CN102192926B - 水泥膨胀测量设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于测量水泥膨胀的设备，所述设备包括膨胀单元，所述膨胀单元包括被缝隙间隔开的两个接点。接点被一缝隙间隔开，使得接点之间的距离的变化可以与膨胀单元中所含有的水泥的线性膨胀相关。电元件联接到两个接点，并且电元件具有可以与接点之间的距离相关的电特性。可以连续并实时地执行电特性变化的测量。另外，膨胀单元可以放置在被配备成模拟井下压力和温度条件的容器中。

Description

水泥膨胀测量设备和方法

技术领域

实施例涉及一种用于测量水泥的膨胀的设备。水泥膨胀测量设备可以在油田相关应用中用于例如测量暴露于压力和温度的井下条件的水泥的膨胀。另一个实施例涉及一种水泥膨胀测量方法。

背景技术

在此部分中的说明仅提供与本公开有关的背景信息并且可以不构成现有技术。

水泥用于对已经钻进地质构造中的井进行层间封隔，以便进行油气开发与开采。这种水泥暴露于井下所遇到的恶劣环境，通常油气和水的流体混合物处于2.8千巴(40,000psi)的高压或达到315℃(600℉)的高温下。研制新水泥配方需要测量当水泥暴露于这种压力和温度的井下条件时该水泥的膨胀。

US6,817,238说明了一种放置在高压高温(HPHT)室中的设备，和一种测量当凝固水泥暴露于类似于井下条件的压力和温度下时该水泥的体积变化的方法。所述设备包括具有第二部分和邻近基部的第一部分的模具，所述第二部分可移动地连接到第一部分并邻近基部，其中可以放置水泥。所述设备包括用于测量第一部分和第二部分响应于水泥的体积变化而相对于彼此的移动的传感器。

尽管US6,817,238对现有技术具有重要的贡献，但是注意到所述模具具有相对复杂的结构，从而使得在水泥浆已经凝固在模具中并且已经测量完水泥的体积变化之后进行重新清洁以便重新使用时变得相对困难。此外，模拟在所钻的井眼的环空中膨胀的水泥的几何条件需要不同的形状。此外，估算水泥的线性膨胀和/或测量通常被证明(例如，国际标准组织ISO、或美国材料试验学会ASTM，或美国石油学会API)的水泥的特征也是重要的。

发明内容

这里提出了一种满足所述需要的水泥膨胀测量设备和方法。

一方面，实施例涉及一种用于测量水泥膨胀的设备。

另一方面，实施例涉及一种用于测量水泥膨胀或诸如地质聚合物的任何其它可适当的可凝固的组成物的膨胀的方法。

附图说明

本发明以示例的方式进行说明并且不局限于附图，在所述附图中，相同的附图标记表示类似的元件。

图1是膨胀单元的侧视横截面图；

图2示出了膨胀单元的基板的俯视和侧视横截面图；

图3示出了膨胀单元的顶板的俯视和侧视横截面图；

图4A示出了膨胀单元的电元件的一个实施例的俯视图和横截面图；

图4B示出了膨胀单元的电元件的另一个实施例的俯视图和横截面图；

图5示出了水泥膨胀测量设备的一个实施例的侧视横截面图；

图6示出了水泥膨胀测量设备的另一个实施例的侧视横截面图；

图7示出了显示水泥膨胀测量方法的原理图；以及

图8示出了显示水泥膨胀测量值的图表。

具体实施方式

图1是水泥膨胀测量设备的膨胀单元2的横截面图。膨胀单元2包括具有旋转轴线AA′的大致圆筒形形状。膨胀单元2包括内环3、可膨胀外环4、基板5和顶板6。包括膨胀单元的不同元件通过螺钉7紧固在一起。

