CN112505310A - 一种固井用水泥浆水化放热测试试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水化放热测试技术领域，更具体地，涉及一种固井用水泥浆水化放热测试试验装置及方法，包括热量计系统、与所述热量计系统连通的用于调节压力的压力系统、与所述热量计系统电连接的用于调节温度的温度控制系统、数据采集系统、温度探测器，所述热量计系统包括用于测试样品热量的热量计，所述数据采集系统分别与所述热量计、所述温度探测器电连接。本发明的目的在于克服现有技术无法模拟深水区域的低温和高压环境下对水泥水化放热进行测试，提供一种适用于深水区域天然气水合物地层固井用水泥浆水化放热测试试验装置，对指导现场安全作业及室内理论研究都具有重要的意义，可有效保证深水油气资源产能的有效释放。
Description
技术领域
本发明涉及水化放热测试技术领域，更具体地，涉及一种固井用水泥浆水化放热测试试验装置及方法。
背景技术
近些年来，深水(水深400m～1500m)区域油气资源、超深水(水深超过1500m)区域油气资源已成为西方发达国家争相开发的焦点。深水固井技术是保证深水油气资源产能释放的关键因素。天然气水合物是存在于深水浅层区域的一种亚稳态物质。天然气水合物是液态水分子与气态甲烷、乙烷及丙烷等物质，在低温、高压条件下形成的一种类冰状物质，外界环境温度、压力、电解质条件的任何微小变化都将诱发天然气水合物分解，释放自身160多倍体积气体物质。固井水泥浆水化反应伴随新物质的生成与热量的释放，深水钻井作业钻遇天然气水合物地层时，水泥浆水化放热极易导致水合物受热分解，因此，必须对水泥浆水化放热进行准确预测以指导施工现场安全作业。
目前，水泥水化放热测试试验方法的研究更多的侧重于建筑水泥领域，油井水泥水化放热测试试验方法研究较少。现有关于建筑水泥石水化放热测试试验方法中未充分考虑深水固井低温、高压及水合物亚稳态的特殊性，缺乏在模拟深水区域的低温和高压环境下对水泥水化放热测试试验的装置及测试方法。
中国专利CN104458806A公开了水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置及其试验方法，可在等温环境下测量水泥初始水化放热特性，但其无法模拟深水区域的低温和高压环境下对水泥水化放热进行测试。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于深水区域天然气水合物地层固井用水泥浆水化放热测试试验装置，对指导现场安全作业及室内理论研究都具有重要的意义，可有效保证深水油气资源产能的有效释放。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种固井用水泥浆水化放热测试试验装置，包括热量计系统、与所述热量计系统连通的用于调节压力的压力系统、与所述热量计系统电连接的用于调节温度的温度控制系统、数据采集系统、温度探测器，所述热量计系统包括用于测试样品热量的热量计，所述数据采集系统分别与所述热量计、所述温度探测器电连接。
本发明热量计系统用于盛放水泥浆，使水泥浆进行水化放热测试试验，通过热量计对其产生的热量进行计算；压力系统用于调节热量计系统内的压力，温度控制系统用于调节热量计系统内的温度，使水泥浆可在模拟深水区域的低温高压的环境下进行水化放热测试试验，进一步提升实验结果的准确性；温度探测器用于探测温度，数据采集系统用于统计试验结果并输出动态参数的测试曲线和试验报告。
本发明的原理：通过温度探测器对热量计系统中的因油井水泥水化产生温度变化的水泥浆的前后温度进行测量，通过计算所述热量计内积蓄的和散失的热量总和，求得油井水泥及固井水泥浆于不同水化龄期下的水化放热。
优选地，所述热量计系统还包括壳体和用于盖合所述壳体的密封盖，所述壳体内设有用于盛放水泥浆的中空腔体，所述密封盖与所述壳体可拆卸连接，所述热量计端部可从所述密封盖中穿过并伸入所述中空腔体内部。
优选地，所述热量计的散热常数小于167.00J/(h·℃)。
本发明还提供一种用上述固井用水泥浆水化放热测试试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对热量计系统进行预设温度设置；
S2：通过所述温度控制系统将所述热量计系统温度降低至预设的温度；并将原材料置于低温实验室内进行恒温处理；
S3：制备水泥浆,并记录制备试验中所用水泥和水的质量；
S4:将水泥浆快速装入所述热量计系统中空腔体内部；
S5：将温度探测器与所述热量计系统中空腔体内部连通，同时密封所述热量计；
S6：启动所述压力系统并调节压力；
S7：待所述热量计系统中空腔体内部压力保持稳定后运行测试程序进行测试试验并将试验结果传输至所述数据采集系统；
S8：所述数据采集系统根据试验结果自动输出动态参数的测试曲线和试验报告。
进一步地，所述步骤S1中设置的温度范围为3～20℃。
进一步地，在所述步骤S2中温度降低至预设的温度并保持24h后进入步骤S4。
进一步地，所述步骤S2中恒温处理时间为24h。
