地層作用下套管-水泥環損壞室內模擬試驗裝置的製作方法
2023-12-10 18:51:07
專利名稱：地層作用下套管-水泥環損壞室內模擬試驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及石油開採行業中的模擬試驗裝置，具體的說是一種地層作用下套
管-水泥環損壞室內模擬試驗裝置。
背景技術：
在石油開採過程中，套管損壞普遍存在，但由於套管損壞往往發生在地下一千米 甚至數千米之下，無法進行現場觀測，這就使得室內模擬試驗特別重要。採油套管損壞與一 般鋼管的破壞試驗相比，有兩點特殊之處需要考慮，其一是由於固井的需要，套管是和水泥 環粘結在一起的，構成了一個套管_水泥環系統，試驗中不能包括水泥環的套管破壞試驗 必然與實際情況產生較大誤差；其二是套管損壞發生在地下，由於地層蠕變或者構造與斷 層活動等原因產生的地層層間滑移是套管損壞的主要破壞力來源，如何模擬地層作用是破 壞試驗成敗的另一關鍵。也正是由於這兩方面的原因，至今尚沒有針對地層作用下的套管 水泥環損壞進行室內模擬試驗。油井套管損壞已經成為油氣生產的首要災害，初步統計，我 國目前套管損壞井超過15000 口 ，套損井涉及資產高達300億元，需要報廢或不得不進行大 修的直接井資產就超過100億元。通過對遼河油田錦州採油廠，僅僅一個廠1976 口油井進 行的調查，套管損壞井佔總井數的26.5%，僅在錦45區塊就有278 口井發生套管破壞。套 管損壞的原因包括地層因素、流體和施工因素等，其中地層因素是首要因素。現階段套損研 究主要基於數值模擬手段，但數值模擬的結果必須通過試驗來驗證，而在相應的試驗方面， 則僅僅是進行套管強度試驗。如鄧金根等根據實際全尺寸套管承受非均勻外載作用下的強 度實驗。現有試驗尚無法將套管和水泥環做整體考慮，也無法真實模擬地層層間相對滑動 作用。
發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠模擬地下層層間滑動作用下包含水泥環的套 管-水泥環室內破壞試驗的試驗裝置。利用這種裝置，可在室內模擬地層不同位移和不同 加載速率的層間滑動，製作包含水泥環的套管水泥環裝置，測量分析套管_水泥環的應變 和變形特徵、破壞過程與裂紋擴展規律，為油井套管損壞成因提供試驗依據。
本發明採用如下技術方案 —種地層作用下套管-水泥環損壞室內模擬試驗裝置，包括地層作用模擬器和固 井套管-水泥環室內模擬製作器，所述地層作用模擬器包括套管、箱體框架、多層箱體、可 抽拉式活動層、滑道、反力牆連接頭、動作器連接頭，所述固井套管-水泥環室內模擬製作 器包括底座、上蓋、導向柱、進漿孔、鋼管，所述地層作用模擬器的箱體框架上連接有護板構 成的多層箱體，該多層箱體的底層和頂層為固定層，中間層為可抽拉式活動層，其中頂層上 裝有反力牆連接頭，中間層上裝有動作器連接頭，所述箱體框架的內部空間通過與其連接 的加強板裝有加強鋼套管，該加強鋼套管分段設置，其段數與多層箱體的層數相一致；所述 固井套管-水泥環室內模擬製作器的模具底座上裝有由兩個半圓形圍成一體的鋼管，該鋼管的內部空間裝有與其底平面相平齊的底座，該底座上設有下定位底座，該下定位底座上 套裝有套管，該套管與所述鋼管之間留有填充空間，該套管上支承有圓形擋板，該擋板上均 布有進漿孔和排氣孔，該擋板的外徑與鋼管的外徑相等，該擋板的上方連接有圓形支承板， 該支承板上均布有第一進漿孔，該第一進漿孔與所述擋板上的進漿孔相貫通，該支承板的 上方裝有筒狀上蓋，所述支承板的迴轉中心設有導向柱。 