CN112878988B

CN112878988B - 一种适于固井水泥保温隔热性能的评价设备及方法

Info

Publication number: CN112878988B
Application number: CN202110082094.1A
Authority: CN
Inventors: 步玉环; 沈晟达; 柳华杰; 马睿; 郭胜来
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2021-01-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2022-09-09
Anticipated expiration: 2041-01-21
Also published as: CN112878988A

Abstract

本发明公开了一种适于固井水泥保温隔热性能的评价设备及方法，包括等效井筒、内循环系统、外循环系统、保温盖、支架、温感系统、水泥模具。该设备可以模拟井下真实情况，对固井水泥的保温隔热性能评价实验，并且可以进行不同温度下的实验，温度控制达到自动化，同时该装置可以进行水泥环模的脱落，使得该装置可以再次使用。该评价方法可以对固井水泥进行保温隔热性能评价。

Description

一种适于固井水泥保温隔热性能的评价设备及方法

技术领域

本发明属于固井水泥材料性能评价领域，具体涉及一种适于固井水泥保温隔热性能的评价设备及方法。

背景技术

由于海底低温高压环境，海洋深水浅层存在大量的天然气水合物。现场在进行油气生产作业时，油管中的热流体在流动过程中会将热量沿径向传递至地层，导致水合物层温度升高，易使水合物受热分解，引发固井事故。为了防止水合物在生产过程中受热分解，需要提高水合物层附近水泥环的保温隔热能力，从而使凝固后的水泥环能够很好的将环空中的热量阻隔在井筒内，防止井筒中的热量向地层扩散。因此需要对水泥的保温隔热性能进行研究。

目前，国内对于保温隔热水泥的研究还处于起步阶段，因此亟需一种针对固井水泥保温隔热性能的评价方法，以利于保温隔热水泥的进一步研究。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中有关固井水泥保温隔热性能评价方法的空白，提供一种适于固井水泥保温隔热性能的评价设备及方法。该设备能有效模拟真实地层环境，可以更好地满足研究需要，利用该设备可以对固井水泥的保温隔热性能进行评价。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提出了一种适于固井水泥保温隔热性能的评价设备，包括：

内部设有空腔的外腔体，所述外腔体内部设置有隔板，该隔板将外腔体内部的空腔分隔成两个独立的空间，分别为外循环空腔和放置空腔；所述外腔体外壁上设置有保温层；

设置在放置空腔中的等效井筒，所述等效井筒内部开设有上下贯通的通腔，所述等效井筒为双层壁结构，两层壁之间形成环形空腔；所述等效井筒两端还设置有与所述环形空腔相连通的进液口和出液口；

内腔体，所述内腔体插设在所述通腔中，所述内腔体内部开设有内循环空腔；内腔体的顶部设置有挡边，所述挡边卡接在所述内腔体的顶部；

保温盖，所述保温盖压合在所述外腔体和等效井筒顶部；

外循环系统，包括低温恒温槽，所述低温恒温槽通过外循环管路与所述外循环空腔相连通构成所述外循环系统；

内循环系统，包括高温恒温槽，所述高温恒温槽通过内循环管路与所述内循环空腔相连通构成所述的内循环系统；

还包括温感系统，所述温感系统包括A组温度传感器、B组温度传感器与温度测量仪，所述A组温度传感器及B组温度传感器设置在放置空腔中并分别与温度测量仪电性连接。

优选的，所述外腔体底部开设有与外界贯通的阶梯孔，所述阶梯孔中配合放置有所述等效井筒。

优选的，所述进液口与出液口中螺纹连接有沉头螺钉。

优选的，所述保温盖开设有中心孔，所述挡边插设在该中心孔中。

优选的，还包括用于辅助填充沙泥的水泥模具。

优选的，还包括用于压实沙泥的压实体。

本发明还提出了一种适于固井水泥保温隔热性能的评价方法，包括如下步骤：

S1：将等效井筒放入外腔体内部的放置空腔中，向等效井筒的环形空腔中加入等效流体；

S2：将内腔体吊入等效井筒的通腔中，下放至内腔体上端的挡边卡在等效井筒上端；将高温恒温槽通过内循环管路与内循环空腔相连通构成内循环系统；

S3：向外腔体内部的放置空腔中加入沙泥，构造出呈环形的沙泥层并压实，沙泥层与等效筒体外壁之间留有环形空间；

S4：将配好的水泥浆缓慢倒入沙泥层与等效筒体外壁之间的环形空间内，待水泥稍有强度时，将A组温度传感器的金属外壳沿径向等距插入水泥中，将B组温度传感器的金属外壳沿径向等距插入沙泥中，插入深度为外壳底端处于水泥与沙泥中部；

