑地层本身应力的分布与水泥还固结之间的相互影响。与高温地层水泥环的放热对地层的影响可忽略不计相比，冻土地层的物性参数及力学性质受温度的影响极大，从而影响水泥环的固结。因此传统的装置对于冻土地层水泥环的固结过程研究并不适用。与以往用于类似研究的装置相比，首先本装置通过人造冻土岩样，并施加不同的水平地应力和上覆岩层压力来模拟实际地层中水泥还固结时的地层应力分布；其次，通过温度传感器来测量水泥环的固结过程放热对于冻土地层温度分布的影响；再者，通过应变片来测量由于热量的对冻土的影响及冻土本身的蠕变特性对于水泥环的挤压作用；最后通过声波探测器可反映出水泥环固结的动态过程。该实验装置可为进一步的理论研究提供实验基础。

本发明的有益效果：

本发明装置可人造中间带空心圆柱的冻土岩心，并下入隔热套管座，加入水泥，通过施加上覆岩层压力、最大水平主应力、最小水平主应力模拟实际地层条件下水泥环固结工况，同时通过温度传感器、应变片、声波测量水泥环固结过程在冻土地层的传热、冻土的蠕变对水泥环的挤压以及水泥环的固结情况。该实验装置具有低成本、高效率、易于使用等优点。

附图说明

图1为制造岩心过程的装置结构示意图；

图2为制造岩心过程的装置结构俯视图；

图3为水泥环固结过程的装置结构示意图；

图4为水泥环固结过程的装置结构俯视图；

图5a为带底座隔热套管结构示意图；

图5b为带底座隔热套管结构俯视图；

附图标号说明：

1.中心柱；2.轴压加压装置；3.固定板ⅰ；4.固定板ⅱ；5.声波发射器ⅰ；6.外壳；7.空腔；8.装置底盘；9.温度传感器ⅰ；10.隔热层；11.底部钢板；12.第一压力表；13.第一油泵；14.第一阀门；15.第一输油管；16.第一围压加压装置；17.限位板ⅰ；18.拉环；19.第三输油管；20.第三阀门；21.第三油泵；22.第三压力表；23.第二压力表；24第二油泵；25.第二阀门；26.第二输油管；27.工作电脑；28.底座；29.水泥环环形空间；30.填充板ⅰ；31.传压板ⅰ；32.应变片ⅰ；33.限位板ⅱ；34.第二围压加压装置；35.传压板ⅱ；36.冷库；37.温度传感器ⅱ；38.声波接收器ⅰ；39.声波接收器ⅱ；40.声波发射器ⅱ；41.应变片ⅱ；42.环形阶梯。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1：

一种模拟冻土地层水泥环固结实验装置

如图1～图5b所示，为本发明实施例的一种模拟冻土地层水泥环固结实验装置，包括装置主体、压力系统和测量系统。

所述装置主体为方形，包括固定板、可拆卸板和装置底盘8，方形主体的侧面设有外壳6。

方形主体的侧面由两块可拆卸板和两组固定板组成，两块可拆卸板相邻设置；所述固定板包括固定板ⅰ3和固定板ⅱ4，一块固定板ⅰ3和一块固定板ⅱ4组成一组固定板，所述固定板ⅰ3和固定板ⅱ4平行设置，固定板ⅱ4位于固定板ⅰ3和外壳6之间，所述固定板ⅰ3和固定板ⅱ4上设有的若干凹槽ⅰ和凹槽ⅱ。

装置底盘8上面设有底部钢板11，装置底盘8和底部钢板11之间设有隔热层10；两组相邻固定板、两块相邻可拆卸钢板、底部钢板11、中心柱1或者隔热套管组成空腔7。空腔7用于制备岩心和水泥环；所述可拆卸板包括限位板和传压板。

所述压力系统包括轴压加压装置和围压加压装置，所述轴压加压装置位于空腔7上方，所述围压加压装置位于可拆卸板的外侧。

所述测量系统包括声波发射器和声波接收器、温度传感器、应变片组成，所述测量系统与工作电脑27连接；所述声波发射器安装于固定板上，所述声波接收器、应变片安装于隔热套管上，所述温度传感器安装于装置底盘上。

