CN102539280B - 一种加温加压泡沫水泥浆密度测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种加温加压泡沫水泥浆密度测试装置，属于油田泡沫水泥浆固井领域。本装置包括压力系统、温度系统、测试系统和计算机采集系统，把泡沫水泥浆置入耐压釜体内腔里，水泥浆上部装有活塞，活塞上部有加压腔并在活塞上装有特制高精度位移传感器，活塞上部配有一台精密压力源。在压力作用下，泡沫水泥体积被压缩，活塞向下移动，其移动量由位移传感器测得并被转换成数字量。利用本装置可以准确测出泡沫水泥在一定温度、压力下密度的变化规律，并利用计算机采集系统，显示记录压力-温度-密度曲线，为真实评价泡沫水泥在井下施工条件的密度提供有力依据。

Description

一种加温加压泡沫水泥浆密度测试装置

技术领域

本发明属于油田泡沫水泥浆固井领域，具体涉及一种加温加压泡沫水泥浆密度测试装置。

背景技术

泡沫水泥固井主要是降低水泥浆密度，从而降低环空水泥浆段的液柱压力，以解决低压易漏油层的固井漏失问题，并起到保护油层的作用。泡沫水泥浆是在水泥浆中充入气体，并加入表面活性剂以稳定泡沫，形成分散均匀、稳定且相互独立的低密度或超低密度水泥浆体系，其是由固体水泥颗粒、水和气体等物质组成的多相体系。在这个多相体系中气体是可压缩的，其体积的变化受温度和压力影响。泡沫水泥浆中气体的体积变化必然影响到水泥浆密度的变化；水泥浆密度的变化，又要影响液柱压力的变化；液柱压力的变化，反过来又影响气体的体积和泡沫水泥浆的密度。

随着发泡和稳泡技术的发展，以及固井设备性能的提高，使得泡沫水泥固井技术得到迅速发展，已经成为较成熟的油井水泥浆体系。近年来美国的哈里伯顿、BJ等大公司一直致力于泡沫水泥浆固井技术的研究与完善工作，已经研制开发了相应的外加剂、计算机控制系统及配套现场施工工艺技术，在现场施工中已经取得了一系列成功的固井施工。

在国内，对泡沫水泥进行固井施工的研究始于1985年，并最先在新疆油田取得了成功，随后相继在各个油田得以研究和发展，其中主要在低压易漏失地层、稠油开采井和防气窜井堵漏、固井施工等方面得到广泛应用。另外泡沫水泥浆还在煤层气钻井完井中得到应用。总的来说，国内各个油田对泡沫水泥的研究内容与国外类似，都是主要集中在泡沫水泥浆配置方法、施工方法、工艺流程以及相关固井理论等方面，但是在研究和应用的广度上与国外相比还存在一定差距。

泡沫水泥具有密度低、渗透率低、热导率低、强度高等特点，但在井眼条件下，泡沫水泥浆的密度受压力和温度的影响很大，因此普通的密度计不能反应泡沫水泥浆在井内情况下的真实密度，给固井工程设计和施工带来了很大的困难，因此需要设计一套能模拟井下温度和压力条件下的密度变化情况测试仪，来真实评价泡沫水泥浆在温度、压力变化的条件下密度的变化情况。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种加温加压泡沫水泥浆密度测试装置，通过模拟井下温度和压力变化条件，利用精密压力源、位移传感器及计算机采集系统，准确跟踪温度、压力、位移、密度的变化情况，直观反应泡沫水泥浆的密度变化情况，为真实评价泡沫水泥在井下施工条件的密度提供有力依据。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种加温加压泡沫水泥浆密度测试装置，所述装置包括压力系统、温度系统、测试系统和计算机采集系统，其中，