图2的上部分显示基板5。图2的下部分显示基板5的侧视横截面图。基板包括具有台肩的第一孔8。第一孔的轴线可以近似对应于旋转轴线AA′。第一孔8容纳螺钉7，所述螺钉7的头由台肩支撑。基板5还在中心部分中包括两个入口孔10，所述两个入口孔分别10具有远离旋转轴线AA′并平行于所述旋转轴线的轴线。入口孔10以小于内环3的半径的半径的方式被定位在距离旋转轴线AA′的一定距离处。基板还包括容纳内环3的下部的基部圆形沟槽14。基板还包括容纳可膨胀外环4的下部的基部圆形台肩16。

图3的上部分示出了顶板6。图3的下部分示出了顶板6的侧视横截面图。顶板包括螺纹孔9。螺纹孔的轴线近似对应于旋转轴线AA′。螺纹孔9容纳螺钉7的螺纹部分。顶板6在中心部分中还包括两个出口孔11，所述两个出口孔分别具有远离旋转轴线AA′并平行于所述旋转轴线的轴线。出口孔11被定位在距离旋转轴线AA′的小于内环3的半径的距离处。出口孔11可以近似具有与基板的入口孔10相同的对称轴线。出口孔11允许加热和加压流体混合物通过顶板6流出。顶板还包括用于将水泥浆注入到膨胀单元2的环形空间中的水泥注入孔12。顶板还可以包括另外的孔13，所述另外的孔的直径小于注入孔12的直径，从而当膨胀单元2填充有水泥浆时有助于膨胀单元中所含有的空气的排出。顶板还包括容纳内环3的上部的顶部圆形沟槽15。顶板还包括容纳可膨胀外环4的上部的顶部圆形台肩17。

可膨胀外环4具有大于内环3的直径的直径。如图4和图7所示，可膨胀外环4包括被狭缝20间隔开的两个接点18、19。缝隙20大致平行于可膨胀环的旋转轴线AA′。接点18、19可以被实施为焊接在外环4的外壁上的球。接点18、19间隔开距离30。如以下参照图7所述，所述距离30可以与膨胀单元中所含有的水泥的线性膨胀31相关。

基部圆形沟槽14和顶部圆形沟槽15将内环3定位在适当的位置。基部圆形台肩16和顶部圆形台肩17一方面能够将可膨胀外环4定位在适当的位置防止朝向内环3的任意移动，而另一方面允许可膨胀外环4膨胀。当定位在基板5和顶板6之间时，内环3和可膨胀外环4一方面限定模拟井眼的第一室21，而另一方面限定模拟井眼的环空的第二室22，即，套管与井壁之间需要填充有水泥的空间。

如图4所示，膨胀单元2联接到电元件23，所述电元件连接到测量装置24。更确切地。电元件23联接到固定到可膨胀外环4并被缝隙20间隔开的两个接点18、19接点。电元件具有与两个接点18、19之间的距离30相关的电特性。当水泥根据线性膨胀31在膨胀单元2中膨胀时，两个接点18、19之间的距离30改变，因此电特性改变。测量电特性的变化允许估算两个接点18、19之间的距离30，并因此估算水泥线性膨胀31。

图4A显示了膨胀单元的电元件23的一个实施例的俯视和侧视横截面图。在此实施例中，被测量的电特性是电阻。接点中的一个18例如通过第一连接器26固定地联接到电阻器25。另一个接点19可移动地联接到电阻器25，例如，接点19固定地联接到当缝隙20张开时扫掠电阻器25的刮子27。这些元件形成电位计。为了测量电阻，电阻器25的固定地联接到一个接点18的一端连接到电压源+Ve，而电阻器25的另一端连接到电压源-Ve。通过测量装置24测量刮子27处的电压Vout。可以通过导线和夹子实现与电压源/测量装置的连接，以便于移除，然而，任意其它可移除连接也是符合要求的。测量装置24确定电阻器的、包括在连接器26与刮子27在电阻器25上的接触点之间的一部分的电阻。所述电阻则可以与两个接点18、19之间的距离30和线性膨胀31有关。