所述装置主体、压力系统和测量系统工作时置于冷库36中。

具体的，所述的隔热套管包括底座28、隔热套管柱和环形阶梯42，环形阶梯42位于隔热套管柱底部，套在隔热套管柱外侧。

具体的，所述中心柱1或隔热套管位于空腔7中心，所述中心柱1的纵向截面成倒“t”字形，所述中心柱1由圆柱形底座和圆柱形杆组成，所述圆孔ⅰ与圆柱形底座的直径相同，圆孔ⅱ和圆孔ⅲ与圆柱形杆的直径相同。

具体的，所述声波发射器安装于固定板ⅰ3和固定板ⅱ4之间；所述声波接收器和应变片设置在隔热套管柱内；所述底部钢板11上表面设有若干凹槽ⅲ，温度传感器安装在凹槽ⅲ中。

具体的，所述固定板ⅰ3和固定板ⅱ4上的凹槽ⅰ和凹槽ⅱ是对应设置的，即高度和数量一一对应，所述声波发射探器的两端分别固定在固定板ⅰ3和固定板ⅱ4的凹槽ⅰ和凹槽ⅱ中；声波发射器包括声波发射器ⅰ5和声波发射器ⅱ40，分别安装于相邻两个侧面的相应位置，即固定板的凹槽中。

凹槽ⅲ分为垂直设置的两组，分别用于安装温度传感器ⅰ9和温度传感器ⅱ37；每组凹槽ⅲ成直线排列；即温度传感器ⅰ9和温度传感器ⅱ37是在底部钢板11表面垂直设置的。

声波接收器包括声波接收器ⅰ38和声波接收器ⅱ39，分别用于测量最小水平主应力和最大水平主应力方向水泥环的固结动态变化过程，声波接收器ⅰ38和声波接收器ⅱ39均竖直设置在隔热套管柱内表面，高度相同；应变片包括应变片ⅰ32和应变片ⅱ41，所述应变片ⅰ32和应变片ⅱ41均竖直设置在隔热套管柱内表面；

声波接收器ⅰ38、声波发射器ⅰ5、应变片ⅰ32在一条直线上，声波接收器ⅱ39、声波发射器ⅱ40、和应变片ⅱ41在一条直线上，即声波接收器ⅰ38和声波接收器ⅱ39成垂直设置，应变片ⅰ32和应变片ⅱ41垂直设置；声波发射器ⅰ5和声波接收器ⅰ4对应安装；声波发射器ⅱ40、声波接收器ⅱ39对应安装。

应变片ⅰ32和应变片ⅱ41分别用于测量最小水平主应力和最大水平主应力方向的水泥环的变形。

具体的，所述轴压加压装置和围压加压装置分别通过输油管道与油泵连接，所述油泵上设有压力表，输油管道上设有阀门，用于控制加压压力。

具体的，所述轴压加压装置位于装置空腔7的上部，所述轴压加压装置中心带有圆孔ⅳ，圆孔ⅱ与圆柱形杆的直径相同，装置尺寸与空腔尺寸相配合；使用时，轴压加压装置套装在中心柱1的圆柱形杆上或者套装在隔热套管柱上。

具体的，所述围压加压装置与底部钢板11、隔热层10、装置底盘8组成凹槽ⅳ，所述可拆卸板底部插入凹槽ⅳ中。

所述围压加压装置包括第一围压加压装置16和第二围压加压装置34，分别位于壳体相邻的两个侧面的内侧。围压加压装置用于施加最大水平主应力和最小水平主应力。

具体的，第一围压加压装置16通过第一输油管15与第一油泵13连接，第一油泵13上设有第一压力表12，第一输油管15上设有第一阀门14。

第二围压加压装置34通过第二输油管26与第二油泵24连接，第二油泵上24设有第二压力表23，第二输油管26上设有第二阀门25。

轴压加压装置2通过第三输油管19与第三油泵21连接，第三油泵21上设有第三压力表22，第三输油管19上设有第三阀门20。

具体的，传压板的下部设有填充板，所述填充板和传压板的高度之和等于限位板的高度，使用时，填充板嵌插入凹槽ⅳ中，传压板位于填充板上部。传压板和填充板组成可拆卸板同时使用，用于模拟水泥环固结过程；填充板起到填充凹槽ⅳ和支撑传压板的作用，传压板作用为传递围压；限位板用于制造岩心过程，其作用为在岩心制作时限制岩心的水平位移。

