CN105571991B - 水泥浆性能试验系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥浆性能试验系统及其方法，其包括：具有一贯穿通道的壳体，所述壳体内部设置有用于监测水泥浆静胶凝强度的水泥浆静胶凝强度测试装置，所述水泥浆静胶凝强度测试装置包括超声波探头和/或搅拌测试装置。设置于所述壳体上端的密封盖；设置于所述壳体下端的底座，所述底座上设置有用于监测水泥浆失重的压力传感器。本发明提供的水泥浆性能试验系统能够用于实验室模拟水泥浆静胶凝状态下的水泥浆失重过程，测试得到水泥浆失重与水泥浆静胶凝强度发展的关系，为水泥浆浆柱结构设计以及注水泥后的压稳工艺措施提供数据支撑。

Description

水泥浆性能试验系统及其方法

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域，特别涉及一种水泥浆性能试验系统及其方法。

背景技术

固井注水泥施工结束后，水泥浆将会由液态发展到固态，即水泥石。水泥浆在液态状态下，液柱压力可完全传递到井底，保证压。稳井底油气水层，防止发生窜流；水泥浆发展到固态时，即水泥石状态下，由于水泥石状态具有一定的强度，能够与地层胶结，可防止地层油气水窜流。但是水泥浆发展到水泥石并不是瞬间完成的，而是需要过渡到“半液态、半固态”的状态，即胶凝状态，这种状态将大幅度降低液柱压力传递效率，即水泥浆的失重，上部液柱压力无法完全传递到井底，导致压稳失效，同时又未形成强度或与地层胶结，因此地层油气水层极易发生窜流，影响层间封隔质量。

目前，国内外对水泥浆防窜性能主要有两个手段：实验手段和理论计算。理论方面认为水泥浆失重后压力传递降低，以地层水密度换算成水泥浆静液注压力，理论比较粗糙，且水泥浆何时失重不能明确，不能为注水泥后的压稳工艺措施提供数据支撑。在实验方面，主要在圆柱形的空腔内灌满水泥浆，圆柱底部采用承重的方式监测水泥浆随水化进行底部压力变化，以此判断水泥浆处于何种状态。但是，这种方法存在局限性，无法监测水泥浆失重时，水泥浆的状态，即液态或者胶凝状态。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种水泥浆性能试验系统及其方法，其能够在水泥浆失重过程中监测水泥浆的状态。

本发明实施例的具体技术方案是：

一种水泥浆性能试验系统，其包括：具有一贯穿通道的壳体，所述壳体内部设置有用于监测水泥浆静胶凝强度的水泥浆静胶凝强度测试装置，所述水泥浆静胶凝强度测试装置包括超声波探头和/或搅拌测试装置。设置于所述壳体上端的密封盖；设置于所述壳体下端的底座，所述底座上设置有用于监测水泥浆失重的压力传感器。

优选地，所述搅拌测试装置包括通过传动轴穿过所述密封盖设置于所述壳体内部的桨叶。

优选地，所述超声波探头为两个，其设置于所述壳体的同一高度，两个所述超声波探头相对设置于所述壳体的两侧。

优选地，所述底座上开设有用于向壳体内部通入气体的流道。

优选地，所述壳体的侧壁内开设有能容置液体的环形空间，所述壳体上还开设有与环形空间相连通的、供液体进出的进口和出口。

优选地，所述壳体至少包括第一段壳体、与第一段壳体相连接的第二段壳体、与第二段壳体相连接的第三段壳体，所述搅拌测试装置设置于所述第一段壳体处，所述超声波探头设置于所述第二段壳体处，所述第三段壳体处设置有能够开闭的通孔。

