[实用新型]一种套管-水泥环-地层固结体完整性模拟实验装置

说明书

本实用新型公开一种套管‑水泥环‑地层固结体完整性模拟实验装置，涉及油气钻采领域，包括支撑结构、井身结构、水泥浆注入系统、液压系统和测试系统；支撑结构上安装有井身结构，井身结构包括竖直设置于支架上的地层管柱和套管管柱，地层管柱与套管管柱之间为水泥环腔体，水泥环腔体与水泥浆注入系统连通；地层管柱包括上地层管柱和下地层管柱，上地层管柱与下地层管柱通过斜截板和斜板螺栓固定连接；上地层管柱的外壁连接有液压系统；测试系统包括DAS监测光纤，套管管柱外壁上螺旋缠绕有DAS监测光纤。本实用新型从实验角度探究套管‑水泥环‑地层完整性失效原因，阐明井筒完整性失效机理，并为提出相应的防控机制提供理论支撑。

技术领域

本实用新型涉及油气钻采技术领域，特别是涉及一种套管-水泥环-地层固结体完整性模拟实验装置。

背景技术

油气钻采过程中，套管-水泥环-地层是油气井最为典型的井筒结构形式，它的完整性是保证井眼稳定和封隔地层流体的关键所在。然而，随着我国油气资源的不断开发和地质环境的不断复杂化，使得与井筒质量相关的油气泄漏和井筒完整性失效事故呈快速增长趋势。因此，套管-水泥环-地层系统的完整性分析一直以来是保障油气资源安全高效生产的重点研究领域。

套管-水泥环-地层固结体的失效主要表现在套管变形和损坏、水泥环固结体自身缺陷两方面。造成套管-水泥环-地层完整性失效的原因有很多，一方面，取决于复杂的地质因素：①作用在井筒上的非均匀地应力，主要表现为注采等措施诱发断层激活和地层层间滑移，进而致使井筒剪切损坏；②地层和井筒间的温差使得环空水泥环出现体积膨胀或收缩现象，从而导致水泥环-套管和水泥环-地层胶结面开裂失效；③套管内压过大会导致水泥环塑性破坏，其始于水泥环内壁并向外扩展，直至完全塑性破坏。另一方面，取决于钻完井过程中的工程因素：①固井作业中，由于套管自重等原因导致套管在井眼内不完全居中(套管偏心)，水泥浆在环空固化形成薄厚不均匀的水泥环，这将加剧套管所承受的非均布外载，进一步致使套管受力变形或水泥环胶结面失效；②完井过程中，由不同尺寸套管和井眼配合形成的不同壁厚的水泥环将影响套管的受力特性；③不同配方的水泥浆固化后表现出不同渗透特性，进而影响井筒密封性。总之，套管-水泥环-地层完整性失效是一个多因素综合作用下变形损坏和密封性失效问题。

现有相关研究多集中于套管-水泥环-地层固结体的数值模拟研究，通过建立上述某个或某几个影响因素下的套管-水泥环-地层力学模型，分析井筒受外部均匀或非均匀载荷下的应力分布情况和应变损伤情况。然而，数值模拟结果往往需要相关试验的验证，而现有的试验装置多是单纯考虑套管强度测试搭建的，或者是考虑水泥环密封性测试的装置，缺少套管-水泥环-地层整体在上述地质和工程因素综合作用下的完整性失效模拟试验装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种套管-水泥环-地层固结体完整性模拟实验装置，以解决上述现有技术存在的问题，从实验角度探究套管-水泥环-地层完整性失效原因，阐明井筒完整性失效机理，并为提出相应的防控机制提供理论支撑。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供一种套管-水泥环-地层固结体完整性模拟实验装置，包括支撑结构、井身结构、水泥浆注入系统、液压系统和测试系统；所述支撑结构包括支架，所述支架上安装有所述井身结构，所述井身结构两端均设置有封堵装置，所述井身结构包括竖直设置于所述支架上的地层管柱，所述地层管柱内设置有套管管柱，所述地层管柱与所述套管管柱之间为水泥环腔体，所述水泥环腔体与所述水泥浆注入系统连通；所述地层管柱包括上地层管柱和下地层管柱，所述上地层管柱底部与所述下地层管柱顶部均为倾斜方向相同的斜切面，且所述斜切面上均固定设置有斜截板，所述上地层管柱的斜截板和下地层管柱的斜截板通过斜板螺栓固定连接；所述上地层管柱的外壁连接有所述液压系统；所述测试系统包括DAS监测光纤，所述套管管柱外壁上螺旋缠绕有所述 DAS监测光纤。