本發(fā)明屬于油氣井固井領(lǐng)域，具體涉及在高溫高壓環(huán)境中養(yǎng)護(hù)界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度試件并測量固井一二界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度的裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、固井是銜接油氣井鉆井和后續(xù)完井、測試、采油/采氣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，固井質(zhì)量的優(yōu)良與否不僅涉及到一口井的后續(xù)作業(yè)能否順利實(shí)施，更關(guān)系到油氣田勘探開發(fā)的進(jìn)程、安全和效益。

2、固井的主要目的，一是通過水泥環(huán)固定、支撐、保護(hù)套管，防止套管在后續(xù)生產(chǎn)過程中軸向滑移、徑向膨脹/收縮、受地層水腐蝕等引發(fā)次生事故，確保油氣井壽命，滿足油氣田長期開發(fā)的需要；二是通過水泥環(huán)與地層、套管良好膠結(jié)實(shí)現(xiàn)對套管外地層的層間封隔、防止環(huán)空竄流。在后續(xù)鉆井、壓裂等生產(chǎn)過程中，由于套管內(nèi)溫度壓力的變化，水泥環(huán)與地層、套管之間的界面膠結(jié)極易遭到破壞，從而導(dǎo)致層間封隔失敗、地層流體從井下竄至井口環(huán)空，造成井口環(huán)空異常帶壓。因此，測試、評價(jià)、控制水泥環(huán)與地層、套管之間的界面膠結(jié)質(zhì)量，顯得尤為重要。

3、常用的固井界面膠結(jié)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)有三種：1)界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度，即套管與水泥環(huán)之間的界面(簡稱一界面)或水泥環(huán)與地層之間的界面(簡稱二界面)在受到軸向剪切力作用時(shí)抵抗滑脫的能力；2)界面水力膠結(jié)強(qiáng)度，即水泥石與套管和地層膠結(jié)后，其界面抵抗水滲透、竄通的能力；3)界面粘接強(qiáng)度，即地層圍壓、套管內(nèi)壓變化時(shí)，固井一、二界面受到垂直方向上的拉壓作用，此時(shí)界面抵抗套管脫離水泥石或水泥石脫離地層的能力。

4、目前使用最多的是剪切膠結(jié)強(qiáng)度的測量。通過在鋼筒模具中灌入水泥漿，待水泥漿凝結(jié)硬化后實(shí)現(xiàn)與鋼筒的膠結(jié)，然后用抗壓強(qiáng)度測試儀從鋼筒中下壓水泥石圓柱，測試破壞水泥石圓柱與鋼筒之間界面膠結(jié)所需的力，再除以界面的面積，得到模擬井下一界面的剪切膠結(jié)強(qiáng)度；如果在水泥漿中放入模擬巖心，通過同樣的方式測得將巖心從水泥石中頂松的壓力，計(jì)算井下二界面的剪切膠結(jié)強(qiáng)度。

5、“一種模擬高溫高壓井下工況下水泥石膠結(jié)強(qiáng)度原位測試裝置及方法”(cn110470596a)、“一種測試固井水泥膠結(jié)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置及方法”(cn115931543a)，通過在高溫高壓下對水泥環(huán)一界面膠結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行測試，避免了將養(yǎng)護(hù)的樣品轉(zhuǎn)到室內(nèi)常溫常壓下發(fā)生結(jié)構(gòu)或強(qiáng)度變化的風(fēng)險(xiǎn)；“一種固井界面膠結(jié)強(qiáng)度測試用試樣制備裝置”(cn214251753u)，通過環(huán)空加壓在巖心表面形成類似井下實(shí)際工況的虛泥漿，測試常壓或憋壓侯凝狀態(tài)下水泥環(huán)二界面的剪切膠結(jié)強(qiáng)度。但是上述裝置無法做到同時(shí)測量一界面、二界面的剪切膠結(jié)強(qiáng)度，且無法探究套管內(nèi)壓、地層壓力變化對界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響。

