本發(fā)明涉及油氣井技術領域，具體是一種用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的裝置及方法，特別是一種用于評價頁巖氣井內(nèi)大規(guī)模多級壓裂環(huán)境下套管完整性的裝置及方法。

背景技術：

目前，國內(nèi)外頁巖氣井的開發(fā)主要是通過大規(guī)模多級壓裂改造儲層滲透率實現(xiàn)的，而大規(guī)模多級壓裂改造技術會對井筒產(chǎn)生循環(huán)溫度效應及循環(huán)高壓作用，影響井筒中套管完整性，其中完整性是指井筒與水泥環(huán)之間的密封性是否可靠、井筒是否變形。在實際開采中，頁巖氣井大規(guī)模多級壓裂階段多次出現(xiàn)套管變形損壞，主要是壓裂產(chǎn)生的裂縫和高溫高壓環(huán)境改變地層應力分布，對套管產(chǎn)生應力集中，引起套管屈服。

現(xiàn)有的針對井筒完整性的實驗裝置集中研究了壓力和溫度對水泥環(huán)的影響，但是，現(xiàn)有的該些裝置只是單純針對套管或水泥環(huán)設定模擬條件，并沒有設置地層，也沒有針對地層設定壓力環(huán)境，無法真實的模擬井下井筒環(huán)境，且該些裝置只能實現(xiàn)單個或幾個影響因素的井下環(huán)境模擬(例如只考慮了溫度、壓力因素)，而無法設置非均勻地應力、水泥漿高溫高壓侯凝及套管偏心等環(huán)境，測量系統(tǒng)簡易，不能真實、準確、定量的評價井筒完整性。

有鑒于上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明人結(jié)合相關制造領域多年的設計及使用經(jīng)驗，提供一種用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的裝置及方法，來克服上述缺陷。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一目的是提供一種用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的裝置，其能真實模擬井筒壓裂環(huán)境，準確、定量的實現(xiàn)對井筒完整性的評價。

本發(fā)明的另一目的是提供一種用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的方法，其能真實模擬井筒壓裂環(huán)境，準確、定量的實現(xiàn)對井筒完整性的評價。

本發(fā)明的上述目的可采用下列技術方案來實現(xiàn)：

本發(fā)明提供一種用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的裝置，其包括：密封的腔體，其橫截面呈矩形，所述腔體內(nèi)貼設井筒，所述井筒包括巖體和設于所述巖體內(nèi)的套管，所述套管與所述巖體之間形成水泥環(huán)空，所述水泥環(huán)空與水泥漿儲存罐相連；地應力供給機構(gòu)，其包括兩個能向所述巖體施加壓力的加壓板，兩個所述加壓板設于所述腔體內(nèi)并相互垂直的貼設于所述巖體的兩個側(cè)面；溫度調(diào)節(jié)機構(gòu)，其包括銅芯棒和液氮罐，所述銅芯棒的一端插設于所述套管內(nèi)，所述銅芯棒的另一端與加熱平臺相連，所述液氮罐能分別與所述套管和所述水泥環(huán)空相連；壓力供給機構(gòu)，其包括第一液壓泵和第二液壓泵，所述第一液壓泵與所述套管相連，所述第二液壓泵與所述水泥環(huán)空相連；測量機構(gòu)，其包括氣體流量計、三組應變片和三組熱電偶，所述氣體流量計與所述水泥環(huán)空相連，三組所述應變片和三組所述熱電偶均分別設于所述套管的內(nèi)壁、所述套管的外壁和所述巖體的內(nèi)壁，所述氣體流量計、所述應變片和所述熱電偶分別與一計算處理單元電連接。

在優(yōu)選的實施方式中，所述腔體的底壁的上表面凸設下環(huán)形凸起，所述腔體的頂壁的下表面凸設上環(huán)形凸起，所述套管的兩端分別卡設于所述上環(huán)形凸起和所述下環(huán)形凸起。

在優(yōu)選的實施方式中，所述腔體的兩個側(cè)面分別設有與所述加壓板對應的密封板，所述密封板的內(nèi)壁凹設活塞腔，所述加壓板的外壁與活塞的一端相連，所述活塞的另一端密封設于所述活塞腔內(nèi)并與所述活塞腔的底面圍設形成壓力室，所述壓力室與第三液壓泵相連。

在優(yōu)選的實施方式中，所述腔體的底壁上設有與所述套管連通的油口，所述溫度調(diào)節(jié)機構(gòu)還包括油泵和油箱，所述油泵通過設有進油閥的管路與所述油口相連，所述油箱通過設有泄壓閥的管路與所述油口相連。

在優(yōu)選的實施方式中，所述銅芯棒包括基座和連接于所述基座上的棒體，所述基座的上表面與所述腔體的底壁相連，所述棒體穿過所述腔體的底壁并插設于所述套管內(nèi)，所述基座的下表面與所述加熱平臺相連。

