CN109138906B - 模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置及方法，该测试装置包括：内管，具有密闭内腔，所述内管的两端通过连接板密封连接，所述密闭内腔中填充有压力介质；外管，套设在所述内管的外部，所述外管与所述内管之间形成有环形空腔，所述外管的两端能分别连接有第一外盲堵和第二外盲堵，所述第一外盲堵上连接有能向所述外管内注入压力液的试压接头；其中，在所述环形空腔中填充有固井水泥环。本发明能测试不同水泥浆体系、不同环空间隙时水泥环的胶结能力，本发明可以非常方便且精确的测量油气井固井水泥浆的胶结性能。

Description

模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及油气井钻完井领域，尤其涉及一种模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置及方法。

背景技术

随着油气资源的持续发现与开发，目前的油气勘探开发区域已经逐渐由陆地转向了浅海及深海，由常规的正常温压条件井转向了高温高压井甚至是超高温超高压井。对于作业日费极其高昂的海洋钻井及难度系数、技术要求、作业成本均极高的高温高压井，尤其是海上高温高压井，作业中的每一项环节均会对全井的作业时效、成败与否有着极为关键的影响。对于高温高压井，由于地层的温度及压力条件均非常恶劣，优质的固井水泥浆可以确保合格的固井效果，确保固井水泥环不会由于恶劣的温压条件而发生破坏从而失去对井下套管及地层的支撑作用，所以钻井现场，尤其是高温高压钻完井作业现场对固井水泥浆的综合性能有着极为苛刻的要求。因此，研制一套经济、方便、高效的装置用于测试不同的固井水泥浆在不同的井眼条件下的胶结性能是极为必要的，也可以快速高效的筛选出满足现场需要的固井水泥浆。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置及方法，该测试装置简单直观，能测试不同水泥浆体系、不同环空间隙时水泥环的胶结能力，本发明可以非常方便且精确的测量油气井固井水泥浆的胶结性能。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供了一种模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置，包括：

内管，具有密闭内腔，所述内管的两端通过连接板密封连接，所述密闭内腔中填充有压力介质；

外管，套设在所述内管的外部，所述外管与所述内管之间形成有环形空腔，所述外管的两端能分别连接有第一外盲堵和第二外盲堵，所述第一外盲堵上连接有能向所述外管内注入压力液的试压接头；

其中，在所述环形空腔中填充有固井水泥环。

在本发明的实施方式中，所述第一外盲堵包括第一底壁及连接在所述第一底壁周缘的第一筒壁，所述第一筒壁具有第一内螺纹段，所述第一外盲堵通过所述第一内螺纹段螺纹连接在所述外管的一端，所述试压接头设置在所述第一底壁上。

在本发明的实施方式中，所述第一筒壁上连接有第一快速接头，所述第一快速接头上能连接有第一压力表。

在本发明的实施方式中，所述第二外盲堵包括第二底壁及连接在所述第二底壁周缘的第二筒壁，所述第二筒壁具有第二内螺纹段，所述第二外盲堵通过所述第二内螺纹段螺纹连接在所述外管的另一端。

在本发明的实施方式中，所述第二筒壁上连接有第二快速接头，所述第二快速接头上能连接有第二压力表。

在本发明的实施方式中，所述固井水泥环通过内盲堵形成于所述环形空腔中，所述内盲堵包括：

挡块，其一端沿圆周方向开设有多个轴向插入孔，所述挡块位于所述第一外盲堵内；

第一挡板，其上沿圆周方向连接有多个连接杆，所述多个连接杆能插入所述多个轴向插入孔内，所述第一挡板位于所述环形空腔内；

第二挡板，位于所述环形空腔内，所述固井水泥环夹设在所述第一挡板与所述第二挡板之间。

在本发明的实施方式中，所述轴向插入孔为四个，四个所述轴向插入孔沿所述挡块的圆周方向等间隔设置在所述挡块的一端。

在本发明的实施方式中，所述第一挡板和所述第二挡板具有供所述内管穿设的第一中心孔和第二中心孔。

在本发明的实施方式中，所述第一中心孔为偏心孔，所述第二中心孔为偏心孔。

本发明还提供一种模拟井下固井水泥环综合性能的测试方法，其采用如上所述的模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置，所述模拟井下固井水泥环综合性能的测试方法包括如下步骤：

