阅读说明：本技术 一种套管-水泥环-地层固结体完整性模拟实验装置 (Casing-cement sheath-stratum consolidation body integrity simulation experiment device ) 是由 张毅 李晓蓉 安晨 张超飞 丁泽晨 古丽娟 刘飞 何向阁 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种套管-水泥环-地层固结体完整性模拟实验装置,涉及油气钻采领域,包括支撑结构、井身结构、水泥浆注入系统、液压系统和测试系统；支撑结构上安装有井身结构,井身结构包括竖直设置于支架上的地层管柱和套管管柱,地层管柱与套管管柱之间为水泥环腔体,水泥环腔体与水泥浆注入系统连通；地层管柱包括上地层管柱和下地层管柱,上地层管柱与下地层管柱通过斜截板和斜板螺栓固定连接；上地层管柱的外壁连接有液压系统；测试系统包括DAS监测光纤,套管管柱外壁上螺旋缠绕有DAS监测光纤。本发明从实验角度探究套管-水泥环-地层完整性失效原因,阐明井筒完整性失效机理,并为提出相应的防控机制提供理论支撑。(The invention discloses a casing-cement sheath-stratum consolidation body integrity simulation experiment device, which relates to the field of oil and gas drilling and production and comprises a supporting structure, a well body structure, a cement slurry injection system, a hydraulic system and a test system; a well body structure is arranged on the supporting structure and comprises a stratum pipe column and a casing pipe column which are vertically arranged on the support, a cement sheath cavity is arranged between the stratum pipe column and the casing pipe column, and the cement sheath cavity is communicated with the cement slurry injection system; the stratum pipe column comprises an upper stratum pipe column and a lower stratum pipe column, and the upper stratum pipe column and the lower stratum pipe column are fixedly connected through an inclined cutting plate and an inclined plate bolt; the outer wall of the upper stratum pipe column is connected with a hydraulic system; the test system comprises DAS monitoring optical fibers, and the DAS monitoring optical fibers are spirally wound on the outer wall of the casing pipe column. The method explores the reason of casing-cement sheath-stratum integrity failure from the experimental angle, clarifies the mechanism of wellbore integrity failure and provides theoretical support for providing a corresponding prevention and control mechanism.)

一种套管-水泥环-地层固结体完整性模拟实验装置

技术领域

本发明涉及油气钻采技术领域，特别是涉及一种套管-水泥环-地层固结体完整性模拟实验装置。

背景技术

油气钻采过程中，套管-水泥环-地层是油气井最为典型的井筒结构形式，它的完整性是保证井眼稳定和封隔地层流体的关键所在。然而，随着我国油气资源的不断开发和地质环境的不断复杂化，使得与井筒质量相关的油气泄漏和井筒完整性失效事故呈快速增长趋势。因此，套管-水泥环-地层系统的完整性分析一直以来是保障油气资源安全高效生产的重点研究领域。

套管-水泥环-地层固结体的失效主要表现在套管变形和损坏、水泥环固结体自身缺陷两方面。造成套管-水泥环-地层完整性失效的原因有很多，一方面，取决于复杂的地质因素：①作用在井筒上的非均匀地应力，主要表现为注采等措施诱发断层激活和地层层间滑移，进而致使井筒剪切损坏；②地层和井筒间的温差使得环空水泥环出现体积膨胀或收缩现象，从而导致水泥环-套管和水泥环-地层胶结面开裂失效；③套管内压过大会导致水泥环塑性破坏，其始于水泥环内壁并向外扩展，直至完全塑性破坏。另一方面，取决于钻完井过程中的工程因素：①固井作业中，由于套管自重等原因导致套管在井眼内不完全居中(套管偏心)，水泥浆在环空固化形成薄厚不均匀的水泥环，这将加剧套管所承受的非均布外载，进一步致使套管受力变形或水泥环胶结面失效；②完井过程中，由不同尺寸套管和井眼配合形成的不同壁厚的水泥环将影响套管的受力特性；③不同配方的水泥浆固化后表现出不同渗透特性，进而影响井筒密封性。总之，套管-水泥环-地层完整性失效是一个多因素综合作用下变形损坏和密封性失效问题。

