油气井固井水泥封隔能力检测装置及其检测方法

摘要

本申请提供了一种油气井固井水泥封隔能力检测装置及其检测方法，装置包括：模拟地层，其内设置有模拟井眼；模拟套管，其穿设于模拟井眼内；模拟套管与模拟地层之间形成有第一环形空间；模拟套管上设置有与第一环形空间相连通的至少一个第一贯通孔；固井水泥，其填充于第一环形空间内；活塞，穿设于模拟套管内；活塞能与模拟套管之间形成第二环形空间；活塞内设置有用于与第一贯通孔相连通的第一通道；压力加载机构，其与第二环形空间相连通；用于向第二环形空间内施加压力；地应力模拟机构，其用于向模拟地层、模拟套管和固井水泥施加地应力；本申请实施方式提供了一种能测量水泥环的纵向封隔能力的油气井固井水泥封隔能力检测装置及其检测方法。

权利要求

1.一种油气井固井水泥封隔能力检测装置，其特征在于，包括：模拟地层，其内设置有沿上下方向延伸的模拟井眼；

模拟套管，其穿设于所述模拟井眼内；所述模拟套管与所述模拟地层之间形成有第一环形空间；所述模拟套管上设置有与所述第一环形空间相连通的至少一个第一贯通孔；

固井水泥，其填充于所述第一环形空间内；所述固井水泥与所述模拟套管之间形成第一界面；所述固井水泥与所述模拟地层之间形成第二界面；

活塞，其可移动地穿设于所述模拟套管内；所述活塞能与所述模拟套管之间形成第二环形空间；所述活塞内设置有用于与所述第一贯通孔相连通的第一通道；以使高压气体能通过所述第一通道流至所述第一界面或所述第二界面；

压力加载机构，其与所述第二环形空间相连通；用于向所述第二环形空间内施加压力；

地应力模拟机构，其用于向所述模拟地层、所述模拟套管和所述固井水泥施加地应力；

所述固井水泥内设置有第二贯通孔；所述第一贯通孔为两个；其中一个所述第一贯通孔与所述第二贯通孔不连通；另一所述第一贯通孔与所述第二贯通孔密封连通；所述第二贯通孔背对所述第一贯通孔的一端朝向所述模拟地层敞开。

2.根据权利要求1所述的油气井固井水泥封隔能力检测装置，其特征在于：所述固井水泥内设置有具有所述第二贯通孔的管体；所述管体的一端密封连接于另一所述第一贯通孔的外端周围的侧壁上。

3.根据权利要求1所述的油气井固井水泥封隔能力检测装置，其特征在于：所述活塞包括缩径段和横截面积大于所述缩径段的扩径段；所述扩径段位于所述缩径段的下方；所述缩径段与所述模拟套管之间形成所述第二环形空间；所述扩径段的外壁与所述模拟套管的内壁密封配合。

4.根据权利要求3所述的油气井固井水泥封隔能力检测装置，其特征在于：所述第一通道包括设置于所述缩径段内的竖直延伸段和设置于所述扩径段内的水平延伸段；所述水平延伸段背对所述竖直延伸段的一端用于与所述第一贯通孔相连通。

5.根据权利要求3所述的油气井固井水泥封隔能力检测装置，其特征在于：所述模拟套管的上端内还设置有用于密封所述第二环形空间的压帽；所述压帽上设置有与所述第二环形空间相连通的第二通道；所述压力加载机构通过所述第二通道与所述第二环形空间相连通。

6.根据权利要求5所述的油气井固井水泥封隔能力检测装置，其特征在于：所述压帽上呈具有中心孔的环状；所述活塞密封穿设于所述中心孔内。

7.一种利用如权利要求1所述的油气井固井水泥封隔能力检测装置的检测方法，其特征在于，其包括：

步骤S11：通过所述地应力模拟机构向所述模拟地层、所述模拟套管和所述固井水泥施加地应力；

步骤S13：使所述第一通道与所述第一贯通孔相连通且使所述活塞与所述模拟套管之间形成所述第二环形空间；

步骤S15：通过所述压力加载机构向所述第二环形空间内施加压力直至所述第二环形空间内的压力升高至第一当前加载压力；

步骤S17：对所述第二环形空间进行卸压，以使所述第二环形空间内的压力降低至大致与大气压相等；

步骤S19：向所述第一通道内注入高压气体，以使所述高压气体能通过第一贯通孔流至所述固井水泥与所述模拟套管之间的所述第一界面；并判断所述高压气体能否从所述固井水泥与所述模拟套管之间的所述第一界面泄漏；

步骤S21：当所述固井水泥与所述模拟套管之间的所述第一界面不存在气体泄漏时，在所述第一当前加载压力的基础上增加预定压力并重复上述步骤S15至步骤S19。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，还包括：步骤S21：移动所述活塞以使所述第一通道与另一所述第一贯通孔连通且使所述活塞与所述模拟套管之间形成所述第二环形空间；其中，所述固井水泥内设置有第二贯通孔；另一所述第一贯通孔与所述第二贯通孔密封连通；所述第二贯通孔背对所述第一贯通孔的一端朝向所述模拟地层敞开；

