[发明专利]一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法

说明书

一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价的测试装置及方法，其特征在于，装置包括：外套管、第一环空、第二环空、内套管、承压腔室、圆环、六头螺栓、环向无线应变传感器、径向无线应变传感器、第一堵头、第二堵头、第三堵头、橡胶密封圈、红外COsubgt;2/subgt;传感器、精密压力表、第一螺纹、第二螺纹、第三螺纹、密封台阶、测量元件、水泥环、螺纹盲孔、检测腔室、通孔、定位台阶；利用该装置及方法可实时量化评价载荷谱作用下水泥环的径向应力/变形、环向应力/变形，反演水泥环内部裂纹萌生、起裂、扩展及失效行为，诊断水泥环在载荷谱作用下的失效形式。本发明适合于石油与天然气钻采工程技术领域。

技术领域

本专利涉及石油与天然气钻采工程技术领域，具体是一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法。

背景技术

由于页岩储层的低孔隙度和低渗透性，页岩气需要通过水力压裂提高商业油气产量。然而，在页岩气水平井的大规模多级水力压裂过程中，水泥环空隙内的突然压降导致套管-水泥环-地层系统上的载荷分布不均匀，可能造成潜在的套管变形和水泥环损坏。因此，温度和压力的波动、连续变化、交替加载和卸载很容易导致套管-水泥环-地层组合体完整性被破坏。

水泥环完整性失效主要有6种形式，包括环向开裂、轴向开裂、第一界面分离、第二界面分离、轴向滑移、屈服破坏。在载荷谱作用下，水泥环容易发生环形开裂、轴向开裂、第一界面分离、第二界面分离以及屈服破坏等五种失效形式。准确预测和评价水泥环完整性失效形式，进而采取针对性措施，有助于保证工程的质量和安全，这对现场安全、高效的生产显得尤为重要。截止目前，国内外学者基于理论和实验的方法，在套管-水泥环界面完整性以及水泥环完整性等方面展开了诸多的研究，主要包括套管-水泥环界面胶结强度及密封性能。然而，针对水泥环完整性失效形式的研究鲜见报道，其主要原因包括以下两点：1)水泥环的径向应力/变形以及环向应力/变形难以准确测得；2)缺乏能真实模拟载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法。

为此，本发明针对目前在载荷谱作用下水泥环完整性失效形式难以准确获取的技术难题，提出一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法，该方法可准确获取真实工况下水泥环的径向应力和环向应力，并基于此评价水泥环完整性的失效形式，可为油气井固井界面力学性能、水泥环完整性及固井优化设计提供理论依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法，兼顾保持测试装置完整性的同时，解决载荷谱作用下水泥环径向应力/变形、环向应力/变形及其完整性失效难以量化评价的技术难题，该方法使用简单、成本低。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：