專(zhuān)利名稱：地層作用下套管-水泥環(huán)損壞室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油開(kāi)采行業(yè)中的模擬試驗(yàn)裝置，具體的說(shuō)是一種地層作用下套
管-水泥環(huán)損壞室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
在石油開(kāi)采過(guò)程中，套管損壞普遍存在，但由于套管損壞往往發(fā)生在地下一千米 甚至數(shù)千米之下，無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，這就使得室內(nèi)模擬試驗(yàn)特別重要。采油套管損壞與一 般鋼管的破壞試驗(yàn)相比，有兩點(diǎn)特殊之處需要考慮，其一是由于固井的需要，套管是和水泥 環(huán)粘結(jié)在一起的，構(gòu)成了一個(gè)套管_水泥環(huán)系統(tǒng)，試驗(yàn)中不能包括水泥環(huán)的套管破壞試驗(yàn) 必然與實(shí)際情況產(chǎn)生較大誤差；其二是套管損壞發(fā)生在地下，由于地層蠕變或者構(gòu)造與斷 層活動(dòng)等原因產(chǎn)生的地層層間滑移是套管損壞的主要破壞力來(lái)源，如何模擬地層作用是破 壞試驗(yàn)成敗的另一關(guān)鍵。也正是由于這兩方面的原因，至今尚沒(méi)有針對(duì)地層作用下的套管 水泥環(huán)損壞進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)。油井套管損壞已經(jīng)成為油氣生產(chǎn)的首要災(zāi)害，初步統(tǒng)計(jì)，我 國(guó)目前套管損壞井超過(guò)15000 口 ，套損井涉及資產(chǎn)高達(dá)300億元，需要報(bào)廢或不得不進(jìn)行大 修的直接井資產(chǎn)就超過(guò)100億元。通過(guò)對(duì)遼河油田錦州采油廠，僅僅一個(gè)廠1976 口油井進(jìn) 行的調(diào)查，套管損壞井占總井?dāng)?shù)的26.5%，僅在錦45區(qū)塊就有278 口井發(fā)生套管破壞。套 管損壞的原因包括地層因素、流體和施工因素等，其中地層因素是首要因素?，F(xiàn)階段套損研 究主要基于數(shù)值模擬手段，但數(shù)值模擬的結(jié)果必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，而在相應(yīng)的試驗(yàn)方面， 則僅僅是進(jìn)行套管強(qiáng)度試驗(yàn)。如鄧金根等根據(jù)實(shí)際全尺寸套管承受非均勻外載作用下的強(qiáng) 度實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)有試驗(yàn)尚無(wú)法將套管和水泥環(huán)做整體考慮，也無(wú)法真實(shí)模擬地層層間相對(duì)滑動(dòng) 作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠模擬地下層層間滑動(dòng)作用下包含水泥環(huán)的套 管-水泥環(huán)室內(nèi)破壞試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置。利用這種裝置，可在室內(nèi)模擬地層不同位移和不同 加載速率的層間滑動(dòng)，制作包含水泥環(huán)的套管水泥環(huán)裝置，測(cè)量分析套管_水泥環(huán)的應(yīng)變 和變形特征、破壞過(guò)程與裂紋擴(kuò)展規(guī)律，為油井套管損壞成因提供試驗(yàn)依據(jù)。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 —種地層作用下套管-水泥環(huán)損壞室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置，包括地層作用模擬器和固 井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器，所述地層作用模擬器包括套管、箱體框架、多層箱體、可 抽拉式活動(dòng)層、滑道、反力墻連接頭、動(dòng)作器連接頭，所述固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作 器包括底座、上蓋、導(dǎo)向柱、進(jìn)漿孔、鋼管，所述地層作用模擬器的箱體框架上連接有護(hù)板構(gòu) 成的多層箱體，該多層箱體的底層和頂層為固定層，中間層為可抽拉式活動(dòng)層，其中頂層上 裝有反力墻連接頭，中間層上裝有動(dòng)作器連接頭，所述箱體框架的內(nèi)部空間通過(guò)與其連接 的加強(qiáng)板裝有加強(qiáng)鋼套管，該加強(qiáng)鋼套管分段設(shè)置，其段數(shù)與多層箱體的層數(shù)相一致；所述 固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器的模具底座上裝有由兩個(gè)半圓形圍成一體的鋼管，該鋼管的內(nèi)部空間裝有與其底平面相平齊的底座，該底座上設(shè)有下定位底座，該下定位底座上 套裝有套管，該套管與所述鋼管之間留有填充空間，該套管上支承有圓形擋板，該擋板上均 布有進(jìn)漿孔和排氣孔，該擋板的外徑與鋼管的外徑相等，該擋板的上方連接有圓形支承板， 該支承板上均布有第一進(jìn)漿孔，該第一進(jìn)漿孔與所述擋板上的進(jìn)漿孔相貫通，該支承板的 上方裝有筒狀上蓋，所述支承板的回轉(zhuǎn)中心設(shè)有導(dǎo)向柱。 