[发明专利]一种固井水泥环性能模拟实验装置及实验方法

权利要求书

1.一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：它包括一套泥饼循环装置、一套水泥环性能检测装置和一套胶结面剪切力实验装置；

所述泥饼循环装置包括一具有通液口的下釜盖，所述下釜盖的顶面焊接有一筒体，且在所述下釜盖的凹缘内设置有一下托架，所述下托架顶面设置有一地层试样，所述地层试样顶面设置有一上托架，所述上托架顶面设置有一与所述筒体密封连接的、且具有侧面出液口和中心测井口的上釜盖，所述筒体中心设置有一连接驱动装置的实验工具；

所述水泥环性能检测装置包括一具有通液口的下釜盖，所述下釜盖的顶面焊接有一具有侧面进口的筒体，且在所述下釜盖的凹缘内设置有一下托架，所述下托架顶面设置有一固井试样，所述固井试样顶面设置有一与所述筒体密封连接的、且具有中心测井口的上釜盖；

所述胶结面剪切力实验装置包括一底座，所述底座顶面中心设置有一凸柱，所述底座顶面设置有一插设在所述凸柱上的垫块，所述垫块顶面设置有一固井试样，所述固井试样顶面设置有一冲压板，所述冲压板的底面设置有一圈凸缘；

所述固井试样包括一设置在外层的地层试样、一设置内层的套管试样和一将所述地层试样与所述套管试样胶结在一起的水泥环。

2.如权利要求1所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述实验工具为一钻杆，所述钻杆上端通过一顶针连接在所述上托架中心，下端通过一转轴连接在所述下釜盖的中心，且所述转轴通过传动机构连接一电机。

3.如权利要求1所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述实验工具为一洗井管，所述洗井管包括一输液管和一通过上封板和下封板连接在所述输液管上的套筒，所述下封板设置有若干垂向排液口，所述上、下封板之间的所述输液管上设置有若干径向排液口，所述下封板底面中心设置有一转轴，所述转轴穿过所述下釜盖，并通过传动机构连接一电机；所述输液管顶部穿过所述上托板，转动支撑在所述中心测井口处。

4.如权利要求1或2或3所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述下托架包括一外圆环，在所述外圆环的内径设置有至少三个伸出爪，所述三个伸出爪通过一内圆环连接成一体，所述内圆环内的各所述伸出爪的高度均低于所述内圆环外的相应所述伸出爪的高度，且在分界处形成的凹台处设置有用于安装密封圈的凹槽。

5.如权利要求1或2或3所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述上托架包括一圆环，所述圆环的内径设置有至少三个伸出爪，所述三个伸出爪的末端共同连接一具有中心孔的圆盘。

6.如权利要求4所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述上托架包括一圆环，在所述圆环的内径设置有至少三个伸出爪，所述三个伸出爪的末端共同连接一具有中心孔的圆盘。

7.如权利要求1或2或3或6所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述垫块包括分别使用的两块，其中一所述垫块的外径与所述套管试样的外径相匹配，另一所述垫块的顶面边缘设置有一圈凸缘，且凸缘的内、外径与所述水泥环的内、外径相匹配；所述冲压板包括分别使用的两块，其中一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述套管试样的外径，小于所述水泥环的外径；另一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述水泥环的外径。

8.如权利要求4所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述垫块包括分别使用的两块，其中一所述垫块的外径与所述套管试样的外径相匹配，另一所述垫块的顶面边缘设置有一圈凸缘，且凸缘的内、外径与所述水泥环的内、外径相匹配；所述冲压板包括分别使用的两块，其中一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述套管试样的外径，小于所述水泥环的外径；另一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述水泥环的外径。

9.如权利要求5所述的一种固井水泥环性能模拟实验装置，其特征在于：所述垫块包括分别使用的两块，其中一所述垫块的外径与所述套管试样的外径相匹配，另一所述垫块的顶面边缘设置有一圈凸缘，且凸缘的内、外径与所述水泥环的内、外径相匹配；所述冲压板包括分别使用的两块，其中一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述套管试样的外径，小于所述水泥环的外径；另一所述冲压板底面的凸缘内径大于所述水泥环的外径。

