CN110057916A - 水泥分析仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种方法和实验装置用于在不同压力和温度条件下研究油井或气井的水泥浆性质。该装置可用于预测水泥浆气窜可能性，测量其水泥强度与其静态凝胶强度。该装置包括一个伺服电机和耦合磁铁在压力容器中以非常慢的速度用驱动桨来驱动水泥，一对声学传感器产生声信号通过水泥浆并测量声信号在水泥浆中的传播时间，以及一个注气系统来预测水泥中气窜的严重程度。

Description

水泥分析仪
技术领域
本发明涉及一种用于研究在不同压力和温度条件下用于油井或气井的水泥浆性质的方法和实验装置。该装置可用于预测气窜的可能性，确定水泥强度以及水泥浆的静态凝胶强度。水泥分析仪包括一个伺服电机和一个耦合磁铁，以非常慢的速度驱动桨叶通过压力容器中的水泥。一对声音传感器产生声信号并记录声信号经过水泥后的传输时间，配合气体注入系统以评估水泥样品的气窜的可能性和其严重程度。
背景技术
固井是一个将水泥和水的浆料混合并将其向下泵送到套管周围的环形空间的过程。固井的两个主要功能是限制地层和井口之间的流体运动，通过固化一体来支撑套管。由于地层的压力不平衡可导致气窜，气窜是地层流体(此情况下为气体)侵入环形水泥圈，其中流体(气体)可迁移到较低压力区域或可能迁移到地面。气体透过水泥浆气窜到井筒中有可能对固井操作者造成重大危害。因此，必须了解和理解这种流体的性质，并确定这些性质如何受到不同地层状况的影响。
专利4,259,868介绍了一种用于无损检测水泥浆样品随时间变化的方法和设备。在计算机控制下传感器装置用于测试放置在有温度和压力控制的高压釜中的样品。超声能量通过样品传播，其传输时间可被测量并可对应找到样品的水泥强度。但该系统不能用于分析水泥气窜的严重程度。
专利4,648,264介绍了一种可移动的装置，该装置可以通过单个容器测量浆料样品的可压缩性，增稠时间和静态凝胶强度。称重单元直接连接到驱动机构并以非常慢的速度驱动桨叶通过样品。但该装置不能用于分析水泥气窜的严重程度。
专利8,418,526提出了一种用于测试煤和岩体中的气窜过程的方法和系统。系统包括选择圆柱形煤样品步骤，施加轴向压力，控制径向压力和温度来吸收煤样品中已被吸收的气体，引导从煤样中解吸的气体通过导向通道，来检测气体的流速和压力，以及分析气体的成分和含量。但该系统不能用于测量水泥的静态凝胶强度和水泥强度。
专利9,612,187提出了一种研究油气井中气体入侵和迁移机理的装置，可用于研究地层气体侵入井筒的机理以及井筒中气泡迁移、合并或相变的机理。用此提供实验依据去建立气涌理论模型和为建立安全高效的近海深水井钻井的理论支持。但该系统不能用于测量静态凝胶强度和水泥强度。
本发明的一个目的是提供一种实用且经济的方法和装置来准确地预测气窜的可能性，确定水泥浆的水泥强度以及静态凝胶强度而不损害其完整性和性能。
本发明的另一个目的是在一个系统中确定多种水泥性能，这需要比其它设计少更多的维护工作，同时满足精度，可重复性，耐久性和易于清洁的工业标准。
发明内容
本发明涉及一种用于研究在不同压力和温度条件下用于油井或气井的水泥浆性质的方法和实验装置。该装置可用于预测气窜的可能性，检测水泥的水泥强度和静态凝胶强度。它包括一个伺服电机和一个耦合磁铁，以非常慢的速度驱动桨通过压力容器中的水泥，一对声传感器器产生声信号并记录声信号在通过水泥后的通过时间，配合一个气体注入系统以评估水泥样品的气窜的可能性和严重程度。
附图说明
通过以下结合附图对实例的详细描述，其他物件、特征和优点将变得显而易见，其中：
图1是水泥分析仪单元组件的横截面图。
图2是水泥分析仪系统的流程图。
附图中的参考数字
12磁铁支架 14塞子
16磁铁盖 18轴
20O形圈 22轴承
24联轴器 26轴
28加热器 30超声波传感器
32过滤盘 34保持器
36阀杆 38压盖塞
40阀杆盖 42垫片
44隔膜 46压力容器
48桨 50O形圈
52O形圈 54水泥分析仪单元组件
56容量瓶 58储存罐
60背压系统 62流量计
64减少开口 66容器盖
68O形圈 70电机
72电机支架 74外磁铁
76内磁铁 78轴承
