CN112782037B - 一种用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价装置及评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价装置，包括：高温高压釜；安放在高温高压釜内的缸体，缸体用于存放待评价的泡沫水泥浆；与缸体密封连接的底盖；设置在缸体内且能够沿轴向伸缩运动的活塞，在活塞的轴向外端固定连接有顶盖；以及用于采集泡沫水泥浆的参数的信号采集单元，其包括与外部计算机连接的温度传感器、压力传感器和位移传感器；其中，高温高压釜能够调节设定不同的温度与压强，信号采集单元能够实时连续地采集泡沫水泥浆的温度、压强和位移变化信号，并传递给外部计算机进行计算分析，从而得到待评价的泡沫水泥浆的压缩性能。本发明还提供了一种用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价方法。

Description

一种用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价装置及评价方法
技术领域
本发明涉及固井用水泥浆的性能检测技术领域，具体地，涉及一种用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价装置。本发明还涉及一种用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价方法。
背景技术
在一定温度和压强条件下，现有的常规水泥浆的体积基本恒定保持不变，不具有压缩特性。而新型的泡沫水泥浆属于气液两相地均相混合流体，是以现有水泥浆作为基浆，并按照一定比例充以气体，经过充分发泡与混合制备而成。由此，使细腻均匀的泡沫与水泥浆达到均匀混合无滑脱，从而制备出新型的泡沫水泥浆。然而，由于新型的泡沫水泥浆的浆体内含有不同程度的气泡，在一定温度和压强作用下，气泡的压缩程度不同，从而使得整体宏观浆体表现出具有一定的压缩性。泡沫水泥浆的压缩性能够有效抵御体积收缩，其对固井施工影响较大。因此，检测评价泡沫水泥浆的压缩性能显得尤为重要。然而，现有的关于水泥浆性能的评价装置不完善，还没专门的针对水泥浆的压缩性能的评价装置。
发明内容
针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价装置，该评价装置能够对处于一定温度和压强下的不同体系、不同含气比例的泡沫水泥浆的压缩性进行评价。
本发明还提供了一种用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价方法。
为此，根据本发明的第一方面，提出了一种用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价装置，包括：高温高压釜；安放在所述高温高压釜内的缸体，所述缸体用于存放待评价的泡沫水泥浆；与所述缸体密封连接的底盖；设置在所述缸体内且能够沿轴向伸缩运动的活塞，在所述活塞的轴向外端固定连接有顶盖；以及用于采集所述泡沫水泥浆的参数的信号采集单元，其包括温度传感器、压力传感器和用于测量所述顶盖与所述缸体的上端面之间的位移变化量的位移传感器，所述温度传感器、所述压力传感器和所述位移传感器均与外部计算机连接；其中，所述高温高压釜能够调节设定不同的温度与压强，所述信号采集单元能够实时连续地采集所述泡沫水泥浆的温度、压强和位移变化信号，并传递给所述外部计算机进行计算分析，从而得到待评价的泡沫水泥浆的压缩性能。
在一个优选的实施例中，所述位移传感器的一端固定连接在所述顶盖的下端面，另一端与所述缸体的上端面连接，所述位移传感器能够在所述顶盖的带动下伸缩以实时连续检测所述顶盖与所述缸体的上端面之间的间距变化。
在一个优选的实施例中，所述顶盖构造成直径大于所述活塞的直径的圆盘形，且所述活塞的轴向端面与所述顶盖呈中心对称式固定连接。
