[發明專利]一種固井水泥環性能模擬實驗裝置及實驗方法

有效

• 申請號: 201210521160.1
• 申請日: 2012-12-06
• 公開（公告）號: CN102979505A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: 曹硯鋒;樓一珊;管虹翔;翟曉鵬;何保生;王利華;武廣璦;李忠慧;文敏;朱亮;史文專
• 申請（專利權）人: 中國海洋石油總公司;中海油研究總院;長江大學
• 主分類號: E21B47/005
• 分類號: E21B47/005
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;關暢

1.一種固井水泥環性能模擬實驗裝置，其特征在于：它包括一套泥餅循環裝置、一套水泥環性能檢測裝置和一套膠結面剪切力實驗裝置；

所述泥餅循環裝置包括一具有通液口的下釜蓋，所述下釜蓋的頂面焊接有一筒體，且在所述下釜蓋的凹緣內設置有一下托架，所述下托架頂面設置有一地層試樣，所述地層試樣頂面設置有一上托架，所述上托架頂面設置有一與所述筒體密封連接的、且具有側面出液口和中心測井口的上釜蓋，所述筒體中心設置有一連接驅動裝置的實驗工具；

所述水泥環性能檢測裝置包括一具有通液口的下釜蓋，所述下釜蓋的頂面焊接有一具有側面進口的筒體，且在所述下釜蓋的凹緣內設置有一下托架，所述下托架頂面設置有一固井試樣，所述固井試樣頂面設置有一與所述筒體密封連接的、且具有中心測井口的上釜蓋；

所述膠結面剪切力實驗裝置包括一底座，所述底座頂面中心設置有一凸柱，所述底座頂面設置有一插設在所述凸柱上的墊塊，所述墊塊頂面設置有一固井試樣，所述固井試樣頂面設置有一沖壓板，所述沖壓板的底面設置有一圈凸緣；

所述固井試樣包括一設置在外層的地層試樣、一設置內層的套管試樣和一將所述地層試樣與所述套管試樣膠結在一起的水泥環。

2.如權利要求1所述的一種固井水泥環性能模擬實驗裝置，其特征在于：所述實驗工具為一鉆桿，所述鉆桿上端通過一頂針連接在所述上托架中心，下端通過一轉軸連接在所述下釜蓋的中心，且所述轉軸通過傳動機構連接一電機。

3.如權利要求1所述的一種固井水泥環性能模擬實驗裝置，其特征在于：所述實驗工具為一洗井管，所述洗井管包括一輸液管和一通過上封板和下封板連接在所述輸液管上的套筒，所述下封板設置有若干垂向排液口，所述上、下封板之間的所述輸液管上設置有若干徑向排液口，所述下封板底面中心設置有一轉軸，所述轉軸穿過所述下釜蓋，并通過傳動機構連接一電機；所述輸液管頂部穿過所述上托板，轉動支撐在所述中心測井口處。

4.如權利要求1或2或3所述的一種固井水泥環性能模擬實驗裝置，其特征在于：所述下托架包括一外圓環，在所述外圓環的內徑設置有至少三個伸出爪，所述三個伸出爪通過一內圓環連接成一體，所述內圓環內的各所述伸出爪的高度均低于所述內圓環外的相應所述伸出爪的高度，且在分界處形成的凹臺處設置有用于安裝密封圈的凹槽。

5.如權利要求1或2或3所述的一種固井水泥環性能模擬實驗裝置，其特征在于：所述上托架包括一圓環，所述圓環的內徑設置有至少三個伸出爪，所述三個伸出爪的末端共同連接一具有中心孔的圓盤。

6.如權利要求4所述的一種固井水泥環性能模擬實驗裝置，其特征在于：所述上托架包括一圓環，在所述圓環的內徑設置有至少三個伸出爪，所述三個伸出爪的末端共同連接一具有中心孔的圓盤。

7.如權利要求1或2或3或6所述的一種固井水泥環性能模擬實驗裝置，其特征在于：所述墊塊包括分別使用的兩塊，其中一所述墊塊的外徑與所述套管試樣的外徑相匹配，另一所述墊塊的頂面邊緣設置有一圈凸緣，且凸緣的內、外徑與所述水泥環的內、外徑相匹配；所述沖壓板包括分別使用的兩塊，其中一所述沖壓板底面的凸緣內徑大于所述套管試樣的外徑，小于所述水泥環的外徑；另一所述沖壓板底面的凸緣內徑大于所述水泥環的外徑。

8.如權利要求4所述的一種固井水泥環性能模擬實驗裝置，其特征在于：所述墊塊包括分別使用的兩塊，其中一所述墊塊的外徑與所述套管試樣的外徑相匹配，另一所述墊塊的頂面邊緣設置有一圈凸緣，且凸緣的內、外徑與所述水泥環的內、外徑相匹配；所述沖壓板包括分別使用的兩塊，其中一所述沖壓板底面的凸緣內徑大于所述套管試樣的外徑，小于所述水泥環的外徑；另一所述沖壓板底面的凸緣內徑大于所述水泥環的外徑。

