CN103245773A - 固井用水泥浆体积变化测试仪及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的固井用水泥浆体积变化测试仪，包括釜体（2）、浆杯（6）、气源（28）、水源（29）、增压泵（18）、位移传感器（21）、压力传感器（25）及控制面板（26）及计算机采集终端（27）；本发明还提供使用上述测试仪的测试方法。本发明提供的固井用水泥浆体积变化测试仪及测试方法，能够在室内有效地模拟井下温度，压力条件；能够在室内有效模拟水泥浆在井下的流动状态和静止状态；能够精确的记录水泥浆体积的微小变化，保证测试结果的准确性。

Description

固井用水泥浆体积变化测试仪及测试方法

技术领域

本发明涉及测量领域，特别涉及一种固井用水泥浆体积变化测试仪及测试方法。

背景技术

水泥浆的好坏直接影响固井质量的好坏，由于水泥浆在凝结成水泥石过程中，会发生体积收缩，在环空形成微环隙，可能造成气窜。因此，需要在水泥浆中加入膨胀剂，优选水泥浆配方。这就要求能够对水泥浆在凝结过程中的体积变化进行测量。目前，常用的测试方法为ASTM膨胀测试法，这种测试中有一个1inch×1inch×Ⅱ1/4inch的模具，用来盛装水泥试样，放在实验室环境中测试。达到初凝，试样从模具中取出，然后精确地测量试样的长度（通常精确至+/-0.001inch）。这个值作为零点或初始点。记录初始点以后，试样被放置在不同的温度、湿度、压力（但通常为常压）条件下养护规定的时间，然后测量在这些不同条件下的长度并记录。正向的网点变化代表着线性膨胀，而负向网点变化代表水泥收缩。通过这些数据点，水泥线性膨胀或收缩的百分比可以计算的出。但是这种测试方法在井下的温度和压力条件下，没有对试样进行初期养护。另外，即使试样在初凝后被放置在其他温度条件下，仍必须在记录有意义的数据之前将试样放在室温条件下进行重新标定。任何可能被记录的点，这些点的温度条件明显不同于零点或初始点，都会因为热膨胀或（在较低的温度下）收缩而产生误差。这种测试方法在一段时间内仅产生单一的点。在两个测量时间点之间所发生的动态的膨胀或收缩，没有被捕捉到。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够动态测量水泥浆凝结过程中体积动态变化的测试仪及测试方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种固井用水泥浆体积变化测试仪，其包括釜体2、浆杯6、气源28、水源29、增压泵18、位移传感器21、压力传感器25及控制面板26、计算机采集终端27；所述釜体2内有浆杯6；所述釜体2和浆杯6之间通过釜盖1和橡胶垫4密封；所述浆杯顶盖3上有两个孔；所述釜体外设置有加热器8；所述内热电偶9从釜盖1插入浆杯中；所述外热电偶5插入釜体2中；所述釜体2连接压力传感器25；所述气源28通过空气至釜阀10连接釜体2，还通过压力调节阀13连接增压泵18；所述增压泵内有活塞19和连杆20，所述连杆连接所述位移传感器21；所述水源29连接增压泵18，也通过水至釜阀24连接釜体2；所述内热电偶9、外热电偶5、压力传感器25、位移传感器21均连接控制面板26；所述控制面板26和计算机采集终端27连接。

