CN114324059B - 一种精确测试固井水泥浆体系中轻质材料表观密度的装置及方法 - Google Patents
一种精确测试固井水泥浆体系中轻质材料表观密度的装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种精确测试固井水泥浆体系中轻质材料表观密度的装置及方法，其特征在于，装置主要包括：上密封盖、过滤网膜、透明筒体、活塞、橡胶密封圈、下密封盖、凹槽、推杆、激光测量仪、轻质材料、半密封空间、凹台肩、混合液体、推动结构，依据“轻质材料最小粒径>过滤网膜网孔直径>水分子直径”关系优选过滤网膜。本发明利用激光粒度分析测试仪、电子天平以及激光测量仪分别对轻质材料最小粒径以及混合液体质量、体积进行测试分析，采用推动结构对半密封空间内混合液体进行缓慢压缩及加压，实现半密封空间内轻质材料与水之间的均匀混合，并基于排水体积法原理获得轻质材料表观密度。本发明主要适用于石油与天然气固井工程技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及石油与天然气固井工程技术领域，具体是一种精确测试固井水泥浆体系中轻质材料表观密度的装置及方法。
背景技术
经济和社会发展离不开能源的支持，石油是现代社会最重要的能源之一，是工业发展的血液，具有左右国家命运的魔力，对于国家生存和发展来说必不可少。固井作业包括下套管和注水泥，是钻完井作业过程中不可缺少的一个重要环节，起到保护和支撑油气井套管及封隔油、气、水等地层的目的。固井施工，可以加固井壁，防止浅层的坍塌和高压油气水层的干扰，保持水泥环完整性。固井质量对保护油气层和保证油气井生产寿命、油气田勘探开发效益和油气田开发产能建设以及油气勘探开发安全和环境保护都具有十分重要的意义。
由于在西安、新疆等地区部分区块的地层压力系数较低，外加近年来由于钻井成本因素和开发的需要，技术套管下深减少，产层跨距加大，经常造成完井时水泥封固段长，封固层位多，使得固井施工过程中发生漏失的机率不断增大。在现场施工作业中发生漏失不仅会造成经济损失，严重时甚至会影响固井质量，诱发井塌、卡钻、井喷等事故。自最早研究者提出解决低压易漏井漏失这一问题到至今，除通过固井工艺及现场施工作业的优化来提高固井质量这种方案外，关于适用于低压易漏地层低密度水泥浆体系的优化也尤为重要。
固井漏失、水泥浆返高不够、压破地层等一系列问题导致低压力系数地层固井质量不合格，近年来众多研究者开展了大量有关低密度、增韧、高强度水泥浆的研究以及固井参数的优化设计和固井施工的安全保障等方面的工作，得出利用低密度水泥浆体系对低压易漏地层进行固井是解决低压易漏地层易漏失问题的最主要途径。依据不同地层承压特点，具体开展低密度水泥浆体系研究，避免因水泥浆性能与地层承压能力不匹配造成固井质量不合格和井下安全事故。
低密度水泥浆体系的性能主要取决于减轻剂在水泥浆体系中的添加效应，减轻剂是一种混合填充在水泥浆体系内的材料，其包括吸水性材料、轻质材料和气体减轻材料，目前最常用的减轻剂为轻质材料，例如空心微珠、人造玻璃微珠和漂珠。轻质材料密度多低于1g/cm3，摇匀后静置难以均匀分散在溶液中，实验室常用密度测量法难以用于轻质材料。轻质材料的选择需根据水泥浆体系的密度要求和应用条件进行综合考虑，添加轻质材料配制低密度水泥浆应尽可能实现紧密堆积以降低水泥石渗透率，保证低密度水泥浆体系具有较高强度。不同承压地层低密度水泥浆体系的优化关乎水泥浆密度的设计，即轻质材料的种类和掺量，准确的水泥浆密度可为固井施工参数设计提供依据，在一定程度上避免了因固井质量不合格所引发的井漏、溢流等井下事故。
