一种测量油气井水泥环的温度和应变的方法、模拟装置与流程

1.本发明涉及油气井工程技术领域，尤其涉及一种测量油气井水泥环的温度和应变的方法、模拟装置。


背景技术：

2.在油气井工程领域中，固井工程施工中将油井水泥注入井内并顶替至套管与地层或套管与套管之间的环形空间后，水泥浆在设计时间内凝固，最终形成具有封隔环空能力的水泥环，实现封隔不同地层流体的目的，为油气井正常生产提供安全通道。
3.然而，随着勘探开发的不断深入，油气井资源埋藏深、温度高、地层压力和地质条件复杂，同时，大型体积压裂等工艺广泛应用，水泥环在井下面临的温度、压力等工况日趋苛刻。如果水泥环不能抵御各种温度、压力载荷的作用，水泥环将会出现裂缝或者在水泥环-套管/水泥环-地层界面处产生微环隙，进而形成地层流体窜流通道，严重时将产生环空带压问题，给油气井带来安全隐患，影响单井产量，降低油气藏采收率，制约着油气井的安全高效开发。
4.目前，为了模拟、验证水泥环能否承受井下温度、压力工况，国内外主要油服设计了全尺寸或者等比例的水泥环完整性室内模拟装置，通过施加温度、压力载荷，对井下工况条件下水泥环的密封完整性进行测试及研究。但是，目前这些模拟装置一般都是在水泥环凝固之后，将应变片粘贴于水泥环外壁上，实现对水泥环应力、应变的测量，由于应变片粘贴于水泥环外壁上，只能获取水泥环界面处的应力、应变状态，也无法对水泥环凝固过程的应力、应变变化进行测量。
5.进一步的，水泥环在井下工况下的温度数据和应力状态数据是研究水泥环密封失效机理、针对性研发保障密封高性能水泥浆体系、实现对水泥环完整性有效控制的重要前提，对井下工况下的温度数据和应力状态数据的有效测量是该领域研究亟待解决的关键问题；能够准确获取水泥环在井下工况下的温度、应力状态，有利于合理设计水泥浆体系，使水泥环能够承受井下温度、压力条件，从而保障水泥环在复杂温度压力条件下密封完整性，也能够为油气井水泥环完整性检测评价提供重要基础，目前尚无有效的测量水泥环在井下工况条件下的温度、应力状态的方法。由此，亟需一种能够有效且全面的测量油气井水泥环的温度和应变的方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术的至少一个不足，提供一种能够有效且全面的测量油气井水泥环的温度和应变的方法，还提供一种能够有效且全面的测量油气井水泥环的温度和应变的模拟装置。
7.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种测量油气井水泥环的温度和应变的方法，包括：
8.建立用于模拟油气井工况的模拟装置，所述模拟装置内形成待注入水泥浆的模拟
环空；
9.在所述模拟环空内选定需要测量温度和应变的待测点，并在所述待测点预设能够测量温度和应变的温度应变测量装置；
10.向所述模拟环空内注入水泥浆，所述水泥浆填充在所述模拟环空内形成水泥环；
11.通过所述温度应变测量装置测量所述水泥环凝固过程所述待测点的温度和应变，采集所述水泥环凝固过程所述待测点的温度和应变，获得所述水泥环凝固过程所述待测点的温度数据和应变数据。
12.本发明的有益效果是：本实施例中通过在所述模拟环空内选定需要测量温度和应变的待测点，并在所述待测点预设能够测量温度和应变的温度应变测量装置，通过所述温度应变测量装置测量所述水泥环凝固过程所述待测点的温度和应变，采集所述水泥环凝固过程所述待测点的温度和应变，从而获得所述水泥环凝固过程所述待测点的温度数据和应变数据；进一步的，由于待测点可以在模拟环空内需要测量温度和应变的任一位置进行选定，由此，可以通过在模拟环空内需要测量温度和应变的任一位置预设温度应变测量装置，并通过温度应变测量装置测量所述水泥环凝固过程所述待测点的温度和应变，能够获得水泥环包括水泥环的内部、水泥环的外壁和内壁在内的任一位置的温度和应变，从而可以有效的对水泥环凝固过程的温度、应变进行测量，且可以测量并获得包括水泥环的内部、水泥环的外壁和内壁在内的任一位置的温度和应变，能够为水泥环的服役提供更为全面数据支撑，有利于合理设计水泥浆体系。
13.另外，在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进，还可以具有如下附加技术特征。
14.根据本发明的一个实施例，测量油气井水泥环的温度和应变的方法还包括：
15.预设养护温度和养护压力，按预设的养护温度和养护压力对所述水泥环的温度和压力进行调控，所述水泥环在预设的养护温度和养护压力下进行养护至养护完成；
16.对养护完成的所述水泥环的温度和压力进行调控，通过所述温度应变测量装置测量所述水泥环在当前温度和压力工况下所述待测点的温度和应变，采集所述水泥环在当前温度和压力工况下的温度和应变，获得所述水泥环在当前温度和压力工况下所述待测点的温度数据和应变数据。