优选地，所述壳体开设的通孔内设置有滤网。

一种水泥浆性能试验方法，其包括以下步骤：

将试验的水泥浆注入至壳体中；

通过水泥浆静胶凝强度测试装置对壳体内水泥浆进行监测得到预定时间段下水泥浆的静胶凝强度；

通过压力传感器对水泥浆进行监测得到预定时间段下水泥浆的压力数值；

根据预定时间段下水泥浆的静胶凝强度和预定时间段下水泥浆的压力数值得到某一时间点下水泥浆静胶凝状态和水泥浆的失重数据。

优选地，它还包括以下步骤：试验的水泥浆注入至壳体后，向壳体侧壁内的环形空间通入高温液体以对壳体内的水泥浆进行加热至预定温度，获取水泥浆在预定温度下的失水性能。

优选地，它还包括以下步骤：试验的水泥浆注入至壳体后，向壳体内泵入压力液以提高壳体内的压强至预定压强下，获取水泥将在预定压强下的失水性能。

优选地，它还包括以下步骤：试验的水泥浆注入至壳体后，在不同时间下向壳体底部注入气体以测试不同时间下水泥浆的防气窜能力。

本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

1、本发明提供的水泥浆性能试验系统及其方法能够用于实验室模拟水泥浆静胶凝状态下的水泥浆失重过程，测试得到水泥浆失重与水泥浆静胶凝强度发展的关系，为水泥浆浆柱结构设计以及注水泥后的压稳工艺措施提供数据支撑。

2、本水泥浆性能试验系统在监测水泥浆底部液柱压力的同时，可以向水泥浆液柱底部注入氮气，进而测试得到不同时期水泥浆防气窜的能力。

3、该水泥浆性能试验系统操作方便，可近似模拟井下真实环境。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明水泥浆性能试验系统上半部分的结构示意图。

图2为本发明水泥浆性能试验系统下半部分的结构示意图。

以上附图的附图标记：

1、壳体；11、第一段壳体；12、第二段壳体；13、第三段壳体；14、第四段壳体；15、环形空间；16、进口；17、出口；18、通孔；19、接箍；2、水泥浆静胶凝强度测试装置；21、搅拌测试装置；211、传动轴；212、桨叶；22、超声波探头；3、密封盖；4、底座；41、流道；42、螺杆；43、螺母；5、压力传感器。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

图1为本发明水泥浆性能试验系统上半部分的结构示意图，图2为本发明水泥浆性能试验系统下半部分的结构示意图，如图1、图2所示，一种水泥浆性能试验系统，其包括：具有一贯穿通道的壳体1，壳体1内部设置有用于监测水泥浆静胶凝强度的水泥浆静胶凝强度测试装置2，水泥浆静胶凝强度测试装置2包括超声波探头22和/或搅拌测试装置21。设置于壳体1上端的密封盖3；设置于壳体1下端的底座4，底座4上设置有用于监测水泥浆失重的压力传感器5。

具体而言，壳体1具有一贯穿通道，该贯穿通道内能够容置水泥浆。为了模拟井内真是环境，壳体1一般而言与油管形状相似，其可以呈圆管状，其中贯穿通道的横截面呈圆形。由于壳体1具有一定的长度，如果壳体1为一整体，当其竖直后，由于高度原因不易进行组装以及连接其它测试设置，所示将壳体1拆分成多个部分，以方便进行组装。如此，所述壳体1至少包括第一段壳体111、与第一段壳体111相连接的第二段壳体121、与第二段壳体121相连接的第三段壳体131。所述第一段壳体111、所述第二段壳体121和所述第三段壳体131之间通过接箍19相连接。

壳体1内部设置有用于监测水泥浆静胶凝强度的水泥浆静胶凝强度测试装置2，水泥浆静胶凝强度测试装置2可以包括超声波探头22和/或搅拌测试装置21。第一段壳体111的上端可以设置有对壳体1上端进行密封的密封盖3。搅拌测试装置21包括通过传动轴211穿过密封盖3设置于所述壳体1内部的桨叶212。

第一段壳体111的内部可以设置有用于监测水泥浆静胶凝强度的桨叶212，该桨叶212通过传动轴211穿过密封盖3设置于第一段壳体111内部，传动轴211可以沿竖直方向设置，如此，驱动桨叶212旋转的的驱动装置，例如电动机，可以设置在壳体1的外部或密封盖3的上端。

