CN2783312Y - 水泥胶结强度模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型之水泥胶结强度模拟试验装置，是在模拟地层温度、压力条件下，取定量水泥浆样品，经过确定的养护时间后，检测水泥凝固后的胶结强度，以研究评价水泥产品及相关添加剂的胶结性能，进而研究评价现场施工的水泥固井质量。该仪器由电加热器、加压器、高压釜、养护杯、界面A测试底座、压盖和界面B测试底座、压头等组成。试验水泥浆与外筒的内圆面形成胶结界面A，与内筒的外界面形成胶结界面B。在确定的温度、压力条件下，经过养护水泥浆凝固之后，检测水泥胶结界面的胶结强度。由于其设计的试验结构更接近于现场的实际情况，试验结果能准确可靠，直接反映现场实际情况，为确定合理施工方案提供科学依据。

Description

水泥胶结强度模拟试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种水泥胶结强度模拟试验装置，是一种应用于钻井固井领域的专用测试仪器。该仪器可以在模拟井下温度、压力条件下，测试固井水泥浆凝固后与相关界面的胶结强度。通过对胶结强度的测试，研究评价水泥浆及添加剂的相关性能，进而分析、评价固井质量的优劣，并为确定适用的固井水泥浆配方方案，防止发生泄漏、窜槽等现场事故提供可靠依据，以保证固井质量达到施工要求。

背景技术

目前，测定固井水泥浆强度的方法是：在样品槽内加注水泥浆后，常压养护，待水泥浆凝固之后，测定样块的抗压强度。采用这种方法，只能测定水泥浆凝固后的抗压强度，不能直接反映水泥与界面胶结状况。水泥抗压强度与水泥胶结强度是评价水泥的两个不同技术指标，单一利用水泥抗压强度评价固井水泥存在很大缺陷。为了评价固井水泥界面胶结强度和固井质量，工程技术人员在完成固井后，采用声波测井方法检验。这种方法只能在施工后检测评价固井质量，如果水泥胶结强度发生问题，补救非常困难，效果很不理想。这种方法更不能用于研究评价固井水泥浆及添加剂的胶结性能。目前尚没有测定水泥胶结界面胶结强度的专用仪器以及相关评价标准。

实用新型内容

本实用新型的目的是：设计一种水泥胶结强度模拟试验装置，模拟井下地层和固井套管，同时在模拟地层温度和压力的条件下，使水泥浆凝固胶结，然后测定模拟胶结界面的胶结强度。本实用新型能模拟现场条件，测试结果更准确、可靠，为研究、评价相关固井水泥浆施工方案和固井质量，提供科学依据。

本实用新型的水泥胶结强度模拟试验装置主要由电加热器、加压器、高压釜、养护杯、测试组件组成。高压釜通过螺纹与上盖连接。上盖有孔，孔连接有管线。管线与加压阀及加压器连接，管线与泄压阀连接，达到为高压釜内加压或泄压的目的。将养护杯放在高压釜内，高压釜可以为养护杯提供试验所需压力。高压釜外部有电加热器，以提供试验所需要的温度。加压器与液压缸之间管线上有测试阀，控制液压缸调整液压缸推力大小。

本实用新型养护杯有两种形式：可以是环形养护杯，也可以是单筒养护杯。

环形养护杯由底盘、内筒、外筒、活塞和密封件等组成。底盘直径20～200mm，厚度8～50mm，底盘顶面有环状凹槽。凹槽底部有密封圈。凹槽有中心孔，用于内筒固定。内筒外径20～100mm，壁厚5～20mm，高度20～200mm。内筒中心设有台阶及中心孔，以通过螺钉与底盘连接并密封。外筒内径20～200mm，壁厚5～20mm，高度20～200mm，下部有螺纹与底盘连接。内筒与外筒之间有环形活塞，环形活塞厚度5～20mm。在内筒与外筒之间注入待试验水泥浆样品，水泥浆样品上部放置环形活塞。水泥浆凝固过程中，活塞可以随样品体积的变化而自由移动。环形活塞上设有螺孔，在样品排气后，用密封圈和螺钉紧固密封。

