CN105277463A - 体积膨胀收缩率测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥体积膨胀收缩率测试装置及方法，所述装置包括：用于容纳待测水泥样本的本体，其具有相背对的开口端和封闭的底座；用于密封所述开口端的盖体，所述盖体与所述本体密封配合后，形成一个封闭的容纳腔；所述盖体上设置有用于向所述容纳腔输入液体的注入孔，以及与所述容纳腔相连通的刻度管；所述注入孔上设置有可拆卸的密封机构；所述刻度管具有相对的第一端和第二端，所述第一端与所述容纳腔相连通，所述第二端为开口端，在所述刻度管表面设置有刻度线。本发明提出了一种能准确测量体积膨胀收缩率测试装置及方法，其结构简单、操作方便。

Description

体积膨胀收缩率测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种油井水泥固化类材料收缩性测定领域，特别涉及一种体积膨胀收缩率测试装置及方法。

背景技术

为了对地层中蕴藏的石油天然气资源进行开采，往往需要打井并通至待开采的目标地层，以通过井设置开采设备。所打的井在开采前一般均需要加固井壁，简称为固井。固井的一般过程包括在井中下入套管，并在井壁与套管的环空处注入、充填水泥浆等作业。通过固井作业，可以封隔油、气和水层，以使得油、气和水不互窜，从而保证开采过程中正常的油气生产。在固井过程中，由于水泥浆具有水化收缩的特性，水泥浆经硬化后形成的固井水泥环的体积会发生收缩，从而易导致井下固井水泥环出现环空间隙。当形成间隙后，油、气、水可以通过所述间隙发生互窜，因而使得固井水泥环失去层间封隔作用。

为了提高水泥环的层间封隔能力，通常需要在水泥浆体系中掺入膨胀材料，使水泥浆具有微膨胀特性，以解决水泥水化体积收缩产生的一系列问题。

当向水泥浆体系中掺入膨胀材料后，一般需要进行水泥浆体系的体积膨胀收缩率测试，以准确确定固井用的掺入膨胀材料后的水泥浆体系的体积膨胀收缩率，进而有效指导水泥浆体系设计，提高固井质量。

目前，常用的测量体积膨胀收缩率的装置为一种膨胀收缩测量仪器，其虽然可以实现测量水泥浆体系的膨胀收缩率，但由于其测试时，被测水泥浆样品与实时采集系统之间的过渡管线多会使得被测水泥浆样品在采集过程中体积上会带来较大的测试误差，从而造成最终体积膨胀收缩率存在较大误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种能准确测量体积膨胀收缩率测试装置及方法，其结构简单、操作方便。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

一种体积膨胀收缩率测试装置，其包括：用于容纳待测水泥样本的本体，其具有相背对的开口端和封闭的底座；用于密封所述开口端的盖体，所述盖体与所述本体密封配合后，形成一个封闭的容纳腔；所述盖体上设置有用于向所述容纳腔输入液体的注入孔，以及与所述容纳腔相连通的刻度管；所述注入孔上设置有可拆卸的密封机构；所述刻度管具有相对的第一端和第二端，所述第一端与所述容纳腔相连通，所述第二端为开口端，在所述刻度管表面设置有刻度线。

