(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210875009.1 (22)申请日 2022.07.25 (71)申请人 中国石油大 学 （华东） 地址 266580 山东省青岛市黄岛区长江西 路66号中国石油大 学(华东) (72)发明人 郭辛阳　步玉环　高乾浩　李娟　 张锐　郭胜来　柳华杰　王成文　 (74)专利代理 机构 济南克雷姆专利代理事务所 (普通合伙) 37279 专利代理师 张玉玲 (51)Int.Cl. G01N 33/24(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种测量固井水泥浆凝固过程中与套管和 地层相互作用的装置及方法 (57)摘要 本发明涉及石油钻井工程技术领域， 具体涉 及一种测量固井水泥浆凝固过程中与套管和地 层相互作用的装置及方法。 所述的测量固井水泥 浆凝固过程中与套管和地层相互作用的装置， 包 括井筒系统、 温度控制系统、 应变测量系统、 套管 内部压力控制系统、 上部压力控制系统、 底部压 力控制系统、 地层压力控制系统、 地应力压力控 制系统。 发明可根据井下实际工况， 在高温、 高 压、 高地层压力、 高地应力等条件下进行固井水 泥浆的候凝， 并且可以测量水泥浆凝固过程中与 套管和地层的相互作用 （力） ， 同时可以在水泥 浆 凝固过程中开展地层流体 （气、 水、 油） 窜 流实验， 并可以在水泥浆凝固后测量水泥环的水力封隔 能力。 权利要求书2页 说明书6页 附图1页 CN 115469078 A 2022.12.13 CN 115469078 A 1.一种测量固井水泥浆凝固过程中与套管和地层相互作用的装置， 其特征在于， 所述 装置包括井筒系统、 温度控制系统、 应变测量系统、 套管内部压力控制系统、 上部压力控制 系统、 底部 压力控制系统、 地层压力控制系统、 地应力压力控制系统。 2.根据权利要求1所述的一种测量固井水泥浆凝 固过程中与套管和地层相互作用的装 置， 其特征在于， 所述井筒系统包括底座， 底座上设有由内向外依次套设的模拟套管、 模拟 井眼和釜体； 所述模拟套管内部设有腔体I， 所述模拟套管和模拟井眼之间设有腔体II， 所 述釜体和模拟井眼之间设有腔体III； 所述腔体I和腔体II上方设有上内盖； 所述腔体II和 腔体III上方设有上外 盖， 上外盖与上内盖 重叠交错设置 。 3.根据权利要求1所述的一种测量固井水泥浆凝 固过程中与套管和地层相互作用的装 置， 其特征在于， 所述温度控制系统包括温控装置， 温控装置连接加热瓦和温度测量传感 器； 所述加热瓦设于釜体外壁， 所述温度测量传感器穿过釜体并探入腔体I II内。 4.根据权利要求1所述的一种测量固井水泥浆凝 固过程中与套管和地层相互作用的装 置， 其特征在于， 所述应变测量系统包括模拟套 管应变测量系统和模拟 井眼应变测量系统； 模拟套管应变测量系统包括应变测 量装置I和设置在模拟套管内部且与应变测量装置I连 接的应变测量传感器I； 模拟井眼应变测量系统包括应变测量装置II和设置在模拟井眼外 壁的且与应 变测量装置I I连接的应 变测量传感器I I。 5.根据权利要求1所述的一种测量固井水泥浆凝 固过程中与套管和地层相互作用的装 置， 其特征在于， 所述套 管内部压力控制系统包括增压泵I， 增压泵I通过高压管线I与腔 体I 底部连通， 高压管线I上设有阀门I和 压力表I； 所述上部压力控制系统包括增 压泵II， 增 压 泵II通过高压管线II与腔体II上部连通， 高压管线II上设有阀门II和压力表II； 所述底部 压力控制系统包括增压泵III， 增压泵III通过高压管线III与腔体II底部连通， 高压管线 III上设有阀门III和压力表III； 所述地层压力控制系统包括增压泵IV， 增压泵IV通过高压 管线IV与腔体II连通， 高压管线IV上设有阀门IV和压力表IV； 所述地应力压力控制系统包 括增压泵V， 增压泵V通过高压管线V与腔体I II连通， 高压管线V上设有阀门V和压力表 V。 6.一种测量固井水泥浆凝固过程中与套管和地层相互作用的方法， 其特征在于， 采用 权利要求1 ‑5任一项所述的测量固井水泥浆凝固过程中与套管和地层相互作用的装置， 包 括以下步骤： （1‑1） 配制水泥浆， 将水泥浆注入 模拟套管和模拟井眼之间的环形腔体I I； （1‑2） 向腔体I内部注入模拟施加套管内压的流体， 在模拟井眼和釜体之间的环形腔体 III内注入模拟施加地应力的流体； 注入的流体可以为水或 耐高温高压的油等介质； （1‑3） 密封并安装上部 压力控制系统； （1‑4） 通过温度控制系 统， 对釜体及内部系统加热， 直至预定温度并保持恒定； 控制套 管内压力、 地应力、 地层压力、 水泥浆上部和下部压力至预定的压力； 使水泥浆在预定的温 度和压力条件下 水化凝固， 即候凝； （1‑5） 待温度和压力达到预定温度和压力值后， 打开应变测量系统， 测量水泥浆候凝过 程中模拟套管的应 变和模拟井眼的应 变。 7.根据权利要求6所述的一种测量固井水泥浆凝 固过程中与套管和地层相互作用的方 法， 其特征在于， 在水泥浆 候凝过程中， 还 包括地层流体窜流实验， 具体步骤为： （2‑1） 关闭底部压力 控制系统； 通过地层压力 控制系统保持地层压力不变， 通过上部压权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115469078 A 2力控制系统控制上部 压力按设定的速率缓慢降低来模拟水泥浆柱失重； （2‑2） 当上部压力降低后， 高压管线IV处的压力大于水泥浆压力， 地层流体侵入水泥浆 发生窜流， 通过水泥浆上部高压管线压力表II处压力的变化来判断是否发生窜流， 窜流时 压力表II读数会有明显的上升， 记录此时压力表IV与压力表I I读数之差即为窜流压 差； （2‑3） 窜流发生后继续候凝至水泥浆凝固， 然后拆卸装置， 剖开水泥环， 可以观察窜流 通道的位置、 形状和尺寸。 8.根据权利要求6所述的一种测量固井水泥浆凝 固过程中与套管和地层相互作用的方 法， 其特征在于， 在水泥浆 候凝完成后， 还 包括水泥环封隔能力测量实验， 具体步骤为： （3‑1） 待水泥浆凝固形成水泥环后， 关闭地层压力控制系统； （3‑2） 用底部压力控制系统控制水泥环底部压力缓慢上升， 直至水泥环上部压力控制 系统的压力表II读数上升， 读出此时底部压力表III与上部压力表II读数之差即为该水泥 环的封隔能力。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115469078 A 3