17.本实施例中的水泥环在预设的养护温度和养护压力下进行养护至养护完成，通过预设的养护温度和养护压力影响水泥环的结构，减少或避免水泥环出现裂缝或产生微环隙；进一步的，对养护完成的所述水泥环的温度和压力进行调控，通过所述温度应变测量装置测量所述水泥环在当前温度和压力工况下所述待测点的温度和应变，可以测量养护完成的所述水泥环在不同温度和压力工况下所述待测点的温度和应变，能够获得所述水泥环在不同温度和压力工况下所述待测点的温度数据和应变数据，有利于了解水泥环承受井下温度、压力工况的情况，有利于合理设计水泥浆体系，为水泥环密封完整性研究提供数据支撑。
18.根据本发明的一个实施例，在所述水泥环在预设的养护温度和养护压力下进行养护的过程中，通过所述温度应变测量装置测量所述水泥环养护过程所述待测点的温度和应变，采集所述水泥环养护过程所述待测点的温度和应变，获得所述水泥环养护过程所述待测点的温度数据和应变数据。本实施例中通过所述温度应变测量装置测量所述水泥环养护
过程所述待测点的温度和应变，获得所述水泥环养护过程所述待测点的温度数据和应变数据，进而了解水泥环养护过程所述待测点的温度和应变情况。
19.根据本发明的一个实施例，对养护完成的所述水泥环的温度和压力进行调控具体为：根据实际水泥环养护完成后在油气井下受到完井过程的温度和压力工况对养护完成的所述水泥环的温度和压力进行调控。本实施例中根据实际水泥环养护完成后在油气井下受到完井过程的温度和压力工况对养护完成的所述水泥环的温度和压力进行调控，进而可以有针对性测量水泥环在油气井的温度和压力工况下所述待测点的温度和应变，能够获得养护完成的所述水泥环在油气井的温度和压力工况下所述待测点的温度数据和应变数据，便于设计出能够承受该油气井的温度和压力工况下的水泥浆体系，且能够检验养护完成的水泥环是否能够承受当前油气井下受到的温度和压力，为水泥环密封完整性研究提供数据支撑。
20.根据本发明的一个实施例，根据实际水泥环养护完成后在油气井下受到完井过程的循环压力工况预设施压循环次数，在对养护完成的所述水泥环的压力进行调控的过程中，根据预设的施压循环次数对所述水泥环进行循环施压至完成循环次数。本实施例中根据实际水泥环养护完成后在油气井下受到完井过程的循环压力工况预设施压循环次数，可以通过温度应变测量装置测量水泥环在油气井下受到完井过程的循环压力工况下所述待测点的温度数据和应变数据，便于检验水泥环是否能够承受油气井下受到完井过程的循环压力工况。
21.根据本发明的一个实施例，测量油气井水泥环的温度和应变的方法还包括：
22.根据实际水泥环完井完成后在油气井下受到生产过程的温度和压力工况对完井完成后的所述水泥环的温度和压力进行调控，且根据所述实际水泥环完井完成后在油气井下受到生产过程的循环压力工况预设施压循环次数，在对完井完成后的所述水泥环的压力进行调控的过程中，根据预设的施压循环次数对所述水泥环进行循环施压至完成循环次数。本实施例中根据实际水泥环完井完成后在油气井下受到生产过程的温度和压力工况对完井完成后的所述水泥环的温度和压力进行调控，进而可以有针对性测量水泥环在油气井的温度和压力工况下所述待测点的温度和应变，能够获得完井完成后的所述水泥环在油气井的温度和压力工况下所述待测点的温度数据和应变数据；另外，本实施例中根据所述实际水泥环养护完成后在油气井下受到生产过程的循环压力工况预设施压循环次数，可以通过温度应变测量装置测量水泥环在油气井下受到生产过程的循环压力工况下所述待测点的温度数据和应变数据，便于检验水泥环是否能够承受油气井下受到生产过程的循环压力工况。
23.根据本发明的一个实施例，所述待测点在竖直方向上选定有多个，多个待测点在竖直方向上相间隔，并在选定的多个所述待测点分别预设所述温度应变测量装置。本实施例中通过在竖直方向上选定有多个所述待测点，并在选定的多个所述待测点分别预设所述温度应变测量装置，从而可以通过温度应变测量装置测量水泥环在各工况下不同高度位置的所述待测点的温度和应变，从而获得水泥环不同高度位置所述待测点的温度数据和应变数据。
24.根据本发明的一个实施例，所述待测点在周向方向上选定有多个，所述模拟环空的不同高度平面上分别选定多个所述待测点，位于同一高度平面的多个所述待测点周向间
隔，且位于同一高度平面的多个所述待测点到所述模拟环空的竖直中心的径向距离不相等，并在多个所述待测点分别预设所述温度应变测量装置，且位于同一高度平面的多个所述温度应变测量装置在周向方向上到所述模拟环空的竖直中心的距离不相等。本实施例中通过在周向方向上选定有多个所述待测点，位于同一高度平面的多个所述待测点周向间隔，且位于同一高度平面的多个所述待测点到所述模拟环空的竖直中心的径向距离不相等，并在选定的多个所述待测点分别预设所述温度应变测量装置，从而可以通过温度应变测量装置测量水泥环在各工况下同一高度平面不同厚度位置的温度和应变，从而获得水泥环同一高度平面不同厚度位置温度数据和应变数据。
25.根据本发明的一个实施例，所述模拟装置包括模拟地层和模拟套管，所述模拟地层内设有柱状中空腔体，所述模拟套管竖直插设在所述柱状中空腔体内，所述模拟套管与所述模拟地层同轴，且所述模拟地层与所述模拟套管之间限定形成所述模拟环空；
26.测量油气井水泥环的温度和应变的方法还包括：
