一种在高温高压下测量水泥浆初终凝时间的装置及方法与流程

本发明涉及石油钻井工程领域固井工程中一种在高温高压下测量水泥浆初终凝时间的装置及方法。

背景技术：

油气井水泥浆是固井中使用的工作液，在下套管注水泥浆的过程中，水泥浆要上返至一定高度后形成水泥石，用来封隔地层和套管、阻止地层流体的侵入，保证后期射孔、开采的顺利进行。但在固井中，水泥浆的凝结时间作为水泥浆性能的重要指标，凝结时间过长将导致环空带压、水泥环完整性破坏、固井质量差等。现有的检测水泥浆凝结时间的装置主要包括手持式维卡仪、嵌入式全自动控制检测装置，手持式维卡仪测量通过观察水泥标准滑动杆在卡尺上的刻度来判断水泥浆的初终凝时间，嵌入式全自动控制检测装置通过在恒温恒湿箱内安装测试碗转动装置和测试针提起与下落装置，对水泥浆进行升温及凝结时间测量。

凝结时间的测量在混凝土的研究中较为重要，混凝土凝结时间的测量方法有电学法、稠度法、声波法、热量法、力学法等。电学法、声波法和热量法测量拌合物的电阻、波速和温度随水泥拌合物的时间变化规律，随着水泥凝结过程的发展这些物理量都有一个量的突变，这些突变点为水泥凝结的初凝和终凝；稠度法的测量仪器有改良维卡针和贯入棒，力学法包括贯入阻力法和拔出强度法等，贯入阻力法、拔出强度法和维卡仪法通过所测物理量（阻力、粘结强度和沉降量）的大小来判断水泥的初凝和终凝。

目前对水泥浆凝结时间的研究存在明显的不足：（1）实验中温度普遍较低，且未能加入压力对水泥浆凝结性能的影响；（2）通过电学法测试时，常常对浆体滤液、悬浮液进行电导率的测试，这与对水泥浆浆体进行直接测量存在较大误差。

目前的方法无法真实地反映出油井水泥浆在顶替到位后，水泥浆的凝结时间变化。因此，研究一种能够有效地模拟地层温度、压力的油井水泥浆凝结时间的检测装置，有利于现场固井侯凝时间的研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在高温高压下测量水泥浆初终凝时间的装置，该装置原理可靠，操作简便，能够模拟、测量地层温度、压力下油井水泥浆的凝结时间，有利于水泥浆的性能研究，从而提高固井质量。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对水泥浆初终凝时间进行测量的方法，该方法能够进行水泥浆在不同温度、不同压力条件下的初终凝时间测试，克服了现有技术的缺陷，更真实、准确地反应水泥浆在顶替到位后的情况，有效解决水泥浆在高温高压条件下初终凝时间的测试问题。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种在高温高压下测量水泥浆初终凝时间的装置，由浆杯、加热套、保温套、外筒、上探针筒体、连通阀杆、下探针筒体、温控系统、电导率测试仪、进液阀、储液器、进气阀、压力调节器、氮气瓶组成。

所述浆杯包括杯体、顶盖、底盖、上探针筒体、下探针筒体、膜片支撑、橡胶隔膜和玻璃纤维管，顶盖和底盖分别通过螺纹连接在杯体上下两端，顶盖、底盖和杯体的螺纹连接处均有密封圈，玻璃纤维管紧贴杯体内壁，顶盖中心设置上探针筒体，上探针筒体与顶盖之间有橡胶套和接头，与杯体之间有橡胶隔膜，其探针深入杯体，顶盖与橡胶隔膜之间有膜片支撑；底盖中心设置下探针筒体，下探针筒体与底盖之间有橡胶套和接头，与杯体之间有橡胶隔膜，其探针深入杯体；上、下探针与电导率测试仪的两个电极相连，自动记录水泥浆的电导率，实现高温高压下水泥浆初终凝时间的测量。

所述浆杯内有水泥浆，浆杯外有加热套、保温套和外筒，加热套连接温控系统，加热套有温度计，通过温度计判断水泥浆的温度变化情况。

所述顶盖设置有连通阀杆，与杯体内部相连通，连通阀杆连接液压装置，所述液压装置由氮气瓶、压力调节器、进气阀、储液器、进液阀组成，氮气瓶通过压力调节器提供气压，通过进气阀控制气体流量，作用于储液器形成液压，由进液阀控制液压大小，使储液器的液体流向连通阀杆，向浆杯内的水泥浆施加压力。

该装置位于支架底座上，浆杯由支撑杆支撑并固定。

所述上、下探针由316l系列不锈钢制造，通过橡胶隔膜和玻璃纤维管形成绝缘，通过膜片支撑和底盖、顶盖形成密封。

所述浆杯内置的玻璃纤维管可由聚四氟乙烯管代替，在温度低于80℃时可由pvc管等绝缘材料代替。

所述加热套和温控系统自动调控浆杯内部温度，温度控制范围为25-100℃。

所述液压装置通过泄压阀调控浆杯内部压力，压力控制范围为0-21mpa。

利用上述装置对水泥浆初终凝时间进行测量的方法，依次包括以下步骤：

1）通过调节温控系统，设置实验所需温度，加热套进行升温，并通过温度计实时反馈；

2）将水泥浆（水泥浆为现场取样或实验室配制水泥浆）装入浆杯中，通过液压装置调节实验所需压力；

3）通过电导率测试仪监测水泥浆电导率的变化，电导率的计算公式为：

k=l/（ar）

其中k为电导率，s/cm；

r为浆杯内水泥浆样品的电阻，ω；

l为浆杯内玻璃纤维管的长度，cm；

a为浆杯内玻璃纤维管的横截面积，cm²；

4）当电导率数值开始下降时水泥浆中水化产物开始形成，此时为水泥浆的初凝时间，当电导率出现急剧下降时，水泥浆孔隙体积迅速下降，到达终凝时间。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明增加了压力系统，可以实时连续检测到水泥浆在不同时刻的水化情况以及初终凝时间；

