CN106522923A - 油气井水泥环密封完整性测试装置及利用此装置进行评价的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种油气井水泥环密封完整性测试装置，包括压力釜和位于压力釜内部的模拟井筒，测试装置还包括压力控制系统、温度控制系统、窜流检测系统、应变测量系统和泥饼模拟系统；模拟井筒包括套管和位于套管外围的岩心，套管和岩心之间形成环形间隙，环形间隙内形成水泥环；套管和岩心的上下两端分别设有上端盖和下端盖。本发明可实现对井下不同工况条件下水泥环所承受温度以及来自套管、地层复杂载荷的真实模拟，工艺范围涵盖油气井钻完井阶段注水泥固井，生产过程中的试压、试采、循环注采以及压裂等改造工况。本发明可通过改变水泥环厚度、泥饼性质、养护温度等因素，以评价其对水泥环密封完整性的影响规律。
Description
技术领域
本发明属于油气资源开发领域，具体涉及到一种可以模拟井下工况条件下水泥环所承受的套管、地层复杂载荷，并对水泥环进行密封完整性测试的装置及评价方法。
背景技术
在油气井生命周期中的各个阶段，对井筒和地层内流体的控制都是首要任务。如果流体发生不受控制的流动，油气井在物理和功能上就不具备完整性，就有可能导致严重的、甚至灾难性的后果。水泥环作为油气井井筒的重要组成部分，其主要功能就是为了防止钻井、生产和改造过程中的地层流体窜流，并有效地固定和支撑套管。近年来，随着勘探开发进程的深入开展，多数油田开发进入中后期，流体注入、酸化、压裂等增产改造措施得到广泛应用，越来越多的井却出现了环空带压、层间窜流等水泥环密封完整性失效的问题，特别是对于高压气井，生产过程中的环空压力异常现象非常普遍，而密封性能作为水泥环完整性的直接度量指标，如何实现对其准确定量评价至关重要。因此，开展水泥环密封完整性评价研究，对油气井生产措施的确定和生命周期的延长具有重要意义。
目前，对于水泥环密封完整性的测试方法，在油田现场主要利用测井仪器，如声波测井(CBL)、变密度(VDL)等对固井界面进行评判，也有直接利用射孔孔眼对层间进行窜通能力测试的，但这种测试可能会压裂或堵塞地层，甚至对固井界面造成破坏。而实验室内的测试仪器与方法主要有：剪切胶结强度评价装置、水力胶结和渗透性评价装置、水泥石抗压强度测定法、固井二界面封隔能力仿真评价装置以及固井水泥环力学完整性测试装置等，以上测试仪器多数是以界面剪切强度和水泥石抗压强度为评价指标，极少数仪器是以水泥环实际的封固和密封性作为评价指标。即使是这样，由于实验条件的限制，以上方法对实际井下工况进行了大量的简化，或者直接简化为等效的物理实验，导致无法模拟水泥环在井下的实际受力状态。因此，当前无论是室内实验测试，还是现场工程应用均难实现对井下工况条件下水泥环密封完整性进行准确评价。
中国专利CN 104153760 A油气井水泥环密封特性模拟测试装置与实验方法，公开了一种油气井水泥环密封特性模拟测试装置，包括釜体、上釜盖、下釜盖、加热套、增压泵、泄压泵和液量与气量记录仪以及连接了用于控制和测试围压、泄压和套管压力等多条管路，但是从本课题组实际操作情况来看，本装置的密封性能不够好，主要因为配合不同尺寸套管使用的压板与上釜盖之间连接结构不能承受太大压差，因此只能在一定程度上实现预定目标。再者，此装置仅能实现水泥环加载及水泥环密封特性影响的测定，而实际井下的水泥环需要承受多方压力，仅通过对水泥环加载测定水泥环密封的特性，不能满足全面测定的需要。
发明内容
根据上述不足之处，本发明的目的是提供一种可以模拟井下工况条件下水泥环所承受的套管、地层复杂载荷，并对水泥环进行密封完整性测试的装置及评价方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案在于：一种油气井水泥环密封完整性测试装置，包括压力釜和位于压力釜内部的模拟井筒，测试装置还包括压力控制系统、温度控制系统、窜流检测系统、应变测量系统和泥饼模拟系统；
模拟井筒包括套管和位于套管外围的岩心，所述的套管和岩心之间形成环形间隙，环形间隙内形成水泥环；套管和岩心的上下两端分别设有上端盖和下端盖；
