水泥漿高溫沉降穩定性測試裝置的製作方法

2023-05-28 04:15:12 1

本發明涉及一種測量高溫條件下環空水泥漿沉降穩定性的裝置，適用於石油及天然氣鑽井過程中的鑽井液沉降穩定性的測量，尤其是注水泥、擠水泥、打水泥塞及水泥漿堵漏等作業中水泥漿沉降穩定性的測量。

背景技術：

固井作業中，水泥漿的沉降穩定性是較為重要的一個指標，特別是在高溫下的沉降穩定性，是固井質量好壞的一個重要的影響因素，美國石油學會(API)已經把游離水量作為衡量靜置水泥漿穩定性的標準，自由水量從宏觀上反映了水泥漿的穩定性。但實際上游離水層下方的水泥漿密度並不是均勻的，如何定量分析這種呈上稀下濃梯度分布的水泥漿一直是固井工作者非常關心的問題。

目前測定水泥漿沉降穩定性的方法主要是測量水泥漿游離液的大小和凝固後水泥石的密度差。測定的都是靜態水泥漿或水泥石的穩定性。這兩種方式測定水泥漿的沉降穩定性都不同程度地存在問題。下面是目前國內外測定水泥漿穩定性的四種裝置：

1、量筒靜置水泥漿測析水，觀察沉降法(API穩定性測試方法)

1948年API規範用帶刻度量筒測定水泥漿的穩定性，直至1990年這一方案都沒有特別大的變動。具體做法是將待測的水泥漿倒入250ml量筒，靜置2h後測水泥漿游離液大小，用玻璃棒探得底部的沉降情況。此方法的最大優點是方便、直觀。但是也存在著一些缺點。

(1)單憑水泥漿游離液大小無法真正反應水泥漿的穩定性，且測量水泥漿的析水量時誤差較大。

(2)只能定性反映水泥漿沉降穩定性，不能定量測試，也不能測試穩定性隨時間的變化。

(3)無法模擬井下高溫高壓條件，不能評價水泥漿在真實地層條件下的穩定性。

2、BP管法

1990年BP公司提出了一種單筒式水泥沉降管試驗裝置，其原理是分段測定凝結水泥柱的密度，通過密度差評價水泥漿的沉降穩定性。該方法存在的問題是：

(1)對合部位使用一段時間後，密封容易失效，導致滲漿發生，水泥漿凝固後不易脫模，兩半管扣合時易產生對偏等不良現象；

(2)單筒結構每次只能對一種配方進行測試，缺乏對比，使測試結果有一定的局限性，也不能充分利用養護釜的空間，測試效率低；

(3)筒體內徑設計較小，筒壁效應影響較大，筒體高度不夠，造成筒體內水泥柱密度梯度差異不明顯，增加了測試的分辨精度和困難；

(4)測試時間長，需要等水泥漿凝結後方能測得水泥柱的密度差，測試效率低，對於凝結時間較長的水泥漿更是如此；

(5)無法評價井下真實溫度和壓力條件下的穩定性。

3、稠化儀停機實驗法

該法將水泥漿的總稠化時間分成4段，每段時間結束後停機10min後開機，如總稠化時間為280min，當稠化至70、140、210min時停止攪動10min後再開機,測定停止攪動前後稠度的變化,來判定水泥漿的沉降穩定性。這種方法用於表徵沉降穩定性沒有統一的標準和規定，可靠性也有待考察。

4、雙筒組合型水泥漿沉降穩定性試驗裝置

中國石油天然氣集團公司工程技術研究院發明了一種雙筒組合型水泥漿沉降穩定性試驗裝置。該裝置能與API水泥高溫高壓養護釜配套使用，能模擬實際井下高溫高壓條件，既可比較同一配方在同一溫度、壓力條件下不同沉降筒內的自由液高度，以排除單筒測試的局限性和偶然性，又可根據同一配方在同一環境條件下水泥漿密度對比及密度變化的可比性，來判斷製漿裝置及製漿方法和步驟所得的水泥漿是否均勻，從而改變製漿方法和步驟，使水泥漿達到密度混配均勻。該裝置仍然存在一些缺點：

(1)裝置結構複雜，利用該裝置的測試步驟比較繁瑣，需每次等水泥石凝固後鋸開水泥石分別測得每段的質量和體積，實驗操作不方便，不利於推廣應用；

(2)測試時間長。需要等水泥漿凝結後方能測得水泥柱的密度差，測試效率低。對於凝結時間較長的水泥漿更是如此。

(3)只能測試某一時間點的水泥漿穩定性，不能測試水泥漿穩定性隨時間的變化關係。

針對以上測試水泥漿沉降穩定性存在的不足，研發一種可定量測定水泥漿沉降穩定性的裝置對表徵水泥漿綜合性能有著重要的意義。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供水泥漿高溫沉降穩定性測試裝置，該裝置原理可靠，結構合理，測試過程簡單快捷，清洗方便，能測量不同水泥漿體系在不同高溫環境中的沉降穩定性。

水泥漿高溫沉降穩定性測試裝置，主要由底座支架、養護釜、漿筒、壓力傳感器、溫度傳感器、控制面板、計算機、氣源和水源組成。

所述養護釜安裝在底座支架上，可任意角度翻轉，養護釜中有加熱器，加熱養護釜內的漿筒，釜體內有皮帶輪帶動的外磁體，通過磁力作用驅動漿筒內的內磁杆，養護釜為半封閉，側面開槽，以便漿筒的壓力傳感器與控制面板連接。

