CN111579875B - 一种高温高压水泥浆电导率测试装置及方法 - Google Patents

一种高温高压水泥浆电导率测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高温高压水泥浆电导率测试装置及方法。该装置包括密封单元、加压单元、温控单元和检测单元，密封单元包括高温高压釜和绝缘密封结构，加压单元包括氮气瓶、金属气管和进出气阀，温控单元包括电热套和保温套，检测单元包括测试管、电极、测试电缆和LCR数字电桥。该方法包括：将电热套温度设置到预定值；将水泥浆样品放入测试管内，测试管两头分别连接电极I和电极II，电极I和电极II通过绝缘密封结构穿过釜盖，测试管盘成U型或圈状放置于高温高压釜内的传热油层；氮气瓶向高温高压釜提供压力；计算测试管中水泥浆样品的电导率。本发明能够模拟井下实际温度、压力环境，测试过程简单，测试结果准确，可用于固井现场试验。

Description

一种高温高压水泥浆电导率测试装置及方法
技术领域
本发明涉及固井水泥浆检测领域，具体涉及一种用于测试水泥浆电导率的实验装置及方法。
背景技术
固井作业过程中如何精准把握水泥浆初终凝时间、检测固井水泥浆结构强度尤为重要。水泥浆电导率随水化时间的变化而不断改变，随着水化反应的进行，水泥浆中一部分配浆水参与到水化进程中，浆体中配浆水的量与状态发生变化，各种离子浓度发生变化，从而使水泥浆浆体电导率出现变化，因此可以根据水泥浆电导率的变化来判断水泥浆水化过程所处的阶段。水泥浆水化过程逐渐失去流动能力到达“初凝”，待完全失去可塑性，开始产生结构强度时，即为“终凝”。因此可用水泥浆电导率变化来判断矿物外加剂、化学外加剂或外在条件改变对水泥浆水化的影响。
目前针对水泥浆电导率测试的方法与仪器没有统一的标准，且大多精度不高，并且试验没有模拟井下实际温度、压力环境，因此试验测试出的水泥浆电导率与固井井下实际水泥浆电导率会有误差，导致测试结果不准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温高压水泥浆电导率测试装置，该装置能够测试样品在预定压强以及预定温度条件下的电导率，能够模拟井下实际温度、压力环境，测试过程简单，测试结果准确，试验装置方便携带，可用于固井现场试验。
本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对高温高压水泥浆电导率进行测试的方法，该方法原理可靠，操作简便，可模拟井下实际温度和压力环境，更符合井下实际工况，具有广阔的市场应用前景。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
一种高温高压水泥浆电导率测试装置，由密封单元、加压单元、温控单元和检测单元组成。
所述密封单元包括高温高压釜和绝缘密封结构，绝缘密封结构位于釜盖上。
所述加压单元包括氮气瓶、金属气管和进出气阀，所述氮气瓶、金属气管和进出气阀依次连接，进出气阀位于高温高压釜釜盖，氮气瓶提供压力(氮气瓶中氮气通过金属气管以及进出气阀向高温高压釜加压)，进出气阀控制进气以及泄压。
所述温控单元包括电热套和保温套，电热套和保温套包覆于高温高压釜外，其中电热套直接与高温高压釜接触，电热套能够设置预定温度值，保温套包覆于电热套外层，能够防止外界温度变化对高温高压釜体内温度产生影响。
所述检测单元包括测试管、电极I、电极II、测试电缆I、测试电缆II和LCR数字电桥，测试管位于高温高压釜内部，高温高压釜体内有传热油层，测试管足够长，盘成圈状放置于高温高压釜内的传热油层，电极I、电极II通过绝缘密封结构穿过高温高压釜的釜盖，其位于釜内的一端分别与测试管两端连接，位于釜外的一端分别与LCR数字电桥的测试电缆I、测试电缆II连接。
测量电阻的仪器为HPS288B LCR数字电桥，测量原理遵从电容的测量方法，能够准确地测定水泥浆在特定时刻的电阻值。仪器配有测试夹，在测量时将夹子夹在电极I、电极II的接头上，液晶显示屏上就会出现水泥浆电阻值，最后依据公式将电阻换算成电导率，即可得到水泥浆水化过程中电导率随时间的变化关系：
Figure BDA0002557872290000021
式中：σ—水泥浆样品的电导率，us/cm；