压力釜包括釜体和与釜体相配合的釜盖；釜体设有与水泥环顶端连同的水泥环压力口和与水泥环底部连通的验窜口；釜体设有与岩心外围上端连通的围压口和与岩心外围下端连通的泄压口；釜体设有用于安装加热电偶的热电偶口；釜体设有与套管内部连通的设置在釜体下端的套管压力口；釜盖设有用于连接位移测量装置或钻进液储存桶的连通口；
压力控制系统包括与围压口相连的管路一、与水泥环压力口相连的管路二、与套管压力口相连的管路四和与泄压口相连的管路五；
管路一上连接有截止阀一、压力传感器一、调压阀一、气体增压泵、压力控制仪表和氮气源，气体增压泵与压缩空气源相连；
管路二上连接有截止阀二、截止阀四、压力传感器二、调压阀二和截止阀七；
管路四上连接有压力传感器四、液体增压泵和水源，液体增压泵与压缩空气源相连；
管路五上连接有截止阀八和排水管；
温度控制系统包括与热电偶口相连的设置在釜体内部的热电偶，热电偶还与温度控制仪表相连，釜体外侧缠绕有冷却管，冷却管与水源相连；
窜流检测系统包括与验窜口相连的管路三，管路三上连接有截止阀六、压力传感器三、截止阀十和窜流监测装置；
应变测量系统通过釜盖上的连通口深入套管内部用于测量套管内壁径向位移的位移测量装置；
泥饼模拟系统包括钻井液储存桶和岩心滤网，钻井液储存桶的上下两端分别设有截止阀十二和截止阀十三，钻井液储存桶的上端通过导气管与氮气瓶相连，钻井液储存桶与釜盖相连；岩心滤网嵌套于岩心的外壁。
优选的是：管路一和管路二上连接有分支管路六，分支管路六上连接有截止阀五，分支管路六与管路二的连接点位于水泥环压力口和截止阀二之间，分支管路六与管路一的连接点位于围压口和截止阀一之间。
优选的是：管路二和分支管路六上连接有分支管路七，分支管路七上设置有截止阀三和失水桶，分支管路七与管路二的连接点位于截止阀二和调压阀二之间，分支管路七和分支管路六的连接点位于水泥环压力口和截止阀二之间。
优选的是：管路三上连接有分支管路八，分支管路八上设置有背压阀一和截止阀十一，分支管路八的端部与排水管相连。
优选的是：管路五上连接有分支管路九，分支管路九上设置有背压阀二，分支管路九和管路五的连接点位于液体增压泵和压力传感器四之间，分支管路九的端部与排水管相连。
优选的是：管路五上连接有分支管路十，分支管路十上设置有截止阀九，分支管路十和管路五的连接点位于压力传感器四和套管压力口之间，分支管路十的端部与排水管相连。
优选的是：釜体的内底面设有定位凸台。
优选的是：水泥环的下端设有滤网。
优选的是：釜体与釜盖之间，釜盖的连通口与位移测量装置之间和釜盖的连通口与钻进液储存桶之间设有连接构件。
本发明还提供一种利用油气井水泥环密封完整性测试装置进行评价的方法，包括如下过程：
(1)水泥环密封完整性测试
a岩心内壁泥饼的形成
将岩心滤网套在制作好的环形柱状岩心外围，放入釜体底面的定位凸台上，用釜盖压紧密封，按照实验要求配置钻井液，关闭钻井液储存桶下端截止阀十三，打开上端截止阀十二，将钻井液灌入钻井液存储桶中，钻井液的体积可依实验需要而定，关闭截止阀十二，将钻井液储存桶旋入釜盖的连通口，将从氮气瓶引出的导气管连接到钻井液储存桶的顶端，关闭截止阀一、截止阀五、截止阀六和截止阀九，打开截止阀八、截止阀十二和截止阀十三，调节氮气瓶输出压力为0.5-1.0MPa，打开氮气瓶调压阀开关输出氮气，记录时间15-30分钟，在达到实验所需时间后，在岩心内外压差作用下形成泥饼，关闭氮气瓶开关，关闭截止阀十二和截止阀十三，拆卸钻井液储存桶和釜盖，取出岩心，用缓缓流动的清水冲洗掉泥饼上的虚泥饼，并通过专用卡尺测量实际泥饼厚度；
b模拟井下水泥浆养护过程
b1模拟井筒内等压条件下的水泥浆养护
泥饼形成后，将岩心和套管嵌于下端盖上，并根据实验要求配置不同性质的水泥浆，将水泥浆缓缓注入套管和岩心之间的环形空间，注满后用上端盖压紧密封，将组装好的模拟井筒置入釜体中，确保下端盖与釜体之间密封良好，然后旋紧釜盖，将位移测量装置旋入釜盖顶部的连通口，连接系统数据采集软件，打开截止阀三、截止阀五，待釜体内进水完毕后，根据需求设定釜体的温度为75-150℃，设置套管、水泥环空和围压的压力值相等，所述套管压力值上限为40MPa，所述水泥环和围压压力值上限为30MPa，打开液体增压泵和气体增压泵，并将热电偶通电工作，实现模拟井筒内等压条件下的水泥浆养护；
