CN104502419A - 一种自愈合水泥自愈合能力的评价装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自愈合水泥自愈合能力的评价装置及方法，该装置主要由水泥石试件、电极、电导率测量台组成，水泥石试件包括外筒、端盖和位于试件中心的钢柱，电极连接电导率测量台，水泥石试件的端盖有电极卡槽，用于固定电极。该方法包括：将待测水泥浆注满外筒、端盖和钢柱组合形成的环形空间中，养护至初凝，抽出钢柱，继续养护至终凝，人工制造出圆柱形通孔来模拟水泥石在井下环境中产生的微间隙或裂缝，将水泥石通孔中充满饱和电解质溶液，通过测量不同凝期水泥石通孔中电解质溶液的电导率，作为评价水泥石自愈合能力的指标。本发明原理可靠，操作简单，对比性强，能够量化评价，且适用范围广，具有广阔的应用前景。

Description

一种自愈合水泥自愈合能力的评价装置及方法

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发领域钻井工程中固井用自愈合水泥自愈合能力的评价装置及方法。

背景技术

油气井固井水泥环在外力作用下可能产生微间隙或微裂缝等破坏，如其破坏继续发展就很可能导致水泥环封隔失效等严重问题。固井界提出了用自愈合水泥解决这一问题，该种水泥能够自主的对微间隙或微裂缝产生响应，封堵微间隙或微裂缝。经过多年发展，国内外在自愈合水泥方面的研究取得了很大进步，但是对于水泥自愈合能力评价仍未形成公认的评价方法。

经对现有自愈合能力评价装置和方法的文献检索发现，目前对水泥自愈合能力的评价方法主要有抗压强度恢复法和渗透率法。其中抗压强度恢复法是将水泥石在一定压力下预制裂缝，继续养护一定龄期后测试其抗压强度，与不加自愈合剂的水泥石相比，得出其抗压强度恢复程度，来评价自愈合能力。渗透率方法是将养护数天后的水泥石，人工制造裂缝后放回原模具继续养护，再养护一定龄期后取出进行渗透率实验，与制造裂缝前的渗透率进行对比。这两种方法存在的最主要问题是人工制造的裂缝在水泥石中的分布、裂缝大小、数量都无法控制，导致实验各试件之间结果偏差大、重复性差，且测量步骤较繁琐、耗时。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自愈合水泥自愈合能力的评价装置，该装置通过测量水泥石通孔中电解质溶液的电导率，计算出水泥石轴向中心处通孔有效横截面积减小百分比，从而对水泥浆自愈合能力进行定量评价，该装置原理可靠，操作简单，对比性强，能够量化评价，且适用范围广，具有广阔的应用前景。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对自愈合水泥的自愈合能力进行评价的方法，该方法通过测量不同凝期水泥石通孔中电解质溶液的电导率，反映养护不同龄期水泥石通孔有效横截面积的变化，定量评价自愈合水泥的自愈合能力。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

一种自愈合水泥自愈合能力的评价装置，主要由水泥石试件、电极、电导率测量台组成，安装于支架上的水泥石试件包括外筒、端盖和位于试件中心的钢柱，所述外筒、端盖和钢柱形成四周密封、内横截面为同心圆的立柱体；所述电导率测量台有测值量程调节器、电源开关和测值显示屏，所述电极通过导线和电极支架连接电导率测量台；所述水泥石试件的端盖有电极卡槽，用于固定电极。

将待测水泥浆注满由外筒、端盖和钢柱组合形成的环形空间中，在一定环境下养护至初凝，抽出钢柱，继续养护至终凝以后。这样就人工制造出圆柱形通孔来模拟水泥石在井下环境中产生的微间隙或裂缝，将水泥石通孔中充满不溶解水泥石组分、又不影响水泥石继续水化的饱和电解质溶液，通过测量不同凝期水泥石通孔中电解质溶液的电导率，就能反映养护不同龄期水泥石通孔有效横截面积的变化，作为评价水泥石自愈合能力的指标，并且不破坏水泥石，同一试件可连续测量。

