水泥膠結強度模擬試驗裝置的製作方法

2023-07-10 11:31:26

專利名稱：水泥膠結強度模擬試驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種水泥膠結強度模擬試驗裝置，是一種應用於鑽井固井領域的專用測試儀器。該儀器可以在模擬井下溫度、壓力條件下，測試固井水泥漿凝固後與相關界面的膠結強度。通過對膠結強度的測試，研究評價水泥漿及添加劑的相關性能，進而分析、評價固井質量的優劣，並為確定適用的固井水泥漿配方方案，防止發生洩漏、竄槽等現場事故提供可靠依據，以保證固井質量達到施工要求。
背景技術：
目前，測定固井水泥漿強度的方法是在樣品槽內加注水泥漿後，常壓養護，待水泥漿凝固之後，測定樣塊的抗壓強度。採用這種方法，只能測定水泥漿凝固後的抗壓強度，不能直接反映水泥與界面膠結狀況。水泥抗壓強度與水泥膠結強度是評價水泥的兩個不同技術指標，單一利用水泥抗壓強度評價固井水泥存在很大缺陷。為了評價固井水泥界面膠結強度和固井質量，工程技術人員在完成固井後，採用聲波測井方法檢驗。這種方法只能在施工後檢測評價固井質量，如果水泥膠結強度發生問題，補救非常困難，效果很不理想。這種方法更不能用於研究評價固井水泥漿及添加劑的膠結性能。目前尚沒有測定水泥膠結界面膠結強度的專用儀器以及相關評價標準。
實用新型內容本實用新型的目的是設計一種水泥膠結強度模擬試驗裝置，模擬井下地層和固井套管，同時在模擬地層溫度和壓力的條件下，使水泥漿凝固膠結，然後測定模擬膠結界面的膠結強度。本實用新型能模擬現場條件，測試結果更準確、可靠，為研究、評價相關固井水泥漿施工方案和固井質量，提供科學依據。
本實用新型的水泥膠結強度模擬試驗裝置主要由電加熱器、加壓器、高壓釜、養護杯、測試組件組成。高壓釜通過螺紋與上蓋連接。上蓋有孔，孔連接有管線。管線與加壓閥及加壓器連接，管線與洩壓閥連接，達到為高壓釜內加壓或洩壓的目的。將養護杯放在高壓釜內，高壓釜可以為養護杯提供試驗所需壓力。高壓釜外部有電加熱器，以提供試驗所需要的溫度。加壓器與液壓缸之間管線上有測試閥，控制液壓缸調整液壓缸推力大小。
本實用新型養護杯有兩種形式可以是環形養護杯，也可以是單筒養護杯。
環形養護杯由底盤、內筒、外筒、活塞和密封件等組成。底盤直徑20～200mm，厚度8～50mm，底盤頂面有環狀凹槽。凹槽底部有密封圈。凹槽有中心孔，用於內筒固定。內筒外徑20～100mm，壁厚5～20mm，高度20～200mm。內筒中心設有臺階及中心孔，以通過螺釘與底盤連接並密封。外筒內徑20～200mm，壁厚5～20mm，高度20～200mm，下部有螺紋與底盤連接。內筒與外筒之間有環形活塞，環形活塞厚度5～20mm。在內筒與外筒之間注入待試驗水泥漿樣品，水泥漿樣品上部放置環形活塞。水泥漿凝固過程中，活塞可以隨樣品體積的變化而自由移動。環形活塞上設有螺孔，在樣品排氣後，用密封圈和螺釘緊固密封。
在環形養護杯內加注待試驗水泥漿樣品，排氣、密封后，將養護杯置於高壓釜內，加溫、加壓養護。試驗水泥漿樣品與外筒的內圓柱面形成膠結界面A，水泥漿樣品與內筒的外圓柱面形成膠結界面B。當達到預定養護時間後，分別測定界面A和界面B的膠結強度。
養護杯內的水泥漿凝固之後，將養護杯從高壓釜取出，卸下底盤，利用界面A的測試底座和壓蓋測定界面A的膠結強度。底座為圓柱臺形，上部圓柱體外徑與外筒內徑相同。壓蓋為圓柱體，下面有凹槽，凹槽內徑與外筒內徑相同。測定方法是養護杯放置在底座與壓蓋之間。即在液壓缸下部放好底座，將去除底盤的養護杯放置在底座上，養護杯上部放置壓蓋。通過液壓缸為壓蓋施加壓力，壓蓋推動外筒。壓力逐漸加大，當外筒與樣品之間發生位移時，記錄施加的最大壓力值，經過換算可得到界面A膠結強度的測定結果。
