用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置及方法与流程

1.本发明涉及钻井材料检测技术领域，具体涉及一种用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置及方法。


背景技术：

2.在深水钻井作业中，海底浅层固井质量对深水油气井的安全性具有重要的影响，一旦浅层固井的井筒套管与固井水泥间的粘结强度等性能达不到要求，会带来井口下沉、井完整性失效，造成井眼报废、井喷、地层流体泄露、溢油等一系列风险。美国墨西哥湾深水地平线井喷事故，固井水泥环未能有效封固套管与地层之间的间隙，导致井筒流体与油气从套管与地层间隙中上窜，泄漏至井口，带来井筒压力失衡，最终导致井喷失控，事故损失高达680亿美元。
3.目前，对于浅层固井的井筒套管与水泥基构件之间的粘结强度的实验，多采用拉拔的方式研究，如申请号为202110829370.6的中国发明专利申请《一种海上桩靴式平台桩基承载力验证装置及预压载方法》，将采用上环套设在预压载重桩上，对预压载重桩施加垂直荷载实施拉拔。
4.然而，在实际工程中，浅层固井身处深海中，井筒与水泥基构件之间除了承受拉拔的垂直荷载以外，还承受因深海水体运动施加给井筒而使井筒与水泥基构件之间产生旋转倾向的旋转扭矩，因此深海中的浅层固井井筒与水泥基构件(通常会形成水泥环)之间的胶结强度，不仅与拉拔力有关，其中的井筒与水泥环之间的旋转扭矩也是不能忽视。此外，由于工程实际中，不同井筒尺寸条件下，水泥浆胶结筒应力分布也会有所差别，导致水泥浆胶结强度不同，目前尚缺乏采用旋转扭矩方式对不同井筒尺寸的井筒与水泥环之间的粘结强度的测试。现有公开的拉拔模拟套管测试固井效果，需要约束固井水泥环，避免发生与套管一起位移，从而增加了水泥环对套管的围压作用，间接增加了水泥环与套管之间的摩擦力，使得测量结果比实际水泥环与套管之间的粘结强度偏大，影响测试精度。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置及方法，用于解决因忽视井筒与水泥浆胶结筒之间的旋转扭矩而缺乏相关研究以及尚缺乏采用旋转扭矩方式对不同井筒尺寸的井筒与水泥环之间的粘结强度的测试的问题。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
7.第一方面，本发明公开的一种用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，包括试验样本、卡瓦、接头以及荷载施加设备，所述试验样本包括井筒模拟套管和水泥浆胶结筒，所述水泥浆胶结筒套在所述井筒模拟套管的外侧，所述水泥浆胶结筒与所述井筒模拟套管之间的环形空间用于成型水泥环，且所述井筒模拟套管的外壁与所述水泥环的内壁相互粘连成一体，所述井筒模拟套管的一端伸出所述水泥浆胶结筒且暴露在外形成接
头端，与所述井筒模拟套管的接头端同反方向的所述水泥浆胶结筒的一端的外壁固定形成固定端；所述荷载施加设备包括旋转动态扭矩测试仪和扭力计，所述旋转动态扭矩测试仪配置动力设备产生旋转输出，所述旋转动态扭矩测试仪的旋转输出轴通过扭力计与所述接头一端连接，所述接头的另一端与所述井筒模拟套管的接头端通过卡瓦连接。
8.优选地，所述卡瓦包括若干个卡瓦体，多个相邻的卡瓦体之间通过铰链销连成环形；当所述试验样本需要更换时，所述卡瓦的卡瓦体的数量根据所述井筒模拟套管的筒径大小变化而增减。
9.优选地，还包括试验箱，所述试验箱为温控箱，包括敞口的箱体及其配置的箱盖；所述箱体内部设置有温控设备；所述试验样本设置在所述试验箱内，且所述水泥浆胶结筒的固定端固定在试验箱底部或内壁上；所述水泥浆胶结筒外壁与试验箱内壁之间的环形空间通过实验土填充。
10.优选地，所述水泥浆胶结筒包括胶结筒筒体、胶结筒底座和胶结筒上盖；所述胶结筒底座用于在向所述胶结筒内注入水泥浆时，对所述胶结筒筒体底部进行密封；所述胶结筒上盖用于封盖盛满水泥浆的所述胶结筒筒体顶部。
