組合式水泥環膠結強度測試裝置的製作方法

2023-12-03 18:16:26 1

專利名稱：組合式水泥環膠結強度測試裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種水泥環膠結強度測試裝置，特別是一種能在高溫高壓模擬地層真實條件下的組合式水泥環膠結強度測試裝置，適用於測試各種不同配方的油井水泥漿在不同溫度壓力下養護後所形成的水泥環與金屬管之間的機械膠結強度或水力膠結強度，從而指導油氣井固井作業的水泥漿配方設計。
目前，國內還沒有在高溫高壓模擬地層真實條件下測定固井水泥環膠結強度的手段，而是採用在模擬高溫高壓地層條件下養護後的水泥試塊的抗壓強度來作為水泥漿設計中衡量其強度的唯一依據。由於水泥試塊的抗壓強度並不能反映水泥環與套管柱膠結程度的好壞，因此用這種方法難以控制和掌握合理的工藝參數，不能保證良好地封固井壁與套管間的環形空間，導致各地層間的相互竄通，使很多油氣井在生產過程中發生不正常的損壞而需停產修井甚至全井報廢，既打亂了合理的開發方案又造成油氣資源的損失。
國外雖有有關高溫高壓養護條件下測定水泥石與套管膠結強度的裝置，但結構複雜，造價昂貴，不便操作，每次只能測試一個試塊，數據可靠性差，測試效率低，因而難以在生產實踐中推廣，目前僅限於在某些科研實驗室中使用。
本實用新型的任務是要提供一種可供油田固井水泥漿實驗室及有關科研單位常規使用的組合式水泥環膠結強度測試裝置。實驗測試條件能模擬井下真實條件，經一次實驗可測定四個試塊的機械或水力膠結強度。測試準確，可靠性好，試模結構簡單緊湊，外形尺寸可與水泥漿實驗室通用的養護釜相配且可最大限度地利用釜體空間；造價低廉，操作拆卸及清洗簡便易行。
本實用新型是以如下方式完成的測試裝置由試模總成、機械膠結強度測試專用底模及水力膠結強度加壓測試系統三部分組成。
試模總成上有蓋板，下有底板，自上而下分為四層管模，每層管模分別有內管與外管，層與層之間有隔板。隔板既是上層管模的底板，又是下層管模的蓋板。蓋板和底板的對角線與養護釜釜體內徑相同，兩短邊加工有圓弧段，恰與釜體內壁相吻合，可保證試模居中安放，底板園弧段中間加工有一段直邊，可讓開養護釜釜體內熱電偶探頭位置。蓋板、三塊隔板和底板的中心部位均鑽有圓孔，可使內管內腔與養護液壓力連通從而使內管處於模擬井下條件的受壓狀態，而且當測試模放入養護釜內時，圓孔的位置恰與釜蓋上的熱電偶插孔對正，可方便地插入熱電偶。蓋板中心圓孔上加工有與專用手柄相配的螺紋，以便擰入專用手柄將整個試模總成放入養護釜內或自釜內取出。在取出試模時，內管內的養護液可通過底板中心孔流出。底板下部有四個支腳便於試模座放平穩。
底板和隔板上面各開有一道與外管尺寸相吻合的環形槽，一道與外環槽同心的內環槽和兩道具有不同偏心度的偏心內環槽，內環槽的尺寸均與管模內管尺寸相吻合。內外管可分別嵌入對應槽內組成同心或偏心管模，外管的槽外有效高度為50mm。內管比外管略高以便於裝模時嵌入隔板或蓋板下面的環形槽中，易於定位和進行強度測試。內外管兩端均加工光滑平整以保證可靠密封。將配備好的水泥漿注入內、外管組成的環形空間內。內、外管與水泥漿的接觸面不需任何加工，保持接觸面本身的粗糙度以便於模擬井下套管的實際粗糙度並有利於準確直觀地測出水泥環與管壁間膠結破壞時的強度。內、外管直徑和壁厚間的尺寸比例根據現場實際採用的井身結構按幾何相似準則縮小。蓋板和三塊隔板的下面對應地各開有與內管尺寸相吻合的一道同心環形槽和兩道不同偏心度的偏心環形槽，各環形槽深度恰好與內管高出外管的部份相等，當蓋上蓋板和隔板時，內管高出外管的部份恰好嵌入槽內，蓋板和三塊隔板下面沿徑向垂直於板的長邊開有兩道與各道環形槽相交的直槽，可使環形空間頂部與管外部養護釜養護液的壓力相連通，使內、外管之間環形空間內的水泥漿處於受壓狀態。蓋板、三塊隔板和底板的兩旁均對稱加工有兩個圓孔，底板圓孔內車有螺紋，兩根連接螺杆穿過蓋板和三塊隔報兩旁的圓孔，下端擰入底板的螺孔內，上端以緊固螺母將蓋板、四層內外管管模、三塊隔板和底板連成一個整體組成測試模總成。