在優(yōu)選的實施方式中，所述腔體的頂壁設有與所述套管連通的套管注入口和與所述水泥環(huán)空連通的環(huán)空注入口，所述第一液壓泵通過設有套壓控制閥的管路與所述套管注入口相連，所述第二液壓泵通過設有環(huán)壓控制閥的管路、所述水泥漿儲存罐通過設有水泥漿注入閥的管路及所述液氮罐通過設有液氮罐控制閥的管路分別與所述環(huán)空注入口相連；所述腔體的底壁設有與所述水泥環(huán)空連通的檢測口，所述氣體流量計通過設有密封控制閥的管路與所述檢測口相連。

在優(yōu)選的實施方式中，每組所述應變片包括三個應變片單元，三個所述應變片單元自上而下等間隔設置，每組所述熱電偶包括兩個熱電偶單元，兩個所述熱電偶單元分別設于兩兩相鄰的所述應變片單元之間。

在優(yōu)選的實施方式中，所述巖體內(nèi)設有通孔，所述套管設于所述巖體的通孔內(nèi)，所述套管的軸向中心線、所述巖體的通孔的軸向中心線和所述腔體的中心線共線；或所述套管的軸向中心線與所述腔體的中心線共線，且所述巖體的通孔的軸向中心線與所述套管的軸向中心線相偏離。

本發(fā)明還提供一種用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的方法，其采用如上所述的用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的裝置，其包括如下步驟：步驟S1：由水泥漿儲存罐向水泥環(huán)空內(nèi)注入水泥漿，加熱平臺通過銅芯棒將所述套管加熱至設定溫度，通過第二液壓泵向所述水泥環(huán)空注入設定壓力，直至所述水泥環(huán)空內(nèi)的水泥漿凝固，停止所述加熱平臺加熱；步驟S2：將液氮罐和氣體流量計分別與所述水泥環(huán)空連通，通過兩個加壓板向巖體加壓；步驟S3：所述加熱平臺將所述套管加熱至試驗壓裂溫度，通過第一液壓泵向所述套管內(nèi)施加試驗壓裂壓力，由計算處理單元記錄氣體流量計、應變片和熱電偶的數(shù)值。

在優(yōu)選的實施方式中，在所述步驟S1中，通過油泵向所述套管內(nèi)注入礦物油，所述加熱平臺通過銅芯棒加熱所述礦物油，所述礦物油將所述套管加熱至所述設定溫度。

本發(fā)明用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的裝置及方法的特點及優(yōu)點是：

1、本發(fā)明通過巖體、套管和水泥環(huán)空組成的井筒模擬地下真實井筒，通過將套管置于密封腔體內(nèi)并卡設于腔體的頂壁和底壁之間，以真實模擬套管在受高壓高溫和地應力作用下的變形狀況，其中，通過加熱平臺加熱銅芯棒和礦物油以模擬井下高溫環(huán)境，并通過液氮罐向套管內(nèi)注入氮氣，實現(xiàn)對井筒的降溫，并可通過循環(huán)加熱-降溫的方式模擬壓裂過程中井筒的溫度變化，通過第一液壓泵向套管內(nèi)注入壓力，模擬井下的壓裂壓力，通過第三液壓泵向活塞施加壓力并傳遞給加壓板，模擬地層的地應力，并通過調(diào)節(jié)兩個第三液壓泵施加相同或不同的壓力，實現(xiàn)均勻地應力或非均勻地應力的模擬，精確控制溫度和壓力參數(shù)，以真實模擬高溫高壓及大規(guī)模多級壓裂的復雜井下工況，檢測分析井筒應力場和溫度場的變化和分布、水泥環(huán)密封性的變化，以分析溫度場變化和壓力場變化對井筒完整性的影響，及不同地層狀態(tài)和不同地應力作用對井筒完整性的影響，同時還有利于尋找套管疲勞或損壞的作業(yè)極限，為壓裂作業(yè)的優(yōu)化設計和套管體系的優(yōu)選提供重要參考依據(jù)。

2、本發(fā)明將設置于套管內(nèi)壁、套管外壁和巖體內(nèi)壁的三組應變片和三組熱電偶均與計算處理單元電連接，實現(xiàn)對巖體和套管的應力場和溫度場的分布和變化的實時監(jiān)測，將連接于水泥環(huán)空下端的氣體流量計與計算處理單元電連接，實現(xiàn)定量的評價水泥環(huán)密封性，將用于分別監(jiān)測并顯示兩個加壓板施加給巖體的地應力的兩個第三壓力表、用于監(jiān)測并顯示第一液壓泵施加給套管的壓力的第一壓力表、用于監(jiān)測并顯示第二液壓泵施加給水泥環(huán)空的壓力的第二壓力表均通過導線傳遞給信號轉(zhuǎn)換器再傳遞給計算處理單元，通過計算處理單元編程記錄相關參數(shù)的變化并進行相應的處理，實現(xiàn)對地應力、套管內(nèi)壓力、水泥環(huán)空內(nèi)壓力的實時監(jiān)測和分析，能精確控制各壓力參數(shù)，模擬數(shù)值準確、精度高，為分析壓裂環(huán)境下套管完整性提供完整、準確、全面的試驗數(shù)據(jù)。