11.优选地，所述水泥浆胶结筒的固定端通过紧固件固定在所述试验箱底部或内壁上；所述紧固件为由两个半环组成的固定环，两个半环通过螺栓固定在试验箱底部或内壁上，且两个半环通过紧锁所述水泥浆胶结筒的胶结筒筒体或胶结筒底座形成固定环。
12.优选地，所述旋转动态扭矩测试仪包括动力设备、扭矩功率仪、扭矩传感器、扭力显示仪，所述动力设备通过联轴器与所述扭矩传感器相连，所述扭矩传感器通过联轴器与扭力计相连；其中，所述动力设备为旋转电机；所述动力设备配置有扭矩功率仪，用于通过控制动力输出来控制功率；所述扭矩传感器配置有扭力显示仪，用于显示扭矩传感器感应的扭力。
13.优选地，所述荷载施加设备还包括控制台和实验架，所述扭矩功率仪和所述扭力显示仪设置于所述控制台上，所述动力设备和所述扭矩传感器设置在所述实验架上。
14.优选地，所述试验样本垂直设置在所述试验箱内，用于模拟垂直井。
15.优选地，所述试验样本水平或倾斜设置在所述试验箱内，用于模拟水平井或倾斜井。
16.第二方面，本发明还公开了一种用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的方法，采用上述的用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，包括
17.步骤一：在试验箱内安装水泥浆胶结筒，并在水泥浆胶结筒的周围放置实验土，制作成型所述水泥浆胶结筒所需尺寸的井眼，压实静置土层至密实，通过试验箱的温控设备控制实验土的温度；
18.步骤二：在所述水泥浆胶结筒内插入井筒模拟套管，并在所述水泥浆胶结筒与所述井筒模拟套管之间的环形空间注入配置成型的水泥浆，等侯水泥浆凝结成型，直到水泥环成型达到设计强度；
19.步骤三：启动荷载施加设备，通过旋转动态扭矩测试仪的动力设备产生动力形成旋转输出，依次带动扭力计、接头和井筒模拟套管产生旋转；
20.井筒模拟套管与固定在水泥浆胶结筒的水泥环发生相对位移形成旋转扭矩，模拟因深海水体运动施加给井筒而使井筒与水泥环之间产生旋转倾向的旋转扭矩；
21.匀速旋转井筒模拟套管，增加旋转井筒模拟套管与水泥环之间的扭矩；
22.随着旋转扭矩持续增加，井筒模拟套管发生转动，同时观察胶结面破环的形态，直至井筒模拟套管与水泥环之间粘结的任一胶结界面发生破坏，所述扭力计实时读取和记录胶结界面发生破坏时的扭力值，完成对井筒模拟套管与水泥环之间的扭矩的测试，并以扭力值的最大值作为表征胶结强度的指标；
23.步骤四：更换试验样本的尺寸，重复所述步骤一至所述步骤三，实现对不同井筒模拟套管的筒径大小的井筒模拟套管与水泥浆胶结筒间粘结强度的测试与评价。
24.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
25.(一)本发明公开的一种用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，其中，荷载施加设备通过旋转动态扭矩测试仪配置的动力设备产生动力形成旋转输出，旋转动态扭矩测试仪的旋转输出轴通过扭力计与接头一端连接，接头的另一端与井筒模拟套管的接头端通过卡瓦连接。当动态扭矩测试仪配置的动力设备产生旋转输出时，依次带动扭力计、接头和井筒模拟套管产生旋转，井筒模拟套管与固定在水泥浆胶结筒内的水泥环发生相对位移形成旋转扭矩，模拟因深海水体运动施加给井筒而使井筒与水泥浆胶结筒之间产生旋转倾向的旋转扭矩，旋转扭矩可以作为拉拔实验研究的补充，是浅层固井的井筒与水泥浆胶结筒的胶结强度实验的重要部分。
26.(二)本发明公开的一种用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，其中的井筒模拟套管的接头端与接头之间通过卡瓦连接，卡瓦包括若干个卡瓦体，卡瓦根据卡瓦体的数量分为三片式、四片式或多片式卡瓦，当试验样本需要更换时，卡瓦的卡瓦体的数量根据井筒模拟套管的筒径大小变化而增减。因此，本发明可以实现模拟不同井筒尺寸下的水泥胶结强度测试与评价实验，根据实验结果可以进行不同钻井过程(一开、二开、三开等)的水泥浆优选。当改变井筒模拟套管的直径尺寸时，本发明公开的装置，可以模拟不同井筒尺寸和土质环境下不同水泥浆的胶结性能，进而研究不同土质环境不同钻井阶段的不同井筒直径条件下的水泥浆胶结性能及与地层土的适配性。