80超声波传感器 82水泥样品
84隔膜 86压力测量装置
88压力介质 90螺纹
92盖子固定器 94螺纹
具体实施方式
实施例1
本文公开的实施方案涉及一种测量多种水泥性质的装置，例如在各种压力和温度条件下的气窜的严重性，静态凝胶强度和水泥强度。
图1是水泥分析仪单元组件54的横截面图，其由圆柱形压力容器46和保持器34组成。保持器34可通过螺纹90从压力容器46上拆卸。O形圈50确保防止流体泄漏。从压力容器46和保持器34的连接点开始，将阀杆36插入压力容器46中，以便从池底注入气体，以测量水泥样品82的气窜的严重程度。O形圈52防止流体在保持器34与阀杆36的连接处泄漏。过滤盘32连接到阀杆36上并由阀杆盖40固定。隔膜84连接到阀杆36上，用于分离压力介质88与水泥样品82，并用于推动水泥样品82以模拟围压。在压力容器46的内部，桨叶48连接到轴26。减小开口64位于压力容器46的顶部和下部之间。隔膜44与轴26相连，并设置在减小开口64处，以使水泥样品82在隔膜44以下搅动不会传到上部。容器盖66放置在压力容器46上并通过螺纹94由盖子固定器92固定。O形圈68确保防止流体从压力容器46的内壁和容器盖66的外壁之间的间隙泄漏。
电机70安装在电机支架72上，电机支架72放置在容器盖66的顶部。磁铁支架12可旋转地悬于电机支架72的内壁上。外磁铁74安装在磁铁支架12上，并与内磁铁76的高度一致并且耦合，内磁铁76连接在磁铁盖16内的轴18上。磁铁盖16可从容器盖66上拆下，容器盖66由O形圈20密封。压盖塞38和塞子14插入磁铁盖16的顶部以防止流体泄漏。轴18穿过容器盖66中心并由轴承22，垫片42和轴承78旋转地支撑。轴18通过联轴器24连接到轴26。电机70通过轴18驱动桨48旋转并且加热器28用于达到并保持所需的测试温度。超声波传感器30超声波传感器80安装在压力容器46的侧壁上，用于确定水泥样品82的水泥强度。超声波传感器30产生声信号，该声信号通过水泥样品82传输。超声波传感器80测量并记录声信号在传输水泥样品82之后的传播时间。处理该数据并基于超声信号的传播时间与水泥强度之间的关系确定水泥强度。
实施例2
通过在磁铁支架12的内壁上安装外磁体74来开始组装水泥分析仪单元组件54。将电机支架72和磁铁支架12组装在一起。将内磁铁76连接到轴18上。将轴承22，垫片42和轴承78安装到容器盖66中，然后通过轴承22，垫片42和轴承78将轴18垂直插入容器盖66中。接下来，插入O形圈20和螺钉将压盖塞38和塞子14插入磁铁盖16中。安装隔膜44并将桨叶48连接到轴26上。通过联轴器24将轴26连接到轴18上。
将O形圈52，O形圈50和隔膜84插入保持器34上，然后将过滤盘32垂直插入保持器34中。将阀杆盖40拧到过滤盘32上。将保持器34拧到压力容器46上。将O形圈68安入容器盖66中，然后将容器盖66安放在压力容器46上。将盖子固定器92放在容器盖66上并通过螺纹94将其拧紧。将电机70安装在电机支架72上，并将超声波传感器30和超声波传感器80安装到压力容器46上。
由于外磁体74和内磁体76之间的磁耦合，轴18以与磁体支架12相同的旋转速度旋转。由于水泥样品82的粘稠度，在桨叶48上需要加以扭矩使其旋转。由电机70读取的转矩，然后操作者可以据此测量水泥样品82的流动所需的静态凝胶强度。
实施例3
图2显示了水泥分析仪系统的示意流程图。为了在水泥样品82上施加围压，水泥分析仪单元组件54连接到储存罐58。储存罐58将压力介质88注入水泥分析仪单元组件54中，并将过滤盘32推向水泥样品82。连接到水泥分析仪单元组件54的气体流量计62用于控制气窜的流速。气窜的严重程度将基于由压力测量装置86读取的气体注入压力和出口压力之间的压力差来确定。背压系统60和容量瓶56用于提供背压并接收滤液。
实施例4
如图2所示连接管线。首先，用储存罐58的水清洗并填充所有管线。氮气供应将推动储存罐58内的压力介质在水泥分析器单元组件54内的水泥样品82上产生围压。背压系统60用于提供所需的背压。当滤液压力超过背压时，容量瓶56收集滤液。流量计62控制氮气的流速，并且压力测量装置86读取水泥分析仪单元组件54的上游和下游之间的压力差，以确定气窜的严重程度。
