專利名稱：一種固井水泥環性能模擬實驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種模擬實驗裝置，特別是關于一種在油/氣井下實際溫壓條件下，能夠模擬固井動態變化的固井水泥環性能模擬實驗裝置。
背景技術：
目前，在水泥膠結固井過程中，鉆井液泥餅的厚度及形成過程對固井水泥環膠結強度的影響很大，而由于受到泵壓、接觸時間和環空體積等因素的影響，沖洗液沖洗井過程的頂替效率不是很好，因此為了模擬井下鉆井、洗井動態變化工況，研究不同條件下固井后水泥環膠結強度的變化，改善水泥膠結固井效果，目前國內出現了不少模擬鉆井和固井過程的實驗裝置。但是由于水泥環的膠結強度還取決于水泥漿高度和水泥環直徑，實際尺寸的環空與按照比例縮小的環空對膠結強度的影響不一樣，目前國內同類型的實驗裝備均不完善，要么不能完全模擬現場實際儲層孔滲特性，要么不能模擬套管及水泥環的實際尺寸，要么不能真實模擬泥餅的形成過程與泥餅厚度，及泥餅形成后的洗井過程等對第二膠結面強度的影響。
發明內容針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種功能全面，模擬條件準確，實驗方法有效且能夠模擬全尺寸固井動態變化的固井水泥環性能模擬實驗裝置。為實現上述目的，本實用新型采取以下技術方案: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。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。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。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。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。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、夕卜徑相匹配；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。本實用新型由于采取以上技術方案，其具有以下優點:1、本實用新型由于采用的套管試樣與實際固井中應用的套管材料和尺寸相同，所用的地層試樣為標準的地層試樣，地層試樣的孔滲特性、強度特性及流體特性等均與實際油/氣井中的地層特性相同，因此本實用新型能夠真實地模擬全尺寸固井動態變化，且模擬條件準確。2、本實用新型的模擬實驗裝置中由于設置了泥餅循環裝置，因此只要在模擬實驗裝置內裝配上鉆井桿或洗井管，就可以模擬實際鉆井過程中鉆井液泥餅的形成過程，或沖洗液沖洗井過程。3、本實用新型的模擬實驗裝置中由于設置了水泥環性能檢測裝置，因此只要向水泥環性能檢測裝置中注入液體、氣體或二氧化碳，就可以分別檢測各種液體或氣體對水泥環膠結面的影響，以及二氧化碳對水泥環膠結面的腐蝕作用。4、本實用新型由于在泥餅循環裝置和水泥環性能檢測裝置上分別設置有 上釜蓋和下釜蓋，裝置內的溫度和壓強均可以調節，因此，不但可以模擬實際井下溫壓條件下固井工況的動態變化，而且可以檢測實際井下溫壓條件下水泥環的密封性。本實用新型模擬實驗裝置功能全面，實驗方法簡單有效，它可以廣泛用于各種固井動態變化的模擬實驗中。
圖1是本實用新型泥餅循環裝置結構示意圖圖2是本實用新型水泥環性能檢測裝置結構示意圖圖3是本實用新型膠結面剪切力實驗裝置結構示意圖圖4是本實用新型安裝有洗井管的泥餅循環裝置結構示意圖圖5是本實用新型泥餅循環裝置下托架結構示意圖圖6是圖5的A-A剖視圖圖7是本實用新型泥餅循環裝置上托架結構示意圖圖8是圖7的A-A剖視圖圖9是本實用新型膠結面剪切力實驗裝置底座結構示意圖圖10是本實用新型膠結面剪切力實驗裝置小墊塊結構示意圖圖11是本實用新型膠結面剪切力實驗裝置大墊塊結構示意圖圖12是本實用新型膠結面剪切力實驗裝置小沖壓板結構示意圖[0023]圖13是本實用新型膠結面剪切力實驗裝置大沖壓板結構示意圖具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細的描述。如圖1、圖2、圖3所示，本實用新型裝置包括泥餅循環裝置1、水泥環性能檢測裝置2和膠結面剪切力實驗裝置3。如圖1、圖4所示，泥餅循環裝置I包括下釜蓋11、下托架12、筒體13、上托架14、上釜蓋15、地層試樣16，根據實驗的要求在筒體內3還設置有鉆桿7或洗井管8等實驗工具。下釜蓋11的頂面和底面中心分別設置有一圈凹緣111、112，在頂面凹緣112上垂向設置有一通液口 113。如圖5、圖6所示，泥餅循環裝置I的下托架12包括一外圓環121，在外圓環121的內徑設置有至少三個伸出爪122，三個伸出爪122通過一內圓環123連接成一體，內圓環內123的各伸出爪122的高度均低于內圓環123外的相應伸出爪122的高度，且在分界處形成有一凹臺124，凹臺124立面凹設有用于安裝密封圈的凹槽125。下托架12裝配在下爸蓋11頂面的凹緣112內(如圖1所示)。