27.(三)本发明公开的一种用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置及方法，通过井筒模拟套管产生旋转，井筒模拟套管与水泥环发生相对位移形成旋转扭矩，实现了对因深海水体运动施加给井筒而使井筒与水泥浆胶结筒之间产生旋转倾向的旋转扭矩的模拟；此外通过改变井筒模拟套管的尺寸，进行不同井眼直径的筒径大小的井筒模拟套管与水泥环间粘结强度的测试与评价，实验结果可以对不同钻井阶段的水泥浆优选提供数据基础。本发明公开的装置操作简单方便，结构简单，成本低，且可重复使用，可以广泛应用于不同井筒尺寸的套管与固井水泥的浆胶结性能的测量与评价。
28.(四)本发明公开的一种用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置及方法，创新地采用了通过不同直径下的旋转扭矩与直径的比值得到切向力来表征胶结强度，相应的测试装置上部提拉改为旋转机构，改变了之前仅依靠上提拉力表征水泥对套管的胶结强度，其大小表征管道外壁与水泥浆胶结筒胶结强度。本发明的优势在于消除固井水泥在重力与围压作用下产生接触面的摩阻影响胶结强度的准确获取。
附图说明
29.图1是本发明实施例1公开的模拟垂直井的用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘
结强度的装置的结构示意图；
30.图2是本发明实施例1公开的卡瓦的结构示意图；
31.图3是本发明实施例1公开的旋转动态扭矩测试仪水平安装的结构示意图；
32.图4是本发明实施例1公开的模拟水平井或倾斜井的用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置的结构示意图。
33.附图标记说明：1-试验样本，11-井筒模拟套管，12-水泥浆胶结筒；2-卡瓦；3-接头；4-荷载施加设备，41-旋转动态扭矩测试仪，42-扭力计，43-控制台，44-实验架；5-试验箱。
具体实施方式
34.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
35.本发明公开了一种用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置及方法，井筒模拟套管11与固定在水泥浆胶结筒12内的水泥环发生相对位移形成旋转扭矩，模拟因深海水体运动施加给井筒而使井筒与水泥环之间产生旋转倾向的旋转扭矩；同时观察胶结面破环的形态，直至井筒模拟套管11与水泥环之间粘结的任一胶结界面发生破坏，扭力计42实时读取和记录胶结界面发生破坏时的扭力值，完成对井筒模拟套管11与水泥环之间的扭矩的测试，并以扭力值的最大值作为表征胶结强度的指标；更换试验样本1的尺寸，卡瓦2的卡瓦体的数量根据井筒模拟套管11的筒径大小变化而增减，实现对不同井筒模拟套管11的筒径大小的井筒模拟套管与水泥环间粘结强度的测试与评价，达到了对不同井筒直径固井过程中的水泥浆与钻井液的合理选择，使地层与水泥得到更高的匹配性，解决了现有技术中无法测试不同井筒直径下浅层固井实验中套管与水泥环的粘结强度的问题。
36.实施例1
37.实施例1提供一种用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，下面结合附图对其结构进行详细描述。
38.参考图1和图4，该用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置包括试验样本1、卡瓦2、接头3以及荷载施加设备4，
39.试验样本1包括井筒模拟套管11和水泥浆胶结筒12，
40.水泥浆胶结筒12套在井筒模拟套管11的外侧，水泥浆胶结筒12与井筒模拟套管11之间的环形空间用于成型水泥环，且井筒模拟套管11的外壁与水泥环的内壁相互粘连成一体，井筒模拟套管11的一端伸出水泥浆胶结筒12且暴露在外形成接头端，与井筒模拟套管11的接头端同反方向的水泥浆胶结筒12的一端的外壁固定形成固定端。