6、也有學(xué)者同時(shí)測量一界面、二界面的剪切膠結(jié)強(qiáng)度，并模擬高溫高壓下鉆井液泥餅的形成、沖洗(徐璧華等.高溫高壓下油井水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測試新方法[j].天然氣工業(yè),2016,第36卷(11):65-69)，但實(shí)質(zhì)仍然是高溫高壓下養(yǎng)護(hù)、常溫常壓下測試剪切膠結(jié)強(qiáng)度，不能較為準(zhǔn)確地反映一、二界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度?！肮叹嗄z結(jié)強(qiáng)度測試裝置”(cn105422080a)，無法模擬地層壓力、套管內(nèi)壓的變化，不能反映實(shí)際工況下的界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度。

7、可見，常規(guī)方法只能單獨(dú)測量固井一界面或二界面的剪切膠結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)還存在高溫高壓下養(yǎng)護(hù)水泥石、常溫常壓下測試剪切膠結(jié)強(qiáng)度，巨大的溫差壓差影響測量結(jié)果的問題，且不能根據(jù)需要測試地層壓力、套管內(nèi)壓發(fā)生變化時(shí)固井一、二界面上的剪切膠結(jié)強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供在一種高溫高壓固井界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度測量裝置，該裝置原理可靠，操作簡便，通過高溫高壓環(huán)境中養(yǎng)護(hù)試件并測量固井一、二界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度，做到養(yǎng)護(hù)、測試一體化，從而探究地層壓力變化、套管內(nèi)壓變化對固井一、二界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度的影響，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

2、本發(fā)明的另一目的還在于提供利用上述裝置測量高溫高壓固井界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度的方法，測試過程可控，測試結(jié)果更加符合井下環(huán)境，為研究固井界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度的影響因素，優(yōu)化水泥漿性能和固井工藝參數(shù)，進(jìn)一步提高油氣井的固井質(zhì)量提供重要的技術(shù)手段。

3、為達(dá)到以上技術(shù)目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

4、一種高溫高壓固井界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度測量裝置，主要由頂蓋、上釜、下釜、底蓋、模擬地層、模擬套管、定位鋼筒、浮動(dòng)承托板、活塞缸體、內(nèi)活塞、外活塞、調(diào)壓器、液壓泵、帶閥門的進(jìn)液打壓管線、氣體管線、帶冷凝罐和背壓閥的溢液管線、加熱保溫套、支撐框架、電控系統(tǒng)、顯示器和底座組成。

5、所述頂蓋，通過螺栓與上釜相連，頂蓋設(shè)有兩個(gè)通孔，分別連接帶閥門的進(jìn)液打壓管線和氣體管線。

6、所述上釜，為一中空且內(nèi)壁光滑的厚壁圓筒形釜體；側(cè)面設(shè)有多個(gè)通孔，分別連接進(jìn)液打壓管線、氣體管線和溢液管線；底部為一圓形法蘭，通過螺栓與下釜相連。

7、所述下釜，為一中空且內(nèi)壁光滑的厚壁圓筒形釜體，頂部有對應(yīng)的圓形法蘭，通過螺栓與上釜相連，下釜內(nèi)有三種尺寸的內(nèi)徑：上部內(nèi)徑最大，形成的臺(tái)階設(shè)有定位塊支撐定位鋼筒，中部內(nèi)徑次之，浮動(dòng)承托板能夠在其內(nèi)壁上下滑動(dòng)，下部內(nèi)徑最小，形成的臺(tái)階用于支撐浮動(dòng)承托板，側(cè)面連接帶閥門的進(jìn)液打壓管線和氣體管線/溢液管線。

8、所述底蓋，通過螺栓與下釜相連，通過密封圈在二者間實(shí)現(xiàn)密封。

9、所述模擬地層，為井下地層露頭巖石切割而成的真實(shí)地層圓筒或混凝土類材料制作而成的模擬地層圓筒，通過樹脂或水泥固定在定位鋼筒內(nèi)，模擬地層的上、下端面適當(dāng)打磨光滑，其下端面與環(huán)形密封片配合形成密封。

10、所述模擬套管，為一厚壁金屬圓筒，上端面設(shè)有排氣孔和對應(yīng)的密封堵頭，對模擬套管的內(nèi)腔進(jìn)液排氣，排氣完畢后擰緊密封堵頭形成模擬套管的內(nèi)腔；下端面對稱布置兩個(gè)缺口，與浮動(dòng)承托板中央的定位凹槽內(nèi)的螺釘對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對模擬套管的周向固定。

