[发明专利]一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置及方法

权利要求书

1.一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试装置，其特征在于，装置主要包括：套管(4)、直角台肩(6)、上腔体(7)、第一锥形台肩(8)、下腔体(9)、水泥环(10)、内螺纹(12)、下组合垫圈(13)、承压腔室(15)、上组合垫圈(16)、橡胶密封圈(17)、高精度应变计(18)、第二锥形台肩(19)、定位孔(20)、凹槽(21)、盲孔(22)，其中，套管(4)、螺母(5)、上腔体(7)和下腔体(9)均为金属材料；上腔体(7)、下腔体(9)、带水泥环(10)的套管(4)、螺母(5)及起密封作用的上组合垫圈(16)、下组合垫圈(13)和橡胶密封圈(17)组成承压腔室(15)，螺母(5)通过带水泥环(10)的套管(4)将上腔体(7)固定在下腔体(9)上；上腔体(7)由直角台肩(6)、第二锥形台肩(19)、定位孔(20)和凹槽(21)组成，其中直角台肩(6)的宽度大于水泥环(10)的厚度；固定在地基(11)上的下腔体(9)由第一锥形台肩(8)和带内螺纹(12)的盲孔(22)组成；带水泥环(10)的套管(4)通过内螺纹(12)及下组合垫圈(13)固定在盲孔(22)内，同时封隔承压腔室(15)内的高压流体；位于直角台肩(6)的上组合垫圈(16)用于封隔承压腔室(15)内的高压流体；定位孔(20)和位于凹槽(21)内的橡胶密封圈(17)用于对套管(4)的上部段进行环向封隔和径向定位；第一锥形台肩(8)和第二锥形台肩(19)在螺母(5)紧固作用下产生高接触应力，实现金属-金属的锥形密封，用于封隔承压腔室(15)内的高压流体；带内螺纹(12)的盲孔(22)用于对套管(4)的下部段进行轴向和径向定位；高精度应变计(18)用于动态测试承压腔室(15)压力传递演化规律；导线(3)一端与高精度应变计(18)连接，另一端与动态应变测试系统连接；压力表(1)用于显示承压腔室(15)的压力；进液管线及阀门(2)用于控制向承压腔室(15)泵注高压流体，排液管线及阀门(14)用于控制承压腔室(15)的泄压。

2.一种油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试方法，其特征在于，所述的油气井管外水泥环压力传递演化规律的测试方法包括以下步骤：

步骤一：制备带水泥环(10)的套管(4)，其中套管(4)上端加工与螺母(5)匹配的外螺纹，套管(4)下端加工与内螺纹(12)匹配的外螺纹，套管(4)中部养护形成水泥环(10)；

步骤二：在套管(4)内壁布置高精度应变计(18)，高精度应变计(18)环向间隔为180°，轴向间隔为50mm，共3对；

步骤三：将步骤二得到的套管(4)通过内螺纹(12)和下组合垫圈(13)固定在下腔体(9)的盲孔(22)内，对套管(4)的下部进行轴向和径向定位，同时封隔承压腔室(15)内的高压流体；

步骤四：通过螺母(5)、套管(4)上端外螺纹、橡胶密封圈(17)和上组合垫圈(16)将上腔体(7)固定于下腔体(9)的第一锥形台肩(8)上，同时封隔承压腔室(15)内的高压流体；

步骤五：将导线(3)一端与高精度应变计(18)连接，另一端与动态应变测试系统连接；

步骤六：通过进液管线及阀门(2)向承压腔室(15)泵注高压流体，直到达到模拟地层压力P₁，关闭进液管线及阀门(2)；

步骤七：启动动态应变测试系统，记录P₁压力下套管(4)内壁环向应变ε_1i及其随时间t₁的演变规律，得到f(t₁)＝ε_1i；

步骤八：根据应力-应变本构关系，计算套管内壁环向应力σ_1i及其随时间的演变规律，得到f(t₁)＝σ_1i；

步骤九：基于厚壁筒理论及拉梅公式，反演计算套管(4)外壁受到的外压P_1i及其随时间的演变规律，得到f(t₁)＝P_1i；

步骤十：对比分析不同时间下的P_1i与模拟地层压力P₁，得到套管(4)外水泥环(10)压力传递演化规律；

步骤十一：采用相同水泥浆体系，重新制备带相同厚度水泥环(10)的套管(4)，通过进液管线及阀门(2)向承压腔室(15)泵注高压流体，直到达到模拟地层压力P₂，重复步骤二至步骤十，可得到模拟地层压力P₂作用下，套管(4)外水泥环(10)压力传递演化规律；

步骤十二：依次类推，采用相同水泥浆体系，重新制备带相同厚度水泥环(10)的套管(4)，通过进液管线及阀门(2)向承压腔室(15)泵注高压流体，直到达到模拟地层压力P_n，重复步骤二至步骤十，可得到模拟地层压力P_n作用下，套管(4)外水泥环(10)压力传递演化规律，从而得到模拟地层压力对水泥环(10)压力传递的影响规律；

步骤十三：同理，采用相同水泥浆体系，重新制备带不同厚度水泥环(10)的套管(4)，重复步骤二至步骤十，可得到水泥环厚度对水泥环(10)压力传递的影响规律；

步骤十四：同理，采用不同水泥浆体系，重新制备带相同厚度水泥环(10)的套管(4)，重复步骤二至步骤十，可得到水泥浆体系对水泥环(10)压力传递的影响规律。