进一步地，所述增压泵分别通过增压泵气管A14连接电磁阀泄气口A16，通过增压泵气管B15连接电磁阀泄气口B17。

进一步地，所述增压泵18连接高压释放阀22。

根据本发明的另一个方面，还提供一种基于上述测试仪的测试方法，其包括：将配制好的水泥浆倒入浆杯6，浆体液面到浆杯6内部刻度处；

依次放上橡胶垫4，浆杯内盖，然后装上浆杯顶盖，将浆杯放入所述釜体2中，拧上所述釜盖1；

将所述内热电偶9从所述釜盖1插入所述浆杯6中；

打开所述水源29和所述气源28，向所述增压泵18中注水；

打开所述水至釜阀24，向所述釜体2中注满水；

调整所述压力调节阀13，设定实验压力；

通过控制面板26打开加热器开关；

通过所述计算机采集终端27采集所述位移传感器21采集的位移数据，采集所述内热电偶9和外热电偶5采集的温度数据，采集所述压力传感器25采集的压力数据；

通过采集的所述位移数据，温度数据及压力数据绘制反映了水泥浆水化放热速率，水泥浆试验压力和水泥浆在不同时刻体积变化率的变化曲线。

进一步地，该方法还包括：

试验结束后先关闭加热器；

缓慢打开高压释放阀，释放增压泵18中的压力；

打开空气至釜阀，将釜体内的水从管线排出，缓慢打开釜盖取出浆杯进行清理。

进一步，该方法还包括：

当釜体2内水泥浆体积发生收缩时，就会产生微环隙，造成釜体2内压力下降；

通过所述气源28会向增压泵18中打气，电磁阀将增压泵气管B15打开，气体从活塞19下部的空隙部分进入，并推动活塞19向上移动，向釜体2内补水以补充压力；

在所述活塞19向上运动的过程中会推动所述连杆20，所述连杆20又带动所述位移传感器21向上移动，由所述位移传感器21记录位移；在所述活塞19向上移动的过程中，上下活塞19之间多余的气体通过所述增压泵气管A14由所述电磁阀泄气口A16排出；

当所述釜体内水泥浆发生体积膨胀时，压力上升，釜体2内被压出的水通过管线进入增压泵中，并推动活塞19向下移动，释放多余压力；在活塞19向下运动的过程中拉动连杆20，所述连杆20带动所述位移传感器21的部件向下移动，由所述位移传感器21记录位移；在活塞19向下移动的过程中，上下活塞19之间压力会下降，所述气源28会向增压泵中打气，电磁阀将增压泵气管A14打开，气体从活塞19中部的空隙部分进入，而活塞19下部分多余的气体则通过增压泵气管B15由电磁阀泄气口B17排出。

进一步地，该方法还包括在实验开始时，控制设置在所述浆杯6内的桨叶对水泥浆进行搅拌，从而模拟水泥浆在井下顶替过程中流动状态。

进一步地，所述搅拌的时间为1-6小时。

本发明提供的固井用水泥浆体积变化测试仪及测试方法，能够在室内有效地模拟井下温度，压力条件；能够在室内有效模拟水泥浆在井下的流动状态和静止状态；由于釜体密封，水泥浆从流动态到液塑态再到凝结过程中发生体积变化时，压力也会变化。根据压力恒定的原理，利用压力差自动进行压力补偿和释放。并通过活塞带动位移传感器的来采集位移的变化，并计算出水泥浆的体积变化情况。能够精确的记录水泥浆体积的微小变化，保证测试结果的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的固井用水泥浆体积变化测试仪的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一水泥浆体积变化测试结果的示意图。

