CN112782275B - 一种用于泡沫水泥的声速特性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的声速特性的评价装置，包括：高温高压釜；安放在高温高压釜内的缸体；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、径向对称地设置的声波发射极和声波接收极；其中，高温高压釜能够调节设定不同的温度与压强，信号采集单元能够以预定采样频率实时采集所述泡沫水泥的温度、压强和所述声波发射极发射信号与声波接收极接收信号的时差，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的声速特性。本发明还提供了一种用于泡沫水泥的声速特性的评价方法。

Description

一种用于泡沫水泥的声速特性的评价装置及评价方法
技术领域
本发明涉及固井用泡沫水泥的性能检测技术领域，具体地，涉及一种用于泡沫水泥的声速特性的评价装置。本发明还涉及一种用于泡沫水泥的声速特性的评价方法。
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或泡沫水泥石。然而，由于新型的泡沫水泥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。
泡沫水泥的这种压缩性使得泡沫水泥相比较于常规固井水泥浆体在声学特性上表现出不一样的属性，其对固井施工影响较大。然而，现有技术中对于泡沫水泥的固井质量检测仍然沿用与常规固井相同的检测方法和标准，也没有建立起来针对泡沫水泥的声学测井标准。
因此，亟需一种能够在特定温度和压力下对泡沫水泥的声速特性进行评价的装置及方法，这对泡沫水泥的固井质量检测显得尤为重要。
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的声速特性的评价装置，该评价装置能够对处于一定温压下的不同体系，不同含气比例的，不同声学信号的泡沫水泥的声速特性进行评价，并且，对泡沫水泥状态或最后的泡沫水泥石状态或中间的胶凝过渡状态，都能够对泡沫水泥的声密度特性实时连续进行监测与评价。
本发明还提供了一种用于泡沫水泥的声速特性的评价方法。
为此，根据本发明的第一方面，提出了一种用于泡沫水泥的声速特性的评价装置，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；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的参数的信号采集单元，其包括温度传感器、压力传感器、径向对称地设置在所述缸体的内壁中的声波发射极和声波接收极，所述温度传感器、所述压力传感器、所述声波发射极和所述声波接收极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以预定采样频率实时采集所述泡沫水泥的温度、压强和所述声波发射极发射信号与所述声波接收极接收信号的时差，并传递给所述外部计算机进行计算分析，从而得到待评价的所述泡沫水泥的声速特性。
在一个优选的实施例中，所述声波发射极和所述声波接收极相对地设置在所述缸体内壁上，且所述声波发射极和所述声波接收极的探头设置成中心同轴且处于同一水平面内，
其中，所述声波接收极用于接收所述声波发射极发射并经过泡沫水泥传递的信号，并及时向所述外部计算机反馈以采集所述时差。
在一个优选的实施例中，所述声波发射极和所述声波接收极设置在处于所述缸体的三分之一高度到二分之一高度的范围内。
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的声速特性的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供如上所述的评价装置；
根据预定混合比制备泡沫水泥，将制备完成的所述泡沫水泥倒入所述缸体，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进行加热加压至预设温度和预设压力，通过所述信号采集单元以预定采样频率实时采集所述泡沫水泥的温度、压强和所述声波发射极发射信号与所述声波接收极接收信号的时差，并传递给所述外部计算机；
根据采集的所述声波发射极发射信号与所述声波接收极接收信号的时差计算所述泡沫水泥的声速，进而计算得到所述泡沫水泥处于不同的预设温度和预设压力状态下的相应的声速，从而得到所述配比下的泡沫水泥在不同温度和压力下的声速随时间的变化曲线。
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，以与所述外部计算机连接。
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是根据本发明的用于泡沫水泥的声速特性的评价装置处于初始状态下的示意图。
图2是根据本发明的用于泡沫水泥的声速特性的评价装置处于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是根据本发明的用于泡沫水泥的声速特性的评价装置处于初始状态下的示意图。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。其中，泡沫水泥包括浆体状态的泡沫水泥浆和凝固状态下的泡沫水泥石。