本發(fā)明的上述技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，地層作用模擬器能夠模擬對(duì)固井套 管_水泥環(huán)的不同位移和加載速率的地層層間滑動(dòng)，進(jìn)行地層作用下套管_水泥環(huán)損壞的 室內(nèi)試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量分析套管-水泥環(huán)的應(yīng)變和變形特性、破壞過(guò)與紋的擴(kuò)展規(guī)律，為油井 套管損壞成因提供試驗(yàn)依據(jù)。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，所述地層作用模擬器中裝在頂層上的反力墻連接頭 與頂層之間通過(guò)第一加勁肋連接，中間層上的動(dòng)作器連接頭通過(guò)第二加勁肋與中間層連 接，所述底層的下方設(shè)有固定底座。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，所述地層作用模擬器中箱體框架的中間層上裝有 上、下定位板和上、下滑道。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，所述固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器中兩個(gè)半圓 形圍成一體的鋼管通過(guò)夾緊鋼板連接。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，所述固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器中均布于圓
形擋板上的進(jìn)漿孔及排氣孔置于大于套管外徑的位置上。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，所述固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器中擋板的下
方裝有與下定位底座直徑相等的上定位支承板。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，所述固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器中模具底座 下方連接有固定鋼板，該固定鋼板上設(shè)有預(yù)留孔。


圖1是本發(fā)明中的地層作用模擬器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明中的固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是圖2的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖詳述本發(fā)明 —種地層作用下套管-水泥環(huán)損壞室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置，參見(jiàn)附圖1、附圖2和附圖 3，圖中套管l，水泥環(huán)2，加強(qiáng)板3，加強(qiáng)鋼套管4，護(hù)板5，箱體框架6，上定位板7，可抽拉 式活動(dòng)層8，動(dòng)作器連接頭9，第二加勁肋IO，下定位板11，固定底座12，下滑道13，上滑道 14，第一加勁肋15，反力墻連接頭16 ;模具底座17，底座18，下定位底座19，鋼管20，夾緊鋼 板21，圓形擋板22，進(jìn)漿孔23，排氣孔24，圓形支承板25，第一進(jìn)漿孔26，筒狀上蓋27，導(dǎo)向 柱28，上定位支承29，固定鋼板30，預(yù)留孔31 。 本發(fā)明的實(shí)施例由地層作用模擬器和固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器組成，地 層作用模擬器由加強(qiáng)鋼板3，加強(qiáng)鋼套管4，護(hù)板5，箱體框架6，上定位板7，可抽拉式活動(dòng)層 8，動(dòng)作器連接頭9，第二加勁肋IO，下定位板11，固定底座12，下滑道13，上滑道14，第一加勁肋15，反力墻連接頭16組成。 固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器由套管l，模具底座17，底座18，下定位板19， 夾緊鋼板21，圓形擋板22，進(jìn)漿孔23，排氣孔24，圓形支承板25，第一進(jìn)漿孔26，圓筒形上 蓋27，導(dǎo)向柱28，上定位板29，固定鋼板30，預(yù)留孔31組成。 地層作用模擬器的箱體框架6上連接有護(hù)板5構(gòu)成的多層箱體，其中多層箱體的 底層和頂層為固定層，其中間層為可抽拉式活動(dòng)層8，其中頂層上裝有動(dòng)作器連接頭9，箱 體框架6的內(nèi)部空間通過(guò)與其連接的加強(qiáng)板3裝有加強(qiáng)鋼套管4，加強(qiáng)鋼套管4分段設(shè)置， 其段數(shù)與多層箱體的層數(shù)相一致。 固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器的模具底座17上裝有由兩個(gè)半圓形圍成一體 的鋼管20，鋼管20的內(nèi)部空間裝有與其底平面相平齊的底座18，底座18上設(shè)有下定位底 座19，下定位底座19上套裝有套管l，套管1與鋼管20之間留有填充空間，套管1上支承 有圓形擋板22，圓形擋板22上均布有進(jìn)漿孔23和排氣孔24，圓形擋板22的外徑與鋼管20 的外徑相等。 圓形擋板22的上方連接有圓形支承板25，圓形支承板25上均布有第一進(jìn)漿孔 26，第一進(jìn)漿孔26與圓形擋板22上的進(jìn)漿孔23相貫通，圓形支承板25的上方裝有筒狀上 蓋27，圓形支承板25的回轉(zhuǎn)中心設(shè)有導(dǎo)向柱28。