3、本發(fā)明通過加熱平臺加熱銅芯棒、并通過銅芯棒加熱礦物油、并通過礦物油加熱套管，使套管均勻受熱，進而對水泥環(huán)和巖體加熱，并通過環(huán)壓控制閥控制水泥環(huán)空內(nèi)的壓力，使水泥環(huán)空內(nèi)的水泥漿在高溫高壓下凝固成水泥環(huán)(也可稱為水泥塊)，使水泥環(huán)連接套管與巖體，通過液氮罐向其內(nèi)注入氮氣，并通過氣體流量計檢測通過的氮氣的流量，以實現(xiàn)對水泥環(huán)的密封性的檢測，其真實的模擬了水泥漿高溫高壓的侯凝環(huán)境，使對凝固后的水泥環(huán)(或水泥塊)的測試更加準確。

4、本發(fā)明還能通過設置不同頁巖氣井內(nèi)的頁巖巖心制成的巖體、設置套管與巖體同心或不同心、設置水泥環(huán)存在角度缺失(比如在注入水泥漿時，在水泥環(huán)空內(nèi)設置空氣囊，使水泥環(huán)出現(xiàn)角度缺失而不能保持整個環(huán)形體形狀)等復雜的試驗環(huán)境，定量分析各復雜的環(huán)境因素對井筒的應力場和溫度場分布和變化的影響，為后期完井優(yōu)化設計提供參考；本發(fā)明克服了現(xiàn)有試驗裝置過于簡單、僅能模擬溫度或壓力等個別因素下的井下環(huán)境而無法準確模擬的缺陷，實現(xiàn)了準確、全面的模擬井下各種復雜工況，及在復雜的井下工況下對井筒完整性的定量分析。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的裝置的俯視剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標號說明：

10腔體，11側(cè)壁，12底壁，13頂壁，14密封板，141活塞腔，142加壓口，15導線出入口，16套管注入口，17環(huán)空注入口，18油口，19檢測口；

20井筒，21巖體，211通孔，22套管，23水泥環(huán)空，24水泥漿儲存罐，25水泥漿注入閥；

30加熱平臺，31銅芯棒，311基座，312棒體，32油泵，33進油閥，34油箱，35泄油閥，36液氮罐，37液氮罐控制閥，38第一切換閥，39第二切換閥；

40第一液壓泵，41第一壓力表，42套壓控制閥，43第二液壓泵，44第二壓力表，45環(huán)壓控制閥；

50加壓板，51活塞，52地應力控制閥，53第三液壓泵，54第三壓力表；

60計算處理單元，61信號轉(zhuǎn)換器，62氣體流量計，63密封控制閥，64應變片，65熱電偶。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

除非單獨定義指出的方向以外，本文中涉及到的上、下等方向均是以本發(fā)明所示的圖1中的上、下等方向為準，在此一并說明。

實施方式一

如圖1至圖2所示，本發(fā)明提供一種用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的裝置，其包括：密封的腔體10，其橫截面呈矩形，所述腔體10內(nèi)貼設井筒20，所述井筒20包括巖體21和設于所述巖體21內(nèi)的套管22，所述套管22與所述巖體21之間形成水泥環(huán)空23，所述水泥環(huán)空23與水泥漿儲存罐24相連；地應力供給機構(gòu)，其包括兩個能向所述巖體21施加壓力的加壓板50，兩個所述加壓板50設于所述腔體10內(nèi)并相互垂直的貼設于所述巖體21的兩個側(cè)面，以通過地應力供給機構(gòu)控制施加于井筒20的地應力；溫度調(diào)節(jié)機構(gòu)，其包括銅芯棒31和液氮罐36，所述銅芯棒31的一端插設于所述套管22內(nèi)，所述銅芯棒31的另一端與加熱平臺30相連，所述液氮罐36能分別與所述套管22和所述水泥環(huán)空23相連，以通過溫度調(diào)節(jié)機構(gòu)控制井筒20的溫度；壓力供給機構(gòu)，其包括第一液壓泵40和第二液壓泵43，所述第一液壓泵40與所述套管22相連，所述第二液壓泵43與所述水泥環(huán)空23相連，以通過壓力供給機構(gòu)控制注入套管22和水泥環(huán)空23內(nèi)的壓力；測量機構(gòu)，其包括氣體流量計62、三組應變片64和三組熱電偶65，所述氣體流量計62與所述水泥環(huán)空23相連，三組所述應變片64和三組所述熱電偶65均分別設于所述套管22的內(nèi)壁、所述套管22的外壁和所述巖體21的內(nèi)壁，所述氣體流量計62、所述應變片64和所述熱電偶65分別與一計算處理單元60電連接。