專用底模由壓頭、壓環和底模體組成。
壓頭上端為承壓的壓頭座盤，座盤下為壓芯，壓芯下端加工成一短臺階形。壓頭座盤外徑與底模體外徑相同，壓頭中空以減輕整體重量，壓芯外徑與內管外徑相同，臺階部份的外徑略小於內管內徑和壓環內徑。
壓環為三個尺寸分別與三種內外管環形空間相對應的扁環體，分別用於測試同心或兩種不同偏心度的管模的機械膠結強度，壓環外徑略小於外管內徑，二者呈鬆動配合；內徑略小於內管內徑，恰可座放於相應的同心或偏心水泥環上，並由壓頭臺階部分插入其內孔，由壓力試驗機經壓頭通過壓環給水泥環加壓進行外管與水泥環之間的機械膠結強度測試。
底模體為一空心圓柱體，柱體沿軸向對分，具有兩種不同的內徑，柱體小孔端的內孔直徑略大於內管外徑，端面加工有尺寸與外管尺寸吻合的一道同心環形槽和兩道偏心環形槽，柱體大孔端加工成內徑與外管內徑相同的厚壁筒，端部有一臺階，尺寸與外管內外徑相同。
測試時，自試模總成上取下一層養護後的管模，將管模置於專用底模的小孔端並使外管嵌入對應的環形槽中，加上壓頭，壓頭的短臺階伸入內管，使用壓力試驗機加壓，直至將內管壓出管模，可測出內管外表面與水泥環之間的機械剪切破壞所需力，其與膠結面積之比即為膠結面機械剪切破壞強度。取下已脫出內管的管模嵌放於底模體的大孔端，加上相應的壓環，並使壓環內孔與管模水泥環內孔重合，再將壓頭的短臺階伸入壓環內，用壓力機加壓將水泥環壓出管模，可測出水泥環與外管內表面間的機械剪切破壞所需力，其與膠結面積之比即為膠結面的機械剪切破壞強度。
水力膠結強度加壓系統為一常規水壓測試系統，由試壓泵、壓力表及連接管組成。
測試時，自試模總成上取下一層養護後的管模，在管模的外管有效高度中心處鑽一小孔，並加工出螺紋，再與試壓系統管線連接，用試壓泵緩慢加壓，直至管模滲水洩漏時的壓力即為水泥環與外管膠結破壞時的水力膠結強度。
以下將結合附圖對本實用新型作進一步的描述。
附

圖1是本實用新型的一種具體結構的安裝示意圖。
附圖2是本實用新型的蓋板(圖2－a)、隔板(圖2－b)和底板(圖2－c)的結構示意圖。
附圖3是本實用新型專用底模的壓頭示意圖。
附圖4是本實用新型專用底模的同心壓環(圖4－a)及兩個不同偏心度的偏心壓環(圖4－b、圖4－c)的結構示意圖。
附圖5是本實用新型管模示意圖。
附圖6是本實用新型的專用底模底模體的結構示意圖。
附圖7是本實用新型水力膠結強度加壓測試系統示意圖。
參照附圖1和附圖2，帶有四個支腳(1)的底板(2)和三塊隔板(3)的上面開有與外管(4)和內管(5)尺寸相吻合的外環槽(A)，一個同心內環槽(B1)及兩個不同偏心度的偏心內環槽(B2、B3)(圖2－b、圖2－c)，內管(5)和外管(4)為無縫鋼管制成，可分別嵌入槽(A)和(B1)或(B2、B3)中組成同心或偏心管模，外管有效高度50mm，內管(5)比外管(4)略高。內外管(5、4)的內外表面不需任何加工，保持本身粗糙度，端面加工光潔以便於密封。內、外管(5)、(4)材料採用無縫鋼管，蓋板(7)和三塊隔板(3)的下面開有與內管(5)尺寸相吻合併與底板(2)、隔板(3)上面各槽(A、B1、B2、B3)相對應的一道同心環形槽(C1)和兩道不同偏心度的偏心環形槽(C2、C3)，槽(C1、C2、C3)的尺寸一致且深度正好等於內管高出外管(4)的高出部份，可根據測試需要組裝成同心或不同偏心度的管模，以便於測試不同狀態下的水泥環的膠結強度。蓋板(7)和三塊隔板(3)的下面沿徑向垂直於板的長邊開有兩道直槽(D)與各環形槽(C1、C2、C3)相交連通。蓋板(7)、三塊隔板(3)和底板(2)的兩旁均對稱加工有兩個圓孔(a)、(b)，底板(2)的圓孔內還車有螺紋。