水泥膨脹測量設備和方法
2023-12-11 08:30:22
專利名稱：水泥膨脹測量設備和方法
技術領域：
實施例涉及一種用於測量水泥的膨脹的設備。水泥膨脹測量設備可以在油田相關應用中用於例如測量暴露於壓力和溫度的井下條件的水泥的膨脹。另一個實施例涉及一種水泥膨脹測量方法。
背景技術：
在此部分中的說明僅提供與本公開有關的背景信息並且可以不構成現有技術。水泥用於對已經鑽進地質構造中的井進行層間封隔，以便進行油氣開發與開採。這種水泥暴露於井下所遇到的惡劣環境，通常油氣和水的流體混合物處於2. 8千巴 (40, OOOpsi)的高壓或達到315°C (600 0F )的高溫下。研製新水泥配方需要測量當水泥暴露於這種壓力和溫度的井下條件時該水泥的膨脹。US6, 817，238說明了一种放置在高壓高溫(HPHT)室中的設備，和一種測量當凝固水泥暴露於類似於井下條件的壓力和溫度下時該水泥的體積變化的方法。所述設備包括具有第二部分和鄰近基部的第一部分的模具，所述第二部分可移動地連接到第一部分並鄰近基部，其中可以放置水泥。所述設備包括用於測量第一部分和第二部分響應於水泥的體積變化而相對於彼此的移動的傳感器。儘管US6，817，238對現有技術具有重要的貢獻，但是注意到所述模具具有相對複雜的結構，從而使得在水泥漿已經凝固在模具中並且已經測量完水泥的體積變化之後進行重新清潔以便重新使用時變得相對困難。此外，模擬在所鑽的井眼的環空中膨脹的水泥的幾何條件需要不同的形狀。此外，估算水泥的線性膨脹和/或測量通常被證明(例如，國際標準組織ISO、或美國材料試驗學會ASTM，或美國石油學會API)的水泥的特徵也是重要的。
發明內容
這裡提出了一種滿足所述需要的水泥膨脹測量設備和方法。—方面，實施例涉及一種用於測量水泥膨脹的設備。另一方面，實施例涉及一種用於測量水泥膨脹或諸如地質聚合物的任何其它可適當的可凝固的組成物的膨脹的方法。
本發明以示例的方式進行說明並且不局限於附圖，在所述附圖中，相同的附圖標記表示類似的元件。圖1是膨脹單元的側視橫截面圖；圖2示出了膨脹單元的基板的俯視和側視橫截面圖；圖3示出了膨脹單元的頂板的俯視和側視橫截面圖；圖4A示出了膨脹單元的電元件的一個實施例的俯視圖和橫截面圖；圖4B示出了膨脹單元的電元件的另一個實施例的俯視圖和橫截面4
圖5示出了水泥膨脹測量設備的一個實施例的側視橫截面圖；圖6示出了水泥膨脹測量設備的另一個實施例的側視橫截面圖；圖7示出了顯示水泥膨脹測量方法的原理圖；以及圖8示出了顯示水泥膨脹測量值的圖表。
具體實施例方式圖1是水泥膨脹測量設備的膨脹單元2的橫截面圖。膨脹單元2包括具有旋轉軸線AA'的大致圓筒形形狀。膨脹單元2包括內環3、可膨脹外環4、基板5和頂板6。包括膨脹單元的不同元件通過螺釘7緊固在一起。圖2的上部分顯示基板5。圖2的下部分顯示基板5的側視橫截面圖。基板包括具有臺肩的第一孔8。第一孔的軸線可以近似對應於旋轉軸線AA'。第一孔8容納螺釘7， 所述螺釘7的頭由臺肩支撐。基板5還在中心部分中包括兩個入口孔10，所述兩個入口孔分別10具有遠離旋轉軸線AA'並平行於所述旋轉軸線的軸線。入口孔10以小於內環3的半徑的半徑的方式被定位在距離旋轉軸線AA'的一定距離處。基板還包括容納內環3的下部的基部圓形溝槽14。基板還包括容納可膨脹外環4的下部的基部圓形臺肩16。圖3的上部分示出了頂板6。圖3的下部分示出了頂板6的側視橫截面圖。頂板包括螺紋孔9。螺紋孔的軸線近似對應於旋轉軸線AA'。螺紋孔9容納螺釘7的螺紋部分。 頂板6在中心部分中還包括兩個出口孔11，所述兩個出口孔分別具有遠離旋轉軸線AA'並平行於所述旋轉軸線的軸線。