在一个优选的实施例中，所述顶盖上设有若干沿周向均布的通孔，所述缸体的上端面设有能够与所述通孔对应的螺纹盲孔，其中，所述顶盖通过限位螺丝与所述缸体连接，所述限位螺丝穿过所述通孔，且螺纹端与螺纹盲孔固定连接，所述顶盖能够沿所述限位螺丝轴向运动。
在一个优选的实施例中，所述温度传感器和所述压力传感器分别安装在所述底盖的内端面上。
在一个优选的实施例中，在所述活塞与所述缸体之间设有能够随所述活塞同步运动的密封圈，从而使所述活塞与所述缸体之间形成动密封。
根据本发明的第二方面提出了一种用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价方法，包括以下步骤：
提供如上所述的用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价装置；
根据预定混合比制备泡沫水泥浆，将制备完成的所述泡沫水泥浆倒入所述缸体，并将所述活塞压入所述缸体进行密封；
将所述缸体放入所述高温高压釜中并向所述高温高压釜内注满流体，再对所述高温高压釜进行密封，并启动与所述信号采集单元连接的外部计算机记录初始状态参数；
启动所述高温高压釜加热加压至预设温度和预设压力，通过所述信号采集单元实时连续地采集所述泡沫水泥浆的温度、压强和位移变化量，并传输给所述外部计算机；
根据采集的所述位移变化量计算所述泡沫水泥浆的体积变化量，进而计算得到所述泡沫水泥浆处于不同的预设温度和预设压力状态下的相应的体积和密度，从而得到所述配比下的泡沫水泥浆在不同温度和压力下的体积和密度随时间的变化曲线。
在一个优选的实施例中，所述信号采集装置的信号线采用密封接头引出所述高温高压釜，以与外部计算机连接。
在一个优选的实施例中，所述高温高压釜内注入的所述流体为变压器油。
在一个优选的实施例中，在所述活塞压入所述缸体进行密封过程中，所述活塞压入至所述活塞的下端面与所述泡沫水泥浆的初始液面刚好接触。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行说明。
图1显示了根据本发明的用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价装置结构。
图2显示了沿图1中线A-A的剖视图。
图3是图2中的评价装置100处于工作压缩状态下的示意图。
在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
下面通过附图来对本发明进行介绍。
在本申请中，需要说明的是，本申请中使用的方向性用语或限定词“上”、“下”、等均是针对所参照的附图1而言。它们并不用于限定所涉及零部件的绝对位置，而是可以根据具体情况而变化。
图1显示了本发明的用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价装置100的结构。如图1所示，评价装置100包括高温高压釜101，高温高压釜101用于模拟设定温度与压强。在应用过程中，高温高压釜101能够根据实际需要设定温度与压强，从而模拟设定出处于一定温度和压强条件下的泡沫水泥浆。
如图1所示，评价装置100还包括用于安放到高温高压釜101内的缸体110。缸体110构造成圆筒状。缸体110的下端部固定安装有底盖120，底盖120与缸体110之间密封连接。在一个实施例中，底盖120与缸体110之间通过密封螺纹形成固定密封连接。底盖120这种设置方式不仅能够有效保证缸体110与底盖120之间连接的密封性能，而且方便拆卸，便于清洗与维护。
如图1所示，评价装置100还包括设置在缸体110内的活塞130，活塞130能够适配安装到缸体110内，且能够在缸体110内沿轴向伸缩运动。且在一个实施例中，在活塞130的外壁面上靠近下端面的轴向内侧设有密封圈131。密封圈131能够随活塞130同步运动，从而使活塞130与缸体110之间形成动密封，有效保证了活塞130与缸体110之间的密封性。根据本发明，缸体110、活塞130、密封圈131和底盖120等零部件均采用耐高温高压材料制成，且均具有良好的导热性能，从而能够提高评价装置100的耐高温性能，延长其使用寿命。