所述压力系统包括加压装置和压力传感器；

所述温度系统包括加温装置和温度传感器；

所述测试系统包括釜体17、上釜盖15、下釜盖16和位移传感器1，所述釜体17为立式中空结构，所述上釜盖15安装在所述釜体17上端，所述下釜盖16安装在所述釜体17下端，待测试的泡沫水泥置于所述上釜盖15和下釜盖16之间的釜体17的内腔里，在待测试的泡沫水泥的上方装有活塞，活塞上固定有活塞杆21，所述活塞杆21的另一端穿过所述上釜盖15与所述位移传感器1连接，所述位移传感器1与所述计算机采集系统相连；在所述活塞的上表面与上釜盖15之间有加压腔；

所述加压装置一端穿过所述上釜盖15，与所述加压腔相连通；所述加压装置另一端与压力传感器相连，所述压力传感器与所述计算机采集系统相连；

所述加温装置包括加热器12和保温层13，所述加热器12和保温层13从内向外依次安装在所述釜体17的外壁上；所述温度传感器一端安装在釜体17的腔壁内，另一端与计算机采集系统相连；加热器12由计算机采集系统控制。

所述加压装置包括高压气源、低压气源、压力表6、气源截止阀7、高低压隔离阀8、升压速率调节阀9，所述压力传感器包括高压传感器5和低压传感器10；

所述升压速率调节阀9一端接低压气源，另一端与高低压隔离阀8的一端相连通；气源截止阀7一端接高压气源，另一端与高低压隔离阀7的另一端会合，再通过管路接入所述上釜盖15内；

在所述会合处与上釜盖之间的管路上依次设置有压力表6和高压传感器5；所述高压传感器5的另一端与所述计算机采集系统连接；在升压速率调节阀9与高低压隔离阀8之间设有低压传感器10；所述低压传感器10的另一端与所述计算机采集系统连接。传感器10的作用是测试低压时的压力。在加压管路中设传感器5和传感器10两个压力传感器的目的是为了既满足测试高压，又要满足测低压时的精度。当测高压时，关闭高低压隔离阀8，这时只有传感器5来测试高压了。

所述计算机采集系统包括控制器2、显示器3和计算机4，所述显示器3与计算机4相连；所述计算机4与控制器2相连；所述控制器2分别与位移传感器1、高压传感器5、低压传感器10和温度传感器相连。

所述上釜盖15为阶梯轴结构，上部为小径段，下部为大径段，其大径段的外壁通过螺纹安装在所述釜体17上部；在所述上釜盖15中部开有与其同轴的阶梯通孔，所述阶梯通孔的小孔径段用于安装位移传感器1，大口径段与釜体17内腔的尺寸一致，两者相连通构成所述的加压腔，活塞在所述加压腔里滑动，这样就利用了上釜盖15，使釜体17的有效内腔加长。

在所述上釜盖15的小径段开有两个水平孔，一个为压力输入孔，用于连接加压装置，另一个为堵塞孔，用于安装堵塞；所述两个水平孔均与所述阶梯通孔相连通。当加压时需要排出管内空气，这时拧开堵塞，当有水溢出时，拧死堵塞。

在所述位移传感器1的外壁上通过螺纹固定有一个连接套19；所述连接套19的下端内壁通过螺纹固定到连接螺母18的上端，所述连接螺母18的下端外壁通过螺纹固定到上釜盖15的小孔径段内；所述位移传感器1的可伸缩式位移杆20位于连接套筒19内，所述活塞杆21穿过连接螺母18与所述可伸缩式位移杆20接触式连接。

所述下釜盖16为阶梯轴结构，其小径段的上表面与待测试的泡沫水泥接触，其大径段的外壁通过螺纹安装在所述釜体17的下部；所述下釜盖16中部开有与其同轴的通孔，在所述通孔内装有丝堵。因为待测的泡沫水泥浆是从釜体17的下端注入的，如果不设置丝堵，下釜盖16拧入釜体17时，会带入空气进入釜体17的内腔，造成误差。

在所述下釜盖16的大径段底端设有法兰盘，在所述法兰盘上开有对称的两个螺纹孔。下釜盖16上对称的两个螺纹孔是用于拆下釜盖的，即当温度或下釜盖螺纹处有杂物等原因，造成拧釜盖费力时，从两个螺纹孔处拧入两个M8螺杆就能轻松拧下釜盖。

