一种模拟固井二界面开裂的实验装置的制作方法

本发明涉及常规与非常规油气藏开发的领域，尤其涉及一种模拟固井二界面开裂的实验装置。

背景技术：

石油是不可再生的宝贵资源，它不仅在能源、交通方面支撑着工业化的进程，而且在化工等各个方面也起着举足轻重的作用，被称为“工业的血液”。但由于石油深藏于地下岩层内，如何经济、合理的将其最大限度地开采到地面，依赖专业人员的设计和实施。为了完成石油的勘查、评价以及开采，固井是石油工程中一项必不可少的关键技术手段。

固井是每开次钻井工程的最后一次作业，是衔接钻井和采油的关键工程，固井就是用合适的设备、工艺及固井水泥浆将井内下入的套管串与地层或外层套管之间的环形空间进行有效封固。从宏观上来说，固井二界面的胶结虽然看似紧密，但是由于材料物性的差异，不可能像天然完整岩体那样密实一体，在地下流体的长期挤压侵蚀下会逐渐产生界面胶结松动直至脱离胶结，尤其是在界面处或水泥环内部存在微孔隙或微裂隙的情况下，界面胶结质量和水泥环内部结构的劣化将会加速发生。如果微裂缝发展或贯通，不仅容易产生“气窜”而影响上部固井质量，还可能导致固结体气胀崩塌和井壁失稳，甚至挤坏套管。因此，有必要研究固井二界面在井下不同温度、不同压力下的裂缝发育规律及开裂情况，从而为后期如何调整水泥浆及其外掺料的配合比来满足不同固井条件要求打下坚实的理论基础。为了预先评价拟采用的固井水泥浆体系是否满足固井要求，则需开发接近实际情况的井下固井模拟实验系统，并通过该实验系统确定固井水泥浆对不同地层环境的反应，从而为固井工艺与技术合理设计提供量化评价技术和理论依据。

在现有技术中，常用的二界面胶结质量评价方法均没有达到较好的效果，不能准确地测试环空水泥浆与井壁之间的胶结质量，也不能对某一类井形成一种体系的评价方法。因此，对于提出一种更加准确的固井质量评价方法及装置有着迫切的需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种模拟固井二界面开裂的实验装置及方法。

本发明提供一种模拟固井二界面开裂的实验装置，包括气/液增压注入驱替系统、气体环压注入系统、至少一个试件仓和与所述试件仓对应设置的检测系统，所述试件仓上设有第一进料端，第二进料端和第一出料端，所述气体环压注入系统与所述第一进料端连通，所述气/液增压注入驱替系统与所述第二进料端连通，所述驱替液计量系统与所述第一出料端连通，所述试件仓用于放置试验岩心，所述气体环压注入系统用于向所述试件仓内输送环压气体，所述气/液增压注入驱替系统用于向所述试件仓内输送驱替气体和驱替液体，所述检测系统用于检测试样仓内是否有气体或液体输出。

进一步地，还包括恒温箱，多个所述试件仓分别可拆卸的安装在所述恒温箱内，所述恒温箱内设有第一加热单元，所述第一加热单元用于对恒温箱的内部加热。

进一步地，所述气体环压注入系统包括手摇泵和缓冲容器，所述手摇泵与所述缓冲容器的进气端连通，所述缓冲容器的出气端与所述第一进料端连通。

进一步地，所述气/液增压注入驱替系统包括第一罐体、第二罐体、增压机、流量计、压力表和手动阀，所述第一罐体和所述第二罐体的第二出料端均与所述第二进料端连通，所述增压机、所述压力表、所述手动阀和所述流量计分别沿所述气/液的输入方向依次设置在所述第一罐体和所述第二罐体的第二出料端，所述第一罐体内存储驱替气体，所述第二罐体内存储驱替液体。

进一步地，所述试件仓包括外壳、环压筒、第二加热单元和两组固定组件，所述外壳为圆筒结构，其水平设置，所述环压筒同轴设置在所述外壳内，其用于放置试验岩心，所述第二加热单元设置在所述环压筒外，其用于对所述环压筒进行加热，两组所述固定组件分别对应的设置在所述外壳的两端，以用于关闭或打开所述外壳对应端的开口，所述环压筒上设有至少一个与其内部连通的第一通孔，所述外壳上设有与所述第一通孔对应的第二通孔，所述第二通孔与对应的所述第一通孔连通，以形成所述第一进料端，所述气体环压注入系统与所述第一通孔和所述第二通孔连通，其中一组所述固定组件上设有第二进料端，另一组所述固定组件上设有第一出料端。