再利用界面B的測試底座和壓頭測定界面B的膠結強度。底座上有凸起的圓環形，圓環形的外徑與外筒內徑相同，圓環形的內徑與內筒外徑相同。壓頭為圓形，直徑與內筒外徑相同。測定方法如上所述。壓頭推動內筒。壓力逐漸加大，當內筒與樣品之間發生位移時，記錄施加的最大壓力值，經過換算可得到界面B膠結強度的測定結果。
單筒養護杯由端蓋、密封圈、筒體、活塞組成。端蓋直徑20～200mm，厚度8～50mm，端蓋頂面有圓形凹槽，凹槽底部有圓形密封圈。筒體外徑20～200mm，內徑15～180mm，高度20～200mm之間。筒體下部有螺紋與端蓋連接。筒體內部有圓形活塞。活塞厚度5～20mm，活塞上設有螺孔，螺孔內有螺釘和密封圈。
單筒養護杯內加注待試驗水泥漿樣品，排氣、密封后，將單筒養護杯置於高壓釜內，加溫、加壓養護。試驗水泥漿樣品與單筒養護杯的內圓柱面形成膠結界面C。當達到預定養護時間後，測定界面C的膠結強度。測試界面C的膠結強度過程與雙筒養護杯界面A相同，不詳細敘述。單筒養護杯的膠結界面C測試底座為圓柱臺形，上部圓柱直徑與筒體內徑相同，壓頭為凹槽圓環形，凹槽內徑與筒體外徑相同，圓環內徑與筒體內徑相同。
本實用新型的有益效果是水泥膠結強度模擬試驗裝置具有加熱、加壓養護功能，可以在模擬現場溫度和壓力的條件下，對水泥漿樣品進行養護，更接近現場井下的實際情況，真實反映施工過程中發生的問題。養護杯設計為環形樣品槽結構，上部放置環形活塞，不僅使樣品與加壓介質隔離，而且無論樣品產生收縮或膨脹，活塞隨之自由移動，僅受到養護溫度和壓力的影響，而不會受到其它條件限制，客觀真實地反映了現場的實際情況。採用環形樣品槽結構，可以在同一試驗，形成兩個膠結面，然後利用儀器配置的底座和壓頭分別測定兩個界面的膠結強度及其差異，這樣可以更客觀地反映現場施工的狀況，對於試驗研究水泥產品或添加劑的相關性能，優選科學、適用的施工方案，分析評價固井質量，都具有重要意義。


附圖1本申請水泥漿膠結強度模擬試驗裝置剖面示意圖。
附圖2本申請的環形養護杯(3)結構剖面示意圖。
附圖3本申請的環形養護杯界面A膠結強度測試組裝示意圖。箭頭所指的方向為液壓缸(8)推動壓蓋(22)的方向。
附圖4本申請的環形養護杯界面B膠結強度測試組裝示意圖。箭頭所指的方向為液壓缸(8)推動壓頭(24)的方向。
附圖5本申請的單筒養護杯(3)結構剖面示意圖。
附圖6本申請的單筒養護杯界面C膠結強度測試組裝示意圖，箭頭所指的方向為液壓缸(8)推動壓蓋(32)的方向。
圖中1.電加熱器，2.高壓釜，3.養護杯，4.上蓋，5.洩壓閥，6.加壓閥，7.測試閥，8.液壓缸，9.加壓器，10.排放閥，11.底盤，12.密封圈，13.外筒，14.樣品，15.內筒，16.螺栓，17.密封圈，18.活塞，19.密封墊，20.螺釘，21.底座，22.壓蓋，23.底座，24.壓頭，25.端蓋，26.密封圈，27.筒體，28.樣品，29.活塞，30.螺釘，31.底座，32.壓頭。
具體實施方式
結合水泥膠結強度模擬試驗裝置的操作過程，進一步詳細描述。
實施例1附圖1，高壓釜(2)為圓筒狀，內徑100毫米，高度120毫米。高壓釜(2)上部有螺紋，通過螺紋與上蓋(4)連接。上蓋(4)有孔，孔連接有高壓管線。管線與加壓閥(6)及加壓器(9)連接，管線與洩壓閥(5)連接。高壓釜(2)外部有一個圓筒狀電加熱器(1)。加壓器(9)與液壓缸(8)之間連接管線，管線上有測試閥(7)。可以採用氣體作為加壓介質，也可以採用液體作為加壓介質。
