CN113484361A - 一种低温固井用水泥浆体系水化热测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温固井用水泥浆体系水化热测定装置，由低温恒温水浴、制冷系统、压力系统、温度控制系统以及数据收集处理系统组成，低温恒温水浴包括低温恒温水箱、搅拌器、循环管道和压缩空气进口，水箱内设搅拌器，不同位置固定吸附式温度传感器，底部设置压缩空气进口；制冷系统包括压缩机、蒸发器、过滤器、膨胀阀和冷凝器；压力系统包括高压釜体、压力传感器和空气压缩机，高压釜体内固定水泥浆杯，浆杯内有铜套管包覆的热电偶，热电偶穿过高压釜盖的中空螺柱连接数字显示操作仪和计算机。本发明测试过程灵活，容错率高，能够同时满足水泥浆的低温高压养护以及精准测试对比固井水泥浆体系在各个水化阶段的水化热释放情况及差异。

Description

一种低温固井用水泥浆体系水化热测定装置

技术领域

本发明涉及一种石油天然气勘探开发领域低温固井用水泥浆体系在低温高压条件下的水化热测试装置。

背景技术

随着全世界对油气资源的不断勘测与开发，对陆上油气的开发逐渐转移到海洋油气资源的开发。但在海洋开采油气资源有一个难以避免的问题，就是容易钻遇天然气水合物层。天然气水合物对温度变化极其敏感，仅在低温高压条件下可稳定存在，温度稍有变化就会引起天然气水合物的分解，引发海底滑坡、塌陷等地质灾害的发生。而固井水泥浆在水化过程中会持续性向环境中释放热量导致天然气水合物分解，对固井安全而言是一个极大的威胁，所以需要尽量降低固井工程中所用水泥浆的水化热释放。

关于水泥水化热的准确测定问题，我国已经有了相应的国家标准GB/T 12959-2008《水泥水化热测定方法》，国内外的相关单位也研制了许多测定水泥水化热的实验装置，比如一种水泥水化热测定仪（CN 211905172 U），此装置基于国家标准中的直接法设计，加强了对温度的控制和时间的测量。但该装置仅适用于常温条件下，且没有考虑压力的影响，有一定的局限性；水泥水化热测定装置（CN 108445043 A），此装置基于国家标准中的溶解热法设计，加强了温度读取时的准确性，避免了开合釜盖时引起的温度测量位置的变化，同时自动读取温度数据，无需实验操作员读数，减少了实验误差和实验人员的工作量，但该装置只适用于常温情况下，且没有考虑压力的影响，无法用于低温固井水泥浆水化热的精确测量。

这些装置都试图对水泥水化热进行准确的测试，但测试条件均存在一定的局限性，无法应用在低温高压条件下的水泥水化热测试。因此，研发一套模拟深水低温固井用水泥浆体系水化热的测试装置，更科学地测试对比低温高压条件下低水化热水泥浆体系的水化热释放情况，成为当务之急。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温固井用水泥浆体系水化热测定装置，该装置基于GB/T 12959-2008《水泥水化热测定方法》的直接法，原理可靠，结构合理，测试过程十分灵活，容错率高，能够同时满足水泥浆的低温高压养护以及精准测试对比固井水泥浆体系在各个水化阶段的水化热释放情况及差异。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种低温固井用水泥浆体系水化热测定装置，主要由低温恒温水浴、制冷系统、温度控制系统、压力系统以及数据收集处理系统等组成。

所述低温恒温水浴包括隔热性能极好的隔热板、隔热层、搅拌装置、循环管道以及带有进排水口和溢水口的低温恒温水箱。

所述制冷系统包括压缩机、蒸发器、冷凝器、过滤器以及膨胀阀，为了更好保持恒温水浴中温度场的均一稳定，采用上下两组蒸发器对水体进行均匀制冷。

所述温度控制系统包括水体中吸附式温度传感器、循环管道、搅拌装置和制冷系统，循环管道和搅拌装置促进水体循环流动，维持温度场均一稳定，吸附式温度传感器可根据实验要求吸附固定在釜体或箱体表面，实时测定该点温度，使用方式更加灵活。

所述压力系统包括高压釜体、高压釜盖、空气压缩机、压缩空气进口、压缩空气进气阀和压缩空气高压泄压阀。

所述数据收集处理系统包括吸附式温度传感器、热电偶、压力传感器、数字显示操作仪和计算机。

与现有技术相比，本发明具有以下增益效果：

（1）测量方式简单，实验结果在数据采集处理系统即可得到直接的水化热放热曲线；

（2）对比性较好，能够直接对比不同水泥浆体系不同水化阶段水化热的释放差值，判断水泥浆体系能否满足施工要求；

（3）扩展了水泥水化热测试温度范围，最低养护温度可达零下23 ℃，精准模拟低温固井时的低温高压条件，提供固井安全判断途径；

（4）结构设计安全可靠,在高压条件（60 MPa）下可以稳定运行。

本发明可用于模拟低温固井过程中水泥浆体在地层下的低温高压水化放热条件下水化热的释放情况，尤其适用于一些低温高压伴生天然气水合物的地层，能够有效避免因水泥水化热释放过多导致天然气水合物分解而引起的工程事故，造成环境污染，影响开采作业。