蓋板(7)和三塊隔板(3)的中心部位均鑽有圓孔(C)、蓋板(7)的中心圓孔(C)內也車有螺紋，可與不鏽鋼專用手柄(10)連接，蓋板(7)和底板(2)的對角線與養護釜釜體內徑相同，短邊均加工有與釜體內壁相吻合的圓弧。底板(2)的短邊中間加工成直邊段以預留養護釜釜體內熱電偶探頭空間位置。內管(5)和外管(4)的兩端面均加工光滑平整。根據測試需要，將外管(4)與內管(5)分別嵌入底板(2)的環形槽(A)和(B1)或(B2)、(B3)內，組成同心或不同偏心度的偏心管模，分別將內外管(5)、(4)之間的環形空間內注滿水泥漿，並將多餘水泥漿拭去，蓋上隔板(3)，隔板(3)下面對應的環形槽(C1)或(C2)、(C3)恰好將內管(5)高出外管(4)的高出部分嵌住，再依次將第二、三、四層的外管(4)和內管(5)分別嵌入下部隔板(3)上面的環形槽(A)和(B1)或(B2、B3)內，並使內管(5)高出部分分別嵌入上部的隔板(3)下面的對應環形槽(C1)或(C2、C3)中，最後蓋上蓋板(7)，並使最上層管模內管(5)的上端嵌入蓋板(7)下面的環形槽(C1)或(C2、C3)中，將兩根不鏽鋼連接螺杆(8)穿過蓋板(7)、三塊隔板(3)兩旁的圓孔，下端擰入底板(2)兩側的螺孔內，上端以不鏽鋼緊固螺母將蓋板(7)，四層內外管(5)、(4)、三塊隔板(3)和底板(2)連成一個整體，各板(7、3、2)均為不鏽鋼製成。
參照附圖3，壓頭(11)為一中空件，上端為承壓的壓頭座盤(11a)、座盤(11a)下為壓芯(11b)、壓芯(11b)下端加工成一短臺階形(11c)、壓芯(11b)外徑與內管(5)外徑相同，臺階部分(11c)的外徑略小於內管(5)和壓環(12)的內徑。
參照附圖4，同心壓環12a(附圖4－a)和不同偏心度的兩個偏心壓環(12b、12c)(附圖4－b、4－c)分別選擇性地用於測試對應的同心或兩種不同偏心度的管模的水泥環機械膠結強度。壓環(12)外徑均略小於外管(4)的內徑及底模體(13)(附圖6)的大孔端內孔直徑，壓環(12)內徑略小於內管(5)的內徑，壓環(12a、12b、12c)分別與各板(7、3、2)上各槽(A、B1、B2、B3、C1、C2、C3)相對應。
參照附圖5，管模由內管(5)、外管(4)組成，內管(5)略高於外管(4)，高出部分恰好等於各槽(A、B、C)的深度。內外管(5、4)間的環形空間內注滿可在養護後形成待測試的水泥環的水泥漿(6)。
參照附圖6，底模體(13)為一空心圓柱體，柱體兩端具有不同內徑，小孔端內孔直徑略大於內管(5)的外徑，端面加工有與外管(4)尺寸相同的一道與內孔同心的環形槽(A1)和兩道偏心環形槽(A2、A3)；柱體大孔端加工的內孔直徑與外管(4)內徑相同，各環槽與內孔的組合與試模總成各板(7、3、2)的各之間槽的組合相對應，端部臺階(B)與外管(4)吻合。
在安裝使用時，應在內管(5)兩端及外管(4)下端嵌入槽內的端面上以及蓋板(7)、三塊隔板(3)和底板(2)上的環形槽(A、B1、B2、B3、C1、C2、C3)內表面塗一層密封脂，塗脂要薄而均勻，即利於密封，又便於脫模，可避免管模內水泥漿在養護凝固後產生粘連現象。
參照附圖7，水壓測試系統由試壓泵(14)、壓力表(15)及連接管線(16)組成，用於測試水力膠結強度的管模長度可根據需要製成50mm長四個一組，100mm長兩個一組及200mm長的單模等型式的同心或偏心管模。在測試時，取下一層管模，根據測試需要在管模外管有效高度中心處鑽孔並加工螺紋，在鑽孔或攻絲時應注意不要損傷水泥與管之間的膠結強度，然後連接管線，用試壓泵緩慢加壓，直至測得管模膠結面滲水洩露時的最高壓力即為水力膠結強度值。
