用于大型壓裂時水泥環(huán)的機械密封性評價的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測試實驗裝置，具體涉及一種用于大型壓裂時水泥環(huán)的機械密封性能評價的裝置和方法，尤其是用于大型水力壓裂工況下。
【背景技術】
[0002]近年來，非常規(guī)油氣的開發(fā)成為了國內石油行業(yè)開發(fā)的熱點。由于非常規(guī)油氣(特別是頁巖油、頁巖氣、致密砂巖油、致密砂巖氣等)屬于低孔低滲儲層，需要采用大型水力壓裂。而大型水力壓裂對水泥環(huán)的力學性能，例如水泥環(huán)的彈性、韌性等要求較高，并要求實現(xiàn)段間的有效封隔。因此需要模擬分段壓裂以開展對水泥環(huán)的力學性能及機械密封性能的評價，從而為水泥漿體系的選擇提供科學的指導。
[0003]長期以來，水泥環(huán)力學性能的評價多以單軸力學實驗、三軸力學實驗，測量水泥環(huán)的彈性模量、泊松比以及抗壓強度。通過三點抗折實驗、直拉實驗、巴西劈裂實驗等評價水泥環(huán)的斷裂韌性和抗拉強度。現(xiàn)有文獻報道是利用模擬井筒開展對水泥環(huán)的密封性的定性分析，未進行實際現(xiàn)場模擬與應力應變測量，因此現(xiàn)有技術得不到定量分析的結果和相關的數(shù)據(jù)支持，從而無法對不同配比的水泥環(huán)之間的性能進行比較，因而無法為水泥漿體系的選擇提供實驗測試和數(shù)據(jù)依據(jù)。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種用于測試水泥環(huán)的力學性能與機械密封性能的裝置，該裝置能較好地對水泥環(huán)的力學性能與機械密封性能進行測試從而為尤其是非常規(guī)儲層在大型水力壓裂時水泥漿體系的選擇提供數(shù)據(jù)支持。
[0005]本發(fā)明的技術解決方案是，提供一種具有以下結構的用于測試大型壓裂時水泥環(huán)的力學性能與機械密封性能的裝置，包括:
[0006]待測水泥環(huán)；
[0007]內筒，其套設在水泥環(huán)的內表面，其中，內筒例如采用標準P110的139.7mm的套管；
[0008]外筒，其套設在水泥環(huán)的外表面，外筒例如采用硬質鋁，采用平面應變理論設計外徑和壁厚，外筒在力學上等效于地層對水泥環(huán)的約束；
[0009]調壓機構，與內筒連接，以調節(jié)作用在水泥環(huán)內壁的壓力；
[0010]溫度控制機構，其與水泥環(huán)連接，控制水泥環(huán)的溫度；和
[0011]檢測組件，用于檢測水泥環(huán)的應力狀態(tài)、大小和機械密封性能。
[0012]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果。通過調壓機構可以調整對水泥環(huán)的作用力，最高壓力可加到140MPa。通過檢測組件可檢測到壓力增加到某個值時水泥環(huán)發(fā)生失效，這樣就能測試出水泥環(huán)的力學性能和臨界參數(shù)以及相應壓力和溫度下水泥環(huán)對應的應力狀態(tài)和應力大小。另外，通過檢測組件還能檢測出水泥環(huán)與內筒之間、水泥環(huán)與外筒之間的機械密封性能。
[0013]在一個實施例中，還包括限制軸向延伸機構和氣體發(fā)生機構，其中:
[0014]限制軸向延伸機構，其與水泥環(huán)連接，限制加壓時水泥環(huán)的軸向延伸，確保水泥環(huán)的平面應變和測量數(shù)據(jù)的準確性。限制軸向延伸機構滿足高壓測試時對軸向應變的控制，提高測量精度。