具體的，如圖1和圖2所示，密封的腔體10大致呈立方體形(其可為長方體，也可為正方體)，以為井筒20提供一密封環(huán)境，保證實驗過程中的溫度、壓力和地應力的穩(wěn)定，同時還利于施加地應力，井筒20的巖體21呈與腔體10相對應的立方立體形，并使其兩個相鄰的側(cè)面與腔體10的對應的兩個相鄰的側(cè)面相貼設，使巖體21的外壁與橫截面呈矩形的腔體10的內(nèi)壁面完全吻合，巖體21內(nèi)設有通孔211，且通孔211的內(nèi)徑大于套管22的外徑，使巖體21與套管22之間形成能容納水泥漿的水泥環(huán)空23，套管22的外壁還可附有薄層涂料，以模擬井下套管外壁上附著的泥餅；測量機構(gòu)還包括信號轉(zhuǎn)換器61，氣體流量計62、應變片64和熱電偶65分別通過信號轉(zhuǎn)換器61與計算處理單元60相連，以實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換，利于計算處理單元60對信號的識別和顯示，其中計算處理單元60可為計算機。

進一步的，所述腔體10的底壁12的上表面凸設下環(huán)形凸起，所述腔體10的頂壁13的下表面凸設上環(huán)形凸起，所述套管22的兩端分別卡設于所述上環(huán)形凸起和所述下環(huán)形凸起，使套管22穩(wěn)固的固定于腔體10內(nèi)，并限制套管22的軸向應變，其中，腔體10的頂壁13可以為一能拆卸的蓋體，該蓋體通過螺栓與腔體10的側(cè)壁11緊密相連，以保證二者高強度連接并保證套管22的軸向固定，且便于井筒20的安裝與拆卸，同時還可在蓋體與腔體10之間設置橡膠圈進行密封，套管22可選用頁巖氣井內(nèi)的井下套管的一段，套管22均與腔體10的頂壁13和底壁12垂直，且三者緊密結(jié)合。

進一步的，如圖2所示，所述腔體10的兩個側(cè)面分別設有與所述加壓板50對應的密封板14，所述密封板14的內(nèi)壁凹設活塞腔141，所述加壓板50的外壁與活塞51的一端相連，所述活塞51的另一端密封設于所述活塞腔141內(nèi)并與所述活塞腔141的底面圍設形成壓力室，所述壓力室與第三液壓泵53相連，具體的，密封的腔體10由一個底壁12、一個頂壁13、兩個相鄰的側(cè)壁11和兩個相鄰的密封板14圍設而成，兩個密封板14相互垂直設置(即在腔體10的水平面的正交方向上設置)，兩個密封板14均與所述腔體10的側(cè)壁11通過連接件(例如螺栓)緊密相連，以保證徑向(也即與軸向垂直的方向)的密封，同時還可在密封板14與腔體10的側(cè)壁11之間設置橡膠圈進行密封，加壓板50可為鋼板，兩個加壓板50分別位于兩個密封板14的內(nèi)側(cè)并與密封板14之間設有活塞51，活塞51的一端連接于加壓板50外壁的中心，以均勻施力，活塞51的另一端密封設于活塞腔141內(nèi)，以通過活塞51的頂面(即與活塞腔141的底面相對的面)承受第三液壓泵53向壓力室施加的壓力，并能將此壓力經(jīng)加壓板50施加給巖體21，以模擬地層的地應力。

更進一步的，如圖2所示，活塞腔141的底面上設有與壓力室連通的加壓口142，第三液壓泵53為兩個，每個第三液壓泵53均通過一設有地應力控制閥52的管路與加壓口142相連，以實現(xiàn)向兩個加壓板50同時施加相同或不同的地應力，以實現(xiàn)均勻地應力和不均勻地應力的模擬，每個設有地應力控制閥52的管路上設有一個第三壓力表54，以監(jiān)測第三液壓泵53的壓力，且第三壓力表54經(jīng)信號轉(zhuǎn)換器61與計算處理單元60電連接，以實現(xiàn)向計算處理單元60實時反饋施加于兩個加壓板50的地應力，同時，設有地應力控制閥52的管路為耐高壓管路。

進一步的，如圖1所示，所述腔體10的底壁12上設有與所述套管22連通的油口18，所述溫度調(diào)節(jié)機構(gòu)還包括油泵32和油箱34，所述油泵32通過設有進油閥33的管路與所述油口18相連，所述油箱34通過設有泄壓閥35的管路與所述油口18相連，其中，油泵32能通過設有進油閥33的管路經(jīng)油口18向套管22內(nèi)泵入礦物油，以經(jīng)銅芯棒31的溫度均勻的傳遞給套管22，同時，套管22內(nèi)的礦物油還能通過油口18經(jīng)設有泄壓閥35的管路流回油箱34，保證后續(xù)順利的向套管22內(nèi)施加內(nèi)壓力，在一實施例中，腔體10的底壁12下方設有支座，支座與底壁12整體呈工字型，支座和底壁12上設有開孔以供銅芯棒31穿設，銅芯棒31與支座連接，油口18設于支座上并與支座上的開孔連通，銅芯棒31穿設于支座上的開孔且與開孔之間具有間隙，以利于油泵32經(jīng)油口18向套管22內(nèi)泵入礦物油。