b2模拟套管憋压工况下的水泥浆养护
重复b1的操作，设置套管、水泥环空和围压的压力值，使得套管内压值大于套管外水泥环空和围压的压力值；
c不同工况下水泥环密封完整性测试
c1通过调整水泥环顶底端压力差进行水泥环密封完整性测试
待水泥浆养护完毕后，关闭截止阀三，打开截止阀二，关闭截止阀五，打开截止阀九，此时验窜端水泥环背压压力将会上升到与水泥环压力相同，之后关闭截止阀九，打开截止阀十一，调整背压阀一，将水泥环底端验窜压力降低和水泥环顶端形成压差后，关闭截止阀十一，将验窜水箱注满水，打开截止阀十和截止阀六，测试当前工况下的水泥环密封完整性；测试中可选取不同压差间隔，如选择2MPa，即水泥环背压每降低2MPa便进行一次窜流测试。
c2通过调整套管内压力进行水泥环密封完整性测试
打开截止阀九，打开截止阀十一，调整背压阀一，使水泥环的顶、底端之间形成固定大小压差且待压差稳定后，关闭截止阀十一；调整背压阀二，以固定间隔卸载套管内压力，直至套管内压为零；期间套管内压每卸载一次便进行一次窜流测试，如果没有发生窜流，继续调整背压阀二；将套管内压调整为原压力后，以固定间隔对套管进行加压，且每次套管加压后重复上述套管压力卸载过程并进行窜流测试，直至水泥环密封完整性失效；
测试中将采用对套管内压大于外压条件下进行窜流测试并与原测试结果进行对比，来判断是固井一界面还是二界面产生了密封失效问题；利用位移测量装置的监测结果来判断固井一界面微环隙的尺寸；
(2)不同尺寸微环隙的窜流实验
在b2过程中，模拟套管憋压工况下的水泥浆养护后，关闭截止阀三，打开截止阀二，选择窜流模式，关闭截止阀五，打开截止阀九，使水泥环顶底端形成固定大小压差且稳定后，关闭截止阀十一，调整背压阀二，以固定间隔卸载套管内压力，直至套管内压为零，期间套管内压每卸载一次便进行一次窜流测试，利用位移测量装置的监测结果来判断固井一界面微环隙的尺寸；
(3)不同特性水泥浆承压及封固能力测试
根据测试需要配置不同性质的水泥浆体系进行养护，待养护完毕后，关闭截止阀三，打开截止阀二，选择窜流模式；关闭截止阀五。打开截止阀九，此时验窜端水泥环背压压力将会上升到与水泥环压力相同，之后关闭截止阀九，打开截止阀十一，调整背压阀一，将水泥环底端验窜压力降低和水泥环顶端形成压差后，关闭截止阀十一，将验窜水箱注满水，打开截止阀十、截止阀六进行测试，测试中逐渐增大水泥环顶底端压差，如果测试中监测到水泥环底端背压压力如果出现上升，当前压差即视为此种水泥浆的极限封固压力；
(4)不同因素对水泥环密封完整性的影响规律分析
a泥饼性质：不同泥饼厚度可通过改变气源压力大小和时间获得；不同泥饼性质可通过改变岩心岩性和钻井液配方获得；
b水泥环厚度：通过选用不同尺寸套管，以及不同内部结构尺寸的上下端盖进行对比实验；
c养护温度和压力：通过温度控制仪表和压力控制仪表分别进行进行编程控温和控压，设置水泥浆养护过程中的温度和压力变化。
本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明可实现对井下不同工况条件下水泥环所承受温度以及来自套管、地层复杂载荷的真实模拟，工艺范围涵盖油气井钻完井阶段注水泥固井，生产过程中的试压、试采、循环注采以及压裂等改造工况。
(2)水泥环的主要功能就是为了封固和密封套管外环空，以防止钻井、生产和改造过程中的地层流体窜流，本装置和评价方法以水泥环空等效渗透率为评价指标，实现了对水泥环密封完整性及水泥环封固能力的有效评价。
(3)实现了对井眼条件下岩心内壁不同厚度及不同性质泥饼的模拟形成，更加真实的模拟了井眼的实际状况，更进一步的还原了水泥环在井下所处的条件。
(4)实现了加温加压条件下的水泥浆养护过程模拟，特别的实现了套管憋压工况下的水泥浆养护过程模拟，进而对憋压候凝所导致的微环隙进行模拟。并通过选取套管材料和控制套管内外压差的大小，模拟形成不同尺寸的微环隙。
(5)利用应变测量系统实现了对整个测试过程中，不同压力载荷条件下套管径向形变量的实时测量，因此可进一步实现对固井一界面微环隙的监测与尺寸测量。