在优选的实施方式中，所述刻度管具有一中心轴线，所述装置使用时，所述刻度管的中心轴线处于铅垂位置。

在优选的实施方式中，所述盖体内表面呈半球形，所述刻度管的中心轴线设置在所述盖体的中心。

在优选的实施方式中，所述装置的内径范围为120毫米至180毫米，所述刻度管量程包括以下量程中的一种：-1毫升至+1毫升、-10毫升至+10毫升。

在优选的实施方式中，所述刻度管的精度包括以下精度中至少的一种：0.01毫升、0.1毫升，

所述刻度管的精度为0.01毫升时，其量程为-1毫升至+1毫升，其内径为3毫米；所述刻度管的精度为0.1毫升时，其量程为-10毫升至+10毫升，其内径为10毫米。

在优选的实施方式中，所述装置的材质为玻璃，所述盖体与所述本体密封配合的方式为在配合的位置设置有玻璃磨口锥形对接结构，且在所述对接结构的位置还设置有法兰结构。

在优选的实施方式中，所述注入孔具有一中心轴线，所述注入孔的中心轴线与所述刻度管的中心轴线成一锐角，所述注入孔上的密封机构包括密封盖与所述密封盖匹配的密封圈。

一种体积膨胀收缩率测试方法，包括如下步骤：

将预定体积V的水泥浆样品注入可变形的容器中；

将所述容纳有水泥浆样品的容器放入所述本体中，并向所述本体中注第一液体至溢出为止；

将所述盖体安装在所述本体上，通过所述注入孔向所述容纳腔注入所述第一液体至刻度管的0刻度位置处，记录此时装置中所注入第一液体的体积为V₁，并密封所述注入孔；

对所述装置中的水泥浆样品进行恒温养护，至水泥浆完全固化呈水泥石，记录此时装置刻度管的刻度值V₂；

计算水泥的体积膨胀收缩率，其中计算水泥的体积膨胀收缩率μ＝(V₂-V₁×μ₁)/V，其中，μ₁为所述第一液体的膨胀率，当计算的μ>0时，水泥体积膨胀；μ<0时，水泥体积收缩；μ＝0时，水泥体积既不膨胀也不收缩。

在优选的实施方式中，对所述装置中的水泥浆样品进行恒温养护前，在所述装置中第一液体的上表面加入1毫升至2毫升第二液体，所述第二液体的密度小于所述第一液体。

在优选的实施方式中，在所述方法中，所述刻度管的量程为-10毫升至+10毫升，精度为0.1毫升、内径为10毫米；当所述刻度管测量的体积变化在-1毫升至+1毫升以内时，更换量程为-1毫升至+1毫升，精度为0.01毫升，内径为3毫升的刻度管进行测量。

本发明的特点和优点是：所述体积膨胀收缩率测试装置通过设置用于容纳待测水泥样本的本体，其具有相背对的开口端和封闭的底座；用于密封所述开口端的盖体，所述盖体与所述本体密封配合后，形成一个封闭的容纳腔；所述盖体上设置有用于向所述容纳腔输入液体的注入孔，以及与所述容纳腔相连通的刻度管；所述注入孔上设置有可拆卸的密封机构，所述刻度管具有相对的第一端和第二端，所述第一端与所述容纳腔相连通，所述第二端为开口端，在所述刻度管表面设置有刻度线，在使用时，可以通过所述刻度管直接读出待测水泥体积变化的量，进而可以获得水泥体积膨胀收缩率，使用过程中，整个水泥样品处于封闭的容纳腔内，相对于现有的膨胀收缩测量而言，结构简单，操作方便，避免了现有的仪器过渡管线多带来较大的测试误差，测试结果准确。

附图说明

图1是本申请一个实施方式中体积膨胀收缩率测试装置的结构示意图；

图2是本申请一个实施方式中体积膨胀收缩率测试装置的剖视图；

图3是本申请一个实施方式中体积膨胀收缩率测试装置局部放大图；

图4是本申请一个实施方式中体积膨胀收缩率测试方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

本发明提供一种能准确测量体积膨胀收缩率测试装置及方法，其结构简单、操作方便。

请一并参阅图1和图2，本申请所述体积膨胀收缩率测试装置包括：用于容纳待测水泥样本的本体1，其具有相背对的开口端12和封闭的底座11；用于密封所述开口端12的盖体2，所述盖体2与所述本体1密封配合后，形成一个封闭的容纳腔20；所述盖体2上设置有用于向所述容纳腔20输入液体的注入孔30，以及与所述容纳腔20相连通的刻度管3；所述注入孔30上设置有可拆卸的密封机构，所述刻度管3具有相对的第一端31和第二端32，所述第一端31与所述容纳腔20相连通，所述第二端32为开口端，在所述刻度管3表面设置有刻度线。