進一步的，如圖1所示，所述銅芯棒31包括基座311和連接于所述基座311上的棒體312，所述基座311的上表面與所述腔體10的底壁12相連，所述棒體312穿過所述腔體10的底壁12并插設于所述套管22內(nèi)，所述基座311的下表面與所述加熱平臺30相連，以通過加熱平臺30給銅芯棒31加熱，進而實現(xiàn)對套管22的加熱，其中，棒體312可以呈細長圓柱形，以利于將銅芯棒31插入于套管22內(nèi)，銅芯棒31的棒體312與套管22同軸心設置，且與套管22的內(nèi)壁之間具有間隙，以供注入礦物油，基座311可以呈扁平圓柱形，其形狀可以與腔體10的底壁12的形狀一致，并通過連接件(例如螺栓)實現(xiàn)基座311與腔體10的底壁12的緊固連接，以利于銅芯棒31的安裝與固定。

進一步的，如圖1所示，所述腔體10的頂壁13設有與所述套管22連通的套管注入口16和與所述水泥環(huán)空23連通的環(huán)空注入口17，所述第一液壓泵40通過設有套壓控制閥42的管路與所述套管注入口16相連，實現(xiàn)向套管22內(nèi)注入壓力，以模擬壓裂壓力，其中，套管注入口16位于上環(huán)形凸起的內(nèi)側(cè)，環(huán)空注入口17位于上環(huán)形凸起的外側(cè)，所述第二液壓泵43通過設有環(huán)壓控制閥45的管路、所述水泥漿儲存罐24通過設有水泥漿注入閥25的管路及所述液氮罐36通過設有液氮罐控制閥37的管路分別與所述環(huán)空注入口17相連，實現(xiàn)由水泥漿儲存罐24向水泥環(huán)空23內(nèi)注入水泥漿，同時由第二液壓泵43向水泥環(huán)空23內(nèi)注入壓力，以提供水泥漿侯凝呈水泥塊的高壓環(huán)境，并且由液氮罐36向水泥環(huán)空23內(nèi)注入高壓氮氣，以監(jiān)測水泥環(huán)空23內(nèi)的凝固后與套管22和巖體21結(jié)為一體的水泥環(huán)(或水泥塊)的密封性；所述腔體10的底壁12設有與所述水泥環(huán)空23連通的檢測口19，所述氣體流量計62通過設有密封控制閥63的管路與所述檢測口19相連，如果水泥環(huán)空23內(nèi)的水泥環(huán)發(fā)生裂縫或套管22發(fā)生變形而與水泥環(huán)之間出現(xiàn)間隙，則液氮罐36注入水泥環(huán)空23內(nèi)的氮氣會經(jīng)設有密封控制閥63的管路進入氣體流量計62，氣體流量計62即可實時的、定量的檢測水泥環(huán)空23內(nèi)的水泥環(huán)的密封性，進而研究套管22的完整性，其中，檢測口19貼靠于巖體21的內(nèi)壁設置，環(huán)空注入口17貼靠于套管22的外壁設置，或檢測口19與環(huán)空注入口17于水泥環(huán)空23的徑向呈180度錯開設置，以更好的檢測設置水泥環(huán)空23的密封性。

更進一步的，如圖1所示，設有套壓控制閥42的管路上設有第一壓力表41，以監(jiān)測第一液壓泵40的壓力，設有環(huán)壓控制閥45的管路上設有第二壓力表44，以監(jiān)測第二液壓泵43的壓力，且第一壓力表41和第二壓力表44能分別經(jīng)信號轉(zhuǎn)換器61與計算處理單元60電連接，以實時的向計算處理單元60反饋施加于套管22內(nèi)的壓力和施加于水泥環(huán)空23內(nèi)的壓力，在一實施例中，設有液氮罐控制閥37的管路通過設有第一切換閥38的管路連接于設于套壓控制閥42的管路上，設有液氮罐控制閥37的管路通過設有第二切換閥39的管路連接于設有環(huán)壓控制閥45的管路上，在需要向套管22內(nèi)注入氮氣時，同時開啟第一切換閥38和套壓控制閥42，在需要向水泥環(huán)空內(nèi)注入氮氣時，同時開啟第二切換閥39和環(huán)壓控制閥45，其中，設有套壓控制閥42的管路、設有環(huán)壓控制閥45的管路和設有液氮罐控制閥37的管路均為耐高壓管路。