出口孔11被定位在距離旋轉軸線AA'的小於內環3的半徑的距離處。出口孔11可以近似具有與基板的入口孔10相同的對稱軸線。出口孔11允許加熱和加壓流體混合物通過頂板6流出。頂板還包括用於將水泥漿注入到膨脹單元2的環形空間中的水泥注入孔12。頂板還可以包括另外的孔13，所述另外的孔的直徑小於注入孔 12的直徑，從而當膨脹單元2填充有水泥漿時有助於膨脹單元中所含有的空氣的排出。頂板還包括容納內環3的上部的頂部圓形溝槽15。頂板還包括容納可膨脹外環4的上部的頂部圓形臺肩17。可膨脹外環4具有大於內環3的直徑的直徑。如圖4和圖7所示，可膨脹外環4 包括被狹縫20間隔開的兩個接點18、19。縫隙20大致平行於可膨脹環的旋轉軸線AA'。 接點18、19可以被實施為焊接在外環4的外壁上的球。接點18、19間隔開距離30。如以下參照圖7所述，所述距離30可以與膨脹單元中所含有的水泥的線性膨脹31相關。基部圓形溝槽14和頂部圓形溝槽15將內環3定位在適當的位置。基部圓形臺肩 16和頂部圓形臺肩17 —方面能夠將可膨脹外環4定位在適當的位置防止朝向內環3的任意移動，而另一方面允許可膨脹外環4膨脹。當定位在基板5和頂板6之間時，內環3和可膨脹外環4 一方面限定模擬井眼的第一室21，而另一方面限定模擬井眼的環空的第二室 22，S卩，套管與井壁之間需要填充有水泥的空間。如圖4所示，膨脹單元2聯接到電元件23，所述電元件連接到測量裝置M。更確切地。電元件23聯接到固定到可膨脹外環4並被縫隙20間隔開的兩個接點18、19接點。 電元件具有與兩個接點18、19之間的距離30相關的電特性。當水泥根據線性膨脹31在膨脹單元2中膨脹時，兩個接點18、19之間的距離30改變，因此電特性改變。測量電特性的變化允許估算兩個接點18、19之間的距離30，並因此估算水泥線性膨脹31。
圖4A顯示了膨脹單元的電元件23的一個實施例的俯視和側視橫截面圖。在此實施例中，被測量的電特性是電阻。接點中的一個18例如通過第一連接器26固定地聯接到電阻器25。另一個接點19可移動地聯接到電阻器25，例如，接點19固定地聯接到當縫隙20 張開時掃掠電阻器25的刮子27。這些元件形成電位計。為了測量電阻，電阻器25的固定地聯接到一個接點18的一端連接到電壓源+Ve，而電阻器25的另一端連接到電壓源_Ve。 通過測量裝置M測量刮子27處的電壓Vout。可以通過導線和夾子實現與電壓源/測量裝置的連接，以便於移除，然而，任意其它可移除連接也是符合要求的。測量裝置對確定電阻器的、包括在連接器26與刮子27在電阻器25上的接觸點之間的一部分的電阻。所述電阻則可以與兩個接點18、19之間的距離30和線性膨脹31有關。圖4B示出了膨脹單元的電元件23的另一個實施例的俯視和側視側視圖。在此實施例中，被測量的電特性是電容。接點中的一個18固定地聯接到第一板28。另一個接點19 固定地聯接第二板29。當板置於非導電流體混合物中時，介電流體層32形成在第一板與第二板( 和29)之間。這些元件形成可變電容器。為了測量電容，一個板觀連接到電壓源 +Ve0由測量裝置M測量另一個板四處的電壓Vout。可以通過導線和夾子實現與電壓源 /測量裝置的連接，以便於移除，然而，任意其它可移除連接也是符合要求的。測量裝置M 確定電容器的電容。電容則可以與兩個接點18、19之間的距離30以及線性膨脹31有關。圖5是水泥膨脹測量設備1的一個實施例的側視橫截面圖。水泥膨脹測量設備1 包括限定高溫高壓室41的容器40。所述容器包括一個膨脹單元2。膨脹單元2的第二室填充有水泥50。容器聯接到泵42和加熱器43，從而允許將膨脹單元2中的要被模擬的水泥暴露於井下壓力和溫度。容器還聯接到泵送加熱裝置44。