本申请实施方式中，所述体积膨胀收缩率测试装置通过设置用于容纳待测水泥样本的本体1，其具有相背对的开口端12和封闭的底座11；用于密封所述开口端12的盖体2，所述盖体2与所述本体1密封配合后，形成一个封闭的容纳腔20；所述盖体2上设置有用于向所述容纳腔20输入液体的注入孔30，以及与所述容纳腔20相连通的刻度管3；所述注入孔30上设置有可拆卸的密封机构，所述刻度管3具有相对的第一端31和第二端32，所述第一端31与所述容纳腔20相连通，所述第二端32为开口端，在所述刻度管3表面设置有刻度线，在使用时，可以通过所述刻度管3直接读出待测水泥体积变化的量，进而可以获得水泥体积膨胀收缩率，使用过程中，整个水泥样品处于封闭的容纳腔20内，相对于现有的膨胀收缩测量而言，结构简单，操作方便，避免了现有的一起过渡管线多带来较大的测试误差，测试结果准确。

在本实施方式中，所述刻度管3的第一端31与所述容纳腔20相连通，所述第二端32为开口端，当通过注入孔30向所述容纳腔20注入液体时，容纳腔20内的空气能够从第二端32排出，从而保证整个装置测量的准确性。

在一个实施方式中，所述刻度管3具有一中心轴线，所述体积膨胀收缩率测试装置使用时，所述刻度管3的中心轴线处于铅垂位置。

在本实施方式中所述刻度管3上的刻度线为体积刻度线，通过所述刻度管3内液体的变化，可以直接反应体积膨胀收缩率测试装置中的水泥样品的体积变化。所述刻度管3具有一中心轴线，当所述体积膨胀收缩率测试装置使用时，所述中心轴线处于铅垂位置，以便于体积膨胀收缩率测试装置中的水泥样品的体积变化能够通过所述刻度管3内的液体升高或降低的刻度变化读出。

在一个实施方式中，所述体积膨胀收缩率测试装置的内径范围为120毫米至180毫米，所述刻度管3量程包括以下量程中的一种：-1毫升至+1毫升、-10毫升至+10毫升。所述刻度管3的精度包括以下精度中的至少一种：0.01毫升、0.1毫升。所述刻度管3的精度为0.01毫升时，其量程为-1毫升至+1毫升，其内径为3毫米。所述刻度管3的精度为0.1毫升时，其量程为-10毫升至+10毫升，其内径为10毫米。

在本实施方式中，所述体积膨胀收缩率测试装置整体中可呈一端开口的中空筒体结构。例如可以为常见的广口瓶的形式。当然，所述体积膨胀收缩率测试装置的形状还可以为其他任意形式，本发明在此并不作具体的限定。所述体积膨胀收缩率测试装置的内径可为120毫米至180毫米，以便于操作人员单手伸入放置水泥样品或取出水泥样品。当所述体积膨胀收缩率测试装置的内径过大时，所述盖体2与本体1之间的密封口径会相应增大，相应的制作工艺越难，成本也越高。

在本实施方式中，所述刻度管3的量程可根据普通纯水泥收缩最大量来确定。一般的，普通纯水泥的收缩率为5％，当为200ml(毫升)纯水泥浆的收缩率最大为10ml，而试验用水泥浆量一般不超过150ml。因此，当所述刻度管3量程为-10毫升至+10毫升时，足以满足测量要求。

当加入一定量的膨胀剂后的水泥的收缩率较小时，或者处于轻微膨胀、或者处于不收缩、不膨胀的状态时，刻度管3中的体积变化会相应较小，例如在-1毫升至+1毫升内时，此时可以选用量程为-1毫升至+1毫升。此时，由于刻度管3对应的精度为0.01毫升，因此有利于获得精度较高的水泥样品体积的变化。

在本实施方式中，所述刻度管3的中部，量程的中部设置有零刻度线。所述零刻度线为所述体积膨胀收缩率测试装置内注入的液体起始位置。

在一个实施方式中，所述盖体2内表面可呈半球形，所述刻度管3的中心轴线设置在所述盖体2的中心。

在本实施方式中，所述盖体2的内表面可以呈半球形，所述盖体2半球形的中心位于所述半球形的最高点。所述盖体2的中心可以与所述刻度管3的中心轴线相重合，即所述刻度管3的第一端31位于所述盖体2的最高点。此时，所述刻度管3可以呈垂直于盖体2的结构。上述结构有利于所述装置使用时，准确、方便地读取刻度管3上的读数。