41.荷载施加设备4包括旋转动态扭矩测试仪41和扭力计42，旋转动态扭矩测试仪41配置动力设备产生旋转输出，旋转动态扭矩测试仪41的旋转输出轴通过扭力计42与接头3一端连接，接头3的另一端与井筒模拟套管11的接头端通过卡瓦2连接。
42.卡瓦是钻井过程中起下钻时用于卡住和悬持钻柱、套管柱的工具。参考图2，卡瓦2包括若干个卡瓦体，多个相邻的卡瓦体之间通过铰链销连成环形，卡瓦2根据卡瓦体的数量
分为三片式、四片式或多片式卡瓦，其中多片式卡瓦指的是卡瓦体的数量四个以上的卡瓦。
43.当试验样本需要更换时，卡瓦2的卡瓦体的数量根据井筒模拟套管11的筒径大小变化而选择。
44.进一步地，该用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置还包括试验箱5，
45.试验样本1设置在试验箱5内，且水泥浆胶结筒12的固定端固定在试验箱5底部或内壁上，水泥浆胶结筒12外壁与试验箱5内壁之间的环形空间通过实验土填充。
46.具体地，试验箱5为温控箱，包括敞口的箱体及其配置的箱盖；箱体内部设置有温控设备。由于增设温控系统，可以模拟不同温度对水泥与套管的粘结强度的影响，可以用于评价水泥浆体系的耐温性能。
47.具体地，水泥浆胶结筒12包括胶结筒筒体、胶结筒底座和胶结筒上盖；胶结筒底座用于在向胶结筒内注入水泥浆时，对胶结筒筒体底部进行密封；胶结筒上盖用于封盖盛满水泥浆的胶结筒筒体顶部。
48.为了防止井筒模拟套管11与固定在水泥浆胶结筒12内的水泥环发生旋转时水泥环随着井筒模拟套管11转到，水泥浆胶结筒12的固定端通过紧固件13固定在试验箱5底部或内壁上。
49.为了防止井筒模拟套管11与水泥浆胶结筒12内的水泥环之间的粘结强度大于水泥浆胶结筒12的内壁与水泥环之间的粘结强度，一种具体的实施方式是，胶结筒筒体、胶结筒底座的内表面设置成粗糙面，增强水泥浆胶结筒12的内壁与水泥环之间的粘结强度，确保井筒模拟套管11与水泥浆胶结筒12内的水泥环之间的粘结强度小于水泥浆胶结筒12的内壁与水泥环之间的粘结强度。
50.具体地，紧固件13为由两个半环组成的固定环。两个半环通过螺栓固定在试验箱5底部或内壁上，且两个半环通过紧锁水泥浆胶结筒12的胶结筒筒体或胶结筒底座形成固定环。这样的紧固件13在市面上很多，这里不再赘述。
51.由于工程实际情况中存在垂直井、水平井和倾斜井，本发明公开的装置可以通过调整，用于模拟垂直井、水平井和倾斜井。具体地，参考图1，试验样本垂直设置在试验箱5内，用于模拟垂直井。参考图4，试验样本水平或倾斜设置在试验箱5内，用于模拟水平井或倾斜井。作为一种具体地实施方式，试验箱5既可以竖直放置，也可以水平放置。其中，当水平放置时，井筒模拟套管11及接头3均水平放置，可以模拟水平井的井筒套管与固井水泥的水泥浆胶结筒之间的胶结强度。
52.具体地，旋转动态扭矩测试仪41包括动力设备、扭矩功率仪、扭矩传感器、扭力显示仪，动力设备通过联轴器与扭矩传感器相连，扭矩传感器通过联轴器与扭力计42相连，如图3所示。
53.其中，动力设备为旋转电机；
54.动力设备配置有扭矩功率仪，用于通过控制动力输出来控制功率；
55.扭矩传感器配置有扭力显示仪，用于显示扭矩传感器感应的扭力。
56.更具体地，旋转动态扭矩测试仪41为小型旋转动态扭矩测试仪，其使用环境：高环境温度不超过40℃，海拔高度不超过2500m。当环境温度为20℃时，相对湿度不大于85％。旋转动态扭矩测试仪41的安装如图3所示。
57.更具体地，荷载施加设备4还包括控制台43和实验架44，
58.扭矩功率仪和扭力显示仪设置于控制台43上，动力设备和扭矩传感器设置在实验架44上。
59.具体地，扭力计42包括锁紧式钻夹头和数字测力计，锁紧式钻夹头和数字测力计通过数据线连接。更具体地，扭力计42为高精度扭力计。
60.具体地，接头3设置井筒模拟套管11的顶部，接头3的顶部带有快速接头，用于对接扭力计42。
61.本发明公开的装置的工作原理为：
62.启动荷载施加设备4，通过旋转动态扭矩测试仪41的动力设备产生动力形成旋转输出，依次带动扭力计42、接头3和井筒模拟套管11产生旋转；
