CN114002416A - 一种带围压和水养护条件下的水泥浆膨胀收缩测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带围压和水养护条件下的水泥浆膨胀收缩测试装置，包括水泥浆储存***、温度控制***、围压控制***、注水养护***和测量***。本发明可以根据水泥凝固所处的实际工况，模拟水泥浆在带围压和水养护的井底条件，测量水泥浆的膨胀和收缩量，以此为依据，宜于优化水泥浆体系设计，有助于提高水泥施工效果。
Description
技术领域
本发明涉及油气井固井领域，尤其涉及一种带围压和水养护条件下的水泥浆膨胀收缩测试装置。
背景技术
水泥在土木、建筑和石油工程行业得到了广泛的应用，但水泥的收缩会造成水泥凝固后的开裂，水泥在凝固期间的收缩特性严重影响到施工的效果，另外在石油工程中的固井作业中，在地层和套管之间的环空中注入水泥浆形成水泥环，以维护地层的稳定性和隔离储层内的油气，然而水泥浆体积的收缩将影响水泥环的胶结质量，甚至会形成环空间隙造成油气外泄。为克服水泥的收缩性，可通过添加膨胀剂的方式改善水泥施工的效果，但是膨胀剂的添加量需要进行准备评估，否则过度或过少的膨胀量同样会影响施工效果。因此，准确测定水泥浆的膨胀收缩量对水泥浆配方的优化设计具有重要的指导作用。
目前对于水泥浆体积膨胀收缩量的测试方法，主要包括膨胀环法、长度测量法、体积测量法。
公开号CN101059499A研发的水泥自收缩测试法，由量管、瓶塞、广口瓶和待测试样组成，该仪器能够科学反映出水泥凝固过程的收缩变化量，但无法模拟固井工程中的温度和压力等条件。公开号CN102353607A研发的一种收缩仪，可同时观测水泥浆垂直向及水平向的收缩变形，能够观测水泥石常压下体积的变化情况，但无法实现施工压力环境下的水泥浆膨胀收缩测定。CN202177628U研发的一种油井水泥高温高压体积收缩膨胀测试仪，该装置能在养护的温度压力下测试水泥浆的体积收缩率和膨胀率，但该装置无法模拟水泥浆的水养护条件。
目前，常用的测量水泥浆膨胀收缩的装置的测试多为大气压条件，对于实现施工环境中的较高的压力和水养护条件具有困难，但压力和水养护环境会影响到水泥的水化反应进程，测试条件的失真会对测试结果产生较大的误差，实现真实施工条件下的水泥浆膨胀收缩量测试极为重要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术之不足，本发明提供一种带围压和水养护条件下的水泥浆膨胀收缩测试装置，可有效模拟真实施工条件，考察压力和水养护环境对水泥的水化反应进程进行模拟实验。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带围压和水养护条件下的水泥浆膨胀收缩测试装置，包括水泥浆储存***、温度控制***、围压控制***、注水养护***和测量***；所述的水泥浆储存***包括底盘、压头和钢筒，所述的钢筒密封连接在底盘和压头之间，钢筒内壁、底盘上端面与压头下端面之间形成水泥容纳腔；所述的钢筒内部中空具有围压空腔；所述的温度控制***包括加热带和温度传感器，所述的加热带环绕外包在钢筒外壁上，所述的温度传感器设置在水泥容纳腔内；所述的围压控制***包括注气管线和液压泵，所述的注气管线与钢筒内的围压空腔管路联通，液压泵与注气管线连接并为其供气；所述的注水养护***包括注水管线和伺服水泵，所述的注水管线与水泥容纳腔连通，所述的伺服水泵与注水管线连接并为其供水；所述的测量***包括伺服压机，所述伺服压机压接在压头上方。
在上述方案中，温度控制***为水泥浆凝固过程提供温度条件，围压控制***为水泥浆凝固过程提供围压条件，注水养护***为水泥浆凝固过程中提供水养护条件，测量***则为压头施加恒定轴压，可测量水泥浆轴向位移，压头的轴向位移变化率即为水泥的膨胀/收缩率。