进一步地，还包括第二温度传感器、第三压力传感器和第一控制器，所述第二温度传感器和所述第三压力传感器均设置在所述环压筒内，所述第一控制器分别与所述第二温度传感器、所述第三压力传感器和所述第二加热单元电连接。

进一步地，所述环压筒由外筒和胶套筒组成，所述外筒同轴设置在所述外壳内，所述胶套筒同轴设置在所述外筒内，其两端分别延伸至与所述外筒的对应端平齐，并通过固定环进行连接固定，所述胶套筒用于放置试验岩心，所述外筒和所述胶套筒之间形成环压空腔，所述第二温度传感器和所述第三压力传感器均设置在所述环压空腔内，第二加热单元设置在所述外筒上。

进一步地，所述固定组件包括第一固定件和密封件，所述密封件为与所述胶套筒匹配的圆柱体结构，其同轴且可拆卸的设置在所述胶套筒内，以用于固定所述试验岩心，所述第一固定件同轴且可拆卸的安装在所述外壳的一端，其靠近所述密封件的一端与所述密封件抵接，其用于封闭所述外壳的开口，所述第一固定件上同轴设有第三通孔，所述密封件上同轴设有第四通孔，其中一组所述第四通孔与对应端的第三通孔连通，以形成所述第二进料端，所述第二固定件为与所述胶套筒匹配的圆柱形结构，其同轴设置在所述外壳的另一端，其靠近所述胶套筒的一端伸入所述胶套筒内，所述第二固定件的中部设有沿其轴向方向设置的第五通孔，所述第五通孔形成所述出料端。

进一步地，所述检测系统包括气排水计量管和精密电子天平，所述精密电子天平的上端设有密封容器，所述气排水计量管悬挂在所述密封容器的上方，其下端伸入所述密封容器内，其上端与所述出料端连通，所述气排水计量管的设有气动阀，所述气排水计量管内填充有液体。

一种利用上述实验装置模拟固井二界面开裂的方法，其主要包括以下步骤：

s1、制备岩心：将地层岩心切成半圆柱体后，将半圆柱体岩心的表面打磨平整，并进行烘干处理；

s2、制备试件：将s1中烘干后的岩心放入圆柱形的水泥模具中，向水泥模具中倒入拌好的固井水泥浆，直至填满水泥模具后，按api标准养护2d，即可制成试件；

s3、将s2中制成的试件取出并放入试件仓内，密封试件仓，检查试件仓的密封性，以及气动阀是否处于开启状态；

s4、启动气体环压注入系统，向试件仓内输入环压气体，启动气/液增压注入驱替系统，向试件仓内输入驱替气体或驱替液体，使试件获得驱替压力，同时，启动检测系统；

s5、设置试件仓的温度，以模拟地层温度；

s6、持续向试件仓内输送驱替气体或驱替液体，直至检测系统检测试样仓内是否有气体或液体输出，即捕捉到了试件裂通的瞬间，进而实现捕捉模拟的二界面裂通的瞬间。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提供的一种模拟固井二界面开裂的实验装置，其能模拟不同温度和压力条件下的地层环境，以实现模拟在不同温度和压力条件下二界面开裂的环境，可精准捕捉二界面开裂的瞬间以及计算出二界面开裂所需的时间，具有操作方便、模块化和集成化程度高和反应灵敏等优点，而本发明提供的一种模拟固井二界面开裂的方法可对固井二界面进行预评价，通过获取在不同温度和压力环境下获取二界面开裂的时间，以为实际中固井作业提供理论指导，降低井内安全事故的发生概率，提高固井作业的安全性和社会经济效益。

附图说明

图1是本发明所述一种模拟固井二界面开裂的实验装置的结构示意图；

图2是本发明所述试件仓的结构示意图；

图3是本发明所述一种模拟固井二界面开裂的方法的流程图。

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

由于岩石和水泥石的渗透性极小，在驱替压力的作用下，首先破坏的是其中的薄弱点即两者的交界面。于是，在交界面上会不断产生裂隙，最终连成一条贯通两个端面的裂缝，驱替的气液通过该裂缝通道流出，检测系统采集到该变化，此时正式宣告固井二界面破坏，基于上述原理，本发明涉及了一种模拟固井二界面开裂的实验装置和方法。