權利要求1.一種由包括蓋板(7)、外管(4)、內管(5)、三塊隔板(3)、底板(2)、連接螺杆(8)和專用手柄(10)在內的試模總成和包括壓頭(11)、壓環(12)和底模體(13)在內的機械膠結強度測試專用底模以及包括試壓泵(14)、壓力表(15)和連接管(16)在內的水力膠結強度水壓測試系統組成的組合式水泥環膠結強度測試裝置，其特徵在於試模總成的外管(4)和內管(5)套裝組成管模，嵌裝在底板(2)上面和三塊隔板(3)下面的環形槽(A、B、C)內，層層卡套成四層管模；專用底模的壓頭(11)為中空，底模體(13)為兩端具有分別與管模內外管(5、4)相配的不同內徑的空心圓柱體。
2.按權利要求1所述的組合式水泥環膠結強度測試裝置，其特徵在於試模總成的蓋板(7)的下面、三塊隔板(3)的上、下面和底板(2)的上面開有與內管(5)相配的環形槽(B1、B2、B3、C1、C2、C3)，底板(2)和三塊隔板(3)的上面開有與外管(4)相配的環形槽(A)，槽(A、B1、C1)與板(7、3、2)的中心同心，槽(B2、B3、C2、C3)相對板(7、3、2)的中心為偏心；
3.按權利要求1所述的組合式水泥環膠結強度測試裝置，其特徵在於試模總成的內、外管(5、4)和對應的各板(7、3、2)上面及下面的環形槽(A、B、C)可配套嵌裝成同心式管模或具有不同偏心度的偏心式管模；
4.按權利要求1所述的組合式水泥環膠結強度測試裝置，其特徵在於試模總成的內管(5)比外管(4)略高，高出部份的尺寸與蓋板(7)和三塊隔板(3)下面的環形槽(C)深度相同，管模組裝後的有效高度為50mm；
5.按權利要求1所述的組合式水泥環膠結強度測試裝置，其特徵在於試模總成的內、外管(5)、(4)的管徑和壁厚組合根據現場實際的井身結構依幾何相似準則按比例縮小；
6.按權利要求1所述的組合式水泥環膠結強度測試裝置，其特徵在於試模總成的蓋板(7)和底板(2)的對角線與養護釜釜體內徑相同，板(7、2)的短邊均加工有與釜體內壁相吻合的圓弧段，底板(2)的圓弧段中間加工有一段直邊，蓋板(7)、三塊隔板(3)和底板(2)的中心加工有圓孔，蓋板(7)的中心圓孔上車有連接螺紋；
7.按權利要求1所述的組合式水泥環膠結強度測度裝置，其特徵在於試模總成的蓋板(7)和三塊隔板(3)的下面沿徑向垂直於板的長邊開有兩道壓力傳導直槽(D)；
8.按權利要求1所述的組合式水泥環膠結強度測試裝置，其特徵在於試模總成的內、外管(5、4)的材料採用與套管表面粗糙度相同的無縫鋼管，其它件採用不鏽鋼製成，內外管(5、4)的內外表面均不需加工，管端面需加工光滑平整；
9.按權利要求1所述的組合式水泥環膠結強度測試裝置，其特徵在於試模總成的管模長度可根據水力膠結強度測試需要分別加長至100mm或200mm，製成只需加一層隔板(3)的雙層管模或不加隔板(3)的單層管模；
10.按權利要求1所述的組合式水泥環膠結強度測試裝置，其特徵在於專用底模的底模體(13)的小孔端開有與外管(4)相配的環形槽(A1、A2、A3)，槽(A1)與底模體中心同心，槽(A2、A3)相對底模體中心為偏心；
11.按權利要求1所述的組合式水泥環膠結強度測試裝置，其特徵在於專用底模的壓環(12－a)的內外圓同心以與同心管模相配，壓環(12－b、12－c)的內外圓偏心以與偏心管模相配。
專利摘要本實用新型公開了一種組合式水泥環膠結強度測試裝置，適於測試油井水泥漿在模擬地層高溫高壓條件下養護後的水泥環與金屬管之間的膠結強度，它由試模總成、機械膠結強度測試專用底模和水力膠結強度水壓測試系統組成。試模總成的內、外管徑和壁厚組合根據實際井身結構依幾何相似準則按比例縮小，內、外管可同心或偏心地嵌裝以分別測試同心或偏心時的機械及水力膠結強度。裝置結構簡單緊湊，測試效率高，能合理和充分地利用通用水泥高溫高壓養護釜釜體容積。
文檔編號G01N3/00GK2127786SQ9222263
公開日1993年3月3日 申請日期1992年5月26日 優先權日1992年5月26日
發明者胡澤華, 肖瑞華 申請人:中國石油天然氣總公司工程技術研究所