在环形养护杯内加注待试验水泥浆样品，排气、密封后，将养护杯置于高压釜内，加温、加压养护。试验水泥浆样品与外筒的内圆柱面形成胶结界面A，水泥浆样品与内筒的外圆柱面形成胶结界面B。当达到预定养护时间后，分别测定界面A和界面B的胶结强度。

养护杯内的水泥浆凝固之后，将养护杯从高压釜取出，卸下底盘，利用界面A的测试底座和压盖测定界面A的胶结强度。底座为圆柱台形，上部圆柱体外径与外筒内径相同。压盖为圆柱体，下面有凹槽，凹槽内径与外筒内径相同。测定方法是：养护杯放置在底座与压盖之间。即在液压缸下部放好底座，将去除底盘的养护杯放置在底座上，养护杯上部放置压盖。通过液压缸为压盖施加压力，压盖推动外筒。压力逐渐加大，当外筒与样品之间发生位移时，记录施加的最大压力值，经过换算可得到界面A胶结强度的测定结果。

再利用界面B的测试底座和压头测定界面B的胶结强度。底座上有凸起的圆环形，圆环形的外径与外筒内径相同，圆环形的内径与内筒外径相同。压头为圆形，直径与内筒外径相同。测定方法如上所述。压头推动内筒。压力逐渐加大，当内筒与样品之间发生位移时，记录施加的最大压力值，经过换算可得到界面B胶结强度的测定结果。

单筒养护杯由端盖、密封圈、筒体、活塞组成。端盖直径20～200mm，厚度8～50mm，端盖顶面有圆形凹槽，凹槽底部有圆形密封圈。筒体外径20～200mm，内径15～180mm，高度20～200mm之间。筒体下部有螺纹与端盖连接。筒体内部有圆形活塞。活塞厚度5～20mm，活塞上设有螺孔，螺孔内有螺钉和密封圈。

单筒养护杯内加注待试验水泥浆样品，排气、密封后，将单筒养护杯置于高压釜内，加温、加压养护。试验水泥浆样品与单筒养护杯的内圆柱面形成胶结界面C。当达到预定养护时间后，测定界面C的胶结强度。测试界面C的胶结强度过程与双筒养护杯界面A相同，不详细叙述。单筒养护杯的胶结界面C测试底座为圆柱台形，上部圆柱直径与筒体内径相同，压头为凹槽圆环形，凹槽内径与筒体外径相同，圆环内径与筒体内径相同。

本实用新型的有益效果是：水泥胶结强度模拟试验装置具有加热、加压养护功能，可以在模拟现场温度和压力的条件下，对水泥浆样品进行养护，更接近现场井下的实际情况，真实反映施工过程中发生的问题。养护杯设计为环形样品槽结构，上部放置环形活塞，不仅使样品与加压介质隔离，而且无论样品产生收缩或膨胀，活塞随之自由移动，仅受到养护温度和压力的影响，而不会受到其它条件限制，客观真实地反映了现场的实际情况。采用环形样品槽结构，可以在同一试验，形成两个胶结面，然后利用仪器配置的底座和压头分别测定两个界面的胶结强度及其差异，这样可以更客观地反映现场施工的状况，对于试验研究水泥产品或添加剂的相关性能，优选科学、适用的施工方案，分析评价固井质量，都具有重要意义。