27.在所述模拟地层上靠近所述待测点沿所述模拟地层的厚度方向设有安装孔，所述安装孔贯穿所述模拟地层并与所述模拟环空连通，将所述温度应变测量装置安装在所述安装孔内且使得所述温度应变测量装置伸入所述模拟环空内。
28.本实施例中通过在所述模拟地层上设有安装孔，便于通过安装孔可靠的对温度应变测量装置进行安装，且有利于调节温度应变测量装置伸入所述模拟环空内的位置，便于快速安装温度应变测量装置。
29.根据本发明的一个实施例，采用光纤温度应变传感器作为所述温度应变测量装置，并通过光纤线将所述光纤温度应变传感器与信号处理系统电连接，或将所述光纤温度应变传感器与所述信号处理系统无线通信连接。本实施例中采用光纤温度应变传感器作为所述温度应变测量装置，光纤温度应变传感器通过测量内部传输光栅的布拉格波长光谱，实现对水泥环进行温度和应变参数的测量，且光纤温度应变传感器具有实时和无损测量的特点，同时光纤温度应变传感器还可以设计成任意形状，由此，光纤温度应变传感器的形状可以根据测量位置需求进行改变，便于光纤温度应变传感器对水泥环进行准确测量；进一步的，光纤温度应变传感器具有抵抗包括高温在内的恶劣环境及化学侵蚀的能力，可在多种恶劣环境中测量且有利于保证测量的可靠性。进一步的，通过光纤线将所述光纤温度应变传感器与信号处理系统电连接，或将所述光纤温度应变传感器与所述信号处理系统无线通信连接，便于实时、连续测量水泥环在凝固过程及后续钻完井和生产过程的温度、应变状态。
30.根据本发明的一个实施例，测量油气井水泥环的温度和应变的方法还包括：
31.结合注入所述模拟环空内的水泥浆的弹性模量，将获得的所述待测点的应变数据带入计算公式：
32.应力＝应变
×
弹性模量，
33.进行计算获得所述待测点的应力数据。
34.本实施例中结合注入所述模拟环空内的水泥浆的弹性模量，将所述待测点的应变数据转换为应力数据，便于判断各压力工况下应力数据的变化情况。
35.另外，本实施例提供的一种测量油气井水泥环的温度和应变的模拟装置，包括：
36.模拟地层，所述模拟地层内设有柱状中空腔体；
37.模拟套管，竖直插设在所述柱状中空腔体内，所述模拟地层与所述模拟装置同轴，且所述模拟地层与所述模拟套管之间限定形成待注入水泥浆的模拟环空；
38.温度应变测量装置，设置在所述模拟环空内，当向所述模拟环空内注入水泥浆，所述水泥浆填充在所述模拟环空内形成水泥环，所述温度应变测量装置与所述水泥环接触并能够测量所述水泥环的温度和应变。
39.本实施例中的测量油气井水泥环的温度和应变的模拟装置中的模拟地层和模拟套管之间限定形成待注入水泥浆的模拟环空，且在模拟环空内设置有温度应变测量装置，所述水泥浆填充在所述模拟环空内形成水泥环，所述温度应变测量装置与所述水泥环接触并能够测量所述水泥环的温度和应变；进一步的，模拟装置模拟设置的位置可以为模拟环空内需要测量温度和应变的任一位置，由此，可以通过在模拟环空内需要测量温度和应变的任一位置的温度和应变，能够获得水泥环包括水泥环的内部、水泥环的外壁和内壁在内的任一位置的温度和应变，从而可以有效的对水泥环在不同工况下的温度、应变进行测量，且可以测量并获得包括水泥环的内部、水泥环的外壁和内壁在内的任一位置的温度和应变，能够为水泥环的服役提供更为全面数据支撑，有利于合理设计水泥浆体系。
40.根据本发明的一个实施例，所述温度应变测量装置设有多个，多个所述温度应变测量装置在竖直方向上间隔设置。本实施例中通过在竖直方向上间隔设置有多个所述温度应变测量装置，从而可以通过温度应变测量装置测量水泥环在各工况下不同高度位置的所述待测点的温度和应变，从而获得水泥环不同高度位置的温度数据和应变数据。
41.根据本发明的一个实施例，所述模拟环空的不同高度平面上分别周向间隔设有多个所述温度应变测量装置，位于同一高度平面的多个所述待测点周向间隔设置，且位于同一同高度平面上的多个所述温度应变测量装置到所述模拟环空的竖直中心的距离不相等。本实施例中通过模拟环空的不同高度平面上分别周向间隔设有多个所述温度应变测量装置，位于同一高度平面的多个所述待测点周向间隔设置，且位于同一同高度平面上的多个所述温度应变测量装置到所述模拟环空的竖直中心的距离不相等，从而可以通过温度应变测量装置测量水泥环在各工况下同一高度平面不同厚度位置的温度和应变，从而获得水泥环同一高度平面不同厚度位置的温度数据和应变数据。
42.根据本发明的一个实施例，所述模拟地层上沿所述模拟地层的厚度方向设有安装孔，所述安装孔贯穿所述模拟地层并与所述模拟环空连通，所述温度应变测量装置安装在所述安装孔内且伸入所述模拟环空内。本实施例中通过在所述模拟地层上设有安装孔，便于通过安装孔可靠的对温度应变测量装置进行安装，且有利于调节温度应变测量装置伸入所述模拟环空内的位置，便于快速安装温度应变测量装置。
43.根据本发明的一个实施例，所述温度应变测量装置包括光纤温度应变传感器；
44.测量油气井水泥环的温度和应变的模拟装置还包括：
45.信号处理系统，所述光纤温度应变传感器通过光纤线与信号处理系统电连接，或所述光纤温度应变传感器与所述信号处理系统无线通信连接。