所述温度传感器采用热电偶14。

所述釜体17的材料优选10mm厚的不锈钢。

该装置具有如下功能：

(1)具有使泡沫水泥浆恒温的功能；是由专门的控制器(图中的控制器2)实现的，控制器2一般采用温控器，计算机与温控器进行通讯，显示数据及温度曲线、存储等。

(2)在恒定温度下，测出泡沫水泥浆的密度随压力的变化而变化，并可生产泡沫水泥的压力-密度曲线；

(3)在等压条件下不同的恒温条件下可测量温度对泡沫水泥浆密度的影响；

(4)计算机采集分析计算测试数据及显示、记录温度、压力、密度曲线，将泡沫水泥浆密度随压力和温度变化情况以曲线的形式输出直观反映出来，并自动生成实验报告。

(5)采用精密压力源可提供稳定的压力输出；加压速率可以调节(0-15MPa/S)；当实验系统由于温度等原因造成压力超过设定范围时，系统能自动降低压力，实现压力保护作用。

(6)配置了精密位移传感器，水泥石在压力下有微小的变形时，位移传感器就可测试出来，送入计算机处理，这样使测量值更精准。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)利用本装置，可在工作压力：0～35MPa、工作温度：室温～175℃、位移传感器精度：0.5‰、位移传感器测量范围：0～200mm的条件下，准确测出泡沫水泥在一定温度、压力下密度的变化规律；(2)提供了一种观察泡沫水泥在压力、温度条件下密度变化情况的装置，并利用计算机采集系统，由位移传感器、压力传感器、热电偶测得的信号送入控制器并转为数字信号，经计算机进行数据处理，显示记录压力-温度-密度曲线，为真实评价泡沫水泥在井下施工条件的密度提供了有力依据。

附图说明

图1是本发明加温加压泡沫水泥浆密度测试装置的基本原理图。

图2是本发明加温加压泡沫水泥浆密度测试装置中的上釜盖的结构图。

图3是本发明加温加压泡沫水泥浆密度测试装置中的上釜盖的左视图。

图4是本发明加温加压泡沫水泥浆密度测试装置中的下釜盖的左视图。

图5是本发明加温加压泡沫水泥浆密度测试装置中的下釜盖的结构图。

图6是本发明加温加压泡沫水泥浆密度测试装置在测试结束后水泥凝固情况下拆开下釜盖以及压出水泥石的操作示意图。

图7是本发明加温加压泡沫水泥浆密度测试装置在测试结束后水泥未凝固情况下拆开下釜盖以及放出水泥浆的操作示意图。

图8是本发明实施例1中由本发明加温加压泡沫水泥浆密度测试装置得到的曲线图，其中，压力不变，泡沫水泥浆的密度随温度变化而变化。

图9是本发明实施例2中由本发明加温加压泡沫水泥浆密度测试装置得到的曲线图，其中，温度不变，泡沫水泥浆的密度随压力变化而变化。

图10是本发明实施例3中由本发明加温加压泡沫水泥浆密度测试装置得到的曲线图，其中，泡沫水泥浆的密度随温度和压力的变化而变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

一种加温加压泡沫水泥浆密度测试装置，所述装置包括压力系统、温度系统、测试系统和计算机采集系统，其中，如图1所示，

所述压力系统包括加压装置和压力传感器；

所述温度系统包括加温装置和温度传感器；

所述测试系统包括釜体17、上釜盖15、下釜盖16和位移传感器1，所述釜体17为立式中空结构，所述上釜盖15安装在所述釜体17上端，所述下釜盖16安装在所述釜体17下端，待测试的泡沫水泥置于所述上釜盖15和下釜盖16之间的釜体17的内腔里，在待测试的泡沫水泥的上方装有活塞，活塞上固定有活塞杆21，所述活塞杆21的另一端穿过所述上釜盖15与所述位移传感器1连接，所述位移传感器1与所述计算机采集系统相连；在所述活塞的上表面与上釜盖15之间有加压腔；

