本发明涉及一种套管水泥环界面法向胶结参数的测试方法，包括步骤：制备法向胶结参数测试装置，所述测试装置包括套管微元片以及与所述套管微元片粘结的水泥，所述水泥与所述套管微元片之间形成的界面为套管水泥环界面；对所述套管微元片持续加载直至所述套管微元片与所述水泥分离，记录并保存加载过程中的载荷‑位移数据；将所述载荷‑位移数据转换为应力和应变数据；根据所述应力和应变数据绘制应力‑应变曲线图，根据所述曲线图获得法向胶结强度、法向胶结刚度以及法向胶结断裂能。本发明提供的法向胶结参数测试方法不仅能够用于测试套管水泥环界面法向胶结强度，还能够进一步测试套管水泥环界面法向胶结刚度和套管水泥环界面法向胶结断裂能。
1.一种套管水泥环界面法向胶结参数测试方法，其特征在于，包括步骤：制备套管水泥环界面法向胶结参数测试装置，所述测试装置包括套管微元片以及与所述套管微元片胶结的水泥，所述水泥与所述套管微元片之间形成的界面为套管水泥环界面；
沿着法向方向对所述套管微元片持续加载直至所述套管微元片与所述水泥分离，记录并保存加载过程中的载荷‑位移数据；
根据所述应力和应变数据绘制应力‑应变曲线图，其中x轴为应变ε，y轴为应力σ，图中最高点对应的纵坐标值σb即为套管水泥环界面法向胶结强度；
将最高点之前的数据采用最小二乘法进行线性拟合，得到拟合直线，所述拟合直线的方程为y＝kx+c，直线的斜率k为套管水泥环界面法向胶结刚度，c为常数；
将应力‑应变曲线沿x轴进行积分，计算应力‑应变曲线与x轴围成的总面积Wt，所述Wt即为套管水泥环界面法向胶结断裂能；
所述套管水泥环界面法向胶结参数测试装置还包括养护箱和压头，所述养护箱内形成有上端开口的养护腔，所述养护箱的两侧的侧壁上均匀间隔设有若干个养护槽，两侧侧壁上的养护槽相对设置，每个所述养护槽的顶部均贯穿所述养护箱的侧壁的顶部，所述养护腔内用于水泥的养护，所述压头用于对所述套管微元片的两端加载；
所述套管微元片包括至少一个，每两个相对的养护槽对应一个所述套管微元片，每个所述套管微元片均位于对应的两个所述养护槽内，所述套管微元片的两端从对应的所述养护槽的两侧延伸出去，所述套管微元片的底部与所述养护腔内的水泥固结为一体；
所述制备套管水泥环界面法向胶结参数测试装置具体包括步骤：使所述养护腔的开口向上；
将所述套管微元片放置在对应的两个养护槽内，且使套管微元片的两端从两侧的所述养护槽一侧延伸出去；
向养护腔内注入水泥至套管微元片下表面高度，以使套管微元片的底部与所述水泥之间固结为一体，以形成套管水泥环界面；
将粘结有所述套管微元片的养护箱翻转，以使养护腔的开口朝下；
将所述压头置于所述套管微元片上，且使所述套管微元片的两端分别位于压头两侧的压槽内，压力测试机对所述压头施加压力直至套管微元片脱落。
2.根据权利要求1所述的套管水泥环界面法向胶结参数测试方法，其特征在于，将所述载荷‑位移数据转换为应力和应变数据，具体为：根据公式(1)将所述载荷‑位移数据转换为应力数据，所述公式(1)为：式(1)中：σ为套管微元片与水泥界面法向应力；
L为套管微元片与水泥沿套管微元片长度方向的胶结长度；
根据公式(2)将所述载荷‑位移数据转换为应变数据，所述公式(2)为：式(2)中：ε为套管微元片水泥界面法向应变；
3.根据权利要求1所述的法向胶结参数测试方法，其特征在于，所述Wt的计算方法如下：其中：Wt为套管水泥环界面法向胶结断裂能；
4.根据权利要求3所述的套管水泥环界面法向胶结参数测试方法，其特征在于，当对其中一个套管微元片进行测试以后，将所述压头对准下一个所述套管微元片，压力测试机对所述压头施加压力直至下一个套管微元片脱落，如此循环，直至所有的套管微元片全部脱落，记录并获取每一个套管微元片脱落过程中的载荷‑位移数据。
5.根据权利要求4所述的法向胶结参数测试方法，其特征在于，所述加载的方式具体采用恒位移加载方式，加载速度为每秒0.005mm/s。