(6)本发明可通过改变水泥环厚度、泥饼性质、养护温度等因素，以评价其对水泥环密封完整性的影响规律。并可通过改变水泥浆配方对不同特性水泥浆进行承压及封固能力测试，为油气井水泥浆设计、薄隔层压裂工艺以及水平井分段压裂工艺的选择提供依据。
附图说明
图1是本发明的结构示意图一；
图2是本发明的结构示意图二；
图3是本发明压力釜和模拟井筒的结构示意图。
图中，1-位移测量装置；2-连接构件；3-釜盖；4-上端盖；5-围压口；6-套管；7-岩心；8-水泥环；9-釜体；10-验窜口；11-下端盖；12-套管压力口；13-密封件；14-泄压口；15-热电偶口；16-冷却管；17-水泥环压力口；18-连通口；19-定位凸台；20-岩心滤网；21-截止阀二；22-截止阀四；23-截止阀三；24-压力传感器二；25-调压阀二；26-截止阀五；27-截止阀一；28-压力传感器一；29-调压阀一；30-气体增压泵；31-截止阀七；32-压力控制仪表；33-压缩空气源；34-氮气源；35-截止阀六；36-压力传感器三；37-截止阀十；38-水箱；39-液体流量计；40-背压阀一；41-截止阀十一；42-排水管；43-压力传感器四；44-截止阀九；45-背压阀二；46-液体增压泵；47-水源；48-截止阀八；49-温度控制仪表；50-失水桶；51-滤网；52-连接构件；53-截止阀十三；54-钻进液储存桶；55-截止阀十二；56-氮气瓶。
具体实施方式
下面结合具体实施例对发明做进一步说明。
如图1-3所示的一种油气井水泥环密封完整性测试装置，包括压力釜和位于压力釜内部的模拟井筒，所述的测试装置还包括压力控制系统、温度控制系统、窜流检测系统、应变测量系统和泥饼模拟系统；其中，模拟井筒包括套管6和位于套管6外围的岩心7，套管6和岩心7之间形成环形间隙，环形间隙内形成水泥环8；套管6和岩心7的上下两端分别设有上端盖4和下端盖11；压力釜包括釜体9和与釜体9相配合的釜盖3；釜体9设有与水泥环8顶端连同的水泥环压力口17和与水泥环8底部连通的验窜口10；釜体9设有与岩心7外围上端连通的围压口5和与岩心7外围下端连通的泄压口14；釜体9设有用于安装加热电偶的热电偶口15；釜体9设有与套管6内部连通的设置在釜体9下端的套管压力口12；釜盖3设有用于连接位移测量装置1或钻进液储存桶54的连通口18；压力控制系统包括与围压口5相连的管路一、与水泥环压力口17相连的管路二、与套管压力口12相连的管路四和与泄压口14相连的管路五；管路一上连接有截止阀一27、压力传感器一28、调压阀一29、气体增压泵30、压力控制仪表32和氮气源34，气体增压泵30与压缩空气源33相连；管路二上连接有截止阀二21、截止阀四22、压力传感器二24、调压阀二25和截止阀七31；管路四上连接有压力传感器四43、液体增压泵46和水源47，液体增压泵46与压缩空气源33相连；管路五上连接有截止阀八48和排水管42；温度控制系统包括与热电偶口15相连的设置在釜体9内部的热电偶，热电偶还与温度控制仪表49相连，釜体9外侧缠绕有冷却管16，冷却管16与水源47相连；窜流检测系统包括与验窜口10相连的管路三，管路三上连接有截止阀六35、压力传感器三36、截止阀十37和窜流监测装置；应变测量系统通过釜盖3上的连通口18深入套管6内部用于测量套管6内壁径向位移的位移测量装置1；泥饼模拟系统包括钻井液储存桶54和岩心滤网20，钻井液储存桶54的上下两端分别设有截止阀十二55和截止阀十三53，钻井液储存桶54的上端通过导气管与氮气瓶56相连，钻井液储存桶54与釜盖3相连；岩心滤网20嵌套于岩心7的外壁。
进一步的，管路一和管路二上连接有分支管路六，分支管路六上连接有截止阀五26，分支管路六与管路二的连接点位于水泥环压力口17和截止阀二21之间，分支管路六与管路一的连接点位于围压口5和截止阀一27之间。
进一步的，管路二和分支管路六上连接有分支管路七，分支管路七上设置有截止阀三23和失水桶50，分支管路七与管路二的连接点位于截止阀二21和调压阀二25之间，分支管路七和分支管路六的连接点位于水泥环压力口17和截止阀二21之间。
进一步的，管路三上连接有分支管路八，分支管路八上设置有背压阀一40和截止阀十一41，分支管路八的端部与排水管42相连。
