CN113341112A - 水泥浆膨胀收缩的测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种水泥浆膨胀收缩的测试方法和装置，属于油气井固井技术领域。本申请实施例提供的水泥浆膨胀收缩的测试装置，通过第一釜体测试水泥浆和传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过第二釜体测试水泥浆和传输介质在径向上的膨胀收缩量，通过数据存储系统获取预设温度和预设压力下，传输介质在径向上的膨胀收缩量以及传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过稠化仪测试水泥浆的稠化时间，以及通过静胶凝强度分析仪测试水泥浆的静胶凝时间，最终通过数据采集系统确定水泥浆的体积变化量，从而实现高温高压下对水泥浆的体积变化的连续测量，真实反映出水泥浆在井下的体积变化，为保障及评价油气井井筒完整性提供支撑。

Description

水泥浆膨胀收缩的测试方法和装置

技术领域

本申请涉及油气井固井技术领域。特别涉及一种水泥浆膨胀收缩的测试方法和装置。

背景技术

在油气井固井技术领域，如果固井质量差，会发生气窜，高压层流体窜入低压层，造成油气资源的流失或伤害储层。而固井所用的水泥浆在井下高温高压条件下的体积变化将影响固井质量，因此，有必要测试水泥浆在径向和轴向上综合的膨胀收缩量，也即水泥浆的体积变化量，从而保障固井质量，防止油气井发生气窜。

相关技术中只能通过轴向测试装置测试水泥浆在轴向上的膨胀收缩量，而无法同时测试水泥浆在轴向和径向上的膨胀收缩量，导致无法真实反映高温高压下水泥浆在井下的体积变化量。

发明内容

本申请实施例提供了一种水泥浆膨胀收缩的测试方法和装置，可以同时测出水泥浆在径向上的膨胀收缩量和轴向上的膨胀收缩量，真实反映出水泥浆在井下的体积变化。具体技术方案如下：

一方面，本申请实施例提供了一种水泥浆膨胀收缩的测试装置，所述装置包括：第一釜体、第二釜体、稠化仪、静胶凝强度分析仪、温度压力控制器、数据采集系统和数据存储系统；

所述第一釜体和所述第二釜体均与所述温度压力控制器连接，所述温度压力控制器与所述数据采集系统连接；

所述稠化仪、所述静胶凝强度分析仪和所述数据存储系统均与所述数据采集系统连接；

所述温度压力控制器用于控制所述第一釜体和所述第二釜体均处于预设温度和预设压力下；

所述第一釜体用于测试所述预设温度和所述预设压力下，所述水泥浆和传输介质在轴向上的膨胀收缩量，所述传输介质用于为所述水泥浆传输热量；

所述第二釜体用于测试所述预设温度和所述预设压力下，所述水泥浆和所述传输介质在径向上的膨胀收缩量；

所述稠化仪用于测试所述水泥浆的稠化度达到预设稠化度时，所需的稠化时间；

所述静胶凝强度分析仪用于测试所述水泥浆的静胶凝强度达到预设强度时，所需的静胶凝时间；

所述数据存储系统中存储有多个温度和多个压力下，所述传输介质在径向上的膨胀收缩量以及所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量；

所述数据采集系统用于从所述数据存储系统中获取所述预设温度和所述预设压力下，所述传输介质在径向上的膨胀收缩量以及所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量；根据所述水泥浆和所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量、所述水泥浆和所述传输介质在径向上的膨胀收缩量、所述传输介质在径向上的膨胀收缩量、所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量、所述稠化时间和所述静胶凝时间，确定所述水泥浆的体积变化量。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：数据显示系统；

所述数据显示系统与所述数据采集系统连接；

所述数据显示系统用于显示所述数据采集系统得到的所述水泥浆的体积变化量。

在另一种可能的实现方式中，所述第二釜体包括：反应釜、径向膨胀收缩环和体积变化参数测试仪；

所述径向膨胀收缩环位于所述反应釜内；

所述体积变化参数测试仪与所述反应釜相连，所述反应釜与所述温度压力控制器相连；

所述反应釜用于盛放所述水泥浆和所述传输介质；

所述体积变化参数测试仪用于根据所述预设温度和所述预设压力下，所述水泥浆和所述传输介质沿所述径向膨胀收缩环的形变量，确定所述水泥浆和所述传输介质在径向上的膨胀收缩量。