在一个实施方式中，所述体积膨胀收缩率测试装置的材质为玻璃。

在本实施方式中，所述体积膨胀收缩率测试装置可以为玻璃材质，所述玻璃材质不仅价格低，且透明度高，便于直观观察整个测试过程中水泥样品的体积变化。

在一个实施方式中，所述盖体2与所述本体1密封配合的方式为在配合的位置设置有玻璃磨口锥形对接结构53，且在所述对接结构53的位置还设置有法兰结构51。

在本实施方式中，所述玻璃磨口锥形对接结构53具体可以由在所述本体1的开口端12处形成向内倾斜的锥形凹口，与在所述盖体2与所述本体1配合的一端形成的锥形凸起相配合形成。使用时，在所述玻璃磨口锥形对接结构53的磨口位置还可以均匀地涂有真空脂，以提高所述盖体2与本体1配合的密封性。

在所述对接结构53的位置还可以形成有环形凸起对52，所述环形凸起对52的外围用于设置所述法兰结构51。所述法兰结构51可以为上法兰和下法兰形成的配对结构，其上设置有螺纹孔50。所述螺纹孔50用于紧固所述上、下法兰，使其对所述盖体2、本体1施加一个相向的作用力，以增加盖体2与本体1之间连接的可靠性和密封性。

请结合参阅图3，在一个实施方式中，所述注入孔30具有一中心轴线，所述注入孔30的中心轴线与所述刻度管3的中心轴线成一锐角，所述注入孔30上的密封机构包括密封盖41与所述密封盖41匹配的密封圈42。

在本实施方式中，所述注入孔30的具体位置可以为所述盖体2上的任意一个位置。例如，所述注入孔30可以与所述刻度管3的中心线成一锐角的某一位置，本申请在此并不作具体限定。所述注入孔30的结构具体的可以由在所述盖体2上形成的中空的圆柱管形成。所述圆柱管的一端可以与所述容纳腔20相连通，另一端可以通过可拆卸的方式设置有密封机构。具体的所述密封机构可以包括密封盖41以及所述密封盖41匹配的密封圈42。所述密封圈42可为具体弹性的O型圈，其套设在所述圆柱管的一端，在所述密封圈42上压设有所述密封盖42，以密封所述圆柱管。此外，在所述密封盖42与所述圆柱管配合的位置还可以设置有螺纹，以可拆卸的方式，将所述密封盖42牢固地固定在所述圆柱管上。

请参阅图4，本发明还提供了一种体积膨胀收缩率测试方法，包括如下步骤：

步骤S1：将预定体积V的水泥浆样品注入可变形的容器中；

步骤S2：将所述容纳有水泥浆样品的容器放入所述本体1中，并向所述本体1中注第一液体至溢出为止；

步骤S3：将所述盖体安装在所述本体1上，通过所述注入孔30向所述容纳腔20注入所述第一液体至刻度管3的0刻度位置处，记录此时装置中所注入第一液体的体积为V₁，并密封所述注入孔30；

步骤S4：对所述装置中的水泥浆样品进行恒温养护，至水泥浆完全固化呈水泥石，记录此时装置刻度管3的刻度值V₂；

步骤S5：计算水泥的体积膨胀收缩率，其中计算水泥的体积膨胀收缩率为μ＝(V₂-V₁×μ₁)/V，其中，μ₁为所述第一液体的膨胀率。

在一个实施方式中，对所述装置中的水泥浆样品进行恒温养护前，在所述装置中第一液体的上表面加入1毫升至2毫升第二液体，所述第二液体的密度小于所述第一液体。

在本实施方式中，所述测试用的水泥浆样品可以为预先按照一定的配比配制好的。所述容纳水泥浆样品的容器具体的可以为具有弹性的材料制成的可变形的容器。例如可以是橡胶容器中的气球等。