进一步的，管路五上连接有分支管路九，分支管路九上设置有背压阀二45，分支管路九和管路五的连接点位于液体增压泵46和压力传感器四43之间，分支管路九的端部与排水管42相连。
进一步的，管路五上连接有分支管路十，分支管路十上设置有截止阀九44，分支管路十和管路五的连接点位于压力传感器四43和套管压力口12之间，分支管路十的端部与排水管42相连。
进一步的，釜体9的内底面设有定位凸台19。
进一步的，水泥环8的下端设有滤网51。
进一步的，釜体9与釜盖3之间，釜盖的连通口18与位移测量装置1之间和釜盖的连通口18与钻进液储存桶54之间设有连接构件2。
进一步的，在釜体9和釜盖3之间，套管6、岩心7与上端盖4和之间，下端盖11与釜体9之间均设置有密封件13。
利用本装置对于油气井水泥环密封完整性进行测试评价的方法，结合图1-2，具体描述如下：
1、水泥环密封完整性测试
a岩心内壁泥饼的形成
如图2所示，首先将岩心滤网20套在制作好的环形柱状岩心7外围，然后将岩心7放入釜体9中，并置于釜体9底面的定位凸台19上，用釜盖3压紧密封。按照实验要求配置钻井液，关闭钻井液储存桶54下端截止阀十三53，并打开上端截止阀十二52，在顶部管口放置漏斗导流，将钻井液灌入钻井液储存桶54，钻井液的体积可依实验需要定，一般可取岩心内容积的2-3倍。关闭截止阀十二52，将钻井液储存桶54旋入釜盖连通口18，将从氮气瓶56引出的导气管连接到钻井液储存桶54的顶端。关闭截止阀一27、截止阀五26、截止阀六35和截止阀九44，打开截止阀八48、打开截止阀十二55和截止阀十三53。调节氮气瓶56输出压力为0.5-1.0MPa，打开氮气瓶56调压阀开关输出氮气，记录时间，时间一般为15-30分钟，在达到实验所需时间后，关闭氮气瓶56开关。关闭截止阀十二55和截止阀十三53，拆卸钻井液储存桶54和釜盖3，取出岩心7，用缓缓流动的清水冲洗掉泥饼上的虚泥饼，并通过专用卡尺测量实际泥饼厚度。以上形成方法中，不同泥饼厚度可通过改变气源压力大小和时间获得；不同泥饼性质可通过改变岩心岩性和钻井液配方获得。
b模拟井下水泥浆养护过程
b1模拟井筒内等压条件下的水泥浆养护
泥饼形成后，将岩心7和套管6嵌于下端盖11上，并根据实验要求配置不同性质的水泥浆，将水泥浆缓缓注入套管6和岩心7之间的环形空间，注满后用上端盖4压紧密封。将组装好的模拟井筒置入釜体9中，确保下端盖11与釜体9之间密封良好，然后旋紧釜盖3。将位移测量装置1旋入釜盖3顶部连通口18，连接系统数据采集软件。打开截止阀三23、截止阀五26，待釜体9内进水完毕后，根据需求设定釜体9的温度值，通常为75-150℃，设置套管6、水泥环空和围压的压力值相等(套管压力值上限为40MPa，水泥环和围压压力值上限为30MPa)，打开液体增压泵46和气体增压泵30，并将热电偶通电工作，实现模拟井筒内等压条件下的水泥浆养护。
b2模拟套管憋压工况下的水泥浆养护
此方法与上述井筒内等压条件下的水泥浆养护过程的区别是，初始设置套管内压值大于套管外水泥环空和围压的压力值，如可设置套管内40MPa，水泥环压和围压20MPa，其它步骤均与上述方法相同。
c不同工况下水泥环密封完整性测试
c1通过调整水泥环顶底端压力差进行水泥环密封完整性测试
可以选取气体或水作为介质对水泥环密封完整性进行测试。以气窜为例进行说明：
待水泥浆养护完毕后，关闭截止阀三23，打开截止阀二21，选择气窜模式。关闭截止阀五26。打开截止阀九44，此时验窜端水泥环背压压力将会上升到与水泥环压力相同，之后关闭截止阀九44。打开截止阀十一37，调整背压阀一40，将水泥环底端验窜压力降低和水泥环顶端形成压差后，关闭截止阀十一37。将验窜水箱38注满水，打开截止阀十37、截止阀六35，测试当前工况下的水泥环密封完整性。测试中可选取不同压差间隔，如选择2MPa，即水泥环背压每降低2MPa便进行一次窜流测试。
c2通过调整套管内压力进行水泥环密封完整性测试
如上述整个测试中并未发生水泥环密封完整性失效的问题，可继续进行套管内压交替变化条件下的水泥环密封完整性测试。