在另一种可能的实现方式中，所述第二釜体还包括：加温器和加压器；

所述加温器和所述加压器均与所述反应釜连接；

所述加温器用于将所述水泥浆和所述传输介质加热至所述预设温度，所述加压器用于将所述水泥浆和所述传输介质加压至所述预设压力。

在另一种可能的实现方式中，所述径向收缩膨胀环包括：第一套管和第二套管；

所述径向收缩膨胀环的顶部设有上盖，所述径向收缩膨胀环的底部设有下盖；

所述第一套管和所述第二套管均位于所述上盖和所述下盖之间，且所述第一套管位于所述第二套管外。

在另一种可能的实现方式中，所述径向收缩膨胀环和所述上盖之间通过橡胶密封；

所述径向收缩环和所述下盖之间通过橡胶密封。

另一方面，本申请实施例提供了一种水泥浆膨胀收缩的测试方法，所述方法包括：

向第一釜体中注入水泥浆和传输介质，向第二釜体中注入所述水泥浆和所述传输介质；

控制所述第一釜体和所述第二釜体均处于预设温度和预设压力下；

根据所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过所述第一釜体测试所述水泥浆在轴向上的膨胀收缩量；根据所述传输介质在径向上的膨胀收缩量，通过所述第二釜体测试所述水泥浆在径向上的膨胀收缩量；通过稠化仪测试所述水泥浆的稠化度达到预设稠化度时，所需的稠化时间，以及通过静胶凝强度分析仪测试所述水泥浆的静胶凝强度达到预设强度时，所需的静胶凝时间；

根据所述水泥浆在轴向上的膨胀收缩量、所述水泥浆在径向上的膨胀收缩量、所述稠化时间和所述静胶凝时间，确定所述水泥浆的体积变化量。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过所述第一釜体测试所述水泥浆在轴向上的膨胀收缩量；根据所述传输介质在径向上的膨胀收缩量，通过所述第二釜体测试所述水泥浆在径向上的膨胀收缩量，包括：

获取所述预设温度和所述预设压力下，所述传输介质在径向上的膨胀收缩量以及所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量；

通过所述第一釜体的轴向膨胀收缩环和体积变化参数测试仪测试得到所述水泥浆和所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量；

通过所述第二釜体的径向膨胀收缩环和体积变化参数测试仪测试得到所述水泥浆和所述传输介质在径向上的膨胀收缩量；

根据所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量以及所述水泥浆和所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量，确定所述水泥浆在轴向上的膨胀收缩量；

根据所述传输介质在径向上的膨胀收缩量以及所述水泥浆和所述传输介质在径向上的膨胀收缩量，确定所述水泥浆在径向上的膨胀收缩量。

在另一种可能的实现方式中，所述通过所述第二釜体的径向膨胀收缩环和第二体积变化参数测试仪测试得到所述水泥浆和所述传输介质在径向上的膨胀收缩量，包括：

通过所述第二体积变化参数测试仪，测试所述水泥浆和所述传输介质在径向上发生膨胀收缩时，所述径向膨胀收缩环的形变量；

将所述径向膨胀收缩环的形变量作为所述水泥浆和所述传输介质在径向上的膨胀收缩量。

在另一种可能的实现方式中，所述根据所述水泥浆在轴向上的膨胀收缩量、所述水泥浆在径向上的膨胀收缩量、所述稠化时间和所述静胶凝时间，确定所述水泥浆的体积变化量，包括：

当所述稠化时间大于所述静胶凝时间时，将所述水泥浆在径向上的膨胀收缩量作为所述水泥浆的体积变化量；

当所述稠化时间不大于所述静胶凝时间时，将所述水泥浆在轴向上的膨胀收缩量作为所述水泥浆的体积变化量。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本申请实施例提供的水泥浆膨胀收缩的测试装置，通过第一釜体测试水泥浆和传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过第二釜体测试水泥浆和传输介质在径向上的膨胀收缩量，通过数据存储系统获取预设温度和预设压力下，传输介质在径向上的膨胀收缩量以及传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过稠化仪测试水泥浆的稠化时间，以及通过静胶凝强度分析仪测试水泥浆的静胶凝时间，最终通过数据采集系统确定水泥浆的体积变化量，从而实现高温高压下对水泥浆的体积变化的连续测量，真实反映出油气井固井水泥浆在进入油气井井筒后最终形成的是填充到套管和地层之间的环状水泥浆在井下的体积变化，为保障及评价油气井井筒完整性提供支撑。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种水泥浆膨胀收缩的测试装置的示意图；