不同凝期水泥石通孔中电解质溶液的电导率σ：

$\mathrm{\σ}=\frac{A}{\mathrm{\ρ}\·L}$

式中：

A—水泥石通孔的横截面积，m²；

ρ—电解质溶液的电阻率，Ω.m；

L—水泥石通孔的长度，m。

水泥的自愈合能力以经历t时间后通孔横截面积减小的百分比表示，通过下式计算：

$\begin{array}{c}K=\frac{A_0-A}{A_0}\×100\%\\ =\frac{{\mathrm{\σ}}_0-\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_0}\×100\%\end{array}$

式中：

K—水泥的自愈合能力，％；

A₀—水泥石通孔的初始横截面积，m²；

A—经历t时间后水泥石通孔的横截面积，m²；

σ₀—水泥石初始通孔充满电解质溶液的电导率，μ.S/cm；

σ—水泥石经历t时间后通孔充满电解质溶液的电导率，μ.S/cm。

利用上述装置对自愈合水泥的自愈合能力进行评价的方法，依次包括以下步骤：

(1)制备水泥石试件：将待测水泥浆注满由外筒、端盖和钢柱组合形成的环形空间中，养护至初凝，抽出钢柱，形成圆柱形的水泥石通孔，其直径为d(mm)，长度为L(m)，继续养护至终凝；

(2)配制不溶解水泥石组分、又不影响水泥石继续水化的饱和电解质溶液，用该溶液浸泡水泥石试件，并将水泥石通孔中充满该饱和电解质溶液；

(3)将水泥石试件固定于支架上，将电极固定于水泥石试件端盖上的电极卡槽，打开电导率测量台的电源开关；

(4)通过测值显示屏得到不同凝期水泥石通孔中电解质溶液的电导率σ；

(5)通过下式得到水泥的自愈合能力K：

$K=\frac{{\mathrm{\σ}}_0-\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_0}\×100\%$

式中：

σ₀—水泥石初始通孔充满电解质溶液的电导率，μ.S/cm；

σ—水泥石经历t时间后通孔充满电解质溶液的电导率，μ.S/cm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明用人造通孔模拟水泥石中的微环隙或微裂缝，使裂缝标准化，从而减少了因裂缝数量、宽度、空间分布等因素对测试结果的影响；

(2)本发明通过通孔中溶液电导率反映通孔有效横截面积，可以对裂缝自愈合程度进行定量评价，降低了数据的误差；

(3)本发明利用人造通孔模拟水泥石中的裂缝，通过电导率反映自愈合程度，受人为及环境影响小，原理科学、操作简便。

附图说明

图1是一种自愈合水泥自愈合能力的评价装置的结构示意图。

图中：1—水泥石试件，2—支架，3—电极，4—测值量程调节器，5—电源开关，6—电导率测量台，7—测值显示屏，8—电极支架，9—导线。

图2是水泥石试件的结构示意图。

图中：10—端盖，11—外筒，12—钢柱，13—电极卡槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1。

一种自愈合水泥自愈合能力的评价装置，主要由水泥石试件1、电极3、电导率测量台6组成，安装于支架2上的水泥石试件1包括外筒11、端盖10和位于试件中心的钢柱12，所述外筒、端盖和钢柱形成四周密封、内横截面为同心圆的立柱体；所述电导率测量台6有测值量程调节器4、电源开关5和测值显示屏7，所述电极3通过导线9和电极支架8连接电导率测量台6；所述水泥石试件的端盖10有电极卡槽13，用于固定电极3。

参见图2。

水泥石试件包括外筒11、端盖10和位于试件中心的钢柱12，所述端盖、外筒和钢柱组合形成底部和四周密封、内横截面为同心圆的盛装水泥浆的立柱体，端盖10有电极卡槽13。

所述水泥石试件直径为25.0(mm)，长度为50.0(mm)。沿试件轴向中心通孔直径1.0(mm)。

实施例1：自愈合水泥A养护40天后自愈合效果

第一步，将端盖与外筒密封面涂抹一薄层密封脂，将一侧端盖与外筒组装完毕后，从端盖中心电极卡槽处插入钢柱，电极卡槽处涂抹密封油脂，将水泥石试件模具未安装端盖一侧朝上，垂直放置，待用。根据待测水泥浆体系配方各材料的配比，按GB/T19139－2012《油井水泥试验方法》的“5水泥浆的制备”中规定的方法，配制待评价自愈合水泥浆。参考GB/T19139－2012《油井水泥试验方法》中“7.5.2水泥浆的装模”的方法，将配制好的自愈合水泥浆装满上述模具，盖上端盖并保证钢柱从电极卡槽中穿出，电极卡槽处涂抹密封油脂。将上述模具水平放入水浴箱中，在75℃×0.1MPa条件下水浴养护至初凝，抽出钢柱，继续在75℃×0.1MPa条件下水浴养护24小时。