打开截止阀九44，打开截止阀十一41，调整背压阀一40，使水泥环顶底端形成固定大小压差且稳定后，关闭截止阀十一41。调整背压阀二45，以固定间隔卸载套管内压力，直至套管6内压为零。期间套管6内压每卸载一次便进行一次窜流测试，如果没有发生窜流，继续调整背压阀二45，将套管6内压调整为原压力后，以固定间隔对套管进行加压，如每次加5MPa，且每次套管加压后重复上述套管压力卸载过程并进行窜流测试，直至水泥环密封完整性失效。
测试中将采用对套管内压大于外压条件下进行窜流测试并与原测试结果进行对比，来判断是固井一界面还是二界面产生了密封失效问题。另外，利用位移测量装置的监测结果来判断固井一界面微环隙的尺寸。
2、不同尺寸微环隙的气体窜流实验
在方法b2中，模拟套管憋压工况下的水泥浆养护后，关闭截止阀三23，打开截止阀二21，选择气窜模式。关闭截止阀五26。打开截止阀九44，使水泥环顶底端形成固定大小压差且稳定后，关闭截止阀十一41。调整背压阀二45，以固定间隔卸载套管内压力，直至套管内压为零，期间套管内压每卸载一次便进行一次窜流测试。利用位移测量装置的监测结果来判断固井一界面微环隙的尺寸。
3、不同特性水泥浆承压及封固能力测试
根据测试需要配置不同性质的水泥浆体系进行养护，待养护完毕后，关闭截止阀三23，打开截止阀二21，选择气窜模式。关闭截止阀五26。打开截止阀九44，此时验窜端水泥环背压压力将会上升到与水泥环压力相同，之后关闭截止阀九44。打开截止阀十一41，调整背压阀一45，将水泥环底端验窜压力降低和水泥环顶端形成压差后，关闭截止阀十一41。将验窜水箱38注满水，打开截止阀十37、截止阀六35进行测试，测试中逐渐增大水泥环顶底端压差。如果测试中监测到水泥环底端背压压力如果出现上升，当前压差即视为此种水泥浆的极限封固压力。
4、不同因素对水泥环密封完整性的影响规律分析
a泥饼性质：不同泥饼厚度可通过改变气源压力大小和时间获得；不同泥饼性质可通过改变岩心岩性和钻井液配方获得；
b水泥环厚度：通过选用不同尺寸套管，以及不同内部结构尺寸的上下端盖进行对比实验。
c养护温度和压力：通过温度控制仪表和压力控制仪表分别进行编程控温和控压，设置水泥浆养护过程中的温度和压力变化。
Claims (10)
1.一种油气井水泥环密封完整性测试装置，其特征在于：包括压力釜和位于压力釜内部的模拟井筒，所述的测试装置还包括压力控制系统、温度控制系统、窜流检测系统、应变测量系统和泥饼模拟系统；
所述的模拟井筒包括套管(6)和位于套管(6)外围的岩心(7)，所述的套管(6)和岩心(7)之间形成环形间隙，所述的环形间隙内形成水泥环(8)；所述套管(6)和岩心(7)的上下两端分别设有上端盖(4)和下端盖(11)；
所述的压力釜包括釜体(9)和与釜体(9)相配合的釜盖(3)；所述的釜体(9)设有与水泥环(8)顶端连同的水泥环压力口(17)和与水泥环(8)底部连通的验窜口(10)；所述的釜体(9)设有与岩心(7)外围上端连通的围压口(5)和与岩心(7)外围下端连通的泄压口(14)；所述的釜体(9)设有用于安装加热电偶的热电偶口(15)；所述的釜体(9)设有与套管(6)内部连通的设置在釜体(9)下端的套管压力口(12)；所述的釜盖(3)设有用于连接位移测量装置(1)或钻进液储存桶(54)的连通口(18)；
所述的压力控制系统包括与围压口(5)相连的管路一、与水泥环压力口(17)相连的管路二、与套管压力口(12)相连的管路四和与泄压口(14)相连的管路五；
所述的管路一上连接有截止阀一(27)、压力传感器一(28)、调压阀一(29)、气体增压泵(30)、压力控制仪表(32)和氮气源(34)，所述的气体增压泵(30)与压缩空气源(33)相连；
所述的管路二上连接有截止阀二(21)、截止阀四(22)、压力传感器二(24)、调压阀二(25)和截止阀七(31)；
所述的管路四上连接有压力传感器四(43)、液体增压泵(46)和水源(47)，所述的液体增压泵(46)与压缩空气源(33)相连；
所述的管路五上连接有截止阀八(48)和排水管(42)；
所述的温度控制系统包括与热电偶口(15)相连的设置在釜体(9)内部的热电偶，所述的热电偶还与温度控制仪表(49)相连，所述的釜体(9)外侧缠绕有冷却管(16)，所述的冷却管(16)与水源(47)相连；
