用于固井界面密封能力测试的试样及其制备方法

1.本技术涉及油气井工程技术研究领域，尤其涉及一种用于固井界面密封能力测试的试样及其制备方法。


背景技术：

2.固井是钻井过程中的重要作业，包括下套管和注水泥，具体为在井眼和套管之间的环形空间内注入水泥浆，并让其凝固形成含有水泥环的环状结构，其中，环状结构由内到外依次为套管、水泥环和页岩壁，相邻两两之间通过胶结相连，从而来实现密封。
3.目前，水泥环和页岩壁之间的胶结存在密封性差的问题，为确保施工安全，本领域亟须一种用于固井界面密封能力测试且适于不同界面属性的试样结构。(我们这里提出的试样不是环状结构的)


技术实现要素：

4.本技术提供了一种用于固井界面密封能力测试的试样及其制备方法，以解决现有技术的试样无法适于不同界面属性的技术问题。
5.第一方面，本技术提供了一种用于固井界面密封能力测试的试样结构，包括：
6.第一本体层；
7.第二本体层，所述第二本体与所述述第一本体沿竖直方向相对设置；
8.相接界面，所述相接界面介于所述第一本体与所述述第二本体之间，且含有凹凸区域界面区；
9.其中，所述第一本体层内部设置有第一通孔，所述第二本体层内部设置有第二通孔，所述第一通孔的一端和所述第二通孔的一端分别与所述相接界面连接。
10.可选的，所述第一通孔和所述第二通孔分别沿竖直方向设置。
11.可选的，所述第一通孔的直径小于等于所述第一本体层的直径的5％，所述第二通孔的直径小于等于所述第二本体层的直径的5％。
12.可选的，所述第一通孔和所述第二通孔分别沿试样边缘进行设置。
13.可选的，所述第一本体和所述第二本体之间且呈轴对称。
14.可选的，所述凹凸区域界面区的面积大于等于所述相接界面总面积的99.5％。
15.可选的，所述第一本体层和第二本体层均为圆柱体形状，且具有相同直径和高度。
16.可选的，所述第一本体层的材料为页岩，所述第二本体层的材料为水泥浆。
17.第二方面，本技术提供了一种第一方面所述的试样结构用于固井界面密封能力的制备方法，包括：
18.制备含有凹凸区域的第一本体层试样；
19.在所述第一本体层试样内设置第一通孔；
20.在设有所述第一通孔的所述第一本体的凹凸区域表面沉积钻井液泥浆；
21.对所述凹凸区域表面进行流体冲洗；
22.在经过流体冲洗的所述凹凸区域表面预置孔道，后浇筑固井水泥浆，并在设定温度和设定压力条件下进行养护；
23.脱模后得到用于固井界面密封能力测试的试样。
24.可选的，所述设定温度为25
‑
150℃，所述设定压力为0
‑
50mpa。
25.本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
26.本技术实施例提供的用于固井界面密封能力测试的试样结构，通过凹凸区域界面区的设置，最大程度还原了固井界面的天然状态；预留孔道与固井界面连通，可以直接监测界面密封性能；制样过程方便、灵活，制备的样品可用于多种温度和压力环境，适应各种复杂的加载模式，具有很强的实用性。
附图说明
27.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
28.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，对于本领域普通技术人员而言，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。
29.图1为真实环境的固井界面存在胶结不良示意图；
30.图2为本技术中用于固井界面密封能力测试的试样结构的立体图；
31.图3为本技术中用于固井界面密封能力测试的试样结构的正视剖切图；
32.图4为本技术中用于固井界面密封能力测试的试样结构的俯视图。
具体实施方式
33.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
34.参阅图1，图1为真实环境的固井示意图，水泥环是固井施工后在套管和地层之间形成的环状水泥石结构。水泥环与套管之间的胶结面称为固井第一界面，水泥环、残留钻井液泥饼和井壁共同形成的复合胶结面叫做固井第二界面。界面胶结历来被认为是整体结构的薄弱环节，当前油气井固井质量问题的根源大都是固井界面封固系统的失效。一方面，在钻井过程中，钻井液附着在套管和地层岩石表面，在固井前无法将其彻底清洗干净，注入的水泥浆凝结硬化后，固井第一和第二界面先天地具有弱胶结的特性；另一方面，套管内压在早期储层改造和后期生产的过程中，经常处于波动状态，使得固井界面长期处于交替加载卸载状态，固井界面的密封性能不断劣化，井下流体(油、气、水)沿固井界面窜流的可能性不断增大。
35.本技术试样结构的一种结构示意图，具体的，试样结构可包括如下结构：
