本發(fā)明屬于油氣資源開發(fā)領(lǐng)域，具體涉及到一種可以模擬井下工況條件下水泥環(huán)所承受的套管、地層復(fù)雜載荷，并對水泥環(huán)進(jìn)行密封完整性測試的裝置及評價方法。

背景技術(shù)：

在油氣井生命周期中的各個階段，對井筒和地層內(nèi)流體的控制都是首要任務(wù)。如果流體發(fā)生不受控制的流動，油氣井在物理和功能上就不具備完整性，就有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的、甚至災(zāi)難性的后果。水泥環(huán)作為油氣井井筒的重要組成部分，其主要功能就是為了防止鉆井、生產(chǎn)和改造過程中的地層流體竄流，并有效地固定和支撐套管。近年來，隨著勘探開發(fā)進(jìn)程的深入開展，多數(shù)油田開發(fā)進(jìn)入中后期，流體注入、酸化、壓裂等增產(chǎn)改造措施得到廣泛應(yīng)用，越來越多的井卻出現(xiàn)了環(huán)空帶壓、層間竄流等水泥環(huán)密封完整性失效的問題，特別是對于高壓氣井，生產(chǎn)過程中的環(huán)空壓力異?，F(xiàn)象非常普遍，而密封性能作為水泥環(huán)完整性的直接度量指標(biāo)，如何實(shí)現(xiàn)對其準(zhǔn)確定量評價至關(guān)重要。因此，開展水泥環(huán)密封完整性評價研究，對油氣井生產(chǎn)措施的確定和生命周期的延長具有重要意義。

目前，對于水泥環(huán)密封完整性的測試方法，在油田現(xiàn)場主要利用測井儀器，如聲波測井(CBL)、變密度(VDL)等對固井界面進(jìn)行評判，也有直接利用射孔孔眼對層間進(jìn)行竄通能力測試的，但這種測試可能會壓裂或堵塞地層，甚至對固井界面造成破壞。而實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的測試儀器與方法主要有：剪切膠結(jié)強(qiáng)度評價裝置、水力膠結(jié)和滲透性評價裝置、水泥石抗壓強(qiáng)度測定法、固井二界面封隔能力仿真評價裝置以及固井水泥環(huán)力學(xué)完整性測試裝置等，以上測試儀器多數(shù)是以界面剪切強(qiáng)度和水泥石抗壓強(qiáng)度為評價指標(biāo)，極少數(shù)儀器是以水泥環(huán)實(shí)際的封固和密封性作為評價指標(biāo)。即使是這樣，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，以上方法對實(shí)際井下工況進(jìn)行了大量的簡化，或者直接簡化為等效的物理實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致無法模擬水泥環(huán)在井下的實(shí)際受力狀態(tài)。因此，當(dāng)前無論是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測試，還是現(xiàn)場工程應(yīng)用均難實(shí)現(xiàn)對井下工況條件下水泥環(huán)密封完整性進(jìn)行準(zhǔn)確評價。

中國專利CN 104153760 A油氣井水泥環(huán)密封特性模擬測試裝置與實(shí)驗(yàn)方法，公開了一種油氣井水泥環(huán)密封特性模擬測試裝置，包括釜體、上釜蓋、下釜蓋、加熱套、增壓泵、泄壓泵和液量與氣量記錄儀以及連接了用于控制和測試圍壓、泄壓和套管壓力等多條管路，但是從本課題組實(shí)際操作情況來看，本裝置的密封性能不夠好，主要因?yàn)榕浜喜煌叽缣坠苁褂玫膲喊迮c上釜蓋之間連接結(jié)構(gòu)不能承受太大壓差，因此只能在一定程度上實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。再者，此裝置僅能實(shí)現(xiàn)水泥環(huán)加載及水泥環(huán)密封特性影響的測定，而實(shí)際井下的水泥環(huán)需要承受多方壓力，僅通過對水泥環(huán)加載測定水泥環(huán)密封的特性，不能滿足全面測定的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)上述不足之處，本發(fā)明的目的是提供一種可以模擬井下工況條件下水泥環(huán)所承受的套管、地層復(fù)雜載荷，并對水泥環(huán)進(jìn)行密封完整性測試的裝置及評價方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案在于：一種油氣井水泥環(huán)密封完整性測試裝置，包括壓力釜和位于壓力釜內(nèi)部的模擬井筒，測試裝置還包括壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、竄流檢測系統(tǒng)、應(yīng)變測量系統(tǒng)和泥餅?zāi)M系統(tǒng)；