泵送加熱裝置44包括另一個泵和另一個加熱器45、以及管道結構46，所述管道結構用於允許模擬井眼內條件的流體混合物47在膨脹單元2的第一室內流動。泵42、加熱器43、和泵送加熱裝置44可以聯接到測量裝置對，所述測量裝置還可以控制膨脹單元2所暴露的井下條件。測量裝置可以包括相應的泵送控制器和溫度控制器(未示出)。高溫高壓室41可以填充有導電流體48(例如，水)和非導電流體49 (例如，油)，或者僅填充有非導電流體49。作為可選方案(未示出)，膨脹單元2可以定位在填充有導電流體48(例如，水)的套管中。連接到電壓源的電元件23部分定位在非導電流體49層中。具體地，連接器、刮子或板當存在時可以在導電流體48層上方延伸。圖6是水泥膨脹測量設備的另一個實施例的側視橫截面圖。此實施例與圖5的實施例的不同在於填充有水泥(50A和50B)的多個(例如，兩個)膨脹單元OA和2B)在容器40中以一個位於另一個的上方的方式設置。每一個膨脹單元都可以由架件(未示出) 支撐在容器中。圖6示出了各個膨脹單元2A和2B的接點(19A和19B)固定地聯接到單個電元件23的實施例。這樣一個實施例能夠測量兩個水泥(50A和50B)的平均線性膨脹。可選地，根據另一個實施例(未示出)，每一個膨脹單元2A和2B都可以聯接不同的電元件。這樣一個實施例能夠單獨並獨立測量每一個水泥50A和50B的線性膨脹。在此具體實施例中，容器40的室41優選地填充有非導電流體49。每一個電元件可以分別連接到測量裝置對，或每一個電元件可以在同一導線連接件上被多路傳輸。圖7示意性地顯示了水泥膨脹測量方法。為了清楚起見，僅示出了構成膨脹單元和容器的一些元件。
在第一步驟Sl中，連接器沈、電阻器25和刮子27聯接到接點18、19。縫隙20閉合。膨脹單元2的第二室22填充有水泥漿50。在第二步驟S2中，膨脹單元2定位於容器內。電元件23聯接到測量裝置的電壓源+Ve、_Ve，並且輸出電壓Vout也聯接到測量裝置。由此時開始，可以連續測量輸出電壓。 容器閉合併且測量順序開始，同時膨脹單元暴露於被模擬的井下條件HTHP。縫隙20仍然閉合，並且可測量與接點18、19之間的初始距離30相對應的輸出電壓Vout。有利地，流體混合物47在由膨脹單元2的內環3限定的第一室21中流動，從而模擬井眼內部條件。在第三步驟S3中，水泥當暴露於被模擬的井下條件HTPT時開始膨脹，並且縫隙20 張開。通過確定兩個接點18、19之間的電阻並估算所述兩個接點18、19之間的距離30，並且使所述距離與線性膨脹31A相關來測量水泥50的線性膨脹31A。在第四步驟S4中，在結束膨脹過程時，水泥50不再膨脹。測量與接點18、19之間的最終距離30B相對應的輸出電壓Vout。可以估算相應的最終線性膨脹31B，用於表徵水泥50。圖8是示出了在上述步驟期間作為時間函數t的這種水泥膨脹測量值LE (實線) 的圖表。還在此圖表中示出了作為時間函數的以攝氏溫度表示的測試溫度T(虛線)的發展。有利地，在上述測量順序發生之前，可以對膨脹單元執行校準以確定與電特性有關的測量值(例如，電壓)與當縫隙張開時兩個接點之間的距離之間的對應性。應該認識的是本發明的實施例不局限於如附圖所示的垂直井的模擬，所述實施例還可以應用於對水平井或斜井的模擬。容器可以適於包括多於兩個的膨脹單元。雖然本發明的具體應用涉及油田行業，但是還可應用於諸如採礦業、水行業(水資源勘探和開發)或類似行業的其它應用到其它行業。HTHP或HPHT當用在本公開中時應該被理解為高溫(例如，達到450° C)、高壓(達到3000巴)。然而，外界溫度和高壓的測量值也在本發明的保護範圍內。例如，根據本發明的設備和方法允許測量在大氣壓以上(例如，在25°C和70巴壓力下)的水泥膨脹。