進一步的，如圖1所示，每組所述應變片64包括三個應變片單元，三個所述應變片單元自上而下等間隔設置，每組所述熱電偶65包括兩個熱電偶單元，兩個所述熱電偶單元分別設于兩兩相鄰的所述應變片單元之間；具體的，三組應變片64分別貼設于套管22的內(nèi)壁、套管22的外壁和巖體21的內(nèi)壁，且貼設于套管22的內(nèi)壁的一組應變片64的三個應變片單元分布于套管22的內(nèi)壁的上部、中部和下部，同理，貼設于套管22的外壁的一組應變片64和貼設于巖體21的內(nèi)壁的一組應變片64也采用相同的設置，即三組應變片64的應變片單元在設置高度上相互對應，以監(jiān)測井筒20的應力場變化和應力場分布；三組熱電偶65也分別貼設于所述套管22的內(nèi)壁、所述套管22的外壁和所述巖體21的內(nèi)壁，且貼設于套管22的內(nèi)壁的一組熱電偶65的兩個熱電偶單元設于該套管22內(nèi)壁上的兩兩相鄰的應變片單元之間，同理，貼設于套管22的外壁的一組熱電偶65和貼設于巖體21的內(nèi)壁的一組熱電偶65的兩個熱電偶單元也采取同樣的設置，即三組熱電偶65的熱電偶單元在設置高度上相互對應，以監(jiān)測井筒20的溫度場變化和溫度場分布；腔體10的頂壁13上設有三個導線出入口15，每個導線出入口15穿設一耐高溫高壓的導線，三根導線分別與套管22的內(nèi)壁的應變片64和熱電偶65、套管22的外壁的應變片64和熱電偶65和巖體21的內(nèi)壁的應變片64和熱電偶65連接，以將該些應變片64和熱電偶65的信號通過導線與信號轉(zhuǎn)換器61相連，并通過信號轉(zhuǎn)換器61轉(zhuǎn)換后反饋給計算處理單元60。

進一步的，如圖1和圖2所示，所述巖體21內(nèi)設有通孔211，所述套管22設于所述巖體21的通孔211內(nèi)，所述套管22的軸向中心線、所述巖體21的通孔211的軸向中心線和所述腔體10的中心線共線，即巖體21的通孔211為其中心通孔，以實現(xiàn)三者同軸心的實驗環(huán)境下的模擬檢測；或所述套管22的軸向中心線與所述腔體10的中心線共線，且所述巖體21的通孔211的軸向中心線與所述套管22的軸向中心線相偏離，其可通過在巖體21上加工通孔211時，使巖體21的通孔211并不設置在巖體21的中心位置，使設于巖體21的通孔211內(nèi)的套管22的外壁與巖體21的內(nèi)壁之間的距離不等，以實現(xiàn)套管22偏心的實驗環(huán)境下的模擬檢測。

本發(fā)明通過巖體21、套管22和水泥環(huán)空23組成的井筒20模擬井下真實的套管-水泥環(huán)-地層的井筒單元，通過溫度調(diào)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)水泥漿在高溫高壓環(huán)境下侯凝，并通過溫度調(diào)節(jié)機構(gòu)控制井筒20的模擬溫度，通過壓力供給機構(gòu)控制套管22內(nèi)壓力和水泥環(huán)空23內(nèi)壓力，通過地應力供給機構(gòu)控制施加于巖體21的均勻或非均勻地應力，以真實模擬高溫高壓及大規(guī)模多級壓裂的復雜井下工況，檢測分析井筒20應力場和溫度場的變化和分布、水泥環(huán)密封性的變化，以分析溫度場變化和壓力場變化對井筒20完整性的影響，及不同地層狀態(tài)和不同地應力作用對井筒20完整性的影響。

實施方式二

本發(fā)明提供一種用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的方法，其采用如上所述的用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的裝置，如圖1至圖2所示，具體用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的裝置的結(jié)構(gòu)在此不再贅述，所述用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的方法包括如下步驟：

步驟S1：由水泥漿儲存罐24向水泥環(huán)空23內(nèi)注入水泥漿，加熱平臺30通過銅芯棒31將所述套管22加熱至設定溫度，通過第二液壓泵43向所述水泥環(huán)空23注入設定壓力，直至所述水泥環(huán)空23內(nèi)的水泥漿凝固呈水泥環(huán)，停止所述加熱平臺30加熱；

步驟S2：將液氮罐36和氣體流量計62分別與所述水泥環(huán)空23連通，通過兩個加壓板50向巖體21加壓；

步驟S3：所述加熱平臺30將所述套管22加熱至試驗壓裂溫度，通過第一液壓泵40向所述套管22內(nèi)施加試驗壓裂壓力，由計算處理單元60記錄氣體流量計62、應變片64和熱電偶65的數(shù)值，實現(xiàn)對水泥環(huán)的密封性、井筒20的應力場和溫度場的檢測。

進一步的，在進行實驗前，還包括步驟S0：準備用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的裝置，其中，該步驟S0包括如下步驟：

步驟S01，從待模擬測試的頁巖氣井內(nèi)提取頁巖巖心，將頁巖巖心加工成立方體形的巖體21，以模擬真實地層，例如40cm×40cm×40cm的立方體形，并在立方體形的巖體21的中心或非中心鉆設通孔211，例如直徑為11cm的通孔，同時，在水泥漿儲存罐24中按照試驗需要配置一定比例的水泥漿；

