CN1885034A - 水泥浆脉冲振动试验仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水泥浆液压脉冲振动试验仪，涉及利用脉冲振动对水泥浆进行凝固参数测试。该试验仪包括试验井筒16、循环系统、脉冲振动系统、加热系统、加压系统。其中所述试验井筒16包括套在一起的模拟井眼14和模拟套管15，模拟井眼14的外径大于模拟套管15的外径，模拟井眼14的内壁与模拟套管15的外壁间形成环形空腔；该试验仪通过循环系统所述环形空腔内的水泥浆进行循环补充；并通过脉冲振动系统、加热系统、加压系统给所述环形空腔内的水泥浆在一定温度、时间、压力下给予特定振动频率、振动振幅的振动，对振动后的水泥浆进行各项性能的检测，将其与不振动或其他振动参数下的性能进行对比，从而找出在模拟实际固井情况下，促进水泥浆固化后获得最佳性能的各种参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测水泥浆参数的试验仪器，进一步地说是涉及检测产生脉冲振动压力下的水泥浆凝固参数的试验仪器。
背景技术
《固井用井下水力振动发生器》专利申请号ZL98238548.X。这是一种实用新型专利，“用于改善石油钻井固井质量的井下水力脉冲振动发生器”，在流体冲击力的作用下，振动器的转子旋转，着重于将水力脉冲压力转化成振动机械能，是脉冲振动在现场固井中的应用；其为生产工具，非测量评价仪器。
《水力脉冲发生器》专利申请号CN86108271A。这是一种水力脉冲发生器，利用压缩空气作为动力，推动空心活塞的运动，压缩导管中的水，通过喷嘴形成高压水射流。用于采矿工业和水力工程中，利用高压脉冲射流破碎岩石，也可以用于电力工程清洗热电厂的锅炉设备，是脉冲振动在实际生产当中的应用。由于闭式排水腔室与振动发生器空心活塞的内腔和管路的内腔相连，其中的压力随着低压波的到达不能连续地增长，其压力数值低于输入压力。
《单向通道回转型液压脉冲发生器》专利申请号CN87214188U。这是一种回转型液压脉冲发生器，利用转子、定子上开的油槽或油口，使压力油在脉冲发生器内不断改变通道，从而获得单向通道的压力油脉冲。该设备不具备整体工作的能力，仅是将液压油的压力转化成机械能的一个部件。
发明内容
本发明的目的是：提供一种液压脉冲振动试验仪，能产生脉冲振动压力，模拟使用水泥浆固井施工时的工作状况，从而测试与固井施工有关的水泥浆参数。
本发明所提供的水泥浆脉冲振动试验仪，包括试验井筒、循环系统、脉冲振动系统、加热系统、加压系统等。
其中所述试验井筒包括模拟井眼和模拟套管。模拟井眼和模拟套管为套在一起并相互固定的两个筒状结构，模拟井眼的外径大于模拟套管的外径。模拟井眼的内壁与模拟套管的外壁间形成环形空腔。环形空腔的上端设有水泥浆出口，下端设有水泥浆进口，试验时水泥浆从下往上注满环形空间。本发明所述的这种试验井筒结构是对实际油井的井身结构按比例缩小来模拟的，从而能够更好的模拟现场固井的实际环境。
以上所述模拟井眼与模拟套管的固定方式可采用现有技术中已有的套管间的固定方式。在本发明中优选采用在模拟井眼与模拟套管间间的环形空腔的上下两端设置上套管定位环和下套管定位环，将模拟套管固定在模拟井眼内。所述套管定位环在垂直于环轴线的横截面上为镂空结构，例如遍布通孔或定位环由内外环及两环间的支撑筋构成等结构，可使试验中的水泥浆在环形空腔内流动畅通。