图2是本申请实施例提供的另一种水泥浆膨胀收缩的测试装置的示意图；

图3是本申请实施例提供的一种水泥浆膨胀收缩的测试方法的流程图；

图4是实施例1提供的一种测定水泥浆和传输介质的体积变化量的示意图；

图5是实施例2提供的一种测定水泥浆的体积变化量的示意图。

附图标记分别表示：

11-第一釜体，12-第二釜体，13-稠化仪，14-静胶凝强度分析仪，

15-温度压力控制器，16-数据采集系统，17-数据存储系统，

18-数据显示系统，121-反应釜，122-径向膨胀收缩环，

123-体积变化参数测试仪，124-加温器，125-加压器，1221-第一套管，

1222-第二套管。

具体实施方式

为使本申请的技术方案和优点更加清楚，下面对本申请实施方式作进一步地详细描述。

本申请实施例提供了一种水泥浆膨胀收缩的测试装置，参见图1，该装置包括：第一釜体11、第二釜体12、稠化仪13、静胶凝强度分析仪14、温度压力控制器15、数据采集系统16和数据存储系统17；

第一釜体11和第二釜体12均与温度压力控制器15连接，温度压力控制器15和数据采集系统16连接；

稠化仪13、静胶凝强度分析仪14和数据存储系统17均与数据采集系统16连接；

温度压力控制器15用于控制第一釜体11和第二釜体12均处于预设温度和预设压力下；

第一釜体11用于测试预设温度和预设压力下，水泥浆和传输介质在轴向上的膨胀收缩量，传输介质用于为水泥浆传输热量；

第二釜体12用于测试预设温度和预设压力下，水泥浆和传输介质在径向上的膨胀收缩量；

稠化仪13用于测试水泥浆的稠化度达到预设稠化度时，所需的稠化时间；

静胶凝强度分析仪14用于测试水泥浆的静胶凝强度达到预设强度时，所需的静胶凝时间；

数据存储系统17中存储有多个温度和多个压力下，传输介质在径向上的膨胀收缩量以及传输介质在轴向上的膨胀收缩量；

数据采集系统16用于从数据存储系统17中获取预设温度和预设压力下，传输介质在径向上的膨胀收缩量以及传输介质在轴向上的膨胀收缩量；根据水泥浆和传输介质在轴向上的膨胀收缩量、水泥浆和传输介质在径向上的膨胀收缩量、传输介质在轴向上的膨胀收缩量、稠化时间和静胶凝时间，确定水泥浆的体积变化量。

在一种可能的实现方式中，该传输介质可以根据需要进行设置并更改，例如，该传输介质可以为水或油。在本申请实施例中，对该传输介质不作具体限定。

其中，多个温度包括预设温度，多个压力包括预设压力，数据存储系统17中预先存储各个温度和各个压力下，多种传输介质在径向上的膨胀收缩量以及在轴向上的膨胀收缩量。在确定水泥浆的体积变化量时，直接从数据存储系统17中获取预设温度和预设压力下，相应传输介质在径向上的膨胀收缩量以及该传输介质在轴向上的膨胀收缩量。

在油气井固井技术领域，固化后水泥环体积的膨胀和收缩对固井质量有很重要的影响。水泥环体积膨胀时，由于套管与水泥环是硬接触，地层与水泥环是软接触，水泥环会发生指向井壁的膨胀或指向套管的收缩，导致固井失败；水泥环体积收缩时，在水泥环与井壁和套管壁的界面处形成张应力，削弱了界面胶结质量，使界面胶结质量出现问题，严重时还会形成间隙，给油、气、水窜提供通道。因此，水泥浆固化过程中以及固化后水泥浆的体积稳定性对保障固井质量极其重要。

油井水泥浆的试验方法(GB/T 19139-2012)中，规定了油井水泥浆应用性能，包括密度、抗压强度、非破坏性声波试验、稠化时间、静态失水、渗透率、流变性、胶凝强度、稳定性、井下流体相容性以及北极注水泥浆试验方法等的测试方法，以及水泥浆在套管和环空内的压降和流态计算方法，但对于油井水泥浆的体积稳定性的评价规范并未提及。