本发明中限位板不能代替传压钢板，传压钢板受压后会通过移动对冻土施加压力，限位板由于下端固定不能施加压力。冻土试样固结过程是四周受到约束，上部受到载荷作用，所以使用限位板。使用围压加压装置限制岩心的水平位移，会减少加压装置寿命。

所述限位板包括限位板ⅰ17和限位板ⅱ33，为钢板，分别位于两个相邻侧面。

所述填充板包括填充板ⅰ30和填充板ⅱ，分别位于两个相邻侧面的凹槽ⅳ中；传压板包括传压板ⅰ31和传压板ⅱ35，分别位于两个相邻侧面。

具体的，所述限位板上设有拉环18，便于拆卸、更换钢板。

实施例2

所述冻土试样的制备方法为：

a、将中心柱1表面抹一层黄油，从装置底盘8下方的圆孔ⅰ装入，直立装置；

b、将限位板ⅰ17、限位板ⅱ33分别插入相邻两侧面的凹槽ⅳ中；限位板ⅰ17、限位板ⅱ33、底部钢板11、相邻两个固定板ⅰ3组成空腔7；

c、将已按一定土水配比、混合均匀的湿土缓缓填进装置空腔7中，每填充空腔体积的1/5，使用中间带有圆孔的方形活塞压实，直至空腔7填充满；

d、将轴压加压装置2放于装置空腔7上方固定位置，由压实的湿土支撑；

e、打开第三阀门20、第三油泵21，通过第三输油管19向轴压加装置2加压，其压力为模拟地层深度岩石所受的上覆岩层压力大小；

f、稳定加压半个小时后，卸轴压，提出轴压加压装置2；冻土试样制备完成。

实施例3

模拟冻土地层水泥环固结过程的方法为：

1)冻土试样制备完成后，通过拉环18提出限位板ⅰ17、限位板ⅱ33，将填充板装入凹槽在ⅳ中，放入传压板ⅰ31、传压板ⅱ35；

2)取出岩心制备中心柱1，将带底座的隔热套管从装置底盘8下方安装；冻土试样和隔热套管柱之间形成水泥环环形空间29。由于冻土的蠕变作用，水泥会出现少量的溢出，说明蠕变对于水泥环的固结由挤压作用。

3)设定冷库温度为试验温度，打开工作电脑27，直至所有温度传感器示数均为冷库设定温度，形成冻土试样，整个装置置于冷库之中，调节冷库36温度，静置，可以观察温度传感器中各传感器的示数，当各示数均为冷库温度时，可视为已达到该温度下的冻土状态；

4)将轴压加压装置2重新放于装置空腔7上方固定位置，由冻土试样支撑；

5)打开第一阀门14、第一油泵13设置第一围压加压装置16的压力为地层最小水平主应力，通过第一输油管15向第一围压加压装置16加压；

6)打开第二阀门25、第二油泵c24，设置第二围压加压装置34的压力为地层最大水

平主应力，通过第二输油管26向第二围压加压装置34加压；

7)打开第三阀门20、第三油泵21设置轴压加压压力为地层上覆岩层压力，通过第三

输油管19向轴压加压装置2加压；

8)向水泥环环形空间29中注入调配好的水泥；

9)打开声波发射器ⅰ5和声波发射器ⅱ40测量水泥环的固结动态过程，通过应变片ⅰ32和应变片ⅱ41测量冻土的蠕变对于水泥环固结过程的挤压，通过温度传感器ⅰ9和温度传感器ⅱ37测量测量水泥固结过程中放热对于冻土地层温度分布的影响；

10)卸轴压，关闭第三油泵21、第三阀门20，提出轴压加压装置2；卸第一围压(最大水平主应力)，关闭第一油泵13、第一阀门14，取出传压钢板ⅰ31；卸第二围压(最小水平主应力)，关闭第二油泵24，第二阀门25，取出传压钢板ⅱ35。

11)取出试样观察冻土与水泥环之间的胶结面。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。