步骤S1：测量所述固井水泥环的两端分别距所述内管的两端的距离，并在所述外管上标记所述固井水泥环两端的初始位置；

步骤S2：通过所述第一外盲堵上的所述试压接头向所述外管内注入液体介质；

步骤S3：试压完成后，再次测量所述固井水泥环的两端分别距所述内管的两端的距离，并在所述外管上标记试压完成后的所述固井水泥环两端的实际位置，观察所述外管上标记的所述实际位置相对所述初始位置的变化情况。

本发明的模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置及方法的特点及优点是：

(1)本装置可开展重复多次的模拟实验，且方便后续的拆装、维修与改造；

(2)本装置测试精度高，可以快速准确的为现场筛选出符合要求的水泥浆；

(3)本装置结构较简单，成本低廉，方便使用；

(4)本方法可依据现场实际情况模拟不同的井眼间隙，以测量水泥环的胶结性能；

(5)本装置可以结合现场实际情况，模拟套管偏心情况下的水泥胶结性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置的结构示意图。

图2为本发明的内管的结构示意图。

图3为本发明的外管的结构示意图。

图4为本发明的固井水泥环形成于环形空腔内的结构示意图。

图5为本发明的内盲堵的挡块和第一挡板的连接结构示意图。

图6为本发明的挡块和第一挡板的连接结构与内管配合的结构示意图。

图7为图6的装置与外管、第一外盲堵配合的结构示意图。

图8为固井水泥环形成与外管与内管之间的环形空腔内的结构示意图。

附图标号说明：1、内管；11、密闭内腔；12、连接板；2、外管；21、环形空腔；22、外螺纹段；23、外螺纹段；3、第一外盲堵；31、试压接头；32、第一底壁；33、第一筒壁；331、第一内螺纹段；34、第一快速接头；35、第一压力表；36、密闭环空；4、第二外盲堵；41、第二底壁；42、第二筒壁；421、第二内螺纹段；43、第二快速接头；44、第二压力表；5、固井水泥环；6、内盲堵；61、挡块；611、轴向插入孔；62、第一挡板；621、第一中心孔；622、螺纹孔；63、第二挡板；631、第二中心孔；64、连接杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施方式一

如图1所示，本发明为解决高温高压钻井，尤其是海上高温高压钻井时对固井水泥浆胶结性能要求高，而水泥浆胶结性能同时又不明确的问题，提供了一种模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置，该测试装置包括内管1和外管2，其中，内管1具有密闭内腔11，所述内管1的两端通过连接板12密封连接，所述密闭内腔11中填充有压力介质；外管2套设在所述内管1的外部，所述外管2与所述内管1之间形成有环形空腔21，所述外管2的两端能分别连接有第一外盲堵3和第二外盲堵4，所述第一外盲堵3上连接有能向所述外管2内注入压力液的试压接头31；其中，在所述环形空腔21中填充有固井水泥环5。

具体是，如图2所示，内管1为一外壁光滑的圆柱形钢管，其材料及尺寸均参照现场实际作业时常用的套管尺寸及材料进行选取，内管1的两端面均用同钢管材料一致的连接板12进行封闭处理，在本实施例中，该连接板12为圆板，使得内管1构成一内部具有密闭内腔11的圆柱体。在本发明中，在内管1的密闭内腔11中充填有一定压力的压力介质，该压力介质例如可为水，当然也可采用空气等其他安全、无污染的流体，以确保在后续的试压作业过程中，内管1不会因为在外力的作用下发生变形而影响到测试的结果，导致测试数据不准。

如图3所示，外管2与内管1的材质相同，其为两端开口的圆柱筒状，在外管2的两端均车有外螺纹段22和外螺纹段23，该外管2套设在内管1的外部，二者之间形成有环形空腔21。在本发明中，外管2的壁厚可依据实验需要进行选择，通过更换壁厚更厚而外径相同的外管2，可以使得外管2与内管1之间形成的环形空腔21的体积更小，相应地，外管2与内管1之间充填的固井水泥环5的厚度也更小，从而可以模拟在不同的环形空腔21的间隙条件下待测试固井水泥浆的胶结性能。