步骤S23：通过所述压力加载机构向所述第二环形空间内施加压力直至所述第二环形空间内的压力升高至第二当前加载压力；

步骤S25：对所述第二环形空间进行卸压，以使所述第二环形空间内的压力降低至大致与大气压相等；

步骤S27：向所述第一通道内注入高压气体，以使所述高压气体能通过第二贯通孔流至所述固井水泥与所述模拟地层之间的所述第二界面；并判断所述高压气体能否从所述固井水泥与所述模拟地层之间的所述第二界面泄漏；

步骤S29：当所述固井水泥与所述模拟地层之间的所述第二界面不存在气体泄漏时，在所述第二当前加载压力的基础上增加预定压力并重复上述步骤S23至步骤S27。

9.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于：通过所述地应力模拟机构向所述模拟地层、所述模拟套管和所述固井水泥施加真三轴应力。

说明书

油气井固井水泥封隔能力检测装置及其检测方法

技术领域

[0001] 本申请涉及一种油气井固井水泥封隔能力检测装置及其检测方法。

背景技术

[0002] 固井水泥用于将套管柱与井壁岩石牢固地固结在一起，可以将油气水层及复杂层位封隔起来以利于进一步钻进或开采。胶结良好的水泥环能够有效减小套管变形的风险，
能够阻隔油气水进入模拟井筒或沿环空上窜，能够增加一口井的寿命及产量，是衡量固井
质量的重要因素。而在固井完成后油田生产所进行的井下作业，尤其是压裂、酸化等技术施
工，会引起模拟井筒内压力大幅波动，进而影响水泥环应力状态，增大水泥环封隔能力失效
的风险。

[0003] 水泥环封隔能力包括纵向封隔能力。具体地，水泥环纵向封隔能力是指阻止油气水沿固井两界面向上窜流的能力，其主要失效形式是当胶结界面从受压变为受拉状态时，
界面作用力与胶结力方向相反，导致胶结界面分离从而引起水泥环封隔失效。水泥环封隔
能力影响因素复杂，井下实际情况又难以观测，因此建立一套水泥环封隔能力检测装置对
研究水泥环封隔能力随内压起伏的变化机理具有重要意义。而现有的对于水泥环封隔能力
的研究大都从模拟井筒完整性或水泥环密封性的角度出发，而关于水泥环的纵向封隔能力
的研究则较少。

[0004] 因此，有必要提出一种油气井固井水泥封隔能力检测装置及其检测方法，以能解决上述问题。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本申请实施方式提供了一种能测量水泥环的纵向封隔能力的油气井固井水泥封隔能力检测装置及其检测方法。

[0006] 为实现上述目的，本申请提供了如下的技术方案：一种油气井固井水泥封隔能力检测装置，包括：模拟地层，其内设置有沿上下方向延伸的模拟井眼；模拟套管，其穿设于所
述模拟井眼内；所述模拟套管与所述模拟地层之间形成有第一环形空间；所述模拟套管上
设置有与所述第一环形空间相连通的至少一个第一贯通孔；固井水泥，其填充于所述第一
环形空间内；所述固井水泥与所述模拟套管之间形成第一界面；所述固井水泥与所述模拟
地层之间形成第二界面；活塞，其可移动地穿设于所述模拟套管内；所述活塞能与所述模拟
套管之间形成第二环形空间；所述活塞内设置有用于与所述第一贯通孔相连通的第一通
道；以使高压气体能通过所述第一通道流至所述第一界面或所述第二界面；压力加载机构，
其与所述第二环形空间相连通；用于向所述第二环形空间内施加压力；地应力模拟机构，其
用于向所述模拟地层、所述模拟套管和所述固井水泥施加地应力。

[0007] 作为一种优选的实施方式，所述固井水泥内设置有第二贯通孔；所述第一贯通孔为两个；其中一个所述第一贯通孔与所述第二贯通孔不连通；另一所述第一贯通孔与所述
第二贯通孔密封连通；所述第二贯通孔背对所述第一贯通孔的一端朝向所述模拟地层敞
开。

[0008] 作为一种优选的实施方式，所述固井水泥内设置有具有所述第二贯通孔的管体；所述管体的一端密封连接于另一所述第一贯通孔的外端周围的侧壁上。

[0009] 作为一种优选的实施方式，所述活塞包括缩径段和横截面积大于所述缩径段的扩径段；所述扩径段位于所述缩径段的下方；所述缩径段与所述模拟套管之间形成所述第二
环形空间；所述扩径段的外壁与所述模拟套管的内壁密封配合。

[0010] 作为一种优选的实施方式，所述第一通道包括设置于所述缩径段内的竖直延伸段和设置于所述扩径段内的水平延伸段；所述水平延伸段背对所述竖直延伸段的一端用于与
所述第一贯通孔相连通。

