一种用于测试固井水泥环界面裂缝扩展的实验方法

技术领域

本发明涉及石油与天然气井筒完整性测试技术领域，更具体地说涉及一种用于测试固井水泥环界面裂缝扩展的实验方法。

背景技术

油气固井过程中，水泥将充填于套管与井眼之间的环形空间内，凝结固化后形成的水泥环具有支撑井壁、保护套管、封隔油气水层的作用。在后续钻采过程中，复杂的工况载荷容易使水泥环力学完整性遭受破坏，尤其在压裂工况下，水泥环一、二界面会产生界面裂缝，压裂液不仅会通过射孔孔眼进入地层裂缝里，还会进入水泥环界面裂缝中，界面产生的裂缝在高压压裂液的作用下容易发生进一步扩展，严重时会使水泥环发生封隔失效，引起层间窜流、环空带压等问题。因此，有效预测界面裂缝扩展程度对于水泥环长效封隔以及评价水泥环封隔能力有着至关重要的意义。

公开日为2020年6月19日，公开号为CN111307690A，名称为“一种油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置及其方法”的发明专利申请公布文本，公开了一种油气井筒环空水泥环的封隔性能测试装置及其方法，该装置包括承压筒、顶盖和底座构成，在该装置内设置有内压套管、水泥环、外压筒。在该装置上设置有加热套筒、温度传感器、氮气入口接口、渗透率检测模块接头、内压接头、当量裂缝宽度检测模块接头、环空压力传导系数检测模块接头、环空入口接头、流量监测计接头、环压出口接头、环压控制系统、环空压力传导系数检测模块、当量裂缝宽度检测模块、内压控制系统、氮气瓶、渗透率检测模块、温度控制系统、流量监测计、阀门、计算机控制系统。该发明解决水泥环载荷物理等效的问题和水泥环封隔性能量化监测的问题。但是其无法用于固井水泥环界面裂缝扩展实验。

在水泥环界面裂缝扩展研究方面，国内外还没有一种很好的实验装置或方案能够对其直接进行测试，目前主要以数学计算模型和软件模拟两方面研究为主，虽然关于水泥环界面裂缝理论研究相对比较成熟，但模型和软件计算的理论参数用来表征水泥环界面裂缝扩展程度缺乏公信力，与实际井下水泥环界面裂缝真实演变还存在一定的差异，因而光从理论方式入手还不够全面，达不到表征性能的要求，理论研究结果往往还是需要实验装置进行验证，只有理论与实验测试相结合，才能有效推动水泥环界面裂缝扩展的实际发展，给油田现场提供有价值的针对导向。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种用于测试固井水泥环界面的裂缝扩展的实验方法，以解决固井水泥环井下复杂受载工况下界面裂缝扩展量化监测问题。本发明根据压裂工况下的实际水泥环通过几何相似、应力相等和工序相同三个过程等效在实验水泥环上，计算出实验水泥环的尺寸、应力和模拟压裂工况载荷，并在预制水泥环时，预制出水泥环一界面和/或二界面裂缝，然后将水泥环组合体放置在承压套筒中，模拟真实井下高温高压水泥环工况受载环境，并结合声波变密度测井原理，对固井水泥环一、二界面裂缝扩展进行定量表征，能够分析初始缝长、套管偏心、水泥环力学性能对界面裂缝扩展的影响，能够对理论研究结果进行实验验证。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明提供了一种用于测试固井水泥环界面裂缝扩展的实验方法，该方法包括以下步骤：

S1、实验开始前，需要将压裂工况下的实际水泥环通过几何相似、应力相等和工序相同三个过程等效在实验水泥环上，计算出实验水泥环上的尺寸、应力和模拟压裂工况载荷；其中工序相同是指压裂工序相同。

S2、按照实验要求及GB/T10238标准配置相应水泥浆，注入水泥环养护模具中，养护模具底座上的卡锥环套能够在水泥环底部预制水泥环一界面和/或二界面裂缝；将养护模具置于高温高压养护釜中养护至设定龄期，将养护模具中内压套管、模拟围岩套管与水泥环一起取出，形成“内压套管-水泥环-模拟围岩套管”组合体；

水泥环为脆性材料，养护好之后再人为增加裂缝，易导致水泥石内部应力受损。本申请在水泥浆还处于液态的时候，通过养护模具底座上的卡锥环套预制一界面和/或二界面裂缝，可以避免养护好之后人为造缝改变水泥环内部应力的问题。

S3、将S2步骤得到的组合体置于密封的承压套筒中，组合体的模拟围岩套管外壁与承压套筒内壁之间形成围压环空；预制的带有一界面和/或二界面裂缝的水泥环与组合体上下两端之间均具有一定空间，并与承压套筒的顶盖和底座之间分别形成水泥环底部环空和水泥环顶部环空；组合体的内压套管与承压套筒的顶盖和底座之间形成套管内腔。