外管2的两端分别连接有第一外盲堵3和第二外盲堵4，外管2的外径稍小于第一外盲堵3和第二外盲堵4的外径。在本发明中，请配合参阅图1所示，该第一外盲堵3包括第一底壁32及连接在第一底壁32周缘的第一筒壁33，该第一筒壁33具有第一内螺纹段331，该第一外盲堵3通过第一内螺纹段331螺纹连接在外管2的一端，例如，该第一外盲堵3通过第一内螺纹段331螺纹连接在外管2的外螺纹段22上；该试压接头31设置在第一底壁32上，在本实施例中，该试压接头31的高度与第一底壁32的厚度相同。进一步的，在第一筒壁33上连接有第一快速接头34，该第一快速接头34设置在第一内螺纹段331的末端与第一底壁32之间的第一筒壁33上，该第一快速接头34与第一外盲堵3的内部相互连通，第一压力表35能连接在第一快速接头34上，使得第一压力表35可以监测相应密闭区域中的压力变化。

在本发明中，该第二外盲堵4包括第二底壁41及连接在第二底壁41周缘的第二筒壁42，该第二筒壁42具有第二内螺纹段421，该第二外盲堵4通过第二内螺纹段421螺纹连接在外管2的另一端，例如，该第二外盲堵4通过第二内螺纹段421螺纹连接在外管2的外螺纹段23上。进一步的，在第二筒壁42上连接有第二快速接头43，该第二快速接头43设置在第二内螺纹段421的末端与第二底壁41之间的第二筒壁42上，该第二快速接头43与第二外盲堵4的内部相互连通，第二压力表44能连接在第二快速接头43上，使得第二压力表44可以监测相应密闭区域中的压力变化。

在本发明的实施方式中，如图4所示，位于内管1和外管2之间的环形空腔21内的固井水泥环5是通过内盲堵6形成于该环形空腔21中的。具体的，该内盲堵6包括挡块61、第一挡板62和第二挡板63，其中：挡块61的一端沿圆周方向开设有多个轴向插入孔611，该挡块61位于第一外盲堵3内；第一挡板62上沿圆周方向连接有多个连接杆64，多个连接杆64能插入多个轴向插入孔611内，第一挡板62位于环形空腔21内；第二挡板63位于环形空腔21内，该固井水泥环5夹设在第一挡板62与第二挡板63之间。

具体的，请配合参阅图5所示，挡块61为一实心的圆柱体或长方体，其可为金属也可以为强度较高的其它材料制成，挡块61的一端面沿圆周方向间隔设有多个轴向插入孔611，该些轴向插入孔611可为圆形小孔眼，该轴向插入孔611的深度h可为1cm～1.5cm。在本实施例中，在挡块61的一端面均匀间隔设有四个轴向插入孔611。

第一挡板62和第二挡板63均为圆环形挡板，二者的外径均稍小于第一外盲堵3的第一筒壁33的内径、以及第二外盲堵4的第二筒壁42的内径，在第一挡板62与第二挡板63上分别设有第一中心孔621和第二中心孔631，以便套设在内管1的外部。在本实施例中，该第一中心孔621和第二中心孔631不局限于开设在第一挡板62与第二挡板63的中心位置，根据实验的需要可以将第一挡板62的第一中心孔621、第二挡板63的第二中心孔631设计为多种不同的偏心距离，也即第一中心孔621的中心点与第一挡板62外圆周的中心点不重合、以及第二中心孔631的中心点与第二挡板63外圆周的中心点不重合。在本发明中，该第一挡板62的第一中心孔621的直径与第二挡板63的第二中心孔631的直径均与内管1的外径相近，且稍大于内管1的外径，该第一挡板62的外径与第二挡板63的外径稍大于挡块61的外径，且小于外管2的内径。在本发明中，在第一挡板62的一端面沿圆周方向车有多个螺纹孔622，在本实施例中，在第一挡板62的一端面沿圆周方向车有四个均匀间隔布置的螺纹孔622，该第一挡板62上的四个螺纹孔622与挡块61上的四个轴向插入孔611的相对位置是一致的，呈对称分布。

连接杆64的一端车有外螺纹段，以便与第一挡板62上的螺纹孔622螺纹连接在一起；连接杆64的另一端为光滑的金属圆杆，该金属圆杆的直径与挡块61上的轴向插入孔611的直径相近，确保连接杆64的另一端可以插入挡块61上的轴向插入孔中并且不会发生自由移动，在外力的作用下可使挡块61与连接杆64之间分离。