所述加压装置一端穿过所述上釜盖15，与所述加压腔相连通；所述加压装置另一端与压力传感器相连，所述压力传感器与所述计算机采集系统相连；

所述加温装置包括加热器12和保温层13，所述加热器12和保温层13从内向外依次安装在所述釜体17的外壁上；所述温度传感器一端安装在釜体17的腔壁内，另一端与计算机采集系统相连；加热器12由计算机采集系统控制。

所述加压装置采用精密压力源，包括高压气源、低压气源、压力表6、气源截止阀7、高低压隔离阀8、升压速率调节阀9，所述压力传感器包括高压传感器5和低压传感器10；所述升压速率调节阀9可采用计量阀。

所述升压速率调节阀9一端接低压气源，另一端与高低压隔离阀8的一端相连通；气源截止阀7一端接高压气源，另一端与高低压隔离阀8的另一端会合，再通过管路接入所述上釜盖15内；

在所述会合处与上釜盖之间的管路上依次设置有压力表6和高压传感器7；所述高压传感器5的另一端与所述计算机采集系统连接；在升压速率调节阀9与高低压隔离阀8之间设有低压传感器10；所述低压传感器10的另一端与所述计算机采集系统连接。传感器10的作用是测试低压时的压力。在加压管路中设传感器5和传感器10两个压力传感器的目的是为了既满足测试高压，又要满足测低压时的精度。当测高压时，关闭高低压隔离阀8，这时只有传感器5来测试高压了。

所述计算机采集系统包括控制器2、显示器3和计算机4，所述显示器3与计算机4相连；所述计算机4与控制器2相连；所述控制器2分别与位移传感器1、高压传感器5、低压传感器10和温度传感器相连。

如图2和图3所示，所述上釜盖15为阶梯轴结构，上部为小径段，下部为大径段，其大径段的外壁通过螺纹安装在所述釜体17上部；在所述上釜盖15中部开有与其同轴的阶梯通孔，所述阶梯通孔的小孔径段用于安装位移传感器1，大口径段与釜体17内腔的尺寸一致，两者相连通构成所述的加压腔，活塞在所述加压腔里滑动，这样就利用了上釜盖15，使釜体17的有效内腔加长。

在所述上釜盖15的小径段开有两个水平孔，一个为压力输入孔，用于连接加压装置，另一个为堵塞孔，用于安装堵塞；所述两个水平孔均与所述阶梯通孔相连通。当加压时需要排出管内空气，这时拧开堵塞，当有水溢出时，拧死堵塞。

在所述位移传感器1的外壁上通过螺纹固定有一个连接套19；所述连接套19的下端内壁通过螺纹固定到连接螺母18的上端，所述连接螺母18的下端外壁通过螺纹固定到上釜盖15的小孔径段内；所述位移传感器1的可伸缩式位移杆20位于连接套筒19内，所述活塞杆21穿过连接螺母18与所述可伸缩式位移杆20接触式连接，当活塞杆21移动时，可伸缩式位移杆20随之移动，这样位移传感器1就可以测出活塞杆21的位移量。

如图4和图5所示，所述下釜盖16为阶梯轴结构，其小径段的上表面与待测试的泡沫水泥接触，其大径段的外壁通过螺纹安装在所述釜体17的下部；所述下釜盖16中部开有与其同轴的通孔，在所述通孔内装有丝堵。因为待测的泡沫水泥浆是从釜体17的下端注入的，如果不设置丝堵，下釜盖16拧入釜体17时，会带入空气进入釜体17的内腔，造成误差。

在所述下釜盖16的大径段底端设有法兰盘，在所述法兰盘上开有对称的两个螺纹孔。下釜盖16上对称的两个螺纹孔是用于拆下釜盖的，即当温度或下釜盖螺纹处有杂物等原因，造成拧釜盖费力时，从两个螺纹孔处拧入两个M8螺杆就能轻松拧下釜盖。

