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專利名稱：組合式水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)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(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置，適用于測試各種不同配方的油井水泥漿在不同溫度壓力下養(yǎng)護(hù)后所形成的水泥環(huán)與金屬管之間的機(jī)械膠結(jié)強(qiáng)度或水力膠結(jié)強(qiáng)度，從而指導(dǎo)油氣井固井作業(yè)的水泥漿配方設(shè)計。
目前，國內(nèi)還沒有在高溫高壓模擬地層真實條件下測定固井水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度的手段，而是采用在模擬高溫高壓地層條件下養(yǎng)護(hù)后的水泥試塊的抗壓強(qiáng)度來作為水泥漿設(shè)計中衡量其強(qiáng)度的唯一依據(jù)。由于水泥試塊的抗壓強(qiáng)度并不能反映水泥環(huán)與套管柱膠結(jié)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(shù)，不能保證良好地封固井壁與套管間的環(huán)形空間，導(dǎo)致各地層間的相互竄通，使很多油氣井在生產(chǎn)過程中發(fā)生不正常的損壞而需停產(chǎn)修井甚至全井報廢，既打亂了合理的開發(fā)方案又造成油氣資源的損失。
國外雖有有關(guān)高溫高壓養(yǎng)護(hù)條件下測定水泥石與套管膠結(jié)強(qiáng)度的裝置，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，不便操作，每次只能測試一個試塊，數(shù)據(jù)可靠性差，測試效率低，因而難以在生產(chǎn)實踐中推廣，目前僅限于在某些科研實驗室中使用。
本實用新型的任務(wù)是要提供一種可供油田固井水泥漿實驗室及有關(guān)科研單位常規(guī)使用的組合式水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置。實驗測試條件能模擬井下真實條件，經(jīng)一次實驗可測定四個試塊的機(jī)械或水力膠結(jié)強(qiáng)度。測試準(zhǔn)確，可靠性好，試模結(jié)構(gòu)簡單緊湊，外形尺寸可與水泥漿實驗室通用的養(yǎng)護(hù)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(jī)械膠結(jié)強(qiáng)度測試專用底模及水力膠結(jié)強(qiáng)度加壓測試系統(tǒng)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(nèi)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(yǎng)護(hù)釜釜體內(nèi)徑相同，兩短邊加工有圓弧段，恰與釜體內(nèi)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(yǎng)護(hù)釜釜體內(nèi)熱電偶探頭位置。蓋板、三塊隔板和底板的中心部位均鉆有圓孔，可使內(nèi)管內(nèi)腔與養(yǎng)護(hù)液壓力連通從而使內(nèi)管處于模擬井下條件的受壓狀態(tài)，而且當(dāng)測試模放入養(yǎng)護(hù)釜內(nèi)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(yǎng)護(hù)釜內(nèi)或自釜內(nèi)取出。在取出試模時，內(nèi)管內(nèi)的養(yǎng)護(hù)液可通過底板中心孔流出。底板下部有四個支腳便于試模座放平穩(wěn)。
底板和隔板上面各開有一道與外管尺寸相吻合的環(huán)形槽，一道與外環(huán)槽同心的內(nèi)環(huán)槽和兩道具有不同偏心度的偏心內(nèi)環(huán)槽，內(nèi)環(huán)槽的尺寸均與管模內(nèi)管尺寸相吻合。內(nèi)外管可分別嵌入對應(yīng)槽內(nèi)組成同心或偏心管模，外管的槽外有效高度為50mm。內(nèi)管比外管略高以便于裝模時嵌入隔板或蓋板下面的環(huán)形槽中，易于定位和進(jìn)行強(qiáng)度測試。內(nèi)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(nèi)、外管組成的環(huán)形空間內(nèi)。內(nèi)、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于模擬井下套管的實際粗糙度并有利于準(zhǔn)確直觀地測出水泥環(huán)與管壁間膠結(jié)破壞時的強(qiáng)度。內(nèi)、外管直徑和壁厚間的尺寸比例根據(jù)現(xiàn)場實際采用的井身結(jié)構(gòu)按幾何相似準(zhǔn)則縮小。