[发明专利]一种制备高温高压环境下固井水泥石试样的装置及方法

说明书

技术领域

本专利涉及石油与天然气钻井工程技术领域，具体是一种制备高温高压环境下固井水泥石试样的装置及方法。

背景技术

套管和水泥环是油气井固井中的关键组成部分，其中水泥环是指水泥浆在套管与地层之间的环形空间形成的水泥石，固井作业后套管和地层通过水泥环(即水泥石)胶结在一起。水泥环的主要作用：(1)有效封隔套管外部的环形空间，从而防止在钻井、增产作业和生产过程中的地层流体发生窜流；(2)有效保护和支撑内部套管；(3)有效降低地层围岩对套管的挤压作用，提高套管的抗挤强度；(4)保护套管免受地下流体的腐蚀作用，延长油气井的使用寿命；(5)保证油气田进行正常生产。由此可知，油气井的固井质量及固井后水泥石的性能对油气井的正常生产及寿命起到至关重要的作用。油气井固井后水泥石的性能主要包括：常规性能(析水、流动度、稠化时间等)、胶结强度及三维力学性能(弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗压强度、剪切强度等)，其中水泥石的三维力学性能在保护套管并延长油气井寿命上起到最重要的作用。

随着油气勘探开发的不断深入，高温深井油气藏成为主要的常规油气资源，而固井质量对高温深井油气开采也越来越重要。因此，为有效提高高温深井的固井质量，需对真实环境下(固井水泥石侯凝所处的温度和压力)水泥石的性能进行科学而准确的测试及评价，从而为有效改善油气井水泥浆性能提供更加可靠的理论依据。

然而，在对水泥石的测试及评价之前，需根据真实环境和测试及评价内容制备相应的水泥石试样，才能得到科学而准确的测试及评价结果。因此，研究一种制备真实环境下(真实温度和压力)固井水泥石试样的实验装置非常必要。

目前，用于常规性能和胶结强度测试及评价的水泥石试样制备装置已基本解决，而用于三维力学性能测试及评价的水泥石试样制备装置只有“长方体水泥样品制备装置” (CN201520069279.9)和“立方体水泥样品制备装置”(CN201520069540.5)两种，且该装置主要用于制备建筑水泥，且不能制备一定温度和压力下的水泥石试样，故不适合用于制备油气井真实环境下(固井水泥石侯凝所处的温度和压力)的固井水泥石试样。为此，本发明提出一种制备高温高压环境下固井水泥石试样的装置及方法，该装置制备出的试样可开展三维力学性能测试，从而测试并评价水泥石试样的真实力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备高温高压环境下固井水泥石试样的装置及方法，以解决真实井眼环境下固井水泥石试样难以制备的技术难题，该装置操作简单、方便，且极易满足不同井眼环境下的真实工况。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明提出了一种制备高温高压环境下固井水泥石试样的装置，主要包括：主密封腔、螺纹杆、螺钉、上腔室、带有进气口和出气口的盖板、密封胶塞、下腔室、加热圈、带有四个对称定位轴的底板、定位孔、半圆槽，其中，主密封腔由两个完全相同的半圆槽、盖板和底板装配而成，并通过半圆槽上的定位孔固定在底板的定位轴上，两个完全相同的半圆槽通过螺钉固定在一起，盖板与底板通过螺纹杆连接，密封胶塞与主密封腔之间为间隙配合，并将主密封腔分为下腔室和上腔室，下腔室用于充填水泥浆，上腔室用于充填气体；利用上腔室中的气体推动密封胶塞可给下腔室中的水泥浆施加不同压力，通过主密封腔周围的加热圈可给水泥浆施加不同温度。

本发明所述的测试装置，装配、固定之前，两半圆槽之间的接触面、盖板与主密封腔之间的接触面、底板与主密封腔之间的接触面均需涂上足够的黄油，一方面，提高各个接触面之间的密封性能，另一方面，防止各个接触面在较大接触压力下发生粘黏。

本发明所述的测试装置，装配、固定之后，两半圆槽之间的接触面、盖板与主密封腔之间的接触面、底板与主密封腔之间的接触面均产生了较大的接触压力，以保证测试装置具有良好的密封效果。

基于一种制备高温高压环境下固井水泥石试样的装置，提出了一种制备高温高压环境下固井水泥石试样的方法，所述方法主要包括以下步骤：

a.在两个半圆槽之间的接触面上涂上足够的黄油，用螺钉将两半圆槽固定在一起，并在其接触表面上产生足够大的接触压力，形成主密封腔；

b.在底板上涂上足够的黄油，将主密封腔固定在底板的定位轴上；

c.将配好的水泥浆注入主密封腔的下腔室；

d.通过间隙配合的方式将密封胶塞装入主密封腔；

e.将加热圈固定在主密封腔外表面；