模擬井筒包括套管和位于套管外圍的巖心，所述的套管和巖心之間形成環(huán)形間隙，環(huán)形間隙內(nèi)形成水泥環(huán)；套管和巖心的上下兩端分別設(shè)有上端蓋和下端蓋；

壓力釜包括釜體和與釜體相配合的釜蓋；釜體設(shè)有與水泥環(huán)頂端連同的水泥環(huán)壓力口和與水泥環(huán)底部連通的驗(yàn)竄口；釜體設(shè)有與巖心外圍上端連通的圍壓口和與巖心外圍下端連通的泄壓口；釜體設(shè)有用于安裝加熱電偶的熱電偶口；釜體設(shè)有與套管內(nèi)部連通的設(shè)置在釜體下端的套管壓力口；釜蓋設(shè)有用于連接位移測量裝置或鉆進(jìn)液儲存桶的連通口；

壓力控制系統(tǒng)包括與圍壓口相連的管路一、與水泥環(huán)壓力口相連的管路二、與套管壓力口相連的管路四和與泄壓口相連的管路五；

管路一上連接有截止閥一、壓力傳感器一、調(diào)壓閥一、氣體增壓泵、壓力控制儀表和氮?dú)庠?，氣體增壓泵與壓縮空氣源相連；

管路二上連接有截止閥二、截止閥四、壓力傳感器二、調(diào)壓閥二和截止閥七；

管路四上連接有壓力傳感器四、液體增壓泵和水源，液體增壓泵與壓縮空氣源相連；

管路五上連接有截止閥八和排水管；

溫度控制系統(tǒng)包括與熱電偶口相連的設(shè)置在釜體內(nèi)部的熱電偶，熱電偶還與溫度控制儀表相連，釜體外側(cè)纏繞有冷卻管，冷卻管與水源相連；

竄流檢測系統(tǒng)包括與驗(yàn)竄口相連的管路三，管路三上連接有截止閥六、壓力傳感器三、截止閥十和竄流監(jiān)測裝置；

應(yīng)變測量系統(tǒng)通過釜蓋上的連通口深入套管內(nèi)部用于測量套管內(nèi)壁徑向位移的位移測量裝置；

泥餅?zāi)M系統(tǒng)包括鉆井液儲存桶和巖心濾網(wǎng)，鉆井液儲存桶的上下兩端分別設(shè)有截止閥十二和截止閥十三，鉆井液儲存桶的上端通過導(dǎo)氣管與氮?dú)馄肯噙B，鉆井液儲存桶與釜蓋相連；巖心濾網(wǎng)嵌套于巖心的外壁。

優(yōu)選的是：管路一和管路二上連接有分支管路六，分支管路六上連接有截止閥五，分支管路六與管路二的連接點(diǎn)位于水泥環(huán)壓力口和截止閥二之間，分支管路六與管路一的連接點(diǎn)位于圍壓口和截止閥一之間。

優(yōu)選的是：管路二和分支管路六上連接有分支管路七，分支管路七上設(shè)置有截止閥三和失水桶，分支管路七與管路二的連接點(diǎn)位于截止閥二和調(diào)壓閥二之間，分支管路七和分支管路六的連接點(diǎn)位于水泥環(huán)壓力口和截止閥二之間。

優(yōu)選的是：管路三上連接有分支管路八，分支管路八上設(shè)置有背壓閥一和截止閥十一，分支管路八的端部與排水管相連。

優(yōu)選的是：管路五上連接有分支管路九，分支管路九上設(shè)置有背壓閥二，分支管路九和管路五的連接點(diǎn)位于液體增壓泵和壓力傳感器四之間，分支管路九的端部與排水管相連。

優(yōu)選的是：管路五上連接有分支管路十，分支管路十上設(shè)置有截止閥九，分支管路十和管路五的連接點(diǎn)位于壓力傳感器四和套管壓力口之間，分支管路十的端部與排水管相連。