S4、在围压环空内设置外加热器，在套管内腔设置内加热器，并将外加热器和内加热器与温度控制系统相连；将围压环空、水泥环底部环空、水泥环顶部环空和套管内腔与压力控制系统相连；在套管内腔装配联轴驱动，并将联轴驱动下端依次装配声波发射器、3H声波接收器和5H声波接收器；其中声波发射器与3H声波接收器相距3Hcm，声波发射器与5H声波接收器相距5Hcm；联轴驱动装配在套管内腔中并保持垂直居中；将声波发生器、3H声波接收器和5H声波接收器与声波信号处理系统相连；将温度控制系统、压力控制系统和声波信号处理系统与计算机控制系统建立数据连接；其中3H声波接收器和5H声波接收器，分别表示距离声波发射器3个单位距离的声波接收器和距离声波发射器5个单位距离的声波接收器；以确保声波接收器可以接收到完整的波形；设置两个接收器也是保证可以完整接收到组合体的完整的声波信号。

S5、计算机控制系统依据S1步骤计算得到的压裂工况载荷数据，控制压力控制系统同时向围压环空、水泥环底部环空和套管内腔注入液体介质，排空其内的空气；当套管内腔和围压环空内注满液体介质后，关闭套管内腔和围压环空的排液阀；

计算机控制系统控制温度控制系统，设定好升温时间，利用内加热器和外加热器对水泥环组合体进行均匀加热，随温度的增加，套管内腔压力、水泥环底部环空压力和围压环空压力均会增加；与此同时，计算机控制系统在压力控制系统中设置升压时间与升温时间一致，对套管内腔、水泥环底部环空和围压环空进行均匀持续加压，升温升压结束后，控制温度在目标温度，围压环空压力在目标围压，并保持；

其中，升温升压是需要一个过程的，不是瞬间就达到的，所以是需要设置一定时间来达到所需目标值，这里升温时间和升压时间保持一致是因为实际井下水泥环本身就处在一定温压环境下的，所以我们在实验过程中也需要将水泥环温压环境均匀升至目标值，所以控制时间一致。

等到围压环空压力稳定后，关闭围压环空的压力注入；继续对套管内腔和水泥环底部环空进行均匀连续加压，直到套管内腔压力和水泥环底部环空压力升至目标内压，随后保持套管内腔压力、围压环空压力以及水泥环底部环空压力稳定一段时间；

其中，关闭围压环空的压力注入是因为我们开始实验时，围压环空是没有压力的，然而实际井下水泥环在进行压裂工艺时本身就会受到来自地层的围压，所以这里的目的其实是按两步来走的，第一步目的就是让实验水泥环的温压先升至我们所需的目标值，随后保持这种温压环境，开始第二步，也就是模拟压裂的过程，此时需要稳定住围压，而内压和水泥环底部环压需要继续增大（用以模拟压裂过程），从而观察水泥环界面裂缝是否扩展以及扩展程度如何。

S6、计算机控制系统控制声波信号处理系统启动，利用声波发射器发射声波脉冲经内压套管、水泥环和模拟围岩套管后被3H声波接收器和5H声波接收器接收，3H声波接收器和5H声波接收器将其获取的全波波形数据发送至声波信号处理系统的全波波形数据采集器上，随后全波波形数据采集器将记录的数据传输到数字示波器上，数字示波器处理后发送至瞬时波形采集器中，之后经过瞬时波形转换器将波形数据转化为水泥环界面胶结强度信号，来判断此处是否产生裂缝。

S7、计算机控制系统控制联轴驱动动作，带动声波发射器、3H声波接收器和5H声波接收器沿内压套管轴向方向匀速移动，测出多段随时间变化的连续裂缝信号，最后传输到计算机控制系统中生成水泥环一界面和/或二界面裂缝扩展长度曲线。

进一步的，计算机控制系统启动声波信号处理系统的同时，利用压力控制系统对水泥环顶部环空压力进行压力监测；一旦水泥环发生窜通失效，水泥环顶部环空便会进入液体介质从而产生液压，传感器便会记录压力值传输到压力控制系统上，最后传送至计算机控制系统中生成水泥环顶部环空压力曲线，以此判断水泥环界面是否发生窜通失效。

进一步的，测试结束后，计算机控制系统保存好实验数据，关闭声波信号处理系统和温度控制系统，等到承压套筒内温度降至室温后，利用压力控制系统卸掉套管内腔、水泥环底部环空和围压环空中的压力，随后关闭压力控制系统，拆除各个控制系统相应的接头和管线，写下承压套筒顶盖，取出水泥环组合体，实验结束。