本文獻中所使用的術語「膨脹」應該被理解為主要認為是化學膨脹(例如，MgO膨脹劑的水合作用)的體積膨脹。然而，使用利用稠度計室的溫度循環的同一方法測量凝固水泥塊的熱膨脹也在本發明的保護範圍內。還必須注意的是HTHP稠度計可本發明中可是有用的。可以在以下出版物中得到關於稠度計的大致結構的更詳細說明。「Petroleum and Natural Gas Industries-Cements and Materials for Well Cementing-Part2 =Testing of Well Cements"H^feit[ii 版物No. 10似6-2。還可以利用不同類型的單元測量膨脹。一種示例公開在Nelson Ε. B.和Guillot D. (eds) =Well Cementing，第二版，斯倫貝謝，休斯頓(2006) 642，圖B21。然而，對於這種適於與當前方法一起工作的單元來說，金屬公接頭應該嵌入在水泥漿中，水泥漿將允許凝固； 然後，凝固水泥可以放置在這裡所述的設備中，並且在公接頭之間進行測量。附圖及其以上說明是說明性的，而不是限制本發明。雖然附圖顯示了作為不同塊的功能實體，但是這並不排除其中單個實體執行多個功能、或多個實體執行單個功能的實施方案。基於此，附圖完全是圖解示意性的。權利要求中的任何附圖標記不應該被理解為限制權利要求。單詞「包括」不排除除權利要求中所列的元件之外的其它元件的存在。元件前面的單詞「一個」不排出存在多個這種元件。
權利要求
1.一種水泥膨脹測量設備，包括(i)膨脹單元，所述膨脹單元包括兩個接點，所述兩個接點被縫隙間隔開，使得所述兩個接點之間的距離的變化與所述膨脹單元中所含有的水泥的線性膨脹相關；( )包括所述縫隙的可膨脹外環，其中，所述縫隙大致平行於所述可膨脹外環的旋轉軸線；(iii)內環，所述內環的直徑小於所述可膨脹外環的直徑，由所述內環限定的第一室模擬井眼，而在所述內環與所述可膨脹外環之間用於容納水泥的第二室模擬所述井眼的環空；(iv)基板和頂板，所述基板和所述頂板包括用於允許流體混合物在所述第一室中流動的至少一個孔，並且所述頂板包括用於將水泥漿注入在所述第二室中的至少一個孔；(ν)電元件，所述電元件聯接到所述兩個接點，所述電元件具有與所述距離相關的電特性；和(vi)用於連續和實時地測量所述電特性從而當水泥膨脹暴露於被模擬的井下條件時估算所述水泥的線性膨脹的裝置。
2.根據權利要求1所述的設備，還包括能夠容納至少一個膨脹單元的容器，所述容器還聯接到泵和加熱器，從而允許所述膨脹單元中的水泥暴露於被模擬的井下壓力和溫度。
3.根據權利要求1所述的設備，其中，所述電特性是電阻，所述接點中的一個固定地聯接到電阻器，而另一個接點可移動地聯接到所述電阻器，從而形成電位計。
4.根據權利要求3所述的設備，還包括能夠容納至少一個膨脹單元的容器，所述容器還聯接到泵和加熱器，從而允許所述膨脹單元中的水泥暴露於被模擬的井下壓力和溫度。
5.根據權利要求1所述的設備，其中，所述電特性是電容，所述接點中的一個固定地聯接到第一板，另一個接點固定地聯接到第二板，並且非導電介電流體層位於所述第一板與所述第二板之間，從而形成可變電容器。
6.根據權利要求5所述的設備，還包括能夠容納至少一個膨脹單元的容器，所述容器還聯接到泵和加熱器，從而允許所述膨脹單元中的水泥暴露於被模擬的井下壓力和溫度。