所述的窜流检测系统包括与验窜口(10)相连的管路三，所述的管路三上连接有截止阀六(35)、压力传感器三(36)、截止阀十(37)和窜流监测装置；
所述的应变测量系统通过釜盖(3)上的连通口(18)深入套管(6)内部用于测量套管(6)内壁径向位移的位移测量装置(1)；
所述的泥饼模拟系统包括钻井液储存桶(54)和岩心滤网(20)，所述钻井液储存桶(54)的上下两端分别设有截止阀十二(55)和截止阀十三(53)，所述钻井液储存桶(54)的上端通过导气管与氮气瓶(56)相连，所述钻井液储存桶(54)与釜盖(3)相连；所述的岩心滤网(20)嵌套于岩心(7)的外壁。
2.根据权利要求1所述的油气井水泥环密封完整性测试装置，其特征在于：所述管路一和管路二上连接有分支管路六，所述的分支管路六上连接有截止阀五(26)，所述的分支管路六与管路二的连接点位于水泥环压力口(17)和截止阀二(21)之间，所述分支管路六与管路一的连接点位于围压口(5)和截止阀一(27)之间。
3.根据权利要求1所述的油气井水泥环密封完整性测试装置，其特征在于：所述管路二和分支管路六上连接有分支管路七，所述的分支管路七上设置有截止阀三(23)和失水桶(50)，所述的分支管路七与管路二的连接点位于截止阀二(21)和调压阀二(25)之间，所述的分支管路七和分支管路六的连接点位于水泥环压力口(17)和截止阀二(21)之间。
4.根据权利要求1所述的油气井水泥环密封完整性测试装置，其特征在于：所述的管路三上连接有分支管路八，所述的分支管路八上设置有背压阀一(40)和截止阀十一(41)，所述分支管路八的端部与排水管(42)相连。
5.根据权利要求1所述的油气井水泥环密封完整性测试装置，其特征在于：所述的管路五上连接有分支管路九，所述的分支管路九上设置有背压阀二(45)，所述分支管路九和管路五的连接点位于液体增压泵(46)和压力传感器四(43)之间，所述分支管路九的端部与排水管(42)相连。
6.根据权利要求1所述的油气井水泥环密封完整性测试装置，其特征在于：所述的管路五上连接有分支管路十，所述的分支管路十上设置有截止阀九(44)，所述分支管路十和管路五的连接点位于压力传感器四(43)和套管压力口(12)之间，所述分支管路十的端部与排水管(42)相连。
7.根据权利要求1所述的油气井水泥环密封完整性测试装置，其特征在于：所述釜体(9)的内底面设有定位凸台(19)。
8.根据权利要求1所述的油气井水泥环密封完整性测试装置，其特征在于：所述水泥环(8)的下端设有滤网(51)。
9.根据权利要求1所述的油气井水泥环密封完整性测试装置，其特征在于：所述釜体(9)与釜盖(3)之间，釜盖的连通口(18)与位移测量装置(1)之间和釜盖的连通口(18)与钻进液储存桶(54)之间设有连接构件(2)。
10.一种利用如权利要求1所述的油气井水泥环密封完整性测试装置进行评价的方法，其特征在于，包括如下过程：
(1)水泥环密封完整性测试
a岩心内壁泥饼的形成
将岩心滤网(20)套在制作好的环形柱状岩心(7)外围，放入釜体(9)底面的定位凸台(19)上，用釜盖(3)压紧密封，按照实验要求配置钻井液，关闭钻井液储存桶(54)下端截止阀十三(53)，打开上端截止阀十二(55)，将钻井液灌入钻井液存储桶(54)中，钻井液的体积可依实验需要而定，关闭截止阀十二(55)，将钻井液储存桶(54)旋入釜盖的连通口(18)，将从氮气瓶(56)引出的导气管连接到钻井液储存桶(54)的顶端，关闭截止阀一(27)、截止阀五(26)、截止阀六(35)和截止阀九(44)，打开截止阀八(48)、截止阀十二(55)和截止阀十三(53)，调节氮气瓶(56)输出压力为0.5-1.0MPa，打开氮气瓶调压阀开关输出氮气，记录时间15-30分钟，在达到实验所需时间后，在岩心内外压差作用下形成泥饼，关闭氮气瓶(56)开关，关闭截止阀十二(55)和截止阀十三(53)，拆卸钻井液储存桶(54)和釜盖(3)，取出岩心(7)，用缓缓流动的清水冲洗掉泥饼上的虚泥饼，并通过专用卡尺测量实际泥饼厚度；
b模拟井下水泥浆养护过程
b1模拟井筒内等压条件下的水泥浆养护