进一步的，所述养护模具包括内压套管、模拟围岩套管、模具顶盖和模具底座，内压套筒置于模拟围岩套管内，内压套筒上端和下端分别连接在模具顶盖和模具底座的卡槽内；模具顶盖和模具底座通过紧固件分别固定连接在模拟围岩套管的上端和下端；底座的卡槽上设置有用于预制水泥环界面裂缝的卡锥环套，所述卡锥环套为三种类型卡锥环套中的任意一种；所述三种类型卡锥环套分别为预制水泥环一界面裂缝的卡锥环套Ⅰ、预制水泥环二界面裂缝的卡锥环套Ⅱ和同时预制水泥环一界面裂缝与二界面裂缝的卡锥环套Ⅲ。

所述卡锥环套上与水泥环接触的接触面上涂有耐温脱脂油。

所述内压套管与模拟围岩套管同轴设置，用于制取圆形水泥环。

所述内压套管与模拟围岩套管偏心设置，用于制取偏心水泥环。

所述温度控制系统设置有三个连接端口，分别连接在内耦温度传感器、外耦温度传感器和计算机控制系统，内加热器位于套管内腔中，且装配在承压套筒的底座上，外加热器位于围压环空中且装配在承压套筒的底座上。温度控制系统通过内耦温度传感器控制内加热器的加热功率，通过外耦温度传感器控制外加热器的加热功率，内加热器和外加热器同时加热，以保证水泥环均匀受热。

所述压力控制系统设置有八个连接端口，分别连接在内压传感器、内压接头、水泥环底部环空压力传感器、水泥环底部环空接头、水泥环顶部环空压力传感器、围压环空压力传感器、围压环空接头和计算机控制系统上；其中内压传感器位于内压控制阀与内压接头之间的液压管线上，内压接头用于向套管内腔注入液体介质；水泥环底部环空压力传感器位于水泥环底部环空压力控制阀与水泥环底部环空接头之间的液压管线上，水泥环底部环空接头用于向水泥环底部环空注入液体介质；围压环空压力传感器位于围压环空压力控制阀与围压环空接头之间的液压管线上，围压环空接头用于向围压环空注入液体介质。

在套管内腔上方的顶盖处，设置有内压排液阀，在围压环空上方的顶盖处设置有围压环空排液阀。

与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

1、关于水泥环界面裂缝研究方面，目前仍然以理论研究为主，缺少一种装置能够对其进行直接量化测试，本发明能够模拟真实井下高温高压水泥环工况受载环境，并结合声波变密度测井原理，对固井水泥环一二界面裂缝扩展进行定量表征，能够分析初始缝长、套管偏心、水泥环力学性能对界面裂缝扩展的影响，能够对理论研究结果进行实验验证等。

2、本发明通过测试水泥环一二界面裂缝扩展程度能够间接评价在压裂等复杂工况下水泥环的损伤程度，还能将所测物理参数集成在计算机处理系统的软件界面上，便于操作人员直接观察，仪器安装、拆卸和操作简便的同时也易于加工制造。

3、本发明提供了水泥环界面裂缝扩展测试提供对应地含有预制裂缝的水泥环组合体养护模具，便于更加准确地测试水泥环界面裂缝扩展程度，对于水泥环在复杂工况下的长效密封评价带来参考价值。