R—水泥浆样品的电阻，Ω；
S—水泥浆样品的导电面积，即测试管横截面积，cm2；
L—水泥浆样品的导电长度，即测试管长度，cm。
优选地，电极I和电极II设计有压力平衡孔，用于加压时压力传递到测试管内。
优选地，高温高压釜内的传热油层，其深度应当漫过测试管最上端，低于电极上的压力平衡孔。
优选地，所述测试管为耐高温高压、长度为60—80cm的硅胶软管，盘成圈状放置于高温高压釜内的传热油层。
优选地，所述测试管选用铂金硫化硅胶管，高温耐受度达到280℃，直径应当与电极插入口相匹配，可选择6mm、8mm或10mm。
优选地，电极I和电极II选用铜或铝合金制作而成。
优选地，电极I和电极II的形状为圆形，插入测试管内的直径等于所述测试管的内径。
优选地，所述电极通过绝缘密封结构穿过高温高压釜的釜盖，所述绝缘密封结构由环形密封片、O型密封圈、盖体、凹槽、压紧盘构成，同时达到绝缘和密封效果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)温控单元和加压单元用于模拟固井井下实际温度和压力环境，保证了测试结果的真实性和准确性；
(2)电极I和电极II的形状为圆形，插入测试管内的直径与测试管内径相同，可以有效减少测试过程中的误差；
(3)绝缘密封结构位于高温高压釜的釜盖，采用绝缘材料制作而成，实现了绝缘和密封作用，保证了测试过程的准确性，
(4)LCR数字电桥测电阻技术成熟，可靠性高。
附图说明
图1是一种高温高压水泥浆电导率测试装置示意图。
图2是位于釜盖的绝缘密封结构示意图。
图1中：1、氮气瓶；2、金属气管；3、进出气阀；4、保温套；5、电热套；6、高温高压釜；7、测试管；8、绝缘密封结构；9、电极I；10、电极II；11、测试电缆II；12、测试电缆I；13、LCR数字电桥。
图2中：801、压紧盘；802、环形密封片；803、O型密封圈；804、盖体；805、电极；806、压力平衡孔。
具体实施方式
下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。
参见图1。
一种高温高压水泥浆电导率测试装置，由密封单元、加压单元、温控单元和检测单元组成，所述密封单元包括高温高压釜6和绝缘密封结构8，高温高压釜内有传热油层，绝缘密封结构位于高温高压釜的釜盖上；所述加压单元包括氮气瓶1、金属气管2和进出气阀3，所述氮气瓶、金属气管和进出气阀依次连接，进出气阀位于高温高压釜的釜盖上；所述温控单元包括电热套5和保温套4，电热套包覆于高温高压釜外，保温套包覆于电热套外；所述检测单元包括测试管7、电极I9、电极II10、测试电缆I12、测试电缆II11和LCR数字电桥13，所述测试管盘成U型或圈状放置于高温高压釜内的传热油层，电极I、电极II分别通过绝缘密封结构穿过高温高压釜的釜盖，其位于釜内的一端分别与测试管的两端连接，位于釜外的一端分别与LCR数字电桥的测试电缆I、测试电缆II连接。
参见图2。
所述绝缘密封结构8包括压紧盘801、环形密封片802、O型密封圈803、盖体804，所述盖体设置电极穿过的孔洞，孔洞周围分布放置O型密封圈的凹槽，凹槽上依次是环形密封片和压紧盘，环形密封片用于绝缘和密封，压紧盘用于压紧环形密封片和固定电极，压紧盘、环形密封片和凹槽于盖体内外侧呈对称状布置。
电极805直径小于盖体孔洞内径，不与盖体接触，位于釜内的电极设有压力平衡孔806，用于加压时压力传送到测试管内。
所述高温高压釜釜盖必须要与高温高压釜的开口相适配，可以通过卡接，螺纹连接或法兰连接。盖体上固定有进出气阀，进出气阀采用焊接的方式固定于釜盖上。
利用上述装置对高温高压水泥浆电导率进行测试的方法，过程如下：首先将电热套温度设置到预定值；将待测的水泥浆样品放入测试管内，测试管两头分别连接电极I和电极II，电极I和电极II通过绝缘密封结构穿过釜盖，测试管盘成U型或圈状放置于高温高压釜内的传热油层；氮气瓶向高温高压釜提供压力，待高温高压釜内压力达到预定压力值时，停止加压；打开LCR数字电桥开关，显示屏上显示水泥浆样品的电阻值R，测试管长度为L、测试管横截面积为S，通过下式计算测试管中水泥浆样品的电导率σ：
Figure BDA0002557872290000041

