可视化异形固井二界面胶结质量及异形体强度测试系统的制作方法

本发明涉及固井二界面胶结质量检测技术领域，特别涉及一种可视化异形固井二界面胶结质量及异形体强度测试系统。

背景技术：

石油与天然气的采出需要经历一系列复杂的过程，包括钻井、固井、完井、射孔、注水、采油等。其中，固井具有为套管提供保护和支撑，对相邻地层进行有效层间封隔的重要作用。而固井质量的好坏直接决定生产井的寿命，并对后续的各个环节的顺利进行以及采收率有重要影响，是油田长期稳产的关键工程。因此对固井质量的评价则显得十分必要，固井质量的关键在于二界面的胶结质量，主要包括胶结强度与层间封隔能力。目前，评价二界面质量的方法主要可归纳为两类：即现场的测井评价方法与室内实验的界面胶结强度评价方法。其中室内实验方法中主要是通过水泥砂浆等材料来模拟地层，接着在固化后的水泥砂将表面形成一定量的泥质薄层来模拟洗井后所残余的泥饼，然后在与薄层相邻的空间注入一定量的水泥浆并固化形成水泥浆硬化体来模拟水泥环，而水泥浆体与地层之间的接触面即为固井二界面。整个物理模型如图6所示，可根据要求制作成所需形状。二界面胶结强度则通过平行于二界面的剪切行为测量得出的剪切强度进行表征，同时，层间封隔能力则通过水泥浆体与地层间界面的渗透性进行表征。这一方法具有简单易操作等优点，然而仍存在一些不足：例如，(1)模拟地层与天然地层物理力学性质差异较大；(2)剪切强度与渗透率在非原位地层温度、压力等条件下测试；(3)二界面形态与天然情况有一定差异；从而都对测试结果的准确性与对现场的指导作用有一定影响。另外，涉及高压低温等实验中所制作的物理模型尺寸较大，也增加了实验开展的难度。

此外，当固井所遇到的地层力学强度较低，甚至是非固结等沉积物地层时，二界面的形态将更加复杂，且物理模拟模型与天然情况的相近程度对测试结果的影响更大。例如，作为清洁能源的天然气水合物。

天然气水合物广泛分布于海洋沉积地层与陆上冻土地层中，储量极其丰富，碳储量为常规能源的两倍左右，且随着技术的进步和勘探工作的继续，理论可开采量也逐渐增多，其成功开采对于缓解日益减少的油气资源的紧张局面有重要意义，已被各国视为未来石油、天然气的替代能源，极具开采价值。相对于冻土地层，海域水合物储层的压实固结程度更差，力学强度更低。从而也导致了原位力学性质与渗透性测试可行性很低。固井过程中为实现井壁的安全稳定，提高二界面的胶结质量，固井液压力一般大于地层的孔隙压力，另外由于水泥水化放热导致近井壁地层水合物分解，使得近井壁地层的渗透率和孔隙度增加，都导致了水泥浆一定程度的侵入近井壁地层中，因此二界面的形态并非平整面，而类似于布满不同尺寸锥形侵入体(类似于树根或狼牙棒的结构)的面。另外，现场固井过程中，难以直观地观测到二界面形态的发育以及裂隙的发展，而通过对形态与微裂隙观测也有利于分析研究二界面强度与密封性能的影响机理。以上所存在问题都增加了胶结强度与层间封隔能力评价的难度与准确性。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种可视化异形固井二界面胶结质量及异形体强度测试系统，旨在解决弱力学强度地层，固井二界面胶结质量评价方法中所存在的异形固井二界面形态模拟困难，仿真程度低且二界面胶结质量难以评价等问题，增加了可视化功能，有利于固井水泥环与二界面胶结形态的观测，并通过多组件的替换使用，可以单独评价储层井壁界面情况、锥形侵入体对二界面胶结质量的影响。另外也用于评价二次挤水泥对胶结强度的影响，并且可广泛用于水泥与土体、岩体等界面强度的测定，如桩基侧面摩擦阻力(摩擦桩的承载力)的测量、建筑物表面砖石体与水泥等胶凝材料的粘结强度等。