蓋板和三塊隔板的下面對應(yīng)地各開有與內(nèi)管尺寸相吻合的一道同心環(huán)形槽和兩道不同偏心度的偏心環(huán)形槽，各環(huán)形槽深度恰好與內(nèi)管高出外管的部份相等，當(dāng)蓋上蓋板和隔板時，內(nèi)管高出外管的部份恰好嵌入槽內(nèi)，蓋板和三塊隔板下面沿徑向垂直于板的長邊開有兩道與各道環(huán)形槽相交的直槽，可使環(huán)形空間頂部與管外部養(yǎng)護(hù)釜養(yǎng)護(hù)液的壓力相連通，使內(nèi)、外管之間環(huán)形空間內(nèi)的水泥漿處于受壓狀態(tài)。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(nèi)車有螺紋，兩根連接螺桿穿過蓋板和三塊隔報兩旁的圓孔，下端擰入底板的螺孔內(nèi)，上端以緊固螺母將蓋板、四層內(nèi)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(huán)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(nèi)管外徑相同，臺階部份的外徑略小于內(nèi)管內(nèi)徑和壓環(huán)內(nèi)徑。
壓環(huán)為三個尺寸分別與三種內(nèi)外管環(huán)形空間相對應(yīng)的扁環(huán)體，分別用于測試同心或兩種不同偏心度的管模的機(jī)械膠結(jié)強(qiáng)度，壓環(huán)外徑略小于外管內(nèi)徑，二者呈松動配合；內(nèi)徑略小于內(nèi)管內(nèi)徑，恰可座放于相應(yīng)的同心或偏心水泥環(huán)上，并由壓頭臺階部分插入其內(nèi)孔，由壓力試驗機(jī)經(jīng)壓頭通過壓環(huán)給水泥環(huán)加壓進(jìn)行外管與水泥環(huán)之間的機(jī)械膠結(jié)強(qiáng)度測試。
底模體為一空心圓柱體，柱體沿軸向?qū)Ψ郑哂袃煞N不同的內(nèi)徑，柱體小孔端的內(nèi)孔直徑略大于內(nèi)管外徑，端面加工有尺寸與外管尺寸吻合的一道同心環(huán)形槽和兩道偏心環(huán)形槽，柱體大孔端加工成內(nèi)徑與外管內(nèi)徑相同的厚壁筒，端部有一臺階，尺寸與外管內(nèi)外徑相同。
測試時，自試模總成上取下一層養(yǎng)護(hù)后的管模，將管模置于專用底模的小孔端并使外管嵌入對應(yīng)的環(huán)形槽中，加上壓頭，壓頭的短臺階伸入內(nèi)管，使用壓力試驗機(jī)加壓，直至將內(nèi)管壓出管模，可測出內(nèi)管外表面與水泥環(huán)之間的機(jī)械剪切破壞所需力，其與膠結(jié)面積之比即為膠結(jié)面機(jī)械剪切破壞強(qiáng)度。取下已脫出內(nèi)管的管模嵌放于底模體的大孔端，加上相應(yīng)的壓環(huán)，并使壓環(huán)內(nèi)孔與管模水泥環(huán)內(nèi)孔重合，再將壓頭的短臺階伸入壓環(huán)內(nèi)，用壓力機(jī)加壓將水泥環(huán)壓出管模，可測出水泥環(huán)與外管內(nèi)表面間的機(jī)械剪切破壞所需力，其與膠結(jié)面積之比即為膠結(jié)面的機(jī)械剪切破壞強(qiáng)度。
水力膠結(jié)強(qiáng)度加壓系統(tǒng)為一常規(guī)水壓測試系統(tǒng)，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(yǎng)護(hù)后的管模，在管模的外管有效高度中心處鉆一小孔，并加工出螺紋，再與試壓系統(tǒng)管線連接，用試壓泵緩慢加壓，直至管模滲水泄漏時的壓力即為水泥環(huán)與外管膠結(jié)破壞時的水力膠結(jié)強(qiáng)度。
以下將結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步的描述。
附

圖1是本實用新型的一種具體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(huán)(圖4－a)及兩個不同偏心度的偏心壓環(huán)(圖4－b、圖4－c)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖。
附圖7是本實用新型水力膠結(jié)強(qiáng)度加壓測試系統(tǒng)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(nèi)管(5)尺寸相吻合的外環(huán)槽(A)，一個同心內(nèi)環(huán)槽(B1)及兩個不同偏心度的偏心內(nèi)環(huán)槽(B2、B3)(圖2－b、圖2－c)，內(nèi)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(nèi)管(5)比外管(4)略高。內(nèi)外管(5、4)的內(nèi)外表面不需任何加工，保持本身粗糙度，端面加工光潔以便于密封。內(nèi)、外管(5)、(4)材料采用無縫鋼管，蓋板(7)和三塊隔板(3)的下面開有與內(nèi)管(5)尺寸相吻合并與底板(2)、隔板(3)上面各槽(A、B1、B2、B3)相對應(yīng)的一道同心環(huán)形槽(C1)和兩道不同偏心度的偏心環(huán)形槽(C2、C3)，槽(C1、C2、C3)的尺寸一致且深度正好等于內(nèi)管高出外管(4)的高出部份，可根據(jù)測試需要組裝成同心或不同偏心度的管模，以便于測試不同狀態(tài)下的水泥環(huán)的膠結(jié)強(qiáng)度。蓋板(7)和三塊隔板(3)的下面沿徑向垂直于板的長邊開有兩道直槽(D)與各環(huán)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(nèi)還車有螺紋。