S5：待水泥完全凝固后，将A组和B组温度传感器探头依次插入金属外壳中并与温度测量仪连接；

S6：将低温恒温槽通过外循环管路与外循环空腔相连通构成外循环系统，打开低温恒温槽，盖上保温盖，给整个装置降温，待温度稳定后，开始实验；

S7：打开高温恒温槽，给内腔体升温，记录各个温度传感器的温度变化曲线，待温度不变时，关闭高温恒温槽和低温恒温槽；

S8：将实验结果与性能指标进行对比，确定实验用水泥浆的保温隔热性能评级，对水泥进行性能评价。

优选的，步骤S4中水泥浆的制备方法为：根据所需要进行的水泥环固井实验，按照现场给的水泥浆配方先在电子秤上将各种固体材料的质量分别称好，然后倒入桶中用长搅拌棒将固体材料搅拌均匀，把液体材料倒入固体材料中，之后利用搅拌机中速搅拌3-5分钟使水泥浆混合均匀。

优选的，步骤S8中的性能指标如下表：

评级	评价标准
		优	待温度稳定后，B组温度一直不变
良	待温度稳定后，B组温度不高于18℃
		差	待温度稳定后，B组温度高于18℃

优选的，步骤S3中构造沙泥层的具体方法为：将水泥模具套在等效井筒外侧，向水泥模具与外腔体之间加入沙泥，利用压实体压实，用于模拟地层，压实后将水泥模具向上提出，水泥模具取出后即形成所述的环形空间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过设置外腔体，且在外腔体中设置有隔板，隔板将外腔体内部的空腔分隔成两个独立的空间，形成外循环空腔和放置空腔，将低温恒温槽通过外循环管路与外循环空腔相连通构成外循环系统，用于调节外腔体温度，模拟无穷远处地层恒温状态，外腔体内壁模拟地层边界，用于模拟水泥环成型的地层地质；通过设置内腔体，内腔体内部设置有内循环空腔，将高温恒温槽通过内循环管路与内循环空腔相连通构成内循环系统，用于调节内腔体温度，模拟油管中流体循环状态，内腔体外壁模拟油管外壁，用于模拟水泥环成型的井身结构；等效井筒的环形空腔中加入等效流体，模拟多层套管的导热情况；所以说利用本发明的评价设备可以模拟井下真实情况，可以更好地满足研究需要。

2.外腔体在结构上设置有阶梯孔，阶梯孔的设置一方面便于实现对等效井筒的限位，便于安装和准确定位，另一方面，由于阶梯孔是贯通的，在水泥环与等效井筒固结良好的情况下，通过该阶梯孔可用于顶起等效井筒，便于拆卸。

3.等效井筒内部具有环形空腔，且在等效井筒两端均有一个沉头螺钉，开启后可用于加入或排出液体，便于操作。

4.利用本发明的评价设备可以进行固井水泥的保温隔热性能评价实验；利用本发明的评价设备可以进行不同温度下的实验，温度控制达到自动化；利用本发明的评价设备可以自动消除测试系统的误差；利用本发明的评价设备可以进行水泥环模的脱落，使得该装置可以再次使用；利用本发明的评价方法可以对固井水泥进行保温隔热性能评价。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明整体结构示意图。

图2是压实体剖视图。

图3是水泥模具剖视图。

图4是保温盖结构剖视图。

图5是等效井筒结构剖视图。

图6是外腔体结构剖视图。

图7是内腔体结构剖视图。

附图标记说明:

1-温度测量仪；2-高温恒温槽；3-低温恒温槽；4-外腔体；41-外循环空腔；42-放置空腔；43-阶梯孔；44-隔板；5-保温盖；51-中心孔；52-穿线孔；6-外腔体出水口；7-外腔体进水口；8-内腔体进水口；9-内腔体出水口；10-等效井筒；101-环形空腔；102-通腔；11-水泥环；12-沙泥层；13-B组温度传感器；14-支架；15-沉头螺钉；16-内腔体；161-内循环空腔；162-挡边；17-保温层；18-水泥模具；19-A组温度传感器；20-内循环管路；21-外循环管路；22-压实体。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1-7所示，本实施例提出了一种适于固井水泥保温隔热性能的评价设备，包括：

内部设有空腔的外腔体4，外腔体4底部设置有支架14，外腔体4内部设置有隔板44，该隔板44将外腔体4内部的空腔分隔成两个独立的空间，分别为外循环空腔41和放置空腔42；其中，外循环空腔41为封闭状腔体；外循环空腔41上设置有外腔体进水口7和外腔体出水口6，其中外腔体进水口7设置在下，外腔体出水口6设置在上，采取底部进水顶部出水的结构形式。