步驟S02，將銅芯棒31的基座311通過連接件(例如螺栓)固定連接于腔體10的底壁12，使銅芯棒31的棒體312穿過腔體10的底壁12而插入腔體10內(nèi)，將銅芯棒31的基座311置于加熱平臺30上；然后，將加工好的巖體21置入腔體10內(nèi)，并使巖體21的兩個相鄰的側(cè)面與腔體10的兩個內(nèi)側(cè)面相貼靠，將套管22置于腔體10底壁12的環(huán)形凸起的凹槽內(nèi)緊密卡設，在套管22的內(nèi)壁、套管22的外壁和巖體21的內(nèi)壁分別貼設應變片64和熱電偶65，其中在每組應變片64的兩兩相鄰的應變片單元之間粘貼熱電偶單元，通過導線連接應變片64和熱電偶65，并將頂蓋(也即頂壁)密封蓋設于腔體10上(例如可通過螺栓連接)，使導線穿過頂蓋上的導線出入口15，實現(xiàn)與計算處理單元60電連接；

步驟S03，將兩個加壓板50貼靠于巖體21的另外兩個側(cè)面，將兩個密封板14對應所述加壓板50密封設于腔體10的兩個側(cè)面，并與腔體10的兩個側(cè)壁11密封相連(例如通過螺栓緊固)，再與密封板14上的加壓口142處通過設有地應力控制閥52的管路連接第三液壓泵53；

步驟S04，在腔體10底壁12的油口18處通過設有進油閥33的管路連接油泵32，并通過設有泄油閥35的管路連接油箱34，在腔體10頂壁13的套管注入口16處通過設有套壓控制閥42的管路連接第一液壓泵40，在腔體10頂壁13的環(huán)空注入口17處通過設有水泥漿注入閥25的管路連接水泥漿儲存罐24、通過設有環(huán)壓控制閥45的管路連接第二液壓泵43及通過設有液氮罐控制閥37的管路連接液氮罐36。

進一步的，在所述步驟S1中，通過油泵32向所述套管22內(nèi)注入礦物油，所述加熱平臺30通過銅芯棒31加熱所述礦物油，所述礦物油將所述套管22加熱至所述設定溫度。

更進一步的，在所述步驟S1中，首先，打開水泥漿注入閥25，使水泥漿儲存罐24通過環(huán)空注入口17向水泥環(huán)空23內(nèi)注入水泥漿，直至注滿整個水泥環(huán)空23，關閉水泥漿注入閥25；然后，打開進油閥33，使油泵32通過油口18向套管22內(nèi)注入礦物油，并控制加熱平臺30通過銅芯棒31和礦物油的傳遞作用將套管22加熱至設定溫度，如120℃，或者通過計算處理單元60控制加熱平臺30的開啟和加熱溫度；接著，打開環(huán)壓控制閥45，使第二液壓泵43通過環(huán)空注入口17向水泥環(huán)空23內(nèi)注入設定壓力，如10MPa，或者通過計算處理單元60控制第二液壓泵43的開啟和壓力；最后，在上述設定溫度和設定壓力條件下養(yǎng)護三天，使水泥漿凝固為水泥環(huán)(或水泥塊)，以模擬井下套管與地層之間的密封結(jié)合，待水泥漿徹底固結(jié)后，停止加熱平臺30加熱，使井筒20內(nèi)的溫度降至常溫。

在所述步驟S2中，首先，打開液氮罐控制閥37和密封控制閥63，使液氮罐36和氣體流量計62分別與所述水泥環(huán)空23連通，然后，通過第三液壓泵53向所述活塞腔141的壓力室內(nèi)注入壓力，推動活塞51以帶動加壓板50向巖體21施加壓力，比如分別向兩個加壓板50施加20MPa和30MPa的壓力，以模擬地應力，其中可通過計算處理單元60控制地應力控制閥52的開啟。

在所述步驟S3中，首先，設定加熱平臺30的加熱溫度至試驗壓裂溫度120℃，以使套管22的溫度也加熱至該溫度，然后，打開泄油閥35，直至套管22內(nèi)的礦物油從套管22內(nèi)全部排出到油箱34內(nèi)，接著，打開套壓控制閥42，通過第一液壓泵40向套管22內(nèi)施加試驗壓裂壓力80MPa(圖2中的箭頭示出了套管內(nèi)的壓力和巖體上的壓力)，并始終保證套壓控制閥42的開啟，以保證套管22內(nèi)始終保持在該壓裂壓力，最后，將氣體流量計62、應變片64、熱電偶65的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸線傳輸給信號轉(zhuǎn)換器61進行轉(zhuǎn)換后，反饋給計算處理單元60，以實現(xiàn)對水泥環(huán)密封性、井筒20應力場和溫度場的檢測，其中氣體流量計62的示數(shù)可以直接評價水泥環(huán)的密封性，即示數(shù)越大，說明氮氣流量越大，說明水泥環(huán)的密封性越差，示數(shù)為零，說明密封嚴密，沒有氮氣通過水泥環(huán)。

在所述步驟S3之后，還包括步驟S4，對加壓板50泄壓，停止所述加熱平臺30加熱，將液氮罐36與所述套管22連通進行降溫，具體的，關閉套壓控制閥42并關閉第一液壓泵40，打開地應力控制閥52對加壓板50泄壓，關停加熱平臺0，然后開啟液氮罐控制閥37，使液氮罐36向套管22內(nèi)通入高壓氮氣進行降溫。