11、所述定位鋼筒，為中空的厚壁金屬圓筒，下端為一凸沿，通過凸沿坐在下釜內(nèi)徑最大部分設(shè)置的定位塊上，實(shí)現(xiàn)對其本身和模擬地層的定位，凸沿的側(cè)面和本體的側(cè)面設(shè)有周向密封圈，分別與下釜上部內(nèi)壁、上釜下部內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)密封。

12、所述模擬套管、模擬地層和定位鋼筒組成試件。

13、所述浮動(dòng)承托板，側(cè)面設(shè)有周向密封圈凹槽、密封圈，與下釜內(nèi)壁配合實(shí)現(xiàn)密封，與底蓋形成下釜下腔，浮動(dòng)承托板的上部有凸臺(tái)，其外徑大于定位鋼筒的內(nèi)徑，在其上端面設(shè)有固定模擬套管的凹槽，對應(yīng)定位鋼筒和模擬地層的位置設(shè)有環(huán)形密封墊的定位凹槽，通過裝填密封圈和環(huán)形密封墊，在下釜下腔壓力的上頂作用下，與模擬套管、定位鋼筒和模擬地層的下端面配合形成密封，并形成下釜上腔，通過對應(yīng)的進(jìn)液打壓管線、氣體管線/測試溢液管線，對下釜上腔進(jìn)行打壓、排氣和測試溢液；在凸臺(tái)中設(shè)置氣體通道，通過該通道將下釜上腔壓力傳遞至模擬套管內(nèi)。

14、所述活塞缸體，為一固定于頂蓋上的厚壁金屬圓筒，通過與帶密封圈的內(nèi)活塞配合，形成活塞內(nèi)腔，并通過頂蓋的進(jìn)液打壓管線、氣體管線對活塞內(nèi)腔進(jìn)行排氣、打壓，從而推動(dòng)內(nèi)活塞和外活塞下行，分別進(jìn)行模擬固井一、二界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度的測試。

15、所述內(nèi)活塞，為一上大下小的雙級(jí)實(shí)心金屬圓柱體，上部圓柱外側(cè)設(shè)有周向密封圈，與活塞缸體內(nèi)壁配合形成密封和扶正同軸；下部圓柱的直徑較模擬套管的外徑小2-3mm，以確保內(nèi)活塞下壓模擬套管時(shí)不會(huì)觸到水泥環(huán)。

16、所述外活塞，為一上大下小的厚壁金屬圓筒，上部圓筒的內(nèi)徑與活塞缸體的外徑配合，二者間通過密封圈實(shí)現(xiàn)密封和扶正同軸；下部圓筒的外徑較水泥環(huán)的外徑小1.5-2mm、內(nèi)徑較水泥環(huán)的內(nèi)徑大1.5-2mm；在內(nèi)活塞下壓模擬套管、破壞模擬固井一界面、繼續(xù)下行一定距離后，外活塞在內(nèi)活塞的推動(dòng)作用下向下移動(dòng)，從而下壓水泥環(huán)，測試模擬固井二界面的剪切膠結(jié)強(qiáng)度。

17、所述調(diào)壓器，可通過自動(dòng)或手動(dòng)的方式，控制各腔的壓力大小。

18、所述進(jìn)液打壓管線用于對各腔進(jìn)液打壓，均為高壓管線，以提高裝置的壓力等級(jí)。

19、所述帶冷凝罐和背壓閥的溢液管線，用于在活塞缸體打壓、內(nèi)/外活塞下移、模擬套管/水泥環(huán)下行、上釜外腔和下釜上腔體積增加時(shí)排出對應(yīng)體積的液體，以維持上釜外腔和下釜上腔壓力的穩(wěn)定，避免其變化影響測試結(jié)果的精度。

20、所述冷凝罐，在連通自來水源后，用于冷卻從釜體排出的高溫高壓流體，避免高溫流體損害下游的背壓閥。

21、所述背壓閥，用于調(diào)節(jié)測試時(shí)釜體溢液的背壓，確保上釜外腔和下釜上腔的壓力穩(wěn)定，避免壓力波動(dòng)影響測試結(jié)果。