[0011] 作为一种优选的实施方式，所述模拟套管的上端内还设置有用于密封所述第二环形空间的压帽；所述压帽上设置有与所述第二环形空间相连通的第二通道；所述压力加载
机构通过所述第二通道与所述第二环形空间相连通。

[0012] 作为一种优选的实施方式，所述压帽上呈具有中心孔的环状；所述活塞密封穿设于所述中心孔内。

[0013] 一种利用如上述的油气井固井水泥封隔能力检测装置的检测方法，其包括：步骤S11：通过所述地应力模拟机构向所述模拟地层、所述模拟套管和所述固井水泥施加地应
力；步骤S13：使所述第一通道与所述第一贯通孔相连通且使所述活塞与所述模拟套管之间
形成所述第二环形空间；步骤S15：通过所述压力加载机构向所述第二环形空间内施加压力
直至所述第二环形空间内的压力升高至第一当前加载压力；步骤S17：对所述第二环形空间
进行卸压，以使所述第二环形空间内的压力降低至大致与大气压相等；步骤S19：向所述第
一通道内注入高压气体，以使所述高压气体能通过第一贯通孔流至所述固井水泥与所述模
拟套管之间的所述第一界面；并判断所述高压气体能否从所述固井水泥与所述模拟套管之
间的所述第一界面泄漏；步骤S21：当所述固井水泥与所述模拟套管之间的所述第一界面不
存在气体泄漏时，在所述第一当前加载压力的基础上增加预定压力并重复上述步骤S15至
步骤S19。

[0014] 作为一种优选的实施方式，还包括：步骤S21：移动所述活塞以使所述第一通道与另一所述第一贯通孔连通且使所述活塞与所述模拟套管之间形成所述第二环形空间；其
中，所述固井水泥内设置有第二贯通孔；另一所述第一贯通孔与所述第二贯通孔密封连通；
所述第二贯通孔背对所述第一贯通孔的一端朝向所述模拟地层敞开；步骤S23：通过所述压
力加载机构向所述第二环形空间内施加压力直至所述第二环形空间内的压力升高至第二
当前加载压力；步骤S25：对所述第二环形空间进行卸压，以使所述第二环形空间内的压力
降低至大致与大气压相等；步骤S27：向所述第一通道内注入高压气体，以使所述高压气体
能通过第二贯通孔流至所述固井水泥与所述模拟地层之间的所述第二界面；并判断所述高
压气体能否从所述固井水泥与所述模拟地层之间的所述第二界面泄漏；步骤S29：当所述固
井水泥与所述模拟地层之间的所述第二界面不存在气体泄漏时，在所述第二当前加载压力
的基础上增加预定压力并重复上述步骤S23至步骤S27。

[0015] 作为一种优选的实施方式，通过所述地应力模拟机构向所述模拟地层、所述模拟套管和所述固井水泥施加真三轴应力。

[0016] 借由以上的技术方案，本申请实施方式所述的油气井固井水泥封隔能力检测装置及其检测方法通过设置模拟地层、模拟套管、固井水泥、活塞、压力加载机构和地应力模拟
机构使得检测时能通过地应力模拟机构对模拟地层、模拟套管和固井水泥施加地应力，以
模拟真实的地层；且通过压力加载机构向密封的第二环形空间内施加压力，使得该第二环
形空间内压力的变化可以近似反应模拟套管内压力的波动，而该模拟套管内压力的波动可
以用于模拟固井完成后油田实际生产中所进行的井下作业，例如压裂、酸化等技术施工所
引起的油田井筒内压力的波动。而油田井筒内压力的波动将影响油田井筒外的水泥环的应
力状态。如此该第二环形空间内压力的变化将影响固井水泥的应力状态。最后，通过活塞内
第一通道向固井水泥与模拟套管之间注入高压气体，以检测固井水泥与模拟套管之间的第
一界面的胶结能力；并通过活塞内第一通道向固井水泥与模拟地层之间注入高压气体，以
检测固井水泥与模拟地层之间的第二界面的胶结能力，从而检测了固井水泥的纵向封隔能
力。因此，本申请实施方式提供了一种能测量水泥环的纵向封隔能力的油气井固井水泥封
隔能力检测装置及其检测方法。

附图说明

[0017] 在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本申请公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本申请的理解，并
不是具体限定本申请各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本申请的教导下，可
以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本申请。在附图中：

[0018] 图1为本申请实施方式的油气井固井水泥封隔能力检测装置的结构示意图；

[0019] 图2为本申请实施方式的油气井固井水泥封隔能力检测装置的检测方法的流程图。

[0020] 附图标记说明：

[0021] 11、模拟地层；13、模拟井眼；15、模拟套管；17、第一环形空间；19、第一贯通孔；21、固井水泥；29、活塞；31、第一通道；33、第二环形空间；35、第二贯通孔；37、缩径段；39、扩径
段；41、压帽；43、第二通道；45、中心孔。

具体实施方式

[0022] 下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实
施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所
获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

