[发明专利]一种井底条件下油井水泥环膨胀收缩测试装置

说明书

本发明提供了一种井底条件下油井水泥环膨胀收缩测试装置，用于模拟水泥环在井下温度、水供给、内外侧向压力和轴向压力的条件，包括水泥环模拟成型系统、温度控制系统、围压控制系统和注水养护系统。本发明具有结构简单、易于操作及安全可靠的特点；可同时模拟井下温度、水供给和水泥环内外侧侧向压力、轴向压力的环境条件，较准确的测量油井水泥环的体积膨胀收缩变化量，可检测水泥环在整个凝固过程中体积膨胀收缩规律，对于固井水泥浆配方优化具有指导意义。

技术领域

本发明涉及油气井固井领域，尤其涉及一种井底条件下油井水泥环膨胀收缩测试装置。

背景技术

固井是油气井建井过程中的一个重要环节，是在钻井作业达到一定井深后在井眼中下入套管，把水泥浆注入套管外环形空间某预定位置，并使水泥浆在预定时间内凝结、硬化，确保其与地层、套管保持良好胶结，形成优质、完整、具有良好层间封隔能力的水泥环，实现层间封隔的过程。如果水泥浆发生体积膨胀，可能会挤坏套管。如果水泥浆发生体积收缩，水泥环可能脱离套管或地层，形成油气上窜的通道，影响后期的油气安全生产。因此，正确测量水泥环的膨胀收缩量，对于改善水泥浆体系的研发，防范油气生产安全事故具有十分重要的意义。

目前已有多种水泥浆膨胀收缩测量装置，公开号CN2725848Y研发的卧式电子比长仪，与现有其他测试仪器相比具有放置被测物体时操作方便、读数准确快捷、测量精度髙，且测量数值稳定可靠，重复性好等优点，但仍然存在操作误差大，并且只能测试常压下水泥浆体积变化；公开号CN1676873A研发的高温高压油井水泥浆凝结仪，可以模拟不同井深及静态条件下，测量水泥浆在高温高压环境中的凝结状态及其相应的凝结时间，但该装置不能对高温高压下水泥浆体积变化进行测定，也不能对水泥浆提供压力、水供给的条件；公开号CN2700883Y研发的非接触式高温高压智能膨胀仪，提供了一种用于测量粘土的膨胀性能的仪器，但是该仪器不能用来测量油井中水泥环的膨胀收缩量，并且不能对水泥环进行水供给。

现有装置中，用来测量油井水泥环膨胀收缩的装置较少，且现有装置难以同时模拟井下的温度、水供给和压力条件，因此可能会对井底条件下的水泥环膨胀收缩量的测试产生较大误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术之不足，本发明提供一种井底条件下油井水泥环膨胀收缩测试装置，用于模拟井下温度、水供给和水泥环内外侧侧向压力、轴向压力的环境条件，较准确的测量油井水泥环的体积膨胀收缩变化量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种井底条件下油井水泥环膨胀收缩测试装置，用于模拟水泥环在井下温度、水供给、内外侧向压力和轴向压力的条件，包括水泥环模拟成型系统、温度控制系统、围压控制系统和注水养护系统；所述水泥环模拟成型系统包括基座、压头、外筒和内筒，所述的基座设置在外筒和内筒的下端，内筒设置在外筒内，内筒内封闭形成柱形空腔，该柱形空腔为内压腔，内筒外壁与外筒内壁之间形成环形空腔，该环形空腔为供水泥容置并形成水泥环的容纳腔，所述的压头则压接在容纳腔上端；所述的外筒为内部中空具有环形空腔的环状结构，该环形空腔为外压腔；所述的温度控制系统包括加热带和温度传感器，所述的加热带环绕外包在外筒外壁上，所述的温度传感器设置在容纳腔内；所述的围压控制系统包括侧向压力控制系统和轴向压力控制系统；所述的侧向压力控制系统包括至少两组压力机构，每组压力机构包括注气管和连接在注气管后端的液压泵，其中一组压力机构的注气管前段与外压腔管路连通，另一组压力机构的注气管前段则与内压腔管路连通；所述的注水养护系统包括注水管线和伺服水泵，所述的注水管线与容纳腔连通，所述的伺服水泵与注水管线连接并为其供水；所述的轴向压力控制系统包括伺服压机，所述伺服压机压接在压头上方。

在上述方案中，水泥环模拟成型系统有效模拟的水泥环的形状，便于针对固井作业中的实际结构进行有针对性的模拟；温度控制系统通过温度传感器测量水泥浆温度大小，为水泥浆凝固过程中提供温度条件；注水养护系统为水泥浆凝固过程中提供水供给条件；围压控制系统分别为水泥浆凝固过程中提供内压条件和外压条件，并测量水泥浆轴向位移，压头的轴向位移变化率即为水泥的膨胀/收缩率。