本发明提供的试验仪中，所述循环系统包括循环泵、水泥浆桶等。循环泵(1)将水泥浆从水泥浆桶(2)中抽出，并通过连接管线将水泥浆从试验井筒(16)的环形空腔下端的水泥浆进口注入，水泥浆灌满所述环形空腔后通过管线从环形空腔上端的水泥浆出口流回水泥浆桶(2)中，进行循环。待模拟固井作业条件，使水泥浆在循环系统中循环一定时间后，将水泥浆进出口的阀门关闭，即可开始脉冲振动的试验。水泥浆流通的管线与所述环形空腔的水泥浆进出口均为可拆卸式连接。当试验结束后，将所述环形空腔的水泥浆进口与管线拆开，打开阀门就可将试验过的水泥浆泄出。待水泥浆清理完毕后，再将管线和水泥浆进口连接，然后通过循环泵对环形空腔中的水泥浆进行循环补充，便于进行下一次试验。
本发明提供的试验仪中，所述脉冲振动系统包括脉冲发生器，脉冲发生器通过与模拟井眼、模拟套管间的环形空腔上端相通的压力管线，给所述环形空腔中的水泥浆施加脉冲压力振动信号。
以上所述的脉冲发生器可采用现有技术中已有的各种可用于本发明场合的脉冲发生器。在本发明中优选的脉冲振动系统包括电动机、凸轮(即偏心轮)、液压缸等。所述凸轮以其轴心垂直固定在电动机的主轴上，液压缸的泵活塞的端面与凸轮外缘相接触。液压缸通过液压管线与所述试验井筒的环形空腔上端相连。当电动机带动凸轮转动时，凸轮就推动泵活塞往复运动，对液压缸内的液压油产生脉冲压力，利用液压油将产生的液压脉冲振动信号通过液压管线作用在所述环形空腔内的水泥浆上。脉冲振动的振幅可通过替换不同偏心距的凸轮来调节。由于利用液压产生脉冲振动，为了防止所述环形空腔中的水泥浆与液压油接触，故此在所述环形空腔上端与液压管线连接处的内部设置有隔膜挡圈。在脉冲振动系统对水泥浆实施脉冲振动时，隔膜挡圈对所述环形空腔进行动态密封，将液压缸内的液压油与环形空腔内的水泥浆隔离开来。
本发明提供的试验仪中，所述加热系统包括设置在试验井筒上的加热装置，对环形空腔中的水泥浆进行加热。所述加热装置可采用现有技术中已有的各种可适用本发明的加热装置。本发明中优选在模拟套管外壁上设置加热套，以保证对环形空腔内的水泥浆的加热和保温的效果。
本发明提供的试验仪中，所述加压系统包括压力装置，对模拟井眼与模拟套管间的环形空腔加压。所述的压力装置可采用现有技术中已有的压力装置。在本发明中压力装置优选高压氮气罐。将高压管线连接高压氮气罐和所述试验井筒内模拟井眼与模拟套管间的环形空腔的上端，通过高压氮气瓶可以对模拟井眼与模拟套管形成的环形空腔内的水泥浆加压。压力由设置在高压氮气罐上的压力调节阀控制。
本发明提供的试验仪中，所述的各种实验参数包括温度、压力、脉冲信号等的控制可通过一些自动控制手段来完成。因此本发明的试验仪还可以包括控制采集系统。
所述控制采集系统包括控制面板及以下装置：
①变频器：设置在控制面板上，并与脉冲振动系统的脉冲发生器相连接：所述脉冲振动系统的脉冲信号发生频率由变频器控制，频率数据直接显示在控制面板上的变频器上；
②自动温控器：设置在控制面板上，并与所述加热系统的加热装置相连接；由自动温控器控制所述加热装置的加热来调节试验井筒内水泥浆的温度，温度数据显示在控制面板上的自动温控器上；
③压力表：设置在控制面板上，并与所述试验井筒的环形空腔相连接；通过压力表测定所述环形空腔内的初始压力值以及由脉冲振动压力带来的波动压力值，并显示在控制面板上的压力表上。压力的波动值可间接的视为脉冲振动的振幅。
在本发明的水泥浆脉冲振动试验仪的优选方案中，所述的变频器与所述脉冲振动系统的脉冲发生器中的电动机相连接，通过控制电动机的转动频率来控制脉冲信号的频率；所述自动温控器与所述加热装置中设置在模拟套管外壁上的加热套相连接。