[0023] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

[0024] 请参阅图1，本实施方式所提供的一种油气井固井水泥封隔能力检测装置，包括：模拟地层11，其内设置有沿上下方向延伸的模拟井眼13；模拟套管15，其穿设于所述模拟井
眼13内；所述模拟套管15与所述模拟地层11之间形成有第一环形空间17；所述模拟套管15
上设置有与所述第一环形空间17相连通的至少一个第一贯通孔19；固井水泥21，其填充于
所述第一环形空间17内；所述固井水泥21与所述模拟套管15之间形成第一界面；所述固井
水泥21与所述模拟地层11之间形成第二界面；活塞29，其可移动地穿设于所述模拟套管15
内；所述活塞29能与所述模拟套管15之间形成第二环形空间33；所述活塞29内设置有用于
与所述第一贯通孔19相连通的第一通道31；以使高压气体能通过所述第一通道31流至所述
第一界面或所述第二界面；压力加载机构，其与所述第二环形空间33相连通；用于向所述第
二环形空间33内施加压力；地应力模拟机构，其用于向所述模拟地层11、所述模拟套管15和
所述固井水泥21施加地应力。

[0025] 由以上方案可以看出，本申请实施方式所述的油气井固井水泥21封隔能力检测装置通过设置模拟地层11、模拟套管15、固井水泥21、活塞29、压力加载机构和地应力模拟机
构使得检测时能通过地应力模拟机构对模拟地层11、模拟套管15和固井水泥21施加地应
力，以模拟真实的地层；且通过压力加载机构向密封的第二环形空间33内施加压力，使得该
第二环形空间33内压力的变化可以近似反应模拟套管15内压力的波动，而该模拟套管15内
压力的波动可以用于模拟固井完成后油田实际生产中所进行的井下作业，例如压裂、酸化
等技术施工所引起的油田井筒内压力的波动。而油田井筒内压力的波动将影响油田井筒外
的水泥环的应力状态。如此该第二环形空间33内压力的变化将影响固井水泥21的应力状
态。最后，通过活塞29内第一通道31向固井水泥21与模拟套管15之间注入高压气体，以检测
固井水泥21与模拟套管15之间的第一界面的胶结能力；并通过活塞29内第一通道31向固井
水泥21与模拟地层11之间注入高压气体，以检测固井水泥21与模拟地层11之间的第二界面
胶结能力，从而检测了固井水泥21的纵向封隔能力。

[0026] 如图1所示，在本实施方式中，模拟地层11用于模拟待测量的固井水泥21所在的地层。具体地，该模拟地层11可以根据待测量的固井水泥21所在的地层的地质及物性参数配
置而成。进一步地，该模拟地层11可以由水泥、石英砂、特殊添加剂配置而成。进一步地，该
模拟地层11内设置有沿上下方向延伸的模拟井眼13。该模拟井眼13用于模拟待测量的固井
水泥21所在的地层中的井眼。

[0027] 在本实施方式中，模拟套管15穿设于模拟井眼13内。且模拟套管15与模拟地层11之间形成有第一环形空间17。从而能在该第一环形空间17内注入水泥，以形成水泥环，进而
使得水泥环和模拟套管15之间形成用于模拟待测量的固井水泥21所在的模拟井筒。进一步
地，模拟套管15上设置有与第一环形空间17相连通的至少一个第一贯通孔19。该第一贯通
孔19用于允许流体通过。在本实施例中，该第一贯通孔19为两个。例如如图1所示，两个第一
贯通孔19沿上下方向排列。当然，该两个第一贯通孔19不限于沿上下方向排列，还可以是沿
周向排列，对此本申请不作规定。

[0028] 在本实施方式中，固井水泥21填充于第一环形空间17内。从而一方面该固井水泥21在第一环形空间17内形成水泥环。另一方面，该固井水泥21能将模拟套管15与模拟地层
11牢固地固结在一起。具体地，该固井水泥21与模拟套管15之间形成第一界面。该固井水泥
21与模拟地层11之间形成第二界面。进一步地，该固井水泥21可以根据现场应用的固井水
泥21特性进行配置。

[0029] 在一个实施方式中，固井水泥21内设置有第二贯通孔35。例如如图1所示，该第二贯通孔35沿径向延伸并贯穿该固井水泥21。进一步地，两个第一贯通孔19其中一个与第二
贯通孔35不连通。例如如图1所示，位于下方的第一贯通孔19与第二贯通孔35不连通。从而
位于下方的第一贯通孔19内的气体不会进入第二贯通孔35内，也即位于下方的第一贯通孔
19内的气体只能到达第一界面处。从而位于下方的第一贯通孔19内的气体只能位于固井水
泥21与模拟套管15的第一界面之间。且当固井水泥21与模拟套管15之间的第一界面胶结不
良时，该下方的第一贯通孔19内的气体能在固井水泥21与模拟套管15之间的第一界面胶结
不良处上蹿。而另一第一贯通孔19与第二贯通孔35密封连通。例如如图1所示，位于上方的
第一贯通孔19与第二贯通孔35密封连通。从而位于上方的第一贯通孔19内的气体能进入第
二贯通孔35内，也即位于上方的第一贯通孔19内的气体能到达第二界面处。且当固井水泥
21与模拟地层11之间的第二界面胶结不良时，该上方的第一贯通孔19内的气体能在固井水
泥21与模拟地层11之间的第一界面胶结不良处上蹿。进一步地，第二贯通孔35背对第一贯
通孔19的一端朝向模拟地层11敞开。例如如图1所示，第二贯通孔35的右端朝向模拟地层11
敞开。