Claims (6)

1.一种高温高压水泥浆电导率测试装置，由密封单元、加压单元、温控单元和检测单元组成，其特征在于，所述密封单元包括高温高压釜(6)和绝缘密封结构(8)，高温高压釜内有传热油层，绝缘密封结构位于高温高压釜的釜盖上；所述加压单元包括氮气瓶(1)、金属气管(2)和进出气阀(3)，所述氮气瓶、金属气管和进出气阀依次连接，进出气阀位于高温高压釜的釜盖上；所述温控单元包括电热套(5)和保温套(4)，电热套包覆于高温高压釜外，保温套包覆于电热套外；所述检测单元包括测试管(7)、电极I(9)、电极II(10)、测试电缆I(12)、测试电缆II(11)和LCR数字电桥(13)，所述测试管盘成U型或圈状放置于高温高压釜内的传热油层，电极I、电极II分别通过绝缘密封结构穿过高温高压釜的釜盖，其位于釜内的一端分别与测试管的两端连接，位于釜外的一端分别与LCR数字电桥的测试电缆I、测试电缆II连接；
所述绝缘密封结构(8)包括压紧盘(801)、环形密封片(802)、O型密封圈(803)和盖体(804)，所述盖体设置电极穿过的孔洞，孔洞周围分布放置O型密封圈的凹槽，凹槽上依次是环形密封片和压紧盘，压紧盘、环形密封片和凹槽于盖体内外侧呈对称状布置；
电极(805)直径小于盖体孔洞内径，不与盖体接触，位于釜内的电极设有压力平衡孔(806)，用于加压时压力传送到测试管内。
2.如权利要求1所述的一种高温高压水泥浆电导率测试装置，其特征在于，所述高温高压釜内的传热油层，其深度漫过测试管最上端，低于电极上的压力平衡孔。
3.如权利要求1所述的一种高温高压水泥浆电导率测试装置，其特征在于，所述测试管为耐高温高压、长度为60—80cm的硅胶软管。
4.如权利要求1所述的一种高温高压水泥浆电导率测试装置，其特征在于，电极I和电极II选用铜或铝合金制作而成。
5.如权利要求1所述的一种高温高压水泥浆电导率测试装置，其特征在于，电极I和电极II的形状为圆形，插入测试管内的直径等于所述测试管的内径。
6.利用权利要求1至5任意一项所述的装置对高温高压水泥浆电导率进行测试的方法，过程如下：首先将电热套温度设置到预定值；将待测的水泥浆样品放入测试管内，测试管两头分别连接电极I和电极II，电极I和电极II通过绝缘密封结构穿过釜盖，测试管盘成U型或圈状放置于高温高压釜内的传热油层；氮气瓶向高温高压釜提供压力，待高温高压釜内压力达到预定压力值时，停止加压；打开LCR数字电桥开关，显示屏上显示水泥浆样品的电阻值R，测试管长度为L、测试管横截面积为S，通过下式计算测试管中水泥浆样品的电导率σ：
Figure FDA0003570647000000011
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