进一步地，所述步骤S3中水泥浆原料配比为G级油井水泥：600份；降失水剂：3份；分散剂：1.2份；消泡剂：0.5份；配浆水：300份。
进一步地，所述步骤S6中调节的压力范围为0～20MPa。
进一步地，所述步骤S7中用温度探测器对所述热量计系统中空腔体内的因油井水泥水化产生温度变化的水泥浆的前后温度进行测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)可在实验室内模拟深水区域的低温高压环境对水泥浆进行水化放热测试试验，充分考虑了深水天然气水合物地层温度、压力的特殊性，可准确地获得在深水区域天然气水合物地层油井水泥及固井水泥浆于不同水化龄期下的水化放热，可初步评估该试验结果对水合物的影响，对指导现场安全作业及室内理论研究都具有重要的意义，可有效保证深水油气资源产能的有效释放，还便于学者进行室内研究；
(2)试验时可给水泥浆提供密封环境的热量计系统可减少外界对测试结果的影响，进一步提升试验结果的准确性；
(3)数据采集系统可对试验结果进行统计分析并自动输出动态参数的测试曲线和试验报告，节省了劳动力并提升了工作效率。
附图说明
图1为本发明一种固井用水泥浆水化放热测试试验装置的结构示意图；
图2为本发明一种用固井用水泥浆水化放热测试试验装置的试验方法流程图；
图3为在环境温度20℃且环境压力15MPa条件下的水化温升曲线图；
图4为在环境温度20℃且环境压力15MPa条件下的水化放热曲线图；
图5为在环境温度10℃且环境压力15MPa条件下的水化温升曲线图；
图6为在环境温度10℃且环境压力15MPa条件下的水化放热曲线图；
图示标记说明如下：
1、热量计系统；11、热量计；12、壳体；13、密封盖；14、中空腔体；2、压力系统；3、温度控制系统；4、数据采集系统；5、温度探测器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1所示为本发明一种固井用水泥浆水化放热测试试验装置的实施例，包括热量计系统1、与热量计系统1连通的用于调节压力的压力系统2、与热量计系统1电连接的用于调节温度的温度控制系统3、数据采集系统4、温度探测器5，热量计系统1包括用于测试样品热量的热量计11，数据采集系统4分别与热量计11、温度探测器5电连接。
作为本发明的实施方式之一，热量计系统1还包括壳体12和用于盖合壳体12的密封盖13，壳体12内设有用于盛放水泥浆的中空腔体14，密封盖13与壳体12可拆卸连接，热量计11端部可从密封盖13中穿过并伸入中空腔体14内部。密封盖13与壳体12盖合后可形成一个相对密闭的空间，且热量计11通过将端部从密封盖13中穿过后插入中空腔体14内进行热量的测量，当水泥浆在热量计系统1的中空腔体14中进行水化放热测试时可以使温度和热量都聚集在这个密闭空间中，可以更准确地获得试验数据，减少外界环境因素的干扰，毕竟室内温度和压力与反应腔体内的温度和压力差别较大，若没有相对密封的空间，热量极易向环境中散发导致测试结果偏差较大。
作为本发明的实施方式之一，热量计11的散热常数小于167.00J/(h·℃)。热量计11的散热常数越大，散热速度越快，因此，散热常数稍低一些的热量计11可以降低散热速度，在测试过程中能在一定程度维持水泥浆水化放热的热量，可以提高测量准确性。
实施例2
如图2至图6所示为本发明一种用上述固井用水泥浆水化放热测试试验装置的试验方法的实施例，本发明涉及一种适用于深水天然气水合物地层固井用水泥浆水化放热测试试验方法，依据热量计11在恒定的低温、高压环境中，直接测量热量计11内水泥浆(因油井水泥水化产生)的温度变化，通过计算热量计11内积蓄的和散失的热量总和，求得油井水泥及固井水泥浆于不同水化龄期下的水化放热。另外，该发明所涉及测试设备主要包括热量计系统1、温度控制系统3、压力控制系统及数据采集系统4。
本发明一种用上述固井用水泥浆水化放热测试试验装置的试验方法包括以下步骤：
S1：对热量计系统1进行预设温度设置；
一般来说，从海平面至海底，越往下温度越低，压力越大，为了模拟深水区域的环境，在测试中一般将温度设置为3～20℃，较符合现阶段海洋油气开发的需要。
S2：通过温度控制系统3将热量计系统1温度降低至预设的温度；并将原材料置于低温实验室内进行恒温处理；
温度控制系统3可以对热量计系统1的温度进行调节，使热量计系统1的中空腔体14内的温度调整为与预设温度相符。待温度控制系统3将热量计系统1的温度降低至预设的温度值并保持24h后进入步骤S3可提升测试的准确性。
原材料包括水泥、外加剂及水等材料，将以上材料预先置于低温实验室内恒温处理，处理时间为24h。将原材料先置于低温实验室内预处理的目的是使原材料的温度更贴近深水区域的海底温度，可使试验结果更准确。
S3：制备水泥浆,并记录制备试验中所用水泥和水的质量；
水泥浆原料配比为G级油井水泥：600份；降失水剂：3份；分散剂：1.2份；消泡剂：0.5份；配浆水：300份。
制备方法：将湿混外加剂与水混合均匀，然后将所得水溶液与G级油井水泥按照API 10-3-2004油井水泥试验方法配制水泥浆。
S4:将水泥浆快速装入热量计系统1中空腔体14内部；