[0030] 在一个实施方式中，固井水泥21内设置有具有第二贯通孔35的管体。该管体的一端密封连接于另一第一贯通孔19的外端周围的侧壁上。例如如图1所示，该管体的左端密封
连接于位于上方的第一贯通孔19的外端周围的侧壁上。具体地，该密封连接可以是焊接、一
体成型等。

[0031] 在本实施方式中，活塞29可移动地穿设于模拟套管15内。例如如图1所示，活塞29能在模拟套管15内沿上下方向旋动。活塞29能与模拟套管15之间形成第二环形空间33。该
第二环形空间33用于向模拟套管15内施加变化的压力，以模拟固井完成后油田实际生产中
所进行的井下作业，例如压裂、酸化等技术施工所引起的油田井筒内压力的波动。

[0032] 在一个实施方式中，活塞29包括缩径段37和横截面积大于缩径段37的扩径段39，且扩径段39位于缩径段37的下方。缩径段37与模拟套管15之间形成第二环形空间33。扩径
段39的外壁与模拟套管15的内壁密封配合。从而一方面活塞29与模拟套管15之间的流体不
能流入第一贯通孔19内；另一方面，缩径段37与模拟套管15之间形成的第二环形空间33的
下端能被扩径段39的上端面密封，进而避免第二环形空间33内的流体向下流出，进而有利
于对第二环形空间33内压力的精确控制。

[0033] 在本实施方式中，活塞29内设置有用于与第一贯通孔19相连通的第一通道31。从而通过第一通道31能够向第一贯通孔19内注入流体。进一步地，第一通道31的孔径大致与
第一贯通孔19的孔径相等。也即第一通道31一次只能与一个第一贯通孔19相连通，而不能
一次与所有的第一贯通孔19相连通。例如如图1所示，第一通道31只能与位于下方的第一贯
通孔19相连通，而不能与位于上方的第一贯通孔19相连通。从而第一通道31只能向位于下
方的第一贯通孔19内注入流体，而不能向位于上方的第一贯通孔19内注入流体。进而此时
第一通道31内的流体只能通过第一贯通孔19到达第一界面，而不能到达第二界面，如此只
能通过流体检测第一界面的胶结情况。进一步地，当第一通道31只能与位于上方的第一贯
通孔19相连通，而不能与位于下方的第一贯通孔19相连通时，第一通道31只能向位于上方
的第一贯通孔19内注入流体，而不能向位于下方的第一贯通孔19内注入流体。进而此时第
一通道31内的流体只能通过第一贯通孔19到达第二界面，而不能到达第一界面，如此只能
通过流体检测第二界面的胶结情况。如此避免第一通道31同时与两个第一贯通孔19相连通
而无法分辨第一界面和第二界面的胶结情况。

[0034] 进一步地，第一通道31包括设置于缩径段37内的竖直延伸段和设置于扩径段39内的水平延伸段。例如如图1所示，竖直延伸段位于水平延伸段的上方。从而能通过竖直延伸
段向水平延伸段内注入流体。进一步地，水平延伸段背对竖直延伸段的一端用于与第一贯
通孔19相连通。如图1所示，水平延伸段的右端用于与第一贯通孔19相连通。进一步地，操作
时，可以沿上下方向移动活塞29，以使水平延伸段的右端能与一个第一贯通孔19相连通。

[0035] 在本实施方式中，压力加载机构与第二环形空间33相连通。该压力加载机构用于向第二环形空间33内施加压力。从而使得第二环形空间33内能形成变化的压力，进而模拟
固井完成后油田实际生产中所进行的井下作业，例如压裂、酸化等技术施工所引起的油田
井筒内压力的波动。而油田井筒内压力的波动将影响油田井筒外的水泥环的应力状态。如
此该第二环形空间33内压力的变化将影响固井水泥21的应力状态。进一步地，该压力加载
机构可以为增压泵。

[0036] 在一个实施方式中，模拟套管15的上端内还设置有用于密封第二环形空间33的压帽41。压帽41上设置有与第二环形空间33相连通的第二通道43。压力加载机构通过第二通
道43与第二环形空间33相连通。从而通过压帽41、活塞29和模拟套管15能形成密封的第二
环形空间33。进一步地，如图1所示，第二通道43设置于压帽41的右端上。且第二通道43的外
端用于与压力加载机构相连，从而使得压力加载机构能通过该第二通道43向第二环形空间
33内施加变化的压力。

[0037] 进一步地，压帽41上呈具有中心孔45的环状。该环状的压帽41的外壁与模拟套管15的内壁密封配合。该活塞29密封穿设于中心孔45内。从而压帽41能密封第二环形空间33。