附图说明

图1为一种低温固井用水泥浆体系水化热测定装置结构示意图。

图中：1—隔热层，2—进排水口，3—搅拌器，4—低温恒温水箱，5—循环管道，6—隔热布，7—高压釜体，8—蒸发器，9—吸附式温度传感器，10—溢水口，11—三角支架，12—固定螺母，13—固定螺杆，14—低温恒温水箱盖，15—隔热板，16—水泥浆杯固定支架，17—水泥浆杯，18—高压釜盖，19—压力传感器，20—数字显示操作仪，21—过滤器，22—膨胀阀，23—冷凝器，24—空气压缩机，25—计算机，26—压缩机，27—压缩空气进气阀，28—固定螺纹，29—进气压力表，30—高弹性橡胶垫，31—压缩空气进口，32—排水口，33—排气压力表，34—压缩空气高压泄压阀，35—铜套管，36—热电偶，37—中空螺柱。

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。

参看图1。

一种低温固井用水泥浆体系水化热测定装置，由低温恒温水浴、制冷系统、压力系统、温度控制系统以及数据收集处理系统组成。

所述低温恒温水浴包括低温恒温水箱4、搅拌器3、循环管道5和压缩空气进口31，低温恒温水箱顶部通过固定螺母12和固定螺杆13的组合固定低温恒温水箱盖14，低温恒温水箱4周围安装隔热层1，水箱盖通过水箱侧上壁的三角支架11固定隔热板15，低温恒温水箱4内设置搅拌器3，不同位置根据需求固定吸附式温度传感器9，底部设置压缩空气进口31，同时侧壁上部有溢水口10，下部有进排水口2，二者通过循环管道5连接，循环管道5外包覆有隔热布6阻止热量传递，循环管道和搅拌器促进水体循环流动，维持温度场均一稳定。低温恒温水箱中所用溶液为乙二醇与水的混合物，其中乙二醇约占45%，该混合物的冰点约为-27 ℃。

所述制冷系统包括压缩机26、蒸发器8、过滤器21、膨胀阀22和冷凝器23，蒸发器8位于低温恒温水箱内对水体进行均匀制冷，为了更好保持恒温水浴中温度场的均一稳定，采用上下两组蒸发器8。压缩机26将制冷剂送入蒸发器中，吸收环境热量使得低温恒温水箱4中的溶液降温达到设定温度，制冷剂经过滤器21干燥后进入冷凝器23释放热量，然后进入压缩机26中开始下一次循环。

所述压力系统包括高压釜体7、高压釜盖18、压力传感器19和空气压缩机24，高压釜体7、高压釜盖18及低温恒温水箱4的底部均由16MnDR低温压力容器钢板制备而成，高压釜体7通过固定螺纹28固定于低温恒温水箱4底部，高压釜体7与低温恒温水箱4连接处通过高弹性橡胶垫30密封，高压釜体7内壁分布压力传感器19，空气压缩机24通过进气阀27、进气压力表29连接压缩空气进口31，高压釜体7底部设置排水口32，空气压缩机24的管线上设置排气压力表33和泄压阀34；高压釜体7内通过固定支架16固定水泥浆杯17，水泥浆杯17内有铜套管35包覆的热电偶36，热电偶穿过高压釜盖的中空螺柱37和低温恒温水箱盖14，连接数字显示操作仪20和计算机25。所述高压釜体7和高压釜盖18外表面均涂有10 mm厚的隔热涂料防止高压釜内的热量与外界连通。

所述温度控制系统包括吸附式温度传感器9、膨胀阀22、数字显示操作仪20和计算机25，吸附式温度传感器9实时测量低温恒温水箱4中的温度，计算机通过数字显示操作仪20控制制冷系统的膨胀阀22，膨胀阀22控制制冷剂流量大小来控制温度。

所述数据收集处理系统包括吸附式温度传感器9、热电偶36、压力传感器19、数字显示操作仪20和计算机25，吸附式温度传感器9、热电偶36及压力传感器19收集到的数据传输到数字显示操作仪20经过转换后再传输到计算机25，由相应软件处理后输出最终结果。