如附圖2。首先把密封圈(12)和密封圈(17)分別安裝在底盤(11)的環形槽內，將外筒(13)旋緊在底盤(11)上，再將內筒(15)安裝在底盤(11)的中心凸緣位置，用螺栓(16)緊固。底盤(11)直徑90mm，厚度10mm。內筒(15)外徑25mm，壁厚6mm，高度80mm。外筒(13)內徑75mm，壁厚7.5mm，高度80mm。將水泥漿樣品(14)注入內、外筒之間的環形空間，距表面至少10mm。再把環形活塞(18)安裝在內、外筒(13)(15)之間。環形活塞(18)厚度10mm，垂直下壓到螺釘孔處觀察到水泥漿液面位置，再把密封墊(19)和螺釘(20)安裝在活塞(18)的螺釘孔內，擰緊密封，即完成養護杯(3)的安裝。
把安裝好的環形養護杯(3)放置在高壓釜(2)內，將高壓釜(2)與上蓋(4)連接並密封。電加熱器(1)設置在高壓釜(2)的外部，提供試驗需要的溫度。啟動加壓器(9)經加壓閥(6)和上蓋(4)，向高壓釜(2)充壓，提供試驗需要的壓力。當達到樣品(14)在高溫、高壓條件下的養護時間，停止加熱，由洩壓閥(5)洩除壓力，旋開上蓋(4)，從高壓釜(2)中取出養護杯(3)。高壓釜(2)下部有排放閥(10)，可以用於排放高壓釜(2)內部的液體加壓介質。
如附圖3。鬆開環形養護杯(3)上的螺釘(16)，擰下底盤(11)。把底座(21)放置在儀器液壓缸(8)下部位置，將取下底盤(11)的養護杯(3)組件放置在底座(21)上，上部放置壓蓋(22)。啟動加壓器(9)，開啟測試閥(7)，通過液壓缸(8)向壓蓋(22)施加壓力。當觀察到外筒(13)發生向下位移時，停止加壓，記錄所加的最大壓力，即可得到界面A膠結強度的測試結果，然後洩放壓力，即完成界面A膠結強度的測試。
附圖4。然後，將環形養護杯(3)組件放置在底座(23)上，上部放置壓頭(24)。按與上述相同的方法操作，即可完成界面B膠結強度的測試。
實施例2附圖5。採用單筒養護杯(3)，首先把密封圈(26)安裝在端蓋(25)的環形槽內，將筒體(27)旋緊在端蓋(25)上，筒體(27)內徑36mm，外徑50mm，高度80mm，將定量的水泥漿樣品(28)注入筒體內，距表面至少10mm。將活塞(29)從筒體(27)裝入，活塞(29)厚度10mm，直徑36mm，垂直下壓到在螺釘孔處觀察到水泥漿液面位置，再把密封螺釘(30)安裝在活塞(29)的螺釘孔內，擰緊密封。即完成養護杯(3)的安裝。
把安裝好的單筒養護杯(3)放置在高壓釜(2)內，將高壓釜(2)與上蓋(4)連接並密封。電加熱器(1)設置在高壓釜(2)的外部，提供試驗需要的溫度。啟動加壓器(9)經加壓閥(6)和上蓋(4)，向高壓釜(2)充壓，提供試驗需要的壓力。當達到樣品在高溫、高壓條件下的養護時間，停止加熱，由洩壓閥(5)洩除壓力，旋開上蓋(4)，從高壓釜(2)中取出養護杯(3)。排放閥(10)用於排放液體加熱介質。
附圖6。擰開端蓋(25)，把底座(31)放置在儀器液壓缸(8)下部位置。將取下端蓋(25)的單筒養護杯(3)組件放置在底座(31)上，上部放置壓頭(32)。啟動加壓器(9)，通過液壓缸(8)向壓頭(32)施壓。當觀察到筒體(27)發生向下位移時，停止加壓，記錄所加的最大壓力值，即可得到界面C膠結強度的測試結果。然後洩放壓力，完成界面C膠結強度的測試。
