[发明专利]一种固井后期防气窜模拟试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种固井后期防气窜模拟试验装置，属于油气田固井作业工程模拟试验领域。

背景技术

固井探讨的气窜是指固井后因环空封固缺陷，气体从地层中穿过滤饼，侵入环空，窜至井口的一种现象。国内外资料统计表明，气窜是几乎所有天然气井都将面临的棘手难题。伴随天然气井开采时间的延长，国内天然气井环空气窜并带压日益严重。在塔里木、川渝、大庆庆深、吉林长深四大气区均出现了天然气井环空气窜并带压，其中以塔里木气区和川渝地区的环空带压尤为突出。固井后的环空气窜将破坏层间封隔，造成环空封固失效，导致气体窜至井口，严重时甚至可能发生井喷，对油气井安全生产造成巨大损害。

研究表明，发生气体泄漏的主要原因是后续施工作业过程中，水泥环密封完整性失效。开发水泥石后期防窜模拟试验装置成为解决气窜问题的关键。美国千得乐公司研发了FMA7150气窜评价仪，可模拟水泥浆失水与气窜过程，但仪器受结构（圆形筒非环形筒，不能真实模拟水泥石受管内压力及地层围压）及最高工作压力限制（最高工作压力10MPa）无法开展水泥石在高压力工况作用下防窜模拟试验。国内研制出了以OWC-0480型油井水泥失重与气窜评价仪为代表的模拟装置，主要通过同步试验分析水泥浆失重与气窜，结构与FMA7150气窜评价仪类似，同样无法分析水泥石后期密封性能。 大庆钻探公司2011年研制了套管水泥环结构完整性试验装置，可分析管内压力变化对水泥环完整性影响，但装置无法施加围压，不能模拟地层对水泥环的作用，无法科学评价水泥石后期防窜能力。

综上所述，国内防窜模拟仪器大部分是用于评价水泥浆防窜能力，而不能进行水泥石后期防窜模拟，其余装置虽可分析水泥石后期防窜能力，但井筒结构简单，不能施加围压，无法模拟地层对水泥石的作用，不能科学模拟水泥石后期防窜性能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有水泥石密封完整性存在的上述不足，提供一种固井后期防气窜模拟试验装置，本发明能全尺寸模拟水泥石的尺寸，全方位模拟水泥石受载荷情况（包括管内压力及地层围压），研究水泥石的密封完整性，便于采取针对性措施，改善水泥浆体系，有利于提高水泥石后期防气窜性能，从而提高固井质量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种固井后期防气窜模拟试验装置，其特征在于：包括承力拉杆、水泥环内管、水泥环外管和外壳，承力拉杆、水泥环内管、水泥环外管和外壳从内向外依次设置，承力拉杆与水泥环内管之间形成第一密封腔，承力拉杆内腔与第一密封腔连通，承力拉杆内腔与用于注入介质的第一连接孔连通；水泥环内管与水泥环外管之间形成第二密封腔，第二密封腔与用于注入介质的第二连接孔连通；水泥环外管与外壳之间形成第三密封腔，第三密封腔与用于注入介质的第三连接孔连通。

所述水泥环外管与外壳之间的两端分别设置有第一密封环，水泥环内管与水泥环外管之间的两端分别设置有第二密封环，水泥环内管与承力拉杆之间的两端分别设置有第三密封环，上端的第二密封环上设置有两个用于注入介质的第二连接孔，下端的第二密封环上设置有一个用于注入介质的第二连接孔。

所述水泥环内管、水泥环外管和外壳的长度相同，上端设置有上盖板，下端设置有下底板。

所述承力拉杆的长度大于水泥环内管，承力拉杆两端分别穿过上盖板和下底板，承力拉杆上端设置有上堵头，下端设置有下堵头，第一连接孔为两个，且设置在上堵头上。

所述承力拉杆为空心管，承力拉杆上设置有旁通孔，承力拉杆内腔通过旁通孔与第一密封腔连通。

所述第三连接孔为两个，分别设置在外壳上端和下端。

采用本发明的优点在于：

一、本发明的水泥环内管能全尺寸模拟固井套管，水泥环外管能全尺寸模拟固井上层套管或岩层，实现水泥环全尺寸模拟固井水泥环。

二、本发明中，水泥环内管与水泥环外管之间的上下两端分别设置有第二密封环，形成第二密封腔，第二密封环上分别设置有螺纹连接孔即的第二连接孔，可通过第二连接孔给密封腔内注水泥，实现模拟憋压侯凝，注液体或气体，检验水泥石后期防窜性能。

三、本发明中，承力拉杆与水泥环内管之间的上下两端设置有第三密封环形成第一密封腔，承力拉杆上开有旁通孔，沟通与承力拉杆与水泥环内管之间的第一密封腔；上堵头上设置有螺纹连接孔即第一连接孔，可通过第一连接孔给腔体内打压，实现模拟固井后期试压及其它生产作业造成的管内液压变化。