的噪聲來判斷水泥環(huán)1發(fā)生失效。另外，應(yīng)變檢測儀器10與連接在水泥環(huán)1的內(nèi)壁和外壁上的應(yīng)變片12聯(lián)用，來得到水泥環(huán)1失效時的應(yīng)力臨界值大小，以及此時對應(yīng)的調(diào)壓機(jī)構(gòu)4施加的壓力大小。在另外的實施例中，應(yīng)變片12可以僅設(shè)在水泥環(huán)1的內(nèi)壁或外壁，通過實驗測得的系數(shù)或者根據(jù)拉梅公式，然后換算成水泥環(huán)1的外壁或內(nèi)壁受到的壓力。當(dāng)然，也可以將應(yīng)變片12設(shè)在內(nèi)筒2的內(nèi)壁，然后進(jìn)行換算得到水泥環(huán)1的內(nèi)壁和/或外壁受到的壓力。
[0035]在一個實施例中，氣體發(fā)生機(jī)構(gòu)6和氣泡檢測機(jī)構(gòu)11分設(shè)在水泥環(huán)1的兩端。兩者聯(lián)用，由于水泥環(huán)1與內(nèi)筒2和外筒3之間沒有間隙，因此在水泥環(huán)1失效前氣泡檢測機(jī)構(gòu)11檢測不到氣泡。在水泥環(huán)1失效時，由于氣體會順著水泥環(huán)1的裂縫移動，位于水泥環(huán)1的一側(cè)的氣體通過水泥環(huán)1的裂縫從而被設(shè)在另一側(cè)的氣泡檢測機(jī)構(gòu)11檢測到。
[0036]在一個優(yōu)選的實施例中，氣體發(fā)生機(jī)構(gòu)11采用氮氣瓶。水泥環(huán)1的上端設(shè)有容納氮氣瓶的氮氣的環(huán)形腔。在水泥環(huán)失效前，從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(nèi)不會泄漏到水泥環(huán)1的下端，因此連接在水泥環(huán)1的下端的氣泡檢測機(jī)構(gòu)11檢測不到任何氣體。優(yōu)選地，在氮氣瓶與水泥環(huán)1的環(huán)形腔之間的輸送管路上依次設(shè)有減壓閥14、壓力表15、流量計16和單向閥17。此處，反向閥17防止氮氣倒流。減壓閥14將氮氣瓶的高壓氣體經(jīng)過降壓到設(shè)定壓力后充入環(huán)形腔。往環(huán)形腔內(nèi)充入一定氣體使得環(huán)形腔內(nèi)的氣體飽和后，且在水泥環(huán)1失效前，可以看到壓力表15保持一定的壓力，但流量計16的計數(shù)基本保持不變。
[0037]在一個實施例中，溫度控制系統(tǒng)包括設(shè)在水泥環(huán)1的上端的冷卻系統(tǒng)7和設(shè)在水泥環(huán)的下端的加熱系統(tǒng)8。其中，冷卻系統(tǒng)7和加熱系統(tǒng)8的位置設(shè)置是為了方便操作和達(dá)到節(jié)能的目的。例如，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，加熱系統(tǒng)8不工作，冷卻系統(tǒng)從上端注入冷卻水進(jìn)行降溫。而當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，冷卻系統(tǒng)7不工作，加熱系統(tǒng)8從下端開始加熱，熱量向上傳遞到整個水泥環(huán)1。
[0038]本發(fā)明另外還涉及一種水泥環(huán)的力學(xué)性能與機(jī)械密封性能測試方法，其采用上述的用于測試水泥環(huán)的力學(xué)性能與機(jī)械密封性能的裝置。
[0039]下面通過實施例來更好地對本發(fā)明的水泥環(huán)力學(xué)性能與機(jī)械密封性能測試方法進(jìn)行說明。
[0040]說明的是，實際實驗過程中會有多組不同配比和規(guī)格的水泥環(huán)。不同配比和/或規(guī)格的水泥環(huán)組之間可以做比較，從而評價出水泥環(huán)自身的性能對其應(yīng)力性能和機(jī)械密封性能的影響。同組的水泥環(huán)采用的是相同的配比和規(guī)格，其主要用于研究壓力和溫度對該組水泥環(huán)的影響。以下僅一組實施例做示例性說明。
[0041]首先按照水灰比為0.44常規(guī)水泥漿230L，注入外筒內(nèi)徑為233mm、內(nèi)筒外徑為139.7mm的模擬井筒內(nèi)，養(yǎng)護(hù)7天后取出得到水泥環(huán)，先對水泥環(huán)進(jìn)行基本的氣密性檢測合格后，再將水泥環(huán)安裝至本發(fā)明的裝置進(jìn)行測試實驗。每一批水泥環(huán)至少包括四個氣密性合格的水泥環(huán)。
[0042]實例一:
[0043]試驗溫度在24小時內(nèi)由室溫緩慢升至85°C，底部環(huán)空段注入2MPa氣體，維持氣體穩(wěn)定，測量水泥環(huán)周向應(yīng)力0.52MPa。溫度在48小時內(nèi)緩慢升高至120°C，檢測到環(huán)空頂部壓力1.9MPa，水泥環(huán)周向應(yīng)力峰值2.3MPa，水泥環(huán)密封失效。確認(rèn)為水泥環(huán)由于熱膨脹導(dǎo)致水泥環(huán)密封失效，并記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)。
[0044]實例二:
[0045]試驗溫度為23°C，水泥環(huán)的底部注入氣體壓力2MPa。通過液體增壓泵往環(huán)空模型內(nèi)筒增壓，增壓速率10MPa/10min。當(dāng)內(nèi)壓30MPa時，測量水泥環(huán)周向應(yīng)力1.4MPa，頂部壓力為OMPa，聲波檢測儀器未檢測到聲音信號。當(dāng)模型內(nèi)壓為61.5MPa時，測量周向應(yīng)力由
2.3MPa降至OMPa，氣泡檢察儀出現(xiàn)明顯峰值，聲波檢測到明顯峰值，模型頂部壓力1.8MPa。確認(rèn)為內(nèi)壓過載導(dǎo)致水泥環(huán)產(chǎn)生拉伸破壞，導(dǎo)致水泥環(huán)密封失效。
[0046]實施例三:
[0047]實驗溫度從23°C緩慢上升，最高溫度不超過85°C。水泥環(huán)的底部注入氣體壓力2MPa，通過液體增壓泵往環(huán)空模型內(nèi)筒增壓，實驗壓力增壓速率10MPa/10min。當(dāng)內(nèi)壓30MPa時，測量水泥環(huán)周向應(yīng)力L 7MPa，頂部壓力為OMPa，聲波檢測儀器未檢測到聲音信號。當(dāng)模型內(nèi)壓為55MPa時，測量周向應(yīng)力由2.3MPa降至OMPa，氣泡檢察儀出現(xiàn)明顯峰值，聲波檢測到明顯峰值，模型頂部壓力l.SMPa。
[0048]將以上三個實施例的數(shù)據(jù)與未進(jìn)行實驗的水泥環(huán)進(jìn)行比較后，可知，溫度和壓力的變化導(dǎo)致水泥環(huán)的密封失效，失效原因主要表現(xiàn)在水泥環(huán)周向拉伸的應(yīng)力破壞。
[0049]雖然已經(jīng)結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，然而可以理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對其進(jìn)行各種改進(jìn)或替換。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)上的沖突，各實施例中的特征均可相互結(jié)合起來，所形成的組合式特征仍屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。
【主權(quán)項】
1.一種用于大型壓裂時水泥環(huán)的力學(xué)性能與機(jī)械密封性評價的裝置，包括: 待測水泥環(huán)； 內(nèi)筒，其套設(shè)在水泥環(huán)的內(nèi)表面； 外筒，其套設(shè)在水泥環(huán)的外表面； 調(diào)壓機(jī)構(gòu)，與內(nèi)筒連接，以調(diào)節(jié)作用在水泥環(huán)內(nèi)壁的壓力； 溫度控制機(jī)構(gòu)，其與水泥環(huán)連接，控制水泥環(huán)的溫度；和 檢測組件，用于檢測水泥環(huán)的應(yīng)力狀態(tài)、大小和機(jī)械密封性能。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括限制軸向延伸機(jī)構(gòu)和氣體發(fā)生機(jī)構(gòu)，其中: 限制軸向延伸機(jī)構(gòu)，其與水泥環(huán)連接，限制加壓時水泥環(huán)的軸向延伸； 氣體發(fā)生機(jī)構(gòu)，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(jìn)行測試。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述檢測組件包括聲波檢測機(jī)構(gòu)與應(yīng)力應(yīng)變檢測系統(tǒng)，所述聲波檢測機(jī)構(gòu)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(yīng)力應(yīng)變檢測系統(tǒng)與連接在水泥環(huán)內(nèi)壁的應(yīng)變片聯(lián)用。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述檢測組件還包括光纖式氣泡檢測機(jī)構(gòu)，所述氣泡檢測機(jī)構(gòu)與設(shè)在水泥環(huán)另一側(cè)的氣體發(fā)生機(jī)構(gòu)聯(lián)用，在水泥環(huán)失效前氣泡檢測機(jī)構(gòu)檢測不到氣泡；在水泥環(huán)失效時，位于水泥環(huán)一側(cè)的氣體通過水泥環(huán)被設(shè)在另一側(cè)的氣泡檢測機(jī)構(gòu)檢測到。5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的裝置，其特征在于，所述氣體發(fā)生機(jī)構(gòu)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(nèi)；優(yōu)選地，所述氮氣瓶與水泥環(huán)的環(huán)形腔之間的輸送管路上設(shè)有減壓閥、流量計和單向閥，往環(huán)形腔內(nèi)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。6.