现有相关研究多集中于套管-水泥环-地层固结体的数值模拟研究，通过建立上述某个或某几个影响因素下的套管-水泥环-地层力学模型，分析井筒受外部均匀或非均匀载荷下的应力分布情况和应变损伤情况。然而，数值模拟结果往往需要相关试验的验证，而现有的试验装置多是单纯考虑套管强度测试搭建的，或者是考虑水泥环密封性测试的装置，缺少套管-水泥环-地层整体在上述地质和工程因素综合作用下的完整性失效模拟试验装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种套管-水泥环-地层固结体完整性模拟实验装置，以解决上述现有技术存在的问题，从实验角度探究套管-水泥环-地层完整性失效原因，阐明井筒完整性失效机理，并为提出相应的防控机制提供理论支撑。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种套管-水泥环-地层固结体完整性模拟实验装置，包括支撑结构、井身结构、水泥浆注入系统、液压系统和测试系统；所述支撑结构包括支架，所述支架上安装有所述井身结构，所述井身结构两端均设置有封堵装置，所述井身结构包括竖直设置于所述支架上的地层管柱，所述地层管柱内设置有套管管柱，所述地层管柱与所述套管管柱之间为水泥环腔体，所述水泥环腔体与所述水泥浆注入系统连通；所述地层管柱包括上地层管柱和下地层管柱，所述上地层管柱底部与所述下地层管柱顶部均为倾斜方向相同的斜切面，且所述斜切面上均固定设置有斜截板，所述上地层管柱的斜截板和下地层管柱的斜截板通过斜板螺栓固定连接；所述上地层管柱的外壁连接有所述液压系统；所述测试系统包括DAS监测光纤，所述套管管柱外壁上螺旋缠绕有所述DAS监测光纤。

可选的，所述支架包括水平设置的底部支架，所述底部支架上连接有垂直设置的竖直支架；所述封堵装置包括管柱基座和顶盖；所述管柱基座通过第一螺栓固定安装于所述底部支架上，所述管柱基座内设置有底部定位环，所述地层管柱和所述套管管柱设置于所述底部定位环上，且通过固定环与所述管柱基座固定连接；所述顶盖通过第二螺栓与所述地层管柱固定连接；所述顶盖上开设有泄压阀。

可选的，所述底部定位环上开设有直径自下向上增大的阶梯孔，所述地层管柱和所述套管管柱固定套设于所述阶梯孔内。

可选的，所述所述水泥浆注入系统包括设置于所述底部支架上的水泥浆搅拌器，所述水泥浆搅拌器通过水泥浆注入管与所述水泥环腔体连通；所述水泥浆注入管上安装有注入泵和单向阀门。

可选的，所述水泥浆注入管上分别连接有压力计、流量计和温度传感器。

可选的，所述液压系统包括通过铰链与所述竖直支架连接的第一液压缸，所述第一液压缸末端的液压杆与所述上地层管柱连接，所述第一液压缸上方的外壁连接有水平设置的第二液压缸，所述第二液压缸与所述竖直支架垂直固定连接；所述第一液压缸和第二液压缸分别通过液压管线连接有液压泵。

可选的，所述上地层管柱外壁上套设有活动锥形环，所述第一液压缸末端的液压杆与所述活动锥形环的锥形侧壁连接。

可选的，所述竖直支架上设置有水平延展架，所述水平延展架末端通过第三螺栓连接有卡爪，所述卡爪卡接于所述下地层管柱外壁上；所述液压泵设置于所述水平延展架上。

可选的，所述底部支架和竖直支架之间连接有倾斜设置的加强筋。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明实验装置可监测套管-水泥环-地层固结体在复杂地质因素和工程因素影响下的变形过程和密封性，从而能为套管-水泥环-地层完整性失效分析提供基础数据和理论支撑。水泥浆泵入装置，具备配置水泥浆，并以一定温压和流量将其从套管底部注入水泥环腔体内的功能。模拟了实际固井过程中注入水泥是从环空底部开始充填的现象。另外，顶盖泄压阀的安装可保证水泥浆注入过程中，腔体空气的排出，保证水泥固化后的密封性。地层管柱由上下两部分以一定倾角的斜截面装配完成，液压系统将提供与这一斜截面平行的外载力，用于模拟一定角度断层激活后地层层间滑移对井筒完整性造成的影响。DAS监测光纤置于全井筒段，由于DAS光纤本身就是传感器，相当于一排置于井段内的“话筒”收集井下声波信号，可识别模拟装置中全井段的变形和强度特征。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明整体结构的剖面示意图；