本发明解决上述技术问题的具体技术方案如下：可视化异形固井二界面胶结质量及异形体强度测试系统，主要包括高压反应釜体与观察仪器，所述的高压反应釜体包括模拟地层腔体、固井水泥/水泥石腔体、液压缸腔体，所述的液压缸腔体的一个侧壁为水泥石升降模具基座；所述的液压缸腔体设有液压缸室高压气液出入口、液压缸油路管线，内部安装有液压缸；

所述的模拟地层腔体、固井水泥/水泥石腔体相连通成形成实验腔，垂直的连通面为二界面；所述的二界面底部设有二界面多用口，顶部设有二界面渗透性测试气体出口；所述的实验腔内壁设有橡胶模管，顶部和底部分别设有环形密封挡圈，橡胶模管和上、下两组环形密封挡圈边缘密封接触形成密封空间；

固井水泥/水泥石腔体下部设有水泥石升降模具，水泥石升降模具安装在水泥石升降模具基座上，水泥石升降模具由液压缸驱动升降；

在所述的固井水泥/水泥石腔体内，固井水泥/水泥石腔体内壁与橡胶模管之间留有空隙，在空隙处设有薄壁不锈钢骨架，薄壁不锈钢骨架支撑橡胶模管；空隙内安装有多个水平挡块，水平挡块固定在固井水泥/水泥石腔体内壁上，多个水平挡块不连续分布，并且位于环形密封挡圈下缘；所述的固井水泥/水泥石腔体侧壁上设有围压入口，围压入口与所述的空隙连通；

模拟地层腔体内设有热电偶；

所述的模拟地层腔体内设有多根反应气注入管，反应气注入管下端位于模拟地层腔体底部外；反应气注入管的壁上分布多个小孔；

所述的模拟地层腔体、固井水泥/水泥石腔体侧上分别设有可视窗口，可视窗口外安装有显微观测装置；观察仪器可根据实验测试需要选择具体不同性能参数的装置。

所述的模拟地层腔体顶部设有密封盖，密封盖内设有密封圈；

所述的固井水泥/水泥石腔体顶部密封，固井水泥/水泥石腔体顶部设有激光测距仪器，还设有气液出入口。

所述的模拟地层腔体的位置高度低于所述的固井水泥/水泥石腔体；所述的环形密封挡圈包括高低两部分，两部分通过垂直板连接，高低两部分分别位于固井水泥/水泥石腔体、模拟地层腔体处。

所述的橡胶模管，当无需剪切测试时，橡胶模管为一个整体，而当需要剪切测试时，橡胶模管为两部分，分别位于模拟地层腔体和固井水泥/水泥石腔体内，两部分在二界面处为搭接面接触，在剪切过程中为滑动密封。

还包括透明玻璃体，透明玻璃体内水平设置多个侵入体空穴，侵入体空穴的一端位于透明玻璃体一个侧壁上，另外一端位于透明玻璃体内，并且通过透气管与透明玻璃体另外一侧壁连接，透气管内设有侵入体推塞；透明玻璃体安装在模拟地层腔体内，并且与模拟地层腔体内壁、水泥石升降模具之间通过橡胶圈密封。