優(yōu)選的是：釜體的內(nèi)底面設(shè)有定位凸臺。

優(yōu)選的是：水泥環(huán)的下端設(shè)有濾網(wǎng)。

優(yōu)選的是：釜體與釜蓋之間，釜蓋的連通口與位移測量裝置之間和釜蓋的連通口與鉆進(jìn)液儲存桶之間設(shè)有連接構(gòu)件。

本發(fā)明還提供一種利用油氣井水泥環(huán)密封完整性測試裝置進(jìn)行評價的方法，包括如下過程：

(1)水泥環(huán)密封完整性測試

a巖心內(nèi)壁泥餅的形成

將巖心濾網(wǎng)套在制作好的環(huán)形柱狀巖心外圍，放入釜體底面的定位凸臺上，用釜蓋壓緊密封，按照實(shí)驗(yàn)要求配置鉆井液，關(guān)閉鉆井液儲存桶下端截止閥十三，打開上端截止閥十二，將鉆井液灌入鉆井液存儲桶中，鉆井液的體積可依實(shí)驗(yàn)需要而定，關(guān)閉截止閥十二，將鉆井液儲存桶旋入釜蓋的連通口，將從氮?dú)馄恳龅膶?dǎo)氣管連接到鉆井液儲存桶的頂端，關(guān)閉截止閥一、截止閥五、截止閥六和截止閥九，打開截止閥八、截止閥十二和截止閥十三，調(diào)節(jié)氮?dú)馄枯敵鰤毫?.5-1.0MPa，打開氮?dú)馄空{(diào)壓閥開關(guān)輸出氮?dú)猓涗洉r間15-30分鐘，在達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需時間后，在巖心內(nèi)外壓差作用下形成泥餅，關(guān)閉氮?dú)馄块_關(guān)，關(guān)閉截止閥十二和截止閥十三，拆卸鉆井液儲存桶和釜蓋，取出巖心，用緩緩流動的清水沖洗掉泥餅上的虛泥餅，并通過專用卡尺測量實(shí)際泥餅厚度；

b模擬井下水泥漿養(yǎng)護(hù)過程

b1模擬井筒內(nèi)等壓條件下的水泥漿養(yǎng)護(hù)

泥餅形成后，將巖心和套管嵌于下端蓋上，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求配置不同性質(zhì)的水泥漿，將水泥漿緩緩注入套管和巖心之間的環(huán)形空間，注滿后用上端蓋壓緊密封，將組裝好的模擬井筒置入釜體中，確保下端蓋與釜體之間密封良好，然后旋緊釜蓋，將位移測量裝置旋入釜蓋頂部的連通口，連接系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件，打開截止閥三、截止閥五，待釜體內(nèi)進(jìn)水完畢后，根據(jù)需求設(shè)定釜體的溫度為75-150℃，設(shè)置套管、水泥環(huán)空和圍壓的壓力值相等，所述套管壓力值上限為40MPa，所述水泥環(huán)和圍壓壓力值上限為30MPa，打開液體增壓泵和氣體增壓泵，并將熱電偶通電工作，實(shí)現(xiàn)模擬井筒內(nèi)等壓條件下的水泥漿養(yǎng)護(hù)；

b2模擬套管憋壓工況下的水泥漿養(yǎng)護(hù)

重復(fù)b1的操作，設(shè)置套管、水泥環(huán)空和圍壓的壓力值，使得套管內(nèi)壓值大于套管外水泥環(huán)空和圍壓的壓力值；

c不同工況下水泥環(huán)密封完整性測試

c1通過調(diào)整水泥環(huán)頂?shù)锥藟毫Σ钸M(jìn)行水泥環(huán)密封完整性測試

待水泥漿養(yǎng)護(hù)完畢后，關(guān)閉截止閥三，打開截止閥二，關(guān)閉截止閥五，打開截止閥九，此時驗(yàn)竄端水泥環(huán)背壓壓力將會上升到與水泥環(huán)壓力相同，之后關(guān)閉截止閥九，打開截止閥十一，調(diào)整背壓閥一，將水泥環(huán)底端驗(yàn)竄壓力降低和水泥環(huán)頂端形成壓差后，關(guān)閉截止閥十一，將驗(yàn)竄水箱注滿水，打開截止閥十和截止閥六，測試當(dāng)前工況下的水泥環(huán)密封完整性；測試中可選取不同壓差間隔，如選擇2MPa，即水泥環(huán)背壓每降低2MPa便進(jìn)行一次竄流測試。