[0015]氣體發(fā)生機構，作用在水泥環(huán)上，與檢測組件一起對水泥環(huán)的氣密性進行測試。由于在對水泥環(huán)的內壁加壓力和對外壁施加約束時，水泥環(huán)不僅會產生應變還會產生徑向壓縮與切向延伸。設置限制軸向延伸機構可以限制水泥環(huán)的軸向延伸，減少因軸向延伸而對應力和密封性能測試的影響。另外，檢測水泥環(huán)與內筒、水泥環(huán)與外筒之間的氣密性的方法有很多種，通過氣體發(fā)生機構對水泥環(huán)一端通氣，在另一端檢測這種方式比較容易實施。若是初步檢測時，發(fā)現(xiàn)水泥環(huán)與內筒之間和/或水泥環(huán)與外筒之間的氣密性不好，則表示水泥環(huán)與內外筒的膠結質量較差，這樣的水泥環(huán)不會進入下面的應力狀態(tài)和機械密封性能的測試中。對于與內筒和外筒之間的氣密性良好的水泥環(huán)，在水泥環(huán)失效前，在另一端是檢測不到氣體的。只有當水泥環(huán)失效過，氣體才能進入另一端而被檢測到。
[0016]在一個優(yōu)選的實施例中，所述檢測組件包括聲波檢測機構與應力應變檢測系統(tǒng)，所述聲波檢測機構通過是否檢測到水泥環(huán)失效時的聲音來判斷在水泥環(huán)是否失效；所述應力應變檢測系統(tǒng)與連接在水泥環(huán)內壁的應變片聯(lián)用。通過多種檢測方式來相互驗證以便及時判斷水泥環(huán)的失效狀態(tài)、對應的徑向壓縮應力和周向拉伸應力的大小。從而為不同配方的水泥環(huán)組的力學性能提供實驗數(shù)據(jù)的支持，為水泥漿體系的選擇和設計提供指導。
[0017]在一個實施例中，所述檢測組件還包括光纖式氣泡檢測機構，所述氣泡檢測機構與設在水泥環(huán)另一側的氣體發(fā)生機構聯(lián)用，在水泥環(huán)失效前氣泡檢測機構檢測不到氣泡；在水泥環(huán)失效時，位于水泥環(huán)一側的氣體通過水泥環(huán)被設在另一側的氣泡檢測機構檢測到。
[0018]在一個優(yōu)選的實施例中，所述氣體發(fā)生機構包括氮氣瓶，所述氮氣瓶通過輸送管路與水泥環(huán)上端的環(huán)形腔連接，在水泥環(huán)失效前，從所述氮氣瓶輸送到水泥環(huán)的環(huán)形腔的氮氣被密封在環(huán)形腔內。在一個優(yōu)選的實施例中，所述氮氣瓶與水泥環(huán)的環(huán)形腔之間的輸送管路上設有減壓閥、流量計和單向閥，往環(huán)形腔內充入氣體飽和后且在水泥環(huán)失效前，所述流量計的計數(shù)不變。通過多種方式來及時檢測水泥環(huán)是否發(fā)生失效。
[0019]在一個實施例中，所述溫度控制系統(tǒng)包括設在水泥環(huán)的上端的冷卻系統(tǒng)和設在水泥環(huán)的下端的加熱系統(tǒng)。當溫度超過設定值時，加熱系統(tǒng)不工作，冷卻系統(tǒng)工作。當溫度低于設定值時，冷卻系統(tǒng)不工作，加熱系統(tǒng)工作。模擬井下溫度環(huán)境來開展物理模擬試驗。
[0020]在一個實施例中，所述調壓機構包括壓力自動控制泵，所述壓力自動控制泵與內筒連接以調整所述水泥環(huán)的內壁上的作用力，模擬分段壓裂時套管對水泥環(huán)的作用力，最高壓力可達140MPa。
[0021 ] 在一個優(yōu)選的實施例中，所述限制軸向延伸機構包括設在水泥環(huán)的上表面的上壓板和設在水泥環(huán)的下表面的下壓板，所述上壓板和下壓板通過多根連接桿連接，并通過緊固件來進行調節(jié)。均勻地限制水泥環(huán)在受到壓力時的軸向延伸。
[0022]本發(fā)明還涉及一種大型壓裂時水泥環(huán)力學性能與機械密封性能評價的方法，其采用上述的用于大型壓裂時水泥環(huán)的力學性能與機械密封性能評價的裝置。該方法是通過對多組不同配比的水泥環(huán)組進行測試。通過對不同配比和規(guī)格的水泥環(huán)組的測試結果進行比較后，總結自身的性能和參數(shù)對水泥環(huán)密封能力的影響。另外，每一組水泥環(huán)組包括多個相同配比和規(guī)格的水泥環(huán)，對一組中的多個水泥環(huán)分別施加不同的溫度和壓力，通過測試和比較來了解溫度和壓力等環(huán)境對水泥環(huán)密封能力的影響，從而為不同工況下的水泥漿體系的選擇和設計提供指導。