二界面多用口作为二界面渗透性测试气体入口或者钻井液与固井液入口。

高压反应釜体内的模拟地层腔体提供制作模拟地层的空间，用于模拟实际钻井过程中的近井壁地层，可根据需要用砂、土等材料进行模拟制作，固井水泥/水泥石腔体用于模拟实际钻井过程中套管与近井壁地层间的环状空间，是钻井液循环与固井水泥浆注入与硬化的空间。橡胶模管和上、下两组环形密封挡圈形成密封空间，橡胶模管用于对模拟地层腔体和固井水泥/水泥石腔体加围压。固井水泥/水泥石腔体下部为水泥石升降模具，通过液压缸的抬升可测试固井水泥/水泥石腔体与模拟地层腔体的胶结面(二界面)的胶结强度。可视化窗口由高强度玻璃组成，通过密封圈密封与螺母安装在高压反应釜体上，当实验中不使用橡胶模管时可方便地观测二界面形态，结合显微镜和红外装置等，可观察水泥浆在压差下向模拟地层的侵入过程，以及水泥浆硬化过程中微裂隙的发育情况。透明玻璃体为模拟近井壁地层的快速拆装式模具，在以下三种情况中可替代模拟地层腔体内由砂、土等制作的材料：其用于考察(1)不同形态的水泥浆侵入体对二界面胶结强度的影响；(2)二界面粗糙程度对胶结强度和密封性能的影响；(3)钻井液残留的泥饼对二界面强度的影响，上有预制的柱形、锥形等空腔。玻璃体表面粗糙程度主要通过环氧树脂粘接不同粒径的石英砂实现。相对于用砂、土模拟地层，透明玻璃体更加方便快速，且将考查的重点集中在不同形态的水泥浆侵入体和二界面粗糙程度。类似的，用砂、土等模拟地层时同样可以利用模具预制不同形态的侵入体空腔或提高固井压力差让水泥浆在压差下侵入模拟地层而形成侵入体。

模拟地层腔体内，用砂、土制作模拟地层时，利用无水氯化钙和硅酸钠对砂、土颗粒进行胶结，同时加入形成水合物所需的水量，利用模具加以一定的压力成形，保证地层界面凌空时不塌落，且无水氯化钙和硅酸钠胶结力较小，更加接近天然地层。

模拟地层腔体内布置多根反应气注入管，反应气注入管的侧面分布一定的小孔，使得气体注入更加便捷，孔隙中形成的水合物更加充分和均匀。

橡胶模管和上下两组环形密封挡圈密封，橡胶模管上下口边缘始终与环形密封挡圈相接触，在围压压力作用达到密封。橡胶模管可根据实验需要制作多种，当需要同时测量二界面胶结强度和渗透性时，橡胶模管分为两部分，分别为模拟地层腔橡胶模半管和固井水泥腔橡胶模半管，两部分通过滑动密封在二界面处进行密封，从而可实现剪切行为。其中固井水泥腔橡胶模半管上部分外围有薄壁不锈钢骨架。当只测量二界面渗透性时，橡胶模管为一体成型，也可根据实验需要选择使用与否，但同样存在薄壁不锈钢骨架。

密封盖与高压反应釜体用螺母相连接，通过密封圈以压密封形式进行密封。当模拟地层高度较低时，密封盖与模拟地层腔体内的模拟地层可通过压块进行填充。密封盖材质弹性较好，以实现折角处密封。

水泥石升降模具与高压反应釜体内壁以及与水泥石升降模具基座通过密封橡胶圈实现密封，实验过程中液压缸所在液压缸腔体与内腔体同步给以压力以减小内外压差，故此时密封橡胶圈基本不承受压差，只用于防止砂、土和水泥浆的进入。

液压缸连接有压力表，用于获取压力读数，计算剪切强度。二界面多用口、二界面渗透性测试气体出口连接有压力表和流量表，用于获取压力和流量读数，计算渗透率。其它管线出入口根据需要连接压力表和流量表，以实现压力和流量的监控。

固井水泥/水泥石腔体顶部设有激光测距仪器，以实现水泥浆液面高度监控。设有气液出入口以实验钻井液的循环与固井水泥浆的注入。

模拟地层腔体中设有热电偶，以实现地层温度的监控。

当使用透明玻璃体进行快速评价实验时，将透明玻璃体沿二界面，结合垫块安装在模拟地层腔体中，透明玻璃体与模拟地层腔体内壁、水泥石升降模具之间通过橡胶圈密封。透明玻璃体上侵入体空穴形态、数量、尺寸与分布情况根据实验考查需要预先加工。玻璃体界面的粗糙程度可利用环氧树脂粘接不同粒径的石英砂实现。