7.一種用於測量水泥膨脹的方法，包括以下步驟 (i)利用水泥填充膨脹單元，所述膨脹單元包括(a)兩個接點，所述兩個接點被縫隙間隔開，使得所述兩個接點之間的距離的變化能夠與所述膨脹單元中所含有的水泥的線性膨脹相關；(b)包括所述縫隙的可膨脹外環，其中，所述縫隙大致平行於所述可膨脹外環的旋轉軸線.一入 ，(c)內環，所述內環的直徑小於所述可膨脹外環的直徑，由所述內環限定的第一室模擬井眼，而在所述內環與所述可膨脹外環之間用於容納水泥的第二室模擬所述井眼的環空； 禾口(d)基板和頂板，所述基板和所述頂板包括用於允許流體混合物在所述第一室中流動的至少一個孔，並且所述頂板包括用於將水泥漿注入在所述第二室中的至少一個孔；( )將電元件聯接到所述兩個接點，所述電元件具有與所述距離相關的電特性；和 (iii)連續和實時地測量所述電特性並估算所述水泥的線性膨脹。
8.根據權利要求7所述的方法，還包括以下步驟將所述膨脹單元放置在被配備成模擬井下壓力和溫度的容器中。
9.根據權利要求7所述的方法，還包括以下步驟允許流體混合物在第一室內流動，所述第一室由所述膨脹單元的內環限定。
10.根據權利要求7所述的方法，還包括用於確定所述電特性與所述兩個接點之間的距離之間的相關性的校準步驟。
11.根據權利要求7所述的方法，其中，所述電特性是電阻。
12.根據權利要求11所述的方法，還包括將所述膨脹單元放置在被配備成模擬井下壓力和溫度的容器中。
13.根據權利要求11所述的方法，還包括以下步驟允許流體混合物在第一室內流動，所述第一室由所述膨脹單元的內環限定。
14.根據權利要求11所述的方法，還包括用於確定所述電阻與所述兩個接點之間的距離之間的相關性的校準步驟。
15.根據權利要求7所述的方法，其中，所述電特性是電容。
16.根據權利要求15所述的方法，還包括將所述膨脹單元放置在被配備成模擬井下壓力和溫度的容器中。
17.根據權利要求15所述的方法，還包括以下步驟允許流體混合物在第一室內流動，所述第一室由所述膨脹單元的內環限定。
18.根據權利要求15所述的方法，其中，非導電介電流體放置在所述板之間。
19.根據權利要求15所述的方法，還包括用於確定所述電容與所述兩個接點之間的距離之間的相關性的校準步驟.
20.一種用於測量膨脹的方法，包括以下步驟(i)利用可凝固組成物填充膨脹單元，所述膨脹單元包括(a)兩個接點，所述兩個接點被縫隙間隔開，使得所述兩個接點之間的距離的變化能夠與所述膨脹單元中所含有的可凝固組成物的線性膨脹相關；(b)包括所述縫隙的可膨脹外環，其中，所述縫隙大致平行於所述可膨脹外環的旋轉軸線.一入 ，(c)內環，所述內環的直徑小於所述可膨脹外環的直徑，由所述內環限定的第一室模擬井眼，而在所述內環與所述可膨脹外環之間用於容納所述可凝固組成物的第二室模擬所述井眼的環空；和(d)基板和頂板，所述基板和所述頂板包括用於允許流體混合物在所述第一室中流動的至少一個孔，並且所述頂板包括用於將可凝固組成物漿料注入在所述第二室中的至少一個孔；( )將電元件聯接到所述兩個接點，所述電元件具有與所述距離相關的電特性；和 (iii)連續和實時地測量所述電特性並估算所述可膨脹組成物的線性膨脹。
全文摘要
本發明公開一種用於測量水泥膨脹的設備，所述設備包括膨脹單元，所述膨脹單元包括被縫隙間隔開的兩個接點。接點被一縫隙間隔開，使得接點之間的距離的變化可以與膨脹單元中所含有的水泥的線性膨脹相關。電元件聯接到兩個接點，並且電元件具有可以與接點之間的距離相關的電特性。可以連續並實時地執行電特性變化的測量。另外，膨脹單元可以放置在被配備成模擬井下壓力和溫度條件的容器中。
文檔編號G01N27/22GK102192926SQ20111003511
公開日2011年9月21日 申請日期2011年1月30日 優先權日2010年2月8日
發明者鄂爾瑪撒法威·優瑟夫 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司