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，地層作用模擬器中裝在頂層上的反力墻連接頭16 與頂層之間通過(guò)第一加勁肋15連接，中間層上的動(dòng)作器連接頭9通過(guò)第二加勁肋10與中 間層，即可抽拉式活動(dòng)層8連接，底層的下方裝有固定底座12。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，參見(jiàn)附圖1，中間層上設(shè)有上定位板7、下定位板11、 上滑道14和下滑道13。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器中兩個(gè)半圓形圍 成一體的鋼管20通過(guò)夾緊鋼板21連接。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器中均布于圓形擋 板22上的進(jìn)漿孔23及排氣孔24置于大于套管1外徑的位置上。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器中圓形擋板22的 下方裝有與下定位底座19直徑相等的上定位支承29。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器中模具底座17下 方連接有固定鋼板30，固定鋼板30上設(shè)有預(yù)留孔31。 為真實(shí)模擬地層作用，頂層可較厚，底層則較薄；本實(shí)施例為三層設(shè)置，頂層由反 力墻連接頭16通過(guò)第一加勁肋15固定到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的反力墻上，底層由固定底座12通過(guò) 地錨螺栓固定到地面上，在箱體框架6上焊接的上定位板7、下定位板11、上滑道14和下滑 道13，能夠保證可抽拉式活動(dòng)層8的滑動(dòng)性能。 由于套管剛度較大，為避免加載時(shí)箱體產(chǎn)生過(guò)大變形，在箱體框架6和護(hù)板5構(gòu)成 的多層箱體上焊接加強(qiáng)板3，利用加強(qiáng)板3提高箱體強(qiáng)度和剛度。 加強(qiáng)鋼套管4采用加厚的合金鋼制成，加強(qiáng)鋼套管4分段加工。其段數(shù)與多層箱 體的層數(shù)一致，每段的高度同各層箱體的高度，其內(nèi)徑可由水泥環(huán)2的外徑確定(以能夠順 利將套管水泥環(huán)放入為準(zhǔn))，每層的加強(qiáng)板3及加強(qiáng)鋼套管4焊成一個(gè)整體，在箱體頂部和 底部固定層中可將加強(qiáng)板3直接焊接在箱體上，即箱體框架6和護(hù)板5上，可抽拉式活動(dòng)層8上的加強(qiáng)板3和加強(qiáng)鋼套管4則與其相連接形成一個(gè)獨(dú)立的整體。
為實(shí)現(xiàn)用MTS加載模擬地層蠕變作用，在可抽拉式活動(dòng)層8的側(cè)面裝有動(dòng)作器連 接頭9，動(dòng)作器連接頭9用第二加勁肋10與可抽拉式活動(dòng)層焊接在一起，動(dòng)作器連接頭9的 另一端打孔與MTS動(dòng)作器連接到一起。如可抽拉式活動(dòng)層8不止一層，動(dòng)作器連接頭10可 設(shè)在不同位置及不同方向上，以模擬不同狀況下的地層蠕變作用。 筒狀上蓋27的回轉(zhuǎn)中心設(shè)有的圓臺(tái)形導(dǎo)向柱28便于灌漿，圓形支承板26上均布 的第一進(jìn)漿孔26與圓形擋板22上的進(jìn)漿孔23相貫通，使水泥漿順利進(jìn)入兩個(gè)半鋼圓管?chē)?成一體的鋼管20中，圓形擋板22中留有排氣孔24，使水泥漿在灌注過(guò)程中能夠排空氣體， 從而灌漿密實(shí)；上定位支承29及下定位底座19在灌漿過(guò)程中能夠保證水泥漿薄厚均勻，飽 滿的灌注到套管l的周?chē)?底座18與模具底座17焊接到一起，其中底座18的外徑與鋼管20的內(nèi)徑一致(以 鋼管20能順利插入為準(zhǔn))，模具底座17兩端焊接固定鋼板30，固定鋼板30上的預(yù)留孔31 便于地腳螺栓將模具底座17固定到地面或其他基礎(chǔ)中。 將試驗(yàn)用的套管1內(nèi)外壁預(yù)置埋入應(yīng)變片，形成應(yīng)變應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，再利用固井 套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器將套管1外部灌注水泥環(huán)2，二十四小時(shí)水泥固結(jié)后拆模，再 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)二十八天后即可使用。 將多層箱體的頂部和底部固定，可抽拉式活動(dòng)層8放入箱體就位，在加強(qiáng)鋼套管4 內(nèi)放入制作好的包含水泥環(huán)2的套管l，然后通過(guò)加載端將MTS擬動(dòng)力試驗(yàn)裝置的加載位移 加載到可抽拉式活動(dòng)層8實(shí)現(xiàn)地層層間滑動(dòng)位移，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量套管1內(nèi)外壁和水泥 環(huán)2外壁的應(yīng)變，并觀測(cè)分析套管1和水泥環(huán)2 —體變形過(guò)程、水泥環(huán)2破壞過(guò)程、水泥環(huán) 1破壞后的套管1破壞與裂紋擴(kuò)展過(guò)程，并分析水泥環(huán)2破壞與套管1破壞的關(guān)系。
權(quán)利要求