因此，本发明针对目前固井水泥浆中轻质材料密度难以直接精确测量的问题，提出一种精确测试固井水泥浆体系中轻质材料表观密度的装置及方法，该方法可准确测量固井工程低密度轻质材料的表观密度，为不同承压地层优选水泥浆体系和优化固井施工参数设计提供合理依据，对提高固井质量具有非常重要的理论价值和工程意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精确测试固井水泥浆体系中轻质材料表观密度的装置及方法，解决常规密度测试法难以精确测量低密度水泥浆体系中轻质材料密度的技术难题，实现不同地层条件下低密度水泥浆体系及现场固井施工参数设计的优化。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提出的一种精确测试固井水泥浆体系中轻质材料表观密度的装置，其特征在于，装置主要包括：出气针管、上密封盖、过滤网膜、透明筒体、活塞、橡胶密封圈、下密封盖、凹槽、推杆、旋转把手、激光测量仪、轻质材料、水、半密封空间、凹台肩、第一内螺纹、第二内螺纹、第三内螺纹、第一外螺纹、第二外螺纹、第三外螺纹、第四内螺纹、混合液体，其中，透明筒体由高强度透明塑料组成，测试装置的其他结构均由非金属材料组成；依据轻质材料最小粒径>过滤网膜网孔直径>水分子直径关系优选过滤网膜；出气针管、上密封盖、透明筒体、凹台肩、第一内螺纹、第一外螺纹、活塞、橡胶密封圈组成半密封空间；过滤网膜置于透明筒体的凹台肩上，用于对通过的物质分子粒径大小进行筛选；带出气针管的上密封盖通过第一外螺纹与带第一内螺纹和凹台肩的透明筒体紧密连接，过滤网膜在凹台肩上实现轴向和环向定位；透明筒体通过第二外螺纹与带第二内螺纹的下密封盖紧密连接；半密封空间内装有轻质材料和水充分混合形成的混合液体；带凹槽和第三内螺纹的活塞、橡胶密封圈、带第四内螺纹的下密封盖、带第三外螺纹的推杆、旋转把手组成推动结构，橡胶密封圈与活塞匹配可实现活塞与透明筒体之间的间隙配合及动密封，带第三外螺纹的推杆通过第四内螺纹与下密封盖连接，带第三外螺纹的推杆通过旋转把手顺时针旋进第三内螺纹与凹槽连接实现其与活塞的轴向定位及配合；推杆与凹槽连接后，继续顺时针旋进推杆，实现活塞对半密封空间内混合液体体积的缓慢压缩及加压。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本测试装置在测试过程中可控制推杆以恒定速度推动活塞，实现对筒体上端混合液体体积的缓慢压缩及加压，筒体内部轻质材料不发生破裂、变形且与筒内水完全融合，不存在轻质材料堆积漂浮在水面上方现象；
(2)本测试装置结构简单，操作方便，成本低廉，测试结果准确有效。
附图说明
图1为本发明测试装置装配前正视图；
图2为本发明测试装置装配后正视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1、附图2，对本发明进行进一步详细说明。
如附图1、附图2所示，本发明提出的一种精确测试固井水泥浆体系中轻质材料表观密度的装置，其特征在于，装置主要包括：出气针管1、上密封盖2、过滤网膜3、透明筒体4、活塞5、橡胶密封圈6、下密封盖7、凹槽8、推杆9、旋转把手10、激光测量仪11、轻质材料12、水13、半密封空间14、凹台肩15、第一内螺纹16、第二内螺纹17、第三内螺纹18、第一外螺纹19、第二外螺纹20、第三外螺纹21、第四内螺纹22、混合液体23；透明筒体4选用高强度透明塑料，装置其他结构均由非金属材料组成；依据轻质材料12最小粒径>过滤网膜3网孔直径>水13分子直径关系优选过滤网膜3；出气针管1、上密封盖2、透明筒体4、凹台肩15、第一内螺纹16、第一外螺纹19、活塞5、橡胶密封圈6组成半密封空间14；过滤网膜3位于透明筒体4的凹台肩15上，用于对通过的物质分子粒径大小进行筛选；带出气针管1的上密封盖2通过第一外螺纹19与带