泥饼形成后，将岩心(7)和套管(6)嵌于下端盖(11)上，并根据实验要求配置不同性质的水泥浆，将水泥浆缓缓注入套管(6)和岩心(7)之间的环形空间，注满后用上端盖(4)压紧密封，将组装好的模拟井筒置入釜体(9)中，确保下端盖(11)与釜体(9)之间密封良好，然后旋紧釜盖(3)，将位移测量装置(1)旋入釜盖顶部的连通口(18)，连接系统数据采集软件，打开截止阀三(23)、截止阀五(26)，待釜体(9)内进水完毕后，根据需求设定釜体的温度为75-150℃，设置套管、水泥环空和围压的压力值相等，所述套管压力值上限为40MPa，所述水泥环和围压压力值上限为30MPa，打开液体增压泵(46)和气体增压泵(30)，并将热电偶通电工作，实现模拟井筒内等压条件下的水泥浆养护；
b2模拟套管憋压工况下的水泥浆养护
重复b1的操作，设置套管、水泥环空和围压的压力值，使得套管内压值大于套管外水泥环空和围压的压力值；
c不同工况下水泥环密封完整性测试
c1通过调整水泥环顶底端压力差进行水泥环密封完整性测试
待水泥浆养护完毕后，关闭截止阀三(23)，打开截止阀二(21)，关闭截止阀五(26)，打开截止阀九(44)，此时验窜端水泥环背压压力将会上升到与水泥环压力相同，之后关闭截止阀九(44)，打开截止阀十一(41)，调整背压阀一(40)，将水泥环底端验窜压力降低和水泥环顶端形成压差后，关闭截止阀十一(41)，将验窜水箱(38)注满水，打开截止阀十(37)和截止阀六(35)，测试当前工况下的水泥环密封完整性；测试中可选取不同压差间隔，如选择2MPa，即水泥环背压每降低2MPa便进行一次窜流测试。
c2通过调整套管内压力进行水泥环密封完整性测试
打开截止阀九(44)，打开截止阀十一(41)，调整背压阀一(40)，使水泥环(8)的顶、底端之间形成固定大小压差且待压差稳定后，关闭截止阀十一(41)；调整背压阀二(45)，以固定间隔卸载套管(6)内压力，直至套管(6)内压为零；期间套管(6)内压每卸载一次便进行一次窜流测试，如果没有发生窜流，继续调整背压阀二(45)；将套管(6)内压调整为原压力后，以固定间隔对套管(6)进行加压，且每次套管(6)加压后重复上述套管压力卸载过程并进行窜流测试，直至水泥环密封完整性失效；
测试中将采用对套管(6)内压大于外压条件下进行窜流测试并与原测试结果进行对比，来判断是固井一界面还是二界面产生了密封失效问题；利用位移测量装置(1)的监测结果来判断固井一界面微环隙的尺寸；
(2)不同尺寸微环隙的窜流实验
在b2过程中，模拟套管憋压工况下的水泥浆养护后，关闭截止阀三(23)，打开截止阀二(21)，选择窜流模式，关闭截止阀五(26)，打开截止阀九(44)，使水泥环顶底端形成固定大小压差且稳定后，关闭截止阀十一(41)，调整背压阀二(45)，以固定间隔卸载套管内压力，直至套管内压为零，期间套管内压每卸载一次便进行一次窜流测试，利用位移测量装置的监测结果来判断固井一界面微环隙的尺寸；
(3)不同特性水泥浆承压及封固能力测试
根据测试需要配置不同性质的水泥浆体系进行养护，待养护完毕后，关闭截止阀三(23)，打开截止阀二(21)，选择窜流模式；关闭截止阀五(26)。打开截止阀九(44)，此时验窜端水泥环背压压力将会上升到与水泥环压力相同，之后关闭截止阀九(44)，打开截止阀十一(41)，调整背压阀一(40)，将水泥环底端验窜压力降低和水泥环顶端形成压差后，关闭截止阀十一(41)，将验窜水箱(38)注满水，打开截止阀十(37)、截止阀六(35)进行测试，测试中逐渐增大水泥环顶底端压差，如果测试中监测到水泥环底端背压压力如果出现上升，当前压差即视为此种水泥浆的极限封固压力；
(4)不同因素对水泥环密封完整性的影响规律分析
a泥饼性质：不同泥饼厚度可通过改变气源压力大小和时间获得；不同泥饼性质可通过改变岩心岩性和钻井液配方获得；
b水泥环厚度：通过选用不同尺寸套管，以及不同内部结构尺寸的上下端盖进行对比实验；
c养护温度和压力：通过温度控制仪表和压力控制仪表分别进行进行编程控温和控压，设置水泥浆养护过程中的温度和压力变化。
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