46.本实施例中的温度应变测量装置包括光纤温度应变传感器，光纤温度应变传感器通过测量内部传输光栅的布拉格波长光谱，实现对水泥环进行温度和应变参数的测量，且光纤温度应变传感器具有实时和无损测量的特点，同时光纤温度应变传感器还可以设计成任意形状，由此，光纤温度应变传感器的形状可以根据测量位置需求进行改变，便于光纤温
度应变传感器对水泥环进行准确测量；进一步的，光纤温度应变传感器具有抵抗包括高温在内的恶劣环境及化学侵蚀的能力，可在多种恶劣环境中测量且有利于保证测量的可靠性。进一步的，通过光纤线将所述光纤温度应变传感器与信号处理系统电连接，或将所述光纤温度应变传感器与所述信号处理系统无线通信连接，便于实时、连续测量水泥环在凝固过程及后续钻完井和生产过程的温度、应变状态。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.图1为本发明实施例的光纤温度应变传感器安装在模拟环空内的示意图；
49.图2为在图1中的光纤温度应变传感器埋设在水泥环内的示意图；
50.图3为本发明实施例的水泥环内在竖直方向和同向方向均埋设有多个光纤温度应变传感器的示意图；
51.图4为图1在竖直方向沿密封堵头的中部向上剖开后的俯视图；
52.图5为图2在竖直方向沿密封堵头的中部向上剖开后的俯视图；
53.图6为图3在竖直方向沿中间位置的密封堵头的中部向上剖开后的俯视图；
54.图7为本发明实施例的密封堵头在竖直方向沿其中部向上剖开后的俯视图。
55.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
56.1、模拟地层，2、模拟套管，3、模拟环空，4、密封堵头，5、光纤温度应变传感器，6、信号处理系统，7、水泥环，40、过孔，41、圆弧避让槽，42、圆弧凹陷槽，50、光纤线。
具体实施方式
57.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
58.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
59.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
60.本实施例提供一种测量油气井水泥环的温度和应变的方法，能够实施本实施例的测量油气井水泥环的温度和应变的方法的一种测量油气井水泥环的温度和应变的模拟装置，如图1至图6所示，本实施例结合该模拟装置对本测量油气井水泥环的温度和应变的方法进行描述，测量油气井水泥环的温度和应变的方法包括：
61.建立用于模拟油气井工况的模拟装置，模拟装置内形成待注入水泥浆的模拟环空3；
62.在模拟环空3内选定需要测量温度和应变的待测点，并在待测点预设能够测量温度和应变的温度应变测量装置；
63.向模拟环空3内注入水泥浆，水泥浆填充在模拟环空3内形成水泥环7；
64.通过温度应变测量装置测量水泥环7凝固过程待测点的温度和应变，采集水泥环7凝固过程待测点的温度和应变，获得水泥环7凝固过程待测点的温度数据和应变数据。
65.在本实施例中，如图1至图6所示，通过在模拟环空3内选定需要测量温度和应变的待测点，并在待测点预设能够测量温度和应变的温度应变测量装置，通过温度应变测量装置测量水泥环7凝固过程待测点的温度和应变，采集水泥环7凝固过程待测点的温度和应变，从而获得水泥环7凝固过程待测点的温度数据和应变数据；进一步的，由于待测点可以在模拟环空3内需要测量温度和应变的任一位置进行选定，由此，可以通过在模拟环空3内需要测量温度和应变的任一位置预设温度应变测量装置，并通过温度应变测量装置测量水泥环7凝固过程待测点的温度和应变，能够获得水泥环7包括水泥环7的内部、水泥环7的外壁和内壁在内的任一位置的温度和应变，从而可以有效的对水泥环7凝固过程的温度、应变进行测量，且可以测量并获得包括水泥环7的内部、水泥环7的外壁和内壁在内的任一位置的温度和应变，能够为水泥环7的服役提供更为全面数据支撑，有利于合理设计水泥浆体系。
66.在本实施例中，本实施例中的“待测点”是指需要进行测量温度和压力的测量点或位置，在模拟环空3内注入水泥浆形成水泥环7后，待测点对应的是温度应变测量装置测量水泥环7的位置；待测点的选定也是对应需要测量的水泥环7的位置进行选定。
67.需要说明的是，对于上述的“建立用于模拟油气井工况的模拟装置”形成的模拟装置的具体结构可以具有多种，模拟装置也可以采用现有技术中的用于模拟油气井工况的模拟装置进行改进形成。另外，本实施例中的水泥浆填充在模拟环空3内形成的“水泥环7”为用于模拟实际水泥环的环状水泥结构，即模拟水泥环，本实施例中的“实际水泥环”是指油气井实际施工形成的环状水泥结构。
68.本发明的一个实施例，测量油气井水泥环的温度和应变的方法还包括：
69.预设养护温度和养护压力，按预设的养护温度和养护压力对水泥环7的温度和压力进行调控，水泥环7在预设的养护温度和养护压力下进行养护至养护完成；