[0038] 在本实施方式中，地应力模拟机构用于向模拟地层11、模拟套管15和固井水泥21施加地应力。进一步地，地应力模拟机构为真三轴应力釜。从而通过该地应力模拟机构能真
实地模拟待测量的固井水泥21所在的地层所受到的应力。

[0039] 如图2所示，本申请实施方式还提供了一种利用上述的油气井固井水泥21封隔能力检测装置的检测方法，其包括：步骤S11：通过所述地应力模拟机构向所述模拟地层11、所
述模拟套管15和所述固井水泥21施加地应力；步骤S13：使所述第一通道31与所述第一贯通
孔19相连通且使所述活塞29与所述模拟套管15之间形成所述第二环形空间33；步骤S15：通
过所述压力加载机构向所述第二环形空间33内施加压力；步骤S17：当所述第二环形空间33
内的压力为第一当前加载压力时；对所述第二环形空间33进行卸压直至所述第二环形空间
33内的压力与大气压大致相等；步骤S19：向所述第一通道31内注入高压气体，以使所述高
压气体能通过第一贯通孔19流至所述固井水泥21与所述模拟套管15之间的所述第一界面；
并判断所述高压气体能否从所述固井水泥21与所述模拟套管15之间的第一界面泄漏；步骤
S21：当所述固井水泥21与所述模拟套管15之间的第一界面不存在气体泄漏时，将所述第一
当前加载压力提高预定压力并重复上述步骤S15至步骤S19。

[0040] 由以上方案可以看出，本申请实施方式所述的利用上述的油气井固井水泥21封隔能力检测装置的检测方法通过地应力模拟机构对模拟地层11、模拟套管15和固井水泥21施
加地应力，以模拟真实的地层；且通过压力加载机构向密封的第二环形空间33内施加压力，
使得该第二环形空间33内压力的变化可以近似反应模拟套管15内压力的波动，而该模拟套
管15内压力的波动可以用于模拟固井完成后油田实际生产中所进行的井下作业，例如压
裂、酸化等技术施工所引起的油田井筒内压力的波动。而油田井筒内压力的波动将影响油
田井筒外的水泥环的应力状态。如此该第二环形空间33内压力的变化将影响固井水泥21的
应力状态。最后，通过活塞29内第一通道31向固井水泥21与模拟套管15之间注入高压气体，
以检测固井水泥21与模拟套管15之间的第一界面的胶结能力；并通过活塞29内第一通道31
向固井水泥21与模拟地层11之间注入高压气体，以检测固井水泥21与模拟地层11之间的第
二界面的胶结能力，从而检测了固井水泥21的纵向封隔能力。

[0041] 在本实施方式中，步骤S11：通过地应力模拟机构向模拟地层11、模拟套管15和固井水泥21施加地应力。具体地，通过地应力模拟机构向模拟地层11、模拟套管15和固井水泥
21施加真三轴应力。更具体地，可以采用真三轴应力釜向模拟地层11、模拟套管15和固井水
泥21施加真三轴应力。进一步地，可以在真三轴应力釜内设定围压为0.8MPa进行施力。

[0042] 进一步地，在步骤S11：通过地应力模拟机构向模拟地层11、模拟套管15和固井水泥21施加地应力，之前还包括：

[0043] 步骤S5：制作模拟地层11；其中，模拟地层11内具有模拟井眼13；

[0044] 步骤S7：将模拟套管15下入模拟地层11的模拟井眼13中；其中，模拟套管15上设置有至少一个第一贯通孔19；

[0045] 步骤S9：在模拟套管15和模拟地层11之间的第一环形空间17内填充固井水泥21。

[0046] 具体地，在步骤S5中，该模拟地层11可以根据不同地区地层的地质及物性参数，由水泥、石英砂、特殊添加剂配置而成。进一步地，该模拟地层11可以为边长为400mm或300mm
的立方体。进一步地，该模拟地层11的具体尺寸可以根据实验设备、条件以及研究尺度的变
化而作相应的调整。进一步地，该模拟地层11中间留有直径为90mm，长350mm的圆柱形空间
用做模拟井眼13。具体地，该模拟井眼13的制作过程可以采用如下两种方法：第一，在模拟
地层11的制作过程中预留出模拟井眼13的位置；第二，在已完成的模拟地层11中进行钻孔，
以模拟实际钻井过程。

[0047] 进一步地，在步骤S7中，首先将模拟套管15下入模拟地层11的模拟井眼13中。然后将模拟套管15下端沿上下方向钻出两个第一贯通孔19。进一步地，第一个第一贯通孔19设
置在模拟套管15下端位置。该第一个第一贯通孔19距离模拟套管15底部4cm至5cm。第二个
第一贯通孔19设置在第一个第一贯通孔19的上方。当然该两个第一贯通孔19也可以沿周向
设置。