進一步的，在所述步驟S4之后還包括步驟S5，重復上述步驟S3和步驟S4，以在重復壓裂壓力載荷和循環(huán)溫度載荷下，模擬測試水泥環(huán)的密封性、井筒的應力場和溫度場的變化。

本發(fā)明用于評價壓裂環(huán)境下套管完整性的裝置及方法的特點及優(yōu)點是：

1、本發(fā)明通過巖體21、套管22和水泥環(huán)空23組成的井筒20模擬地下真實井筒，通過將套管22置于密封腔體10內(nèi)并卡設于腔體10的頂壁13和底壁12之間，以真實模擬套管22在受高壓高溫和地應力作用下的變形狀況，其中，通過加熱平臺30加熱銅芯棒31和礦物油以模擬井下高溫環(huán)境，并通過液氮罐36向套管22內(nèi)注入氮氣，實現(xiàn)對井筒20的降溫，并可通過循環(huán)加熱-降溫的方式模擬壓裂過程中井筒20的溫度變化，通過第一液壓泵40向套管22內(nèi)注入壓力，模擬井下的壓裂壓力，通過第三液壓泵53向活塞51施加壓力并傳遞給加壓板50，模擬地層的地應力，并通過調(diào)節(jié)兩個第三液壓泵53施加相同或不同的壓力，實現(xiàn)均勻地應力或非均勻地應力的模擬，精確控制溫度和壓力參數(shù)，以真實模擬高溫高壓及大規(guī)模多級壓裂的復雜井下工況，檢測分析井筒20應力場和溫度場的變化和分布、水泥環(huán)密封性的變化，以分析溫度場變化和壓力場變化對井筒完整性的影響，及不同地層狀態(tài)和不同地應力作用對井筒20完整性的影響，同時還有利于尋找套管22疲勞或損壞的作業(yè)極限，為壓裂作業(yè)的優(yōu)化設計和套管22體系的優(yōu)選提供重要參考依據(jù)。

2、本發(fā)明將設置于套管22內(nèi)壁、套管22外壁和巖體21內(nèi)壁的三組應變片64和三組熱電偶65均與計算處理單元60電連接，實現(xiàn)對巖體21和套管22的應力場和溫度場的分布和變化的實時監(jiān)測，將連接于水泥環(huán)空23下端的氣體流量計62與計算處理單元60電連接，實現(xiàn)定量的評價水泥環(huán)密封性，將用于分別監(jiān)測并顯示兩個加壓板50施加給巖體21的地應力的兩個第三壓力表54、用于監(jiān)測并顯示第一液壓泵40施加給套管22的壓力的第一壓力表41、用于監(jiān)測并顯示第二液壓泵43施加給水泥環(huán)空23的壓力的第二壓力表44均通過導線傳遞給信號轉(zhuǎn)換器61再傳遞給計算處理單元60，通過計算處理單元60編程記錄相關參數(shù)的變化并進行相應的處理，實現(xiàn)對地應力、套管22內(nèi)壓力、水泥環(huán)空23內(nèi)壓力的實時監(jiān)測和分析，能精確控制各壓力參數(shù)，模擬數(shù)值準確、精度高，為分析壓裂環(huán)境下套管完整性提供完整、準確、全面的試驗數(shù)據(jù)。

3、本發(fā)明通過加熱平臺30加熱銅芯棒31、并通過銅芯棒31加熱礦物油、并通過礦物油加熱套管22，使套管22均勻受熱，進而對水泥環(huán)和巖體21加熱，并通過環(huán)壓控制閥45控制水泥環(huán)空23內(nèi)的壓力，使水泥環(huán)空23內(nèi)的水泥漿在高溫高壓下凝固成水泥環(huán)(也可稱為水泥塊)，使水泥環(huán)連接套管22與巖體21，通過液氮罐36向其內(nèi)注入氮氣，并通過氣體流量計62檢測通過的氮氣的流量，以實現(xiàn)對水泥環(huán)的密封性的檢測，其真實的模擬了水泥漿高溫高壓的侯凝環(huán)境，使對凝固后的水泥環(huán)(或水泥塊)的測試更加準確。

4、本發(fā)明還能通過設置不同頁巖氣井內(nèi)的頁巖巖心制成的巖體21、設置套管22與巖體21同心或不同心、設置水泥環(huán)存在角度缺失(比如在注入水泥漿時，在水泥環(huán)空23內(nèi)設置空氣囊，使水泥環(huán)出現(xiàn)角度缺失而不能保持整個環(huán)形體形狀)等復雜的試驗環(huán)境，定量分析各復雜的環(huán)境因素對井筒20的應力場和溫度場分布和變化的影響，為后期完井優(yōu)化設計提供參考；本發(fā)明克服了現(xiàn)有試驗裝置過于簡單、僅能模擬溫度或壓力等個別因素下的井下環(huán)境而無法準確模擬的缺陷，實現(xiàn)了準確、全面的模擬井下各種復雜工況，及在復雜的井下工況下對井筒完整性的定量分析。

以上所述僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明技術方案的范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的技術內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內(nèi)。