水泥环胶结强度评价装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油工程材料检测技术领域中一种模拟评价油井水泥环胶结强度评价装置。
【背景技术】
[0002]固井注水泥完成后，水泥环与两个界面胶结状态的好坏对固井质量有重大的影响。目前，界面胶结强度的影响因素已较为明确，主要有地层压力、地层水渗流、地层岩性、水泥石自身性能、钻井液在地层形成的滤饼以及固井时对滤饼的冲洗效果等。但界面的胶结强度的大小以及水泥环与地层胶结面防窜流能力的强弱无法在井下直接测量。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于针对现有技术的空白，为评价水泥环与地层或套管之间的胶结质量而提出一种水泥环胶结强度评价装置。
[0004]本发明的技术方案如下:
一种水泥环胶结强度评价装置，由压力釜系统和外围控制系统两部分通过气、液管路连接组成，其中:压力釜系统包括压力釜和岩芯、岩芯夹持器、模拟套管，压力釜包括顶部开口的釜体，与压力釜顶部开口处分别密闭连接配合的釜盖和养护釜盖，其中釜盖上设有电控搅拌器，电控搅拌器下部连接的搅拌桨叶轴向延伸至釜体底部，养护釜盖带有热电偶，在釜体底座和侧部分别设置进出管口，釜体底座沿轴心预制有圆形凹槽，圆形凹槽与底座设置的进出管口贯通；岩芯夹持器上部带有一圆形托盘，圆形托盘外周边与模拟套管连接，岩芯夹持器中间固定岩芯，岩芯夹持器下部为与爸体底座上的圆形凹槽插接配合的缩径凸台，凸台中间设有连通于岩芯和釜体底座进出管口之间的通孔，模拟套管套在圆形托盘上方的岩芯部分，顶部设有密封端盖，密封端盖居中设有通孔，密封端盖外周边通过连接件与圆形托盘连接后将模拟套管和岩芯紧紧夹固，并在岩芯和模拟套管之间形成水泥浆侯凝室；外围控制系统包括钻井液储液te、冲洗液储液te、氣气源、空气源、水源以及连接在其间的管路、泵和阀。
[0005]上述方案进一步包括:
所述外围控制系统中，氮气源与气体高压泵、蓄能器、调压阀相连，在调压阀后的管路又分两个支路，支路一通过高压进气阀与釜体上部进出管口和排气阀相连，支路二通过气窜阀接入釜体底座的岩芯夹持器底部；水源经过进水阀之后，一部分通过液体高压泵、隔离阀连接釜体上部进出管口和储液溢出阀，另一部分连接蓄水器、泄压节止和泄压泵，还有一部分经过蓄水器与液窜阀后接入釜体底座的岩芯夹持器底部；空气源经过空气调压阀后分成四个支路，支路一经过气增压阀接入到气体高压泵所在的管路，进而与前述氮气源管路相连，支路二经过液增压阀接入到液体高压泵所在的管路，进而与前述的水源13管路相连，支路三经过空气至釜阀接入到进水阀和液体高压泵之间的管路，进而与水源13管路相连，支路四与钻井液储液罐、冲洗液储液罐、三通阀连接到釜体下部的进出管口。
[0006]釜体为圆筒型，釜体与釜盖和养护釜盖均采用螺纹连接，釜体底部的圆形凹槽边缘连有3个成120°夹角的小凹槽，圆形凹槽中间还同心嵌入直径略小的凹槽，岩芯夹持器中下部边缘分布3个卡扣,尺寸与爸体底座的三个小凹槽对应，并将岩芯夹持器下端固定。
[0007]岩芯夹持器上部为一钢制圆形托盘，圆形托盘上面有3个钢制卡扣，成120°夹角分布，与模拟套管底部连接，圆形托盘外边缘均匀对称分布6个螺纹孔；模拟套管为一空心铜管，模拟套管顶部密封端盖通过螺杆与圆形托盘的螺纹孔连接将模拟套管和岩芯紧紧夹固。
[0008]搅拌浆叶的直径与岩芯直径相同，顶在岩芯上面。
[0009]该装置中还包括强度测试伺服试验机。
[0010]本发明的有益效果在于:
该装置能模拟岩芯周围钻井液泥饼的动态形成，评价冲洗液对泥饼的冲洗效果，模拟水泥浆与地层岩芯、人造岩芯或模拟套管之间在高温高压养护下形成水泥环的过程，并测量出水泥环与地层岩芯、人造岩芯或模拟套管两个胶结界面的胶结强度，为评价水泥环与地层或套管之间的胶结性能提供必要的实验基础。此外，该装置操作简单易学。一种评价水泥环胶结性能的装置。
【附图说明】
[0011]图1是水泥环胶结强度评价装置模拟泥饼形成或冲洗状态的釜体内部剖面图；
图2是水泥环胶结强度评价装置模拟水泥浆注入与养护状态的釜体内部剖面图；
图3是水泥环胶结强度评价装置的管路原理图。
[0012]图中，与电控搅拌器为一体的爸盖1、爸体2、搅拌衆叶3、岩芯4、岩芯夹持器5、底座6、与热电偶配合使用的养护釜盖7、水泥浆侯凝腔8、模拟套管9、密封端盖10、氮气源U、空气源12、水源13、空气调压阀14、空气至釜15、气增压阀16、气体高压泵17、蓄能器18、液体高压泵19、调压阀20、高压进气阀21、釜体外壳22、隔离阀23、储液溢出阀24、泄压泵25、泄压节止26、进水阀27、蓄水器28、钻井液储液罐29、三通阀30、排气阀31、液窜阀32、失水阀33、气窜阀34、冲洗液储液罐35、液增压阀36、高压释放阀37。