外腔体4外壁上设置有保温层17，用于减少腔体与外界环境热量交换。外腔体4内壁模拟地层边界，用于模拟水泥环成型的地层地质。

设置在放置空腔42中的等效井筒10，等效井筒10内部开设有上下贯通的通腔102，等效井筒10整体呈圆柱状，通腔102开设在等效井筒10的中心位置且上下贯通；等效井筒10为双层壁结构，两层壁之间形成环形空腔101，环形空腔101为封闭状腔体，用于加入等效流体，模拟多层套管的导热情况；等效井筒10两端还设置有与环形空腔101相连通的进液口和出液口，进液口与出液口中螺纹连接有沉头螺钉15，开启沉头螺钉15后可用于加入或排出液体。

内腔体16，内腔体16插设在通腔102中，内腔体16内部开设有内循环空腔161；内循环空腔161为封闭腔体结构，内循环空腔161底端和顶端分别设置有内腔体进水口8和内腔体出水口9，内腔体16的顶部设置有挡边162，挡边162卡接在所内腔体16的顶部，挡边162与内腔体16可一体化成型制作，整体呈T字型。内腔体16顶部有两个固定的圆环，用于吊起内腔体16。

保温盖5，保温盖5压合在外腔体4和等效井筒10顶部，保温盖5开设有中心孔51，挡边162插设在该中心孔51中。中心孔51也为阶梯状结构，等效井筒10的顶部可插设进入该中心孔51中。保温盖5外侧有圆环，用于吊起保温盖5。保温盖5还开设有穿线孔52。

外循环系统，包括低温恒温槽3，低温恒温槽3通过外循环管路21与外循环空腔41相连通构成外循环系统，外循环管路21分别与外腔体进水口7和外腔体出水口6相连通。

内循环系统，包括高温恒温槽2，高温恒温槽2通过内循环管路20与内循环空腔161相连通构成内循环系统，内循环管路20分别与内腔体进水口8和内腔体出水口9相连通。

还包括温感系统，温感系统包括A组温度传感器19、B组温度传感器13与温度测量仪，A组温度传感器19及B组温度传感器13设置在放置空腔42中并分别与温度测量仪电性连接。A组温度传感器19、B组温度传感器13均由多个探头组成，外侧为可拆卸的金属管，内侧为温度传感器探头，金属管下侧密封，上侧开口，便于从固结的水泥环或地层中取出。在使用时，A组温度传感器19用于测量水泥温度变化、B组温度传感器13用于测量沙泥温度变化。传感器的导线可穿过保温盖5上预留的穿线孔52与温度测量仪连接。

外腔体4底部开设有与外界贯通的阶梯孔43，阶梯孔43中配合放置有等效井筒10；阶梯孔43的设置一方面便于实现对等效井筒10的限位，便于安装和准确定位，另一方面，由于阶梯孔43是贯通的，在水泥环与等效井筒10固结良好的情况下，通过该阶梯孔43可用于顶起等效井筒10，便于拆卸。

为了方便操作，还包括用于辅助填充沙泥的水泥模具18。水泥模具18用于辅助填充沙泥，大小与所需水泥环11一样。水泥模具18呈环形设置，水泥模具18可套设在等效井筒10外部。

还包括用于压实沙泥的压实体22。压实体22呈环形设置。压实体22可套设在水泥模具18外部。

本发明通过设置外腔体4，且在外腔体4中设置有隔板44，隔板44将外腔体4内部的空腔分隔成两个独立的空间，形成外循环空腔41和放置空腔42，将低温恒温槽3通过外循环管路21与外循环空腔41相连通构成外循环系统，用于调节外腔体4温度，模拟无穷远处地层恒温状态，外腔体4内壁模拟地层边界，用于模拟水泥环成型的地层地质；通过设置内腔体16，内腔体16内部设置有内循环空腔161，将高温恒温槽2通过内循环管路20与内循环空腔161相连通构成内循环系统，用于调节内腔体16温度，模拟油管中流体循环状态，内腔体16外壁模拟油管外壁，用于模拟水泥环成型的井身结构；等效井筒10的环形空腔101中加入等效流体，模拟多层套管的导热情况；所以说利用本发明的评价设备可以模拟井下真实情况，可以更好地满足研究需要。

利用本发明的评价设备可以进行固井水泥的保温隔热性能评价实验；利用本发明的评价设备可以进行不同温度下的实验，温度控制达到自动化；利用本发明的评价设备可以自动消除测试系统的误差；利用本发明的评价设备可以进行水泥环模的脱落，由于是组合式拆装结构使得该装置可以再次使用。

实施例二

在实施例一的基础上，本发明还提出了一种适于固井水泥保温隔热性能的评价方法，包括如下步骤：

S1：将等效井筒10放入外腔体4内部的放置空腔42中，向等效井筒10的环形空腔101中加入等效流体；

具体操作为，拧开上侧的沉头螺钉15，加入等效流体，然后拧紧沉头螺钉15；

等效流体的导热系数计算公式为：

式中：R为热阻；λ为导热系数，W/(m*k)；r为半径，m；

S2：将内腔体16吊入等效井筒10的通腔102中，下放至内腔体16上端的挡边162卡在等效井筒10上端；将高温恒温槽2通过内循环管路20与内循环空腔161相连通构成内循环系统；