图4B示出了膨胀单元的电元件23的另一个实施例的俯视和侧视侧视图。在此实施例中，被测量的电特性是电容。接点中的一个18固定地联接到第一板28。另一个接点19固定地联接第二板29。当板置于非导电流体混合物中时，介电流体层32形成在第一板与第二板(28和29)之间。这些元件形成可变电容器。为了测量电容，一个板28连接到电压源+Ve。由测量装置24测量另一个板29处的电压Vout。可以通过导线和夹子实现与电压源/测量装置的连接，以便于移除，然而，任意其它可移除连接也是符合要求的。测量装置24确定电容器的电容。电容则可以与两个接点18、19之间的距离30以及线性膨胀31有关。

图5是水泥膨胀测量设备1的一个实施例的侧视横截面图。水泥膨胀测量设备1包括限定高温高压室41的容器40。所述容器包括一个膨胀单元2。膨胀单元2的第二室填充有水泥50。容器联接到泵42和加热器43，从而允许将膨胀单元2中的要被模拟的水泥暴露于井下压力和温度。容器还联接到泵送加热装置44。泵送加热装置44包括另一个泵和另一个加热器45、以及管道结构46，所述管道结构用于允许模拟井眼内条件的流体混合物47在膨胀单元2的第一室内流动。泵42、加热器43、和泵送加热装置44可以联接到测量装置24，所述测量装置还可以控制膨胀单元2所暴露的井下条件。测量装置可以包括相应的泵送控制器和温度控制器(未示出)。高温高压室41可以填充有导电流体48(例如，水)和非导电流体49(例如，油)，或者仅填充有非导电流体49。作为可选方案(未示出)，膨胀单元2可以定位在填充有导电流体48(例如，水)的套管中。连接到电压源的电元件23部分定位在非导电流体49层中。具体地，连接器、刮子或板当存在时可以在导电流体48层上方延伸。

图6是水泥膨胀测量设备的另一个实施例的侧视横截面图。此实施例与图5的实施例的不同在于填充有水泥(50A和50B)的多个(例如，两个)膨胀单元(2A和2B)在容器40中以一个位于另一个的上方的方式设置。每一个膨胀单元都可以由架件(未示出)支撑在容器中。图6示出了各个膨胀单元2A和2B的接点(19A和19B)固定地联接到单个电元件23的实施例。这样一个实施例能够测量两个水泥(50A和50B)的平均线性膨胀。

可选地，根据另一个实施例(未示出)，每一个膨胀单元2A和2B都可以联接不同的电元件。这样一个实施例能够单独并独立测量每一个水泥50A和50B的线性膨胀。在此具体实施例中，容器40的室41优选地填充有非导电流体49。每一个电元件可以分别连接到测量装置24，或每一个电元件可以在同一导线连接件上被多路传输。

图7示意性地显示了水泥膨胀测量方法。为了清楚起见，仅示出了构成膨胀单元和容器的一些元件。

在第一步骤S1中，连接器26、电阻器25和刮子27联接到接点18、19。缝隙20闭合。膨胀单元2的第二室22填充有水泥浆50。

在第二步骤S2中，膨胀单元2定位于容器内。电元件23联接到测量装置的电压源+Ve、-Ve，并且输出电压Vout也联接到测量装置。由此时开始，可以连续测量输出电压。容器闭合并且测量顺序开始，同时膨胀单元暴露于被模拟的井下条件HTHP。缝隙20仍然闭合，并且可测量与接点18、19之间的初始距离30相对应的输出电压Vout。有利地，流体混合物47在由膨胀单元2的内环3限定的第一室21中流动，从而模拟井眼内部条件。

在第三步骤S3中，水泥当暴露于被模拟的井下条件HTPT时开始膨胀，并且缝隙20张开。通过确定两个接点18、19之间的电阻并估算所述两个接点18、19之间的距离30，并且使所述距离与线性膨胀31A相关来测量水泥50的线性膨胀31A。

在第四步骤S4中，在结束膨胀过程时，水泥50不再膨胀。测量与接点18、19之间的最终距离30B相对应的输出电压Vout。可以估算相应的最终线性膨胀31B，用于表征水泥50。