如圖1、圖4所示，泥餅循環裝置I的筒體13上部設置有內螺紋131，在內螺紋下方的筒體13內設置有一圈內凸緣132，內凸緣132的立面設置有兩圈用于安裝密封圈133的凹槽，筒體13的底部焊接在下釜蓋11上。如圖7、圖8所示，泥餅循環裝置I的上托架14包括一圓環141，在圓環141的內徑設置有至少三個伸出爪142，各伸出爪142的末端共同連接一具有中心孔143的圓盤144。如圖1、圖4所示，泥餅循環裝置I的上釜蓋15下部通過其上設置的外螺紋和兩密封圈133密封連接在筒體13的上端，上釜蓋15頂部具有一向上的凸起151，在凸起151側面設置有供鉆井液和洗井液排出的出液口 152，在凸起151頂面中心設置有中心測井口153。上釜蓋15的頂部可以設置有連接起吊裝置的吊環154。泥餅循環裝置I的地層試樣16呈環狀坐在下托架12的外圓環121上，上托架14放置在地層試樣的頂端，將上釜蓋15旋緊在筒體13頂部后，上釜蓋15的底面可以壓緊上托架14。泥餅循環裝置I的鉆桿17上端和下端各設置一封板171、172，上封板171中心固定連接一頂針173，下封板172中心固定連接一轉軸174。使用鉆桿17時，上封板171的頂針173插入上托架14的中心孔143中，下封板172的轉軸174下部穿出下釜蓋11，并通過傳動機構與電機(圖中未示出)連接。如圖4所示，泥餅循環裝置I的洗井管18包括一套筒181，套筒181的上、下端各焊接有一封板182、183，上、下封板182、183的中心共同固定連接一輸液管184，下封板183上設置有若干垂向排液口 185，且下封板183的底面中心焊接有一轉軸186 ;上、下封板182、183之間的輸液管184上設置有若干徑向排液口 187。需要洗井時將鉆桿17取出，將下封板底面的轉軸下部穿出下釜蓋11，并通過傳動機構與電機連接；輸液管184頂部穿過上托板14，并通過一圓盤188轉動支撐在中心測井口 153處。
如圖2所示，本實用新型的水泥環性能檢測裝置2包括下釜蓋21、下托架22、筒體23、固井試樣24和上釜蓋25。[0035]水泥環性能檢測裝置2的下釜蓋21與泥餅循環裝置I的下釜蓋11類似，二者相同之處是:頂面也具有一圈凹緣211，垂向設置有一通液口 212 ;二者不同之處是:下釜蓋21的底面為平面。水泥環性能檢測裝置2的下托架22與泥餅循環裝置I的下托架12完全相同，在此不再贅述。水泥環性能檢測裝置2的筒體23與泥餅循環裝置I的筒體13類似，二者相同之處是:筒體23上部也設置有內螺紋231，在內螺紋下方的筒體23內設置有一圈內凸緣232，內凸緣232內立面設置有兩圈用于安裝密封圈233的凹槽，筒體23焊接在下釜蓋21上；二者不同之處是:筒體23的筒壁上設置有一進口 234，用于進液、進氣等。水泥環性能檢測裝置2的固井試樣24包括設置在外層的地層試樣16，設置在內層的套管試樣241，填充在套管試樣241與地層試樣16之間的環空體積中、將套管試樣241與地層試樣16膠結在一起的水泥環242。固井試樣24坐在下托架22上。水泥環性能檢測裝置2的上釜蓋25與泥餅循環裝置I的上釜蓋15類似，二者相同之處是:上釜蓋25下部通過其上設置的外螺紋和兩密封圈251密封連接在筒體23的上端，上釜蓋25的頂部可以設置連接起吊裝置的吊環253 ;二者不同之處是:上釜蓋25沒有向上的凸起151，而是在上釜蓋25的中心設置一測井口 253。如圖3所示，本實用新型的膠結面剪切力實驗裝置3包括底座31、墊塊32和沖壓板33。如圖3、圖9所示，膠結面剪切力實驗裝置3的底座31頂面中心設置有一凸柱311。如圖3所示，膠結面剪切力實驗裝置3的墊塊32底面中心設置有一與底座31上的凸柱配合的凹孔321。本實用新型根據測試的需要設置有不同尺寸的墊塊32，比如:如圖10所示，當需要測試套管24 1與水泥環242之間膠結面的剪切力時，可以使用直徑與套管試樣241外徑相匹配的墊塊32，即墊塊的外徑與套管試樣241的外徑相同或稍小，但不能小于套管試樣241的內徑；如圖11所示，當需要測試水泥環242與地層試樣16之間膠結面的剪切力時，可以使用直徑與地層試樣16內徑相匹配的墊塊32，此時墊塊32邊緣設置有一圈凸緣322，凸緣322的內、外徑尺寸與水泥環242的內、外徑尺寸相匹配，即凸緣322的內、外徑尺寸與水泥環242的內、外徑尺寸相同或稍小。如圖3所示，膠結面剪切力實驗裝置3的沖壓板33包括一圓盤331，圓盤331的底面設置有一圈凸緣332。本實用新型根據測試的需要設置有不同尺寸的沖壓板33，比如:如圖12所示，當需要測試套管241與水泥環242之間膠結面的剪切力時，可以使用凸緣332內徑與套管試樣241外徑相匹配的沖壓板33，即凸緣332內徑與套管試樣241外徑相同或稍大，但不能大于水泥環242的外徑；如圖13所示，當需要測試水泥環242與地層試樣16之間膠結面的剪切力時，可以使用凸緣334內徑與地層試樣16內徑相匹配的沖壓板33，SP沖壓板33的凸緣334內徑與地層試樣16內徑相同或稍大。本實用新型的使用方法包括固井試樣的制作、水泥環密封性的檢測和水泥環兩個膠結面剪切力的測試，各步驟如下:I)固井試樣的制作a、將地層試樣16放入泥餅循環裝置I的筒體13中，將鉆桿17安裝在筒體13內，蓋好上釜蓋15，并封住上釜蓋15上部的中心測井口 153，啟動電機帶動鉆桿17轉動，同時從下釜蓋11的通液口 113連續注入鉆井液，鉆井液從上釜蓋15的出液口 152流出，被鉆桿17帶起的鉆井液會掛設在地層試樣16的內壁形成泥餅；b、關閉電機，取出鉆桿17，通過聲波測井儀測量粘接在地層試樣16內壁的泥餅層