图3是本发明实施例提供的又一水泥浆体积变化测试结果的示意图。

图4是本发明实施例提供的另一水泥浆体积变化测试结果的示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的一种固井用水泥浆体积变化测试仪，主要包括釜体2、浆杯6、气源28、水源29、增压泵18、位移传感器21、压力传感器25、控制面板26及计算机采集终端27。釜体2内有浆杯6。釜体2和浆杯6之间通过釜盖1和橡胶垫4密封。浆杯6内有水泥浆7。浆杯6的底部可以拆卸，方便实验后取出凝结的水泥石。浆杯顶盖3上有两个孔，釜体内的水可从孔中进入同橡胶垫4接触，保证浆杯压力同釜体内环境压力一样。釜体外有加热器8。内热电偶9从釜盖1插入浆杯中，实时测量浆杯中水泥浆温度。外热电偶5插入釜体中，实时测量釜体内浆杯温度。釜体2连接压力传感器25。气源28通过空气至釜阀10连接釜体2。气源28通过压力调节阀13连接增压泵18。压力调节阀13的作用在于测试开始时设定增压泵18中初始压力，并使增压泵18和釜体2整个连通结构中的压力在实验过程中保持稳定，起到稳压作用。增压泵18分别通过增压泵气管A14连接电磁阀泄气口A16，通过增压泵气管B15连接电磁阀泄气口B17。增压泵内有活塞19和连杆20。连杆20连接位移传感器21；水源29既连接增压泵18，也通过水至釜阀24连接釜体2。内热电偶9、外热电偶5、压力传感器25、位移传感器21均连接控制面板26和计算机采集终端27。增压泵18连接高压释放阀22。

实验开始时，打开水源29，水通过管线进入。水至釜阀24控制釜体2和增压泵18联通。打开水至釜阀24后，可向增压泵18和釜体2加水。控制设置在浆杯6内的桨叶对水泥浆进行搅拌，模拟水泥浆在井下顶替过程中流动状态，搅拌一段时间后搅拌的时间通常为1-6小时，但可根据实际实验进行具体调整，从而能真实地模拟水泥浆从泵注到顶替到位的变化过程。空气进入后通过空气调节阀11调节进入的压力，空气压力表12显示进入气体的压力大小。实验时，在控制面板26上设定好实验温度，并调整压力调节阀13设定增压泵18中的初始压力，并由增压泵压力表23显示压力大小。实验过程中，外热电偶5采集加热器8温度，保证实验过程中温度恒定在设定值。内热电偶9采集水泥浆内部温度，压力传感器25采集釜体2内的压力；位移传感器21记录增压泵18中活塞19的位移变化，然后分别将采集到的实时数据返回到控制面板26，再通过数据线传输到计算机采集终端27上，然后由计算机采集终端27绘制温度，压力和体积变化曲线。实验结束后，停止程序，关闭加热器，打开高压释放阀22，缓慢释放增压泵18中的压力，再打开空气至釜阀10，将釜体2内的水通过管线排出。

下面结合一具体实施例对本发明提供的固井用水泥浆体积变化测试方法进行是说明，依次按照以下步骤：

1、按照API标准配制水泥浆；

2、将配制好的水泥浆倒入浆杯，浆体液面到将被内部刻度处。再依次放上橡胶垫4，浆杯内盖，然后装上浆杯6顶盖，将浆杯6放入釜体2中，拧上釜盖1。内热电偶从釜盖1插入浆杯6中；

3、打开水源和气源，通过电磁阀将增压泵气管A14打开，气体从活塞19中部的空隙部分进入，推动活塞19向下移动，使水进入增压泵18上部的空间；当釜体2内水泥浆体积发生收缩时，就会产生微环隙，造成釜体内压力下降。为保持压力稳定，气源会向增压泵18中打气，电磁阀将增压泵气管B15打开，气体从活塞下部的空隙部分进入，并推动活塞向上移动，向釜体2内补水以补充压力。在活塞向上运动的过程中会推动连杆，连杆又带动位移传感器的部件向上移动。这样就能记录下位移量的大小，并将数据传送到计算机采集终端，通过软件处理后得到实时的体积变化情况，并绘制位移曲线。由于增压泵上部体积小于下部，因此，在活塞向上移动的过程中，上下活塞之间多余的气体通过增压泵气管A由电磁阀泄气口A排出。