一種地層作用下套管-水泥環(huán)損壞室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置，包括地層作用模擬器和固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器，所述地層作用模擬器包括套管、箱體框架、多層箱體、可抽拉式活動(dòng)層、滑道、反力墻連接頭、動(dòng)作器連接頭，所述固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器包括底座、上蓋、導(dǎo)向柱、進(jìn)漿孔、鋼管，其特征在于a、所述地層作用模擬器的箱體框架上連接有護(hù)板構(gòu)成的多層箱體，該多層箱體的底層和頂層為固定層，中間層為可抽拉式活動(dòng)層，其中頂層上裝有反力墻連接頭，中間層上裝有動(dòng)作器連接頭，所述箱體框架的內(nèi)部空間通過(guò)與其連接的加強(qiáng)板裝有加強(qiáng)鋼套管，該加強(qiáng)鋼套管分段設(shè)置，其段數(shù)與多層箱體的層數(shù)相一致；b、所述固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器的模具底座上裝有由兩個(gè)半圓形圍成一體的鋼管，該鋼管的內(nèi)部空間裝有與其底平面相平齊的底座，該底座上設(shè)有下定位底座，該下定位底座上套裝有套管，該套管與所述鋼管之間留有填充空間，該套管上支承有圓形擋板，該擋板上均布有進(jìn)漿孔和排氣孔，該擋板的外徑與鋼管的外徑相等，該擋板的上方連接有圓形支承板，該支承板上均布有第一進(jìn)漿孔，該第一進(jìn)漿孔與所述擋板上的進(jìn)漿孔相貫通，該支承板的上方裝有筒狀上蓋，所述支承板的回轉(zhuǎn)中心設(shè)有導(dǎo)向柱。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地層作用下套管_水泥環(huán)損壞室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于所述地層作用模擬器中裝在頂層上的反力墻連接頭與頂層之間通過(guò)第一加勁肋連接，中間層上的動(dòng)作器連接頭通過(guò)第二加勁肋與中間層連接，所述底層的下方設(shè)有固定底座。
3 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地層作用下套管-水泥環(huán)損壞室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于所述地層作用模擬器中箱體框架的中間層上設(shè)有上、下定位板和上、下滑道。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的地層作用下套管-水泥環(huán)損壞室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于所述固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器中兩個(gè)半圓形圍成一體的鋼管通過(guò)夾緊鋼板連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地層作用下套管-水泥環(huán)損壞室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于所述固井套管_水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器中均布于圓形擋板上的進(jìn)漿孔及排氣孔置于大于套管外徑的位置上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地層作用下套管-水泥環(huán)損壞室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于所述固井套管_水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器中擋板的下方裝有與下定位底座直徑相等的上定位支承。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地層作用下套管-水泥環(huán)損壞室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于所述固井套管_水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器中模具底座下方連接有固定鋼板，該固定鋼板上設(shè)有預(yù)留孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種石油開(kāi)采行業(yè)中的模擬試驗(yàn)裝置，具體的說(shuō)是一種地層作用下套管-水泥環(huán)損壞室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置。它包括地層作用模擬器和固井套管-水泥環(huán)室內(nèi)模擬制作器，箱體框架上連接有護(hù)板構(gòu)成的多層箱體，多層箱體的底層和頂層為固定層，中間層為可抽拉式活動(dòng)層，箱體框架的內(nèi)部空間通過(guò)與其連接的加強(qiáng)板裝有加強(qiáng)鋼套管，加強(qiáng)鋼套管分段設(shè)置，段數(shù)與多層箱體的層數(shù)相一致；模具底座上裝有鋼管，套管與鋼管之間留有填充空間，套管上支承有圓形擋板，擋板上均布有進(jìn)漿孔和排氣孔，支承板的上方裝有筒狀上蓋，支承板的回轉(zhuǎn)中心設(shè)有導(dǎo)向柱。本發(fā)明能夠模擬地層作用下套管-水泥環(huán)損壞的室內(nèi)試驗(yàn)，為油井套管損壞成因提供試驗(yàn)依據(jù)。
文檔編號(hào)E21B49/00GK101725345SQ20091017542
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日
發(fā)明者刁恒強(qiáng), 廖永, 張玉敏, 朱慶杰, 李麗峰, 王占輝, 陳艷華 申請(qǐng)人:河北理工大學(xué);鵬達(dá)建設(shè)集團(tuán)有限公司