6.根据权利要求5所述的套管水泥环界面法向胶结参数测试方法，其特征在于，所述测试装置包含底座，所述底座用于支撑所述养护箱、多个所述套管微元片以及压头，所述底座的顶部形成有定位槽，所述养护箱位于所述定位槽内，所述定位槽的尺寸与所述养护箱的尺寸相配合。
7.根据权利要求6所述的套管水泥环界面法向胶结参数测试方法，其特征在于，多个所述套管微元片之间的表面粗糙度均不相同。
8.根据权利要求7所述的套管水泥环界面法向胶结参数测试方法，其特征在于，所述套管微元片的宽度比所述养护槽的宽度小1毫米。
9.根据权利要求6所述的套管水泥环界面法向胶结参数测试方法，其特征在于，所述养护箱为方形养护箱，所述养护腔为方形养护腔，所述底座上形成的定位凹槽为方形凹槽，所述定位凹槽的长和宽分别与所述养护箱的长和宽相同；所述压头包括两块垂直压板和连接两块所述垂直压板的水平压板，两块所述垂直压板的底部形成有与所述套管微元片两端相配合的压槽。
一种套管水泥环界面法向胶结参数测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及油气田开发领域，具体涉及一种套管水泥环界面法向胶结参数测试方法。
背景技术
[0002] 在储气库多轮次注采过程和CO2回注过程中井筒会承受交替变化的波动内压作用，注气时内压增高套管发生膨胀，采气过程中内压降低套管又会收缩，在反复膨胀收缩过程中由于套管和水泥环力学性质的差异容易出现两者变形不一致情况，从而导致套管‑水泥环界面发生脱离形成微环隙，在后续注采气过程中气体会沿着微环隙上窜至地面逃逸到大气中，造成储气库完整性失效和CO2封存失败。
[0003] 保障套管水泥环系统密封性对储气库注采气安全及CO2有效封存至关重要，作为套管水泥环系统的薄弱环节，两者之间界面完整性和密封性是保障系统整体密封性的关键，因此有必要对两者界面在压力波动下的胶结性质开展研究。
[0004] 套管水泥环组合体为圆筒状几何体，两者界面胶结参数在力学上可分解为切向胶结参数和法向胶结参数，切向胶结参数为套管和水泥环在与接触面相切方向上的胶结参数，决定着套管水泥环轴向相对滑移和环向相对转动与否，法向胶结参数为套管水泥环在与接触面垂直方向上的胶结参数，决定着套管水泥环法向粘接失效脱离与否，只有当切向胶结参数和法向胶结参数同时满足参数要求时才能保障界面胶结性能完整，因此法向胶结参数和切向胶结参数需要分别开展针对性研究测试。
[0005] 套管水泥环界面几个重要的法向胶结力学参数包含有法向胶结强度、法向胶结刚度和法向胶结断裂能。法向胶结强度为单位胶结面积所能承受的极限法向应力值，表征胶结面抵御法向载荷的破坏能力。法向胶结刚度为胶结面在法向外载作用下应力与应变的比值，表征胶结界面法向变形的难易程度。法向胶结断裂能是指胶结面产生法向单位面积破坏所消耗的能量，可从能量角度表征界面法向胶结破坏难易程度。
[0006] 目前已有专利均只涉及到法向胶结强度的测试，还未发现有法向胶结刚度和法向胶结断裂能的测试方法。
发明内容
[0007] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种套管水泥环界面法向胶结参数测试方法，不仅能用于测试套管水泥环界面法向胶结强度，还能够进一步测试法向胶结刚度和法向胶结断裂能。
[0008] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
[0009] 一种套管水泥环界面法向胶结参数测试方法，包括步骤：
[0010] 制备套管水泥环界面法向胶结参数测试装置，所述测试装置包括套管微元片以及与所述套管微元片胶结的水泥，所述水泥与所述套管微元片之间胶结形成的界面为套管水泥环界面；
[0011] 沿着法向方向对所述套管微元片持续加载直至所述套管微元片与所述水泥分离，记录并保存加载过程中的载荷‑位移数据；
[0012] 将所述载荷‑位移数据转换为应力和应变数据；
[0013] 根据所述应力和应变数据绘制应力‑应变曲线图，其中x轴为应变ε，y轴为应力σ，图中最高点对应的纵坐标值σb即为套管水泥环界面法向胶结强度；
