【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于油氣井固井領域，具體涉及在高溫高壓環境中養護界面剪切膠結強度試件并測量固井一二界面剪切膠結強度的裝置及方法。
技術介紹
1、固井是銜接油氣井鉆井和后續完井、測試、采油/采氣的關鍵環節，固井質量的優良與否不僅涉及到一口井的后續作業能否順利實施，更關系到油氣田勘探開發的進程、安全和效益。
2、固井的主要目的，一是通過水泥環固定、支撐、保護套管，防止套管在后續生產過程中軸向滑移、徑向膨脹/收縮、受地層水腐蝕等引發次生事故，確保油氣井壽命，滿足油氣田長期開發的需要；二是通過水泥環與地層、套管良好膠結實現對套管外地層的層間封隔、防止環空竄流。在后續鉆井、壓裂等生產過程中，由于套管內溫度壓力的變化，水泥環與地層、套管之間的界面膠結極易遭到破壞，從而導致層間封隔失敗、地層流體從井下竄至井口環空，造成井口環空異常帶壓。因此，測試、評價、控制水泥環與地層、套管之間的界面膠結質量，顯得尤為重要。
3、常用的固井界面膠結質量評價指標有三種：1)界面剪切膠結強度，即套管與水泥環之間的界面(簡稱一界面)或水泥環與地層之間的界面(簡稱二界面)在受到軸向剪切力作用時抵抗滑脫的能力；2)界面水力膠結強度，即水泥石與套管和地層膠結后，其界面抵抗水滲透、竄通的能力；3)界面粘接強度，即地層圍壓、套管內壓變化時，固井一、二界面受到垂直方向上的拉壓作用，此時界面抵抗套管脫離水泥石或水泥石脫離地層的能力。
4、目前使用最多的是剪切膠結強度的測量。通過在鋼筒模具中灌入水泥漿，待水泥漿凝結硬化后實現與鋼筒的膠結，然后用抗壓強
5、“一種模擬高溫高壓井下工況下水泥石膠結強度原位測試裝置及方法”(cn110470596a)、“一種測試固井水泥膠結強度的實驗裝置及方法”(cn115931543a)，通過在高溫高壓下對水泥環一界面膠結強度進行測試，避免了將養護的樣品轉到室內常溫常壓下發生結構或強度變化的風險；“一種固井界面膠結強度測試用試樣制備裝置”(cn214251753u)，通過環空加壓在巖心表面形成類似井下實際工況的虛泥漿，測試常壓或憋壓侯凝狀態下水泥環二界面的剪切膠結強度。但是上述裝置無法做到同時測量一界面、二界面的剪切膠結強度，且無法探究套管內壓、地層壓力變化對界面膠結強度的影響。
6、也有學者同時測量一界面、二界面的剪切膠結強度，并模擬高溫高壓下鉆井液泥餅的形成、沖洗(徐璧華等.高溫高壓下油井水泥環膠結強度測試新方法[j].天然氣工業,2016,第36卷(11):65-69)，但實質仍然是高溫高壓下養護、常溫常壓下測試剪切膠結強度，不能較為準確地反映一、二界面剪切膠結強度?！肮叹嗄z結強度測試裝置”(cn105422080a)，無法模擬地層壓力、套管內壓的變化，不能反映實際工況下的界面剪切膠結強度。
7、可見，常規方法只能單獨測量固井一界面或二界面的剪切膠結強度，同時還存在高溫高壓下養護水泥石、常溫常壓下測試剪切膠結強度，巨大的溫差壓差影響測量結果的問題，且不能根據需要測試地層壓力、套管內壓發生變化時固井一、二界面上的剪切膠結強度。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供在一種高溫高壓固井界面剪切膠結強度測量裝置，該裝置原理可靠，操作簡便，通過高溫高壓環境中養護試件并測量固井一、二界面剪切膠結強度，做到養護、測試一體化，從而探究地層壓力變化、套管內壓變化對固井一、二界面剪切膠結強度的影響，具有廣闊的市場應用前景。
2、本專利技術的另一目的還在于提供利用上述裝置測量高溫高壓固井界面剪切膠結強度的方法，測試過程可控，測試結果更加符合井下環境，為研究固井界面剪切膠結強度的影響因素，優化水泥漿性能和固井工藝參數，進一步提高油氣井的固井質量提供重要的技術手段。
3、為達到以上技術目的，本專利技術采用以下技術方案。
4、一種高溫高壓固井界面剪切膠結強度測量裝置，主要由頂蓋、上釜、下釜、底蓋、模擬地層、模擬套管、定位鋼筒、浮動承托板、活塞缸體、內活塞、外活塞、調壓器、液壓泵、帶閥門的進液打壓管線、氣體管線、帶冷凝罐和背壓閥的溢液管線、加熱保溫套、支撐框架、電控系統、顯示器和底座組成。