第二步，将300mL水注入500mL烧杯中，在搅拌的同时向烧杯中加入固体Mg(OH)₂，液体呈悬浊液后，用电磁搅拌器继续搅拌15min。将上层清液倒入250mL烧杯中，将第一步中养护24小时的水泥石试件模具浸没在上述饱和Mg(OH)₂溶液中，侵泡15min。

第三步，将在饱和Mg(OH)₂溶液中侵泡15min后的水泥石试件模具取出，用海绵将表面擦干，固定在支架上。

第四步，将电极置于电极卡槽内，从而保证电极与通孔中饱和电解质溶液充分接触，测量通孔中溶液电导率为42.8μ.S/cm。

第五步，将试件在75℃×0.1MPa条件下水浴中继续养护至40天。

重复上述二至四步，测得再养护40天时，水泥石通孔中的Mg(OH)₂溶液电导率为38.1μ.S/cm。

第六步，计算得水泥A凝结水泥石经历40天的自愈合能力K＝10.98％。

实施例2：自愈合水泥石B养护40天、60天、90天后自愈合效果

第一步～第三步，同实施例1。

第四步，将电极置于电极卡槽内，从而保证电极与通孔中饱和电解质溶液充分接触，测量通孔中溶液电导率为42.5μ.S/cm。

第五步，将试件在75℃×0.1MPa条件下水浴中继续养护至40天。

重复上述二至四步，测得再养护40天时，水泥石通孔中的Mg(OH)₂溶液电导率为32.7μ.S/cm。

第六步，计算得水泥B凝结水泥石经历40天的自愈合能力K＝23.06％。

第七步，将试件在75℃×0.1MPa条件下水浴中继续养护至20天。

重复上述二至四步，测得再养护20天(共60天)时，水泥石通孔中的Mg(OH)₂溶液电导率为23.7μ.S/cm。

第八步，计算得水泥B凝结水泥石经历60天的自愈合能力K＝44.24％。

第九步，将试件在75℃×0.1MPa条件下水浴中继续养护至30天。

重复上述二至四步，测得再养护30天(共90)时，水泥石通孔中的Mg(OH)₂溶液电导率为8.9μ.S/cm。

第十步，计算得水泥B凝结水泥石经历90天的自愈合能力K＝79.06％。

对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种自愈合水泥自愈合能力的评价装置，主要由水泥石试件(1)、电极(3)、电导率测量台(6)组成，其特征在于，安装于支架(2)上的水泥石试件(1)包括外筒(11)、端盖(10)和位于试件中心的钢柱(12)，所述外筒、端盖和钢柱形成四周密封、内横截面为同心圆的立柱体；所述电导率测量台(6)有测值量程调节器(4)、电源开关(5)和测值显示屏(7)，所述电极(3)通过导线(9)和电极支架(8)连接电导率测量台(6)；所述水泥石试件的端盖(10)有电极卡槽(13)，用于固定电极(3)。

2.利用权利要求1所述的装置对自愈合水泥的自愈合能力进行评价的方法，依次包括以下步骤：

(1)制备水泥石试件，将待测水泥浆注满由外筒、端盖和钢柱组合形成的环形空间中，养护至初凝，抽出钢柱，形成圆柱形的水泥石通孔，继续养护至终凝；

(2)配制不溶解水泥石组分、又不影响水泥石继续水化的饱和电解质溶液，用该溶液浸泡水泥石试件，并将水泥石通孔中充满该饱和电解质溶液；

(3)将水泥石试件固定于支架上，将电极固定于水泥石试件端盖上的电极卡槽，打开电导率测量台的电源开关；

(4)通过测值显示屏得到不同凝期水泥石通孔中电解质溶液的电导率σ；

(5)通过下式得到水泥的自愈合能力K：

$K=\frac{{\mathrm{\σ}}_0-\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_0}\×100\%$

式中：

σ₀—水泥石初始通孔充满电解质溶液的电导率，μ.S/cm，

σ—水泥石经历t时间后通孔充满电解质溶液的电导率，μ.S/cm。