图8是示出了在上述步骤期间作为时间函数t的这种水泥膨胀测量值LE(实线)的图表。还在此图表中示出了作为时间函数的以摄氏温度表示的测试温度T(虚线)的发展。

有利地，在上述测量顺序发生之前，可以对膨胀单元执行校准以确定与电特性有关的测量值(例如，电压)与当缝隙张开时两个接点之间的距离之间的对应性。

应该认识的是本发明的实施例不局限于如附图所示的垂直井的模拟，所述实施例还可以应用于对水平井或斜井的模拟。容器可以适于包括多于两个的膨胀单元。虽然本发明的具体应用涉及油田行业，但是还可应用于诸如采矿业、水行业(水资源勘探和开发)或类似行业的其它应用到其它行业。

HTHP或HPHT当用在本公开中时应该被理解为高温(例如，达到450°C)、高压(达到3000巴)。然而，外界温度和高压的测量值也在本发明的保护范围内。例如，根据本发明的设备和方法允许测量在大气压以上(例如，在25℃和70巴压力下)的水泥膨胀。

本文献中所使用的术语“膨胀”应该被理解为主要认为是化学膨胀(例如，MgO膨胀剂的水合作用)的体积膨胀。然而，使用利用稠度计室的温度循环的同一方法测量凝固水泥块的热膨胀也在本发明的保护范围内。

还必须注意的是HTHP稠度计可本发明中可是有用的。可以在以下出版物中得到关于稠度计的大致结构的更详细说明。“Petroleumand Natural Gas Industries-Cements and Materials for Well Cementing-Part2：Testing of Well Cements”国际标准组织出版物No.10426-2。

还可以利用不同类型的单元测量膨胀。一种示例公开在Nelson E.B.和Guillot D.(eds)：Well Cementing，第二版，斯伦贝谢，休斯顿(2006)642，图B21。然而，对于这种适于与当前方法一起工作的单元来说，金属公接头应该嵌入在水泥浆中，水泥浆将允许凝固；然后，凝固水泥可以放置在这里所述的设备中，并且在公接头之间进行测量。

附图及其以上说明是说明性的，而不是限制本发明。虽然附图显示了作为不同块的功能实体，但是这并不排除其中单个实体执行多个功能、或多个实体执行单个功能的实施方案。基于此，附图完全是图解示意性的。权利要求中的任何附图标记不应该被理解为限制权利要求。单词“包括”不排除除权利要求中所列的元件之外的其它元件的存在。元件前面的单词“一个”不排出存在多个这种元件。

Claims (20)

1.一种水泥膨胀测量设备，包括：

(i)膨胀单元，所述膨胀单元包括两个接点，所述两个接点被缝隙间隔开；以及

(ii)包括所述缝隙的可膨胀外环，其中，所述缝隙大致平行于所述可膨胀外环的旋转轴线，

其中：

所述水泥膨胀测量设备还包括：

(iii)内环，所述内环的直径小于所述可膨胀外环的直径，由所述内环限定的第一室模拟井眼，而在所述内环与所述可膨胀外环之间用于容纳水泥的第二室模拟所述井眼的环空；

(iv)基板和顶板，所述基板和所述顶板包括用于允许流体混合物在所述第一室中流动的至少一个孔，并且所述顶板包括用于将水泥浆注入在所述第二室中的至少一个孔；

(v)电元件，所述电元件联接到所述两个接点，所述电元件具有与所述两个接点之间的距离相关的电特性；和

(vi)用于连续和实时地测量所述电特性从而当水泥膨胀暴露于被模拟的井下条件时估算所述水泥的线性膨胀的装置，

且其中：

所述两个接点被缝隙间隔开使得所述两个接点之间的距离的变化与所述膨胀单元中所含有的水泥的线性膨胀相关。

2.根据权利要求1所述的设备，还包括能够容纳至少一个膨胀单元的容器，所述容器还联接到泵和加热器，从而允许所述膨胀单元中的水泥暴露于被模拟的井下压力和温度。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电特性是电阻，所述接点中的一个固定地联接到电阻器，而另一个接点可移动地联接到所述电阻器，从而形成电位计。