4、本发明中养护模具能够根据实际井下水泥环所受压裂工况环境模拟出不同类型的含有初始缝长的组合体结构，该养护模具设计简单，易于加工，使用便捷。

5、在卡锥环套上与水泥环接触的接触面涂有耐温脱脂油，便于卡锥环套与水泥环分离形成初始缝长。

附图说明

图1是本发明的一种用于测试固井水泥环界面裂缝扩展的实验装置的结构示意图；

图2是本发明提供的直井井段条件下含有水泥环一、二界面裂缝的组合体养护模具结构示意图；

图3是本发明提供的直井井段条件下含有水泥环一界面裂缝的组合体养护模具结构示意图；

图4是本发明提供的直井井段条件下含有水泥环二界面裂缝的组合体养护模具结构示意图；

图5是本发明提供的偏心井井段条件下含有水泥环一、二界面裂缝的组合体养护模具结构示意图；

图6是本发明提供的偏心井井段条件下含有水泥环一界面裂缝的组合体养护模具结构示意图；

图7是本发明提供的偏心井井段条件下含有水泥环二界面裂缝的组合体养护模具结构示意图；

图8是本发明提供的初始缝长为l1的固井水泥环界面裂缝测试结果示意图；

图9是本发明提供的初始缝长为l2的固井水泥环界面裂缝测试结果示意图；

图10是本发明提供的初始缝长为l3的固井水泥环界面裂缝测试结果示意图；

附图标记：1、顶盖，2、底座，3、承压套筒，4、内压套管，5、水泥环，6、模拟围岩套管，7、声波发射器，8、3H声波接收器，9、5H声波接收器，10、联轴驱动，11、声波信号传输接头，12、声波信号处理系统，13、内加热器，14、内耦温度传感器，15、外加热器，16、外耦温度传感器，17、温度控制系统，18、内压控制阀，19、内压传感器，20、内压接头，21、内压排液阀，22、水泥环底部环空压力控制阀，23、水泥环底部环空压力传感器，24、水泥环底部环空接头，25、水泥环顶部环空压力传感器，26、围压环空压力控制阀，27、围压环空压力传感器，28、围压环空接头，29、围压环空排液阀，30、压力控制系统，31、计算机控制系统，32、模具顶盖，33、模具底座，34、卡锥环套Ⅰ，35、卡锥环套Ⅱ，36、卡锥环套Ⅲ，37、围压环空，38、水泥环底部环空，39、水泥环顶部环空，40、套管内腔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中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作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。

实施例1

作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1所示，本实施例公开了一种适用于本发明用于测试固井水泥环界面裂缝扩展实验方法的实验装置，该试验装置包括顶盖1、底座2、承压套筒3、内压套管4、水泥环5、模拟围岩套管6、声波发射器7、3H声波接收器8、5H声波接收器9、联轴驱动10、声波信号传输接头11、声波信号处理系统12、内加热器13、内耦温度传感器14、外加热器15、外耦温度传感器16、温度控制系统17、内压控制阀18、内压传感器19、内压接头20、内压排液阀21、水泥环底部环空压力控制阀22、水泥环底部环空压力传感器23、水泥环底部环空接头24、水泥环顶部环空压力传感器25、围压环空压力控制阀26、围压环空压力传感器27、围压环空接头28、围压环空排液阀29、压力控制系统30和计算机控制系统31。

其中，顶盖1通过上螺纹与承压套筒3紧密连接，所述底座2通过下螺纹与承压套筒3紧密连接。内压套管4、水泥环5和模拟围岩套管6组成模拟井筒组合体，水泥环内径D1cm，外径D2cm，长度L1cm，水泥环底部含有预制的一界面和/或二界面初始裂缝，目的在于模拟压裂射孔过程中水泥环一界面和/或二界面产生的裂缝，水泥环一界面缝宽D3cm，缝长L2cm，水泥环二界面缝宽D4cm，缝长L3cm，满足D2＞D1≥D3+D4，L1≥L2+L3。

声波信号处理系统12设置有两个连接端口，一端通过声波信号传输接头11连接在联轴驱动10上，另一端连接在计算机控制系统31上；所述联轴驱动下端依次连接声波发射器7、3H声波接收器8和5H声波接收器9，声波发射器与3H声波接收器相距3Hcm，声波发射器与5H声波接收器相距5Hcm；联轴驱动安置在套管内腔中并保持垂直居中，联轴驱动能够上下匀速升降，从而控制声波发射器和接收器的绝对位置，实现对水泥环一二界面裂缝连续监测的目的。

所述声波信号处理系统12包括全波波形数据采集器、数字示波器、瞬时波形采集器、瞬时波形转换器几部分，其工作方式采用声波变密度测井原理，测试水泥环一二界面裂缝扩展长度原理大致为声波发射器7发射声波脉冲经套管、水泥环和模拟围岩套管后被3H声波接收器8和5H声波接收器9接收，接收器获取的全波波形数据经过声波信号传输接头发送至全波波形数据采集器上，随后采集器将记录的数据传输到数字示波器上，数字示波器处理后发送至瞬时波形采集器中，之后经过瞬时波形转换器将波形数据转化为水泥环界面胶结强度信号来判断此处是否产生裂缝，当声波发射器和接收器沿套管轴向方向移动时，便测出两段随时间变化的连续裂缝信号，最终传输到计算机控制系统31中生成水泥环一二界面裂缝扩展长度曲线。

温度控制系统17设置有三个连接端口，分别连接在内耦温度传感器14、外耦温度传感器16和计算机控制系统31；内加热器13位于套管内腔中安置在釜体底座上，外加热器15位于围压环空中安置在釜体底座上，温度控制系统通过内耦温度传感器控制内加热器加热功率，通过外耦温度传感器控制外加热器加热功率，内外同时加热保证水泥环均匀受热。