c2通過調(diào)整套管內(nèi)壓力進(jìn)行水泥環(huán)密封完整性測試

打開截止閥九，打開截止閥十一，調(diào)整背壓閥一，使水泥環(huán)的頂、底端之間形成固定大小壓差且待壓差穩(wěn)定后，關(guān)閉截止閥十一；調(diào)整背壓閥二，以固定間隔卸載套管內(nèi)壓力，直至套管內(nèi)壓為零；期間套管內(nèi)壓每卸載一次便進(jìn)行一次竄流測試，如果沒有發(fā)生竄流，繼續(xù)調(diào)整背壓閥二；將套管內(nèi)壓調(diào)整為原壓力后，以固定間隔對套管進(jìn)行加壓，且每次套管加壓后重復(fù)上述套管壓力卸載過程并進(jìn)行竄流測試，直至水泥環(huán)密封完整性失效；

測試中將采用對套管內(nèi)壓大于外壓條件下進(jìn)行竄流測試并與原測試結(jié)果進(jìn)行對比，來判斷是固井一界面還是二界面產(chǎn)生了密封失效問題；利用位移測量裝置的監(jiān)測結(jié)果來判斷固井一界面微環(huán)隙的尺寸；

(2)不同尺寸微環(huán)隙的竄流實(shí)驗(yàn)

在b2過程中，模擬套管憋壓工況下的水泥漿養(yǎng)護(hù)后，關(guān)閉截止閥三，打開截止閥二，選擇竄流模式，關(guān)閉截止閥五，打開截止閥九，使水泥環(huán)頂?shù)锥诵纬晒潭ù笮翰钋曳€(wěn)定后，關(guān)閉截止閥十一，調(diào)整背壓閥二，以固定間隔卸載套管內(nèi)壓力，直至套管內(nèi)壓為零，期間套管內(nèi)壓每卸載一次便進(jìn)行一次竄流測試，利用位移測量裝置的監(jiān)測結(jié)果來判斷固井一界面微環(huán)隙的尺寸；

(3)不同特性水泥漿承壓及封固能力測試

根據(jù)測試需要配置不同性質(zhì)的水泥漿體系進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待養(yǎng)護(hù)完畢后，關(guān)閉截止閥三，打開截止閥二，選擇竄流模式；關(guān)閉截止閥五。打開截止閥九，此時驗(yàn)竄端水泥環(huán)背壓壓力將會上升到與水泥環(huán)壓力相同，之后關(guān)閉截止閥九，打開截止閥十一，調(diào)整背壓閥一，將水泥環(huán)底端驗(yàn)竄壓力降低和水泥環(huán)頂端形成壓差后，關(guān)閉截止閥十一，將驗(yàn)竄水箱注滿水，打開截止閥十、截止閥六進(jìn)行測試，測試中逐漸增大水泥環(huán)頂?shù)锥藟翰?，如果測試中監(jiān)測到水泥環(huán)底端背壓壓力如果出現(xiàn)上升，當(dāng)前壓差即視為此種水泥漿的極限封固壓力；

(4)不同因素對水泥環(huán)密封完整性的影響規(guī)律分析

a泥餅性質(zhì)：不同泥餅厚度可通過改變氣源壓力大小和時間獲得；不同泥餅性質(zhì)可通過改變巖心巖性和鉆井液配方獲得；

b水泥環(huán)厚度：通過選用不同尺寸套管，以及不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸的上下端蓋進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)；

c養(yǎng)護(hù)溫度和壓力：通過溫度控制儀表和壓力控制儀表分別進(jìn)行進(jìn)行編程控溫和控壓，設(shè)置水泥漿養(yǎng)護(hù)過程中的溫度和壓力變化。

本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對井下不同工況條件下水泥環(huán)所承受溫度以及來自套管、地層復(fù)雜載荷的真實(shí)模擬，工藝范圍涵蓋油氣井鉆完井階段注水泥固井，生產(chǎn)過程中的試壓、試采、循環(huán)注采以及壓裂等改造工況。