当釜体内水泥浆发生体积膨胀时，压力上升。为保持压力恒定，釜体内被压出的水通过管线进入增压泵中，并推动活塞向下移动，释放多余压力。在活塞向下运动的过程中会拉动连杆，连杆又带动位移传感器的部件向下移动。这样就能记录下位移量的大小，并将数据传送到计算机采集终端，通过软件处理后得到实时的体积变化情况，并绘制位移曲线。由于增压泵上部体积小于下部，因此，在活塞向下移动的过程中，上下活塞之间压力会下降，气源会向增压泵中打气，电磁阀将增压泵气管A打开，气体从活塞中部的空隙部分进入。而活塞下部分多余的气体则通过增压泵气管B由电磁阀泄气口B排出。

4、打开水至釜阀，向釜体中注满水；

5、调整压力调节阀，设定实验压力；

6、在控制面板上运行设定好的程序并打开加热器开关；

7、运行计算机采集终端上的软件进行数据采集；

8、试验结束后先关闭加热器、退出程序。然后，缓慢打开高压释放阀，释放增压泵中的压力；

9、打开空气至釜阀，将釜体内的水从管线排出，缓慢打开釜盖取出浆杯进行清理。

利用本发明完成的水泥试验实例：选用不同温度和压力条件，按照上述步骤配置好水泥浆试样，并安装好仪器后，启动仪器加压、加热，开始试验。数据采集软件和显示器自动采集、记录、处理、显示和存储温度、压力体积的变化量和他们随时间产生的变化规律曲线。本次试验主要测试结果见下表和图2至图4。表中实例1、实例2、实例3分别对应图2、图3、图4。

图2、图3、图4是3套水泥浆高温高压体积收缩试验结果。3套水泥浆配方及体积变化率可参见表1。水泥浆体积收缩曲线主要包括了水泥浆温度、压力、水泥浆体积变化三条曲线。水泥浆温度曲线反映了水泥浆水化放热速率，间接表征水泥水化程度。压力是指釜体中液压，即水泥浆试验压力。水泥浆体积变化曲线描述了水泥浆在不同时刻体积变化率。从图中可以看出水泥浆在初始时刻体积变化平缓，而在水泥浆温度开始上升后，体积变化率明显加快，这与水泥进入快速水化期，水化速率提高是相对应的。3套水泥浆配方不同，在试验结束时的体积收缩率各不相同，分别达到了-3.6%、-3.8%、-4.2%。

本发明提供的固井用水泥浆体积变化测试仪将水泥浆试样放在一种有渗透性的容器内，并将容器安装在较大的压力容器内。这个较大的压力容器使用水作为液压介质，而放置在压力容器中的水泥浆试样被水介质包裹着。将水泥浆试样放好后，按照实验的要求设定压力容器的温度和压力。当达到设定的要求后，温度和压力维持恒定。通过一种非常精密的自动体积测量仪，由于体积改变而一直保持压力稳定，这一动态过程通过计算机可以实时捕捉到并进行数据采集而最终得到一个连续的压力容器体积变化曲线。达到初凝的温度和压力以后，为了保持压力稳定而产生的水的体积变化，水从压力容器中流出或流进，反映的是相应的水泥体系水化过程中的膨胀或收缩。由于依靠流体作为压力传递介质，液体是可以任意变形的。水泥浆在任何方向上发生体积变化，都会引起釜体内压力的变化，进而通过液体的补入或排出来实现平衡，通过液体体积变化就能测定出位移的变化。由于液体是可以任意变形的，因此能精确测量出水泥浆的体积变化。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种固井用水泥浆体积变化测试仪，其特征在于，包括釜体（2）、浆杯（6）、气源（28）、水源（29）、增压泵（18）、位移传感器（21）、压力传感器（25）、控制面板（26）及计算机采集终端（27）；所述釜体（2）内有浆杯（6）；所述釜体（2）和浆杯（6）之间通过釜盖（1）和橡胶垫（4）密封；所述浆杯顶盖（3）上有两个孔；所述釜体外设置有加热器（8）；所述内热电偶（9）从釜盖（1）插入浆杯中；所述外热电偶（5）插入釜体（2）中；所述釜体（2）连接压力传感器（25）；所述气源（28）通过空气至釜阀（10）连接釜体（2），还通过压力调节阀（13）连接增压泵（18）；所述增压泵内有活塞（19）和连杆（20），所述连杆（20）连接所述位移传感器（21）；所述水源（29）连接增压泵（18），也通过水至釜阀（24）连接釜体（2）；所述内热电偶（9）、外热电偶（5）、压力传感器（25）、位移传感器（21）均连接控制面板（26）；所述控制面板（26）和计算机采集终端（27）连接。