相关技术中只能通过轴向测试装置测试水泥浆在轴向上的膨胀收缩量，无法同时测试水泥浆在轴向和径向上的膨胀收缩量，导致无法真实反映高温高压下水泥浆在井下的体积变化量。

本申请实施例提供的水泥浆膨胀收缩的测试装置，通过第一釜体11测试水泥浆和传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过第二釜体12测试水泥浆和传输介质在径向上的膨胀收缩量，通过数据存储系统17获取预设温度和预设压力下，传输介质在径向上的膨胀收缩量以及传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过稠化仪13测试水泥浆的稠化时间，以及通过静胶凝强度分析仪14测试水泥浆的静胶凝时间，最终通过数据采集系统16确定水泥浆的体积变化量，从而实现高温高压下对水泥浆的体积变化的连续测量，真实反映出油气井固井水泥浆在进入油气井井筒后最终形成的是填充到套管和地层之间的环状水泥浆在井下的体积变化，为保障及评价油气井井筒完整性提供支撑。

在一种可能的实现方式中，该装置还包括：数据显示系统18；

数据显示系统18与数据采集系统16连接；

数据显示系统18用于显示所述数据采集系统16得到的水泥浆的体积变化量。

该数据显示系统18包括显示屏，显示屏上可以显示水泥浆的体积变化量，从而相关人员可以直观地从显示屏上看到水泥浆的体积变化量。

相关技术中测试水泥浆在轴向上的膨胀收缩量时，是利用弹性较好的橡胶套发生形变时推动或压缩液体，再利用变化的液体量反映油气井固井水泥环在轴向上的膨胀收缩量。因此，相关技术中测试得到的水泥浆在轴向上的膨胀收缩量实质为水泥浆和传输介质两者在轴向上的膨胀收缩量。

而本发明实施例提供的测试装置，更加准确地考虑了传输介质的膨胀收缩量，因此，先通过第一釜体11和第二釜体12分别得到水泥浆和传输介质在轴向上的膨胀收缩量以及在径向上的膨胀收缩量，再根据传输介质在轴向和径向上的膨胀收缩量，确定水泥浆在轴向上的膨胀收缩量以及在径向上的膨胀收缩量，从而排除传输介质对测试水泥浆膨胀收缩量的干扰。

在一种可能的实现方式中，该测试装置还可以实现单独测试水泥浆在轴向上的膨胀收缩量。具体为：仅通过第一釜体11测试水泥浆和传输介质在轴向上的膨胀收缩量，然后根据传输介质在轴向上的膨胀收缩量，确定水泥浆在轴向上的膨胀收缩量。此时，第二釜体12中不加入水泥浆和传输介质。

在另一种可能的实现方式中，该测试装置还可以单独测试水泥浆在径向上的膨胀收缩量。具体为：仅通过第二釜体12测试水泥浆和传输介质在径向上的膨胀收缩量，然后根据传输介质在径向上的膨胀收缩量，确定水泥浆在径向上的膨胀收缩量。此时，第一釜体11中不加入水泥浆和传输介质。

综上所述，本发明实施例提供的测试装置，不仅可以测试水泥浆在轴向上的膨胀收缩量，以及水泥浆在径向上的膨胀收缩量，还可以测试水泥浆综合的膨胀收缩量，也即体积变化量。在实际应用中，可以根据实际情况进行选择。

本发明实施例提供的测试装置，为认清水泥浆在井下环境的体积变化实质奠定科学的实验室理论基础，为水泥浆改性研究和国内外特种水泥浆体系评价提供一个统一的对比平台，为建立水泥浆体积变化评价规范提供技术支持，为水泥浆材料的研发提供评价手段，并最终确保油气井整个井筒的完整性。

在一种可能的实现方式中，参见图2，第二釜体12包括：反应釜121、径向膨胀收缩环122和体积变化参数测试仪123；

径向收缩膨胀环位于反应釜121内；

体积变化参数测试仪123与反应釜121相连，反应釜121与温度压力控制器15相连；

反应釜121用于盛放水泥浆和传输介质；

体积变化参数测试仪123用于根据预设温度和预设压力下，水泥浆和传输介质沿径向膨胀收缩环122的形变量，确定水泥浆和传输介质在径向上的膨胀收缩量。

在实际应用中，不仅水泥浆在轴向上的体积会发生变化，水泥浆在径向上的体积也会发生变化。相关技术中，在测试水泥浆在轴向上的膨胀收缩量时，是直接将水泥浆注入反应釜121中，受到反应釜121的釜壁的限制，往往无法沿径向发生形变。而在本申请实施例中，根据上述情况，考虑了固井水泥浆形成水泥环沿径向上的形变特点，涉及了专门用于测试水泥浆在径向上变化的径向收缩膨胀环。通过径向收缩膨胀环不仅可以将待测试水泥浆塑成环状，从而真实地模拟出水泥浆在固井施工中的真实情况，还可以使待测试水泥浆在径向上发生形变，真实地模拟出井下水泥浆沿径向的不同方向上不同的形变特点。

