[发明专利]一种液压式模拟套管围压试验装置及其围压方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发领域油气井固井过程中模拟套管围压试验装置及其围压方法，特别是涉及一种液压式模拟套管围压试验装置及其围压方法。

背景技术

套管广泛用于油气井固井与完井，保证井壁稳定和钻井顺利进行，形成油气流动通道。在油气井作业时，会面临塑性蠕变地层的非均布地应力作用以及复杂完井方式造成的高压差和交变应力作用。在复杂井筒条件下，生产套管失效日益增多，严重影响油井作业寿命。进一步研究复杂井筒条件下水泥环与生产套管的力学行为，研发出能够模拟套管围压的试验装置及围压方法，成为当务之急。

套管围压主要是通过ANSYS、ABAQUS等软件进行数值模拟，由于几何模型概化精度、边界条件、本构模型匹配等问题导致模拟结果与实际情况不符。

目前，模拟套管围压的设备一般是机械装置（一种机械式模拟套管围压试验装置及其围压方法，公开号：CN105606455A），由于不能够真实地模拟均匀地应力、地层温度及地层塑性，因此无法模拟水泥浆在井下环空中带温带压形成水泥环的过程，更无法模拟水泥环与套管及水泥环与地层之间的胶结，导致实验结果与井下实际情况同样存在较大差异。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液压式模拟套管围压试验装置，该装置原理可靠，操作简便，能够模拟真实地层环境，实验结果直观准确，可以更好地满足研究需要，克服了现有技术的缺陷和不足，具有广阔的市场前景。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置进行模拟套管围压试验的方法，该方法能够模拟水泥浆在井下环空中带温带压形成水泥环的过程，为油气井安全高效生产奠定理论基础。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种液压式模拟套管围压试验装置，主要由高压釜体、套管、水泥环、橡胶套、双半圆缸套、空气至釜接口、热电偶、进水及压力控制接口、气驱液体增压泵、泄压泵、进水口、出水口和压力监测系统组成，所述高压釜体上端有釜盖，用于密封高压釜体内的高压水，底端开有凹槽，高压釜体内部由里向外分别是套管、水泥环、橡胶套和双半圆缸套，所述双半圆缸套位于橡胶套和高压釜体内壁之间。

所述套管有套管上盖和套管下盖，套管上盖通过螺纹连接嵌于釜盖内，用于密封套管和水泥环上端面，套管上盖设有注浆口，该注浆口与套管外壁和橡胶套之间的空间连通，通过注浆口将水泥浆注入套管外壁和橡胶套之间的空间，养护形成水泥环；套管下盖嵌于高压釜体底端的凹槽内。

所述橡胶套位于水泥环和双半圆缸套之间，用于密封及模拟地层塑性。

所述双半圆缸套位于橡胶套与高压釜体内壁之间，用于密封及带压养护水泥环。

所述压力监测系统包括多个应力应变片（可以为4个）、应力应变仪和计算机，所述应力应变片均匀贴附于套管中部内壁上，用于采集套管所受应力及发生应变的信号，并将其传递至应力应变仪和计算机。

所述高压釜体连接热电偶，高压釜体外壁设有空气至釜接口和进水及压力控制接口，高压釜体通过空气至釜接口连接空气至釜阀和压缩空气进口，通过进水及压力控制接口连接压力表、围压截止阀和进水口，压缩空气进口和进水口之间通过电磁阀和气驱液体增压泵连接。

所述进水口用于给气驱液体增压泵提供驱动水，气驱液体增压泵用于将压缩空气进口的空气压力转化成水的出泵压力，所述电磁阀用于控制压缩空气进口的空气压力，从而控制气驱液体增压泵的出泵压力，所述围压截止阀用于阻止气驱液体增压泵继续向高压釜体内充压。

所述高压釜体还通过进水及压力控制接口连接泄压阀、泄压泵和出水口。

所述泄压阀用于泄去高压釜体内压力，泄压泵用于控制高压釜体内压力，出水口用于排出高压釜体内水，当高压釜体内压力超过泄压泵设置的预警压力时，泄压泵将泄去部分釜体压力以保证实验安全。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）液压式模拟套管围压试验装置能够模拟地层温度、均匀地应力，温度控制和压力控制达到自动化；

（2）液压式模拟套管围压试验装置能够模拟水泥浆在井下环空中带温带压形成水泥环的过程；

（3）液压式模拟套管围压试验装置能够模拟地层塑性；

（4）液压式模拟套管围压试验装置能够模拟水泥环与套管及水泥环与地层之间的胶结；

（5）液压式模拟套管围压试验装置能够控制高压釜体内压力，当高压釜体内压力超过泄压泵设置的预警压力时，泄压泵将泄去部分釜体压力以保证实验安全。

附图说明