以上所述变频器的频率的调整范围为大于0.0Hz、小于等于50.0Hz；当试验的外部环境温度小于试验要求温度时，温控器可将井筒升温到所需温度，温度调整范围在0℃至200.0℃。(比如当外部环境温度低于0℃时，温控器可将井筒升温到0℃及以上，最高不超过200℃)。
本发明试验仪中的可调速电机、凸轮、液压缸、变频器、加热套、自动温控器、压力表等仪器设备均可采用现有技术中已有的各种相关仪器设备等。一般可选用频率分辨率为0.1Hz的变频器、温度控制精度达到0.1℃的温度控制器。
利用本发明试验仪进行水泥浆脉冲振动试验，其脉冲振动的频率优选为0.5～6Hz，振幅为0.2～0.4MPa(振幅可靠替换不同偏心距的凸轮来调节)、实验温度优选为20℃至95℃。试验中首先将试验井筒内的加热套升温至所需温度，然后对水泥浆进行模拟循环，待循环一定时间后将水泥浆进出口的阀门关闭，停止循环(或先将水泥浆进行模拟循环，同时将所述加热套升温，待浆体温度达到所需温度和/或时间时停止循环)。之后对模拟井眼与模拟套管构成的环形空腔中的水泥浆施加压力及脉冲压力信号，一定时间后检测水泥浆的各项性能。根据具体实验，实验前后水泥浆性能对比情况如表1：
表1
| 水泥浆配方 | 密度(g/cm3) | ||||||
| 56％体积嘉华G级水泥+44％体积水 | 1.90 | ||||||
| 压力脉冲振动条件 | 实验温度 | 凝结时间(初、终凝过渡时间)min | 24小时强度(MPa) | ||||
| 序号 | 初始压力 | 振幅 | 频率 | 振时 | |||
| 1 | 0.1MPa | 0 | 0 | 0 | 50℃ | 115(24) | 16.8 |
| 2 | 3MPa | 0.2MPa | 1Hz | 30min | 50℃ | 109(22) | 15.9 |
| 3 | 3MPa | 0.2MPa | 1Hz | 30min | 50℃ | 107(22) | 16.4 |
| 4 | 3MPa | 0.2MPa | 1.5Hz | 50min | 50℃ | 110(18) | 16.9 |
| 5 | 2MPa | 0.2MPa | 2Hz | 30min | 50℃ | 112(26) | 20.5 |
| 6 | 2MPa | 0.2MPa | 2.5Hz | 60min | 50℃ | 112(16) | 17.7 |
| 7 | 2MPa | 0.2MPa | 3Hz | 60min | 50℃ | 119(21) | 21.4 |
| 8 | 2MPa | 0.2MPa | 6Hz | 90min | 50℃ | 116(19) | 19.9 |
注：序号1的实验数据是在非振动条件下测得的；嘉华G级水泥通过市售获得。
以上所做的实验标准如下：《中华人民共和国国家标准GB/T19139-2003》的《油井水泥试验方法》中的抗压强度试验7.2.5、7.5.1-7.5.3、7.6.2.2；油井模拟稠化时间试验符合标准9.1-9.4.5；流变性能的测定符合：12.4.1-12.4.9。
实验分析：取其各振动条件下所得到的性能参数值的平均值，与不振动条件下的性能参数对比，结果是，水泥石的抗压强度提高
了9.4％；水泥浆的凝结时间缩短了2.5％，初终凝结过渡时间缩短了14.3％。由此可见用本试验仪实验，能够模拟实际固井条件，对水泥浆的凝固情况能够较准确的反映出来，对实际固井过程中合理调整工艺参数有很大的指导意义。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