附图说明

附图1本申请水泥浆胶结强度模拟试验装置剖面示意图。

附图2本申请的环形养护杯(3)结构剖面示意图。

附图3本申请的环形养护杯界面A胶结强度测试组装示意图。箭头所指的方向为液压缸(8)推动压盖(22)的方向。

附图4本申请的环形养护杯界面B胶结强度测试组装示意图。箭头所指的方向为液压缸(8)推动压头(24)的方向。

附图5本申请的单筒养护杯(3)结构剖面示意图。

附图6本申请的单筒养护杯界面C胶结强度测试组装示意图，箭头所指的方向为液压缸(8)推动压盖(32)的方向。

图中：1.电加热器，2.高压釜，3.养护杯，4.上盖，5.泄压阀，6.加压阀，7.测试阀，8.液压缸，9.加压器，10.排放阀，11.底盘，12.密封圈，13.外筒，14.样品，15.内筒，16.螺栓，17.密封圈，18.活塞，19.密封垫，20.螺钉，21.底座，22.压盖，23.底座，24.压头，25.端盖，26.密封圈，27.筒体，28.样品，29.活塞，30.螺钉，31.底座，32.压头。

具体实施方式

结合水泥胶结强度模拟试验装置的操作过程，进一步详细描述。

实施例1：附图1，高压釜(2)为圆筒状，内径100毫米，高度120毫米。高压釜(2)上部有螺纹，通过螺纹与上盖(4)连接。上盖(4)有孔，孔连接有高压管线。管线与加压阀(6)及加压器(9)连接，管线与泄压阀(5)连接。高压釜(2)外部有一个圆筒状电加热器(1)。加压器(9)与液压缸(8)之间连接管线，管线上有测试阀(7)。可以采用气体作为加压介质，也可以采用液体作为加压介质。

如附图2。首先把密封圈(12)和密封圈(17)分别安装在底盘(11)的环形槽内，将外筒(13)旋紧在底盘(11)上，再将内筒(15)安装在底盘(11)的中心凸缘位置，用螺栓(16)紧固。底盘(11)直径90mm，厚度10mm。内筒(15)外径25mm，壁厚6mm，高度80mm。外筒(13)内径75mm，壁厚7.5mm，高度80mm。将水泥浆样品(14)注入内、外筒之间的环形空间，距表面至少10mm。再把环形活塞(18)安装在内、外筒(13)(15)之间。环形活塞(18)厚度10mm，垂直下压到螺钉孔处观察到水泥浆液面位置，再把密封垫(19)和螺钉(20)安装在活塞(18)的螺钉孔内，拧紧密封，即完成养护杯(3)的安装。

把安装好的环形养护杯(3)放置在高压釜(2)内，将高压釜(2)与上盖(4)连接并密封。电加热器(1)设置在高压釜(2)的外部，提供试验需要的温度。启动加压器(9)经加压阀(6)和上盖(4)，向高压釜(2)充压，提供试验需要的压力。当达到样品(14)在高温、高压条件下的养护时间，停止加热，由泄压阀(5)泄除压力，旋开上盖(4)，从高压釜(2)中取出养护杯(3)。高压釜(2)下部有排放阀(10)，可以用于排放高压釜(2)内部的液体加压介质。

如附图3。松开环形养护杯(3)上的螺钉(16)，拧下底盘(11)。把底座(21)放置在仪器液压缸(8)下部位置，将取下底盘(11)的养护杯(3)组件放置在底座(21)上，上部放置压盖(22)。启动加压器(9)，开启测试阀(7)，通过液压缸(8)向压盖(22)施加压力。当观察到外筒(13)发生向下位移时，停止加压，记录所加的最大压力，即可得到界面A胶结强度的测试结果，然后泄放压力，即完成界面A胶结强度的测试。

附图4。然后，将环形养护杯(3)组件放置在底座(23)上，上部放置压头(24)。按与上述相同的方法操作，即可完成界面B胶结强度的测试。

实施例2：附图5。采用单筒养护杯(3)，首先把密封圈(26)安装在端盖(25)的环形槽内，将筒体(27)旋紧在端盖(25)上，筒体(27)内径36mm，外径50mm，高度80mm，将定量的水泥浆样品(28)注入筒体内，距表面至少10mm。将活塞(29)从筒体(27)装入，活塞(29)厚度10mm，直径36mm，垂直下压到在螺钉孔处观察到水泥浆液面位置，再把密封螺钉(30)安装在活塞(29)的螺钉孔内，拧紧密封。即完成养护杯(3)的安装。