进一步的，为了更好地将底盘与钢筒结合并密封，所述的底盘对应钢筒位置处具有向上凸起的凸台结构，所述的钢筒外套在凸台结构周向侧面，且钢筒内壁与凸台结构的周向外壁之间通过密封圈密封。
进一步的，为了更好地将压头与钢筒顶部密封，同时便于在轴压下测量记录水泥浆变化，所述的压头滑动连接在钢筒的水泥容纳腔顶部，且压头与钢筒内壁之间通过密封圈密封。
进一步的，所述的压头上开有与水泥容纳腔连通内外的排气孔，所述的排气孔处设有安全阀，通过排气孔和安全阀的设计，控制水泥容纳腔内部压力不超过规定值，对人身安全和设备运行起重要保护作用。
进一步的，所述的伺服压机垂直设置在压头顶部，并为压头提供恒定的轴压，所述伺服压机的轴向位移可测量记录，通过施加恒定轴压，可测量水泥浆轴向位移，压头的轴向位移变化率即为水泥的膨胀/收缩率。
本发明的有益效果是，本发明提供的一种带围压和水养护条件下的水泥浆膨胀收缩测试装置，可以通过人为控制模拟施工围压和水养护的环境条件，准确的测量水泥浆的膨胀/收缩量，具有结构简单、易于操作及安全可靠的特点，可以根据水泥凝固所处的实际工况，模拟水泥浆在带围压和水养护的井底条件，测量水泥浆的膨胀和收缩量，以此为依据，宜于优化水泥浆体系设计，有助于提高水泥施工效果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明最优实施例的结构示意图。
图中1、底盘 2、压头 3、钢筒 4、加热带 5、注水管线 6、注气管线 7、排气孔 8、安全阀 9、温度传感器 10、密封圈 11、伺服压机 12、伺服水泵 13、液压泵 14、水泥容纳腔15、围压空腔。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。
如图1所示一种带围压和水养护条件下的水泥浆膨胀收缩测试装置，是本发明最优实施例，包括水泥浆储存***、温度控制***、围压控制***、注水养护***和测量***。
水泥浆储存***包括底盘1、压头2和钢筒3。钢筒3为外径150mm，内径90mm，高250mm，壁厚5mm的筒状结构。钢筒3筒内为水泥容纳腔14，水泥浆灌注在水泥容纳腔14内。钢筒3筒壁内部中空具有围压空腔15。压头2上开有与水泥容纳腔14连通内外的排气孔7，排气孔7处设有安全阀8，通过排气孔7和安全阀8的设计，控制水泥容纳腔14内部压力不超过规定值，对人身安全和设备运行起重要保护作用。
钢筒3密封连接在底盘1和压头2之间。底盘1对应钢筒3位置处具有向上凸起的凸台结构，钢筒3外套在凸台结构周向侧面。钢筒3内壁与凸台结构的周向外壁之间通过密封圈10密封。压头2滑动连接在钢筒3的水泥容纳腔14顶部，钢筒3内壁顶部与压头2之间为间隙配合，压头2与钢筒3内壁之间通过密封圈10密封。
温度控制***包括加热带4和温度传感器9，加热带4环绕外包在钢筒3外壁上，温度传感器9设置在水泥容纳腔14内。加热带4置于钢筒3外壁，与钢筒3外壁相贴合；温度传感器9置于水泥容纳腔14内，用温度传感器9测量水泥浆温度大小，通过加热带4控制水泥浆在凝固过程中所需要的温度。
围压控制***包括注气管线6和液压泵13，注气管线6与钢筒3内的围压空腔15管路联通，液压泵13与注气管线6连接并为其供气。钢筒3位于底盘1上部，钢筒3内部中空为围压空腔15，钢筒3顶部有注气管线6穿过，连接处密封，连接围压空腔15与液压泵13，利用液压泵13通过注气管线6向围压空腔15内注气，可以在钢筒3上形成围压，通过注气量控制好水泥浆凝固过程中所需要的围压。
注水养护***包括注水管线5和伺服水泵12，注水管线5与水泥容纳腔14连通，伺服水泵12与注水管线5连接并为其供水。注水管线5在竖直方向上穿过底盘1，与底盘1连接处密封，连接水泥容纳腔14与伺服水泵12，利用伺服水泵12将水通过注水管线5注入到水泥容纳腔14中的水泥浆，对水泥浆进行养护。