36.第一本体层1；
37.第二本体层2，所述第二本体2与所述述第一本体1沿竖直方向相对设置；
38.相接界面3，所述相接界面介于所述第一本体层1与所述述第二本体层2之间，且含
有凹凸区域界面区；
39.其中，所述第一本体层1内部设置有第一通孔4，所述第二本体层2内部设置有第二通孔5，所述第一通孔4的一端和所述第二通孔5的一端分别与所述相接界面连接。
40.本技术中，凹凸区域界面区的凹凸深度范围可为48
‑
52mm，可采用精密数控雕刻机进行制作，目的是为了模拟天然井壁的凹凸起伏的粗糙表面，达到更大程度的还原实际情况。
41.作为本技术一种实施方式，所述第一通孔4和所述第二通孔5分别沿竖直方向设置。
42.本技术中，第一通孔4和第二通孔5分别沿竖直方向设置的积极作用为：一方面便于通孔的制作加工，另一方面便于气密性监测流体的直接注入。
43.作为本技术一种实施方式，所述第一通孔4的直径小于等于所述第一本体层1的直径的5％，所述第二通孔5的直径小于等于所述第二本体层2的直径的5％。
44.本技术中，第一通孔4的直径和第二通孔5的直径都尽可能的小，直径可为5mm，以保护通孔周围的结构不受影响，否则易导致裂缝。
45.作为本技术一种实施方式，所述第一通孔4和所述第二通孔5分别沿试样边缘进行设置，可设置于距离试样边缘15mm的位置。
46.本技术中，本技术中，第一通孔4和第二通孔5在保证试样完整性的情况下，宜尽可能贴近边缘，以使界面渗流路径最大化。
47.作为本技术一种实施方式，所述第一本体层1和所述第二本体层2之间且呈轴对称。
48.本技术中，第一本体层1和第二本体层2之间且呈轴对称的积极作用为：整个试样结构受力均匀，在密封性测试过程中保持良好的整体结构完整性。
49.作为本技术一种实施方式，所述凹凸区域界面区的面积大于等于所述相接界面3总面积的99.5％。
50.本技术中，凹凸区域界面区的面积大过小，会对还原真实的固井环境产生负面影响。
51.作为本技术一种实施方式，所述第一本体层1和第二本体层2均为圆柱体形状，且具有相同直径和高度。
52.本技术中，第一本体层1和第二本体层2的直径范围可为100mm、对应的高度可为50
±
2mm。
53.作为本技术一种实施方式，所述第一本体层1的材料为水泥浆，所述第二本体层2的材料为页岩。
54.第二方面，本技术提供了一种第一方面所述的试样结构用于固井界面密封能力的制备方法，包括：
55.s1、制备含有凹凸区域的第一本体层试样；
56.s2、在所述第一本体层试样内设置第一通孔；
57.s3、在设有所述第一通孔的所述第一本体的凹凸区域表面沉积钻井液泥浆；
58.沉积钻井液泥浆时，需要预先暂时封堵第一本体试样内部预制的孔道，防止钻井泥浆堵塞；将整个试样淹没于钻井泥浆中，静置1h，取出第一本体试样；
59.s4、对所述凹凸区域表面进行流体冲洗；
60.流体冲洗可具体包括：将经过钻井泥浆沉积的第一本体试样置于内径200mm的管道中，管道中通入现场固井用隔离液，冲洗10min时间，冲洗流速0.2m/s；隔离液冲洗完成后取出第一本体试样。
61.本技术中，一般情况下，先制作下层(第一层)的页岩，再浇筑上层(第二层)的水泥浆。
62.s5、在经过流体冲洗的所述凹凸区域表面预置孔道，后浇筑固井水泥浆，并在设定温度和设定压力条件下进行养护；
63.具体可包括：将第一本体试样整体放入内部轮廓为圆柱体(内部直径为100mm，内部高度为100mm)的养护模具中，第一本体试样的粗糙表面朝上；在第一本体试样粗糙表面预先放置一根细管(外径5mm，内径4mm，高度55mm)，细管放置于第一本体试样表面通孔孔道与圆心连线的对侧，关于粗糙表面的圆心对称，预置细管的下端封堵，防止后续浇筑水泥浆把孔眼堵塞；向模具内倒入预先拌和均匀的固井水泥浆，水泥浆液柱高度与圆柱体模具表面齐平，振捣密实，赶走内部气泡，最后将表面刮平；
64.养护可具体包括：将模具盒放入高温高压养护釜，设定养护温度120℃、养护压力21mpa、养护时间72h。
65.s6、脱模后得到用于固井界面密封能力测试的试样。
66.具体可包括：养护完成后，脱模，得到直径100mm、高度100m的页岩
‑
水泥石组合体试样；该样品在中间位置为第一本体到第二本体(页岩
‑
水泥石)过渡界面，即模拟的固井第二界面；进一步解除对第一本体和第二本体内部预留通孔孔道的封堵，使得两条孔道均与第一本体到第二本体(页岩
‑
水泥石)界面接触，可直接用于界面密封能力的测试。
67.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
68.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。