厚度；C、封住下釜蓋11上的通液口 113，將洗井管18安裝在筒體13內，蓋好上釜蓋15，并將輸液管184的上部轉動支撐在上釜蓋15的中心測井口 153處，啟動電機帶動洗井管18轉動，同時從洗井管18中心的輸液管184頂部注入洗井液,洗井液從下封板183的排液口185流出，并向上充填在地層試樣16與洗井管18之間的環空中，洗井管18的轉動起到攪拌洗井液的作用，洗井液從上釜蓋15的出液口 152流出；d、關閉電機，取出洗井管18，通過聲波測井儀測量洗井后粘接在地層試樣16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12、14之間裝入套管試樣241，并向套管試樣241與地層試樣16之間的環空內注入固井水泥形成水泥環242，待水泥環242凝固后，便形成一將套管試樣241和地層試樣16膠結在一起的固井試樣24 ；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242膠結面密封性檢測實驗時，首先將步驟I)得的固井試樣24放入水泥環性能檢測裝置2中，然后從筒體23的進口 234注入油水混合物至筒體23與固井試樣24之間的環空中，使油水混合物通過地層試樣16滲入水泥環242，并從下斧蓋21上的通液口 212流出，最后利用聲波測試儀測量得到油水混合物浸入后，水泥環242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I)得的固井試樣24放入水泥環性能檢測裝置2中，然后從筒體23的進口 234注入氮氣至筒體23與固井試樣24之間的環空中，使氮氣通過地層試樣16滲入水泥環242，并從下斧蓋21上的通液口 212流出，最后利用聲波測試儀測量得到氮氣浸入后，水泥環242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I)得的固井試樣24放入水泥環性能檢測裝置2中，然后從筒體23的進口 234注入二氧化碳氣體至筒體23與固井試樣24之間的環空中，使二氧化碳氣體通過地層試樣16滲入水泥環，并從下斧蓋21上的通液口 212流出，最后利用聲波測試儀測量得到二氧化碳氣體浸入后，水泥環242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3中，選擇一外徑與套管試樣241外徑相匹配的墊塊32，并裝配在底座31上；b、將步驟1)得到的固井試樣24坐在墊塊32上；C、選擇一凸緣內徑與套管試樣241外徑匹配的沖壓板33，并壓在固井試樣24的頂面；d、向沖壓板33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[0061 ] a、在膠結面剪切力實驗裝置3中，選擇一外徑與水泥環242外徑相匹配的墊塊32，并裝配在底座31上；b、將步驟I)得到的固井試樣24坐在墊塊32上；C、選擇一凸緣內徑與水泥環242外徑匹配的沖壓板33，并壓在固井試樣24的頂面；d、向沖壓板33施加壓力，并記錄在施壓過程中，地層試樣16與水泥環242之間膠結面剪切力的實時數據。上述各實施例僅用于說明本實用新型，其中各部件的結構、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本實用新型技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本實用新型的保護范圍之外 。
權利要求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.如權利要求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。
專利摘要本實用新型涉及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；泥餅循環裝置可以用于模擬鉆井過程、洗井過程以及固井試樣的制作；水泥環性能檢測裝置可以用于檢測固井試樣中水泥環內、外側膠結面的密封性及失效形式；膠結面剪切力實驗裝置可以用于測試膠結面的剪切力。本實用新型由于采用的套管試樣與實際固井中應用的套管材料和尺寸相同，所用的地層試樣為標準的人造地層試樣，其孔滲特性、強度特性及流體特性等均與實際井中的地層特性相同，因此本實用新型能夠真實地模擬全尺寸固井動態變化，且模擬條件準確。本實用新型可以廣泛用于各種固井動態變化的模擬實驗中。
文檔編號E21B47/005GK203097874SQ201220667898
公開日2013年7月31日 申請日期2012年12月6日 優先權日2012年12月6日
發明者曹硯鋒, 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 申請人:中國海洋石油總公司, 中海油研究總院, 長江大學