2.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于，所述增压泵（18）通过增压泵气管A（14）连接电磁阀泄气口A（16）；所述增压泵（18）通过增压泵气管B（15）连接电磁阀泄气口B（17）。

3.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于，所述增压泵（18）连接高压释放阀（22）。

4.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于，所述浆杯（6）内还设置有搅拌桨叶。

5.一种基于权利要求2所述测试仪的测试方法，其特征在于，包括：

将配制好的水泥浆倒入所述浆杯（6），浆体液面到所述浆杯（6）内部刻度处；

依次放上所述橡胶垫（4），浆杯内盖，然后装上浆杯顶盖，将浆杯放入所述釜体（2）中，拧上所述釜盖（1）；

将所述内热电偶（9）从所述釜盖（1）插入所述浆杯（6）中；

打开所述水源（29）和所述气源（28），向所述增压泵（18）中注水；

打开所述水至釜阀（24），向所述釜体（2）中注满水；

调整所述压力调节阀（13），设定实验压力；

通过控制面板（26）打开所述加热器（8）的开关；

通过所述计算机采集终端（27）采集所述位移传感器（21）采集的位移数据，采集所述内热电偶（9）和外热电偶（5）采集的温度数据，采集所述压力传感器（25）采集的压力数据；

通过采集的所述位移数据，温度数据及压力数据绘制反映了水泥浆水化放热速率，水泥浆试验压力和水泥浆在不同时刻体积变化率的变化曲线。

6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，还包括：

试验结束后先关闭加热器；

缓慢打开高压释放阀，释放增压泵（18）中的压力；

打开空气至釜阀（10），将釜体内的水从管线排出，缓慢打开釜盖取出浆杯进行清理。

7.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，进一步包括：

当釜体（2）内水泥浆体积发生收缩时，就会产生微环隙，造成釜体（2）内压力下降；

通过所述气源（28）会向增压泵（18）中打气，电磁阀将增压泵气管B（15）打开，气体从活塞（19）下部的空隙部分进入，并推动活塞（19）向上移动，向釜体（2）内补水以补充压力；

在所述活塞（19）向上运动的过程中会推动所述连杆（20），所述连杆（20）又带动所述位移传感器（21）向上移动，由所述位移传感器（21）记录位移；在所述活塞（19）向上移动的过程中，上下活塞（19）之间多余的气体通过所述增压泵气管A（14）由所述电磁阀泄气口A（16）排出；

当所述釜体内水泥浆发生体积膨胀时，压力上升，釜体（2）内被压出的水通过管线进入增压泵中，并推动活塞（19）向下移动，释放多余压力；在活塞（19）向下运动的过程中拉动连杆（20），所述连杆（20）带动所述位移传感器（21）的部件向下移动，由所述位移传感器（21）记录位移；在活塞（19）向下移动的过程中，上下活塞（19）之间压力会下降，所述气源（28）会向增压泵中打气，电磁阀将增压泵气管A（14）打开，气体从活塞（19）中部的空隙部分进入，而活塞（19）下部分多余的气体则通过增压泵气管B（15）由电磁阀泄气口B（17）排出。

8.根据权利要求5-7任一项所述的测试方法，其特征在于，还包括：

在实验开始时，控制设置在所述浆杯（6）内的桨叶对水泥浆进行搅拌，从而模拟水泥浆在井下顶替过程中流动状态。

9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于：

所述搅拌的时间为1-6小时。

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