所述内压排液阀21位于套管内腔上方的顶盖处，所述围压环空排液阀29位于围压环空上方的顶盖处。

所述压力控制系统30设置有八个连接端口，分别连接在内压传感器19、内压接头20、水泥环底部环空压力传感器23、水泥环底部环空接头24、水泥环顶部环空压力传感器25、围压环空压力传感器27、围压环空接头28和计算机控制系统31上；其中内压传感器位于内压控制阀18与内压接头之间的液压管线上，水泥环底部环空压力传感器位于水泥环底部环空压力控制阀22与水泥环底部环空接头之间的液压管线上，围压环空压力传感器位于围压环空压力控制阀26与围压环空接头之间的液压管线上。所述水泥环顶部环空压力传感器主要用来判断水泥环是否发生窜通失效，一旦水泥环发生窜通失效，水泥环顶部便会进入液体介质从而产生液压，传感器便会记录压力值传输到压力控制系统上，最后传送至计算机控制系统中生成水泥环顶部环空压力曲线。

实施例2

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1所示，本实施例公开了一种用于测试固井水泥环界面裂缝扩展的实验方法，该方法包括以下步骤：

S1、实验开始前，需要将压裂工况下的实际水泥环通过几何相似、应力相等、工序相同三个过程等效在实验水泥环上，计算出实验水泥环上的尺寸、应力和模拟压裂工况载荷；

S2、按照实验要求及GB/T10238标准配置相应水泥浆，注入水泥环养护模具中，养护模具底座上的卡锥环套能够在水泥环底部预制水泥环一界面和/或二界面裂缝；将养护模具置于高温高压养护釜中养护至设定龄期，将养护模具中内压套管4、模拟围岩套管6与水泥环一起取出，形成“内压套管4-水泥环-模拟围岩套管6”组合体；

S3、将S2步骤得到的组合体置于密封的承压套筒3中，组合体的模拟围岩套管6外壁与承压套筒3内壁之间形成围压环空37；预制的带有一界面和/或二界面裂缝的水泥环与组合体上下两端之间均具有一定空间，并与承压套筒3的顶盖1和底座2之间分别形成水泥环底部环空38和水泥环顶部环空39；组合体的内压套管4与承压套筒3的顶盖1和底座2之间形成套管内腔40；

S4、在围压环空37内设置外加热器15，在套管内腔40设置内加热器13，并将外加热器15和内加热器13与温度控制系统17相连；将围压环空37、水泥环底部环空38、水泥环顶部环空39和套管内腔40与压力控制系统30相连；在套管内腔40装配联轴驱动10，并将联轴驱动10下端依次装配声波发射器7、3H声波接收器8和5H声波接收器9；其中声波发射器7与3H声波接收器8相距3Hcm，声波发射器7与5H声波接收器9相距5Hcm；联轴驱动10装配在套管内腔40中并保持垂直居中；将声波发生器、3H声波接收器8和5H声波接收器9与声波信号处理系统12相连；将温度控制系统17、压力控制系统30和声波信号处理系统12与计算机控制系统31建立数据连接；

S5、计算机控制系统31依据S1步骤计算得到的压裂工况载荷数据，控制压力控制系统30同时向围压环空37、水泥环底部环空38和套管内腔40注入液体介质，排空其内的空气；当套管内腔40和围压环空37内注满液体介质后，关闭套管内腔40和围压环空37的排液阀；

计算机控制系统31控制温度控制系统17，设定好升温时间，利用内加热器13和外加热器15对水泥环组合体进行均匀加热，随温度的增加，套管内腔40压力、水泥环底部环空38压力和围压环空37压力均会增加；与此同时，计算机控制系统31在压力控制系统30中设置升压时间与升温时间一致，对套管内腔40、水泥环底部环空38和围压环空37进行均匀持续加压，升温升压结束后，控制温度在目标温度，围压环空37压力在目标围压，并保持；

等到围压环空37压力稳定后，关闭围压环空37的压力注入；继续对套管内腔40和水泥环底部环空38进行均匀连续加压，直到套管内腔40压力和水泥环底部环空38压力升至目标内压，随后保持套管内腔40压力、围压环空37压力以及水泥环底部环空38压力稳定一段时间；

S6、计算机控制系统31控制声波信号处理系统12启动，利用声波发射器7发射声波脉冲经内压套管4、水泥环和模拟围岩套管6后被3H声波接收器8和5H声波接收器9接收，3H声波接收器8和5H声波接收器9将其获取的全波波形数据发送至声波信号处理系统12的全波波形数据采集器上，随后全波波形数据采集器将记录的数据传输到数字示波器上，数字示波器处理后发送至瞬时波形采集器中，之后经过瞬时波形转换器将波形数据转化为水泥环界面胶结强度信号，来判断此处是否产生裂缝；

S7、计算机控制系统31控制联轴驱动10动作，带动声波发射器7、3H声波接收器8和5H声波接收器9沿内压套管4轴向方向匀速移动，测出多段随时间变化的连续裂缝信号，最后传输到计算机控制系统31中生成水泥环一界面和/或二界面裂缝扩展长度曲线。

实施例3

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图2-7所示，本实施例是对实施例1和实施例2中养护模具的实施方式的说明。

