[发明专利]一种固井初始作用力测量装置及方法

权利要求书

1.一种固井初始作用力测量方法，其特征在于：所述的测量方法采用一种固井初始作用力测量装置实施，所述的一种固井初始作用力测量装置包括中空的套管，内含导热流体；加热丝置于套管的导热流体内，通过线路与温控装置相连；套管内壁贴有耐高温应变片Ⅰ，套管外侧由内向外依次连接水泥环/浆层、模拟地层；模拟地层的外侧贴有耐高温应变片Ⅱ；所述模拟地层内设高压管线，高压管线与水泥环/浆层相连；模拟地层上端设有上盖、下端设有下盖，二者通过螺栓与模拟地层固定；上盖上装有上部高压管线，上部高压管线与水泥环/浆层相连；下盖与下部高压管线相连；泵与高压中间容器相连，高压中间容器通过总线路与高压管线、上部高压管线、下部高压管线相连；总线路上设有总阀门，上部高压管线上设有减压阀Ⅰ，高压管线上分别设有减压阀Ⅱ、减压阀Ⅲ，下部高压管线上设有减压阀Ⅳ；各减压阀与压力表相连；所述导热流体为油或水；所述模拟地层由金属材料制成，弹性模量范围为30~210GPa，与现场模拟地层弹性模量相同，耐压能力不低于80MPa；所述的一种固井初始作用力测量方法包括以下步骤：

（1）结合现场资料确定水泥浆凝固的基本参数，包括井下温度和压力，水泥浆柱高度、候凝时间，套管尺寸及钢级，水泥浆配方、密度和静胶凝强度变化，地层弹性模量、孔隙压力；

（2）根据水泥浆柱底端和顶端静胶凝强度随时间的变化来确定水泥浆柱平均胶凝强度随时间的变化，然后根据水泥浆密度和平均静胶凝强度随时间的变化来确定水泥浆凝固过程中水泥浆柱压力随时间的变化；

（3）根据套管参数来选择相同的全尺寸套管或制作相同钢级的缩小尺寸套管；根据地层杨氏模量，选择具有相同杨氏模量的金属材料来制作模拟地层，并在其内部径向上钻孔布下高压管线，用来模拟孔隙和孔隙流体压力；

（4）在下盖上连接下部高压管线，然后用螺栓将下盖与带有高压管线的模拟地层连接，在模拟地层外部贴上耐高温应变片Ⅱ，在套管内部贴上耐高温应变片Ⅰ，然后将套管安装在下盖上；按照API标准配制水泥浆，并将水泥浆浇入套管和模拟地层中间的环形空间，然后在上盖上装上加热丝和上部高压管线，将上盖用螺栓与模拟地层组装到一起；将上部高压管线、下部高压管线、高压管线分别与压力表相连，然后在上部高压管线连接减压阀Ⅰ，下部高压管线连接减压阀Ⅳ，高压管线连接减压阀Ⅱ和减压阀Ⅲ，将上部高压管线、下部高压管线、高压管线共同通过总阀门、高压中间容器和泵连接；

（5）根据（1）中的参数，先将套管内压力升至井下压力，然后将模拟地层孔隙流体压力升至井下孔隙流体压力，接着将水泥浆上部压力升至水泥浆柱压力，最后将温度升至井下温度；

（6）在候凝过程中，利用上盖高压管线的压力变化来模拟水泥浆凝固过程中水泥浆柱压力的变化，变化规律参照水泥浆柱压力随时间的变化，直至水泥浆凝固；

（7）在水泥浆凝固后，采集套管和模拟地层变形数据，计算套管与水泥环之间、水泥与地层之间的作用力，即为初始作用力。

2.如权利要求1所述的一种固井初始作用力测量方法，其特征在于：步骤（2）利用千德乐超声波静胶凝强度测试仪测定水泥浆柱在浆柱底端位置处温度和压力、浆柱顶端位置处温度和压力条件下的静胶凝强度参数随时间的变化，取底端和顶端静胶凝强度参数的平均值作为该水泥浆柱的平均静胶凝强度变化：

式中，为时刻水泥浆柱顶端的静胶凝强度，Pa；为时刻水泥浆柱底端的静胶凝强度，Pa；为时刻水泥浆柱的平均静胶凝强度，Pa

根据水泥浆柱的密度和平均静胶凝强度变化来计算水泥浆柱压力的变化：

式中，为时刻的水泥浆柱压力，Pa；为水泥浆密度，kg/m³；为重力加速度，9.8kg·m/s²；为水泥柱高度，m；为井眼直径，mm；为套管外径，mm。

3.如权利要求2所述的一种固井初始作用力测量方法，其特征在于：步骤（7）对于套管与水泥环之间的初始作用力，计算公式如下：

式中，为水泥环对套管的作用力，Pa；为套管的杨氏模量，Pa；为测量的套管周向应变；为套管外径与内径之比；

对于水泥环与模拟地层之间的初始作用力，计算公式如下：

式中，为水泥环对模拟地层的作用力，Pa；为模拟地层的杨氏模量，Pa；为测量的模拟地层周向应变；为模拟地层外径与内径之比。