图2是本发明装置中套管管柱和置于其表面的DAS监测光纤示意图；

图3是本发明装置中管柱基座装配件剖面图；

图4是本发明装置中卡爪平面示意图；

附图标记说明：顶盖1，泄气阀2，活动锥形环3，斜截板4，斜板螺栓5，压力计6，注入泵7，水泥浆搅拌器8，流量计9，温度传感器10，单向阀门11，水泥浆注入管12，地层管柱13，固定环14，底部定位环15，套管管柱16，管柱基座17，第一螺栓18，卡爪19，第三螺栓20，液压泵21，液压管线22，铰链23，第一液压缸24，第二液压缸25，DAS监测光纤26，支架27，第二螺栓28，水泥环腔体29。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种套管-水泥环-地层固结体完整性模拟实验装置，以解决上述现有技术存在的问题，从实验角度探究套管-水泥环-地层完整性失效原因，阐明井筒完整性失效机理，并为提出相应的防控机制提供理论支撑。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种套管-水泥环-地层固结体完整性模拟实验装置，如图1-图4所示，支架27与地面固定，支架27与管柱基座17通过第一螺栓18连接固定。管柱基座17内部放置固定环14和底部定位环15，用于确定放置地层管柱13和套管管柱16的位置，固定环14的凹槽用于地层管柱13和套管管柱16的紧密装配，外部地层管柱13的上下部分由斜截板4及斜板螺栓5配合连接，DAS监测光纤26螺旋缠绕于套管管柱16的整个管柱段，用于监测实验过程中套管管柱16和水泥环腔体29内水泥环的变形和强度特征。套管管柱16和地层管柱13顶部由顶盖1和第二螺栓28连接。顶盖1设有泄气阀2，用于注水泥浆过程中空气的排放。地层管柱13的斜截面下端通过支架27来固定，限定其水平方向的位移，而地层管柱13的斜截面上端通过活动锥形环3连接液压加载系统，并施加了来自液压加载系统的外载力，液压加载系统包括液压泵21、第一液压缸24、第二液压缸25及液压管线22和铰链23，可通过这几种工具的配合使用来调节作用在管柱系统上外载力的大小和方向，方向调节自由度是0°-90°。具体的，支架底部用于限制井身结构在垂直方向的位移，竖直支架的下端通过卡爪19和第三螺栓20来固定由斜截面分开的井身结构下半部分，限定其水平方向上的位移。液压系统提供给管柱的外载荷与管柱斜截面平行。地层管柱13的底端设有水泥浆注入管12。至此地层管柱13和套管管柱16之间形成了水泥环腔体29，用于水泥浆注入和固化。水泥浆注入管12连接了水泥浆注入系统，水泥浆注入系统包括压力计6、注入泵7、水泥浆搅拌器8、流量计9、温度传感器10和单向阀门11，可直接配备水泥浆并注入水泥环腔体29，具备分析不同配方水泥浆从液态注入到套管管柱16和地层管柱13之间的环空到固化成固体水泥环整个过程的性能，为井身结构优选水泥浆配方，并监测井身结构的温压和位移变化。

将制备多个具有不同倾角斜截面的地层管柱13，用于模拟地层层间以一定倾角错动滑移对套管力的影响。管柱基座17内侧的底部定位环15是根据套管管柱和地层管柱尺寸设计的，套管管柱16和地层管柱13之间形成水泥环腔体29，以备水泥浆注入。另外，制备多个凹槽位置不同，即阶梯孔不同心的的管柱基座17，可用以模拟套管偏心度，即套管不居中导致的水泥环薄厚不均匀对套管力的影响。

本发明的实验原理主要基于套管-水泥环-地层固结体在地层复杂载荷作用下的变形损坏理论。作用在套管-水泥环-地层固结体的复杂载荷来自于：水泥浆固化过程中的体积膨胀或收缩；套管偏心和水泥环薄厚不均匀影响套管载荷分布；地层层间滑移和非均匀地应力对套管产生非均匀载荷等。本发明试验装置通过模拟这些作用在套管上的复杂载荷，结合DAS监测光纤26监测井筒的变形和损坏情况，模拟了实际固井过程中注入水泥是从环空底部开始充填的现象。另外，顶盖泄压阀的安装可保证水泥浆注入过程中，腔体空气的排出，保证水泥固化后的密封性，进一步分析阐明井筒完整性失效机理，并为提出相应的防控机制提供理论支撑。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。