在本实施方式中，所述第一液体可以为水，所述第二液体可以油脂，所述油脂可以用于防止水份蒸发，以提高测试精度。

在一个实施方式中，所述方法中，所述刻度管3的量程为-10毫升至+10毫升，精度为0.1毫升、内径为10毫米；当所述刻度管3测量的体积变化在-1毫升至+1毫升以内时，更换量程为-1毫升至+1毫升，精度为0.01毫升，内径为3毫升的刻度管3进行测量。

在本实施方式中，通过更换小量程、高精度的刻度管3，有利于获得精度较高的水泥样品体积的变化，进而有利于获得精度较高的水泥的体积膨胀收缩率。

综上，本发明所述体积膨胀收缩率测试方法操作简单，使用时，测试环节中的参数可以直观地从刻度管3读出，测试结果直观、准确。

以上所述仅为本发明的几个实施例，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种体积膨胀收缩率测试装置，其特征在于，其包括：

用于容纳待测水泥样本的本体，其具有相背对的开口端和封闭的底座；

用于密封所述开口端的盖体，所述盖体与所述本体密封配合后，形成一个封闭的容纳腔；所述盖体上设置有用于向所述容纳腔输入液体的注入孔，以及与所述容纳腔相连通的刻度管；所述注入孔上设置有可拆卸的密封机构；所述刻度管具有相对的第一端和第二端，所述第一端与所述容纳腔相连通，所述第二端为开口端，在所述刻度管表面设置有刻度线。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述刻度管具有一中心轴线，所述装置使用时，所述刻度管的中心轴线处于铅垂位置。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述盖体内表面呈半球形，所述刻度管的中心轴线设置在所述盖体的中心。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述装置的内径范围为120毫米至180毫米；

所述刻度管量程包括以下量程中的一种：-1毫升至+1毫升、-10毫升至+10毫升。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述刻度管的精度包括以下精度中的至少一种：0.01毫升、0.1毫升，

所述刻度管的精度为0.01毫升时，其量程为-1毫升至+1毫升，其内径为3毫米；

所述刻度管的精度为0.1毫升时，其量程为-10毫升至+10毫升，其内径为10毫米。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置的材质为玻璃，所述盖体与所述本体密封配合的方式为在配合的位置设置有玻璃磨口锥形对接结构，且在所述对接结构的位置还设置有法兰结构。

7.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述注入孔具有一中心轴线，所述注入孔的中心轴线与所述刻度管的中心轴线成一锐角，所述注入孔上的密封机构包括密封盖与所述密封盖匹配的密封圈。

8.一种基于权利要求1至7任一装置的体积膨胀收缩率测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

将预定体积V的水泥浆样品注入可变形的容器中；

将所述容纳有水泥浆样品的容器放入所述本体中，并向所述本体中注第一液体至溢出为止；

将所述盖体安装在所述本体上，通过所述注入孔向所述容纳腔注入所述第一液体至刻度管的0刻度位置处，记录此时装置中所注入第一液体的体积为V₁，并密封所述注入孔；

对所述装置中的水泥浆样品进行恒温养护，至水泥浆完全固化呈水泥石，记录此时装置刻度管的刻度值V₂；

计算水泥的体积膨胀收缩率，其中计算水泥的体积膨胀收缩率μ＝(V₂-V₁×μ₁)/V，其中，μ₁为所述第一液体的膨胀率，当计算的μ>0时，水泥体积膨胀；μ<0时，水泥体积收缩；μ＝0时，水泥体积既不膨胀也不收缩。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

对所述装置中的水泥浆样品进行恒温养护前，在所述装置中第一液体的上表面加入1毫升至2毫升第二液体，所述第二液体的密度小于所述第一液体。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：在所述方法中，所述刻度管的量程为-10毫升至+10毫升，精度为0.1毫升、内径为10毫米；

当所述刻度管测量的体积变化在-1毫升至+1毫升以内时，更换量程为-1毫升至+1毫升，精度为0.01毫升，内径为3毫升的刻度管进行测量。