[0014] 将最高点之前的数据采用最小二乘法进行线性拟合，得到拟合直线，所述拟合直线的方程为y＝kx+c，直线的斜率k为套管水泥环界面法向胶结刚度，c为常数；
[0015] 将应力‑应变曲线沿x轴进行积分，计算应力‑应变曲线与x轴围成的总面积Wt，所述Wt即为套管水泥环界面法向胶结断裂能。
[0016] 进一步的，将所述载荷‑位移数据转换为应力和应变数据，具体为：
[0017] 根据公式(1)将所述载荷‑位移数据转换为应力数据，所述公式(1)为：
[0018]
[0019] 式(1)中：σ为套管微元片与水泥界面法向应力；
[0020] F为套管微元片与水泥界面所受到的总法向力；
[0021] w为套管微元片宽度；
[0022] L为套管微元片与水泥沿套管微元片长度方向的胶结长度；
[0023] 根据公式(2)将所述载荷‑位移数据转换为应变数据，所述公式(2)为：
[0024]
[0025] 式(2)中：ε为套管微元片与水泥界面法向应变；
[0026] S为套管微元片位移；
[0027] H为套管微元片与水泥的法向胶结层厚度。
[0028] 进一步的，所述Wt的计算方法如下：
[0029]
[0030] 其中：Wt为套管水泥环界面法向胶结断裂能；
[0031] εc为应力应变曲线横坐标的最大值。
[0032] 进一步的，所述套管水泥环界面法向胶结参数测试装置还包括养护箱和压头，所述养护箱内形成有上端开口的养护腔，所述养护箱的两侧的侧壁上均匀间隔设有若干个养护槽，两侧侧壁上的养护槽相对设置，每个所述养护槽的顶部均贯穿所述养护箱的侧壁的顶部，所述养护腔内用于水泥养护，所述压头用于对所述套管微元片的两端加载；
[0033] 所述套管微元片包括至少一个，每两个相对的养护槽对应一个所述套管微元片，每个所述套管微元片均位于对应的两个所述养护槽内，所述套管微元片的两端从对应的所述养护槽的两侧延伸出去，所述套管微元片的底部与所述养护腔内的水泥固结为一体；
[0034] 所述制备套管水泥环界面法向胶结参数测试装置具体包括步骤：
[0035] 使所述养护腔的开口向上；
[0036] 将所述套管微元片放置在对应的两个养护槽内，且使套管微元片的两端从两侧的所述养护槽一侧延伸出去；
[0037] 向养护腔内注入水泥至套管微元片下表面高度，以使套管微元片的底部与所述水泥之间固结为一体，以形成套管水泥环界面；
[0038] 将粘结有所述套管微元片的养护箱翻转，以使养护腔的开口朝下；
[0039] 所述压头对所述套管微元片加载，具体为：
[0040] 将所述压头置于所述套管微元片上，且使所述套管微元片的两端分别位于压头两侧的压槽内，压力测试机对所述压头施加压力直至套管微元片脱落。
[0041] 进一步的，当对其中一个套管微元片进行测试以后，将所述压头对准下一个所述套管微元片，压力测试机对所述压头施加压力直至下一个套管微元片脱落，如此循环，直至所有的套管微元片全部脱落，记录并获取每一个套管微元片脱落过程中的载荷‑位移数据。
[0042] 进一步的，所述加载的方式具体采用恒位移加载方式，加载速度为每秒0.005mm/s。
[0043] 进一步的，所述测试装置底座，所述底座用于支撑所述养护箱、多个所述套管微元片以及压头，所述底座的顶部形成有定位槽，所述养护箱位于所述定位槽内，所述定位槽的尺寸与所述养护箱的尺寸相配合。
[0044] 进一步的，多个所述套管微元片之间的表面粗糙度均不相同。
[0045] 进一步的，所述套管微元片的宽度比所述养护槽的宽度小1毫米。
[0046] 进一步的，所述养护箱为方形养护箱，所述养护腔为方形养护腔，所述底座上形成的定位凹槽为方形凹槽，所述定位凹槽的长和宽分别与所述养护箱的长和宽相同；所述压头包括两块垂直压板和连接两块所述垂直压板的水平压板，两块所述垂直压板的底部形成有与所述套管微元片两端相配合的压槽。