(2)水泥環(huán)的主要功能就是為了封固和密封套管外環(huán)空，以防止鉆井、生產(chǎn)和改造過程中的地層流體竄流，本裝置和評價方法以水泥環(huán)空等效滲透率為評價指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對水泥環(huán)密封完整性及水泥環(huán)封固能力的有效評價。

(3)實(shí)現(xiàn)了對井眼條件下巖心內(nèi)壁不同厚度及不同性質(zhì)泥餅的模擬形成，更加真實(shí)的模擬了井眼的實(shí)際狀況，更進(jìn)一步的還原了水泥環(huán)在井下所處的條件。

(4)實(shí)現(xiàn)了加溫加壓條件下的水泥漿養(yǎng)護(hù)過程模擬，特別的實(shí)現(xiàn)了套管憋壓工況下的水泥漿養(yǎng)護(hù)過程模擬，進(jìn)而對憋壓候凝所導(dǎo)致的微環(huán)隙進(jìn)行模擬。并通過選取套管材料和控制套管內(nèi)外壓差的大小，模擬形成不同尺寸的微環(huán)隙。

(5)利用應(yīng)變測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對整個測試過程中，不同壓力載荷條件下套管徑向形變量的實(shí)時測量，因此可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對固井一界面微環(huán)隙的監(jiān)測與尺寸測量。

(6)本發(fā)明可通過改變水泥環(huán)厚度、泥餅性質(zhì)、養(yǎng)護(hù)溫度等因素，以評價其對水泥環(huán)密封完整性的影響規(guī)律。并可通過改變水泥漿配方對不同特性水泥漿進(jìn)行承壓及封固能力測試，為油氣井水泥漿設(shè)計、薄隔層壓裂工藝以及水平井分段壓裂工藝的選擇提供依據(jù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖一；

圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖二；

圖3是本發(fā)明壓力釜和模擬井筒的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1-位移測量裝置；2-連接構(gòu)件；3-釜蓋；4-上端蓋；5-圍壓口；6-套管；7-巖心；8-水泥環(huán)；9-釜體；10-驗(yàn)竄口；11-下端蓋；12-套管壓力口；13-密封件；14-泄壓口；15-熱電偶口；16-冷卻管；17-水泥環(huán)壓力口；18-連通口；19-定位凸臺；20-巖心濾網(wǎng)；21-截止閥二；22-截止閥四；23-截止閥三；24-壓力傳感器二；25-調(diào)壓閥二；26-截止閥五；27-截止閥一；28-壓力傳感器一；29-調(diào)壓閥一；30-氣體增壓泵；31-截止閥七；32-壓力控制儀表；33-壓縮空氣源；34-氮?dú)庠矗?5-截止閥六；36-壓力傳感器三；37-截止閥十；38-水箱；39-液體流量計；40-背壓閥一；41-截止閥十一；42-排水管；43-壓力傳感器四；44-截止閥九；45-背壓閥二；46-液體增壓泵；47-水源；48-截止閥八；49-溫度控制儀表；50-失水桶；51-濾網(wǎng)；52-連接構(gòu)件；53-截止閥十三；54-鉆進(jìn)液儲存桶；55-截止閥十二；56-氮?dú)馄俊?/p>