所述养护模具包括内压套管4、模拟围岩套管6、模具顶盖32和模具底座33，内压套筒置于模拟围岩套管6内，内压套筒上端和下端分别连接在模具顶盖32和模具底座33的卡槽内；模具顶盖32和模具底座33通过紧固件分别固定连接在模拟围岩套管6的上端和下端；底座2的卡槽上设置有用于预制水泥环界面裂缝的卡锥环套，所述卡锥环套为三种类型卡锥环套中的任意一种；所述三种类型卡锥环套分别为预制水泥环一界面裂缝的卡锥环套Ⅰ34、预制水泥环二界面裂缝的卡锥环套Ⅱ35和同时预制水泥环一界面裂缝与二界面裂缝的卡锥环套Ⅲ36。

作为本实施例的一种实施方式，如图2所示，是直井井段条件下含有水泥环一、二界面裂缝的组合体养护模具结构，具体的，将内压套管4和模拟围岩套管6安装在模具底座33的卡槽上，将卡锥环套Ⅲ36与水泥环的接触面上涂上光滑均匀的耐温脱脂油，同时将相应尺寸的卡锥环套Ⅲ36与水泥环一、二界面紧密贴合；按照GB/T10238配制相应水泥浆，浇筑到内压套管4和模具套筒之间的环形空间内，随后通过螺栓将模具顶盖32和模拟围岩套管6紧密连接在一起，然后将整个组合体模具放入高温高压养护釜中，设置好目标温度和养护龄期，开始进行养护；养护结束后，关闭养护釜升温程序，等到温度降到室温时，取出整个组合体模具，拧松螺栓，拆开模具顶盖32和模具底座33以及卡锥环套Ⅲ36，此时便得到水泥环一二界面含有初始缝长的“内压套管4-水泥环-模拟围岩套管6”组合体。

作为本实施例的又一种实施方式，如图3所示，是直井井段条件下含有水泥环一界面裂缝的组合体养护模具结构，具体的，将内压套管4和模拟围岩套管6安装在模具底座33的卡槽上，将卡锥环套Ⅰ34与水泥环的接触面上涂上光滑均匀的耐温脱脂油，同时将相应尺寸的卡锥环套Ⅰ34与水泥环一界面紧密贴合；按照GB/T10238配制相应水泥浆，浇筑到内压套管4和模具套筒之间的环形空间内，随后通过螺栓将模具顶盖32和模拟围岩套管6紧密连接在一起，然后将整个组合体模具放入高温高压养护釜中，设置好目标温度和养护龄期，开始进行养护；养护结束后，关闭养护釜升温程序，等到温度降到室温时，取出整个组合体模具，拧松螺栓，拆开模具顶盖32和模具底座33以及卡锥环套Ⅰ34，此时便得到水泥环一界面含有初始缝长的“内压套管4-水泥环-模拟围岩套管6”组合体。

作为本实施例的又一种实施方式，如图4所示，是直井井段条件下含有水泥环二界面裂缝的组合体养护模具结构，具体的，将内压套管4和模拟围岩套管6安装在模具底座33的卡槽上，将卡锥环套Ⅱ35与水泥环的接触面上涂上光滑均匀的耐温脱脂油，同时将相应尺寸的卡锥环套Ⅱ35与水泥环二界面紧密贴合；按照GB/T10238配制相应水泥浆，浇筑到内压套管4和模具套筒之间的环形空间内，随后通过螺栓将模具顶盖32和模拟围岩套管6紧密连接在一起，然后将整个组合体模具放入高温高压养护釜中，设置好目标温度和养护龄期，开始进行养护；养护结束后，关闭养护釜升温程序，等到温度降到室温时，取出整个组合体模具，拧松螺栓，拆开模具顶盖32和模具底座33以及卡锥环套Ⅱ35，此时便得到水泥环二界面含有初始缝长的“内压套管4-水泥环-模拟围岩套管6”组合体。

作为本实施例的又一种实施方式，如图5所示，是偏心井井段条件下含有水泥环一、二界面裂缝的组合体养护模具结构，具体的，将内压套管4和模拟围岩套管6安装在模具底座33的卡槽上，内压套管4和模拟围岩套管6偏心设置，将卡锥环套Ⅲ36与水泥环的接触面上涂上光滑均匀的耐温脱脂油，同时将相应尺寸的卡锥环套Ⅲ36与水泥环一、二界面紧密贴合；按照GB/T10238配制相应水泥浆，浇筑到内压套管4和模具套筒之间的环形空间内，随后通过螺栓将模具顶盖32和模拟围岩套管6紧密连接在一起，然后将整个组合体模具放入高温高压养护釜中，设置好目标温度和养护龄期，开始进行养护；养护结束后，关闭养护釜升温程序，等到温度降到室温时，取出整个组合体模具，拧松螺栓，拆开模具顶盖32和模具底座33以及卡锥环套Ⅲ36，此时便得到水泥环一、二界面含有初始缝长的“内压套管4-水泥环-模拟围岩套管6”组合体。