[0047] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明提供的套管水泥环界面法向胶结参数测试方法不仅能够用于测试套管水泥环界面法向胶结强度，还能够进一步测试套管水泥环界面法向胶结刚度和套管水泥环界面法向胶结断裂能。
[0048] 本发明提供的套管水泥环界面法向胶结测试方法，通过将测试装置设计为包括养护腔以及多个套管微元片，多个套管微元片与养护腔内的水泥胶结形成为多个套管水泥环界面，通过压头的依次施压，能够对不同表面粗糙度套管水泥环界面法向胶结参数进行测试，提高了测试的效率。
附图说明
[0049] 图1为本发明一实施例提供的套管水泥环界面法向胶结参数测试方法中根据载荷‑位移(F‑S)数据绘制的应力‑应变(σ‑ε)关系曲线图；
[0050] 图2为套管水泥环界面法向胶结参数测试装置的结构示意图；
[0051] 图3为养护箱进行养护与套管微元片固结的结构示意图；
[0052] 图4为养护箱的结构示意图；
[0053] 图5为底座的结构示意图；
[0054] 图6为压头的结构示意图；
[0055] 图7为套管微元片的结构示意图。
[0056] 附图标记说明：
[0057] 1‑底座、2‑养护箱、3‑压头、4‑套管微元片、21‑养护腔、22‑养护槽、31‑垂直压板、32‑水平压板、33‑压槽、11‑定位槽。
具体实施方式
[0058] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0060] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0061] 本发明提供的一种法向胶结参数测试方法的优选实施例，包括步骤：
[0062] S1、制备套管水泥环界面法向胶结参数测试装置，所述测试装置包括套管微元片以及与所述套管微元片胶结的水泥，所述水泥与所述套管微元片之间形成的界面为套管水泥环界面；
[0063] S2、对所述套管微元片沿着法向方向采用恒位移加载方式，加载速度为0.005mm/s，以使所述套管微元片与所述水泥脱粘分离；
[0064] S3、持续加载直至所述套管微元片与所述水泥脱粘分离，记录并保存加载过程中的载荷‑位移(F‑S)数据；
[0065] S4、将所述载荷‑位移(F‑S)数据根据公式转换为应力和应变数据；具体为：
[0066] 根据公式(1)将所述载荷‑位移(F‑S)数据转换为应力数据，所述公式(1)为：
[0067]
[0068] 式(1)中：σ为套管微元片与水泥界面法向应力；
[0069] F为套管微元片水泥界面所受到的总法向力；
[0070] w为套管微元片宽度；
[0071] L为套管微元片与水泥沿套管微元片长度方向的胶结长度；
[0072] 根据公式(2)将所述载荷‑位移数据转换为应变数据，所述公式(2)为：
[0073]
[0074] 式(2)中：ε为套管微元片水泥界面法向应变；
[0075] S为套管微元片法向位移；
[0076] H为套管微元片与水泥法向胶结层厚度。
[0077] S5、根据所述应力和应变数据绘制应力‑应变(σ‑ε)曲线图，如图1所示，其中x轴为应变，y轴为应力，图中最高点对应的纵坐标值σb即为套管水泥环界面法向胶结强度；
[0078] S6、将最高点之前的数据采用最小二乘法进行线性拟合，得到拟合直线，所述拟合直线的方程为y＝kx+c，直线的斜率k为套管水泥环界面法向胶结刚度，c为常数；
[0079] S7、将应力‑应变(σ‑ε)曲线沿x轴进行积分，计算应力‑应变(σ‑ε)曲线与x轴围成的总面积Wt，所述Wt即为套管水泥环界面法向胶结断裂能。所述Wt的计算方法如下：
[0080]
[0081] 其中：Wt为套管水泥环界面法向胶结断裂能；
[0082] εc为应力应变(σ‑ε)曲线横坐标的最大值。
[0083] 如图2至图7所示，所述法向胶结参数测试装置包括底座1、养护箱2、三个所述套管微元片4以及压头3。所述底座1用于实验过程中支撑所述养护箱2、三个所述套管微元片4以及压头3。所述养护箱2内用于填充水泥。所述套管微元片4取自套管外表面，且三个所述套管微元片4的表面粗糙度均不相同，三个所述套管微元片4与所述养护箱2内的水泥之间粘结形成的界面为套管水泥环界面，所述压头3用于依次对三个所述套管微元片4施加压力，直至套管微元片4脱落，记录并获取测试中法向胶结参数。