如图5所示，四根连接杆64、挡块61、第一挡板62之间通过以上方式连接之后，不会发生相对的移动或者是转动，同时可保证挡块61在竖直放置的状态下，第一挡板62在自由状态或者是在竖直方向的外力作用下均能保持水平，通过更换具有不同偏心距离的第一中心孔621的第一挡板62和具有不同偏心距离的第二中心孔631的第二挡板63，本发明的测试装置可真实的模拟现场可能存在的套管不居中的情况，使得本发明的测试装置中的内管1与外管2并非在同一轴线上，形成一侧空间大而另一侧空间小的情况，对于空间较大的一侧，其固井水泥浆的体积更大，固井水泥环5的厚度更厚，而空间小的一侧固井水泥环5的厚度相对偏小，造成内管1与外管2两侧的固井水泥环5不均匀，从而可以测试当管柱在不同程度的偏心情况时待测试固井水泥浆的胶结能力。

该模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置的工作步骤如下：

1、将准备好的内管1的两端焊接连接板12，两端去毛刺，保证外径均一，如图2所示；

2、将四根连接杆64均带有螺纹的一端与第一挡板62之间通过螺纹连接在一起，并保证第一挡板62水平；

3、将内管1穿过第一挡板62的第一中心孔621，直至内管1的一端面与挡块61接触，如图5和图6所示；

4、将第一外盲堵3与外管2通过螺纹连接在一起，并将步骤3中连接好的内管1及第一挡板62、挡块61的连接结构一同沿着外管2的另一端装入外管2中，直至挡块61的底端面接触第一外盲堵3的内端面，如图7所示；

5、将步骤4中连接好的装置竖直放立，此时第一外盲堵3位于下侧，之后向内管1与外管2的环形空腔21填充待测试用的固井水泥浆，固井水泥浆填充的上端面低于内管1与外管2之间的环形空腔21的上端面，如图4所示；

6、使用第二挡板63对填充的固井水泥浆的上端面进行压实；

7、保持当前状态静置设计时长T，之后将整个装置水平放置，并卸除下端的第一外盲堵3以及两端的第一挡板62和第二挡板63，如图8所示；

8、测量此时固井水泥环5两个端面处的位置分别距内管1的两端面的距离，并在外管2上标记固井水泥环5两端的初始位置，之后将第一外盲堵3与第二外盲堵4分别连接在步骤7中的外管2的两端，如图1所示；

9、通过试压接头31向外管2、内管1、固井水泥环5形成的密闭环空36中注满液体介质，并将第一压力表35与第二压力表44分别连接在相应的第一快速接头34和第二快速接头43上，记录当前的第一压力表35的读数或对第一压力表35进行调零；由于第二压力表44所监测的对应密闭区域中的压力变化情况可能较小，因此第二压力表44要求的精度要高于第一压力表35，同时第二压力表44的量程可小于第一压力表35。

10、将试压管线与试压接头31连接，对本端进行打压作业，打压值分别为2MPa、5MPa、8MPa、10MPa、15MPa和20MPa，每组打压完毕之后均维持压力状态15分钟，在打压及压力维持的全过程中，详细记录第一压力表35与第二压力表44的压力数据，重点记录第二压力表44在此过程中是否有变化；

11、试压完成后，拆卸，再次测量固井水泥环5的两端分别距内管1的两端的距离，并在外管2上标记试压完成后的固井水泥环5两端的实际位置，观察外管2上标记的实际位置相对初始位置的变化情况。

在本发明中，更换不同偏心距离的第一挡板62与第二挡板63，按照步骤1～11继续开展测试，从而可以模拟现场套管不居中情况下待测试水泥浆的胶结性能。

在本发明中，更换不同内径的外管2，按照步骤1～11继续开展测试，从而可以模拟现场套管与地层间的环空间隙不同大小情况下待测试水泥浆的胶结性能。

最后，分析各组数据结果，在打压及压力维持的全过程中，若第二压力表44没有压力变化，则可以认为此种固井水泥浆的固结效果较好，在当前的实验条件下其胶结强度满足要求。

本发明的有益效果如下：

(1)本测试装置可开展重复多次的模拟实验，且方便后续的拆装、维修与改造；

(2)本测试装置测试精度高，可以快速准确的为现场筛选出符合要求的固井水泥浆；

(3)本测试装置结构较简单，成本低廉，方便使用；

(4)本测试装置可以结合现场实际情况，模拟套管偏心情况下的固井水泥浆的胶结性能。

实施方式二

如图1至图8所示，本发明还提供了一种模拟井下固井水泥环综合性能的测试方法，其采用如上所述的模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置，所述模拟井下固井水泥环综合性能的测试方法包括如下步骤：