作为本实施例的又一种实施方式，如图6所示，是偏心井井段条件下含有水泥环一界面裂缝的组合体养护模具结构，具体的，将内压套管4和模拟围岩套管6安装在模具底座33的卡槽上，内压套管4和模拟围岩套管6偏心设置，将卡锥环套Ⅰ34与水泥环的接触面上涂上光滑均匀的耐温脱脂油，同时将相应尺寸的卡锥环套Ⅰ34与水泥环一界面紧密贴合；按照GB/T10238配制相应水泥浆，浇筑到内压套管4和模具套筒之间的环形空间内，随后通过螺栓将模具顶盖32和模拟围岩套管6紧密连接在一起，然后将整个组合体模具放入高温高压养护釜中，设置好目标温度和养护龄期，开始进行养护；养护结束后，关闭养护釜升温程序，等到温度降到室温时，取出整个组合体模具，拧松螺栓，拆开模具顶盖32和模具底座33以及卡锥环套Ⅰ34，此时便得到水泥环一界面含有初始缝长的“内压套管4-水泥环-模拟围岩套管6”组合体。

作为本实施例的又一种实施方式，如图7所示，是偏心井井段条件下含有水泥环二界面裂缝的组合体养护模具结构，具体的，将内压套管4和模拟围岩套管6安装在模具底座33的卡槽上，内压套管4和模拟围岩套管6偏心设置，将卡锥环套Ⅱ35与水泥环的接触面上涂上光滑均匀的耐温脱脂油，同时将相应尺寸的卡锥环套Ⅱ35与水泥环二界面紧密贴合；按照GB/T10238配制相应水泥浆，浇筑到内压套管4和模具套筒之间的环形空间内，随后通过螺栓将模具顶盖32和模拟围岩套管6紧密连接在一起，然后将整个组合体模具放入高温高压养护釜中，设置好目标温度和养护龄期，开始进行养护；养护结束后，关闭养护釜升温程序，等到温度降到室温时，取出整个组合体模具，拧松螺栓，拆开模具顶盖32和模具底座33以及卡锥环套Ⅱ35，此时便得到水泥环二界面含有初始缝长的“内压套管4-水泥环-模拟围岩套管6”组合体。

实施例4

作为本发明又一较佳实施例，本实施例是对实施例2的补充实施方式，具体的，计算机控制系统启动声波信号处理系统的同时，利用压力控制系统对水泥环顶部环空压力进行压力监测；一旦水泥环发生窜通失效，水泥环顶部环空便会进入液体介质从而产生液压，传感器便会记录压力值传输到压力控制系统上，最后传送至计算机控制系统中生成水泥环顶部环空压力曲线，以此判断水泥环界面是否发生窜通失效。

实施例5

作为本发明又一较佳实施例，本实施例是对实施例2的补充实施方式，具体的，测试结束后，计算机控制系统保存好实验数据，关闭声波信号处理系统和温度控制系统，等到承压套筒内温度降至室温后，利用压力控制系统卸掉套管内腔、水泥环底部环空和围压环空中的压力，随后关闭压力控制系统，拆除各个控制系统相应的接头和管线，写下承压套筒顶盖，取出水泥环组合体，实验结束。

实施例6

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图8、9和10所示，初始缝长为l1、l2、l3的固井水泥环界面裂缝测试的实施过程如下：

S1、实验开始前，需要将压裂工况下的实际水泥环通过几何相似、应力相等、工序相同三个过程等效在实验水泥环上，计算出实验水泥环上的尺寸、应力和模拟压裂工况载荷；具体的实验水泥环内压为90MPa，围压为50MPa；

S2、按照实验要求及GB/T10238标准配置相应水泥浆，注入水泥环养护模具中，养护模具底座上的卡锥环套能够在水泥环底部预制水泥环一界面和/或二界面裂缝；将养护模具置于高温高压养护釜中养护7d，将养护模具中内压套管、模拟围岩套管与水泥环一起取出，形成“内压套管-水泥环-模拟围岩套管”组合体（如图2所示）；

参照上述S1和S2步骤，形成三个“内压套管-水泥环-模拟围岩套管”组合体，三个组合体中水泥环的一、二界面初始缝长分别为l1、l2和l3；

S3、将S2步骤得到的三个组合体分别置于密封的承压套筒中，组合体的模拟围岩套管外壁与承压套筒内壁之间形成围压环空；预制的带有一界面和/或二界面裂缝的水泥环与组合体上下两端之间均具有一定空间，并与承压套筒的顶盖和底座之间分别形成水泥环底部环空和水泥环顶部环空；组合体的内压套管与承压套筒的顶盖和底座之间形成套管内腔；