70.对养护完成的水泥环7的温度和压力进行调控，通过温度应变测量装置测量水泥环7在当前温度和压力工况下待测点的温度和应变，采集水泥环7在当前温度和压力工况下的温度和应变，获得水泥环7在当前温度和压力工况下待测点的温度数据和应变数据。
71.在本实施例中，水泥环7在预设的养护温度和养护压力下进行养护至养护完成，通过预设的养护温度和养护压力影响水泥环7的结构，减少或避免水泥环7出现裂缝或产生微环隙；进一步的，对养护完成的水泥环7的温度和压力进行调控，通过温度应变测量装置测量水泥环7在当前温度和压力工况下待测点的温度和应变，可以测量养护完成的水泥环7在不同温度和压力工况下待测点的温度和应变，能够获得水泥环7在不同温度和压力工况下待测点的温度数据和应变数据，有利于了解水泥环承受井下温度、压力工况的情况，有利于合理设计水泥浆体系，为水泥环密封完整性研究提供数据支撑。进一步的，预设的养护温度和养护压力的具体数值可以根据实际的一些油气井的相关经验进行设置，养护温度和养护压力的具体数值具有多种，且用于模拟不同的油气井工况，养护温度和养护压力也不相同。进一步的，预设养护温度和养护压力可以是在建立模拟装置的同时进行预设，也可以是对水泥环7进行养护之前进行预设，养护温度和养护压力的具体数值是在实际的油气井中进
行测量获得。
72.本发明的一个实施例，在水泥环7在预设的养护温度和养护压力下进行养护的过程中，通过温度应变测量装置测量水泥环7养护过程待测点的温度和应变，采集水泥环7养护过程待测点的温度和应变，获得水泥环7养护过程待测点的温度数据和应变数据。在本实施例中，通过温度应变测量装置测量水泥环7养护过程待测点的温度和应变，获得水泥环7养护过程待测点的温度数据和应变数据，进而了解水泥环7养护过程待测点的温度和应变情况。
73.本发明的一个实施例，对养护完成的水泥环7的温度和压力进行调控具体为：根据实际水泥环养护完成后在油气井下受到完井过程的温度和压力工况对养护完成的水泥环7的温度和压力进行调控。在本实施例中，根据实际水泥环养护完成后在油气井下受到完井过程的温度和压力工况对养护完成的水泥环7的温度和压力进行调控，进而可以有针对性测量水泥环7在油气井的温度和压力工况下待测点的温度和应变，能够获得水泥环7在油气井的温度和压力工况下待测点的温度数据和应变数据，便于设计出能够承受该油气井的温度和压力工况下的水泥浆体系，且能够检验水泥环7是否能够承受当前油气井下受到的温度和压力，为水泥环密封完整性研究提供数据支撑。需要说明的是，本实施例中的“完井过程”是指油气井养护完成后到开采作业之前的施工过程，完井过程的温度压力的具体数值可以在实际的油气井中进行测量获得，“实际水泥环养护完成后在油气井下受到完井过程的温度和压力工况”是指在油气井下的实际水泥环在完井施工过程受到的温度和压力工况；另外，对温度和压力进行调控是使得水泥环7模拟实际水泥环的温度和压力环境，且在不同的施工阶段分别进行模拟。
74.本发明的一个实施例，根据实际水泥环养护完成后在油气井下受到完井过程的循环压力工况预设施压循环次数，在对养护完成的水泥环7的压力进行调控的过程中，根据预设的施压循环次数对水泥环7进行循环施压至完成循环次数。在本实施例中，根据实际水泥环养护完成后在油气井下受到完井过程的循环压力工况预设施压循环次数，可以通过温度应变测量装置测量水泥环7在油气井下受到完井过程的循环压力工况下待测点的温度数据和应变数据，便于检验水泥环7是否能够承受油气井下受到完井过程的循环压力工况。另外，“实际水泥环养护完成后在油气井下受到完井过程的循环压力工况”是指在油气井下的实际水泥环在完井施工过程受到的温度和压力工况。
75.本发明的一个实施例，测量油气井水泥环的温度和应变的方法还包括：
76.根据实际水泥环完井完成后在油气井下受到生产过程的温度和压力工况对完井完成后的水泥环7的温度和压力进行调控，且根据实际水泥环完井完成后在油气井下受到生产过程的循环压力工况预设施压循环次数，在对完井完成后的水泥环7的压力进行调控的过程中，根据预设的施压循环次数对水泥环7进行循环施压至完成循环次数。本实施例中根据水泥环7完井完成后在油气井下受到生产过程的温度和压力工况对完井完成后的水泥环7的温度和压力进行调控，进而可以有针对性测量水泥环7在油气井的温度和压力工况下待测点的温度和应变，能够获得完井完成后的水泥环7在油气井的温度和压力工况下待测点的温度数据和应变数据；另外，本实施例中根据水泥环7养护完成后在油气井下受到生产过程的循环压力工况预设施压循环次数，可以通过温度应变测量装置测量水泥环7在油气井下受到生产过程的循环压力工况下待测点的温度数据和应变数据，便于检验水泥环7是
否能够承受油气井下受到生产过程的循环压力工况。需要说明的是，本实施例中的“生产过程”是指油气井钻完井后的开采作业过程，生产过程的温度压力的具体数值可以在实际的油气井中进行测量获得；另外，“实际水泥环完井完成后在油气井下受到生产过程的温度和压力工况”是指在油气井下的实际水泥环进生产过程受到的温度和压力工况，而水泥环7的完井过程是模拟实际的油气井完井过程。