根据本发明，评价装置100还包括顶盖140。如图1所示，顶盖140固定连接在活塞130的上端面。在一个实施例中，顶盖140设置为圆盘形，且顶盖140的直径大于活塞130的直径。活塞130的轴向端面与顶盖140的中心区域固定连接。在顶盖140的靠近边缘的区域沿周向均匀分布设有若干通孔。图2显示了图1中沿线A-A的剖视图，在图2所示实施例中，在顶盖140上径向对称地设有2个通孔。通孔的作用将在下文进行介绍。
在本实施例中，在缸体110的上端面上设有能够与顶盖140上的通孔对应的螺纹盲孔。顶盖140通过限位螺丝150与缸体110连接，限位螺丝150穿过顶盖140上的通孔，且限位螺丝150的螺纹端部分与缸体110上的螺纹盲孔对应安装而形成固定连接。由此，顶盖140和缸体110通过限位螺丝150形成连接，且顶盖140能够沿限位螺丝150轴向运动，并能够带动活塞130沿缸体110的轴向做伸缩运动。
根据本发明，评价装置100还包括用于采集缸体110内的待测的泡沫水泥111的相关参数的信号采集单元，信号采集单元与外部计算机(未示出)连接。如图2所示，信号采集单元包括若干位移传感器160，位移传感器160用于测量顶盖140与缸体110的上端面之间的位移变化量。位移传感器160沿顶盖140周向均布，位移传感器160的一端固定连接在顶盖140的下端面，另一端与缸体110的上端面连接，当活塞130在缸体110内移动时，顶盖140与缸体110的上端面的间距发生变化，并带动位移传感器160伸缩，从而使得位移传感器160能够实时连续反映出顶盖140与缸体110的上端面的间距变化特征。在一个实施例中，在顶盖140的下端面设有两个径向对称分布的位移传感器160。活塞130沿缸体110伸缩运动时，位移传感器160实时连续地采集顶盖140与缸体110的上端面之间的位移变化量ΔH，并实时反馈给外部计算机，外部计算机能够计算得到泡沫水泥111的体积变化量ΔV。具体的计算公式为ΔV＝ΔH×S，其中，S为缸体110的内腔的横截面积。
在本实施例中，信号采集单元还包括温度传感器161和压力传感器162，温度传感器161和压力传感器162分别用于检测缸体110内的待测的泡沫水泥浆的温度和压强。如图2所示，温度传感器161和压力传感器162安装在底盖120的内端面上，且温度传感器161和压力传感器162的探头伸出能够与缸体110内的待测的泡沫水泥浆111接触。当然，温度传感器161和压力传感器162也可以设置在缸体110的内壁上。由此，通过温度传感器161和压力传感器162能够实时连续地采集缸体110内的待测的泡沫水泥浆111的温度和压强，并实时将采集的参数信号反馈给外部计算机记录和显示，从而显示出温度变化曲线和压强变化曲线。
在一个实施例中，位移传感器160、温度传感器161和压力传感器162的各自的信号线180均通过密封接头引出高温高压釜101，以与外部计算机连接，从而实时连续地将采集到的信号传输给外部计算机进行处理，并记录显示。
根据本发明的另一方面，提出一种用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价方法，该评价方法使用如上所述的评价装置100。下面具体介绍用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价方法。
首先，提供用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价装置100。对评价装置100进行检查，保证其密封性能良好后再使用。
之后，根据预定配比制备泡沫水泥浆。在本实施例中，将水泥浆混合一定比例空气制备成含均匀无滑脱微小气泡的泡沫水泥浆。然后，将制备好的泡沫水泥浆倒入缸体110内，直至泡沫水泥浆的液面达到缸体110的内壁的初始刻度线，并记录此初始状态下缸体110内的泡沫水泥浆的质量M0，体积V0。