第一内螺纹16和凹台肩15的透明筒体4紧密连接，过滤网膜3在凹台肩15上实现轴向和环向定位；透明筒体4通过第二外螺纹20与带第二内螺纹17的下密封盖7紧密连接；半密封空间14内装有轻质材料12和水13充分混合形成的混合液体23；带凹槽8和第三内螺纹18的活塞5、橡胶密封圈6、带第四内螺纹22的下密封盖7、带第三外螺纹21的推杆9、旋转把手10组成推动结构，橡胶密封圈6与活塞5匹配可实现活塞5与透明筒体4之间的间隙配合及动密封，带第三外螺纹21的推杆9通过第四内螺纹22与下密封盖7连接，带第三外螺纹21的推杆9通过旋转把手10顺时针旋进第三内螺纹18与凹槽8连接实现其与活塞5的轴向定位及配合；推杆9与凹槽8连接后，继续顺时针旋进推杆9，实现活塞5对半密封空间14内混合液体23体积的缓慢压缩及加压。
为使本发明的发明目的、技术方案及优点更加清晰，下面结合附图1和附图2对本发明的具体实施方式进行阐述，其详细步骤如下：
步骤一：利用激光粒度分析测试仪对轻质材料12进行粒径大小测试分析，得到关于轻质材料12的粒径分布，确定其最小粒径，依据轻质材料12最小粒径>过滤网膜3网孔直径选取合适的过滤网膜3；
步骤二：称重前对测试装置和轻质材料12进行干燥处理，利用电子天平称量测试装置所有部件质量m1和待测轻质材料12质量m2；
步骤三：透明筒体4通过第二外螺纹20与带第二内螺纹17的下密封盖7进行紧密连接；
步骤四：先将轻质材料12加入到透明筒体4内，随后将适量水13加入到透明筒体4内，其总体积不超过半密封空间14容量的2/3，防止轻质材料12溢出透明筒体4影响测试结果；
步骤五：将过滤网膜3置于透明筒体4的凹台肩15内，随后将带出气针管1的上密封盖2通过第一内螺纹16及凹台肩15与透明筒体4进行紧密连接，轻摇测试装置直至轻质材料12完全溶于水13中；
步骤六：顺时针旋进旋转把手10使带第三外螺纹21的推杆9与带第四内螺纹22的下密封盖7连接，继续旋进实现推杆9与带第三内螺纹18的凹槽8轴向定位配合，再次旋进推杆9推动活塞5沿透明筒体4内壁向上滑动，同时观察透明筒体4液面变化及出气针管1处是否有夹杂气体的间断液滴向外排出，直至夹杂气体的间断液滴变为连续线性流，停止旋进推杆9；
步骤七：利用激光测量仪11观察透明筒体4内液面，测量透明筒体4内混合液体23高度H，称量混合液体23和测试装置所有部件的总质量mt，利用密度公式计算获取轻质材料12的密度ρ2，式中，ρ2为轻质材料12密度，g/cm3；ρ水＝1g/cm3，m1为测试装置所有部件质量，g；m2为轻质材料12质量，g；mt为混合液体23和测试装置总质量，g；D为透明筒体4内部直径，cm；H为混合液体23高度，cm；v2为轻质材料12表观体积，cm3；v水为水13的体积，cm3；v为混合液体23总体积，cm3；
步骤八：测试结束，打开上密封盖2取出过滤网膜3，倒掉混合液体23，清洗透明筒体4内部。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (2)
1.一种精确测试固井水泥浆体系中轻质材料表观密度的装置，其特征在于，装置主要包括：出气针管(1)、上密封盖(2)、过滤网膜(3)、透明筒体(4)、活塞(5)、橡胶密封圈(6)、下密封盖(7)、凹槽(8)、推杆(9)、旋转把手(10)、激光测量仪(11)、轻质材料(12)、水(13)、半密封空间(14)、凹台肩(15)、混合液体(23)；透明筒体(4)选用高强度透明塑料，装置其他结构均由非金属材料组成；依据轻质材料(12)最小粒径>过滤网膜(3)网孔直径>水(13)分子直径关系优选过滤网膜(3)；出气针管(1)、上密封盖(2)、透明筒体(4)、凹台肩(15)、第一内螺纹(16)、第一外螺纹(19)、活塞(5)