一种热采井水泥石变温变压水湿养护测试装置的制作方法

本发明属于矿业开采和固井，涉及水泥石养护模拟装置，具体涉及模拟地下井筒在高温、高压、高湿环境下对水泥石强度的养护和测试装置。

背景技术：

1、深层石油勘探与开发的安全性和经济性已经成为石油行业亟待解决的问题。地下石油套管是连接油气资源和地面的唯一通道，因此，水泥石井筒质量是保护油气井套管、延长油气井寿命乃至提高采收率的关键。随着非常规油气资源勘探开发力度的持续加大，固井技术面临超深、超高温超高压、复杂储层和复杂地质条件的考验，对水泥石的综合力学性能提出了更高的要求。因此，真实、准确地在高温高压油气井工况条件下进行水泥石的养护，是掌握水泥石使用性能、开展水泥浆体系配方设计和性能优化的关键依据。

2、虽然高温高压工况水泥石的制备及其力学性能评价在科学研究和工程技术方面均具有极其重要的价值，但超高温超高压油气井工况条件复杂苛刻，现有技术中的养护模拟装置难以实现真实准确的模拟。目前，热采井水泥石抗高温的实验装置一般分为以下两种。一种模拟蒸汽吞吐及蒸汽驱时期(315℃左右)，水泥石一般养护在高温高压养护釜密闭养护，但是整个水浴养护期间是不流动的水。这种养护方式没有考虑井筒内的水并不是传统的静水，与现场地层流动的过热水蒸气相违背，难以模拟实际中地层流动水和地层中湿润流动气体相结合的情况。此外，养护釜每一次升降温和升降压后都会使水泥石产生裂隙，从而对力学性能产生影响，掩盖温度产生的影响。另一种模拟火烧油层时期(500℃左右)，水泥石一般养护在箱式马弗电阻炉，由于超高的温度近500℃，水泥石养护在马弗炉里，水泥石是直接暴露在灼热空气当中干燥灼烧，属于干热环境；这不符合地下高温高压油气井形成的水湿环境，所以得到的实验结果与实际也会大相径庭。除此之外，地下井筒复杂的环境还可能产生化学腐蚀导致的水泥环破坏以及水泥环内部不易发现的微小缝隙。

3、综上可知，现有技术中的水泥石养护模拟装置存在以下问题：(1)不能实现水泥石试样成型到脱模在一个装置内完成，养护完成后需要将实验对象取出放置到专门的加载装置内进行力学性能测试，不仅操作麻烦而且过程中容易受到外界因素影响导致结果的不准确性；(2)多数为假三轴实验，尚未见能够提供高温、高压、高湿、高腐蚀的真三轴环境的装置；(3)(3)养护釜内温度处处相同，不能模拟深层石油开采中水泥环处于不同岩石界面从而因为温度不同造成的温度梯度效应。

技术实现思路

1、针对现有技术中水泥石养护模拟装置的问题，本发明提供了一种热采井水泥石变温变压水湿养护测试装置。所述养护测试装置不但实现了养护釜内对高温、高压、水湿、高腐蚀环境的真实模拟，而且养护完成后可以直接进行力学性能测试，不但操作简单而且保证了检测结果的准确性，在实际应用中具有重要的意义。

2、本发明的技术方案：

3、一种热采井水泥石变温变压水湿养护测试装置，包括养护加载装置、控温装置和控湿装置，所述控温装置、控湿装置分别与养护加载装置相连接。本技术所述的养护测试装置，不但实现了水泥试样从流体状到固化过程在同一容器中完成，还能进一步进行高温、高压、高湿的真三轴原位加载实验。这不仅避免了对试样进行二次处理，大大节省了时间成本，而且提高了高温高压高湿环境下水泥石的力学性能评价结果的准确性，解决了现有技术所存在的问题，具有重要的实际应用价值。

4、所述养护加载装置包括长方体结构的养护釜(4)、设置在养护釜釜壁(7)上的加载柱(18)和水蒸汽出入口(22、21)，所述釜壁(7)为四个侧壁和顶盖。所述养护釜釜壁(7)的内侧由外到内依次设置保温层(9)和控温管道(8)，所述各养护釜釜壁(7)的控温管道(8)分别独立与控温装置相连接，所述水蒸汽出入口分别独立与控湿装置相连接。所述加载柱(18)由匹配相连的加载柱a(18-1)和加载柱b(18-2)组成，所述加载柱a(18-1)设置在养护釜内，为一端设置加载面(11)的柱状结构；所述加载柱b(18-2)为穿过养护釜釜壁(7)、并与之滑动连接的柱状结构。所述加载柱通过连接动力装置实现对水泥石试样的加压。由于本技术中各釜壁上的控温管道、水蒸气出入口以及加载柱互相独立，不仅实现了对水泥石侧面和顶面的温度、湿度和压力的独立控制，而且实现了真实井筒管道外部的温度梯度效应的模拟。