图1是水泥浆液压脉冲振动试验仪的结构示意图；
图2是试验井筒的结构示意图；
图3是脉冲发生器结构示意图。
具体实施方式
图1是水泥浆液压脉冲振动试验仪的结构图。它包括试验井筒16、脉冲振动系统、控制采集系统、循环系统、加热系统、加压系统等六个部分组成。其主要功能是模拟现场固井过程中，对注入试验井筒16的环形空腔中的水泥浆施加一定频率、一定振幅及一定时间的液压脉冲，然后检测水泥浆固化后各项性能指标。
具体如图1、2所示试验井筒16包括上胶管接头26(水泥浆出口)、胶管截止阀17、三通20、上截止阀21、高压管线12、液压管线10、隔膜挡圈25、模拟井眼14、模拟套管15、上套管定位环23、下套管定位环24、下截止阀18、直角弯头22和下胶管接头9(水泥浆进口)。其中：
模拟井眼14和模拟套管15为套在一起的两个筒状结构，模拟井眼14的外径大于模拟套管15的外径，模拟井眼14的内壁与模拟套管15的外壁间形成环形空腔，从而按比例模拟了实际油井的井身结构。模拟井眼14和模拟套管15之间形成环形空腔，环形空腔与上截止阀21和下截止阀18相通，上胶管接头26与胶管截止阀17的一端螺纹连接，截止阀17的另一端与三通20的中间口螺纹连接，三通20的上端口与高压管线12连接，三通20的下端口与上截止阀21的出口螺纹连接，上截止阀21的入口与试验井筒16螺纹连接。试验井筒16的环形空腔上端与液压管线10(见图2)连接处的上截止阀21内设置有隔膜挡圈隔膜挡圈25，在施加振动时隔膜挡圈25封盖住模拟井眼14和模拟套管15形成的环形空腔。套管定位环23和下套管定位环24将模拟套管15固定在试验井筒14内，套管定位环由内外环及两环间的支撑筋构成。下截止阀18的出口与试验井筒14的下端螺纹连接，下截止阀18的入口与直角弯头22的一端螺纹连接，直角弯头22的另一端与下胶管接头9螺纹连接。
为了模拟固井过程中，水泥浆在环形空腔中的实际运动情况，本发明试验仪设置了循环系统。具体如图1所示所述循环系统包括循环泵1、水泥浆桶2和连接管线。循环泵1的入口经连接管线同水泥浆桶2接通，循环泵1的出口经连接胶管同下胶管接头9管路接通。软管线11一端连接上胶管接头26与模拟井眼14模拟套管15间的环形空腔上端相通，另一端连接水泥浆桶2。试验时，将水泥浆倒入水泥浆桶2里，由循环泵1抽入，通过连接管线和下胶管接头9从模拟井眼14与模拟套管15间的环形空腔下端注入。待水泥浆注满后后从环形空腔上端通过软管线11流回水泥浆桶2中，之后将上、下截止阀21、18关闭，即可开始加压及脉冲振动。循环中可同时升温，也可先将所述环形空腔加热到所需温度，再进行模拟井下的循环。水泥浆流通的管线与所述环形空腔的上下胶管接头(即水泥浆进出口)均为可拆卸式连接。当试验结束后，将所述环形空腔的下胶管接头与管线拆开，打开下截止阀18就可将试验过的水泥浆泄出。待水泥浆清理完毕后，再将下胶管接头与管线连接，然后通过循环泵对环形空腔中的水泥浆进行循环补充，便于进行下一次试验。
为了给试验井筒内的水泥浆加压，本发明试验仪设置了加压系统。具体如图1所示所述加压系统包括高压氮气瓶、高压管线12、放气阀和截止阀等组成。高压管线12连接高压氮气瓶和模拟井眼14与模拟套管15形成的环形空腔的上端。通过高压氮气瓶可以对模拟井眼14与模拟套管15形成的环形空腔加压。压力由设置在高压氮气罐上的压力调节阀控制。