77.本发明的一个实施例，如图3所示，待测点在竖直方向上选定有多个，多个待测点在竖直方向上相间隔，并在选定的多个待测点分别预设温度应变测量装置。在本实施例中，通过在竖直方向上选定有多个待测点，并在选定的多个待测点分别预设温度应变测量装置，从而可以通过温度应变测量装置测量水泥环7在各工况下不同高度位置的待测点的温度和应变，从而获得水泥环7不同高度位置待测点的温度数据和应变数据。
78.本发明的一个实施例，如图3、图6所示，待测点在周向方向上选定有多个，模拟环空3的不同高度平面上分别选定多个待测点，位于同一高度平面的多个待测点周向间隔，且位于同一高度平面的多个待测点到模拟环空3的竖直中心的径向距离不相等，并在多个待测点分别预设温度应变测量装置，且位于同一高度平面的多个温度应变测量装置在周向方向上到模拟环空3的竖直中心的距离不相等。在本实施例中，通过在周向方向上选定有多个待测点，位于同一高度平面的多个待测点周向间隔，且位于同一高度平面的多个待测点到模拟环空3的竖直中心的径向距离不相等，并在选定的多个待测点分别预设温度应变测量装置，从而可以通过温度应变测量装置测量水泥环7在各工况下同一高度平面不同厚度位置的温度和应变，从而获得水泥环7同一高度平面不同厚度位置温度数据和应变数据。需要说明的是，本实施例中的温度应变测量装置是在向模拟环空3内注入水泥浆之前设置。
79.本发明的一个实施例，如图1至图6所示，模拟装置包括模拟地层1和模拟套管2，模拟地层1内设有柱状中空腔体，模拟套管2竖直插设在柱状中空腔体内，模拟套管2与模拟地层1同轴，且模拟地层1与模拟套管2之间限定形成模拟环空3；
80.测量油气井水泥环的温度和应变的方法还包括：
81.在模拟地层1上靠近待测点沿模拟地层1的厚度方向设有安装孔，安装孔贯穿模拟地层1并与模拟环空3连通，将温度应变测量装置安装在安装孔内且使得温度应变测量装置伸入模拟环空3内。
82.在本实施例中，通过在模拟地层1上设有安装孔，便于通过安装孔可靠的对温度应变测量装置进行安装，且有利于调节温度应变测量装置伸入模拟环空3内的位置，便于快速安装温度应变测量装置。需要说明的是，本实施例中在模拟地层1上设有的安装孔是在向模拟环空3内注入水泥浆之前开设，将温度应变测量装置安装在安装孔内也是在向模拟环空3内注入水泥浆之前。
83.本发明的一个实施例，如图1至图6所示，采用光纤温度应变传感器5作为温度应变测量装置，并通过光纤线50将光纤温度应变传感器5与信号处理系统6电连接，或将光纤温度应变传感器5与信号处理系统6无线通信连接。在本实施例中，采用光纤温度应变传感器5作为温度应变测量装置，光纤温度应变传感器5通过测量内部传输光栅的布拉格波长光谱，实现对水泥环7进行温度和应变参数的测量，且光纤温度应变传感器5具有实时和无损测量的特点，同时光纤温度应变传感器5还可以设计成任意形状，由此，光纤温度应变传感器5的形状可以根据测量位置需求进行改变，便于光纤温度应变传感器5对水泥环7进行准确测
量；进一步的，光纤温度应变传感器5具有抵抗包括高温在内的恶劣环境及化学侵蚀的能力，可在多种恶劣环境中测量且有利于保证测量的可靠性。进一步的，通过光纤线50将光纤温度应变传感器5与信号处理系统6电连接，或将光纤温度应变传感器5与信号处理系统6无线通信连接，便于实时、连续测量水泥环7在凝固过程及后续钻完井和生产过程的温度、应变状态，为研究水泥环7密封失效机理、针对性研发保障密封高性能水泥浆体系和实现对水泥环7完整性有效控制的提供数据支撑。需要说明的是，本实施例中的“钻完井”包括水泥浆凝固完成之后进行的钻进施工和完井施工。
84.本发明的一个实施例，测量油气井水泥环的温度和应变的方法还包括：
85.结合注入模拟环空3内的水泥浆的弹性模量，将获得的待测点的应变数据带入计算公式：
86.应力＝应变
×
弹性模量，
87.进行计算获得待测点的应力数据。
88.在本实施例中，结合注入模拟环空3内的水泥浆的弹性模量，将待测点的应变数据转换为应力数据，便于判断各压力工况下应力数据的变化情况。进一步的，本实施例中的水泥浆的弹性模量的数值可以根据所使用的水泥浆获得，对于不同配比的水泥浆，弹性模量也不同。需要说明的是，结合注入模拟环空3内的水泥浆的弹性模量中的“模拟环空3内的水泥浆”实质是模拟环空3内形成的水泥环7，注入模拟环空3内的水泥浆的弹性模量也是模拟环空3内形成的水泥环7的弹性模量。
89.另外，本实施例提供的一种测量油气井水泥环的温度和应变的模拟装置，如图1至图6所示，包括：
90.模拟地层1，模拟地层1内设有柱状中空腔体；
91.模拟套管2，竖直插设在柱状中空腔体内，模拟地层1与模拟装置同轴，且模拟地层1与模拟套管2之间限定形成待注入水泥浆的模拟环空3；
92.温度应变测量装置，设置在模拟环空3内，当向模拟环空3内注入水泥浆，水泥浆填充在模拟环空3内形成水泥环7，温度应变测量装置与水泥环7接触并能够测量水泥环7的温度和应变。