（2）本发明通过一次配浆可以实现水泥浆形成水泥石初终凝时间的测试，测试过程为自动检测，达到省时省力的效果；

（3）本发明对油井水泥浆在井下环境中形成水泥石进行动态监测，通过电导率变化来研究水泥浆初终凝时间变化，提高固井质量。

附图说明

图1是一种在高温高压下测量水泥浆初终凝时间的装置结构示意图。

图2是浆杯结构示意图。

附图标记：

1-浆杯，2-加热套，3-保温套，4-外筒，5-上探针筒体，6-连通阀杆，7-下探针筒体，8-温控系统，9-支架底座，10-支撑杆，11-电导率测试仪，12-泄压阀，13-入口压力表，14-进液阀，15-注液阀，16-储液器，17-压力表，18-进气阀，19-压力调节器，20-氮气瓶，101-顶盖，102-膜片支撑，103-橡胶隔膜，104-杯体，105-玻璃纤维管，106-底盖，107-橡胶套，108-接头（外螺纹），109-探针。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

一种在高温高压下测量水泥浆初终凝时间的装置，由浆杯1、加热套2、保温套3、外筒4、上探针筒体5、连通阀杆6、下探针筒体7、温控系统8、电导率测试仪11、进液阀14、储液器16、进气阀18、压力调节器19、氮气瓶20组成。

所述浆杯1包括杯体104、顶盖101、底盖106、上探针筒体5、下探针筒体7、膜片支撑102、橡胶隔膜103和玻璃纤维管105，顶盖和底盖分别通过螺纹连接在杯体上下两端，顶盖、底盖和杯体的螺纹连接处均有密封圈，玻璃纤维管紧贴杯体内壁，顶盖中心设置上探针筒体，上探针筒体与顶盖之间有橡胶套107和接头108，与杯体之间有橡胶隔膜，其探针109深入杯体，顶盖与橡胶隔膜之间有膜片支撑；底盖中心设置下探针筒体，下探针筒体与底盖之间有橡胶套和接头，与杯体之间有橡胶隔膜，其探针深入杯体；上、下探针与电导率测试仪11的两个电极相连，浆杯内有水泥浆，浆杯外有加热套2、保温套3和外筒4，加热套连接温控系统8。

所述顶盖101设置有连通阀杆6，与杯体内部相连通，连通阀杆连接液压装置，所述液压装置由氮气瓶20、压力调节器19、进气阀18、储液器16、进液阀14组成，氮气瓶通过压力调节器提供气压，通过进气阀控制气体流量（通过压力表17进行监测），提供压力作用于储液器形成液压，由进液阀控制液压大小（通过人口压力表13进行监测），流向连通阀杆，向浆杯内的水泥浆施加压力。

该装置位于支架底座9上，浆杯由支撑杆10支撑并固定。

所述液压装置通过泄压阀12调控浆杯内部压力，压力控制范围为0-21mpa。

图1为一种在高温高压下测量水泥浆初终凝时间的装置结构示意图，该装置实现了高温高压条件水泥浆电导率测试，模拟了井底环境下水泥浆顶替到位后的情况，可进行实时监测水泥浆的电导率，通过外接的打印机可实现数据的打印，用来分析水泥浆初终凝时间和水化情况。

图2为浆杯杯体，通过玻璃纤维管和橡胶隔膜形成密封绝缘水泥浆，随着顶盖、膜片支撑和外螺纹接头形成的挤压力达到密封效果，保证实验的准确性。

利用上述装置在高温高压下测量水泥浆初终凝时间的方法，过程如下：

1）组装浆杯杯体，安装底盖、下探针组具和玻璃纤维管，下探针组具包括筒体、橡胶隔膜和橡胶套，通过外螺纹接头封固杯体下端；

2）根据gb/t19239-2003油井水泥试验方法规范预制所需水泥浆，并倒入浆杯中；

3）通过顶盖、膜片支撑和外螺纹接头密封橡胶隔膜与玻璃纤维，使水泥浆形成绝缘密封，仅与探针接触；

4）将浆杯放入到支撑架上，并由支撑架支撑并固定；

5）通过压力调节器和进气阀，控制氮气瓶和储液器来调节进压阀液压变化，液压通过管汇与连通阀杆连接，进入到浆杯中；在实验结束后关闭压力调节器和进气阀，缓慢打开泄压阀，并通过储液收集器收集，在实验前及时给储液器通过注液阀15进行补液；

6）通过调节温控系统，设置实验所需温度，加热套进行升温操作，并通过温度计进行实时反馈，在水泥浆初终凝时间测试前完成升温；

7）把电导率仪器上的正负电极连接到浆杯上下探针，通过电导率测试仪上的示数来时刻监测水泥浆电导率的变化，通过外接的打印机可实现数据的打印；

8）当电导率数值开始下降时，由于固相颗粒不参与导电，此时达到水泥浆初凝时间，当电导率出现急剧下降时，水泥浆体孔隙率迅速下降，则到达终凝时间，停止实验。