在一种可能的实现方式中，第二釜体12还包括：加温器124和加压器125；

加温器124和加压器125均与反应釜121连接；

加温器124用于将水泥浆和传输介质加热至预设温度，加压器125用于将水泥浆和传输介质加压至预设压力。

在本申请实施例中，除了通过温度压力控制器15控制第二釜体12的温度和压力之外，还设置了加温器124和加压器125，实现双重保障。在温度压力控制器15故障时，可以通过加温器124和加压器125控制第二釜体12的温度和压力。同时，在加温器124和加压器125故障时，也可以通过温度压力控制器15控制第二釜体12的温度和压力。

预设温度和预设压力均可以根据需要进行设置并更改，在本申请实施例中，对此不作具体限定。

在一种可能的实现方式中，径向膨胀收缩环122包括：第一套管1221和第二套管1222；

径向膨胀收缩环的顶部设有上盖，径向膨胀收缩环的底部设有下盖；

第一套管1221和第二套管1222均位于上盖和下盖之间，且第一套管1221位于第二套管1222外。

该实现方式中，通过设置上盖和下盖，避免使水泥浆在轴向上发生形变，使水泥浆仅在径向上发生形变，从而测试出水泥浆在径向上的膨胀收缩量。

在一种可能的实现方式中，第一套管1221的材料为弹性材料，第二套管1222的材料为钢质材料。

弹性材料的套管的管壁相对比较柔软，与地层的坚硬程度相似；钢质材料的套管的管壁相对比较坚硬，与井下套管的坚硬程度相似。通过上述两种材料的套管，可以更真实地模拟出水泥浆在井下所处的真实环境，从而更准确地测出水泥浆在径向上的膨胀收缩量。

在一种可能的实现方式中，径向收缩膨胀环和上盖之间通过橡胶密封；

径向收缩膨胀环和下盖之间通过橡胶密封。

该实现方式中，通过橡胶密封可以保证注入第一套管1221和第二套管1222之间的环空中的水泥浆不会发生泄漏，更加准确地测试出水泥浆在径向上的膨胀收缩量。在本申请实施例中，也可以通过其他材料实现径向收缩膨胀环与上盖、下盖之间的密封，在此不作具体限定。

在一种可能的实现方式中，上盖上设有注入孔和排出孔；

注入孔与第一套管1221和第二套管1222之间的环空连通，排出孔与第一套管1221和第二套管1222之间的环空连通。

该实现方式中，可以通过注入孔向环空中注入待测试水泥浆，在向环空中注入水泥浆的同时，通过排出孔排出环空中的空气，待从排出孔中溢出水泥浆时，说明环空中已经住满了水泥浆，此时停止向换空中注入水泥浆。

在一种可能的实现方式中，下盖的中心设有固定孔，固定孔的内侧设有螺纹；反应釜121的底部设有固定螺钉；

固定螺钉的螺纹和固定孔的内侧的螺纹匹配。

该实现方式中，通过将固定螺钉旋入固定孔，可以将径向收缩膨胀环固定在反应釜121内。

在一种可能的实现方式中，第一釜体11的结构与第二釜体12的结构相似，包括反应釜121、轴向膨胀收缩环、体积变化参数测试仪123、加温器124和加压器125等，在本申请实施例中，对此不作具体限定。

本申请实施例提供的水泥浆膨胀收缩的测试装置，通过第一釜体11测试水泥浆和传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过第二釜体12测试水泥浆和传输介质在径向上的膨胀收缩量，通过数据存储系统17获取预设温度和预设压力下，传输介质在径向上的膨胀收缩量以及传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过稠化仪13测试水泥浆的稠化时间，以及通过静胶凝强度分析仪14测试水泥浆的静胶凝时间，最终通过数据采集系统16确定水泥浆的体积变化，从而实现高温高压下对水泥浆的体积变化的连续测量，真实反映出油气井固井水泥浆在进入油气井井筒后最终形成的是填充到套管和地层之间的环状水泥浆在井下的体积变化，为保障及评价油气井井筒完整性提供支撑。

本申请实施例提供了一种水泥浆膨胀收缩的测试方法，参见图3，该方法包括：

步骤301：向第一釜体中注入水泥浆和传输介质，向第二釜体中注入水泥浆和传输介质。

本步骤中，在向第一釜体和第二釜体中注入水泥浆和传输介质时，可以先注入水泥浆，然后用橡胶隔膜将水泥浆隔离开，再注入传输介质。其中，水泥浆可以为按照GB/T19139-2012《油井水泥试验方法》标准配制的水泥浆。