63.井筒模拟套管11与固定在水泥浆胶结筒12的水泥环发生相对位移形成旋转扭矩，模拟因深海水体运动施加给井筒而使井筒与水泥环之间产生旋转倾向的旋转扭矩；
64.匀速旋转井筒模拟套管11，增加旋转井筒模拟套管11与水泥环之间的扭矩；
65.随着旋转扭矩持续增加，井筒模拟套管11发生转动；
66.同时观察胶结面破环的形态，直至井筒模拟套管11与水泥环之间粘结的任一胶结界面发生破坏，扭力计42实时读取和记录胶结界面发生破坏时的扭力值，完成对井筒模拟套管11与水泥环之间的扭矩的测试，并以扭力值的最大值作为表征胶结强度的指标。
67.实施例2
68.实施例2提供一种用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的方法，采用实施例1提供的用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，该方法包括以下步骤：
69.步骤一：在试验箱5内安装水泥浆胶结筒12，并在水泥浆胶结筒12的周围放置实验土，制作成型所述水泥浆胶结筒12所需尺寸的井眼，压实静置土层至密实，通过试验箱5的温控设备控制实验土的温度；
70.步骤二：在水泥浆胶结筒12内插入井筒模拟套管11，并在水泥浆胶结筒12与井筒模拟套管11之间的环形空间注入配置成型的水泥浆，等侯水泥浆凝结成型，直到水泥环成型达到设计强度；
71.步骤三：启动荷载施加设备4，通过旋转动态扭矩测试仪41的动力设备产生动力形成旋转输出，依次带动扭力计42、接头3和井筒模拟套管11产生旋转；
72.井筒模拟套管11与固定在水泥浆胶结筒12的水泥环发生相对位移形成旋转扭矩，模拟因深海水体运动施加给井筒而使井筒与水泥环之间产生旋转倾向的旋转扭矩；
73.匀速旋转井筒模拟套管11，增加旋转井筒模拟套管11与水泥环之间的扭矩；
74.随着旋转扭矩持续增加，井筒模拟套管11发生转动，同时观察胶结面破环的形态，直至井筒模拟套管11与水泥环之间粘结的任一胶结界面发生破坏，扭力计42实时读取和记录胶结界面发生破坏时的扭力值，完成对井筒模拟套管11与水泥环之间的扭矩的测试，并以扭力值的最大值作为表征胶结强度的指标；
75.步骤四：更换试验样本1的尺寸，卡瓦2的卡瓦体的数量根据井筒模拟套管11的筒径大小变化而增减，重复步骤一至步骤三，实现对不同井筒模拟套管11的筒径大小的井筒模拟套管与水泥浆胶结筒间粘结强度的测试与评价。
76.下面结合不同规格的水泥浆、套管与地层胶结强度测试实验对本发明做进一步的说明：
77.本次实验采用425#、525#和海上固井g级水泥3种类型的水泥进行水泥胶结强度测试实验。
78.为了实验基准面和对比性，3种类型的水泥均为纯水泥，不参加任何添加剂。按照上述操作，经过不同的侯凝时间，得到以下现象：
79.一、凝结时间
80.在实验过程中发现，候凝时间2小时之前，所有套管均从水泥浆胶结筒中转动，4小时时，低标号水泥中的套管产生转动，中标号水泥和g级水泥套管连同水泥浆胶结筒在土壤中转动，扭矩下降，6小时及以后，三种标号水泥均为套管加水泥浆胶结筒均在土壤中发生转动，扭矩下降。
81.二、侧向摩擦力
82.隔水导管与水泥胶结强度的变化可以体现在侧向摩擦力的变化上，可以通过实验测出水泥浆胶结筒与钢管桩及土壤的平均侧向摩擦力，即侧向摩擦力的变化反映了胶结强度的变化。
83.三、水泥浆与隔水导管之间的胶结强度分析
84.425水泥2in套管在候凝5小时后达到胶结强度，单位面积摩擦力为0.039mpa；425水泥3in套管在候凝5小时后达到胶结强度，单位面积摩擦力为0.036mpa。
85.525水泥2in套管在候凝5小时后达到胶结强度，单位面积摩擦力为0.042mpa；525水泥3in套管在候凝5小时后达到胶结强度，单位面积摩擦力为0.041mpa。
86.g级水泥2in套管在候凝4小时后达到胶结强度，单位面积摩擦力为0.041mpa；g级水泥3in套管在候凝4小时后达到胶结强度，单位面积摩擦力为0.033mpa。
87.通过上述实验即可确定g级水泥在地层的胶结速度更快，胶结强度更好，与实验地层更加匹配。
88.四、水泥浆与海底土之间的胶结强度分析