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的靠近边缘的区域设有若干沿周向均匀分布的通孔。优选地，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。信号采集单元包括温度传感器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111的温度和压强。如图2所示，温度传感器161和压力传感器162嵌入式安装在底盖120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111接触。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。
在本实施例中，信号采集单元还包括声波发射极163和声波接收极164，声波发射极163和声波接收极164径向对称地设置在缸体110的内壁中，声波发射极163和声波接收极164的探头设置成中心同轴且处于同一水平面内。在一个实施例中，声波发射极163和声波接收极164嵌入式地设置在缸体110的内壁上。声波发射极163和声波接收极164设置在处于缸体110的距离底面的三分之一高度到二分之一高度的范围内。优选地，声波发射极163和声波接收极164设置在处于缸体110的距离底面三分之一高度的内壁上。在工作过程中，声波发射极163发出声波信号，声波信号经过泡沫水泥111传递后被声波接收极164接收，声波接收极164及时向外部计算机反馈，以采集声波发射极163发射信号与声波接收极164接收信号的时差。需要说明的是，声波信号包括次声波、声波和超声波范畴。信号采集单元能够以预定采样频率实时采集声波发射极163发射信号与声波接收极164接收信号的时差，并传递给所述外部计算机进行计算以得到声速v和泡沫水泥111的密度ρ，从而获得待评价的泡沫水泥111的声密度特性。具体的计算公式为声速v＝L/Δt，密度ρ＝M/V，其中，L为声波发射极163和声波接收极164之间的距离，Δt为声波发射极163发射信号与声波接收极164接收信号的时差，ρ为泡沫水泥浆的密度，M为缸体110内的泡沫水泥的质量，V为缸体110内泡沫水泥的体积。
在一个实施例中，温度传感器161、压力传感器162、声波发射极163和声波接收极164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，并实时将采集到的信号通过信号线传输给外部计算机进行分析处理，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的声速特性的评价方法，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的声速特性的评价方法。
首先，提供用于泡沫水泥的声速特性的评价装置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，根据预定混合比制备泡沫水泥浆。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的缸体110内泡沫水泥浆的质量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。
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。并且，将各传感器的电气信号线180均通过密封接头引出高温高压釜101，从而与外部计算机连接，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。同时，测量初始声波发射极163和声波接收极164采集信号的时差Δt0，进而根据v＝L/Δt计算得到初始声速v0＝L/Δt0。图1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t1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，温度传感器161和压力传感器162实时连续地采集处于浆体状态的泡沫水泥浆或处于凝固状态的泡沫水泥石的温度、压强，通过声波发射极163和声波接收极164以预定采样频率实时采集信号的时差Δt1。进而根据计算公式v＝L/Δt计算得到在T1、P1状态下的泡沫水泥的声速v1＝L/Δt1及其随时间变化曲线。同时，根据采集的信号参数绘制出泡沫水泥在t1时间段内的温度曲线、圧力曲线和声速变化曲线。由此，能够分析得到泡沫水泥在该温度、压强环境下的声速特性。
接着，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t2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，通过信号采集单元以预定采样频率实时连续采集泡沫水泥浆的温度、压强，以及声波发射极163和声波接收极164采集信号的时差Δt2。进而根据计算公式v＝L/Δt计算得到在T2、P2状态下的泡沫水泥的声速v2＝L/Δt2及其随时间变化曲线。由此，能够分析得到泡沫水泥在该温度、压强环境下的声速特性。同时，根据采集的信号参数绘制出泡沫水泥在t2时间段内的温度曲线、圧力曲线和声速变化曲线。由此，能够分析得到泡沫水泥在该温度、压强环境下的声速特性。图2是评价装置100处于压缩状态下的示意图。
之后，重复上述对高温高压釜101继续调整预设温度和预设压强值的各个步骤，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中的声波发射极163和声波接收极164采集信号的时差，进而计算得到相应的声速v3、v4、v5等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在不同温度和压力下的声速变化特性。
