[发明专利]一种水泥环初始应力状态监测实验方法

说明书

本发明涉及一种水泥环初始应力状态监测实验方法，基于主要由井筒模拟机构、温压控制机构和数据采集机构组成的监测实验装置，包括以下步骤：1)将清水、水泥浆和地层水分别注入监测实验装置的清水容置腔、固井水泥环空和地层环空；2)打开气瓶，通过气瓶和压力控制阀向清水容置腔、固井水泥环空和地层环空施加压力，同时打开加热管将井筒模拟机构加热至预设温度；3)数据采集系统实时采集压力传感器和温度传感器测量的实验数据；4)待固井水泥环空内的水泥浆凝固结束，保存实验数据。本发明能够较好的还原固井过程中水泥浆注入后凝固过程，监测水泥浆凝固后的初始应力，为探索井下水泥环应力状态的准确计算以及水泥环完整性评价提供数据基础及分析依据。

技术领域

本发明涉及一种应力监测实验方法，特别涉及一种水泥环初始应力状态监测实验方法，属于油气井完井工程领域。

背景技术

油井水泥环是油气井全生命周期内支撑套管和地层、封隔井周不同压力层系、防止油、气、水层之间发生窜流的重要屏障，其完整性是保障后续钻进与油气开采顺利进行的必要条件。水泥环应力的确定是评估水泥环完整性的基础，水泥环完整性的丧失可能导致油气上窜、环空带压、套管变形等现象，造成重大的经济损失和严重的安全环保问题。近年来，国内外油气资源开采面临的地层条件愈来愈复杂，因工程、地质和生产动态变化造成的水泥环损坏问题较为突出，如美国的Williston盆地、中东的Missan油田、国内的塔里木盆地和普光气田等均因盐膏层引发了水泥环、套管损坏甚至油井报废的恶性事故。

油井水泥的全生命周期以候凝结束时刻为界线分为前后两个阶段，将候凝结束且套管内液柱压力未发生改变时刻的水泥环内部应力状态定义为水泥环初始应力，并且确定油井水泥环初始应力至关重要。然而对于水泥环初始应力的形成机理缺乏深入的认识，目前尚无高效、精确的水泥环初始应力计算模型和方法。

油井水泥在凝固期间，自身经历了由液态到固态的相变过程，其成分、结构和力学性质发生巨大变化，因此有必要开展室内实验，为理论分析与数值模拟综合研究提供支持。考虑水泥水化过程以及套管-水泥环-地层组合体系的相互作用，揭示不同条件下固井水泥环凝固过程中的初始应力形成机理，为井下水泥环应力状态的准确计算以及水泥环完整性评价奠定基础，指导水泥石力学性能的合理设计以及后续钻井、改造、开采作业参数的合理选择。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种监测水泥浆凝固过程中油井水泥对套管作用力变化的水泥环初始应力状态监测实验方法，进而为水泥浆凝固过程中的水泥环初始应力状态计算提供数据支撑。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种水泥环初始应力状态监测实验方法，包括以下步骤：

步骤1：设置一主要由井筒模拟机构、温压控制机构和数据采集机构组成的水泥环初始应力状态监测实验装置，其中所述井筒模拟机构包括套管模拟管柱、地层模拟管柱、外边界管、顶端盖和底座，所述温压控制机构包括气瓶、压力控制阀和加热管，所述数据采集机构包括压力传感器、温度传感器和数据采集系统；

步骤2：将所述套管模拟管柱、地层模拟管柱和外边界管由内至外依次固定于所述底座上，由此所述套管模拟管柱的内腔形成清水容置腔，所述地层模拟管柱与所述套管模拟管柱之间形成固井水泥环空，所述外边界管与所述地层模拟管柱之间形成地层环空，然后将所述加热管安装在所述外边界管内；

步骤3：将至少两个所述压力传感器分别安装在所述套管模拟管柱的外侧和所述地层模拟管柱的内侧，同时将至少一个所述温度传感器安装在所述地层模拟管柱的内侧，并通过数据线将全部所述压力传感器和温度传感器与所述数据采集系统连接；

步骤4：将清水、水泥浆和地层水分别注入所述清水容置腔、固井水泥环空和地层环空；

步骤5：将所述顶端盖固定于所述套管模拟管柱、地层模拟管柱和外边界管上，并保持密封，将三个所述气瓶通过加压管线分别与所述清水容置腔、固井水泥环空和地层环空连通，同时在每一所述加压管线上安装所述压力控制阀；