所述温度传感器采用热电偶14。

所述釜体17的材料采用10mm厚的不锈钢。

加温加压泡沫水泥浆密度测试装置的工作原理是：采用进口温度控制器(型号：KS940，室温～175℃，控制精度：1/10℃)控制温度，恒温段控温在±0.3℃。把泡沫水泥浆置入耐压釜体内，水泥浆上部装有活塞，活塞上部有加压腔并在活塞上装有特制高精度位移传感器(位移传感器是现有技术，特制是指比普通的传感器长一些，所用位移传感器型号为：DUN600参数：长度500mm；位移传感器测量范围0～200mm，位移传感器精度0.5‰。)活塞上部配有一台精密压力源(型号：HTP-70，参数：0～35MPa，精度1.0‰)。釜体高度310mm，位移传感器长度500mm(可伸缩式位移杆20的长度为250mm，位移传感器必须比可伸缩式位移杆的长度大一倍才能保证可伸缩式位移杆在其里面上下自由移动)。工作过程中，加压速度要缓慢且平稳。在压力作用下，泡沫水泥体积被压缩，活塞向下移动，其移动量由位移传感器测得；通过将位移传感器、压力传感器、热电偶测得的信号送入控制器2(控制器2的型号：HTP-0950，参数：室温～175℃，控制精度：1/10℃；工作压力：0～35MPa)并转为数字信号，经计算机进行数据处理，显示记录压力-温度-密度曲线。在等温条件下，压力和体积有反比关系，在常压下泡沫水泥浆密度已知的条件下，釜体内径已确定。于是：

${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{V_0}{V_i}\·{\mathrm{\ρ}}_0=\frac{A{L}_0}{A(L_0-\mathrm{\Δ}{L}_i)}\·{\mathrm{\ρ}}_0=\frac{L_0}{(L_0-\mathrm{\Δ}{L}_i)}\·{\mathrm{\ρ}}_0$

式中，ρ_i——某压力下泡沫水泥浆的密度

V₀——水泥浆初始体积

V_i——加某一压力后的水泥浆体积

ρ₀——常压下泡沫水泥浆密度

A——釜体内截面面积

L₀——水泥浆柱初始高度

ΔL_i——压力后水泥浆柱高度变化量

在测试结束后，水泥浆有两种情况，一种是已经凝固成为水泥石，另一种就是未凝固仍然为水泥浆。对于第一种情况，如图6所示，首先从加热器12中拔出釜体17，然后拆开下釜盖16，最后通过上釜盖15的压力输入孔给活塞加压，压出水泥石。对于第二种情况，如图7所示，可通过螺母和管型垫来实现。

下面通过三个实施例给出本发明装置应用于实际测试的情况：

实施例1如图8所示，初始泡沫水泥浆密度0.99g/cm³，压力不变，温度由30℃升至75℃的密度变化图，通过该测试装置可以看出，温度增加，泡沫水泥浆的密度变化幅度很小。

实施例2如图9所示，初始泡沫水泥浆密度0.61g/cm³，温度不变，压力由0-5000Kpa的密度变化图，通过该测试装置可以看出，压力在0-2000KPa区间，泡沫水泥浆的密度增加幅度较大。

实施例3如图10所示，初始泡沫水泥浆密度0.95g/cm³，温度、压力变化时泡沫水泥浆密度的变化。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种加温加压泡沫水泥浆密度测试装置，其特征在于：所述装置包括压力系统、温度系统、测试系统和计算机采集系统，其中，

所述压力系统包括加压装置和压力传感器；

所述温度系统包括加温装置和温度传感器；

所述测试系统包括釜体（17）、上釜盖（15）、下釜盖（16）和位移传感器（1），所述釜体（17）为立式中空结构，所述上釜盖（15）安装在所述釜体（17）上端，所述下釜盖（16）安装在所述釜体（17）下端，待测试的泡沫水泥置于所述上釜盖（15）和下釜盖（16）之间的釜体（17）的内腔里，在待测试的泡沫水泥的上方装有活塞，活塞上固定有活塞杆（21），所述活塞杆（21）的另一端穿过所述上釜盖（15）与所述位移传感器（1）连接，所述位移传感器（1）与所述计算机采集系统相连；在所述活塞的上表面与上釜盖（15）之间有加压腔；