、橡胶密封圈(6)组成半密封空间(14)；过滤网膜(3)位于透明筒体(4)的凹台肩(15)上，用于对通过的物质分子粒径大小进行筛选；带出气针管(1)的上密封盖(2)通过第一外螺纹(19)与带第一内螺纹(16)和凹台肩(15)的透明筒体(4)紧密连接，过滤网膜(3)在凹台肩(15)上实现轴向和环向定位；透明筒体(4)通过第二外螺纹(20)与带第二内螺纹(17)的下密封盖(7)紧密连接；半密封空间(14)内装有轻质材料(12)和水(13)充分混合形成的混合液体(23)；带凹槽(8)和第三内螺纹(18)的活塞(5)、橡胶密封圈(6)、带第四内螺纹(22)的下密封盖(7)、带第三外螺纹(21)的推杆(9)、旋转把手(10)组成推动结构，橡胶密封圈(6)与活塞(5)匹配可实现活塞(5)与透明筒体(4)之间的间隙配合及动密封，带第三外螺纹(21)的推杆(9)通过第四内螺纹(22)与下密封盖(7)连接，带第三外螺纹(21)的推杆(9)通过旋转把手(10)顺时针旋进第三内螺纹(18)与凹槽(8)连接实现其与活塞(5)的轴向定位及配合；推杆(9)与凹槽(8)连接后，继续顺时针旋进推杆(9)，实现活塞(5)对半密封空间(14)内混合液体(23)体积的缓慢压缩及加压。
2.一种精确测试固井水泥浆体系中轻质材料表观密度的方法，其采用权利要求1所述精确测试固井水泥浆体系中轻质材料表观密度的装置，其特征在于：
步骤一：利用激光粒度分析测试仪对轻质材料(12)进行粒径大小测试分析，得到关于轻质材料(12)的粒径分布曲线，确定其最小粒径，依据轻质材料(12)最小粒径>过滤网膜(3)网孔直径选取合适的过滤网膜(3)；
步骤二：称重前对测试装置和轻质材料(12)进行干燥处理，利用电子天平称量测试装置所有部件质量m1和待测轻质材料(12)质量m2；
步骤三：透明筒体(4)通过第二外螺纹(20)与带第二内螺纹(17)的下密封盖(7)进行紧密连接；
步骤四：先将轻质材料(12)加入到透明筒体(4)内，随后将适量水(13)加入到透明筒体(4)内，其总体积不超过半密封空间(14)容量的2/3，防止轻质材料(12)溢出透明筒体(4)影响测试结果；
步骤五：将过滤网膜(3)置于透明筒体(4)的凹台肩(15)内，随后将带出气针管(1)的上密封盖(2)通过第一内螺纹(16)及凹台肩(15)与透明筒体(4)进行紧密连接，轻摇测试装置直至轻质材料(12)完全溶于水(13)中；
步骤六：顺时针旋进旋转把手(10)使带第三外螺纹(21)的推杆(9)与带第四内螺纹(22)的下密封盖(7)连接，继续旋进实现推杆(9)与带第三内螺纹(18)的凹槽(8)轴向定位配合，再次旋进推杆(9)推动活塞(5)沿透明筒体(4)内壁向上滑动，同时观察透明筒体(4)液面变化及出气针管(1)处是否有夹杂气体的间断液滴向外排出，直至夹杂气体的间断液滴变为连续线性流，停止旋进推杆(9)；
步骤七：利用激光测量仪(11)观察透明筒体(4)内液面，测量透明筒体(4)内混合液体(23)高度H，称量混合液体(23)和测试装置所有部件的总质量mt，利用密度公式计算获取轻质材料(12)的密度ρ2，式中，ρ2为轻质材料(12)密度，g/cm3；ρ水＝1g/cm3；m1为测试装置所有部件质量，g；m2为轻质材料(12)质量，g；mt为混合液体(23)和测试装置总质量，g；D为透明筒体(4)内部直径，cm；H为混合液体(23)高度，cm；v2为轻质材料(12)表观体积，cm3；v水为水(13)的体积，cm3；v为混合液体(23)总体积，cm3；
步骤八：测试结束，打开上密封盖(2)取出过滤网膜(3)，倒掉混合液体(23)，清洗透明筒体(4)内部。
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