[实用新型]一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪

说明书

技术领域

本实用新型属于石油钻井技术领域，具体涉及一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪。 

技术背景

在固井施工中，固井水泥浆被注入套管与地层之间的环空，水泥浆要经受井下环境而最终凝固形成具有一定胶结能力和硬度的水泥环。井内水泥环具有有效地封隔地层和支撑、保护套管的功能。为了稳产、增产，各油田都相继进行注水、压裂、酸化、补孔等提高生产压差等井下工程作业，不同的作业过程必然使井眼条件发生改变，套管内压改变、地层围岩压力变化以及井眼温度改变引起的温度应力等作用，使水泥环受力状态发生改变，可能导致水泥环产生裂纹，使水泥环的封隔作用失效，造成地下油气水层之间的窜流和套管的腐蚀破坏，严重时造成油气井报废。 

随着小眼井、分支井、侧钻井和薄油层井、热采井数量的增多，对固井质量的要求也越来越高。对于小间隙环空和薄油层固井，因水泥环很薄，水泥石的完整性必须得到保证，否则油井寿命将受到严重影响；开窗侧钻井、大斜度井、大位移井和分支井中造斜段的水泥环经常遭受继续钻进时钻头、钻杆的撞击和震动，以及热采井中热冲击应力对水泥环产生的破坏，都要求研究和改善固井水泥环的力学性能，降低水泥环的脆性，增强水泥环的韧性。 

因此，研究固井水泥石力学性能，提高水泥环本体的完整性对生产及油水井的长期寿命具有重要的意义。 

有关油井水泥石力学性能方面的研究一般都集中在水泥石的强度方面，一般都将水泥石的单轴抗压强度作为主要工程性能指标并对其实施重点检测和分析。 

常规水泥石力学性能评价方法基本上借鉴了混凝土、建筑水泥等材料力学中无机非金属的力学评价方法，其中常用的万能材料试验机可直接测得抗拉、抗折、抗剪切等力学性能，但不能模拟各种井下环境和工况对水泥石完整性的影响。因此，目前水泥石力学性能的研究多是针对于特定水泥浆体系形成水泥石的性能评价，而缺乏对水泥石力学性能受井下环境影响的规律性认识。 

近年来，国内外学者对水泥石完整性的评价与研究越来越重视，并把在室内模拟井下环境对水泥石力学性能的影响研究试验作为考察水泥石完整性的主要技术手段。 

哈尔滨建筑大学和大庆钻井工艺研究所王详林，钟启刚等人为了研究在一定温度和压力下油井水泥固化体的动态力学性能，他们和中科院力学研究所合作，研制了一台带围压和温度的多功能材料动态性能测试装置，可分别进行材料的拉伸，压缩和扭转试验。拉压试验可在三向应力状态下进行，能够测定出动静态弹性模量，动态断裂韧性和破碎吸收能等参数。模拟固井射孔综合试验装置模拟固井条件进行射孔试验，以检验射孔时各种改性配方制作的水泥环的实际力学状态，通过验窜压力能够测定出界面胶结强度。 

罗长吉，王允良等人专门设计了“水泥环界面胶结强度仪”和“水泥环界面压窜试验仪”等装置开展了水泥环界面胶结强度与水泥抗压强度关系的研究；水泥界面胶结强度发展规律的研究；水泥界面胶结强度与表观体积胀缩特性关系的研究及水泥界面胶结强度与水泥水化热效应的关系研究，对水泥界面胶结特性取得了一些初步的认识。 

为了模拟井下固井水泥环实际的受压状态，一般都用美国GCTS公司三轴岩石力学测试系统RTR-100进行三轴应力-应变实验。 

这些研究方法都力争尽可能地模拟固井水泥环的井下受力情况，但存在的问题是试验装置复杂庞大，试验成本高。更关键的是：作为固井水泥环的完整性和可靠性，其关键的力学性能指标应该是固井水泥环在油气井长期的开发过程中的层间封隔的可靠性能，即对油气水等井下流体的抗窜强度。现有的这些方法只能测定特定条件下固井水泥环的力学性能，不能定量分析测定井下压力变化对固井水泥环抗窜强度的变化，难以认识问题的本质。 

发明内容

为了克服现有固井水泥环力学性能测试评价技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪，能够较好地模拟固井水泥环所处的井下的环境条件，模拟井下压力对固井水泥环的损伤，测定不同条件下固井水泥环抗窜强度的变化情况，从而准确评价固井水泥环的抗冲击韧性和封隔可靠性，即完整性；具有结构简单，成本低廉，操作方便，试验浆体用量小，试验数据重现性好，短时间内可以开展大量试验工作的特点。 

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是： 

一种固井水泥环完整性模拟评价试验仪，包括有加压接头1，加压接头1设置在压紧盘根2上，旋紧压环3通过丝扣与压紧圆盘2连接，并将梯形橡胶密封圈7固定在压紧圆盘2和钢管4上，通过螺杆螺帽连接组件6把装有固井水泥固化体试验样品5的钢管4夹紧并连接成为一个整体；