可视窗口可用于观察无橡胶模管使用时水泥浆的侵入行为与微裂隙发育，结合观测需要选择观察仪器，可以为显微装置或红外装置。

二界面多用口，作为二界面渗透性测试入口管线沿着水泥石升降模具基座内部设置，二界面多用口管线沿着相邻的模拟地层腔体、固井水泥/水泥石腔体设置，以方便剪切行为的实现。

该装置填补了当前天然气水合物等力学松散地层异形固井二界面形成与胶结质量的可视化测试方法的空白。相对于现有的常规油气地层固井二界面胶结质量测试仪器，本发明考虑了井下温度、压力、地层力学性质和孔渗性对二界面形成与形态的影响，并在原位地层的温度压力条件下通过可视化的方法测试异形二界面的胶结质量，评价模型可综合考虑界面形态、界面表面粗糙度、侵入体尺寸等对胶结质量的影响，亦可单独考虑各因素的影响情况。本发明中的物理模型与实际情况更加接近，从而使测试结果更加真实，数据更可靠。

本发明带来的有效效果是：将传统的具有三层及以上的环形腔体组成的测试装置简化为只有两个主要腔体，减小了反应釜体的体积，因而可方便置入水浴或空气浴中降温，且反应釜体的形状与尺寸可根据实验需要制作。可以测试和评价不同形态的水泥侵入体以及地层界面粗糙度对二界面的强度和密封性能的影响，所考查的二界面与实际钻井中的更加接近。可实现原位地层温度压力等条件下水泥浆侵入和硬化过程的可视观察，更加直观。一次实验中可同时评价二界面的胶结强度和渗透性，测试范围更广，性能更加丰富。

本装置不仅可用于含水合物地层固井过程中二界面胶结质量的评价，还可广济用于软土地层土体与水泥胶结面质量的测试，如冻土地层固井质量检测、摩擦桩承载力测试等，在全国范围内的钻井工程与地下基础工程的建设中都具有良好的指导作用。

附图说明

图1为本发明的竖直剖面结构示意图；

图2为本发明的水平剖面结构示意图；

图3为本发明的水平剖面结构示意图；

图4为本发明的透明玻璃体立体结构示意图；

图5为本发明的透明玻璃体侧视结构示意图；

图6现有技术固井二界面胶结质量评价模型示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示可视化异形固井二界面胶结质量及异形体强度测试系统，主要包括高压反应釜体9与观察仪器23，如图2所示，高压反应釜体9可以为圆柱形，也可以如图3所示，为长方体形。所述的高压反应釜体9包括模拟地层腔体17、固井水泥/水泥石腔体20、液压缸腔体，所述的液压缸腔体的一个侧壁为水泥石升降模具基座13；所述的液压缸腔体设有液压缸室高压气液出入口10、液压缸油路管线12，内部安装有液压缸11；

所述的模拟地层腔体17、固井水泥/水泥石腔体20相连通成形成实验腔，垂直的连通面为二界面；所述的二界面底部设有二界面多用口14，顶部设有二界面渗透性测试气体出口21；所述的实验腔内壁设有橡胶模管6，顶部和底部分别设有环形密封挡圈3，橡胶模管6和上、下两组环形密封挡圈3边缘密封接触形成密封空间；

固井水泥/水泥石腔体20下部设有水泥石升降模具8，水泥石升降模具8安装在水泥石升降模具基座13上，水泥石升降模具8由液压缸11驱动升降；

在所述的固井水泥/水泥石腔体20内，固井水泥/水泥石腔体20内壁与橡胶模管6之间留有空隙，在空隙处设有薄壁不锈钢骨架7，薄壁不锈钢骨架7支撑橡胶模管6；空隙内安装有多个水平挡块4，水平挡块4固定在固井水泥/水泥石腔体20内壁上，多个水平挡块4不连续分布，并且位于环形密封挡圈3下缘；所述的固井水泥/水泥石腔体20侧壁上设有围压入口5，围压入口5与所述的空隙连通；