4.根据权利要求3所述的设备，还包括能够容纳至少一个膨胀单元的容器，所述容器还联接到泵和加热器，从而允许所述膨胀单元中的水泥暴露于被模拟的井下压力和温度。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电特性是电容，所述接点中的一个固定地联接到第一板，另一个接点固定地联接到第二板，并且非导电介电流体层位于所述第一板与所述第二板之间，从而形成可变电容器。

6.根据权利要求5所述的设备，还包括能够容纳至少一个膨胀单元的容器，所述容器还联接到泵和加热器，从而允许所述膨胀单元中的水泥暴露于被模拟的井下压力和温度。

7.一种用于测量水泥膨胀的方法，包括以下步骤

(i)利用水泥填充膨胀单元，所述膨胀单元包括：

(a)两个接点，所述两个接点被缝隙间隔开，使得所述两个接点之间的距离的变化能够与所述膨胀单元中所含有的水泥的线性膨胀相关；

(b)包括所述缝隙的可膨胀外环，其中，所述缝隙大致平行于所述可膨胀外环的旋转轴线；

(c)内环，所述内环的直径小于所述可膨胀外环的直径，由所述内环限定的第一室模拟井眼，而在所述内环与所述可膨胀外环之间用于容纳水泥的第二室模拟所述井眼的环空；和

(d)基板和顶板，所述基板和所述顶板包括用于允许流体混合物在所述第一室中流动的至少一个孔，并且所述顶板包括用于将水泥浆注入在所述第二室中的至少一个孔；

(ii)将电元件联接到所述两个接点，所述电元件具有与所述距离相关的电特性；和

(iii)连续和实时地测量所述电特性并估算所述水泥的线性膨胀。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：

将所述膨胀单元放置在被配备成模拟井下压力和温度的容器中。

9.根据权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：

允许流体混合物在第一室内流动，所述第一室由所述膨胀单元的内环限定。

10.根据权利要求7所述的方法，还包括用于确定所述电特性与所述两个接点之间的距离之间的相关性的校准步骤。

11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述电特性是电阻。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括将所述膨胀单元放置在被配备成模拟井下压力和温度的容器中。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：

允许流体混合物在第一室内流动，所述第一室由所述膨胀单元的内环限定。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括用于确定所述电阻与所述两个接点之间的距离之间的相关性的校准步骤。

15.根据权利要求7所述的方法，其中，所述电特性是电容。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括将所述膨胀单元放置在被配备成模拟井下压力和温度的容器中。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：

允许流体混合物在第一室内流动，所述第一室由所述膨胀单元的内环限定。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述接点中的一个固定地联接到第一板，另一个接点固定地联接到第二板，并且非导电介电流体层位于所述第一板与所述第二板之间，从而形成可变电容器。

19.根据权利要求15所述的方法，还包括用于确定所述电容与所述两个接点之间的距离之间的相关性的校准步骤。

20.一种用于测量膨胀的方法，包括以下步骤

(i)利用可凝固组成物填充膨胀单元，所述膨胀单元包括：

(a)两个接点，所述两个接点被缝隙间隔开，使得所述两个接点之间的距离的变化能够与所述膨胀单元中所含有的可凝固组成物的线性膨胀相关；

(b)包括所述缝隙的可膨胀外环，其中，所述缝隙大致平行于所述可膨胀外环的旋转轴线；

(c)内环，所述内环的直径小于所述可膨胀外环的直径，由所述内环限定的第一室模拟井眼，而在所述内环与所述可膨胀外环之间用于容纳所述可凝固组成物的第二室模拟所述井眼的环空；和

(d)基板和顶板，所述基板和所述顶板包括用于允许流体混合物在所述第一室中流动的至少一个孔，并且所述顶板包括用于将可凝固组成物浆料注入在所述第二室中的至少一个孔；

(ii)将电元件联接到所述两个接点，所述电元件具有与所述距离相关的电特性；和

(iii)连续和实时地测量所述电特性并估算所述可膨胀组成物的线性膨胀。