本發明的上述技術方案與現有技術相比，地層作用模擬器能夠模擬對固井套 管_水泥環的不同位移和加載速率的地層層間滑動，進行地層作用下套管_水泥環損壞的 室內試驗，通過測量分析套管-水泥環的應變和變形特性、破壞過與紋的擴展規律，為油井 套管損壞成因提供試驗依據。 作為本發明的一種優選方式，所述地層作用模擬器中裝在頂層上的反力牆連接頭 與頂層之間通過第一加勁肋連接，中間層上的動作器連接頭通過第二加勁肋與中間層連 接，所述底層的下方設有固定底座。 作為本發明的一種優選方式，所述地層作用模擬器中箱體框架的中間層上裝有 上、下定位板和上、下滑道。 作為本發明的一種優選方式，所述固井套管-水泥環室內模擬製作器中兩個半圓 形圍成一體的鋼管通過夾緊鋼板連接。 作為本發明的一種優選方式，所述固井套管-水泥環室內模擬製作器中均布於圓
形擋板上的進漿孔及排氣孔置於大於套管外徑的位置上。 作為本發明的一種優選方式，所述固井套管-水泥環室內模擬製作器中擋板的下
方裝有與下定位底座直徑相等的上定位支承板。 作為本發明的一種優選方式，所述固井套管-水泥環室內模擬製作器中模具底座 下方連接有固定鋼板，該固定鋼板上設有預留孔。
圖1是本發明中的地層作用模擬器的結構示意圖。 圖2是本發明中的固井套管-水泥環室內模擬製作器的結構示意圖。 圖3是圖2的俯視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖詳述本發明 —種地層作用下套管-水泥環損壞室內模擬試驗裝置，參見附圖1、附圖2和附圖 3，圖中套管l，水泥環2，加強板3，加強鋼套管4，護板5，箱體框架6，上定位板7，可抽拉 式活動層8，動作器連接頭9，第二加勁肋IO，下定位板11，固定底座12，下滑道13，上滑道 14，第一加勁肋15，反力牆連接頭16 ;模具底座17，底座18，下定位底座19，鋼管20，夾緊鋼 板21，圓形擋板22，進漿孔23，排氣孔24，圓形支承板25，第一進漿孔26，筒狀上蓋27，導向 柱28，上定位支承29，固定鋼板30，預留孔31 。 本發明的實施例由地層作用模擬器和固井套管-水泥環室內模擬製作器組成，地 層作用模擬器由加強鋼板3，加強鋼套管4，護板5，箱體框架6，上定位板7，可抽拉式活動層 8，動作器連接頭9，第二加勁肋IO，下定位板11，固定底座12，下滑道13，上滑道14，第一加勁肋15，反力牆連接頭16組成。 固井套管-水泥環室內模擬製作器由套管l，模具底座17，底座18，下定位板19， 夾緊鋼板21，圓形擋板22，進漿孔23，排氣孔24，圓形支承板25，第一進漿孔26，圓筒形上 蓋27，導向柱28，上定位板29，固定鋼板30，預留孔31組成。 地層作用模擬器的箱體框架6上連接有護板5構成的多層箱體，其中多層箱體的 底層和頂層為固定層，其中間層為可抽拉式活動層8，其中頂層上裝有動作器連接頭9，箱 體框架6的內部空間通過與其連接的加強板3裝有加強鋼套管4，加強鋼套管4分段設置， 其段數與多層箱體的層數相一致。 固井套管-水泥環室內模擬製作器的模具底座17上裝有由兩個半圓形圍成一體 的鋼管20，鋼管20的內部空間裝有與其底平面相平齊的底座18，底座18上設有下定位底 座19，下定位底座19上套裝有套管l，套管1與鋼管20之間留有填充空間，套管1上支承 有圓形擋板22，圓形擋板22上均布有進漿孔23和排氣孔24，圓形擋板22的外徑與鋼管20 的外徑相等。 圓形擋板22的上方連接有圓形支承板25，圓形支承板25上均布有第一進漿孔 26，第一進漿孔26與圓形擋板22上的進漿孔23相貫通，圓形支承板25的上方裝有筒狀上 蓋27，圓形支承板25的迴轉中心設有導向柱28。 