蓋板(7)和三塊隔板(3)的中心部位均鉆有圓孔(C)、蓋板(7)的中心圓孔(C)內(nèi)也車有螺紋，可與不銹鋼專用手柄(10)連接，蓋板(7)和底板(2)的對角線與養(yǎng)護(hù)釜釜體內(nèi)徑相同，短邊均加工有與釜體內(nèi)壁相吻合的圓弧。底板(2)的短邊中間加工成直邊段以預(yù)留養(yǎng)護(hù)釜釜體內(nèi)熱電偶探頭空間位置。內(nèi)管(5)和外管(4)的兩端面均加工光滑平整。根據(jù)測試需要，將外管(4)與內(nèi)管(5)分別嵌入底板(2)的環(huán)形槽(A)和(B1)或(B2)、(B3)內(nèi)，組成同心或不同偏心度的偏心管模，分別將內(nèi)外管(5)、(4)之間的環(huán)形空間內(nèi)注滿水泥漿，并將多余水泥漿拭去，蓋上隔板(3)，隔板(3)下面對應(yīng)的環(huán)形槽(C1)或(C2)、(C3)恰好將內(nèi)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(nèi)管(5)分別嵌入下部隔板(3)上面的環(huán)形槽(A)和(B1)或(B2、B3)內(nèi)，并使內(nèi)管(5)高出部分分別嵌入上部的隔板(3)下面的對應(yīng)環(huán)形槽(C1)或(C2、C3)中，最后蓋上蓋板(7)，并使最上層管模內(nèi)管(5)的上端嵌入蓋板(7)下面的環(huán)形槽(C1)或(C2、C3)中，將兩根不銹鋼連接螺桿(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(cè)的螺孔內(nèi)，上端以不銹鋼緊固螺母將蓋板(7)，四層內(nèi)外管(5)、(4)、三塊隔板(3)和底板(2)連成一個整體，各板(7、3、2)均為不銹鋼制成。
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(nèi)管(5)外徑相同，臺階部分(11c)的外徑略小于內(nèi)管(5)和壓環(huán)(12)的內(nèi)徑。
參照附圖4，同心壓環(huán)12a(附圖4－a)和不同偏心度的兩個偏心壓環(huán)(12b、12c)(附圖4－b、4－c)分別選擇性地用于測試對應(yīng)的同心或兩種不同偏心度的管模的水泥環(huán)機(jī)械膠結(jié)強(qiáng)度。壓環(huán)(12)外徑均略小于外管(4)的內(nèi)徑及底模體(13)(附圖6)的大孔端內(nèi)孔直徑，壓環(huán)(12)內(nèi)徑略小于內(nèi)管(5)的內(nèi)徑，壓環(huán)(12a、12b、12c)分別與各板(7、3、2)上各槽(A、B1、B2、B3、C1、C2、C3)相對應(yīng)。
參照附圖5，管模由內(nèi)管(5)、外管(4)組成，內(nèi)管(5)略高于外管(4)，高出部分恰好等于各槽(A、B、C)的深度。內(nèi)外管(5、4)間的環(huán)形空間內(nèi)注滿可在養(yǎng)護(hù)后形成待測試的水泥環(huán)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(nèi)徑，小孔端內(nèi)孔直徑略大于內(nèi)管(5)的外徑，端面加工有與外管(4)尺寸相同的一道與內(nèi)孔同心的環(huán)形槽(A1)和兩道偏心環(huán)形槽(A2、A3)；柱體大孔端加工的內(nèi)孔直徑與外管(4)內(nèi)徑相同，各環(huán)槽與內(nèi)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(yīng)，端部臺階(B)與外管(4)吻合。
在安裝使用時，應(yīng)在內(nèi)管(5)兩端及外管(4)下端嵌入槽內(nèi)的端面上以及蓋板(7)、三塊隔板(3)和底板(2)上的環(huán)形槽(A、B1、B2、B3、C1、C2、C3)內(nèi)表面涂一層密封脂，涂脂要薄而均勻，即利于密封，又便于脫模，可避免管模內(nèi)水泥漿在養(yǎng)護(hù)凝固后產(chǎn)生粘連現(xiàn)象。
參照附圖7，水壓測試系統(tǒng)由試壓泵(14)、壓力表(15)及連接管線(16)組成，用于測試水力膠結(jié)強(qiáng)度的管模長度可根據(jù)需要制成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(jù)測試需要在管模外管有效高度中心處鉆孔并加工螺紋，在鉆孔或攻絲時應(yīng)注意不要損傷水泥與管之間的膠結(jié)強(qiáng)度，然后連接管線，用試壓泵緩慢加壓，直至測得管模膠結(jié)面滲水泄露時的最高壓力即為水力膠結(jié)強(qiáng)度值。
權(quán)利要求1.一種由包括蓋板(7)、外管(4)、內(nèi)管(5)、三塊隔板(3)、底板(2)、連接螺桿(8)和專用手柄(10)在內(nèi)的試模總成和包括壓頭(11)、壓環(huán)(12)和底模體(13)在內(nèi)的機(jī)械膠結(jié)強(qiáng)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(nèi)的水力膠結(jié)強(qiáng)度水壓測試系統(tǒng)組成的組合式水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置，其特征在于試模總成的外管(4)和內(nèi)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(huán)形槽(A、B、C)內(nèi)，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(nèi)外管(5、4)相配的不同內(nèi)徑的空心圓柱體。