所述加压装置一端穿过所述上釜盖（15），与所述加压腔相连通；所述加压装置另一端与压力传感器相连，所述压力传感器与所述计算机采集系统相连；

所述加温装置包括加热器（12）和保温层（13），所述加热器（12）和保温层（13）从内向外依次安装在所述釜体（17）的外壁上；所述温度传感器一端安装在釜体（17）的腔壁内，另一端与计算机采集系统相连；加热器（12）由计算机采集系统控制。

2.根据权利要求1所述的加温加压泡沫水泥浆密度测试装置，其特征在于：所述加压装置包括高压气源、低压气源、压力表（6）、气源截止阀（7）、高低压隔离阀（8）、升压速率调节阀（9），所述压力传感器包括高压传感器（5）和低压传感器（10）；

所述升压速率调节阀（9）一端接低压气源，另一端与高低压隔离阀（8）的一端相连通；气源截止阀（7）一端接高压气源，另一端与高低压隔离阀（8）的另一端会合，再通过管路接入所述上釜盖（15）内；

在所述会合处与上釜盖之间的管路上依次设置有压力表（6）和高压传感器（5）；所述高压传感器（5）的另一端与所述计算机采集系统连接；在升压速率调节阀（9）与高低压隔离阀（8）之间设有低压传感器（10）；所述低压传感器（10）的另一端与所述计算机采集系统连接。

3.根据权利要求2所述的加温加压泡沫水泥浆密度测试装置，其特征在于：所述计算机采集系统包括控制器（2）、显示器（3）和计算机（4），所述显示器（3）与计算机（4）相连；所述计算机（4）与控制器（2）相连；所述控制器（2）分别与位移传感器（1）、高压传感器（5）、低压传感器（11）和温度传感器相连。

4.根据权利要求1所述的加温加压泡沫水泥浆密度测试装置，其特征在于：所述上釜盖（15）为阶梯轴结构，上部为小径段，下部为大径段，其大径段的外壁通过螺纹安装在所述釜体（17）上部；在所述上釜盖（15）中部开有与其同轴的阶梯通孔，所述阶梯通孔的大口径段与釜体（17）内腔的尺寸一致，两者相连通构成所述的加压腔。

5.根据权利要求4所述的加温加压泡沫水泥浆密度测试装置，其特征在于：在所述上釜盖（15）的小径段开有两个水平孔，一个为压力输入孔，用于连接所述加压装置，另一个为堵塞孔，用于安装堵塞；所述两个水平孔均与所述阶梯通孔相连通。

6.根据权利要求4所述的加温加压泡沫水泥浆密度测试装置，其特征在于：在所述位移传感器（1）的外壁上通过螺纹固定有一个连接套（19）；所述连接套（19）的下端内壁通过螺纹固定到连接螺母（18）的上端，所述连接螺母（18）的下端外壁通过螺纹固定到上釜盖（15）的小孔径段内；所述位移传感器（1）的可伸缩式位移杆（20）位于连接套（19）内，所述活塞杆（21）穿过连接螺母（18）与所述可伸缩式位移杆（20）接触式连接。

7.根据权利要求1所述的加温加压泡沫水泥浆密度测试装置，其特征在于：所述下釜盖（16）为阶梯轴结构，其小径段的上表面与待测试的泡沫水泥接触，其大径段的外壁通过螺纹安装在所述釜体（17）的下部；所述下釜盖（16）中部开有与其同轴的通孔，在所述通孔内装有丝堵。

8.根据权利要求7所述的加温加压泡沫水泥浆密度测试装置，其特征在于：在所述下釜盖（16）的大径段底端设有法兰盘，在所述法兰盘上开有对称的两个螺纹孔。

9.根据权利要求1所述的加温加压泡沫水泥浆密度测试装置，其特征在于：所述温度传感器采用热电偶（14）。

10.根据权利要求1所述的加温加压泡沫水泥浆密度测试装置，其特征在于：所述釜体（17）的材料采用10mm厚的不锈钢。

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