请参考图1-2，本发明的实施例提供了一种模拟固井二界面开裂的实验装置，包括气/液增压注入驱替系统、气体环压注入系统、数据处理终端50、至少一个试件仓10和与所述试件仓10对应设置的检测系统，所述试件仓10上设有第一进料端18，第二进料端192和第一出料端193，所述气体环压注入系统与所述第一进料端18连通，所述气/液增压注入驱替系统与所述第二进料端192连通，所述驱替液计量系统与所述出料端193连通，所述试件仓10用于放置试验岩心，所述气体环压注入系统用于向所述试件仓10内输送环压气体，所述气/液增压注入驱替系统用于向所述试件仓10内输送驱替气体和驱替液体，所述检测系统用于检测试件仓10内是否有气体或液体输出，所述数据处理终端50与所述试件仓10、所述检测系统和气/液增压注入驱替系统连接。

在此，需要说明的是，在实验装置中，为了提高装置一次模拟实验试验岩心的数量，试件仓10可根据需要设有多个，对应的，检测系统也设有多个。

为了最大限度地接近地层的真实环境，本发明所述的实验装置还包括恒温箱100，多个所述试件仓10分别可拆卸的安装在所述恒温箱100内，其中，可拆卸的安装方式可方便试件仓10的拆装，所述恒温箱100的侧壁上对应的设有可供与试件仓10第一进料端18、第二进料端192和第一出料端193连接的管路穿过的通孔，所述恒温箱100内设有第一加热单元(图中未示出)和第一温度传感器104，所述第一加热单元用于对恒温箱100的内部加热，所述第一温度传感器104与数据处理终端50电连接，其用于检测所述恒温箱100内的温度，并将检测到的温度信息发送至数据处理终端50，所述恒温箱100的外壁上设有控制面板，所述控制面板用于设置和显示所述恒温箱100内的温度，其为现有技术，对此对其控制原理和具体结构不再进行赘述。其中，所述第一加热单元为电热管，其设置在所述恒温箱100的内壁上。

本发明中的恒温箱100采用铝合金制成，且在恒温箱100上安装有排风扇(图中未示出)和门体109。恒温箱100高度1.5m、宽2.5m，其能满足在温度20～250℃的条件下模拟常规和非常规条件下地层的固井作业过程。

在上述实施例中，所述气体环压注入系统包括手摇泵20和缓冲容器21，所述手摇泵20与所述缓冲容器21的进气端连通，所述缓冲容器21的出气端通过管路与所述试件仓10的第一进料端18连通，其中，在所述缓冲容器21与试件仓10连通的管路上设有第一压力传感器22，所述第一压力传感器22与数据处理终端50连接，其用于检测进入所述试件仓10内气体的压力值，以便随时对进入试件仓10内气体的压力值进行监控和调整。在此，需要说明的是，本发明对试件仓10与恒温箱100的可拆卸连接方式不做限制，现有技术中能实现试件仓10与恒温箱100可拆卸连接的结构均可作为本发明中试件仓10与恒温箱100可拆卸连接的具体实施例，因此，本发明对其不再进行赘述。

其中，通过手摇泵20向缓冲容器21内输送环压气体，而缓冲容器21一方面作为存储容器用于存储手摇泵20制造的环压气体，一方面也可防止从手摇泵20生产的环压气体直接进入试件仓10内，造成试试件仓10的环压瞬时增大，影响试件仓10的安全使用。其中，缓冲容器21可以为储气罐，还可以为其他可存储气体的容器。此外，需要说明的是，当试件仓10内所需环压比较大时，需要另连接气瓶储罐和气液增压机以向试件仓10内通入环压。

在上述实施例中，所述气/液增压注入驱替系统包括第一罐体30、第二罐体31、增压机32、流量计33、压力表34、手动阀35和与所述试件仓10对应设置的第二压力传感器36，所述第一罐体30和所述第二罐体31的第二出料端均通过管路与所述试件仓10的第二进料端192连通，所述增压机32、所述压力表34、所述手动阀35和所述流量计33分别沿所述气/液的输入方向依次设置在所述第一罐体30的第二出料端与所述试件仓10的第二进料端192连通的管路上。在本实施例中，第一罐体30内存储驱替气体如氮气，存储在第一罐体30内的驱替气体通过增压机32增压后输送至试件仓10内，所述第二罐体31内存储驱替液体如水，所述第二压力传感器36设置在与对应所述试件仓10第二进料端192连通的管路上，所述第二压力传感器36与所述数据处理终端50电连接，其用于检测进入对应所述试件仓10的第二进料端192内驱替气体或驱替液体的压力值，并将检测的压力值发送至数据处理终端50。