第二段壳体121处可以设置有用于监测水泥浆静胶凝强度的超声波探头22，超声波探头22通过第二段壳体121的侧壁穿设入壳体1内部。在本实施方式中，超声波探头22为两个，其设置于第二段壳体121的同一高度。同时，两个超声波探头22可以相对设置于第二段壳体121的两侧。水泥浆静胶凝强度测试装置2可以只安装超声波探头22和搅拌测试装置21其中之一，如此，便可以完成对水泥浆静胶凝强度的测试。当然的，例如在本实施例中，也可以同时安装超声波探头22和搅拌测试装置21，通过两种不同的方式对水泥浆静胶凝强度进行测试，超声波探头22测试得到随时间发展的水泥浆静胶凝强度曲线，搅拌测试装置21测试得到随时间发展的水泥浆静胶凝强度曲线，可以根据两曲线进行拟合得到最终的随时间发展的水泥浆静胶凝强度曲线，拟合的过程可以为多种方式，较为常用的可以直接采用求取平均值的方法，这样以后通过两种不同的设备最终得到的水泥浆静胶凝强度数据更为准确可靠。

壳体1中的第三段壳体131的侧壁处可以设置有通孔18，该通孔18位于第三段壳体131侧壁的下端，其可以绕第三段壳体131的轴线环向分布于第三段壳体131的侧壁上。当壳体1内部注入水泥浆后，该通孔18可以用于排出壳体1内水泥浆中的水。在壳体1开设的通孔18内还可以设置有滤网，该滤网用于保证通过通孔18只排出水泥浆中的水，防止水泥浆也从通孔18中流出。

第三段壳体131的下端设置有底座4，底座4的下方可以设置有垫片，平垫上可以开设有多个开孔，在垫片的开孔上穿过螺杆42通过螺母43以及弹簧垫圈与底座4之间相连接，从而达到安装固定的作用。在底座4的上表面设置有压力传感器5，如此，当壳体1内注入水泥浆后，通过该压力传感器5可以实时监测水泥浆底部的压力。

本发明水泥浆性能试验系统的操作过程如下：将第一段壳体111、第二段壳体121、第三段壳体131通过接箍19依次组装在一起，第三段壳体131的下端通过底座4密封，从第一段壳体111的上方向壳体1的贯穿通道内注入水泥浆，盖上壳体1上端的密封盖3，使得桨叶212插入水泥浆中。在水泥浆慢慢转化到水泥石中过程中，通过转动桨叶212以及位于第二段壳体121内的超声波探头22实时监测水泥浆胶凝的状态，即水泥浆的强度，进而判断水泥浆处于胶凝状态还是液态。在水泥浆的转化过程中，水泥浆中的水慢慢从第三段壳体131侧壁的通孔18中排出，在壳体1的外部可以收集从通孔18中排出的水，通过量筒等方式得到排出的水的水量，进而了解其失水性能。随着水泥浆慢慢失重，水泥浆的传压能力降低，水泥浆底部的压力降低，通过底座4上安装设置的压力传感器5实时监测水泥浆底部的压力变化情况，进而反应出水泥浆的失重情况。在水泥浆失重的过程中，也可以在壳体1的上端穿过密封盖3对壳体1内部进行加压，如此，能够测试得到水泥浆在高压条件下的实时的失重情况。

本发明提供的水泥浆性能试验系统能够用于实验室模拟水泥浆胶凝状态下的水泥浆失重过程，测试得到水泥浆失重与水泥浆静胶凝强度发展的关系，为水泥浆浆柱结构设计以及注水泥后的压稳工艺措施提供数据支撑。

在一个优选的实施方式中，底座4上开设有用于向壳体1内部通入气体的流道41。当壳体1内部注入水泥浆后，该流道41用于相壳体1内的底部注入氮气。在监测水泥浆底部压力的同时，可以向水泥浆液柱底部注入不同流量的氮气，进而测试得到不同时间下水泥浆防气窜的能力，由于测试得到了不同时间下水泥浆所处的胶凝状态，所以可以实验得到水泥浆在不同凝胶状态下的防气窜能力，水泥浆的防气窜能力的性能可以根据在通入气体后根据水泥浆顶部冒泡情况或者水泥浆中的水被替换出来的情况判断。

在一个优选的实施方式中，壳体1的侧壁内开设有能容置液体的环形空间15，所述壳体1上还开设有与环形空间15相连通的、供液体进出的进口16和出口17。在水泥浆进行实验时，从环形空间15中进口16通入高温液体，液体可以为沸点较高的油类物质，高温液体充满环形空间15后自出口17流出，流出的液体在壳体1外部通过其它加热装置进行加热后再循环从井口通入壳体1的环形空间15中，通过上述方式，对壳体1内部进行加热使得壳体1以及其内部的水泥浆处于高温下，进而在实验时可以模拟实际固井中水泥浆的高温状态，从而测试得到水泥浆在高温状态下失水性能、水泥浆的不同胶凝状态、失重情况等。