利用上述装置进行低温固井用水泥浆体系水化热测定，过程如下：

实验开始前打开制冷系统，将防冻液添加至高压釜体7的2/3处，保持高压釜体7的开放，打开计算机25上的水化热测试软件，打开实验参数设置菜单，设定好实验温度，放置隔热板15，盖上低温恒温水箱盖14，拧紧固定螺母12，在计算机25上点击预制冷按钮开始进行预制冷，到达设定实验温度后，根据API标准配浆，配制完成后，打开低温恒温水箱盖14，取出隔热板15，向水泥浆杯17中倒入300 ml水泥浆体，将铜套管35插入水泥浆体中，将热电偶36从中空螺柱37中穿过，放入铜套管35中，此时中空螺柱37固定在高压釜盖18上但并未拧紧，旋紧高压釜盖18，拧紧中空螺柱37，打开压缩空气进气阀27，注意进气压力表29的读数，确认无误后关闭压缩空气进气阀27，实验过程中需多次定时检查进气压力表29的读数，向低温恒温水箱4中添加防冻液直至没过高压釜盖18，放置隔热板15，盖上低温恒温水箱盖14，拧紧固定螺母12，检查无误后，在计算机25上的水化热测试软件上点击开始按钮，开始进行实验。

实验完成后，关闭制冷系统，打开压缩空气高压泄压阀34，时刻注意排气压力表33，待压力降低至常压后，缓慢拧松螺母12，打开低温恒温水箱盖14，取出隔热板15放置一旁，等待防冻液温度恢复室温防止冻伤，取出多余防冻液至容器中等待下次使用，缓慢拧开中空螺柱37，取出热电偶36，打开高压釜釜盖18，取出水泥浆杯17和铜套管35，关闭操作界面。

Claims (6)

1.一种低温固井用水泥浆体系水化热测定装置，由低温恒温水浴、制冷系统、压力系统、温度控制系统以及数据收集处理系统组成，其特征在于，所述低温恒温水浴包括低温恒温水箱（4）、搅拌器（3）、循环管道（5）和压缩空气进口（31），低温恒温水箱顶部通过固定螺母和固定螺杆的组合固定低温恒温水箱盖（14），低温恒温水箱周围安装隔热层（1），水箱盖通过水箱侧上壁的三角支架（11）固定隔热板（15），低温恒温水箱内设置搅拌器（3），不同位置根据需求固定吸附式温度传感器（9），底部设置压缩空气进口（31），同时侧壁上部有溢水口（10），下部有进排水口（2），二者通过循环管道（5）连接，循环管道外包覆有隔热布（6）阻止热量传递；所述制冷系统包括压缩机（26）、蒸发器（8）、过滤器（21）、膨胀阀（22）和冷凝器（23），上下两组蒸发器位于低温恒温水箱内对水体进行均匀制冷；所述压力系统包括高压釜体（7）、高压釜盖（18）、压力传感器（19）和空气压缩机（24），高压釜体（7）通过固定螺纹固定于低温恒温水箱(4)底部，高压釜体与低温恒温水箱连接处通过高弹性橡胶垫（30）密封，高压釜体内壁分布压力传感器（19），空气压缩机（24）通过进气阀（27）、进气压力表（29）连接压缩空气进口（31），高压釜体底部设置排水口（32），空气压缩机的管线上设置排气压力表（33）和泄压阀（34）；高压釜体内通过固定支架（16）固定水泥浆杯（17），水泥浆杯内有铜套管（35）包覆的热电偶（36），热电偶穿过高压釜盖的中空螺柱（37）和低温恒温水箱盖（14），连接数字显示操作仪（20）和计算机（25）；所述温度控制系统包括吸附式温度传感器（9）、膨胀阀（22）、数字显示操作仪（20）和计算机（25）；所述数据收集处理系统包括吸附式温度传感器（9）、热电偶（36）、压力传感器（19）、数字显示操作仪（20）和计算机（25）。

2.如权利要求1所述的一种低温固井用水泥浆体系水化热测定装置，其特征在于，低温恒温水箱中所用溶液为乙二醇与水的混合物，其中乙二醇约占45%，该混合物的冰点约为-27 ℃。

3.如权利要求1所述的一种低温固井用水泥浆体系水化热测定装置，其特征在于，所述上下两组蒸发器位于低温恒温水箱内对水体进行均匀制冷，是指压缩机将制冷剂送入蒸发器中，吸收环境热量使得低温恒温水箱中的溶液降温达到设定温度，制冷剂经过滤器干燥后进入冷凝器释放热量，然后进入压缩机中开始下一次循环。

4.如权利要求1所述的一种低温固井用水泥浆体系水化热测定装置，其特征在于，所述高压釜体、高压釜盖及低温恒温水箱的底部均由16MnDR低温压力容器钢板制备而成。

5.如权利要求1所述的一种低温固井用水泥浆体系水化热测定装置，其特征在于，所述高压釜体和高压釜盖外表面均涂有10 mm厚的隔热涂料防止高压釜内的热量与外界连通。

6.如权利要求1所述的一种低温固井用水泥浆体系水化热测定装置，其特征在于，所述吸附式温度传感器实时测量低温恒温水箱中的温度，计算机通过数字显示操作仪控制制冷系统的膨胀阀，膨胀阀控制制冷剂流量大小来控制温度。

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