作為本發明的一種優選結構，地層作用模擬器中裝在頂層上的反力牆連接頭16 與頂層之間通過第一加勁肋15連接，中間層上的動作器連接頭9通過第二加勁肋10與中 間層，即可抽拉式活動層8連接，底層的下方裝有固定底座12。 作為本發明的一種優選結構，參見附圖1，中間層上設有上定位板7、下定位板11、 上滑道14和下滑道13。 作為本發明的一種優選結構，固井套管-水泥環室內模擬製作器中兩個半圓形圍 成一體的鋼管20通過夾緊鋼板21連接。 作為本發明的一種優選結構，固井套管-水泥環室內模擬製作器中均布於圓形擋 板22上的進漿孔23及排氣孔24置於大於套管1外徑的位置上。 作為本發明的一種優選結構，固井套管-水泥環室內模擬製作器中圓形擋板22的 下方裝有與下定位底座19直徑相等的上定位支承29。 作為本發明的一種優選結構，固井套管-水泥環室內模擬製作器中模具底座17下 方連接有固定鋼板30，固定鋼板30上設有預留孔31。 為真實模擬地層作用，頂層可較厚，底層則較薄；本實施例為三層設置，頂層由反 力牆連接頭16通過第一加勁肋15固定到實驗室內部的反力牆上，底層由固定底座12通過 地錨螺栓固定到地面上，在箱體框架6上焊接的上定位板7、下定位板11、上滑道14和下滑 道13，能夠保證可抽拉式活動層8的滑動性能。 由於套管剛度較大，為避免加載時箱體產生過大變形，在箱體框架6和護板5構成 的多層箱體上焊接加強板3，利用加強板3提高箱體強度和剛度。 加強鋼套管4採用加厚的合金鋼製成，加強鋼套管4分段加工。其段數與多層箱 體的層數一致，每段的高度同各層箱體的高度，其內徑可由水泥環2的外徑確定(以能夠順 利將套管水泥環放入為準)，每層的加強板3及加強鋼套管4焊成一個整體，在箱體頂部和 底部固定層中可將加強板3直接焊接在箱體上，即箱體框架6和護板5上，可抽拉式活動層8上的加強板3和加強鋼套管4則與其相連接形成一個獨立的整體。
為實現用MTS加載模擬地層蠕變作用，在可抽拉式活動層8的側面裝有動作器連 接頭9，動作器連接頭9用第二加勁肋10與可抽拉式活動層焊接在一起，動作器連接頭9的 另一端打孔與MTS動作器連接到一起。如可抽拉式活動層8不止一層，動作器連接頭10可 設在不同位置及不同方向上，以模擬不同狀況下的地層蠕變作用。 筒狀上蓋27的迴轉中心設有的圓臺形導向柱28便於灌漿，圓形支承板26上均布 的第一進漿孔26與圓形擋板22上的進漿孔23相貫通，使水泥漿順利進入兩個半鋼圓管圍 成一體的鋼管20中，圓形擋板22中留有排氣孔24，使水泥漿在灌注過程中能夠排空氣體， 從而灌漿密實；上定位支承29及下定位底座19在灌漿過程中能夠保證水泥漿薄厚均勻，飽 滿的灌注到套管l的周圍。 底座18與模具底座17焊接到一起，其中底座18的外徑與鋼管20的內徑一致(以 鋼管20能順利插入為準)，模具底座17兩端焊接固定鋼板30，固定鋼板30上的預留孔31 便於地腳螺栓將模具底座17固定到地面或其他基礎中。 將試驗用的套管1內外壁預置埋入應變片，形成應變應變測量系統，再利用固井 套管-水泥環室內模擬製作器將套管1外部灌注水泥環2，二十四小時水泥固結後拆模，再 標準養護二十八天後即可使用。 將多層箱體的頂部和底部固定，可抽拉式活動層8放入箱體就位，在加強鋼套管4 內放入製作好的包含水泥環2的套管l，然後通過加載端將MTS擬動力試驗裝置的加載位移 加載到可抽拉式活動層8實現地層層間滑動位移，通過測量系統測量套管1內外壁和水泥 環2外壁的應變，並觀測分析套管1和水泥環2 —體變形過程、水泥環2破壞過程、水泥環 1破壞後的套管1破壞與裂紋擴展過程，並分析水泥環2破壞與套管1破壞的關係。