测量***包括伺服压机11，伺服压机11压接在压头2上方。伺服压机11置于压头22上部，与压头2接触连接，给水泥浆一个恒定的轴压，并且测量水泥浆的轴向位移。
温度控制***为水泥浆凝固过程提供温度条件，围压控制***为水泥浆凝固过程提供围压条件，注水养护***为水泥浆凝固过程中提供水养护条件，测量***则为压头2施加恒定轴压，可测量水泥浆轴向位移，压头2的轴向位移变化率即为水泥的膨胀/收缩率。
上述测试装置，具有如下使用方法：
首先在水泥容纳腔14四周和底部涂一层油，打开压头2将水泥浆加入到水泥容纳腔14中，关闭压头2；
利用加热带4控制水泥浆在凝固过程中所需要的温度，水泥容纳腔14中的温度传感器9可以测量水泥浆温度；
打开伺服压机11，给水泥浆一个恒定的轴压；利用液压泵13将气体通过注气管线6注入到围压空腔15，通过注气量控制好水泥浆凝固过程中所需要的围压；利用伺服水泵12将水通过注水管线5注入到水泥容纳腔14中的水泥浆，对水泥浆进行养护；
水泥浆凝固后，根据伺服压机11的测试，记录水泥浆的轴向位移，得出相应的测试数据；
测试结束后，关闭伺服压机11、伺服水泵12、液压泵13，关闭电源，将围压空腔15中的气体排出，打开压头2将凝固的水泥浆从水泥容纳腔14中清理出来，并且清理被水泥堵塞的排气孔7；清洗整个装置，以便下次测试时使用。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.一种带围压和水养护条件下的水泥浆膨胀收缩测试装置，其特征在于：包括水泥浆储存***、温度控制***、围压控制***、注水养护***和测量***；
所述的水泥浆储存***包括底盘(1)、压头(2)和钢筒(3)，所述的钢筒(3)密封连接在底盘(1)和压头(2)之间，钢筒(3)内壁、底盘(1)上端面与压头(2)下端面之间形成水泥容纳腔(14)；所述的钢筒(3)内部中空具有围压空腔(15)；
所述的温度控制***包括加热带(4)和温度传感器(9)，所述的加热带(4)环绕外包在钢筒(3)外壁上，所述的温度传感器(9)设置在水泥容纳腔(14)内；
所述的围压控制***包括注气管线(6)和液压泵(13)，所述的注气管线(6)与钢筒(3)内的围压空腔(15)管路联通，液压泵(13)与注气管线(6)连接并为其供气；
所述的注水养护***包括注水管线(5)和伺服水泵(12)，所述的注水管线(5)与水泥容纳腔(14)连通，所述的伺服水泵(12)与注水管线(5)连接并为其供水；
所述的测量***包括伺服压机(11)，所述伺服压机(11)压接在压头(2)上方。
2.如权利要求1所述的一种带围压和水养护条件下的水泥浆膨胀收缩测试装置，其特征在于：所述的底盘(1)对应钢筒(3)位置处具有向上凸起的凸台结构，所述的钢筒(3)外套在凸台结构周向侧面，且钢筒(3)内壁与凸台结构的周向外壁之间通过密封圈(10)密封。
3.如权利要求1所述的一种带围压和水养护条件下的水泥浆膨胀收缩测试装置，其特征在于：所述的压头(2)滑动连接在钢筒(3)的水泥容纳腔(14)顶部，且压头(2)与钢筒(3)内壁之间通过密封圈(10)密封。
4.如权利要求3所述的一种带围压和水养护条件下的水泥浆膨胀收缩测试装置，其特征在于：所述的压头(2)上开有与水泥容纳腔(14)连通内外的排气孔(7)，所述的排气孔(7)处设有安全阀(8)。
5.如权利要求1所述的一种带围压和水养护条件下的水泥浆膨胀收缩测试装置，其特征在于：所述的伺服压机(11)垂直设置在压头(2)顶部，并为压头(2)提供恒定的轴压，所述伺服压机(11)的轴向位移可测量记录。
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