93.在本实施例中，如图1至图6所示，测量油气井水泥环的温度和应变的模拟装置中的模拟地层1和模拟套管2之间限定形成待注入水泥浆的模拟环空3，且在模拟环空3内设置有温度应变测量装置，水泥浆填充在模拟环空3内形成水泥环7，温度应变测量装置与水泥环7接触并能够测量水泥环7的温度和应变；进一步的，模拟装置模拟设置的位置可以为模拟环空3内需要测量温度和应变的任一位置，由此，可以通过在模拟环空3内需要测量温度和应变的任一位置的温度和应变，能够获得水泥环7包括水泥环7的内部、水泥环7的外壁和内壁在内的任一位置的温度和应变，从而可以有效的对水泥环7在不同工况下的温度、应变进行测量，且可以测量并获得包括水泥环7的内部、水泥环7的外壁和内壁在内的任一位置的温度和应变，能够为水泥环7的服役提供更为全面数据支撑，有利于合理设计水泥浆体系。需要说明的是，向模拟环空3注入水泥浆后，温度应变测量装置最终凝固在水泥环7内。
94.在本实施例中，如图1至图6所示，模拟地层1呈中空圆柱状结构，模拟套管2呈中空圆柱状结构，模拟地层1与模拟套管2之间限定形成的模拟环空3呈圆环状，向模拟环空3内注入水泥浆形成的水泥环7呈圆环状结构。另外，本实施例中的模拟地层1、模拟套管2还可
以设置成其它的结构。
95.需要说明的是，本实施例中如图1至图6所示的模拟装置仅是实施上述测量油气井水泥环的温度和应变的方法的一种，实施上述测量油气井水泥环的温度和应变的方法的模拟装置并不限于上述的模拟装置，且本实施例中示出的模拟装置未示模拟装置中的温度控制装置、施压装置，本实施例中如图1至图6所示的模拟装置中的模拟地层1、模拟套管2也只分别示出一部分，模拟地层1和模拟套管2具体完整结构也可以参考现有的模拟装置，另外，未示出的温度控制装置、施压装置以及其它结构可参考现有技术中的用于模拟油气井工况的模拟装置。进一步的，本实施例中如图1至图6所示的对模拟装置模拟油气井工况的具体操作可以参考本领域的用于模拟油气井工况的模拟装置，而且进行模拟油气井工况的过程中的各工况的温度高低、压力大小、加压时长均可根据需要模拟的油气井工况进行对应设置，对各工况进行具体模拟也可参考本领域中现有的用于模拟油气井工况的模拟装置，在此不再进行赘述。
96.本发明的一个实施例，如图3所示，温度应变测量装置设有多个，多个温度应变测量装置在竖直方向上间隔设置。在本实施例中，通过在竖直方向上间隔设置有多个温度应变测量装置，从而可以通过温度应变测量装置测量水泥环7在各工况下不同高度位置的待测点的温度和应变，从而获得水泥环7不同高度位置的温度数据和应变数据，可以对水泥环7的温度和应变情况具有更为全面的了解。
97.本发明的一个实施例，如图3、图6所示，模拟环空3的不同高度平面上分别周向间隔设有多个温度应变测量装置，位于同一高度平面的多个待测点周向间隔设置，且位于同一同高度平面上的多个温度应变测量装置到模拟环空3的竖直中心的距离不相等。在本实施例中，通过模拟环空3的不同高度平面上分别周向间隔设有多个温度应变测量装置，位于同一高度平面的多个待测点周向间隔设置，且位于同一同高度平面上的多个温度应变测量装置到模拟环空3的竖直中心的距离不相等，从而可以通过温度应变测量装置测量水泥环7在各工况下同一高度平面不同厚度位置的温度和应变，从而获得水泥环7同一高度平面不同厚度位置的温度数据和应变数据，可以对水泥环7的温度和应变情况具有更为全面的了解。
98.本发明的一个实施例，如图1至图6所示，模拟地层1上沿模拟地层1的厚度方向设有安装孔，安装孔贯穿模拟地层1并与模拟环空3连通，温度应变测量装置安装在安装孔内且伸入模拟环空3内。在本实施例中，通过在模拟地层1上设有安装孔，便于通过安装孔可靠的对温度应变测量装置进行安装，且有利于调节温度应变测量装置伸入模拟环空3内的位置，便于快速安装温度应变测量装置。另外，也可以在安装孔内安装两个或更多个温度应变测量装置。
99.在本实施例中，如图1至图6所示，本实施例中的温度应变测量装置为光纤温度应变传感器5，安装孔呈圆形通孔结构，进一步的，本实施例中为了便于对安装孔进行密封，通过在安装孔内安装有密封堵头4，密封堵头4内设有用于通过光纤线50的过孔40，光纤线50穿过过孔40；进一步的，本实施例中为了对过孔40与光纤线50之间存在的间隙进行封堵，通过在过孔40与光纤线50之间存在的间隙内填充的密封材料，通过密封材料对过孔40与光纤线50之间存在的间隙进行密封，密封材料固化后封堵在过孔40内；进一步的，本实施例中的密封堵头4呈阶梯柱状结构，密封堵头4包括大径端和小径端，密封堵头4的小径端插设在安
装孔内，小径端的外壁与安装孔之间通过密封胶进行密封；进一步的，本实施例中也可以将四个或更多个光纤温度应变传感器5通过同一个密封堵头4安装，且密封堵头4内的过孔40可以根据需要设置成能够通过多条光纤线50。进一步的，本实施例中密封堵头4以及对安装孔进行密封还可以保证在向模拟环空3内注入水泥浆的过程中不会有水泥浆向外泄漏，另外，还可以通过其它方式实现向模拟环空3内注入水泥浆的过程中不会有水泥浆向外泄漏。