其中，根据试验岩心，选择向试件仓10内输入驱替气体或驱替液体，若试验岩心的孔隙内是液体就选择采用液体驱替，如果是气体，就选择用气体驱替；第一罐体30和第二罐体31上均设有阀门(图中未示出)。当需要向试件仓10输入驱替气体或驱替液体时，依次打开第一罐体30或第二罐体31上的阀门与手动阀35，通过增压机32对驱替气体或驱替液体进行增压处理后，通过管路输送至第二进料端192内，已完成向试件仓10内输送驱替气体或驱替液体的操作。其中，压力表34可方便观察通过增压机32处理后的驱替气体或驱替液体的压力值，第二压力传感器36用于检测进入第二进料端192内驱替气体或驱替液体的压力值，流量计33可方便观察和了解进入第二进料端192内驱替液体的流量，压力表34、第二压力传感器36和流量计33均可实现便于了解和调整不同驱替压力的目的。本发明所述的气/液增压注入驱替系统，可有效模拟地层的高压环境，通过向试件仓10内提供驱替压力，以真实的模拟岩心在地层高压环境下的裂通过程。

在上述实施例中，所述试件仓10包括外壳11、环压筒、第二温度传感器12、第三压力传感器13、第二加热单元14、固定组件、第二固定件194和第一控制器(图中未示出)；

所述外壳11为圆筒结构，其水平设置，所述固定组件和所述第二固定件(194)分别设置在所述外壳11的两端，以用于封闭或打开所述外壳11两端的开口，所述环压筒由外筒15和胶套筒16组成，所述外筒15同轴设置在所述外壳11内，所述胶套筒16同轴设置在所述外筒15内，其两端分别延伸至与所述外筒15的对应端平齐，并通过固定环(图中未示出)进行连接固定，所述胶套筒16用于放置试验岩心，所述外筒15和所述胶套筒16之间形成环压空腔17，第二加热单元14设置在所述外筒15上，所述第二温度传感器12和所述第三压力传感器13均设置在所述环压空腔17内，所述第一控制器与所述第二加热单元14、所述第二温度传感器12和所述第三压力传感器13电连接，第二加热单元14用于对所述外筒15进行加热，所述第二温度传感器12用于检测环压空腔17内的温度，并将检测信号发送至第一控制器，所述第三压力传感器13用于检测环压空腔17内的压力，并将检测信号发送至第一控制器，所述第二温度传感器12和所述第三压力传感器13和数据处理终端50电连接，所述外筒15上设有两个与所述环压空腔17连通的第一通孔，所述外壳11上设有与两个所述第一通孔对应的第二通孔，所述第二通孔与对应的所述第一通孔连通，以形成所述第一进料端18；

所述固定组件包括第一固定件19和密封件191，所述密封件191为与所述胶套筒16匹配的圆柱体结构，其同轴且可拆卸的设置在所述胶套筒16内，以用于固定所述试验岩心，所述第一固定件19同轴且可拆卸的安装在所述外壳11的一端，其靠近所述密封件191的一端与所述密封件191抵接，其用于封闭所述外壳11的开口，所述第一固定件19上同轴设有第三通孔，所述密封件191上同轴设有第四通孔，其中一组所述第四通孔与对应端的第三通孔连通，以形成所述第二进料端192，所述第二固定件194为与所述胶套筒16匹配的圆柱形结构，其同轴设置在所述外壳11的另一端，其靠近所述胶套筒16的一端伸入所述胶套筒16内，所述第二固定件194的中部设有沿其轴向方向设置的第五通孔，所述第五通孔形成所述出料端193。

其中，当进行实验时，先将试验岩心放入胶套筒16内，再在试验岩心的两端分别安装第一固定件19、密封件191和第二固定件194，以将试验岩心初步固定在胶套筒16内，通过手摇泵(20)、缓冲容器21和第一进料端18向环压空腔17内输送环压气体，在环压气体的作用下，试验岩心被紧密的夹持在胶套筒16内，同时，启动第二加热单元14，第二加热单元14对外筒15进行加热，以模拟地层高温高压环境，第二进料端192和出料端193处均设有管道，驱替液体或驱替气体通过管道进入第二进料端192内，以对试验岩心施加驱替压力，当试验岩心裂通后，驱替液体或驱替气体则可通过试验岩心，以被检测系统检测到。在此过程中，第二温度传感器12和第三压力传感器13时刻监测环压空腔17内的温度和压力，并分别将监测信号发送至第一控制器和数据处理终端50，当第二温度传感器12检测到环压空腔17内的温度高于预设值，其将信号发送中第一控制器，第一控制器则自动关闭第二加热单元14。在本发明中，第二加热单元14为金属加热片，密封件191为螺栓，其螺纹安装在外壳11的两端，以封闭外壳11对应的开口。外壳11两端开口的直径与胶套筒16的直径一致。此外，需要说明的是，本发明中第五通孔的直径小于第四通孔的直径，以使得当试验岩心的裂通时，通过试验岩心的气体或液体能迅速通过管道流向检测系统，进而达到提高装置反应灵敏性的目的。本发明所述的试件仓10，能有效模拟地层的温度和压力条件，并能灵敏自动的对环压筒内的温度进行调节和实施监控，适用于在高温和高压条件，能很好地满足测试实验高温高压要求，从而更有利于完成岩心的裂通实验，此外，还能将岩心稳固的夹持在环压筒内，提高实验的精准度。