为了给试验井筒16提供稳定且可调的振动频率及振动振幅，本发明试验仪设置了脉冲振动系统。具体如图1、3所示所述脉冲振动系统包括脉冲发生器及管线等。所述脉冲发生器包括电动机3、凸轮7、液压缸6等。凸轮7以其轴心垂直固定在电动机3的电机轴29上，液压缸6的泵活塞27的端面与凸轮7的外缘相接触，泵活塞上设置有使泵活塞复位的弹簧28。液压缸6通过液压管线10与所述试验井筒16的环形空腔上端相连。当电动机3带动凸轮7转动时，凸轮7就推动泵活塞27往复运动产生脉冲压力，由此发出液压脉冲振动信号通过液压管线10作用在所述环形空腔内的水泥浆上；并由所述环形空腔上端与液压管线10连接处内部设置的隔膜挡圈25将液压油与水泥浆隔离，实行动态密封。
为了保证试验井筒16内的温度可调且恒定，可进一步研究水泥浆性能在不同温度环境中的变化情况，本发明试验仪设置了加热系统。具体如图1所示所述加热系统包括温度控制器和设置在模拟套管15外壁上的加热套等。把温度控制器设定到某一数值，打开加热开关，可对环形空腔中的水泥浆进行加热到目标温度。
为了使本发明试验仪的试验操作可自动控制。本发明试验仪设置了控制采集系统。其包括控制面板4及以下装置：
①变频器：采用频率分辨率为0.1Hz的变频器控制所述脉冲振动系统中电动机3的转动频率，从而控制脉冲信号发生频率；变频器设置在控制面板4上，并与所述脉冲发生器的电动机3相连接；变频器频率的调整范围为大于0.0Hz、小于等于50.0Hz：频率数据直接显示在控制面板4上的变频器上；
②自动温控器：采用温度控制精度达到0.1℃的自动温控器控制所述加热装置的加热来调节试验井筒内内水泥浆的温度；自动温控器设置在控制面板4上，并与所述加热系统的加热套相连接；调整范围为0.0～200.0℃；温度数据显示在控制面板4上的自动温控器上；
③压力表：设置在控制面板4上，并与试验井筒16的环形空腔相连接；其中脉冲压力表19测定环空压力和振动时的压力振幅；初始压力表5测定由压力系统施加给所述环形空腔内的压力，即试验的初始压力值；所述压力数据均显示在控制面板4上的脉冲压力表19和初始压力表5上。
本发明的试验仪进行实验的情况如下：当配置好水泥浆后，将其倒入水泥浆桶2内，通过循环泵1将水泥浆桶2中的水泥浆泵入模拟井眼14与模拟套管15形成的环形空腔中，水泥浆经软管线11可流回水泥浆桶2而形成无限循环(试验中可首先将试验井筒内的加热套升温至所需温度，然后对水泥浆进行模拟循环；也可先将水泥浆进行模拟循环，同时将所述加热套升温，待浆体温度达到所需温度和/或时间时停止循环)。当进行脉冲振动试验时，关闭循环泵1、试验井筒16的下截止阀18及上截止阀21使模拟井眼14与模拟套管15形成的环形空腔中充满水泥浆；通过高压氮气瓶及高压管线12对所述环形空腔的水泥浆施压；启动电动机3带动液压缸6，液压缸6推动液压油产生脉冲振动，通过液压管线10，使脉动的液压油作用于模拟井眼14与模拟套管15形成的环形空腔中的水泥浆上。在一定的振动频率、振动振幅及振动时间后，对振动后的水泥浆进行各项性能的检测，与不振动或其他振动参数下的性能进行对比，从而找出促进水泥浆固化后获得最佳性能的各种参数。
Claims (8)
1.一种水泥浆脉冲振动试验仪，包括试验井筒(16)、循环系统、脉冲振动系统、加热系统、加压系统，其特征在于：
所述试验井筒(16)包括模拟井眼(14)和模拟套管(15)，模拟井眼(14)和模拟套管(15)为套在一起并相互固定的两个筒状结构，模拟井眼(14)的外径大于模拟套管(15)的外径，模拟井眼(14)的内壁与模拟套管(15)的外壁间形成环形空腔；环形空腔的上端设有水泥浆出口，下端设有水泥浆进口；