S5：将温度探测器5与热量计系统1中空腔体14内部连通，同时密封热量计11；
S6：启动压力系统2并调节压力；
调节的压力范围为0～20MPa。
S7：待热量计系统1中空腔体14内部压力保持稳定后运行测试程序，进行测试试验并将试验结果传输至数据采集系统4；
用温度探测器5对热量计系统1中空腔体14内的因油井水泥水化产生温度变化的水泥浆的前后温度进行测量。
S8：数据采集系统4根据试验结果自动输出动态参数的测试曲线和试验报告。
①计算热量计11散热常数K
参考国家标准GB/T 12959-2008水泥水化热测定方法中4.5.3和4.5.4部分所述方法对本发明涉及热量计11散热常数K进行测试与计算。
测试试验结果显示，本发明所涉及热量计11散热常数K值为116.61J/(h·℃)，符合国家标准GB/T 12959-2008水泥水化热测定方法中小于167.00J/(h·℃)的规定。
②在环境温度20℃、环境压力15MPa条件下进行水化放热测试
测试试验结果如图3和图4所示，其中图3为水化温升曲线，图4为水化放热曲线。
③在环境温度10℃、环境压力15MPa条件下进行水化放热测试
测试试验结果如图5和图6所示，其中图5为水化温升曲线，图6为水化放热曲线。
试验结果表明本发明所涉及适用于深水天然气水合物层固井用水泥浆水化放热测试试验方法可成功实现对水化放热的有效监测与检测，成功指导现场施工操作，避免因天然气水合物分解对固井质量造成的极大伤害。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种固井用水泥浆水化放热测试试验装置，其特征在于，包括热量计系统(1)、与所述热量计系统(1)连通的用于调节压力的压力系统(2)、与所述热量计系统(1)电连接的用于调节温度的温度控制系统(3)、数据采集系统(4)、温度探测器(5)，所述热量计系统(1)包括用于测试样品热量的热量计(11)，所述数据采集系统(4)分别与所述热量计(11)、所述温度探测器(5)电连接。
2.根据权利要求1所述的固井用水泥浆水化放热测试试验装置，其特征在于，所述热量计系统(1)还包括壳体(12)和用于盖合所述壳体(12)的密封盖(13)，所述壳体(12)内设有用于盛放水泥浆的中空腔体(14)，所述密封盖(13)与所述壳体(12)可拆卸连接，所述热量计(11)从所述密封盖(13)中穿过并伸入所述中空腔体(14)内部。
3.根据权利要求1或2所述的固井用水泥浆水化放热测试试验装置，其特征在于，所述热量计(11)的散热常数小于167.00J/(h·℃)。
4.一种用权利要求1至3任一项所述的固井用水泥浆水化放热测试试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对热量计系统(1)进行预设温度设置；
S2：通过所述温度控制系统(3)将所述热量计系统(1)温度降低至预设的温度；并将原材料置于低温实验室内进行恒温处理；
S3：制备水泥浆,并记录制备试验中所用水泥和水的质量；
S4:将水泥浆快速装入所述热量计系统(1)中空腔体(14)内部；
S5：将温度探测器(5)与所述热量计系统(1)中空腔体(14)内部连通，同时密封所述热量计(11)；
S6：启动所述压力系统(2)并调节压力；
S7：待所述热量计系统(1)中空腔体(14)内部压力保持稳定后运行测试程序，进行测试试验并将试验结果传输至所述数据采集系统(4)；
S8：所述数据采集系统(4)根据试验结果自动输出动态参数的测试曲线和试验报告。
5.根据权利要求4所述的用固井用水泥浆水化放热测试试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤S1中设置的温度范围为3～20℃。
6.根据权利要求4所述的用固井用水泥浆水化放热测试试验装置的试验方法，其特征在于，在所述步骤S2中温度降低至预设的温度并保持24h后进入步骤S4。
7.根据权利要求4所述的用固井用水泥浆水化放热测试试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤S2中恒温处理时间为24h。
8.根据权利要求4所述的用固井用水泥浆水化放热测试试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤S3中水泥浆原料配比为G级油井水泥：600份；降失水剂：3份；分散剂：1.2份；消泡剂：0.5份；配浆水：300份。
9.根据权利要求4至8任一项所述的用固井用水泥浆水化放热测试试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤S6中调节的压力范围为0～20MPa。
10.根据权利要求4所述的用固井用水泥浆水化放热测试试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤S7中用温度探测器(5)对所述热量计系统(1)中空腔体(14)内的因油井水泥水化产生温度变化的水泥浆的前后温度进行测量。
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