100.进一步的，如图7所示，在本实施例中为了使得密封堵头4的大径端紧密贴合在模拟地层1的外侧壁，本实施例中通过在密封堵头4的大径端与密封堵头4的小径端之间设有圆弧避让槽41，圆弧避让槽41向密封堵头4的大径端的一侧凹陷，圆弧避让槽41能够适配紧密贴合在模拟地层1的外侧壁上。
101.进一步的，如图7所示，在本实施例中为了保证密封堵头4的小径端伸入模拟环空3内与模拟地层1的内壁形成光滑曲面，通过在密封堵头4的小径端的端部上设有圆弧凹陷槽42，圆弧凹陷槽42向密封堵头4的小径端的一侧凹陷，圆弧凹陷槽42的圆弧弧度与模拟地层1的内壁的圆弧弧度相等，密封堵头4的圆弧凹陷槽42与模拟地层1的内壁平齐设置，密封堵头4的圆弧凹陷槽42与模拟地层1的内壁形成光滑曲面。进一步的，本实施例中的安装孔为螺纹孔，密封堵头4的小径端外侧壁上设有外螺纹，密封堵头4的小径端螺纹连接在安装孔内。另外，也可以将安装孔设置为光孔，通过密封堵头4的小径端与安装孔过盈配合连接。
102.需要说明的是，为了实现模拟油气井工况，也可以通过其它方式对在模拟地层1上设有的安装孔进行密封，以使得用于模拟油气井工况的模拟装置对油气井进行逼真的模拟；另外，还可以通过其它的方式将光纤温度应变传感器5安装在模拟环空3内，例如：在模拟地层1的中空柱状腔体内安装模拟套管2之间，先在模拟地层1的内侧设置好光纤温度应变传感器5，再在模拟地层1上靠近设置好光纤温度应变传感器5沿模拟地层1的厚度方向钻取能够通过光纤线50的通孔，将光纤线50穿过通孔并封堵通孔，再将模拟套管2安装在模拟地层1的中空柱状腔体内；总之，能够确保模拟装置能够模拟油气井工况便可。
103.本发明的一个实施例，如图1至图6所示，温度应变测量装置包括光纤温度应变传感器5；
104.测量油气井水泥环的温度和应变的模拟装置还包括：
105.信号处理系统6，光纤温度应变传感器5通过光纤线50与信号处理系统6电连接，或光纤温度应变传感器5与信号处理系统6无线通信连接。
106.在本实施例中，温度应变测量装置包括光纤温度应变传感器5，光纤温度应变传感器5通过测量内部传输光栅的布拉格波长光谱，实现对水泥环7进行温度和应变参数的测量，且光纤温度应变传感器5具有实时和无损测量的特点，同时光纤温度应变传感器5还可以设计成任意形状，由此，光纤温度应变传感器5的形状可以根据测量位置需求进行改变，便于光纤温度应变传感器5对水泥环7进行准确测量；进一步的，光纤温度应变传感器5具有抵抗包括高温在内的恶劣环境及化学侵蚀的能力，可在多种恶劣环境中测量且有利于保证测量的可靠性。进一步的，通过光纤线50将光纤温度应变传感器5与信号处理系统6电连接，或将光纤温度应变传感器5与信号处理系统6无线通信连接，便于实时、连续测量水泥环7在凝固过程及后续钻完井和生产过程的温度、应变状态。
107.在本实施例中，光纤温度应变传感器5包括光纤温度传感器和光纤应变传感器，光纤温度传感器和光纤应变传感器结合或通过其它方式成型光纤温度应变传感器5，光纤温
度传感器和光纤应变传感器分别通过一根光纤线50与信号处理系统6电连接，且分别通过光纤线50向信号处理系统6传输测量信号；在通过光纤温度传感器和光纤应变传感器进行测量的过程中，开启信号处理器，打开信号处理器测量程序，设置温度光纤传感器和应变光纤传感器所测量信号的波长零点，设置好测量数据存储位置，点击开始采集，光纤传感器即刻开始采集水泥浆凝固过程的应变和温度；获得的测量数据后续拷贝至电脑中进行后续数据处理；进一步的，在应变传感器测量过程中可以通过温度传感器数据进行校正，进而消除温度变化对应变的产生影响，即可得到水泥环7只在压力载荷作用下的应变状态。进一步的，本实施例中的温度应变测量装置还可以采用其它的能够测量温度和应变的温度应变测量仪器。需要说明的是，本实施例中的光纤温度传感器和光纤应变传感器具体结构可以参考本领域的现有技术，本实施例中的图1至图6中仅对光纤温度传感器和光纤应变传感器的安装位置进行示意。
108.另外，除本实施例公开的技术方案以外，对于本发明中的光纤温度传感器、光纤应变传感器、模拟装置的其它部件、信号处理系统6以及其工作原理等可参考本技术领域的常规技术方案，而这些常规技术方案也并非本发明的重点，本发明在此不进行详细陈述。
109.在本发明中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
110.本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”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技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本技术的限制。
111.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
112.以上仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。