9.如權利要求5所述的一種固井水泥環性能模擬實驗裝置，其特征在于：所述墊塊包括分別使用的兩塊，其中一所述墊塊的外徑與所述套管試樣的外徑相匹配，另一所述墊塊的頂面邊緣設置有一圈凸緣，且凸緣的內、外徑與所述水泥環的內、外徑相匹配；所述沖壓板包括分別使用的兩塊，其中一所述沖壓板底面的凸緣內徑大于所述套管試樣的外徑，小于所述水泥環的外徑；另一所述沖壓板底面的凸緣內徑大于所述水泥環的外徑。

10.一種如權利要求1～9任一項所述裝置的固井水泥環性能模擬實驗方法，包括以下步驟：

1）固井試樣的制作

a、將地層試樣放入泥餅循環裝置的筒體中，將鉆桿安裝在筒體內，蓋好上釜蓋，并封住上釜蓋上部的中心測井口，啟動電機帶動鉆桿轉動，同時從下釜蓋的通液口連續注入鉆井液，鉆井液從上釜蓋的出液口流出，被鉆桿帶起的鉆井液會掛設在地層試樣的內壁形成泥餅；

b、關閉電機，取出鉆桿，通過聲波測井儀測量粘接在地層試樣內壁的泥餅層厚度；

c、封住下釜蓋上的通液口，將洗井管安裝在筒體內，蓋好上釜蓋，并將輸液管的上部轉動支撐在上釜蓋的中心測井口處，啟動電機帶動洗井管轉動，同時從洗井管中心的輸液管頂部注入洗井液，洗井液從下封板的排液口流出，并向上充填在地層試樣與洗井管之間的環空中，洗井管的轉動起到攪拌洗井液的作用，洗井液從上釜蓋的出液口流出；

d、關閉電機，取出洗井管，通過聲波測井儀測量洗井后粘接在地層試樣內壁的泥餅層厚度，并通過計算得到洗井前、后鉆井液泥餅厚度的變化。

e、在上、下托架、之間裝入套管試樣，并向套管試樣與地層試樣之間的環空內注入固井水泥形成水泥環，待水泥環凝固后，便形成一將套管試樣和地層試樣膠結在一起的固井試樣；

2）水泥環的密封性能和耐腐蝕性能的檢測

a、模擬油井在流體壓力作用下水泥環膠結面密封性檢測實驗時，首先將步驟1）得的固井試樣放入水泥環性能檢測裝置中，然后從筒體的進口注入油水混合物至筒體與固井試樣之間的環空中，使油水混合物通過地層試樣滲入水泥環，并從下釜蓋上的通液口流出，最后利用聲波檢測儀測量得到油水混合物浸入后，水泥環內、外兩個膠結面的聲波曲線；

b、模擬氣井在氣體壓力作用下水泥環膠結面密封性檢測實驗時，首先將步驟1）得的固井試樣放入水泥環性能檢測裝置中，然后從筒體的進口注入氮氣至筒體與固井試樣之間的環空中，使氮氣通過地層試樣滲入水泥環，并從下釜蓋上的通液口流出，最后利用聲波檢測儀測量得到氮氣浸入后，水泥環內、外兩個膠結面的聲波曲線；

c、模擬二氧化碳腐蝕情況下水泥環膠結面的失效形式時，首先將步驟1）得的固井試樣放入水泥環性能檢測裝置中，然后從筒體的進口注入二氧化碳氣體至筒體與固井試樣之間的環空中，使二氧化碳氣體通過地層試樣滲入水泥環，并從下釜蓋上的通液口流出，最后利用聲波檢測儀測量得到二氧化碳氣體浸入后，水泥環內、外兩個膠結面的聲波曲線；

3）套管試樣與水泥環之間膠結面剪切力的檢測

a、在膠結面剪切力實驗裝置中，選擇一外徑與套管試樣外徑相匹配的墊塊，并裝配在底座上；

b、將步驟1）得到的固井試樣坐在墊塊上；

c、選擇一凸緣內徑與套管試樣外徑匹配的沖壓板，并壓在固井試樣的頂面；

d、向沖壓板施加壓力，并記錄在施壓過程中，套管試樣與水泥環之間膠結面剪切力的實時數據；

4）水泥環與地層試樣之間膠結面剪切力的檢測

a、在膠結面剪切力實驗裝置中，選擇一外徑與水泥環外徑相匹配的墊塊，并裝配在底座上；

b、將步驟1）得到的固井試樣坐在墊塊上；

c、選擇一凸緣內徑與水泥環外徑匹配的沖壓板，并壓在固井試樣的頂面；

d、向沖壓板施加壓力，并記錄在施壓過程中，地層試樣與水泥環之間膠結面剪切力的實時數據。