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，当泡沫水泥浆失去流动性处于胶凝过渡状态时。根据外部计算机实时连续采集得到温度曲线、圧强曲线和声速曲线，从而能够得到泡沫水泥浆处于胶凝状态时在相应的温度压力状态下的对应的声速特性曲线。由此，通过评价装置100能够得到泡沫水泥浆处于胶凝状态时在一定温度压强下的声速特性。
在高温高压釜101内温度压力变化及保持恒定的过程中，当泡沫水泥浆稠化成水泥石后，根据外部计算机实时连续地采集得到温度曲线，圧强曲线，声速曲线，从而能够得到泡沫水泥石在相应的温度压力状态下对应的声速特性曲线。由此，通过评价装置100能够得到泡沫水泥石在一定温度压强下的声速特性。
根据本发明，使用评价装置100通过上述评价方法检测相同温度和压强下的常规水泥，能够获得该常规水泥在此温度和压强下的声速特性曲线，并与泡沫水泥在此状态下的声速特性曲线进行对比评价，从而增强泡沫水泥的声速特性的评价结果的可信度，并能够用于泡沫水泥的研究参考。
根据本发明的用于泡沫水泥的声速特性的评价装置100采用信号采集器与外部计算机采集分析数据，通过设置在评价装置100内的传感器测量密封活塞腔内的压力、温度以及声波发射接收时差，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，从而显著提高了泡沫水泥的声速特性的评价结果的准确性。评价装置100采用模块化思路设计组装，其结构简单，操作使用方便，可靠性高，且易于加工，生产成本低。并且，根据本发明的用于泡沫水泥的声速特性的评价方法的流程简单，易于操作，人为误差小，可靠性高，能够进一步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、水泥石在不同温度、压强下的声速特性，从而得到泡沫水泥、水泥石的声速特性，并且能够有效减小误差，提高泡沫水泥的声速特性的评价效率，进一步提高了泡沫水泥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的声速特性的评价装置，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(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)、径向对称地设置在所述缸体的内壁中的声波发射极(163)和声波接收极(164)，所述温度传感器、所述压力传感器、所述声波发射极和所述声波接收极均与外部计算机连接，所述温度传感器和所述压力传感器分别嵌入式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接触，所述声波发射极和所述声波接收极嵌入式地设置在所述缸体内壁上，且所述声波发射极和所述声波接收极设置在处于所述缸体的三分之一高度到二分之一高度的范围内；
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，且所述温度传感器、所述压力传感器、所述声波发射极和所述声波接收极的各自的电气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以预定采样频率实时采集所述泡沫水泥的温度、压强和所述声波发射极发射信号与所述声波接收极接收信号的时差，并传递给所述外部计算机进行计算分析，从而得到待评价的所述泡沫水泥的声速特性。
2.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，所述声波发射极和所述声波接收极的探头设置成中心同轴且处于同一水平面内，
其中，所述声波接收极用于接收所述声波发射极发射并经过所述泡沫水泥传递的信号，并及时向所述外部计算机反馈以采集所述时差。
3.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连接。
4.根据权利要求1或3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。
5.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。
6.一种用于泡沫水泥的声速特性的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供根据权利要求1到5中任一项所述的评价装置；
根据预定配比制备泡沫水泥，将制备完成的所述泡沫水泥倒入所述缸体，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进行加热加压至预设温度和预设压力，通过所述信号采集单元以预定采样频率实时采集所述泡沫水泥的温度、压强和所述声波发射极发射信号与所述声波接收极接收信号的时差，并传递给所述外部计算机；
根据采集的所述声波发射极发射信号与所述声波接收极接收信号的时差计算所述泡沫水泥的声速，进而计算得到所述泡沫水泥处于不同的预设温度和预设压力状态下的相应的声速，从而得到所述配比下的泡沫水泥在不同温度和压力下的声速随时间的变化曲线。
7.根据权利要求6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。
8.根据权利要求6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的初始液面刚好接触。
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