2.按權(quán)利要求1所述的組合式水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置，其特征在于試模總成的蓋板(7)的下面、三塊隔板(3)的上、下面和底板(2)的上面開有與內(nèi)管(5)相配的環(huán)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(huán)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(quán)利要求1所述的組合式水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置，其特征在于試模總成的內(nèi)、外管(5、4)和對應(yīng)的各板(7、3、2)上面及下面的環(huán)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(quán)利要求1所述的組合式水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置，其特征在于試模總成的內(nèi)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(huán)形槽(C)深度相同，管模組裝后的有效高度為50mm；
5.按權(quán)利要求1所述的組合式水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置，其特征在于試模總成的內(nèi)、外管(5)、(4)的管徑和壁厚組合根據(jù)現(xiàn)場實際的井身結(jié)構(gòu)依幾何相似準(zhǔn)則按比例縮小；
6.按權(quán)利要求1所述的組合式水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置，其特征在于試模總成的蓋板(7)和底板(2)的對角線與養(yǎng)護(hù)釜釜體內(nèi)徑相同，板(7、2)的短邊均加工有與釜體內(nèi)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(quán)利要求1所述的組合式水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測度裝置，其特征在于試模總成的蓋板(7)和三塊隔板(3)的下面沿徑向垂直于板的長邊開有兩道壓力傳導(dǎo)直槽(D)；
8.按權(quán)利要求1所述的組合式水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置，其特征在于試模總成的內(nèi)、外管(5、4)的材料采用與套管表面粗糙度相同的無縫鋼管，其它件采用不銹鋼制成，內(nèi)外管(5、4)的內(nèi)外表面均不需加工，管端面需加工光滑平整；
9.按權(quán)利要求1所述的組合式水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置，其特征在于試模總成的管模長度可根據(jù)水力膠結(jié)強(qiáng)度測試需要分別加長至100mm或200mm，制成只需加一層隔板(3)的雙層管模或不加隔板(3)的單層管模；
10.按權(quán)利要求1所述的組合式水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置，其特征在于專用底模的底模體(13)的小孔端開有與外管(4)相配的環(huán)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(quán)利要求1所述的組合式水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置，其特征在于專用底模的壓環(huán)(12－a)的內(nèi)外圓同心以與同心管模相配，壓環(huán)(12－b、12－c)的內(nèi)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(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置，適于測試油井水泥漿在模擬地層高溫高壓條件下養(yǎng)護(hù)后的水泥環(huán)與金屬管之間的膠結(jié)強(qiáng)度，它由試模總成、機(jī)械膠結(jié)強(qiáng)度測試專用底模和水力膠結(jié)強(qiáng)度水壓測試系統(tǒng)組成。試模總成的內(nèi)、外管徑和壁厚組合根據(jù)實際井身結(jié)構(gòu)依幾何相似準(zhǔn)則按比例縮小，內(nèi)、外管可同心或偏心地嵌裝以分別測試同心或偏心時的機(jī)械及水力膠結(jié)強(qiáng)度。裝置結(jié)構(gòu)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(yǎng)護(hù)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(yōu)先權(quán)日1992年5月26日
發(fā)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(shù)研究所