[发明专利]一种高温高压固井水泥环力学完整性测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及油气井工程固井领域水泥环力学完整性测试装置及方法，特别是涉及在高温高压条件下，能模拟水泥环遭受地层、套管复杂机械载荷和热应力双重冲击，并能动态测试其力学完整性的装置及方法。

技术背景

油气井固井是指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来预定位置，使其在预定时间内迅速凝结、硬化，形成优质、完整、具有良好层间封隔能力的水泥环的过程。水泥环的形成主要是为了悬挂和保护套管，减少和延缓地层对套管的作用，延长套管的使用年限，它和套管共同起到层间封隔的作用。

然而，水泥环在井下的工作环境是非常恶劣的。如：套管在高温高压环境下膨胀，易造成水泥环径向破裂；套管试压，大规模强化开采措施，如射孔、酸化、压裂等后期作业均会对水泥环带来严重的应力冲击，当水泥环不能承受强制性的冲击，水泥环将有可能会破坏；储气库井是两用井，在城市用气处于淡季时用于注气，在用气旺季和高峰时用于采气，储气库井运行过程中，水泥环要承受注和采时所产生的交变应力作用和温度变化。提高固井水泥环力学完整性是指油气井整个使用生命周期内，其在复杂、恶劣、持续的载荷作用和热应力冲击下，保证其层间封固的能力。

因此，开展水泥环力学完整性测试研究是必要和有意义的。但是，有关水泥石的力学性能研究集中在单轴抗压强度的检测及分析，并将其作为主要的工程指标考察。近年来，随着固井工作者的认识发生变化，关于水泥环力学完整性的数理模型和评价装置研究已屡见不鲜。斯伦贝谢水泥环完整性评价软件(CemSTRESS)、道达尔水泥环完整性评价软件(SealWell)、哈里伯顿水泥环完整性评价软件(Analysis-Software Design Tool)，3款完整性评价软件通过输入力学性能参数，就能很好地再现水泥环在井下不同工况下的工作状态，评价水泥环的层间封固性能。国内，中海油研究总院和长江大学联合攻关，研发了一套水泥环性能模拟实验装置，该装置在简化压力、温度对水泥环的作用，重点研究胶结面剪切力，采用全尺寸，能较真实地模拟固井动态变化。西安石油大学杨振杰等研发了固井水泥环完整性模拟评价试验仪，能够测定不同条件下水泥石抗窜强度变化，以此评价水泥环的抗冲击韧性和封固可靠性。另外，为模拟水泥石在井下三向受力状态，常采用美国GCTS公司的三轴岩石应力测试系统，测试水泥石三轴作用下的应力-应变变化曲线。

这些研究方法和手段都力图模拟水泥环在井下工况下的真实的受力状态，然而也存在大量的弊端。软件模拟数据是在大量的简化基础之上计算而得，数据的可靠性必须要通过等效物理实验来验证，各种水泥环完整性模拟器实际上只是对“石”的测定，并未实现“环”结构，但是这两者不同结构带来的受力状态有很大区别，更关键的是，基于实验设备和条件的限制，很少考虑水泥环在高温、高压和这两者变化对水泥环的应力冲击，也并未实现对水泥环力学完整性的量化评定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温高压固井水泥环力学完整性测试装置，该装置基于水泥环实际工作环境，能较真实地模拟地层温度压力和套管温度压力双重波动下对水泥环的冲击，温度上限300℃，环压(地层压力)上限70MPa，内压(套管压力)上限100MPa，克服了当前固井水泥环完整性研究的不足。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置进行高温高压固井水泥环力学完整性测试的方法，该方法可适用于水泥环在油气井后期生产过程中，模拟不同管柱结构下水泥环在高温高压环境中损伤劣化，通过高压气体穿过受伤水泥环，利用压力表“验窜”的方法来评价和量化完整性，即水泥环在试验过程中，对水泥环一端加气压，通过测定其两端的气体压差变化来评价其力学完整性。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

一种高温高压固井水泥环力学完整性测试装置，包括水泥环养护模具和测试工作平台。

所述水泥环养护模具主要由左、右模具和内压套管组成。

所述左、右模具可组成一个内部为圆形、外部为方形的中空柱体，内压套管位于中空柱体内，内压套管和中空柱体组成的环形空间内充满水泥浆，其上下端密封。

所述内压套管钢材为套管钢。将水泥环养护模具放入高温高压养护釜中养护至要求龄期，脱模，将水泥环和内压套管一同取出，得到“水泥环-内压套管”组合体。