【具体实施方式】
[0013]下面结合说明书附图和【具体实施方式】来对本发明作进一步的说明:
压力釜釜体为圆筒型，釜体底部有中心有圆形凹槽，凹槽边缘连有3个成120°夹角的小凹槽，圆形凹槽中间还同心嵌入直径略小的凹槽，起到固定岩芯夹持器的作用。
[0014]考虑到压力釜釜体底座的特殊构造和更好的固定岩芯，专门制作了岩芯夹持器。岩芯夹持器分为三层，上部为一钢制圆形托盘，圆形托盘上面有3个钢制卡扣，成120°夹角分布，起到固定模拟套管的作用，托盘外边缘均匀对称分布3个螺纹孔；中部是外径小于上部圆形托盘的钢制圆柱体，该圆柱体下边缘分布3个卡扣，尺寸与压力釜釜体底座的三个小凹槽--对应；下部居中连有外径更小的钢制圆柱体(即技术方案中的凸台)，中间有小孔贯穿，三部分为同心圆结构，置于釜体底部。
[0015]在模拟钻井液泥饼的动态形成以及冲洗过程中，为模拟任何合理冲洗速度下的冲洗效果，该装置配置了无极变速的电控搅拌器。为避免流体搅动时岩芯顶部流场受到干扰，专门制作一与岩芯直径相等的圆柱体置于岩芯上面，并将电控搅拌器的搅拌浆叶顶到圆柱体上。
[0016]为同时评价水泥浆与岩芯、套管的胶结性能，在所述的岩芯夹持器顶部圆形托盘上可以固定一圆环体来表征模拟套管，进而岩心夹持器的顶部圆形托盘、居中内置在岩芯夹持器上岩芯以及固定的模拟套管就形成水泥浆候凝室。该流道满足与现场实际井眼尺寸的几何相似，能满足模拟现场实际井径变化、地层特性的要求。
[0017]为能安全、稳定、均匀的对压力釜加压，该装置配置了气动液压系统，该系统中共有氮气、水、空气三种流体介质。
[0018]为多功能实现模拟钻井液泥饼的形成、冲洗以及水泥浆注入和养护，该装置配置有不同的压力釜釜盖，一种为与电控搅拌器为一体的釜盖，另一种为与热电偶配合使用的
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[0019]1.对水泥环胶结强度评价装置中釜体2的主要内部结构进行说明:
釜体2为圆筒型，釜体2底部有中心有圆形凹槽，凹槽边缘连有3个成120°夹角的小凹槽，圆形凹槽中间还同心嵌入直径略小的凹槽，起到固定岩芯夹持器5的作用。岩芯夹持器5在釜体2底部居中放置也分为三层，上部为一钢制圆形托盘，圆形托盘上面有3个钢制卡扣，成120°夹角分布，起到固定模拟套管的作用，托盘外边缘均匀对称分布6个螺纹孔；中部是外径小于上部圆形托盘的钢制圆柱体，该圆柱体下边缘分布3个卡扣，尺寸与釜体2底座的三个小凹槽一一对应；下部居中连有外径更小的钢制圆柱体(即前述凸台)，中间有小孔贯穿，三部分为同心圆结构，置于釜体2底部。
[0020]如图1所示的模拟泥饼形成和冲洗状态，岩心夹持器5中间固定好岩芯4，搅拌浆叶3上部和与电控搅拌器为一体的釜盖I相连，用于搅拌钻井液和冲洗液。
[0021]如图2所不的模拟水泥衆注入和养护状态,岩芯夹持器5中间固定岩芯4,岩芯夹持器5上部固定模拟套管9，模拟套管9为一空心铜管。模拟套管9上面又连有密封盖10，密封盖10居中有小孔且密封盖10边缘均匀分布6个螺纹孔。密封盖10和岩芯夹持器5通过6根钢制螺杆，将模拟套管9和岩芯4紧紧夹在一起，并形成水泥浆侯凝室8。
[0022]2.对水泥环胶结强度评价装置中管路系统连接情况进行说明:
如图3所示，水泥环胶结强度评价装置中管路系统主要从氮气源11、水源13、空气源12三个始端入手，三个源头所引出的管路既相互独立有相互联系，以下依次进行介绍和说明。
[0023]I)氮气源11引出的管路连接情况如下所述:
氮气源11与气体高压泵17、蓄能器18、调压阀20相连，在调压阀20后的管路又分两个支路。①一部分通过高压进气阀21与釜体2和排气阀31相连另一部分通过气窜阀34接入釜体2下端的岩芯夹持器5底部。
[0024]①部分的支路的功用是向釜体2内增压以模拟井筒压力部分的支路是向装入岩芯夹持器5中的岩芯4内部增压以模拟地层流体(主要指气体)的压力，该部分只是在做气窜实验时才使用，其他实验时一般将气窜阀34关闭。
[0025]管路中的蓄能器18储藏从氮气源11输送的氮气，表征氮气源11的压力。气体高压泵17把从空气源12中输入的空气增压，然后将高压气注入蓄能器18中以提高蓄能器18中的工作压力。调压阀20控制蓄能器18中输出到釜体2内的气体压力大小。
[0026]2)水源12引出的管路连接情况如下所述:
水经过进水阀27、液体高压泵19、隔离阀23流入釜体2。空气源12经过液增压阀36接入液体高压泵19，其目的是形成高的液压。当打开隔离阀23时，高压水流进入到釜体2实现给釜体2增压。
[0027]蓄水器28安装在液体高压泵19、隔离阀23之间的管路，蓄水器28之后通过液窜阀32接入釜体2下端的岩芯夹持器5底部，向装在岩芯夹持器5中的岩芯4内