模拟地层腔体17内设有热电偶15；

所述的模拟地层腔体17内设有多根反应气注入管16，反应气注入管16下端位于模拟地层腔体17底部外；反应气注入管16的壁上分布多个小孔；

所述的模拟地层腔体17、固井水泥/水泥石腔体20侧上分别设有可视窗口22，可视窗口22外安装有观察仪器23；

所述的模拟地层腔体17顶部设有密封盖19，密封盖19内设有密封圈18；

所述的固井水泥/水泥石腔体20顶部密封，固井水泥/水泥石腔体20顶部设有激光测距仪器2，还设有气液出入口1。

所述的模拟地层腔体17的位置高度低于所述的固井水泥/水泥石腔体20；所述的环形密封挡圈3包括高低两部分，两部分通过垂直板连接，高低两部分分别位于固井水泥/水泥石腔体20、模拟地层腔体17处。

所述的橡胶模管6，当无需剪切测试时，橡胶模管6为一个整体，而当需要剪切测试时，橡胶模管6为两部分，分别位于模拟地层腔体17和固井水泥/水泥石腔体20内，两部分在二界面处为搭接面接触，在剪切过程中为滑动密封。

如图4和图5所示，还包括透明玻璃体24，透明玻璃体上的侵入体空穴的尺寸、数量与分布根据实验需要进行预先加工设置，排布可以是不规则的。

本实施例子列举一种情况：透明玻璃体24内水平设置多个锥形侵入体空穴25，多个锥形侵入体空穴25在同一水平面上，多个锥形侵入体空穴25上下分别设多个柱形侵入体空穴26，上下两层的柱形侵入体空穴26分别位于同一水平面上；锥形侵入体空穴25的大口端和柱形侵入体空穴26一端位于透明玻璃体24一个侧壁上，锥形侵入体空穴25的小口端和柱形侵入体空穴26另外一端位于透明玻璃体24内，并且通过透气管与透明玻璃体24另外一侧壁连接，透气管内设有侵入体推塞27；透明玻璃体24安装在模拟地层腔体17内，并且与模拟地层腔体17内壁、水泥石升降模具8之间通过橡胶圈28密封。

使用方式之一：

实验目的主要是测试含水合物地层固井二界面的胶结强度与渗透性，分析不同固井压差(产生不同尺寸与形态的水泥浆侵入体)对二界面质量的影响。

如图1所示，本实施例中的异形固井二界面胶结质量及异形体强度测试系统，围压入口5、液压缸室高压气液出入口10、液压缸油路管线12、二界面多用口14、反应气注入管16、二界面渗透性测试气体出口21分别接压力表，二界面多用口14、反应气注入管16、二界面渗透性测试气体出口21同时还接有流量剂，二界面多用口14还接有泥浆泵。