结论，变化和适用范围
综上所述，读者看到展示用于测量水泥样品82在不同条件下的静态凝胶强度，水泥强度和气窜严重性的水泥分析仪单元组件54。
一种设计变化是桨叶48不必用透过磁铁盖16的磁铁耦合驱动。桨叶48可以用在电机支架72顶部安有动态密封的装置直接驱动旋转。
另一种设计变化是气体入口位于压力容器46的侧壁。
另一种设计变化是压力介质88可以是气体，液体等。
对于本领域技术的人员来说显而易见的是，其他实施方式，改进，细节和用途与前述公开的内容的文字和精神一致并且在本专利的范围内，受限于根据专利法解释的权利要求，包括等同原则。
对象和优势
从以上描述中，本发明的许多优点十分突出：
1.非常经济地测量水泥样品的静态凝胶强度，水泥强度和气窜的严重程度。
2.由于部件和配置的数量有限，本发明易于制造，操作并且需要低维护。
通过考虑附图和随后的描述，本发明的其他目的和优点将变得更为显而易见。

Claims (20)

1.一种用于测定气窜和水泥强度的水泥分析仪，包括：
a)一个装有样品液的压力容器，
b)一个提供气体注入的进气口，
c)一个测量当所述气窜通过所述样品流体时所产生的压力差的装置，
d)一对用于产生和记录传输通过所述样品流体的声信号的超声传感器，
e)一个测量所述声信号通过所述样品流体的传输时间的装置，
f)一个根据所述信号传输时间和所述样品流体的水泥强度之间的预定关系来确定水泥强度的装置。
2.如权利要求1所述的仪器，还包括一个通过压力介质在所述样品流体上施加围压的装置。
3.如权利要求2所述的仪器，还包括一个用于将所述样品流体与所述压力介质分离的隔膜。
4.如权利要求1所述的仪器，还包括一个用于控制所述气窜的流量计。
5.如权利要求1所述的仪器，还包括一个测量所述样品液的滤液的装置。
6.如权利要求1所述的仪器，还包括一个加热器，以达到并保持所需的测试温度。
7.一种用于测定气窜和静胶凝强度的水泥分析仪，包括：
a)一个装有样品液的压力容器，
b)一个提供气体注入的进气口，
c)一个测量当所述气窜通过所述样品流体时所产生的压力差的装置，
d)一个所述压力容器内的桨叶，
e)一个驱动所述桨叶旋转的装置，
f)一个测量施加在所述桨叶上使所述样品流体旋转的扭矩的装置。
8.如权利要求7所述的仪器，还包括一个通过压力介质在所述样品流体上施加围压的装置。
9.如权利要求8所述的仪器，还包括一个用于将所述样品流体与所述压力介质分离的隔膜。
10.如权利要求7所述的仪器，其中驱动所述桨叶旋转的装置是一个穿过所述压力容器的磁耦合。
11.如权利要求7所述的仪器，还包括一个用于控制所述气窜的流量计。
12.如权利要求7所述的仪器，还包括一个测量所述样品液体的滤液体积的装置。
13.如权利要求7所述的仪器，还包括一个在所述压力容器的顶部区域和所述压力容器的底部区域之间的减小的开口。
14.如权利要求13所述的仪器，还包括一个用于支撑所述桨叶的低摩擦轴承装置，该装置垂直设置在所述压力容器的所述顶部区段内或其上方。
15.如权利要求7所述的仪器，还包括一个加热器，以达到并保持所需的测试温度。
16.一种用于测定水泥强度和静态凝胶强度的水泥分析仪，包括：
a)一个装有样品液的压力容器，
b)一对用于产生和记录传输通过所述样品流体的声信号的超声传感器，
c)一个测量所述声信号通过所述样品流体的传输时间的装置，
d)一个根据所述信号传输时间和所述样品流体的水泥强度之间的预定关系来确定水泥强度的装置，
e)一个所述压力容器内的桨叶，
f)一个驱动所述桨叶旋转的装置，
g)一个测量施加在所述桨叶上使所述样品流体旋转的扭矩的装置。
17.如权利要求16所述的仪器，还包括一个在所述压力容器的顶部区域和所述压力容器的底部区域之间的减小的开口。
18.如权利要求17所述的器械，还包括一个用于支撑所述桨叶的低摩擦轴承装置，该装置垂直设置在所述压力容器的所述顶部区段内或其上方。
19.如权利要求18所述的仪器，其中所述装置是一个低摩擦滚珠轴承或滚柱轴承。
20.如权利要求16所述的仪器，还一个包括加热器，以达到并保持所需的测试温度。
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