[发明专利]一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置及方法

说明书

本发明公开了一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置及方法，本发明的装置通过在套管和软管间填充水泥，形成水泥环，水泥环的两侧的轴向载荷液压动力系统能够对水泥环施加轴向载荷，水泥环上下两侧的第一径向载荷液压动力系统和第二径向载荷液压动力系统能够对水泥环施加径向载荷，实现了复杂压裂过程中套管变形可控，保证井筒完整性，为页岩气井水泥环剪切载荷下破碎试验提供技术支撑，填补了现有装置的空白。

技术领域

本发明属于石油管实物试验检测技术及装备领域，具体涉及一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置及方法。

背景技术

截止2019年，我国西南油气田页岩气井复杂压裂套管变形率接近50％，诸多实践和研究表明，大量套管的变形失效是由于高参数水力压裂导致页岩储层发生相对错动，进而造成水泥环-套管系统在剪切作用下发生变形，导致桥塞、射孔抢等无法下入，严重影响了中石油集团公司产能建设。目前传统的防套变措施包括采用下入高钢级(140ksi)、大壁厚(16mm)、旋转下套管、降低水力压裂工艺参数等。发明专利CN201611183431.1提出一种多层高强度组合套管，根据现场高强度套管下井试验和测井数据，结果表明，该方法尚不能抵抗地层滑移所产生的载荷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置及方法，通过试验模拟套管-水泥环在剪切载荷作用下的水泥环破碎程度，在同等剪切载荷工况下，建立水泥环破碎程度与套管径向变形的关系，形成水泥环破碎程度五级分级，实现套管变形转移，可用于控制页岩气井复杂压裂工况套管变形程度。

为了达到上述目的，一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置，包括套管，套管外套设有软管，软管与套管间留有用于填充水泥的间隙，软管的两端面上均设置有挡板，挡板连接轴向载荷液压动力系统，软管的上下两侧分别设置有第一径向载荷液压动力系统和第二径向载荷液压动力系统。

挡板与软管连接并密封。

挡板包括左挡板和右挡板，左挡板与第一轴向载荷液压动力系统连接，右挡板与第二轴向载荷液压动力系统连接。

左挡板和右挡板同轴设置，第一轴向载荷液压动力系统和第二轴向载荷液压动力系统同轴设置。

软管通过第一径向剪切夹具、第二径向剪切夹具和第三径向剪切夹具固定在第一径向载荷液压动力系统和第二径向载荷液压动力系统之间，第一径向剪切夹具固定在软管上部，第二径向剪切夹具和第三径向剪切夹具固定在软管下部。

第二径向剪切夹具和第三径向剪切夹具间具有间隙。

软管采用树脂软管。

一种页岩气井水泥环在剪切载荷下破碎形态分级装置的分级方法，包括以下步骤：

S1，将套管的两端与挡板连接，将套管并放置于软管的中部；

S2，将水泥按所需配比搅拌均匀后倒入套管与软管间的环形间隙中，使水泥的液面与挡板平齐；

S3，将软管与挡板连接且密封，静置使水泥固结；

S4，将软管固定到试验架上，并连接轴向载荷液压动力系统以及第一径向载荷液压动力系统和第二径向载荷液压动力系统；

S5，通过轴向载荷液压动力系统以及第一径向载荷液压动力系统和第二径向载荷液压动力系统给软管的外表面施加径向剪切载荷，当加载曲线出现明显拐点时，停止试验；

S6，切开软管，取出水泥岩屑和变形后的套管，测量套管变形后径向变量，确定外部剪切载荷工况下水泥环的破碎程度，经过振筛试验筛选，实现水泥岩屑破碎分级，建立岩屑破碎分级与套管剪切变形内径该变量的对应关系。