權利要求1.一種水泥膠結強度模擬試驗裝置，由電加熱器(1)、高壓釜(2)、養護杯(3)、加壓器(9)、測試組件組成，其特徵在於高壓釜(2)與上蓋(4)螺紋連接，上蓋(4)有孔，孔連接有管線，管線與加壓閥(6)及加壓器(9)連接，管線與洩壓閥(5)連接，高壓釜(2)內部放置養護杯(3)，高壓釜(2)外部有電加熱器(1)，加壓器(9)與液壓缸(8)之間管線上有測試閥(7)。
2.如權利要求1所述的水泥膠結強度模擬試驗裝置，其特徵在於養護杯(3)為環形結構，由底盤(11)、外筒(13)、內筒(15)和活塞(18)組成，底盤(11)直徑20～200mm，厚度8～50mm，底盤(11)頂面有環狀凹槽，凹槽底部有密封圈(12)和(17)，凹槽有中心孔，內筒(15)外徑20～100mm，壁厚5～20mm，高度20～200mm，內筒(15)中心有臺階和中心孔，外筒(13)內徑20～200mm，壁厚5～20mm，高度20～200mm，下部有螺紋與底盤(11)連接，內筒(15)與外筒(13)之間有環形活塞(18)，環形活塞(18)厚度5～20mm，活塞(18)上設有螺孔，用密封圈(19)和螺釘(20)緊固密封。
3.如權利要求2所述的水泥膠結強度模擬試驗裝置，其特徵在於界面A測試組件包括測試底座(21)和壓蓋(22)，測試底座(21)為圓柱臺形，上部圓柱體外徑與內筒(15)內徑相同，壓蓋(22)為圓柱體，下面有凹槽，凹槽內徑與外筒(13)的內徑相同。
4.如權利要求2所述的水泥膠結強度模擬試驗裝置，其特徵在於界面B測試組件包括測試底座(23)和壓頭(24)，測試底座(23)上為凸起的圓環形，圓環形的外徑與外筒(13)內徑相同，圓環形的內徑與內筒(15)外徑相同，壓頭(24)為圓形，直徑與內筒(15)外徑相同。
5.如權利要求1所述的水泥膠結強度模擬試驗裝置，其特徵在於養護杯(3)是單筒養護杯(3)，單筒養護杯(3)端蓋(25)直徑為20～200mm，厚度8～50mm，端蓋(25)頂面有圓形凹槽，凹槽底部有圓形密封圈(26)，筒體(27)外徑20～200mm，內徑15～180mm，高度20～200mm之間，筒體(27)下部有螺紋與端蓋(25)連接，筒體(27)內部有圓形活塞(29)，活塞(29)厚度5～20mm，活塞(29)上設有螺孔，螺孔內有螺釘(30)和密封圈。
6.如權利要求5所述的水泥膠結強度模擬試驗裝置，其特徵在於單筒養護杯界面C測試組件包括測試底座(31)和壓頭(32)，測試底座(31)為圓柱臺形，上部圓柱直徑與筒體(27)內徑相同，壓頭(32)為凹槽圓環形，凹槽內徑與筒體(27)外徑相同，圓環內徑與筒體(27)內徑相同。
專利摘要本實用新型之水泥膠結強度模擬試驗裝置，是在模擬地層溫度、壓力條件下，取定量水泥漿樣品，經過確定的養護時間後，檢測水泥凝固後的膠結強度，以研究評價水泥產品及相關添加劑的膠結性能，進而研究評價現場施工的水泥固井質量。該儀器由電加熱器、加壓器、高壓釜、養護杯、界面A測試底座、壓蓋和界面B測試底座、壓頭等組成。試驗水泥漿與外筒的內圓面形成膠結界面A，與內筒的外界面形成膠結界面B。在確定的溫度、壓力條件下，經過養護水泥漿凝固之後，檢測水泥膠結界面的膠結強度。由於其設計的試驗結構更接近於現場的實際情況，試驗結果能準確可靠，直接反映現場實際情況，為確定合理施工方案提供科學依據。
文檔編號G01N1/28GK2783312SQ20052000589
公開日2006年5月24日 申請日期2005年3月16日 優先權日2005年3月16日
發明者郭寶利, 袁孟雷, 王愛玲, 趙世軍 申請人:華北石油管理局鑽井工藝研究院