把安装好的单筒养护杯(3)放置在高压釜(2)内，将高压釜(2)与上盖(4)连接并密封。电加热器(1)设置在高压釜(2)的外部，提供试验需要的温度。启动加压器(9)经加压阀(6)和上盖(4)，向高压釜(2)充压，提供试验需要的压力。当达到样品在高温、高压条件下的养护时间，停止加热，由泄压阀(5)泄除压力，旋开上盖(4)，从高压釜(2)中取出养护杯(3)。排放阀(10)用于排放液体加热介质。

附图6。拧开端盖(25)，把底座(31)放置在仪器液压缸(8)下部位置。将取下端盖(25)的单筒养护杯(3)组件放置在底座(31)上，上部放置压头(32)。启动加压器(9)，通过液压缸(8)向压头(32)施压。当观察到筒体(27)发生向下位移时，停止加压，记录所加的最大压力值，即可得到界面C胶结强度的测试结果。然后泄放压力，完成界面C胶结强度的测试。

Claims (6)

1、一种水泥胶结强度模拟试验装置，由电加热器(1)、高压釜(2)、养护杯(3)、加压器(9)、测试组件组成，其特征在于：高压釜(2)与上盖(4)螺纹连接，上盖(4)有孔，孔连接有管线，管线与加压阀(6)及加压器(9)连接，管线与泄压阀(5)连接，高压釜(2)内部放置养护杯(3)，高压釜(2)外部有电加热器(1)，加压器(9)与液压缸(8)之间管线上有测试阀(7)。

2、如权利要求1所述的水泥胶结强度模拟试验装置，其特征在于：养护杯(3)为环形结构，由底盘(11)、外筒(13)、内筒(15)和活塞(18)组成，底盘(11)直径20～200mm，厚度8～50mm，底盘(11)顶面有环状凹槽，凹槽底部有密封圈(12)和(17)，凹槽有中心孔，内筒(15)外径20～100mm，壁厚5～20mm，高度20～200mm，内筒(15)中心有台阶和中心孔，外筒(13)内径20～200mm，壁厚5～20mm，高度20～200mm，下部有螺纹与底盘(11)连接，内筒(15)与外筒(13)之间有环形活塞(18)，环形活塞(18)厚度5～20mm，活塞(18)上设有螺孔，用密封圈(19)和螺钉(20)紧固密封。

3、如权利要求2所述的水泥胶结强度模拟试验装置，其特征在于：界面A测试组件包括测试底座(21)和压盖(22)，测试底座(21)为圆柱台形，上部圆柱体外径与内筒(15)内径相同，压盖(22)为圆柱体，下面有凹槽，凹槽内径与外筒(13)的内径相同。

4、如权利要求2所述的水泥胶结强度模拟试验装置，其特征在于：界面B测试组件包括测试底座(23)和压头(24)，测试底座(23)上为凸起的圆环形，圆环形的外径与外筒(13)内径相同，圆环形的内径与内筒(15)外径相同，压头(24)为圆形，直径与内筒(15)外径相同。

5、如权利要求1所述的水泥胶结强度模拟试验装置，其特征在于：养护杯(3)是单筒养护杯(3)，单筒养护杯(3)端盖(25)直径为20～200mm，厚度8～50mm，端盖(25)顶面有圆形凹槽，凹槽底部有圆形密封圈(26)，筒体(27)外径20～200mm，内径15～180mm，高度20～200mm之间，筒体(27)下部有螺纹与端盖(25)连接，筒体(27)内部有圆形活塞(29)，活塞(29)厚度5～20mm，活塞(29)上设有螺孔，螺孔内有螺钉(30)和密封圈。

6、如权利要求5所述的水泥胶结强度模拟试验装置，其特征在于：单筒养护杯界面C测试组件包括测试底座(31)和压头(32)，测试底座(31)为圆柱台形，上部圆柱直径与筒体(27)内径相同，压头(32)为凹槽圆环形，凹槽内径与筒体(27)外径相同，圆环内径与筒体(27)内径相同。

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