[0084] 所述装置能够对不同表面粗糙度套管水泥环界面法向胶结参数进行测试，从而为实际套管水泥环的设计提供理论指导。
[0085] 所述底座1的顶部形成有定位槽11，所述养护箱2位于所述定位槽11内，所述定位槽11的尺寸与所述养护箱2的尺寸相配合，所述定位槽11的设置能够对养护箱2进行定位，避免在压头施加压力过程中产生滑移，影响实验的准确性。
[0086] 所述养护箱2为方形，所述养护箱2内形成有上端开口的方形的养护腔21，所述养护箱2的两侧的侧壁上均间隔开设有若干个养护槽22，两侧侧壁上的养护槽22相对设置，每个所述养护槽22的顶部均贯穿所述养护箱2的侧壁的顶部。所述养护腔21内用于填充水泥。
[0087] 这里需要说明的是，所述养护箱2也并不限于为方形，也可以是圆形或者其他的形状。优选为方形。同样的所述养护腔21也不限于方形，还可以为圆形等。
[0088] 每两个相对的养护槽22对应一个套管微元片4，每个所述套管微元片4均位于相对的两个所述养护槽22内，由两个所述养护槽22进行支撑。所述套管微元片4的两端从对应的所述养护槽22的两侧延伸出去，所述套管微元片4的底部与所述养护腔21内的水泥粘结为一体。
[0089] 三个所述套管微元片4之间的表面粗糙度均不相同。所述套管微元片4取自套管外表面，所述套管微元片4表面粗糙度与全尺寸套管表面粗糙度相同。三个所述套管微元片4的长、宽和高均相同。
[0090] 为了进一步提高实验测试的准确性，所述套管微元片4的宽度比所述养护槽22的宽度小1毫米。本发明中通过将所述套管微元片4的宽度设置为比所述养护槽22的宽度小1毫米，能够避免实验过程中由于套管微元片4与两侧的养护槽22接触，影响实验结果。
[0091] 所述养护箱2长度和宽度与所述定位槽11的长度和宽度相同，所述定位槽11的深度优选为2毫米，在进行养护作业及胶结参数测试流程时，将所述养护箱2放置在所述定位槽11中，所述定位槽11可对所述养护箱2进行固定及支撑。
[0092] 所述养护箱2上养护槽22的深度要大于套管微元片4的厚度，在测试实验过程中能够方便观察套管微元片4的脱落与否。
[0093] 所述压头3包括两垂直压板31和连接两块所述垂直压板31的水平压板32，两块所述垂直压板31的底部成有与所述套管微元片4两端相配合的压槽，用于对所述套管微元片3的两端进行施压。
[0094] 所述步骤S1制备法向胶结参数测试装置，具体包括步骤：
[0095] S1、将所述养护箱2放置在所述底座1上的定位槽11内，以使所述养护腔21的开口向上；
[0096] S2、将所述套管微元片4放置在对应的养护槽22内，且使套管微元片4的两端从两侧的所述养护槽22延伸出去；
[0097] S3、向养护腔21内注水泥至套管微元片4下表面高度，以使套管微元片4的底部与所述水泥固结为一体，所述套管微元片4与所述水泥之间胶结的界面为套管水泥环界面。
[0098] 所述加载的方式具体为：
[0099] 对所述套管微元片4加载，具体为：
[0100] 将所述压头3置于所述套管微元片4上，且使所述套管微元片4的两端分别位于压头3两侧的压槽内，压力测试机对所述压头3施加压力直至套管微元片4脱落。
[0101] 当对其中一个套管微元片4进行测试以后，将所述压头3对准下一个所述套管微元片4，压力测试机对所述压头3施加压力直至下一个套管微元片4脱落，如此循环直至所有的套管微元片4全部脱落，记录并获取每一个套管微元片4脱落过程中的载荷‑位移(F‑S)数据。
[0102] 因此，本发明还能够一次对多个不同表面粗糙度套管水泥环界面法向胶结参数进行测试，提高了测试的效率。
[0103] 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。