接着，将活塞130从缸体110的上端口压入缸体110内，直至使活塞130的下端面与泡沫水泥浆的液面刚好接触，从而使活塞130到达初始位置处。在压入活塞130的过程中，通过密封圈131进行密封，以保证活塞130与缸体110之间的密封性能，从而对缸体110形成动密封。然后，调整拧紧限位螺丝150。同时，调整好位移传感器160，并使位移传感器160与缸体110的上端面连接，从而使位移传感器160能够实时连续地检测顶盖140与缸体110的上端面之间的位移变化量。
之后，将密封好的缸体110放入高温高压釜101内，在高温高压釜101内注满流体。其中，流体为导热和传递压力良好的液体。例如，流体可以采用变压器油，且流体的初始温度为T0。高温高压釜101内注满流体后，将高温高压釜101的内腔彻底密封，同时将各传感器的信号线180均通过密封接头引出高温高压釜101并与外部计算机连接，以实时连续地将采集到的信号传输给外部计算机进行处理，并记录显示。图2是评价装置100处于初始状态(初始温度T0，初始压强为P0)下的示意图。
之后，启动高温高压釜101。控制高温高压釜101从初始温度T0和压强P0(T0、P0通常为实验的环境温度和气压)在t0时间段内达到并恒定在预设温度T1和压强P1。在这一过程中，通过位移传感器160实时连续采集活塞130的位移变化量ΔH1及其随时间变化曲线。同时，通过计算公式为ΔV＝ΔH×S，得到T1、P1状态下的泡沫水泥浆体积减少量ΔV1＝ΔH1×S及其随时间变化曲线。最终得到T1、P1状态下的质量为M0的泡沫水泥浆的体积V1及其随时间变化曲线，以及泡沫水泥浆的密度ρ1及其随时间变化曲线。其中，V1＝V0-ΔV1，ρ1＝M0/V1，V1是泡沫水泥浆在T1、P1状态下的体积，V0是泡沫水泥浆在T0、P0初始状态下的体积，ΔV1是泡沫水泥浆从T0、P0初始状态到T1、P1状态的体积变化量，ρ1是泡沫水泥浆在T1、P1状态下的密度，M0是泡沫水泥浆的质量。
接着，通过改变高温高压釜101的预设温度和压力值，使其从温度T1和压强P1在t1时间段内逐渐达到并恒定在预设温度T2和压强P2。在这一过程中，通过位移传感器160实时连续采集活塞130的位移变化量ΔH2及其随时间变化曲线。其中，当活塞130继续向靠近底盖120的方向运动时，ΔH2取正值，反之取负值。同时，通过计算公式为ΔV＝ΔH×S，得到T2、P2状态下的泡沫水泥浆的体积减少量ΔV2＝ΔH2×S及其随时间变化曲线。最终得到T2、P2状态下的质量为M0的泡沫水泥浆的体积V2及其随时间变化曲线，以及泡沫水泥浆的密度ρ2及其随时间变化曲线。其中，V2＝V1-ΔV2，ρ2＝M0/V2，V2是泡沫水泥浆在T2、P2状态下的体积，ΔV2是泡沫水泥浆从T1、P1状态到T2、P2状态的体积减少量，ρ2是泡沫水泥浆在T2、P2状态下的密度。图3是评价装置100处于工作压缩状态下的示意图。
之后，重复上述各个步骤，依次得到T3、P3状态、T4、P4状态、T5、P5状态等状态下的泡沫水泥浆的体积V3、V4、V5及各相应的随时间变化的曲线，从而能够获得该种配比的泡沫水泥浆在不同温压下的体积、密度变化特性。
根据本发明，在高温高压釜101内温度压力变化及保持恒定的过程中，当泡沫水泥浆处于未凝固的浆体时，根据外部计算机实时连续地采集的数据参数能够得到温度变化曲线、压强变化曲线、位移变化曲线，从而能够得到泡沫水泥浆对应的体积的特性曲线，进而可以计算出泡沫水泥浆对应的密度特性曲线。由此，能够分析得出泡沫水泥浆的压缩性能。
根据本发明的用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价装置100采用信号采集器与外部计算机采集分析数据，其灵敏性高、可靠性高，且具有良好的密封性能，使得采集的数据参数精准有效，能够显著提高泡沫水泥浆的压缩性能的评价结果的准确性。评价装置100的结构简单、易于加工、生产成本低。并且，根据本发明的用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价方法的流程简单，易于操作，人为误差小，能够有效保证评价结果的有效性和准确性。此外，通过该评价方法能够实时连续地评价泡沫水泥浆在不同温度、压强下的体积和密度变化特性，从而分析得到泡沫水泥浆的压缩性能，能够有效减小误差，且评价效率高，进一步提高了泡沫水泥浆的评价结果的准确性。