根據(jù)權(quán)利要求1?5中任一項所述的裝置，其特征在于，所述溫度控制系統(tǒng)包括設(shè)在水泥環(huán)的上端的冷卻系統(tǒng)和設(shè)在水泥環(huán)的下端的加熱系統(tǒng)；當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，加熱系統(tǒng)不工作，冷卻系統(tǒng)工作；當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，冷卻系統(tǒng)不工作，加熱系統(tǒng)工作。7.根據(jù)權(quán)利要求1?6中任一項所述的裝置，其特征在于，所述調(diào)壓機(jī)構(gòu)包括壓力自動控制泵，所述壓力自動控制泵與內(nèi)筒連接以調(diào)整水泥環(huán)的內(nèi)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(dá)140MPa。8.根據(jù)權(quán)利要求1?7中任一項所述的裝置，其特征在于，所述限制軸向延伸機(jī)構(gòu)包括設(shè)在水泥環(huán)的上表面的上壓板和設(shè)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(jìn)行調(diào)節(jié)。9.一種用于大型壓裂時水泥環(huán)的力學(xué)性能與機(jī)械密封性評價的方法，其采用權(quán)利要求1?8中任一項所述的裝置分別對多組不同配比的水泥環(huán)組進(jìn)行測試。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，在對一組相同配比的水泥環(huán)進(jìn)行測試時，包括以下步驟: 1)選取至少四個相同規(guī)格的水泥環(huán)，先對水泥環(huán)進(jìn)行氣密性檢測，以檢測水泥環(huán)的內(nèi)壁與內(nèi)筒之間、外壁與外筒之間是否密封良好； 2)對于一個密封良好的水泥環(huán)進(jìn)行應(yīng)力測試，在溫度保持在某一設(shè)定值的條件下，通過調(diào)壓機(jī)構(gòu)不斷對內(nèi)筒加壓，直至檢測機(jī)構(gòu)檢測到水泥環(huán)失效為止，加壓過程中測量水泥環(huán)內(nèi)、外壁的應(yīng)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(yīng)力和徑向壓應(yīng)力； 3)選取另一個密封良好的水泥環(huán)進(jìn)行安裝，然后通過溫度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對水泥環(huán)內(nèi)壁的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，記錄在不同溫度下的應(yīng)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(yīng)力和徑向壓應(yīng)力； 4)選取第三個密封良好的水泥環(huán)進(jìn)行安裝，然后通過溫度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和調(diào)壓機(jī)構(gòu)分別對水泥環(huán)的溫度和壓力進(jìn)行調(diào)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(yīng)力和徑向壓應(yīng)力； 5)將步驟2)、3)和4)中的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后，與未進(jìn)行測試實驗的第四個密封良好的水泥環(huán)進(jìn)行比較，對該組四個水泥環(huán)對應(yīng)的溫度、壓力和失效狀態(tài)進(jìn)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)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于大型壓裂時水泥環(huán)的力學(xué)性能與機(jī)械密封性評價的裝置和方法，該裝置包括：待測水泥環(huán)；內(nèi)筒，其套設(shè)在水泥環(huán)的內(nèi)表面；外筒，其套設(shè)在水泥環(huán)的外表面；調(diào)壓機(jī)構(gòu)，與內(nèi)筒連接，以調(diào)節(jié)作用在水泥環(huán)內(nèi)壁的壓力；溫度控制機(jī)構(gòu)，其與水泥環(huán)連接，控制水泥環(huán)的溫度；和檢測組件，用于檢測水泥環(huán)的應(yīng)力狀態(tài)、大小和機(jī)械密封性能。該裝置能較好地對水泥環(huán)力學(xué)性能與機(jī)械密封性能進(jìn)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。
【IPC分類】G01M3/04, G01M13/00
【公開號】CN105424331
【申請?zhí)枴緾N201410478871
【發(fā)明人】陶謙, 周仕明, 楊紅歧, 汪曉靜
【申請人】中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2014年9月18日