[0023]優(yōu)選地，在對一組相同配比的水泥環(huán)組進行測試時，包括以下步驟:
[0024]1)選取至少四個相同規(guī)格的水泥環(huán)，先對水泥環(huán)進行氣密性檢測，以檢測水泥環(huán)的內壁與內筒之間、外壁與外筒之間是否密封良好；
[0025]2)對于一個密封良好的水泥環(huán)進行應力測試，在溫度保持在某一設定值的條件下，通過調壓機構不斷對內筒加壓，直至檢測機構檢測到水泥環(huán)失效為止，加壓過程中測量水泥環(huán)內、外壁的應力。優(yōu)選地，利用拉梅公式計算水泥環(huán)的任意位置在彈性階段和塑性階段的周向拉應力和徑向壓應力；
[0026]3)選取另一個密封良好的水泥環(huán)進行安裝，然后通過溫度調節(jié)機構對水泥環(huán)內壁的溫度進行調節(jié)，記錄在不同溫度下的應力變化，直至檢測組件檢測到該水泥環(huán)發(fā)生失效。優(yōu)選地，利用拉梅公式計算水泥環(huán)的任意位置在彈性階段和塑性階段的周向拉應力和徑向壓應力；
[0027]4)選取第三個密封良好的水泥環(huán)進行安裝，然后通過溫度調節(jié)機構和調壓機構分別對水泥環(huán)的溫度和壓力進行調整，直至檢測到水泥環(huán)發(fā)生失效。優(yōu)選地，利用拉梅公式計算水泥環(huán)的任意位置在彈性階段和塑性階段的周向拉應力和徑向壓應力；
[0028]5)將步驟2)、3)和4)中的實驗數(shù)據(jù)進行比較后，與未進行測試實驗的第四個密封良好的水泥環(huán)進行比較，對該組四個水泥環(huán)對應的溫度、壓力和失效狀態(tài)進行比對，并分析水泥環(huán)在壓裂期間，水泥環(huán)的失效規(guī)律及水泥環(huán)的極限破壞參數(shù)。
【附圖說明】
[0029]圖1所示是本發(fā)明的用于大型壓裂時水泥環(huán)的力學性能與機械密封性能評價的裝置的一種具體實施例。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0031]如圖1所示為本發(fā)明的用于測試水泥環(huán)的力學性能與機械密封性能評價的裝置的一種具體實施例。在該實施例中，該裝置主要包括:用于模擬非常規(guī)油氣的標準的待測水泥環(huán)1、套設在水泥環(huán)1的內表面的標準套管式的內筒2、套設在水泥環(huán)1的外表面用于模擬外巖層的外筒3 ;用于調節(jié)內筒2對水泥環(huán)1的壓力的調壓機構4、限制軸向延伸機構5、氣體發(fā)生機構6和用于檢測水泥環(huán)1的應力狀態(tài)與機械密封性能的檢測組件。標準的水泥環(huán)1的內壁的直徑為139.7mm、外壁的直徑為233mm。優(yōu)選地，從內筒2引出了管道以注入和排放內筒2內的氣體和液體以及應變片的數(shù)據(jù)通道。該管路有多條，引出到外筒3的外部的部分上連接有密封頭13。
[0032]在一個實施例中，調壓機構4可采用壓力自動控制泵或液體增壓泵。該調壓機構4分別通過管路內筒2提供壓力。而內筒2的壓力作用在水泥環(huán)1的內壁上以用于模擬大型壓裂時套管對水泥環(huán)1的作用力，設計壓裂的壓力范圍最高可達140MPa。外筒3的壓力作用在水泥環(huán)1的外壁上，模擬外巖層的作用力，形成對水泥環(huán)的約束，其設計原理采用平面應變理論，保證模擬過程的完全相似。
[0033]在一個優(yōu)選的實施例中，如圖1所示，為了限制水泥環(huán)1在受到內、外作用力時軸向延伸而影響測試結果，將水泥環(huán)1限制在一個限制軸向延伸機構5上。優(yōu)選地，該限制軸向延伸機構5主要包括壓在水泥環(huán)1的上表面的上壓板和設在水泥環(huán)1的下表面的下壓板，上壓板和下壓板通過多根連接桿連接，并通過緊固件來進行固定或調節(jié)。
[0034]在一個實施例中，檢測組件主要包括用于檢測水泥環(huán)1的力學性能的聲波檢測機構9、應變檢測儀器10和氣泡檢測機構11。其中，聲波檢測機構9通過發(fā)生失效時