最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价装置，其特征在于，包括：
高温高压釜(101)；
安放在所述高温高压釜内的缸体(110)，所述缸体用于存放待评价的泡沫水泥浆(111)；
与所述缸体密封连接的底盖(120)；
设置在所述缸体内且能够沿轴向伸缩运动的活塞(130)，在所述活塞的轴向外端固定连接有顶盖(140)；以及
用于采集所述泡沫水泥浆的参数的信号采集单元，其包括温度传感器(161)、压力传感器(162)和用于测量所述顶盖与所述缸体的上端面之间的位移变化量的位移传感器(160)，所述温度传感器、所述压力传感器和所述位移传感器均与外部计算机连接，所述位移传感器的一端固定连接在所述顶盖的下端面，另一端与所述缸体的上端面连接，所述位移传感器能够在所述顶盖的带动下伸缩以实时连续检测所述顶盖与所述缸体的上端面之间的间距变化，位移传感器设有多个，且沿顶盖周向均布，所述温度传感器和所述压力传感器分别安装在所述底盖的内端面上，且温度传感器和压力传感器的探头伸出能够与缸体内的待测的泡沫水泥浆接触；
其中，在高温高压釜内注满流体，以使高温高压釜的内腔密封，且位移传感器、温度传感器和压力传感器的各自的信号线均通过密封接头引出高温高压釜，所述高温高压釜能够调节设定不同的温度与压强，所述信号采集单元能够实时连续地采集所述泡沫水泥浆的温度、压强和位移变化信号，并传递给所述外部计算机进行计算分析，从而得到待评价的泡沫水泥浆的压缩性能。
2.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，所述顶盖构造成直径大于所述活塞的直径的圆盘形，且所述活塞的轴向端面与所述顶盖呈中心对称式固定连接。
3.根据权利要求1或2所述的评价装置，其特征在于，所述顶盖上设有若干沿周向均布的通孔，所述缸体的上端面设有能够与所述通孔对应的螺纹盲孔，
其中，所述顶盖通过限位螺丝(150)与所述缸体连接，所述限位螺丝穿过所述通孔，且螺纹端与螺纹盲孔固定连接，所述顶盖能够沿所述限位螺丝轴向运动。
4.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，在所述活塞与所述缸体之间设有能够随所述活塞同步运动的密封圈(131)，从而使所述活塞与所述缸体之间形成动密封。
5.一种用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供根据权利要求1到4中任一项所述的用于泡沫水泥浆的压缩性能的评价装置；
根据预定配比制备泡沫水泥浆，将制备完成的所述泡沫水泥浆倒入所述缸体，并将所述活塞压入所述缸体且进行密封；
将所述缸体放入所述高温高压釜中并向所述高温高压釜内注满流体，再对所述高温高压釜进行密封，并启动与所述信号采集单元连接的外部计算机记录初始状态参数；
启动所述高温高压釜加热加压至预设温度和预设压力，通过所述信号采集单元实时连续地采集所述泡沫水泥浆的温度、压强和位移变化量，并传输给所述外部计算机；
根据采集的所述位移变化量计算所述泡沫水泥浆的体积变化量，进而计算得到所述泡沫水泥浆处于不同的预设温度和预设压力状态下的相应的体积和密度，从而得到所述配比下的泡沫水泥浆在不同温度和压力下的体积和密度随时间的变化曲线。
6.根据权利要求5所述的评价方法，其特征在于，所述信号采集装置的信号线(180)采用密封接头引出所述高温高压釜，以与所述外部计算机连接。
7.根据权利要求5所述的评价方法，其特征在于，所述高温高压釜内注入的所述流体为变压器油。
8.根据权利要求5所述的评价方法，其特征在于，在所述活塞压入所述缸体进行密封过程中，所述活塞压入至所述活塞的下端面与所述泡沫水泥浆的初始液面刚好接触。
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