5、所述頂蓋，通過螺栓與上釜相連，頂蓋設有兩個通孔，分別連接帶閥門的進液打壓管線和氣體管線。
6、所述上釜，為一中空且內壁光滑的厚壁圓筒形釜體；側面設有多個通孔，分別連接進液打壓管線、氣體管線和溢液管線；底部為一圓形法蘭，通過螺栓與下釜相連。
7、所述下釜，為一中空且內壁光滑的厚壁圓筒形釜體，頂部有對應的圓形法蘭，通過螺栓與上釜相連，下釜內有三種尺寸的內徑：上部內徑最大，形成的臺階設有定位塊支撐定位鋼筒，中部內徑次之，浮動承托板能夠在其內壁上下滑動，下部內徑最小，形成的臺階用于支撐浮動承托板，側面連接帶閥門的進液打壓管線和氣體管線/溢液管線。
8、所述底蓋，通過螺栓與下釜相連，通過密封圈在二者間實現密封。
9、所述模擬地層，為井下地層露頭巖石切割而成的真實地層圓筒或混凝土類材料制作而成的模擬地層圓筒，通過樹脂或水泥固定在定位鋼筒內，模擬地層的上、下端面適當打磨光滑，其下端面與環形密封片配合形成密封。
10、所述模擬套管，為一厚壁金屬圓筒，上端面設有排氣孔和對應的密封堵頭，對模擬套管的內腔進液排氣，排氣完畢后擰緊密封堵頭形成模擬套管的內腔；下端面對稱布置兩個缺口，與浮動承托板中央的定位凹槽內的螺釘對應，實現對模擬套管的周向固定。
11、所述定位鋼筒，為中空的厚壁金屬圓筒，下端為一凸沿，通過凸沿坐在下釜內徑最大部分設置的定位塊上，實現對其本身和模擬地層的定位，凸沿的側面和本體的側面設有周向密封圈，分別與下釜上部內壁、上釜下部內壁實現密封。
12、所述模擬套管、模擬地層和定位鋼筒組成試件。
13、所述浮動承托板，側面設有周向密封圈凹槽、密封圈，與下釜內壁配合實現密封，與底蓋形成下釜下腔，浮動承托板的上部有凸臺，其外徑大于定位鋼筒的內徑，在其上端面設有固定模擬套管的凹槽，對應定位鋼筒和模擬地層的位置設有環形密封墊的定位凹槽，通過裝填密封圈和環形密封墊，在下釜下腔壓力的上頂作用下，與模擬套管、定位鋼筒和模擬地層的下端面配合形成密封，并形成下釜上腔，通過對應的進液打壓管線、氣體管線/測試溢液管線，對下釜上腔進行打壓、排氣和測試溢液；在凸臺中設置氣體通道，通過該通道將下釜上腔壓力傳遞至模擬套管內。
14、所述活塞缸體，為一固定于頂蓋上的厚壁金屬圓筒，通過與帶密封圈的內活塞配合，形成活塞內腔，并通過頂蓋的進液打壓管線、氣體管線對活塞內腔進行排氣、打壓，從而推動內活塞和外活塞下行，分別進行模擬固井一、二界面剪切膠結強度的測試。
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【技術保護點】
1.一種高溫高壓固井界面剪切膠結強度測量裝置，包括釜體、儲油罐(33)、液壓泵(34)、電控系統(35)、顯示器(36)、支撐框架(19)和底座(37)，所述釜體通過固定在底座的支撐框架支撐，釜體依次連接儲油罐、液壓泵、電控系統和顯示器，釜體外壁設置加熱保溫套連接溫控系統，其特征在于，所述釜體包括頂蓋(2)、上釜(10)、下釜(18)、底蓋(32)、模擬套管(25)、模擬地層(26)、定位鋼筒(27)、活塞缸體(12)、內活塞(14)、外活塞(15)和浮動承托板(30)，所述頂蓋(2)通過螺栓與上釜(10)相連，所述底蓋(32)通過螺栓與下釜(18)相連，所述上釜與下釜通過法蘭連接，上釜內放置試件，所述試件從內向外依次是模擬套管(25)、模擬地層(26)和定位鋼筒(27)，模擬套管和模擬地層之間形成環形空間，模擬地層通過樹脂或水泥固定在定位鋼筒內，定位鋼筒與上釜內壁之間實現密封；所述試件之上為活塞缸體(12)，試件之下為浮動承托板(30)；所述下釜內有三種尺寸的內徑：上部內徑最大，形成的臺階設有定位塊支撐定位鋼筒(27)，中部內徑次之，浮動承托板(30)能夠在其內壁上下滑動，下部
2.如權利要求1所述的一種高溫高壓固井界面剪切膠結強度測量裝置，其特征在于，所述浮動承托板的凸臺中央設有固定模擬套管的凹槽，對應定位鋼筒和模擬地層的位置設有環形密封墊的定位凹槽，通過裝填密封圈和環形密封墊，在下釜下腔壓力的上頂作用下，與試件的下端面形成密封。