S4、在围压环空内设置外加热器，在套管内腔设置内加热器，并将外加热器和内加热器与温度控制系统相连；将围压环空、水泥环底部环空、水泥环顶部环空和套管内腔与压力控制系统相连；在套管内腔装配联轴驱动，并将联轴驱动下端依次装配声波发射器、3H声波接收器和5H声波接收器；其中声波发射器与3H声波接收器相距3Hcm，声波发射器与5H声波接收器相距5Hcm；联轴驱动装配在套管内腔中并保持垂直居中；将声波发生器、3H声波接收器和5H声波接收器与声波信号处理系统相连；将温度控制系统、压力控制系统和声波信号处理系统与计算机控制系统建立数据连接；

S5、计算机控制系统依据S1步骤计算得到的压裂工况载荷数据，控制压力控制系统同时向围压环空、水泥环底部环空和套管内腔注入液体介质，排空其内的空气；当套管内腔和围压环空内注满液体介质后，关闭套管内腔和围压环空的排液阀；

计算机控制系统控制温度控制系统，设定好升温时间60min，利用内加热器和外加热器对水泥环组合体进行均匀加热，随温度的增加，套管内腔压力、水泥环底部环空压力和围压环空压力均会增加；与此同时，计算机控制系统在压力控制系统中设置升压时间与升温时间一致，对套管内腔、水泥环底部环空和围压环空进行均匀持续加压，升温升压结束后，控制温度在目标温度120℃，围压环空压力在目标围压50MPa，并保持；

等到围压环空压力稳定后，关闭围压环空的压力注入；继续对套管内腔和水泥环底部环空进行均匀连续加压，直到套管内腔压力和水泥环底部环空压力升至目标内压90MPa，随后保持套管内腔压力、围压环空压力以及水泥环底部环空压力稳定一段时间；

计算机控制系统控制声波信号处理系统启动，利用声波发射器发射声波脉冲经内压套管、水泥环和模拟围岩套管后被3H声波接收器和5H声波接收器接收，3H声波接收器和5H声波接收器将其获取的全波波形数据发送至声波信号处理系统的全波波形数据采集器上，随后全波波形数据采集器将记录的数据传输到数字示波器上，数字示波器处理后发送至瞬时波形采集器中，之后经过瞬时波形转换器将波形数据转化为水泥环界面胶结强度信号，来判断此处是否产生裂缝；

S7、计算机控制系统控制联轴驱动动作，带动声波发射器、3H声波接收器和5H声波接收器沿内压套管轴向方向匀速移动，测出多段随时间变化的连续裂缝信号，最后传输到计算机控制系统中生成水泥环一界面和/或二界面裂缝扩展长度曲线；

S8、计算机控制系统启动声波信号处理系统的同时，利用压力控制系统对水泥环顶部环空压力进行压力监测；一旦水泥环发生窜通失效，水泥环顶部环空便会进入液体介质从而产生液压，传感器便会记录压力值传输到压力控制系统上，最后传送至计算机控制系统中生成水泥环顶部环空压力曲线，以此判断水泥环界面是否发生窜通失效。

实验结果如下表1所示：

表1为初始缝长对水泥环界面裂缝扩展长度的影响

上述三种组合体，采用的同一水泥浆配方，实验配方为：100%G级高抗水泥+35％石英砂+1.5％防窜剂+3.5％降失水剂+0.2%分散剂+0.2％缓凝剂+44％水。

实验结果分析：

1）一：由实验结果测试图（图8）可以看出，水泥环二界面的裂缝扩展长度要大于一界面的裂缝扩展长度，两个界面并未发生窜通失效。说明该体系下的水泥环在初始缝长为l1的状态下能够抵制界面裂缝窜通失效。

2）二：由实验结果测试图（图9）可以看出，当水泥环初始缝长为l2（l2＞l1）时，水泥环一二界面裂缝扩展长度均有所增加，水泥环二界面的裂缝扩展长度大于一界面的裂缝扩展长度，两个界面仍然未发生窜通失效。说明该体系下的水泥环在初始缝长为l2的状态下仍然能够抵制界面裂缝窜通失效，但水泥环损伤程度有所增加。

3）三：由实验结果测试图（图10）可以看出，当水泥环初始缝长为l3（l3＞l2）时，水泥环二界面的裂缝扩展长度小于一界面的裂缝扩展长度，且水泥环一界面发生窜通失效。说明当初始缝长大于某一临界值时，水泥环界面便会发生窜通失效，从测试曲线图可以看出，水泥环二界面裂缝发生了曲折扩展，从而使得一界面的裂缝扩展增加，直至发生界面失效。

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。