在一个优选的实施方式中，所述壳体1还包括设置于所述第二段壳体121与所述第三段壳体131之间的用于调整所述壳体1长度的第四段壳体141。第四段壳体141可以为任意长度，如此，可以通过第四段壳体141对壳体1的总长度进行改变，使得壳体1的总长度可以根据需要模拟的实际情况而进行调整。

本申请中还公开了一种水泥浆性能试验方法，其包括以下步骤：

将试验的水泥浆注入至壳体1中。首先打开水泥浆性能试验系统中密封盖3，将搅拌准备试验的水泥浆注入至壳体1内，直至基本充满壳体1为止，关闭密封盖3。

将壳体1静置，壳体1内的水泥浆随着时间过去而发生变化，在水泥浆变化的过程中，通过水泥浆静胶凝强度测试装置2对壳体1内水泥浆进行监测得到预定时间段下水泥浆的静胶凝强度。其中，预定时间段可以为从试验开始至试验结束的时间段。水泥浆静胶凝强度测试装置2可以包括超声波探头22和/或搅拌测试装置21，所以在检测预定时间段下水泥浆的静胶凝强度时，可以仅使用一个超声波探头22，或仅使用一个搅拌测试装置21，也可以同时使用超声波探头22和搅拌测试装置21，以增加监测数据的准确性和可靠性。

在壳体1静置的过程中，通过压力传感器5对水泥浆进行监测得到预定时间段下水泥浆的压力数值。随着时间过去，水泥浆的状态发生变化，尤其在凝胶过程中，水泥浆液柱压力的传递效率降低，监测得到的水泥浆压力数值变小，水泥浆失重，通过壳体1底部的压力传感器5监测得到预定时间段下水泥浆底部的压力，进而得到水泥浆的失重数据。

在整个水泥浆的变换过程中，通过水泥浆静胶凝强度测试装置2可以得到实时的水泥浆的静胶凝强度以及通过压力传感器5得到了实时的水泥浆的压力数值。将上述两类数据结合进而可以根据预定时间段下水泥浆的静胶凝强度和预定时间段下水泥浆的压力数值得到某一时间点下水泥浆静胶凝状态和水泥浆的失重数据。其中，通过预定时间段下水泥浆的静胶凝强度可以判断出某一时间点下水泥浆静胶凝状态，通过预定时间段下水泥浆的压力数值可以得到上述某一时间点下水泥浆的失重数据，进而得到某一时间点下水泥浆静胶凝状态和水泥浆的失重数据。

在上述过程中，试验的水泥浆注入至壳体1后，可以向壳体1侧壁内的环形空间15通入高温液体以对壳体1内的水泥浆进行加热至预定温度，从而测试得到水泥浆在预定温度下的失水性能。还可以向壳体1内泵入压力液以提高壳体1内的压强至预定压强下，从而测试得到水泥浆在预定压强下的失水性能。其中，液体可以为沸点较高的油类物质，高温液体充满环形空间15后自出口17流出，流出的液体在壳体1外部通过其它加热装置进行加热后再循环从井口通入壳体1的环形空间15中，通过上述方式，对壳体1内部进行加热使得壳体1以及其内部的水泥浆加热至试验所需的温度值，进而在试验时可以模拟实际固井中水泥浆的高温状态，通过泵入压力液以提高壳体1内的压强，进而模拟实际固井中水泥浆处于高压状态，通过这两种方式，使得水泥浆在处于不同的温度和/或不同的压强状态下，在实验过程中可以通过称量壳体1内排出水的体积或质量得到壳体1内水泥浆的失水性能，还可以在实验过程中通过称量整个壳体1的质量的变化情况进而得到壳体1内水泥浆失水的量进而得到壳体1内水泥浆的失水性能，同时还可以测试得到在不同的温度和/或不同的压强状态下水泥浆的不同胶凝状态以及失重数据。

当试验的水泥浆注入至壳体1后，还可以在不同时间下向壳体1底部注入气体以测试不同时间下水泥浆的防气窜能力。其中，在试验过程中一般通入的气体为氮气，如此可以保证试验过程中的安全性。由于通过水泥浆静胶凝强度测试装置2和压力传感器5可以得到水泥浆在不同时间下的静胶凝状态和失重数据，如此，通过测试不同时间下水泥浆的防气窜能力进一步可以得到水泥浆在不同的静凝胶状态和失重状态的防气窜能力。