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1-3所示的一種油氣井水泥環(huán)密封完整性測試裝置，包括壓力釜和位于壓力釜內(nèi)部的模擬井筒，所述的測試裝置還包括壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、竄流檢測系統(tǒng)、應(yīng)變測量系統(tǒng)和泥餅?zāi)M系統(tǒng)；其中，模擬井筒包括套管6和位于套管6外圍的巖心7，套管6和巖心7之間形成環(huán)形間隙，環(huán)形間隙內(nèi)形成水泥環(huán)8；套管6和巖心7的上下兩端分別設(shè)有上端蓋4和下端蓋11；壓力釜包括釜體9和與釜體9相配合的釜蓋3；釜體9設(shè)有與水泥環(huán)8頂端連同的水泥環(huán)壓力口17和與水泥環(huán)8底部連通的驗(yàn)竄口10；釜體9設(shè)有與巖心7外圍上端連通的圍壓口5和與巖心7外圍下端連通的泄壓口14；釜體9設(shè)有用于安裝加熱電偶的熱電偶口15；釜體9設(shè)有與套管6內(nèi)部連通的設(shè)置在釜體9下端的套管壓力口12；釜蓋3設(shè)有用于連接位移測量裝置1或鉆進(jìn)液儲存桶54的連通口18；壓力控制系統(tǒng)包括與圍壓口5相連的管路一、與水泥環(huán)壓力口17相連的管路二、與套管壓力口12相連的管路四和與泄壓口14相連的管路五；管路一上連接有截止閥一27、壓力傳感器一28、調(diào)壓閥一29、氣體增壓泵30、壓力控制儀表32和氮?dú)庠?4，氣體增壓泵30與壓縮空氣源33相連；管路二上連接有截止閥二21、截止閥四22、壓力傳感器二24、調(diào)壓閥二25和截止閥七31；管路四上連接有壓力傳感器四43、液體增壓泵46和水源47，液體增壓泵46與壓縮空氣源33相連；管路五上連接有截止閥八48和排水管42；溫度控制系統(tǒng)包括與熱電偶口15相連的設(shè)置在釜體9內(nèi)部的熱電偶，熱電偶還與溫度控制儀表49相連，釜體9外側(cè)纏繞有冷卻管16，冷卻管16與水源47相連；竄流檢測系統(tǒng)包括與驗(yàn)竄口10相連的管路三，管路三上連接有截止閥六35、壓力傳感器三36、截止閥十37和竄流監(jiān)測裝置；應(yīng)變測量系統(tǒng)通過釜蓋3上的連通口18深入套管6內(nèi)部用于測量套管6內(nèi)壁徑向位移的位移測量裝置1；泥餅?zāi)M系統(tǒng)包括鉆井液儲存桶54和巖心濾網(wǎng)20，鉆井液儲存桶54的上下兩端分別設(shè)有截止閥十二55和截止閥十三53，鉆井液儲存桶54的上端通過導(dǎo)氣管與氮?dú)馄?6相連，鉆井液儲存桶54與釜蓋3相連；巖心濾網(wǎng)20嵌套于巖心7的外壁。

進(jìn)一步的，管路一和管路二上連接有分支管路六，分支管路六上連接有截止閥五26，分支管路六與管路二的連接點(diǎn)位于水泥環(huán)壓力口17和截止閥二21之間，分支管路六與管路一的連接點(diǎn)位于圍壓口5和截止閥一27之間。

進(jìn)一步的，管路二和分支管路六上連接有分支管路七，分支管路七上設(shè)置有截止閥三23和失水桶50，分支管路七與管路二的連接點(diǎn)位于截止閥二21和調(diào)壓閥二25之間，分支管路七和分支管路六的連接點(diǎn)位于水泥環(huán)壓力口17和截止閥二21之間。

進(jìn)一步的，管路三上連接有分支管路八，分支管路八上設(shè)置有背壓閥一40和截止閥十一41，分支管路八的端部與排水管42相連。

進(jìn)一步的，管路五上連接有分支管路九，分支管路九上設(shè)置有背壓閥二45，分支管路九和管路五的連接點(diǎn)位于液體增壓泵46和壓力傳感器四43之間，分支管路九的端部與排水管42相連。

進(jìn)一步的，管路五上連接有分支管路十，分支管路十上設(shè)置有截止閥九44，分支管路十和管路五的連接點(diǎn)位于壓力傳感器四43和套管壓力口12之間，分支管路十的端部與排水管42相連。

進(jìn)一步的，釜體9的內(nèi)底面設(shè)有定位凸臺19。

進(jìn)一步的，水泥環(huán)8的下端設(shè)有濾網(wǎng)51。

進(jìn)一步的，釜體9與釜蓋3之間，釜蓋的連通口18與位移測量裝置1之間和釜蓋的連通口18與鉆進(jìn)液儲存桶54之間設(shè)有連接構(gòu)件2。

