[发明专利]一种固井水泥石拉应力腐蚀试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及油气井材料腐蚀评价中对固井水泥石在受拉应力条件下进行腐蚀评价的试验 装置及其方法。

背景技术

腐蚀问题一直是油气井工程领域面临的重大挑战和难题，准确地评价和分析油气井材料 的腐蚀特点和腐蚀规律是评价油气井安全状况、指导油气井材料防腐性能设计的重要前提。 一般来说，当一口井建井完成后，留在井内的只有套管以及套管外的固井水泥环。目前，对 于油套管金属材料的腐蚀已经开展了大量研究，而对于固井水泥石腐蚀的研究还比较少。固 井水泥环不仅有支撑和保护套管的作用，还是防止地层流体窜流的重要井筒封隔屏障单元。 随着人们对固井水泥环完整性在井筒完整中作用认识的提高以及我国高酸性(高含H₂S和 CO₂)气田开发深入和二氧化碳驱油、二氧化碳捕集与地质封存、酸性气体(H₂S和CO₂)地 质封存等技术的发展，固井水泥石在高温高压高酸性条件下的腐蚀研究已成为研究热点。

材料的破坏往往是多种因素共同作用的结果，一种因素作用引起的破坏往往会加大其他 因素的作用。固井水泥石在井下除了受到腐蚀介质作用外，还会受到各种应力作用，固井水 泥石在井下的应力破坏形式主要为拉伸破坏(ArashShadravan等，UsingFatigue-Failure EnvelopeforCement-Sheath-IntegrityEvaluation,SPE168321，2015年3月)。在金属腐蚀领域 和混凝土腐蚀领域已经对拉伸应力和腐蚀介质联合作用下材料的腐蚀开展了大量研究，证实 在拉伸应力-化学腐蚀耦合作用下，材料的破坏速率和破坏程度会远大于单纯腐蚀介质作用下 的破坏速率和破坏程度(顾春元等，拉应力条件下油气井套管腐蚀机理研究，钻采工艺，2007 年1月；许崇法等，应力、碳化及酸雨作用下混凝土中性化试验研究，土木工程学报，2014 年5月；黄洪春等，三高气田套管应力腐蚀与防腐设计研究，石油机械，2015年3月)。然 而，在以往的固井水泥石腐蚀的研究都没有考虑在拉应力和腐蚀介质的联合作用。此外，在 金属腐蚀和混凝土腐蚀研究中已有大量的应力腐蚀试验装置和方法，如中国专利“水泥基材 料直拉应力腐蚀仪”(CN10271102B)、“便携式金属材料拉伸应力腐蚀试验装置及其方法” (CN101498649B)、“可同时施加拉压应力的混凝土硫酸盐腐蚀的试验装置” (CN204924881U)等，但这些装置一方面结构复杂、尺寸较大，不能应用于高温高压腐蚀反 应釜中，也就不能模拟和反映井下高温高压的实际工况；另一方面水泥石属于典型硬脆性材 料，故采用直接拉伸方法来对水泥石特别是小尺寸水泥石试样施加拉伸载荷极为困难，故而 这些装置无法应用于固井水泥石拉应力腐蚀研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固井水泥石拉应力腐蚀试验装置，结构简单、操作方便、尺 寸小巧，可放入高温高压腐蚀反应釜中，实现对井下腐蚀环境的有效模拟，能够开展固井水 泥石在拉应力和腐蚀介质联合作用下的腐蚀实验，克服了现有技术的不足。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置进行固井水泥石拉应力腐蚀试验的方法，该 方法能够较真实反映井下工况，评价和研究固井水泥石在拉应力和腐蚀介质联合作用下的腐 蚀特点和腐蚀规律，可根据实验结果评价所用固井水泥石体系的适应性，有利于准确地评估 油气井固井水泥环完整性及指导固井水泥石体系设计。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

一种固井水泥石拉应力腐蚀试验装置，由上底板、下底板、压力板、支撑限位杆、加载 螺杆、紧固螺母、圆盘形水泥石试样组成。压力板位于上底板、下底板之间，两端有圆形通 孔；支撑限位杆从压力板两端的通孔中穿过，对两块底板和压力板分别起到支撑和限位作用； 加载螺杆穿过上底板中间的圆形通孔、紧固螺母与压力板连接；压力板和下底板中部分别加 工有半径1-2mm的半圆柱形凸条，水泥石试样沿直径线放置于压力板凸条与下底板凸条之间。

本发明是基于岩石力学中的巴西圆盘劈裂法原理，当用恒载荷压力试验机对加载螺杆施 加压载时，凸条可将所施加的对径压载变为沿直径方向分布的线性载荷，使试件中产生垂直 于载荷作用线的拉应力。根据巴西圆盘劈裂法抗拉强度计算公式，需要对试样施加一定拉应 力σ_t时所需施加的载荷P_t由下式计算：