所述漿筒用於盛放水泥漿，漿筒上部為驅動體，驅動體包括驅動體外殼、驅動體堵塞、內磁杆和芯棒，槳葉通過聯軸器與芯棒連接，內磁杆和芯棒在外磁體的磁力驅動作用下旋轉，並帶動槳葉攪拌漿筒內水泥漿，漿筒側壁上部和下部有兩個壓力傳感器，漿筒驅動體外殼(含上蓋)和底蓋均可拆卸，方便清洗漿筒。

所述壓力傳感器主要採集漿筒內水泥漿柱壓力數據，與控制面板和計算機相連。

所述溫度傳感器插入養護釜，採集養護釜溫度數據並傳回控制面板和計算機。

所述控制面板用於設定和控制加熱溫度及升溫時間。

所述計算機用於採集實驗中的溫度和壓力數據。

所述氣源為漿筒提供壓力，所述水源的作用是在實驗結束後冷卻釜體。

漿筒放在養護釜中，通過加熱器加熱，養護釜中的皮帶輪帶動外磁體通過磁力作用驅動內磁杆，內磁杆帶動槳葉旋轉實現漿筒內水泥漿的攪拌。壓力調節閥設定實驗初始壓力。養護釜上的溫度傳感器採集溫度，通過控制面板控制加熱溫度和升溫速率，壓力傳感器採集漿筒上部和下部的水泥漿液柱壓力數據，通過計算機記錄水泥漿液柱壓力的變化過程，並根據液柱壓力變化反應出水泥漿柱的密度變化，以此判斷水泥漿在高溫條件下的沉降穩定性。

本發明與現有技術相比較具有以下有益效果：

(1)該裝置能模擬不同溫度條件和水泥漿先流動後靜止的過程，該裝置的最高工作溫度為200℃，滿足了一般井深所需的條件；

(2)採用了壓力變化表徵密度變化的方法，通過壓力傳感器和計算機採集數據，操作方便、簡單，並能連續採集數據，能判斷整個過程中水泥漿穩定性隨時間的連續變化，壓力傳感器最高工作壓力為2MPa。

附圖說明

圖1為本發明水泥漿高溫沉降穩定性測試裝置的結構示意圖。

圖2為養護釜和漿筒的結構示意圖。

圖中：1-氣源；2-水源；3-壓力調節閥；4-高壓釋放閥；5-壓力表；6-漿筒；7-養護釜；8-控制面板；9-計算機；10-驅動體堵塞；11-溫度傳感器；12-內磁杆；13-芯棒；14-聯軸器；15-加熱器；16-槳葉；17-底蓋；18-提把；19-卡銷；20-下壓力傳感器；21-上壓力傳感器；22-皮帶輪；23-外磁體；24-驅動體外殼；25-底座支架。

具體實施方式

水泥漿高溫沉降穩定性測試裝置，主要由底座支架25、養護釜7、漿筒6、上壓力傳感器21、下壓力傳感器20、溫度傳感器11、控制面板8、計算機9、氣源1和水源2組成，所述養護釜7安裝在底座支架25上，可任意角度翻轉，漿筒6置於養護釜中，漿筒和養護釜之間有加熱器15，養護釜釜體內有皮帶輪22帶動的外磁體23，溫度傳感器11插入養護釜並與控制面板8和計算機9相連；所述漿筒6上部為驅動體，下部為底蓋17，所述驅動體包括驅動體外殼24、驅動體堵塞10、內磁杆12和芯棒13，內磁杆連接芯棒，芯棒通過聯軸器14與漿筒內的槳葉16相連，養護釜的外磁體23驅動漿筒內的內磁杆12旋轉，帶動槳葉16攪拌漿筒內水泥漿，漿筒有上壓力傳感器21、下壓力傳感器20，均通過養護釜側面的開槽與控制面板8和計算機9相連；漿筒的驅動體堵塞10通過壓力調節閥3連接氣源1，壓力調節閥連有壓力表5和高壓釋放閥4，養護釜7連接水源2。

所述養護釜7和漿筒6之間有卡銷19，漿筒6的底蓋17連有提把18。

所述漿筒的驅動體外殼24和底蓋17均可拆卸，方便清洗漿筒。

實驗開始時，在控制面板8上設定好實驗溫度和升溫時間，然後將按照API規範配製好水泥漿，倒入漿筒並裝配好。提住提把18將漿筒放入養護釜7，用卡銷19卡住漿筒，然後將養護釜翻轉180°，使有驅動體的一面向上，將氣源接入驅動體堵塞10。把溫度傳感器11插在養護釜上，上壓力傳感器21和下壓力傳感器20連接到控制面板。打開氣源1，並調整壓力調節閥3，觀察壓力表5設定初始壓力。然後打開加熱器15和計算機9上的採集程序，開始採集實驗數據。按照設定的時間升溫至目標溫度後停止攪拌，恆溫靜置2小時。計算機採集記錄、顯示水泥漿漿體液柱壓力的變化情況，繪製出時間-壓力曲線。實驗結束後，停止程序，關閉加熱器和氣源，打開高壓釋放閥4，釋放掉漿筒內的壓力，再打開水源2，冷卻釜體和漿筒，實驗結束。