本发明中水泥浆性能试验系统操作方便，其可以近似模拟井下真实环境，其中，可以通过在壳体1侧壁的环形空间15通过加热后的液体模拟井下不同的温度，可以通过在壳体1内部上端施加不同的压力进而模拟井下不同的压强，还可以通过在壳体1下方的底座4中对壳体1内部注入氮气进而模拟井下的气窜情况，如此，本系统能够得到不同温度和压强下水泥浆失重与水泥浆静胶凝强度发展的关系以及不同的静凝胶状态和失重下水泥浆的防气窜能力，更好的为水泥浆浆柱结构设计以及注水泥后的压稳工艺措施提供数据支撑。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水泥浆性能试验系统，其特征在于，其包括：

具有一贯穿通道的壳体，所述壳体的侧壁内开设有能容置液体的环形空间，所述壳体上还开设有与环形空间相连通的、供液体进出的进口和出口，所述壳体内部设置有用于监测水泥浆静胶凝强度的水泥浆静胶凝强度测试装置，所述水泥浆静胶凝强度测试装置包括超声波探头和搅拌测试装置，所述搅拌测试装置包括通过传动轴穿过密封盖设置于所述壳体内部的桨叶，所述超声波探头为两个，其设置于所述壳体的同一高度，两个所述超声波探头相对设置于所述壳体的两侧，所述超声波探头和所述搅拌测试装置能够对水泥浆静胶凝强度进行测试，超声波探头测试得到随时间发展的水泥浆静胶凝强度曲线，搅拌测试装置测试得到随时间发展的水泥浆静胶凝强度曲线，从而根据两曲线进行拟合得到最终的随时间发展的水泥浆静胶凝强度曲线，以使得到的水泥浆静胶凝强度数据更为准确可靠；

设置于所述壳体上端的密封盖；

设置于所述壳体下端的底座，所述底座上设置有用于监测水泥浆失重的压力传感器，所述压力传感器能够实时监测水泥浆底部的压力变化情况，进而反应出水泥浆的失重情况。

2.根据权利要求1所述的水泥浆性能试验系统，其特征在于，所述底座上开设有用于向壳体内部通入气体的流道。

3.根据权利要求1所述的水泥浆性能试验系统，其特征在于，所述壳体至少包括第一段壳体、与第一段壳体相连接的第二段壳体、与第二段壳体相连接的第三段壳体，所述搅拌测试装置设置于所述第一段壳体处，所述超声波探头设置于所述第二段壳体处，所述第三段壳体处设置有能够开闭的通孔。

4.根据权利要求3所述的水泥浆性能试验系统，其特征在于，所述壳体开设的通孔内设置有滤网。

5.一种采用权利要求1中所述的水泥浆性能试验系统的水泥浆性能试验方法，其特征在于，其包括以下步骤：

将试验的水泥浆注入至壳体中；

通过水泥浆静胶凝强度测试装置对壳体内水泥浆进行监测得到预定时间段下水泥浆的静胶凝强度；

通过压力传感器对水泥浆进行监测得到预定时间段下水泥浆的压力数值；

根据预定时间段下水泥浆的静胶凝强度和预定时间段下水泥浆的压力数值得到某一时间点下水泥浆静胶凝状态和水泥浆的失重数据。

6.根据权利要求5所述的水泥浆性能试验方法，其特征在于，它还包括以下步骤：

试验的水泥浆注入至壳体后，向壳体侧壁内的环形空间通入高温液体以对壳体内的水泥浆进行加热至预定温度，从而获取水泥浆在预定温度下的失水性能。

7.根据权利要求5所述的水泥浆性能试验方法，其特征在于，它还包括以下步骤：

试验的水泥浆注入至壳体后，向壳体内泵入压力液以提高壳体内的压强至预定压强下，从而获取水泥将在预定压强下的失水性能。

8.根据权利要求5所述的水泥浆性能试验方法，其特征在于，它还包括以下步骤：

试验的水泥浆注入至壳体后，在不同时间下向壳体底部注入气体以测试不同时间下水泥浆的防气窜能力。