進(jìn)一步的，在釜體9和釜蓋3之間，套管6、巖心7與上端蓋4和之間，下端蓋11與釜體9之間均設(shè)置有密封件13。

利用本裝置對于油氣井水泥環(huán)密封完整性進(jìn)行測試評價的方法，結(jié)合圖1-2，具體描述如下：

1、水泥環(huán)密封完整性測試

a巖心內(nèi)壁泥餅的形成

如圖2所示，首先將巖心濾網(wǎng)20套在制作好的環(huán)形柱狀巖心7外圍，然后將巖心7放入釜體9中，并置于釜體9底面的定位凸臺19上，用釜蓋3壓緊密封。按照實(shí)驗(yàn)要求配置鉆井液，關(guān)閉鉆井液儲存桶54下端截止閥十三53，并打開上端截止閥十二52，在頂部管口放置漏斗導(dǎo)流，將鉆井液灌入鉆井液儲存桶54，鉆井液的體積可依實(shí)驗(yàn)需要定，一般可取巖心內(nèi)容積的2-3倍。關(guān)閉截止閥十二52，將鉆井液儲存桶54旋入釜蓋連通口18，將從氮?dú)馄?6引出的導(dǎo)氣管連接到鉆井液儲存桶54的頂端。關(guān)閉截止閥一27、截止閥五26、截止閥六35和截止閥九44，打開截止閥八48、打開截止閥十二55和截止閥十三53。調(diào)節(jié)氮?dú)馄?6輸出壓力為0.5-1.0MPa，打開氮?dú)馄?6調(diào)壓閥開關(guān)輸出氮?dú)猓涗洉r間，時間一般為15-30分鐘，在達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需時間后，關(guān)閉氮?dú)馄?6開關(guān)。關(guān)閉截止閥十二55和截止閥十三53，拆卸鉆井液儲存桶54和釜蓋3，取出巖心7，用緩緩流動的清水沖洗掉泥餅上的虛泥餅，并通過專用卡尺測量實(shí)際泥餅厚度。以上形成方法中，不同泥餅厚度可通過改變氣源壓力大小和時間獲得；不同泥餅性質(zhì)可通過改變巖心巖性和鉆井液配方獲得。

b模擬井下水泥漿養(yǎng)護(hù)過程

b1模擬井筒內(nèi)等壓條件下的水泥漿養(yǎng)護(hù)

泥餅形成后，將巖心7和套管6嵌于下端蓋11上，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求配置不同性質(zhì)的水泥漿，將水泥漿緩緩注入套管6和巖心7之間的環(huán)形空間，注滿后用上端蓋4壓緊密封。將組裝好的模擬井筒置入釜體9中，確保下端蓋11與釜體9之間密封良好，然后旋緊釜蓋3。將位移測量裝置1旋入釜蓋3頂部連通口18，連接系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件。打開截止閥三23、截止閥五26，待釜體9內(nèi)進(jìn)水完畢后，根據(jù)需求設(shè)定釜體9的溫度值，通常為75-150℃，設(shè)置套管6、水泥環(huán)空和圍壓的壓力值相等(套管壓力值上限為40MPa，水泥環(huán)和圍壓壓力值上限為30MPa)，打開液體增壓泵46和氣體增壓泵30，并將熱電偶通電工作，實(shí)現(xiàn)模擬井筒內(nèi)等壓條件下的水泥漿養(yǎng)護(hù)。

b2模擬套管憋壓工況下的水泥漿養(yǎng)護(hù)

此方法與上述井筒內(nèi)等壓條件下的水泥漿養(yǎng)護(hù)過程的區(qū)別是，初始設(shè)置套管內(nèi)壓值大于套管外水泥環(huán)空和圍壓的壓力值，如可設(shè)置套管內(nèi)40MPa，水泥環(huán)壓和圍壓20MPa，其它步驟均與上述方法相同。

c不同工況下水泥環(huán)密封完整性測試

c1通過調(diào)整水泥環(huán)頂?shù)锥藟毫Σ钸M(jìn)行水泥環(huán)密封完整性測試

可以選取氣體或水作為介質(zhì)對水泥環(huán)密封完整性進(jìn)行測試。以氣竄為例進(jìn)行說明：

待水泥漿養(yǎng)護(hù)完畢后，關(guān)閉截止閥三23，打開截止閥二21，選擇氣竄模式。關(guān)閉截止閥五26。打開截止閥九44，此時驗(yàn)竄端水泥環(huán)背壓壓力將會上升到與水泥環(huán)壓力相同，之后關(guān)閉截止閥九44。打開截止閥十一37，調(diào)整背壓閥一40，將水泥環(huán)底端驗(yàn)竄壓力降低和水泥環(huán)頂端形成壓差后，關(guān)閉截止閥十一37。將驗(yàn)竄水箱38注滿水，打開截止閥十37、截止閥六35，測試當(dāng)前工況下的水泥環(huán)密封完整性。測試中可選取不同壓差間隔，如選擇2MPa，即水泥環(huán)背壓每降低2MPa便進(jìn)行一次竄流測試。

c2通過調(diào)整套管內(nèi)壓力進(jìn)行水泥環(huán)密封完整性測試

如上述整個測試中并未發(fā)生水泥環(huán)密封完整性失效的問題，可繼續(xù)進(jìn)行套管內(nèi)壓交替變化條件下的水泥環(huán)密封完整性測試。