步骤302：控制第一釜体和第二釜体均处于预设温度和预设压力下。

本步骤中，可以通过温度压力控制器控制第一釜体和第二釜体处于同一温度和同一压力下。

该温度和压力可以根据需要进行设置并更改，在本申请实施例中，对此不作具体限定。

步骤303：根据传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过第一釜体测试水泥浆在轴向上的膨胀收缩量；根据传输介质在径向上的膨胀收缩量，通过第二釜体测试水泥浆在径向上的膨胀收缩量；通过稠化仪测试水泥浆的稠化度达到预设稠化度时，所需的稠化时间，以及通过静胶凝强度分析仪测试水泥浆的静胶凝强度达到预设强度时，所需的静胶凝时间。

本步骤中，根据传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过第一釜体测试水泥浆在轴向上的膨胀收缩量；根据传输介质在径向上的膨胀收缩量，通过第二釜体测试水泥浆在径向上的膨胀收缩量的方式可以为：

获取预设温度和预设压力下，传输介质在径向上的膨胀收缩量以及传输介质在轴向上的膨胀收缩量；

通过第一釜体的轴向膨胀收缩环和体积变化参数测试仪测试得到水泥浆和传输介质在轴向上的膨胀收缩量；

通过第二釜体的径向膨胀收缩环和体积变化参数测试仪测试得到水泥浆和传输介质在径向上的膨胀收缩量；

根据传输介质在轴向上的膨胀收缩量以及水泥浆和传输介质在轴向上的膨胀收缩量，确定水泥浆在轴向上的膨胀收缩量；

根据传输介质在径向上的膨胀收缩量以及水泥浆和传输介质在径向上的膨胀收缩量，确定水泥浆在径向上的膨胀收缩量。

本申请实施例中，考虑到传输介质在径向上和轴向上也会发生膨胀收缩，因此，排除了传输介质对水泥浆在径向上和轴向上的干扰，从而可以更加准确地测试出水泥浆在径向上的膨胀收缩量和在轴向上的膨胀收缩量，

需要说明的一点是，固井水泥浆在静胶凝强度为48Pa至240Pa之间易发生气窜，在本申请实施例中，可以设置预设强度为48Pa，预设稠化度为100Bc。也即稠化时间为水泥浆的稠化度达到100Bc时，所需的时间，静胶凝时间为水泥浆的静胶凝强度达到48Pa时，所需的时间。

步骤304：当稠化时间大于静胶凝时间时，将水泥浆在径向上的膨胀收缩量作为水泥浆的体积变化量。

稠化时间是水泥浆从浆状到固状转变的重要参数，静胶凝时间是固井防气窜的重要参数。根据稠化时间和静胶凝时间的相对大小，确定水泥浆的体积变化量。

当稠化时间大于静胶凝时间时，水泥浆主要表现为径向上的变化。此时，将水泥浆在径向上的膨胀收缩量作为水泥浆的体积变化量。

步骤305：当稠化时间不大于静胶凝时间时，将水泥浆在轴向上的膨胀收缩量作为水泥浆的体积变化量。

当稠化时间小于静胶凝时间时，水泥浆主要表现为轴向上的变化。此时，将水泥浆在轴向上的膨胀收缩量作为水泥浆的体积变化量。

本申请实施例提供的水泥浆膨胀收缩的测试方法，向第一釜体中注入水泥浆和传输介质，向第二釜体中注入水泥浆和传输介质；控制第一釜体和第二釜体均处于预设温度和预设压力下；根据传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过第一釜体测试水泥浆在轴向上的膨胀收缩量；根据传输介质在径向上的膨胀收缩量，通过第二釜体测试水泥浆在径向上的膨胀收缩量；通过稠化仪测试水泥浆的稠化度达到预设稠化度时，所需的稠化时间，以及通过静胶凝强度分析仪测试水泥浆的静胶凝强度达到预设强度时，所需的静胶凝时间；根据水泥浆在轴向上的膨胀收缩量、水泥浆在径向上的膨胀收缩量、稠化时间和静胶凝时间，确定水泥浆的体积变化量。该方法根据稠化时间和静胶凝时间的相对大小，确定水泥浆的体积变化量，从而真实反映出油气井固井水泥浆在井下的体积变化，为保障及评价油气井井筒完整性提供支撑。