權利要求
一種地層作用下套管-水泥環損壞室內模擬試驗裝置，包括地層作用模擬器和固井套管-水泥環室內模擬製作器，所述地層作用模擬器包括套管、箱體框架、多層箱體、可抽拉式活動層、滑道、反力牆連接頭、動作器連接頭，所述固井套管-水泥環室內模擬製作器包括底座、上蓋、導向柱、進漿孔、鋼管，其特徵在於a、所述地層作用模擬器的箱體框架上連接有護板構成的多層箱體，該多層箱體的底層和頂層為固定層，中間層為可抽拉式活動層，其中頂層上裝有反力牆連接頭，中間層上裝有動作器連接頭，所述箱體框架的內部空間通過與其連接的加強板裝有加強鋼套管，該加強鋼套管分段設置，其段數與多層箱體的層數相一致；b、所述固井套管-水泥環室內模擬製作器的模具底座上裝有由兩個半圓形圍成一體的鋼管，該鋼管的內部空間裝有與其底平面相平齊的底座，該底座上設有下定位底座，該下定位底座上套裝有套管，該套管與所述鋼管之間留有填充空間，該套管上支承有圓形擋板，該擋板上均布有進漿孔和排氣孔，該擋板的外徑與鋼管的外徑相等，該擋板的上方連接有圓形支承板，該支承板上均布有第一進漿孔，該第一進漿孔與所述擋板上的進漿孔相貫通，該支承板的上方裝有筒狀上蓋，所述支承板的迴轉中心設有導向柱。
2. 根據權利要求1所述的地層作用下套管_水泥環損壞室內模擬試驗裝置，其特徵在於所述地層作用模擬器中裝在頂層上的反力牆連接頭與頂層之間通過第一加勁肋連接，中間層上的動作器連接頭通過第二加勁肋與中間層連接，所述底層的下方設有固定底座。
3 根據權利要求1所述的地層作用下套管-水泥環損壞室內模擬試驗裝置，其特徵在於所述地層作用模擬器中箱體框架的中間層上設有上、下定位板和上、下滑道。
4. 根據權利要求l所述的地層作用下套管-水泥環損壞室內模擬試驗裝置，其特徵在於所述固井套管-水泥環室內模擬製作器中兩個半圓形圍成一體的鋼管通過夾緊鋼板連接。
5. 根據權利要求1所述的地層作用下套管-水泥環損壞室內模擬試驗裝置，其特徵在於所述固井套管_水泥環室內模擬製作器中均布於圓形擋板上的進漿孔及排氣孔置於大於套管外徑的位置上。
6. 根據權利要求1所述的地層作用下套管-水泥環損壞室內模擬試驗裝置，其特徵在於所述固井套管_水泥環室內模擬製作器中擋板的下方裝有與下定位底座直徑相等的上定位支承。
7. 根據權利要求1所述的地層作用下套管-水泥環損壞室內模擬試驗裝置，其特徵在於所述固井套管_水泥環室內模擬製作器中模具底座下方連接有固定鋼板，該固定鋼板上設有預留孔。
全文摘要
本發明涉及一種石油開採行業中的模擬試驗裝置，具體的說是一種地層作用下套管-水泥環損壞室內模擬試驗裝置。它包括地層作用模擬器和固井套管-水泥環室內模擬製作器，箱體框架上連接有護板構成的多層箱體，多層箱體的底層和頂層為固定層，中間層為可抽拉式活動層，箱體框架的內部空間通過與其連接的加強板裝有加強鋼套管，加強鋼套管分段設置，段數與多層箱體的層數相一致；模具底座上裝有鋼管，套管與鋼管之間留有填充空間，套管上支承有圓形擋板，擋板上均布有進漿孔和排氣孔，支承板的上方裝有筒狀上蓋，支承板的迴轉中心設有導向柱。本發明能夠模擬地層作用下套管-水泥環損壞的室內試驗，為油井套管損壞成因提供試驗依據。
文檔編號E21B49/00GK101725345SQ20091017542
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月10日 優先權日2009年11月10日
發明者刁恆強, 廖永, 張玉敏, 朱慶傑, 李麗峰, 王佔輝, 陳豔華 申請人:河北理工大學;鵬達建設集團有限公司