22、所述液壓泵，為高壓泵，通過與進(jìn)液打壓管線連接，對各腔進(jìn)行打壓和泄壓。

23、所述電控系統(tǒng)，設(shè)定、控制、顯示上釜外腔、活塞內(nèi)腔、下釜上腔、下釜下腔的溫度、壓力。

24、所述釜體通過固定在底座的支撐框架支撐，外壁覆蓋加熱保溫套。

25、所述支撐框架，由方鋼、鋁型材等類似材料搭建而成，固定在裝置的底座上，用于固定、支撐釜體及對應(yīng)的管線，避免其在安裝、測試等過程中發(fā)生失穩(wěn)、移位等情況。

26、所述底座，由鋼板或類似材料加工而成，用于安裝支撐框架，底部設(shè)有可移動(dòng)、可定位的萬向輪，方便裝置的移動(dòng)和定位。

27、利用上述裝置測量高溫高壓固井界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度的方法，依次包括以下步驟：

28、(1)對下釜下腔進(jìn)行打壓，使傳壓支撐板的凸臺(tái)與試件的下端面形成有效密封，取下上釜的頂蓋，將制備好的水泥漿緩慢倒入模擬套管和模擬地層之間的環(huán)形空間；

29、(2)對模擬套管的內(nèi)腔進(jìn)液排氣，然后擰緊模擬套管排氣孔的堵頭，將上釜與頂蓋連接；

30、(3)對上釜外腔與活塞內(nèi)腔進(jìn)液排氣，設(shè)置上釜外腔的壓力即地層圍壓，對下釜上腔和模擬套管的內(nèi)腔施加壓力，即套管內(nèi)壓，對釜體進(jìn)行加熱升溫，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定目標(biāo)后，恒溫恒壓養(yǎng)護(hù)水泥漿；

31、(4)養(yǎng)護(hù)水泥漿至設(shè)定齡期后，將下釜下腔的壓力降低到低于下釜上腔的壓力，浮動(dòng)承托板脫離試件的下端面，并向下移動(dòng)直至坐落在下釜內(nèi)的最后一級(jí)臺(tái)階上，關(guān)閉下釜下腔進(jìn)液打壓管線閥門；

32、(5)開啟上釜外腔、下釜上腔的溢液管線閥門，緩慢提高活塞內(nèi)腔壓力，內(nèi)活塞向下移動(dòng)下壓模擬套管，直至模擬套管從水泥環(huán)中脫離；繼續(xù)提高活塞內(nèi)腔壓力，外活塞在內(nèi)活塞的推動(dòng)作用下向下移動(dòng)下壓水泥環(huán)，直至水泥環(huán)從模擬地層中脫離；

33、(6)計(jì)算模擬固井一、二界面的剪切膠結(jié)強(qiáng)度：

34、固井一界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度

35、固井二界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度

36、其中p1為固井一界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度，kpa；

37、p2為固井二界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度，kpa；

38、pd為下釜上腔的壓強(qiáng)，kpa；

39、f1為模擬套管從水泥環(huán)中脫離瞬間的最大作用力，kn；

40、f2為水泥環(huán)從模擬地層中脫離瞬間的最大作用力，kn；

41、a1為模擬套管與水泥環(huán)膠結(jié)接觸的面積，m2；

42、a2為水泥環(huán)與模擬地層膠結(jié)接觸的面積，m2。

43、進(jìn)一步地，通過改變上釜外腔的壓力和下釜上腔的壓力，測試不同地層圍壓、套管內(nèi)壓下的固井一、二界面的剪切膠結(jié)強(qiáng)度。

44、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

45、1)在高溫高壓下養(yǎng)護(hù)并測試模擬固井一、二界面的剪切膠結(jié)強(qiáng)度，避免了常規(guī)方法在高溫高壓下養(yǎng)護(hù)但必須降溫降壓后在常壓下測試界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度的問題；

46、2)通過液壓泵調(diào)整模擬套管內(nèi)的壓力，測試模擬套管內(nèi)外存在不同徑向壓差時(shí)的剪切膠結(jié)強(qiáng)度，從而研究模擬套管內(nèi)壓力變化對界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度的影響；

47、3)通過更換不同外徑的模擬套管及與之匹配的浮動(dòng)承托板，得到不同厚度的水泥環(huán)對應(yīng)的剪切膠結(jié)強(qiáng)度，從而研究水泥環(huán)厚度對界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度的影響；

48、4)能夠顯著降低實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜程度，大幅度縮減裝置的研制成本和實(shí)驗(yàn)成本。