以下将通过具体实施例对本申请的技术方案进行详细说明。

实施例1

本实施例以未考虑传输介质在轴向和径向上的膨胀收缩量为例进行说明。

步骤1：向第一釜体中注入水泥浆和传输介质，向第二釜体中注入水泥浆和传输介质。

该水泥浆为现场采取的川渝气田X1井7寸尾管固井水泥浆，为大温差柔性水泥浆，密度为1.90g/cm³。传输介质为水。

步骤2：控制第一釜体和第二釜体均处于21MPa和120℃下。

步骤3：通过第一釜体测试水泥浆和传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过第二釜体测试水泥浆和传输介质在径向上的膨胀收缩量，通过稠化仪测试水泥浆的稠化度达到100Bc时，所需的稠化时间，以及通过静胶凝强度分析仪测试水泥浆的静胶凝强度达到48Pa时，所需的静胶凝时间。

其中，测试得到水泥浆的稠化时间为115min，静胶凝时间为112min。

步骤4：确定稠化时间和静胶凝时间的相对大小。

步骤5：当稠化时间大于静胶凝时间时，将水泥浆和传输介质在径向上的膨胀收缩量作为水泥浆的体积变化量。

根据步骤3中测定的稠化时间和静胶凝时间可知，稠化时间大于静胶凝时间，因此，水泥浆主要表现为径向上的变化。

参见图4，从图4中可以看出：水泥浆和传输介质的体积变化量先快速膨胀到9.36％，后快速收缩到-8.25％，体积变化量较大。

实施例2

本实施例以排除传输介质在轴向和径向上的膨胀收缩量为例进行说明。

步骤1：向第一釜体中注入水泥浆和传输介质，向第二釜体中注入水泥浆和传输介质。

该水泥浆和实施例1中的水泥浆相同，传输介质也相同。

步骤2：控制第一釜体和第二釜体均处于21MPa和120℃下。

步骤3：根据传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过第一釜体测试水泥浆在轴向上的膨胀收缩量；根据传输介质在径向上的膨胀收缩量，通过第二釜体测试水泥浆在径向上的膨胀收缩量；通过稠化仪测试水泥浆的稠化度达到100Bc时，所需的稠化时间，以及通过静胶凝强度分析仪测试水泥浆的静胶凝强度达到48Pa时，所需的静胶凝时间。

其中，测试得到水泥浆的稠化时间为115min，静胶凝时间为112min。

步骤4：确定稠化时间和静胶凝时间的相对大小。

步骤5：当稠化时间大于静胶凝时间时，将水泥浆在径向上的膨胀收缩量作为水泥浆的体积变化量。

根据步骤3中测定的稠化时间和静胶凝时间可知，稠化时间大于静胶凝时间，因此，水泥浆主要表现为径向上的变化。

参见图5，从图5中可以看出：水泥浆的体积变化量先膨胀到2.91％，后收缩到-0.78％，体积变化量较小。

根据实施例1和2可以看出：传输介质的膨胀收缩性能对水泥浆的体积变化量有很大的影响。本申请实施例通过排除传输介质对水泥浆体积变化的影响，可以更准确地测出水泥浆在井下的体积变化。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本申请的技术方案，并不用以限制本申请。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水泥浆膨胀收缩的测试装置，其特征在于，所述装置包括：第一釜体、第二釜体、稠化仪、静胶凝强度分析仪、温度压力控制器、数据采集系统和数据存储系统；

所述第一釜体和所述第二釜体均与所述温度压力控制器连接，所述温度压力控制器与所述数据采集系统连接；

所述稠化仪、所述静胶凝强度分析仪和所述数据存储系统均与所述数据采集系统连接；

所述温度压力控制器用于控制所述第一釜体和所述第二釜体均处于预设温度和预设压力下；

所述第一釜体用于测试所述预设温度和所述预设压力下，所述水泥浆和传输介质在轴向上的膨胀收缩量，所述传输介质用于为所述水泥浆传输热量；

所述第二釜体用于测试所述预设温度和所述预设压力下，所述水泥浆和所述传输介质在径向上的膨胀收缩量；

所述稠化仪用于测试所述水泥浆的稠化度达到预设稠化度时，所需的稠化时间；

所述静胶凝强度分析仪用于测试所述水泥浆的静胶凝强度达到预设强度时，所需的静胶凝时间；

所述数据存储系统中存储有多个温度和多个压力下，所述传输介质在径向上的膨胀收缩量以及所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量；