首先在二界面渗透性测试气体出口21处反应釜内壁涂抹适量的凡士林。安装橡胶模管6并对与环形密封挡圈3有接触的区域做预紧处理。利用天然石英砂、无水氯化钙和硅酸钠混合充填压入模拟地层腔体17中，制备物性条件满足要求的模拟地层，模拟地层高度不低于上面的环形密封挡圈3下缘，放入压块后安装密封盖19，整个高压反应釜体9安置在基架上，放置于制冷室中。通过反应气注入管16往模拟地层中注入形成水合物所需孔隙水，开始降温，当温度达到2℃通过反应气注入管16注入甲烷气体到8mpa，保持压力恒定不变2小时以充分形成水合物。过程中通过液压缸室高压气液出入口10注入氮气以保证反应腔与液压缸室压差尽量为零。通过二界面多用口14缓慢注入钻井液静止所需时间以在模拟地层二界面处形成一定量的泥饼，然后排出钻井液。通过二界面多用口14缓慢注入低温固井水泥浆，根据激光测距仪2确定水泥浆实时液面位置，保证液面位置高于二界面渗透性测试气体出口21的最低位置且低于固井水泥/水泥石腔体20中环形密封挡圈3下缘以预留剪切行为所需行程。通过气液出入口1注入高压氮气使水泥浆压力大于地层孔隙压力以使水泥浆侵入水合物地层中，保持氮气压力恒定。水泥浆充分固化后通过围压入口5给模拟地层与固井水泥/水泥石腔体20中固井水泥石加一定量的围压。利用二界面多用口14注入大于腔内压力的氮气，通过二界面渗透性测试气体出口21收集渗流过二界面的气体，过程中记录二界面多用口14和二界面渗透性测试气体出口21的压力与流量，计算二界面渗透率。启动液压缸11抬升水泥石进行剪切，记录液压缸的压力变化，计算剪切强度。通过与未注入固井水泥浆时仪器在自重和摩擦下的剪切强度进行对比即得到二界面胶结强度。测试完成后依次卸除围压与腔体内压力以及液压缸室压力，打开高压反应釜体9，移出模拟地层后观测二界面与侵入体形态。

当使用透明玻璃体24进行模拟实验时，模拟地层的制作则通过透明玻璃体24代替，模拟地层腔体中剩余空间通过压块与垫块补全，且实验过程中无需形成水合物。直接考查侵入体或界面粗糙程度对二界面胶结质量的影响。以上实例为使用橡胶模管6所进行的实验，对密封的要求较高。

另外，当模拟地层的渗透率较差，或无需在实际地层原位应力条件下测试二界面胶结质量时，可不使用橡胶模管6，实验过程中则无需加围压步骤。此时可在可视窗口22处安置显微装置，实时观察水泥浆侵入和微裂隙的形成与发育。

使用方式之二：

实验目的主要是测试水泥侵入体与界面粗糙度对二界面胶结质量的影响，分析不同尺寸侵入体与不同粗糙度界面的定量影响，从而用于指导固井过程中工艺参数的选择。

如图1所示，本实施例中的异形固井二界面胶结质量及异形体强度测试系统，液压缸油路管线12、二界面多用口14、二界面渗透性测试气体出口21接压力表，二界面多用口14、二界面渗透性测试气体出口21同时还接有流量剂，二界面多用口14接有泥浆泵。

首先在二界面渗透性测试气体出口21处反应釜内壁涂抹适量的凡士林。接着将透明玻璃体24安装在模拟地层腔体17中，剩余的空间通过垫块补充。根据研究需要预先在透明玻璃体24上制作不同尺寸、数量和分布的锥形侵入体空穴25和柱形侵入体空穴26，以及在透明玻璃体24侧面通过环氧树脂粘接一定粒径的石英砂。而当只考查水泥侵入体对二界面胶结质量的影响时，无需要粘接石英砂。安装密封盖19，降低温度到实验需要值。接着通过二界面多用口14缓慢注入水泥浆以使水泥浆进入锥形侵入体空穴25、柱形侵入体空穴26，通过激光测距仪2实时监控水泥浆页面高度。注入完毕后让水泥浆充分水化固结。

利用二界面多用口14注入大于腔内压力的氮气，通过二界面渗透性测试气体出口21收集渗流过二界面的气体，过程中记录二界面多用口14和二界面渗透性测试气体出口21的压力与流量，计算二界面渗透率。启动液压缸11抬升水泥石进行剪切，记录液压缸11的压力变化，计算二界面胶结强度。整个测试过程中通过可视窗口22处安置的显微装置，可实时观察水泥浆水化和微裂隙的形成与发育过程。测试完成后打开反应釜，更换具有不同尺寸、形态、界面粗糙度的侵入体空穴，按照以上步骤重复测试。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原理和内容之内，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。