步骤S1：测量所述固井水泥环5的两端分别距所述内管1的两端的距离，并在所述外管2上标记所述固井水泥环5两端的初始位置；

步骤S2：通过所述第一外盲堵3上的所述试压接头31向所述外管2内注入液体介质；

步骤S3：试压完成后，再次测量所述固井水泥环5的两端分别距所述内管1的两端的距离，并在所述外管2上标记试压完成后的所述固井水泥环5两端的实际位置，观察所述外管2上标记的所述实际位置相对所述初始位置的变化情况。

本实施方式中所述的具体实验步骤已在实施方式一中具体描述，在此不再赘述。

本发明的模拟井下固井水泥环综合性能的测试方法，可以测试不同水泥浆体系、不同环空间隙以及管柱偏心情况下固井水泥环的胶结强度大小，可以非常方便且准确的测量油气井固井水泥浆的胶结性能，以为现场的固井作业提供理论指导。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置，其特征在于，包括：

内管，具有密闭内腔，所述内管的两端通过连接板密封连接，所述密闭内腔中填充有压力介质；

外管，套设在所述内管的外部，所述外管与所述内管之间形成有环形空腔，所述外管的两端能分别连接有第一外盲堵和第二外盲堵，所述第一外盲堵上连接有能向所述外管内注入压力液的试压接头、以及第一压力表，所述第二外盲堵上连接有第二压力表；

其中，在所述环形空腔中填充有固井水泥环，所述固井水泥环通过内盲堵形成于所述环形空腔中，所述内盲堵包括：挡块，其一端沿圆周方向开设有多个轴向插入孔，所述挡块位于所述第一外盲堵内；第一挡板，其上沿圆周方向连接有多个连接杆，所述多个连接杆能插入所述多个轴向插入孔内，所述第一挡板位于所述环形空腔内；第二挡板，位于所述环形空腔内，所述固井水泥环夹设在所述第一挡板与所述第二挡板之间，且所述固井水泥环位于所述第一外盲堵和所述第二外盲堵之间。

2.如权利要求1所述的模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置，其特征在于，所述第一外盲堵包括第一底壁及连接在所述第一底壁周缘的第一筒壁，所述第一筒壁具有第一内螺纹段，所述第一外盲堵通过所述第一内螺纹段螺纹连接在所述外管的一端，所述试压接头设置在所述第一底壁上。

3.如权利要求2所述的模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置，其特征在于，所述第一筒壁上连接有第一快速接头，所述第一快速接头上能连接有所述第一压力表。

4.如权利要求1～3中任一项所述的模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置，其特征在于，所述第二外盲堵包括第二底壁及连接在所述第二底壁周缘的第二筒壁，所述第二筒壁具有第二内螺纹段，所述第二外盲堵通过所述第二内螺纹段螺纹连接在所述外管的另一端。

5.如权利要求4所述的模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置，其特征在于，所述第二筒壁上连接有第二快速接头，所述第二快速接头上能连接有所述第二压力表。

6.如权利要求1所述的模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置，其特征在于，所述轴向插入孔为四个，四个所述轴向插入孔沿所述挡块的圆周方向等间隔设置在所述挡块的一端。

7.如权利要求1所述的模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置，其特征在于，所述第一挡板和所述第二挡板具有供所述内管穿设的第一中心孔和第二中心孔。

8.如权利要求7所述的模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置，其特征在于，所述第一中心孔为偏心孔，所述第二中心孔为偏心孔。

9.一种模拟井下固井水泥环综合性能的测试方法，其特征在于，其采用如权利要求1～8中任一项所述的模拟井下固井水泥环综合性能的测试装置，所述模拟井下固井水泥环综合性能的测试方法包括如下步骤：

步骤S1：测量所述固井水泥环的两端分别距所述内管的两端的距离，并在所述外管上标记所述固井水泥环两端的初始位置；

步骤S2：通过所述第一外盲堵上的所述试压接头向所述外管内注入液体介质；

步骤S3：试压完成后，再次测量所述固井水泥环的两端分别距所述内管的两端的距离，并在所述外管上标记试压完成后的所述固井水泥环两端的实际位置，观察所述外管上标记的所述实际位置相对所述初始位置的变化情况。