[0048] 进一步地，在步骤S9中，为了使固井水泥21内具有第二贯通孔35，可以在步骤S7中，用内径约为2mm，外径约为2.5mm的塑料或者是钢管材质的圆柱筒沾固在模拟套管15与
模拟地层11之间。进一步地，该圆柱筒可以为两个。两个圆柱筒可以对称放置在模拟套管15
的两端，也可以根据实际需要更改相应的位置，然后在其相应的位置给模拟套管15打出第
一贯通孔19，同时在刚钻成的第一贯通孔19下方再钻出一个第一贯通孔19。

[0049] 进一步地，在步骤S9中，通过向模拟套管15和模拟地层11之间注入水泥，以使水泥能将模拟套管15和模拟地层11牢固地固结在一起形成固井水泥21。由于在模拟套管15的两
个有两个圆柱筒；所以在形成固井水泥21后，该固井水泥21包裹在圆柱筒的周围；因而该圆
柱筒在固井水泥21内形成第二贯通孔35。

[0050] 在本实施方式中，步骤S13：使第一通道31与第一贯通孔19相连通且使活塞29与模拟套管15之间形成第二环形空间33。具体地，在模拟套管15中装入活塞29，并使活塞29内的
第一通道31下端的出口与最下端的第一贯通孔19连通，并用压帽41将模拟套管15密封。从
而使得压帽41、活塞29与模拟套管15之间形成密封的第二环形空间33。

[0051] 在本实施方式中，步骤S15：通过压力加载机构向第二环形空间33内施加压力直至第二环形空间33内的压力升高至第一当前加载压力。具体地，将压力加载机构与压帽41内
的第二通道43的外端相连，以向第二环形空间33内施加压力。进一步地，可以通过压力加载
机构向第二环形空间33内施加逐渐增大的压力。例如，第二环形空间33内的第一初始压力
与大气压大致相等。通过压力加载机构向第二环形空间33内施加逐渐增大的压力使得第二
环形空间33内的压力升高至2Mpa。由于在固井完成后油田生产要进行井下作业，例如压裂、
酸化等技术施工，而这些井下作业将引起油井筒内压力的波动，进而影响水泥环应力状态，
所以通过向第二环形空间33内施加压力以模拟实际固井完成后油田生产所进行的井下作
业对水泥环的影响。而井下作业例如压裂、酸化等施工过程中油井筒内压力一般为先增大
后减小，所以步骤S15用以模拟油井筒内压力先增大的过程。

[0052] 在本实施方式中，步骤S17：对第二环形空间33进行卸压，以使第二环形空间33内的压力降低至大致与大气压相等。具体地，当模拟套管15的内压达到2MPa并且维持时间达
到1小时之后，进行泄压，以使模拟套管15内的压力降低至大气压。该步骤S17用以模拟油井
筒内压力后减小的过程，从而通过步骤S15和步骤S17能完整模拟施工过程中油井筒内压力
变化过程。

[0053] 在本实施方式中，步骤S19：向第一通道31内注入高压气体，以使高压气体能通过第一贯通孔19流至固井水泥21与模拟套管15之间的第一界面；并判断高压气体能否从固井
水泥21与模拟套管15之间的第一界面泄漏。具体地，首先将活塞29的第一通道31上端的入
口连接至高压气体。由于活塞29下端的扩径段39的外壁与模拟套管15内壁紧密配合。所以
第一通道31内的高压气体不能从活塞29的第一通道31下端的出口流出。接着旋转或者上下
移动活塞29，使活塞29的第一通道31下端的出口能够与模拟套管15最下端的第一贯通孔19
连通，此时活塞29的第一通道31下端的出口能够与第一界面连通。如果第一界面的封隔能
力差，就会导致高压气体直接从第一界面上窜到油气井固井水泥21封隔能力检测装置的上
端。进一步地，设置高压气体的泵入压力为0.8MPa，相当于现场采用16MPa气压检测。进一步
地，可以通过气体流量计在第一界面的上端检测是否存在气体泄漏。或者可以通过肉眼在
第一界面的上端检测是否存在气体泄漏。

[0054] 在本实施方式中，步骤S21：当固井水泥21与模拟套管15之间不存在气体泄漏时，在第一当前加载压力的基础上增加预定压力并重复上述步骤S15至步骤S19。由于当固井水
泥21与模拟套管15之间的第一界面失效后，高压气体能从固井水泥21与模拟套管15之间泄
漏。所以当固井水泥21与模拟套管15之间不存在气体泄漏时，说明固井水泥21与模拟套管
15之间的第一界面的胶结能力并未失效。因此需要重复步骤S15至步骤S19直至固井水泥21
与模拟套管15之间存在气体泄漏。在重复步骤S15至步骤S19之前需要在第一当前加载压力
的基础上增加预定压力，以使得下一次重复步骤S15至步骤S19的过程中的第一当前加载压
力比上一次步骤S15至步骤S19中的第一当前加载压力增加了预定压力，也即当固井水泥21
与模拟套管15之间的第一界面的胶结能力并未失效后，用更大的第一当前加载压力对第二
环形空间33进行施压，以使得固井水泥21与模拟套管15之间的第一界面的胶结能力失效。
当然为了保证实验的准确性，该预定压力不能太大，以保证精确的压力变化梯度。