5、所述控温装置包括高温油箱(29)、低温油箱(30)、回收油箱(28)和抽油泵(32)组成；所述高温油箱(29)、低温油箱(30)分别与三通(31)相连，然后通过管道分别与控温管道(8)和螺旋加热管(16)的入口相连；所述抽油泵(32)设置在高温油箱(29)、低温油箱(30)与回收油箱之间的管道上，所述回收油箱(28)分别与控温管道(8)和螺旋加热管(16)的出口相连。其中，所述控温装置采用的油相为煤油。

6、所述控湿装置包括依次连接的水箱(36)、加热水箱(35)、水蒸气加压箱(34)和稳压箱(37)组成；所述控湿装置的入口通过管道与水蒸汽出口(22)相连，所述控湿装置的出口通过管道与水蒸汽入口(21)相连。

7、优选的是，所述加载柱b(18-2)位于养护釜内的一端设置加载头(19-2)，所述加载柱a(18-1)远离加载面的一端设置与加载头(19-2)匹配卡接的连接槽(19-1)。

8、优选的是，所述加载柱a(18-1)柱状结构的外侧设置螺旋加热管(16)，所述螺旋加热管(16)的外侧设置隔热栅(10)；所述加载柱b(18-2)柱状结构的外侧设置冷却槽(17)，所述冷却槽(17)内装有冷却介质水。

9、优选的是，所述所述加载柱b(18-2)位于养护釜外的一端设置安装平台(2)，用于声发射装置的放置。通过在安装平台上设置声发射装置，即可检测水泥石式样内部细微结构的破坏，操作简单方便。

10、优选的是，所述养护釜釜壁(7)上设置化学试剂进口(15)，所述化学试剂进口(15)采用阀门控制其开关。通过所述化学试剂进口(15)，可以向养护釜中通入实际石油采集过程中产生的、能够与水泥石发生反应的化学气体(例如硫化氢气体和二氧化碳气体)，从而更真实的模拟地下化学环境对水泥石的破坏机理，形成热-流-力-化的多场耦合。

11、养护测试过程：

12、(1)试样制备：推动养护釜4四个侧面的加载柱18贴合，直至加载面11与底面形成一个腔体，密封加载柱之间的缝隙，然后倒入未完全成型的水泥石流体，之后安装顶盖，并使顶盖上加载柱的加载面11盖在前述腔体上，一段时间之后得到水泥石试件。

13、(2)温度控制：将水泥石试件放入养护釜4内，用密封螺栓将养护釜顶盖固定密封好。加热高温油箱29中的油相至400℃以上，得到高温油相；打开阀门使高温油相通过管道进入控温管道8和螺旋加热管16，并观察温度控制器，等温度接近所需试验温度后通入低温油相进行调节，使温度快速达到养护所需温度后保持油相通入速率不变(约1m3/h)。此过程中，通过控制四面控温管道8的油温达到不同来形成釜体内的温度梯度效果。

14、(3)湿度控制：将水箱36连接加热水箱25，将其加热为过热水蒸气后，采用水蒸气加压箱34加压，通入稳压箱34使其压力稳定后经水蒸汽入口21进入养护釜4，在实现湿度控制的前提下，保证了釜体内压力环境的稳定。

15、(4)化学试剂控制：根据需要可将化学气体通过化学试剂进口15通入养护釜4，产生化学耦合效果。

16、(5)原位三轴加载试验：根据测试需要养护一定天数后，采用动力装置连接加载柱b18-2远离加载柱a 18-1的一端，推动加载柱18滑动，将加载面11与水泥石试件接触，然后进行三轴加载来测试试样的力学性能。将冷却槽17内注入冷却介质水，在加载过程中实现了水冷降温，同时，保温层9和隔热管栅10也能很好地隔绝箱体内部高温。同时，在安装平台上设置声发射装置，全程监测试件内部结构变化。

17、(6)待实验结束后打开阀门，将管道内的煤油和水蒸气排出，煤油存放于回收油箱28内，水蒸气通过回收冷凝管33进入水箱36内，用于二次使用。所有管道均为耐高温管道，装置密封性良好。

18、本发明的有益效果：

19、(1)本技术所述的热采井水泥石变温变压水湿养护测试装置，能够独立控制试样各面的温度、压力和湿度等，实现养护釜内水泥试块四周条件的差异性，从而真实模拟井筒管道外部的环境，解决了现有技术中不能提供真三轴环境的问题。

20、(2)采用本技术所述的养护测试装置，在水泥石试样养护完成后可直接进行力学性能测试，不但操作简单而且保证了检测结果的准确性，在实际应用中具有重要的意义。