S3：向外腔体4内部的放置空腔42中加入沙泥，构造出呈环形的沙泥层12并压实，沙泥层12与等效筒体外壁之间留有环形空间；

S4：将配好的水泥浆缓慢倒入沙泥层与等效筒体外壁之间的环形空间内，待水泥稍有强度时，将A组温度传感器19的金属外壳沿径向等距插入水泥中，将B组温度传感器13的金属外壳沿径向等距插入沙泥中，插入深度为外壳底端处于水泥与沙泥中部；

S5：待水泥完全凝固后，将A组和B组温度传感器13探头依次插入金属外壳中，穿过保温盖5并与温度测量仪连接；

S6：将低温恒温槽3通过外循环管路21与外循环空腔41相连通构成外循环系统，打开低温恒温槽3，盖上保温盖5，给整个装置降温，待温度稳定后，开始实验；

S7：打开高温恒温槽2，给内腔体16升温，记录各个温度传感器的温度变化曲线，待温度不变时，关闭高温恒温槽2和低温恒温槽3，取出传感器，依次取出其余各部件；

步骤S4中水泥浆的制备方法为：根据所需要进行的水泥环固井实验，按照现场给的水泥浆配方先在电子秤上将各种固体材料(水泥干灰、密度减轻剂和各种添加剂中的固体成分)的质量分别称好，然后倒入桶中用长搅拌棒将固体材料搅拌均匀，把液体材料如自来水、消泡剂等倒入固体材料中，之后利用搅拌机中速搅拌3-5分钟使水泥浆混合均匀。制备好的水泥浆即可缓慢倒入水泥环环形空间内。

具体的，步骤S8中的性能指标如下表：

具体的，步骤S3中构造沙泥层的具体方法为：将水泥模具18套在等效井筒10外侧，向水泥模具18与外腔体4之间加入沙泥，利用压实体22压实，用于模拟地层，压实后将水泥模具18向上提出，水泥模具18取出后即形成所述的环形空间，该环形空间用来形成水泥环11。

利用本发明的评价方法可以对固井水泥进行保温隔热性能评价。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种适于固井水泥保温隔热性能的评价设备，其特征在于，包括：

保温盖，所述保温盖压合在所述外腔体和等效井筒顶部；

还包括温感系统，所述温感系统包括A组温度传感器、B组温度传感器与温度测量仪，所述A组温度传感器及B组温度传感器设置在放置空腔中并分别与温度测量仪电性连接；A组温度传感器用于测量水泥温度变化，B组温度传感器用于测量沙泥温度变化。

2.根据权利要求1所述的一种适于固井水泥保温隔热性能的评价设备，其特征在于，所述外腔体底部开设有与外界贯通的阶梯孔，所述阶梯孔中配合放置有所述等效井筒。

3.根据权利要求1所述的一种适于固井水泥保温隔热性能的评价设备，其特征在于，所述进液口与出液口中螺纹连接有沉头螺钉。

4.根据权利要求1所述的一种适于固井水泥保温隔热性能的评价设备，其特征在于，所述保温盖开设有中心孔，所述挡边插设在该中心孔中。

5.根据权利要求1所述的一种适于固井水泥保温隔热性能的评价设备，其特征在于，还包括用于辅助填充沙泥的水泥模具。

6.根据权利要求1所述的一种适于固井水泥保温隔热性能的评价设备，其特征在于，还包括用于压实沙泥的压实体。

7.一种适于固井水泥保温隔热性能的评价方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的一种适于固井水泥保温隔热性能的评价设备，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种适于固井水泥保温隔热性能的评价方法，其特征在于，步骤S4中水泥浆的制备方法为：根据所需要进行的水泥环固井实验，按照现场给的水泥浆配方先在电子秤上将各种固体材料的质量分别称好，然后倒入桶中用长搅拌棒将固体材料搅拌均匀，把液体材料倒入固体材料中，之后利用搅拌机中速搅拌3-5分钟使水泥浆混合均匀。

9.根据权利要求7所述的一种适于固井水泥保温隔热性能的评价方法，其特征在于，步骤S8中的性能指标如下表：

。

10.根据权利要求7所述的一种适于固井水泥保温隔热性能的评价方法，其特征在于，步骤S3中构造沙泥层的具体方法为：将水泥模具套在等效井筒外侧，向水泥模具与外腔体之间加入沙泥，利用压实体压实，用于模拟地层，压实后将水泥模具向上提出，水泥模具取出后即形成所述的环形空间。