3.如權利要求1所述的一種高溫高壓固井界面剪切膠結強度測量裝置，其特征在于，所述模擬套管的上端面設有排氣孔和對應的密封堵頭，通過排氣孔對模擬套管內進液排氣，擰緊密封堵頭形成模擬套管的內腔，下端面通過浮動承托板凸臺中央的凹槽實現周向固定。
4.如權利要求1所述的一種高溫高壓固井界面剪切膠結強度測量裝置，其特征在于，所述定位鋼筒下端有一凸沿，在下釜內壁對應凸沿的位置設置定位塊，實現對定位鋼筒的進一步固定。
5.如權利要求1所述的一種高溫高壓固井界面剪切膠結強度測量裝置，其特征在于，所述內活塞，上部圓柱外側設有周向密封圈，與活塞缸體內壁配合形成密封和扶正同軸，下部圓柱的直徑較模擬套管的外徑小2-3mm。
6.如權利要求1所述的一種高溫高壓固井界面剪切膠結強度測量裝置，其特征在于，所述外活塞，上部圓筒的內徑與活塞缸體的外徑配合，二者間通過密封圈實現密封和扶正同軸，下部圓筒的外徑較水泥環的外徑小1.5-2mm、內徑較水泥環的內徑大1.5-2mm。
7.如權利要求1所述的一種高溫高壓固井界面剪切膠結強度測量裝置，其特征在于，所述進液打壓管線上設置壓力表、閥門和調壓器。
8.如權利要求1所述的一種高溫高壓固井界面剪切膠結強度測量裝置，其特征在于，所述溢油管線上設有閥門、冷凝罐和背壓閥。
9.利用權利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的裝置測量高溫高壓固井界面剪切膠結強度的方法，依次包括以下步驟：
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述步驟(6)中計算模擬固井一、二界面的剪切膠結強度，過程如下：
...【技術特征摘要】
1.一種高溫高壓固井界面剪切膠結強度測量裝置，包括釜體、儲油罐(33)、液壓泵(34)、電控系統(35)、顯示器(36)、支撐框架(19)和底座(37)，所述釜體通過固定在底座的支撐框架支撐，釜體依次連接儲油罐、液壓泵、電控系統和顯示器，釜體外壁設置加熱保溫套連接溫控系統，其特征在于，所述釜體包括頂蓋(2)、上釜(10)、下釜(18)、底蓋(32)、模擬套管(25)、模擬地層(26)、定位鋼筒(27)、活塞缸體(12)、內活塞(14)、外活塞(15)和浮動承托板(30)，所述頂蓋(2)通過螺栓與上釜(10)相連，所述底蓋(32)通過螺栓與下釜(18)相連，所述上釜與下釜通過法蘭連接，上釜內放置試件，所述試件從內向外依次是模擬套管(25)、模擬地層(26)和定位鋼筒(27)，模擬套管和模擬地層之間形成環形空間，模擬地層通過樹脂或水泥固定在定位鋼筒內，定位鋼筒與上釜內壁之間實現密封；所述試件之上為活塞缸體(12)，試件之下為浮動承托板(30)；所述下釜內有三種尺寸的內徑：上部內徑最大，形成的臺階設有定位塊支撐定位鋼筒(27)，中部內徑次之，浮動承托板(30)能夠在其內壁上下滑動，下部內徑最小，形成的臺階用于支撐浮動承托板；所述活塞缸體(12)為固定于頂蓋的厚壁金屬圓筒，活塞缸體內通過內活塞(14)形成活塞內腔(13)，活塞內腔通過頂蓋的兩個通孔分別連接進液打壓管線和氣體管線，活塞缸體外通過外活塞(15)形成上釜外腔(11)，上釜外腔設置進液打壓管線、氣體管線和溢液管線；所述內活塞為上大下小的雙級圓柱體，上部圓柱與活塞缸體內壁配合形成密封，下部圓柱的直徑小于模擬套管的外徑；所述外活塞為上大下小的厚壁圓筒，上部圓筒與活塞缸體外壁配合實現密封，下部圓筒的外徑小于水泥環的外徑、內徑大于水泥環的內徑；所述浮動承托板(30)通過側面的周向密封圈與下釜內壁配合實現密封，與底蓋(32)形成下釜下腔(31)，浮動承托板頂部有凸臺，凸臺的外徑大于定位鋼筒的內徑，該凸臺與試件的下端面貼合時形成下釜上腔(29)，所述下釜上腔(29)、下釜下腔(31)均設置進液打壓管線...
【專利技術屬性】
技術研發人員：羅政位，張興國，李潤川，吳陽，李波，張華，劉開強，胡鳴輝，
申請(專利權)人：西南石油大學，
類型：發明
國別省市：
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