所述检测系统包括气排水计量管40和精密电子天平41，所述精密电子天平41的上端设有密封容器42，所述气排水计量管40悬挂在所述密封容器42的上方，其下端伸入所述密封容器42内，其上端通过管路与所述出料端193连通，且其与所述出料端193连通的管路上设有气动阀43，所述气排水计量管40内填充有液体，所述精密电子天平41与数据处理终端50电连接。

其中，当试验岩心裂通后，驱替气体或驱替液体穿过试验岩心进入与气排水计量管40连通的管道内，气排水计量管40感受到压力后，其内的液体滴落至密封容器42内，精密电子天平41检测到重量，并传送至数据处理终端50，数据处理终端50记录下此时的时间，如此，就完整的捕捉到了试验岩心的裂通时间，而后，气动阀43检测到管路中有气体流通时，则将管路关闭，避免驱替气体或驱替液体继续在管道中流动，影响实验结果。其中，密封容器42可防止空气中的水汽或杂志进入，影响实验结果；而气动阀43的作用是实现驱替气体或驱替液体单向流入气排水计量管40内。在此，需要说明的是，为了提高数据处理终端50捕捉试验岩心裂通时间的精准性，气排水计量管40与出料端193连通的管路长度尽可能的短，以减少驱替气体或驱替液体在管路内流通的时间。本发明所述的检测系统，能精确捕捉试验岩心的裂通时间，还具有结构简单、操作方便和实施成本低等优点。

在本发明中，数据处理终端50为计算机，计算机具有处理信息速度快和处理结果精准等优点。

请参考图3，一种利用上述实验装置模拟固井二界面开裂的方法，其具体步骤如下所示：

s1、制备岩心：利用线切割机将地层岩心切成的半圆柱体，将半圆柱体岩心的表面打磨平整后，进行烘干处理；

s2、制备试件：将s1中烘干后的岩心放入圆柱形的水泥模具中，向水泥模具中倒入拌好的固井水泥浆，直至填满水泥模具后，按api标准养护2d，即可制成试件；

s3、将s2中制成的试件取出并放入试件仓10内，密封试件仓10，检查试件仓10的密封性，以及气动阀43是否处于开启状态；

s4、启动手摇泵20，向环压空腔17内输入环压气体，打开第一罐体30或第二管体以及增压机32，向试件仓10内输入驱替气体或驱替液体，使试件获得驱替压力，同时，打开精密电子天平41；

s5、设置恒温箱100和试件仓10的温度，以模拟地层温度；

s6、持续向试件仓10内输送驱替气体或驱替液体，直至气排水计量管40内的液体滴落至密封容器42内，精密电子天平41采集到密封容器42的重量变化，记录此刻的时间，即捕捉到试件裂通的瞬间，进而捕捉到模拟的二界面裂通的瞬间，同时还可获取模拟的二界面裂通所需的时间；

s7、实验结束后，将试件取出用相关仪器对其物性和结构形貌进行测量，如用ct扫描测其界面形貌。

本发明提供的一种模拟固井二界面开裂的实验装置，其能模拟不同温度和压力条件下的地层环境，以实现模拟在不同温度和压力条件下二界面开裂的环境，可精准捕捉二界面开裂的瞬间以及计算出二界面开裂所需的时间，具有操作方便、模块化和集成化程度高和反应灵敏等优点，而本发明提供的一种模拟固井二界面开裂的方法可对固井二界面进行预评价，通过获取在不同温度和压力环境下获取二界面开裂的时间，以为实际中固井作业提供理论指导，降低井内安全事故的发生概率，提高固井作业的安全性和社会经济效益。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。