所述数据采集系统用于从所述数据存储系统中获取所述预设温度和所述预设压力下，所述传输介质在径向上的膨胀收缩量以及所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量；根据所述水泥浆和所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量、所述水泥浆和所述传输介质在径向上的膨胀收缩量、所述传输介质在径向上的膨胀收缩量、所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量、所述稠化时间和所述静胶凝时间，确定所述水泥浆的体积变化量。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：数据显示系统；

所述数据显示系统与所述数据采集系统连接；

所述数据显示系统用于显示所述数据采集系统得到的所述水泥浆的体积变化量。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二釜体包括：反应釜、径向膨胀收缩环和体积变化参数测试仪；

所述径向膨胀收缩环位于所述反应釜内；

所述体积变化参数测试仪与所述反应釜相连，所述反应釜与所述温度压力控制器相连；

所述反应釜用于盛放所述水泥浆和所述传输介质；

所述体积变化参数测试仪用于根据所述预设温度和所述预设压力下，所述水泥浆和所述传输介质沿所述径向膨胀收缩环的形变量，确定所述水泥浆和所述传输介质在径向上的膨胀收缩量。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二釜体还包括：加温器和加压器；

所述加温器和所述加压器均与所述反应釜连接；

所述加温器用于将所述水泥浆和所述传输介质加热至所述预设温度，所述加压器用于将所述水泥浆和所述传输介质加压至所述预设压力。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述径向收缩膨胀环包括：第一套管和第二套管；

所述径向收缩膨胀环的顶部设有上盖，所述径向收缩膨胀环的底部设有下盖；

所述第一套管和所述第二套管均位于所述上盖和所述下盖之间，且所述第一套管位于所述第二套管外。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述径向收缩膨胀环和所述上盖之间通过橡胶密封；

所述径向收缩环和所述下盖之间通过橡胶密封。

7.一种水泥浆膨胀收缩的测试方法，其特征在于，所述方法包括：

向第一釜体中注入水泥浆和传输介质，向第二釜体中注入所述水泥浆和所述传输介质；

控制所述第一釜体和所述第二釜体均处于预设温度和预设压力下；

根据所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过所述第一釜体测试所述水泥浆在轴向上的膨胀收缩量；根据所述传输介质在径向上的膨胀收缩量，通过所述第二釜体测试所述水泥浆在径向上的膨胀收缩量；通过稠化仪测试所述水泥浆的稠化度达到预设稠化度时，所需的稠化时间，以及通过静胶凝强度分析仪测试所述水泥浆的静胶凝强度达到预设强度时，所需的静胶凝时间；

根据所述水泥浆在轴向上的膨胀收缩量、所述水泥浆在径向上的膨胀收缩量、所述稠化时间和所述静胶凝时间，确定所述水泥浆的体积变化量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量，通过所述第一釜体测试所述水泥浆在轴向上的膨胀收缩量；根据所述传输介质在径向上的膨胀收缩量，通过所述第二釜体测试所述水泥浆在径向上的膨胀收缩量，包括：

获取所述预设温度和所述预设压力下，所述传输介质在径向上的膨胀收缩量以及所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量；

通过所述第一釜体的轴向膨胀收缩环和体积变化参数测试仪测试得到所述水泥浆和所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量；

通过所述第二釜体的径向膨胀收缩环和体积变化参数测试仪测试得到所述水泥浆和所述传输介质在径向上的膨胀收缩量；

根据所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量以及所述水泥浆和所述传输介质在轴向上的膨胀收缩量，确定所述水泥浆在轴向上的膨胀收缩量；

根据所述传输介质在径向上的膨胀收缩量以及所述水泥浆和所述传输介质在径向上的膨胀收缩量，确定所述水泥浆在径向上的膨胀收缩量。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通过所述第二釜体的径向膨胀收缩环和第二体积变化参数测试仪测试得到所述水泥浆和所述传输介质在径向上的膨胀收缩量，包括：

通过所述第二体积变化参数测试仪，测试所述水泥浆和所述传输介质在径向上发生膨胀收缩时，所述径向膨胀收缩环的形变量；

将所述径向膨胀收缩环的形变量作为所述水泥浆和所述传输介质在径向上的膨胀收缩量。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述水泥浆在轴向上的膨胀收缩量、所述水泥浆在径向上的膨胀收缩量、所述稠化时间和所述静胶凝时间，确定所述水泥浆的体积变化量，包括：

当所述稠化时间大于所述静胶凝时间时，将所述水泥浆在径向上的膨胀收缩量作为所述水泥浆的体积变化量；

当所述稠化时间不大于所述静胶凝时间时，将所述水泥浆在轴向上的膨胀收缩量作为所述水泥浆的体积变化量。

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