所述循环系统包括循环泵(1)、水泥浆桶(2)，循环泵(1)将水泥浆从水泥浆桶(2)中抽出，并通过连接管线将水泥浆从试验井筒(16)的环形空腔下端的水泥浆进口注入，水泥浆灌满所述环形空腔后通过管线从环形空腔上端的水泥浆出口流回水泥浆桶(2)中，进行循环；
所述脉冲振动系统包括脉冲发生器，脉冲发生器通过与模拟井眼(14)与模拟套管(15)间的环形空腔上端相通的压力管线，给所述环形空腔中的水泥浆施加脉冲振动压力信号；
所述加热系统包括设置在试验井筒(16)上的加热装置，对环形空腔中的水泥浆进行加热；
所述加压系统包括压力装置，通过压力管线对模拟井眼(14)与模拟套管(15)间的环形空腔中的水泥浆加压。
2.根据权利要求1所述的水泥浆脉冲振动试验仪，其中所述试验井筒(16)包括上套管定位环(23)和下套管定位环(24)，上套管定位环(23)和下套管定位环(24)设置在模拟井眼(14)与模拟套管(15)间的环形空腔的上下两端，将模拟套管(15)固定在模拟井眼(14)内；所述套管定位环在垂直于环轴线的横截面上为镂空结构。
3.根据权利要求1所述的水泥浆脉冲振动试验仪，其中所述脉冲振动系统中的脉冲发生器包括电动机(3)、凸轮(7)、液压缸(6)，凸轮(7)以其轴心垂直固定在电动机(3)的主轴上，液压缸(6)的泵活塞(27)的端面与凸轮(7)外缘相接触，液压缸(6)通过液压管线(10)与所述试验井筒(16)的环形空腔上端相连；当电动机(3)带动凸轮转动时，凸轮就推动泵活塞往复运动产生脉冲压力，由此发出液压脉冲振动信号，并通过液压管线(10)作用在所述环形空腔内的水泥浆上；在所述环形空腔上端与液压管线(10)连接处的内部设置有隔膜挡圈(25)，在脉冲振动系统对水泥浆实施脉冲振动时，隔膜挡圈(25)对所述环形空腔进行动态密封。
4.根据权利要求1所述的水泥浆脉冲振动试验仪，其中所述加热系统包括设置在模拟套管(15)外壁上的加热套。
5.根据权利要求1所述的水泥浆脉冲振动试验仪，其中所述加压系统的压力装置包括高压氮气罐及高压管线(12)，高压管线(12)连接高压氮气罐和试验井筒(16)内模拟井眼(14)与模拟套管(15)间的环形空腔的上端，通过高压氮气罐对模拟井眼(14)与模拟套管(15)形成的环形空腔内的水泥浆加压，压力由设置在高压氮气罐上的压力调节阀控制。
6.根据权利要求1～5之任一项所述的水泥浆脉冲振动试验仪，其中包括控制采集系统，控制采集系统包括控制面板(4)及以下装置：
①变频器：设置在控制面板(4)上，并与脉冲振动系统的脉冲发生器相连接；所述脉冲振动系统的脉冲信号发生频率由变频器控制，频率数据直接显示在控制面板(4)上的变频器上；
②自动温控器：设置在控制面板(4)上，并与所述加热系统的加热装置相连接；由自动温控器控制所述加热装置的加热来调节试验井筒内(16)内水泥浆的温度，温度数据显示在控制面板(4)上的自动温控器上；
③压力表：设置在控制面板(4)上，并与所述试验井筒(16)的环形空腔相连接；通过压力表测定所述环形空腔内的初始压力值以及由脉冲振动压力带来的波动压力值，并显示在控制面板(4)上的压力表上。
7.根据权利要求6所述的水泥浆脉冲振动试验仪，其中所述的变频器与所述脉冲振动系统的脉冲发生器中的电动机(3)相连接；所述自动温控器与所述加热装置中设置在模拟套管(15)外壁上的加热套相连接。
8.根据权利要求6所述的水泥浆脉冲振动试验仪，其中所述变频器的频率的调整范围为大于0.0Hz、小于等于50.0Hz；所述自动温控器的温度调整范围为0.0～200.0℃。
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