89.425水泥2in套管在候凝13小时后达到胶结强度，此时单位面积摩擦力为0.055mpa，随着候凝时间增加到24小时，单位面积摩擦力为0.062mpa；
90.425水泥3in套管在候凝13小时后达到胶结强度，此时单位面积摩擦力为0.052mpa随着候凝时间增加到24小时，单位面积摩擦力为0.059mpa；
91.525水泥2in套管在候凝13小时后达到胶结强度，此时单位面积摩擦力为0.056mpa，随着候凝时间增加到24小时，单位面积摩擦力为0.071mpa；
92.525水泥3in套管在候凝13小时后达到胶结强度，此时单位面积摩擦力为0.06mpa，随着候凝时间增加到24小时，单位面积摩擦力为0.075mpa；
93.g级水泥2in套管在候凝10小时后达到胶结强度，此时单位面积摩擦力为0.078mpa，随着候凝时间增加到24小时，单位面积摩擦力为0.01mpa；
94.g级水泥3in套管在候凝10小时后达到胶结强度，此时单位面积摩擦力为0.071mpa，随着候凝时间增加到24小时，单位面积摩擦力为0.011mpa。
95.固井候凝6h之前，钢管桩在水泥浆胶结筒中发生转动，所以只需给出6h之后水泥浆与海底土之间的胶结强度的变化。
96.通过本实验测试方法，可以根据实验结果，优选不同井筒直径下匹配性能高的钻井液和水泥浆，有效的提高固井质量，减少风险。
97.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，其特征在于，包括试验样本(1)、卡瓦(2)、接头(3)以及荷载施加设备(4)，所述试验样本(1)包括井筒模拟套管(11)和水泥浆胶结筒(12)，所述水泥浆胶结筒(12)套在所述井筒模拟套管(11)的外侧，所述水泥浆胶结筒(12)与所述井筒模拟套管(11)之间的环形空间用于成型水泥环，且所述井筒模拟套管(11)的外壁与所述水泥环的内壁相互粘连成一体，所述井筒模拟套管(11)的一端伸出所述水泥浆胶结筒(12)且暴露在外形成接头端，与所述井筒模拟套管(11)的接头端同反方向的所述水泥浆胶结筒(12)的一端的外壁固定形成固定端；所述荷载施加设备(4)包括旋转动态扭矩测试仪(41)和扭力计(42)，所述旋转动态扭矩测试仪(41)配置动力设备产生旋转输出，所述旋转动态扭矩测试仪(41)的旋转输出轴通过扭力计(42)与所述接头(3)一端连接，所述接头(3)的另一端与所述井筒模拟套管(11)的接头端通过卡瓦(2)连接。2.根据权利要求1所述的用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，其特征在于，所述卡瓦(2)包括若干个卡瓦体，多个相邻的卡瓦体之间通过铰链销连成环形；当所述试验样本需要更换时，所述卡瓦(2)的卡瓦体的数量根据所述井筒模拟套管(11)的筒径大小变化而增减。3.根据权利要求1所述的用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，其特征在于，还包括试验箱(5)，所述试验箱(5)为温控箱，包括敞口的箱体及其配置的箱盖；所述箱体内部设置有温控设备；所述试验样本(1)设置在所述试验箱(5)内，且所述水泥浆胶结筒(12)的固定端固定在试验箱(5)底部或内壁上；所述水泥浆胶结筒(12)外壁与试验箱(5)内壁之间的环形空间通过实验土填充。4.根据权利要求3所述的用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，其特征在于，所述水泥浆胶结筒(12)包括胶结筒筒体、胶结筒底座和胶结筒上盖；所述胶结筒底座用于在向所述胶结筒内注入水泥浆时，对所述胶结筒筒体底部进行密封；所述胶结筒上盖用于封盖盛满水泥浆的所述胶结筒筒体顶部。5.根据权利要求4所述的用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，其特征在于，所述水泥浆胶结筒(12)的固定端通过紧固件(13)固定在所述试验箱(5)底部或内壁上；所述紧固件(13)为由两个半环组成的固定环，两个半环通过螺栓固定在试验箱(5)底部或内壁上，且两个半环通过紧锁所述水泥浆胶结筒(12)的胶结筒筒体或胶结筒底座形成固定环。6.根据权利要求1所述的用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，其特征在于，所述旋转动态扭矩测试仪(41)包括动力设备、扭矩功率仪、扭矩传感器、扭力显示仪，所述动力设备通过联轴器与所述扭矩传感器相连，所述扭矩传感器通过联轴器与扭力计(42)相连；