[0055] 进一步地，本申请实施方式所述的油气井固井水泥21封隔能力检测装置的检测方法还包括：

[0056] 步骤S21：移动活塞29以使第一通道31与另一第一贯通孔19连通且使活塞29与模拟套管15之间形成第二环形空间33；其中，固井水泥21内设置有第二贯通孔35；另一第一贯
通孔19与第二贯通孔35密封连通；第二贯通孔35背对第一贯通孔19的一端朝向模拟地层11
敞开。具体地，沿上下方向旋转或者移动活塞29，使活塞29的第一通道31下端的出口能够与
模拟套管15最上方的第一贯通孔19连通，此时活塞29的第一通道31下端的出口能够通过第
二贯通孔35与第二界面连通。

[0057] 步骤S23：通过压力加载机构向第二环形空间33内施加压力直至第二环形空间33内的压力升高至第二当前加载压力。具体地，将压力加载机构与压帽41内的第二通道43的
外端相连，以向第二环形空间33内施加压力。进一步地，可以通过压力加载机构向第二环形
空间33内施加逐渐增大的压力。例如，第二环形空间33内的第二初始压力与大气压大致相
等。通过压力加载机构向第二环形空间33内施加逐渐增大的压力使得第二环形空间33内的
压力升高至2Mpa。由于在固井完成后油田生产要进行井下作业，例如压裂、酸化等技术施
工，而这些井下作业将引起油井筒内压力的波动，进而影响水泥环应力状态，所以通过向第
二环形空间33内施加压力以模拟实际固井完成后油田生产所进行的井下作业对水泥环的
影响。而井下作业例如压裂、酸化等施工过程中油井筒内压力一般为先增大后减小，所以步
骤S23用以模拟油井筒内压力先增大的过程。

[0058] 步骤S25：对第二环形空间33进行卸压，以使第二环形空间33内的压力降低至大致与大气压相等。具体地，当模拟套管15的内压达到2MPa并且维持时间达到1小时之后，进行
泄压，以使模拟套管15内的压力降低至大气压。该步骤S25用以模拟油井筒内压力后减小的
过程，从而通过步骤S23和步骤S25能完整模拟施工过程中油井筒内压力变化过程。

[0059] 步骤S27：向第一通道31内注入高压气体，以使高压气体能通过第二贯通孔35流至固井水泥21与模拟地层11之间的第二界面；并判断高压气体能否从固井水泥21与模拟地层
11之间的第二界面泄漏。由于活塞29的第一通道31下端的出口能够通过第二贯通孔35与第
二界面连通；所以如果第二界面的封隔能力差，就会导致高压气体直接从第二界面上窜到
油气井固井水泥21封隔能力检测装置的上端。进一步地，设置高压气体的泵入压力为
0.8MPa，相当于现场采用16MPa气压检测。进一步地，可以通过气体流量计在第二界面的上
端检测是否存在气体泄漏。或者可以通过肉眼在第二界面的上端检测是否存在气体泄漏。

[0060] 步骤S29：当固井水泥21与模拟地层11之间的第二界面不存在气体泄漏时，在第二当前加载压力的基础上增加预定压力并重复上述步骤S23至步骤S27。由于当固井水泥21与
模拟地层11之间的第二界面的胶结能力失效后，高压气体能从固井水泥21与模拟地层11之
间泄漏。所以当固井水泥21与模拟地层11之间不存在气体泄漏时，说明固井水泥21与模拟
地层11之间的第二界面的胶结能力并未失效。因此需要重复步骤S23至步骤S27直至固井水
泥21与模拟地层11之间存在气体泄漏。在重复步骤S23至步骤S27之前需要在第二当前加载
压力的基础上增加预定压力，以使得下一次重复步骤S23至步骤S27的过程中的第二当前加
载压力比上一次步骤S23至步骤S27中的第二当前加载压力增加了预定压力，也即当固井水
泥21与模拟地层11之间的第二界面的胶结能力并未失效后，用更大的第二当前加载压力对
第二环形空间33进行施压，以使得固井水泥21与模拟地层11之间的第二界面的胶结能力失
效。当然为了保证实验的准确性，该预定压力不能太大，以保证精确的压力变化梯度。

[0061] 进一步地，由于第二贯通孔35与上方的第一贯通孔19密封连通，所以对第一界面和第二界面的检测顺序不固定，也即可以首先将活塞29的第一通道31下端的出口与下方的
第一贯通孔19相连通，以检测第一界面的胶结能力是否失效，然后再将活塞29的第一通道
31下端的出口与上方的第一贯通孔19相连通，以检测第二界面的胶结能力是否失效。也可
以首先将活塞29的第一通道31下端的出口与上方的第一贯通孔19相连通，以检测第二界面
的胶结能力是否失效，然后再将活塞29的第一通道31下端的出口与下方的第一贯通孔19相
连通，以检测第一界面的胶结能力是否失效。

[0062] 需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在
本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

[0063] 应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易
见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这
些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专
利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的
任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的
申请主题的一部分。