打開截止閥九44，打開截止閥十一41，調(diào)整背壓閥一40，使水泥環(huán)頂?shù)锥诵纬晒潭ù笮翰钋曳€(wěn)定后，關(guān)閉截止閥十一41。調(diào)整背壓閥二45，以固定間隔卸載套管內(nèi)壓力，直至套管6內(nèi)壓為零。期間套管6內(nèi)壓每卸載一次便進(jìn)行一次竄流測試，如果沒有發(fā)生竄流，繼續(xù)調(diào)整背壓閥二45，將套管6內(nèi)壓調(diào)整為原壓力后，以固定間隔對套管進(jìn)行加壓，如每次加5MPa，且每次套管加壓后重復(fù)上述套管壓力卸載過程并進(jìn)行竄流測試，直至水泥環(huán)密封完整性失效。

測試中將采用對套管內(nèi)壓大于外壓條件下進(jìn)行竄流測試并與原測試結(jié)果進(jìn)行對比，來判斷是固井一界面還是二界面產(chǎn)生了密封失效問題。另外，利用位移測量裝置的監(jiān)測結(jié)果來判斷固井一界面微環(huán)隙的尺寸。

2、不同尺寸微環(huán)隙的氣體竄流實(shí)驗(yàn)

在方法b2中，模擬套管憋壓工況下的水泥漿養(yǎng)護(hù)后，關(guān)閉截止閥三23，打開截止閥二21，選擇氣竄模式。關(guān)閉截止閥五26。打開截止閥九44，使水泥環(huán)頂?shù)锥诵纬晒潭ù笮翰钋曳€(wěn)定后，關(guān)閉截止閥十一41。調(diào)整背壓閥二45，以固定間隔卸載套管內(nèi)壓力，直至套管內(nèi)壓為零，期間套管內(nèi)壓每卸載一次便進(jìn)行一次竄流測試。利用位移測量裝置的監(jiān)測結(jié)果來判斷固井一界面微環(huán)隙的尺寸。

3、不同特性水泥漿承壓及封固能力測試

根據(jù)測試需要配置不同性質(zhì)的水泥漿體系進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待養(yǎng)護(hù)完畢后，關(guān)閉截止閥三23，打開截止閥二21，選擇氣竄模式。關(guān)閉截止閥五26。打開截止閥九44，此時驗(yàn)竄端水泥環(huán)背壓壓力將會上升到與水泥環(huán)壓力相同，之后關(guān)閉截止閥九44。打開截止閥十一41，調(diào)整背壓閥一45，將水泥環(huán)底端驗(yàn)竄壓力降低和水泥環(huán)頂端形成壓差后，關(guān)閉截止閥十一41。將驗(yàn)竄水箱38注滿水，打開截止閥十37、截止閥六35進(jìn)行測試，測試中逐漸增大水泥環(huán)頂?shù)锥藟翰?。如果測試中監(jiān)測到水泥環(huán)底端背壓壓力如果出現(xiàn)上升，當(dāng)前壓差即視為此種水泥漿的極限封固壓力。

4、不同因素對水泥環(huán)密封完整性的影響規(guī)律分析

a泥餅性質(zhì)：不同泥餅厚度可通過改變氣源壓力大小和時間獲得；不同泥餅性質(zhì)可通過改變巖心巖性和鉆井液配方獲得；

b水泥環(huán)厚度：通過選用不同尺寸套管，以及不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸的上下端蓋進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

c養(yǎng)護(hù)溫度和壓力：通過溫度控制儀表和壓力控制儀表分別進(jìn)行編程控溫和控壓，設(shè)置水泥漿養(yǎng)護(hù)過程中的溫度和壓力變化。