其中，所述动力设备为旋转电机；所述动力设备配置有扭矩功率仪，用于通过控制动力输出来控制功率；所述扭矩传感器配置有扭力显示仪，用于显示扭矩传感器感应的扭力。7.根据权利要求1所述的用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，其特征在于，所述荷载施加设备(4)还包括控制台(43)和实验架(44)，所述扭矩功率仪和所述扭力显示仪设置于所述控制台(43)上，所述动力设备和所述扭矩传感器设置在所述实验架(44)上。8.根据权利要求1所述的用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，其特征在于，所述试验样本垂直设置在所述试验箱(5)内，用于模拟垂直井。9.根据权利要求1所述的用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，其特征在于，所述试验样本水平或倾斜设置在所述试验箱(5)内，用于模拟水平井或倾斜井。10.一种用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的方法，采用权利要求1至9任一所述的用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置，其特征在于，包括步骤一：在试验箱(5)内安装水泥浆胶结筒(12)，并在水泥浆胶结筒(12)的周围放置实验土，制作成型所述水泥浆胶结筒(12)所需尺寸的井眼，压实静置土层至密实，通过试验箱(5)的温控设备控制实验土的温度；步骤二：在所述水泥浆胶结筒(12)内插入井筒模拟套管(11)，并在所述水泥浆胶结筒(12)与所述井筒模拟套管(11)之间的环形空间注入配置成型的水泥浆，等侯水泥浆凝结成型，直到水泥环成型达到设计强度；步骤三：启动荷载施加设备(4)，通过旋转动态扭矩测试仪(41)的动力设备产生动力形成旋转输出，依次带动扭力计(42)、接头(3)和井筒模拟套管(11)产生旋转；井筒模拟套管(11)与固定在水泥浆胶结筒(12)的水泥环发生相对位移形成旋转扭矩，模拟因深海水体运动施加给井筒而使井筒与水泥环之间产生旋转倾向的旋转扭矩；匀速旋转井筒模拟套管(11)，增加旋转井筒模拟套管(11)与水泥环之间的扭矩；随着旋转扭矩持续增加，井筒模拟套管(11)发生转动，同时观察胶结面破环的形态，直至井筒模拟套管(11)与水泥环之间粘结的任一胶结界面发生破坏，所述扭力计(42)实时读取和记录粘结界面发生破坏时的扭力值，完成对井筒模拟套管(11)与水泥环之间的扭矩的测试，并以扭力值的最大值作为表征粘结强度的指标；步骤四：更换试验样本(1)的尺寸，重复所述步骤一至所述步骤三，实现对不同井筒模拟套管(11)的筒径大小的井筒模拟套管与水泥浆胶结筒间粘结强度的测试与评价。

技术总结
本发明涉及一种用旋转扭矩测试套管与固井水泥间粘结强度的装置及方法，属于钻井材料检测技术领域，其中装置包括试验样本、卡瓦、接头以及荷载施加设备，通过旋转动态扭矩测试仪的动力设备产生动力形成旋转输出，带动井筒模拟套管产生旋转；井筒模拟套管与固定在水泥浆胶结筒的水泥环发生相对位移形成旋转扭矩，扭力计实时读取和记录胶结界面发生破坏时的扭力值，并以扭力值的最大值作为表征胶结强度的指标。本发明公开的装置操作简单方便，结构简单，成本低，且可重复使用，可以广泛应用于不同井筒尺寸的套管与固井水泥的浆胶结性能的测量与评价。量与评价。量与评价。


技术研发人员：耿亚楠 吴怡 徐国贤 谢仁军 焦金刚 袁俊亮
受保护的技术使用者：中海石油（中国）有限公司北京研究中心
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/19