10.一种如权利要求1～9任一项所述装置的固井水泥环性能模拟实验方法，包括以下步骤：

1）固井试样的制作

a、将地层试样放入泥饼循环装置的筒体中，将钻杆安装在筒体内，盖好上釜盖，并封住上釜盖上部的中心测井口，启动电机带动钻杆转动，同时从下釜盖的通液口连续注入钻井液，钻井液从上釜盖的出液口流出，被钻杆带起的钻井液会挂设在地层试样的内壁形成泥饼；

b、关闭电机，取出钻杆，通过声波测井仪测量粘接在地层试样内壁的泥饼层厚度；

c、封住下釜盖上的通液口，将洗井管安装在筒体内，盖好上釜盖，并将输液管的上部转动支撑在上釜盖的中心测井口处，启动电机带动洗井管转动，同时从洗井管中心的输液管顶部注入洗井液，洗井液从下封板的排液口流出，并向上充填在地层试样与洗井管之间的环空中，洗井管的转动起到搅拌洗井液的作用，洗井液从上釜盖的出液口流出；

d、关闭电机，取出洗井管，通过声波测井仪测量洗井后粘接在地层试样内壁的泥饼层厚度，并通过计算得到洗井前、后钻井液泥饼厚度的变化。

e、在上、下托架、之间装入套管试样，并向套管试样与地层试样之间的环空内注入固井水泥形成水泥环，待水泥环凝固后，便形成一将套管试样和地层试样胶结在一起的固井试样；

2）水泥环的密封性能和耐腐蚀性能的检测

a、模拟油井在流体压力作用下水泥环胶结面密封性检测实验时，首先将步骤1）得的固井试样放入水泥环性能检测装置中，然后从筒体的进口注入油水混合物至筒体与固井试样之间的环空中，使油水混合物通过地层试样渗入水泥环，并从下釜盖上的通液口流出，最后利用声波检测仪测量得到油水混合物浸入后，水泥环内、外两个胶结面的声波曲线；

b、模拟气井在气体压力作用下水泥环胶结面密封性检测实验时，首先将步骤1）得的固井试样放入水泥环性能检测装置中，然后从筒体的进口注入氮气至筒体与固井试样之间的环空中，使氮气通过地层试样渗入水泥环，并从下釜盖上的通液口流出，最后利用声波检测仪测量得到氮气浸入后，水泥环内、外两个胶结面的声波曲线；

c、模拟二氧化碳腐蚀情况下水泥环胶结面的失效形式时，首先将步骤1）得的固井试样放入水泥环性能检测装置中，然后从筒体的进口注入二氧化碳气体至筒体与固井试样之间的环空中，使二氧化碳气体通过地层试样渗入水泥环，并从下釜盖上的通液口流出，最后利用声波检测仪测量得到二氧化碳气体浸入后，水泥环内、外两个胶结面的声波曲线；

3）套管试样与水泥环之间胶结面剪切力的检测

a、在胶结面剪切力实验装置中，选择一外径与套管试样外径相匹配的垫块，并装配在底座上；

b、将步骤1）得到的固井试样坐在垫块上；

c、选择一凸缘内径与套管试样外径匹配的冲压板，并压在固井试样的顶面；

d、向冲压板施加压力，并记录在施压过程中，套管试样与水泥环之间胶结面剪切力的实时数据；

4）水泥环与地层试样之间胶结面剪切力的检测

a、在胶结面剪切力实验装置中，选择一外径与水泥环外径相匹配的垫块，并装配在底座上；

b、将步骤1）得到的固井试样坐在垫块上；

c、选择一凸缘内径与水泥环外径匹配的冲压板，并压在固井试样的顶面；

d、向冲压板施加压力，并记录在施压过程中，地层试样与水泥环之间胶结面剪切力的实时数据。