固井水泥浆沉降稳定性实时评价装置及评价方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种固井水泥浆沉降稳定性实时评价装置及评价方法，装置包括釜体、顶盖、压力管头、釜体支架、中心轴、支撑基座、蜗轮蜗杆减速机、手柄、加热组件、热电偶、压力传感器和控制箱，控制箱上集成有计算机系统、温控表和A/D转换器；评价方法包括如下步骤：检验釜体的密封性，之后向釜体内注入水泥浆再密封；经压力管头向釜体内注入压力；通过计算机系统设置实验所需的目标温度及升温时间，并对釜体进行加热；调整釜体的倾斜角度；由计算机系统实时获取釜体内水泥浆的静液压力，直到水泥浆水化至120分钟；通过观察水泥浆的静液压力的变化来评价水泥浆的沉降稳定性。本发明专利技术具有原理可靠、测试过程简单快捷、实验结果准确等特点。

【技术实现步骤摘要】
固井水泥浆沉降稳定性实时评价装置及评价方法
本专利技术属于石油与天然气固井水泥浆性能评价领域，尤其是一种固井水泥浆沉降稳定性实时评价装置及评价方法。
技术介绍
油井水泥广泛应用于石油与天然气井的固井作业。在固井作业中，液态水泥浆通过套管注入到套管与地层之间的环空间隙，以平衡地层压力；当水泥浆硬化后形成水泥环，则要求其能有效封固地层流体，避免地层流体在水泥环中“无控制”的流动，威胁固井质量及作业安全。固井注水泥作业具有风险大、一次性及难度大等特点，为了保证油气井固井作业安全与质量，固井前通常需充分评价油井水泥浆从液态到塑性态再到固态的性能。为此，国内外也制定了多套评价油井水泥浆体系液态、固态性能的实验标准及规范，包括美国石油协会的APISpec.10B、API10A、APISTD65-2，中国国家标准GB/T19139等。其中，沉降稳定性是固井水泥浆体系设计和应用的重点考核指标，特别是超深井固井用油井水泥浆体系。超深井固井通常面临着超高温、超高压、超高密度及尾管固井等施工难题，若油井水泥浆的沉降稳定性差，注水泥作业过程中水泥浆的加重材料(如铁矿粉、重晶石等)将沉降，从而增加钻杆上提阻力，甚至存在填埋钻杆导致尾管固井作业失败的风险。同时，业界学者也普遍认为沉降稳定性是影响水泥浆静液压力的关键因素之一，他们提出在沉降稳定差的水泥浆体系中，水泥浆的加重材料下沉、堆积，从而阻碍上部油井水泥浆柱静液压力的传递。超深井的井底压力普遍高于100兆帕，为了平衡地层压力通常需要用到超高密度水泥浆，而沉降稳定性差导致的水泥浆静液压力降低，将增加地层流体窜入环空水泥环，引发环空带压甚至井喷事故的风险。因此，固井前准确掌握油井水泥浆的沉降稳定性是保证固井质量和作业安全的重要环节。目前，国内外各标准也提出了油井水泥浆沉降稳定性评价实验。具体实验方法包括：根据规范混配水泥浆体系后，将水泥浆体系注入沉降管(推荐尺寸：Φ25±5mm×200mm)中；并将含有水泥浆的沉降管置于特定的养护条件下养护24小时，或直到水泥浆体系完全硬化；取出硬化后的水泥体系，并从上到下等间距的将硬化后的水泥石分为多节(至少2节)，并基于阿基米德原理测试每节水泥石的相对密度，基于测试水泥石相对密度确定水泥浆体系的沉降稳定性。然而，超深井用油井水泥浆体系，为了保证施工安全通常需在水泥浆中掺入大量缓凝剂，导致水泥浆在2-3天才开始硬化，从而大幅度增加了水泥浆的评价周期。因此，现有油井水泥浆沉降稳定性评价方法具有步骤繁琐、评价周期长且不具有实时性等缺点。基于此，本专利技术提出一种基于水泥浆静液压力变化以实时评价油井水泥浆沉降稳定性的室内实验装置及方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述技术问题而提供一种固井水泥浆沉降稳定性实时评价装置及评价方法，该装置和评价方法具有原理可靠、装置结构合理、测试过程简单快捷、实验结果准确及清洗方便等特点。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种固井水泥浆沉降稳定性实时评价装置，包括釜体、顶盖、压力管头、釜体支架、中心轴、支撑基座、蜗轮蜗杆减速机、手柄、加热组件、热电偶、压力传感器和控制箱；所述釜体为上端开口、下端封闭的筒体结构且其上端的开口由顶盖可拆卸地封盖；所述压力管头贯穿安装在顶盖上，并外接有高压氮气瓶，以用于釜体内的加压和泄压；所述釜体支架固接在釜体的外壁上；所述中心轴可转动地横向贯穿在支撑基座上，中心轴一端与釜体支架固接、另一端与蜗轮蜗杆减速机的输出端固接；所述支撑基座靠近蜗轮蜗杆减速机的一侧设有用于显示釜体旋转角度的角度读取机构；所述手柄安装在蜗轮蜗杆减速机的输入端；所述加热组件环抱在釜体的外壁上，以用于对釜体进行加热；所述热电偶置于釜体的内部，以用于实时采集釜体内的水泥浆的升温速率；所述压力传感器置于釜体内的底部，以用于实时采集釜体内的水泥浆的静液压力；所述控制箱上集成有计算机系统、温控表和A/D转换器；计算机系统分别与温控表、A/D转换器连接；温控表还与加热组件、热电偶连接，通过在计算机系统中输入实验所需的目标温度及升温时间，由温控表控制加热组件的功率并结合热电偶采集的水泥浆升温速率，以实现精确控温的目的；A/D转换器还与压力传感器连接，以用于将压力传感器采集的电压信号转换为数字信号并传输至计算机系统处理、存储及显示。进一步地，所述角度读取机构包括半圆仪和指针，半圆仪设置在支撑基座侧壁上，与半圆仪配合使用的指针固接在中心轴上并与中心轴同步转动。进一步地，所述顶盖通过多个密封螺钉密封安装在釜体的上端开口上。进一步地，所述蜗轮蜗杆减速机为WPKA蜗轮蜗杆减速机。进一步地，所述压力传感器为NS-W型无腔压力传感器。进一步地，所述温控表为Eurotherm3504温控表。一种基于固井水泥浆沉降稳定性实时评价装置的评价方法，包括如下步骤：检验釜体的密封性，之后向密封性良好的釜体内注入水泥浆，再由顶盖密封釜体；通过高压氮气瓶经压力管头向釜体内注入实验所需的压力；通过计算机系统设置实验所需的目标温度及升温时间，并由温控表控制加热组件对釜体进行加热；通过手柄和蜗轮蜗杆减速机调整釜体旋转至实验所需的倾斜角度；待注入釜体内的压力、目标温度和釜体的倾斜角度符合实验所需的要求后，即由计算机系统开始实时获取釜体内的水泥浆的静液压力，直到水泥浆水化至120分钟；通过观察水泥浆的静液压力的变化来评价水泥浆的沉降稳定性。进一步地，釜体密封性的检验过程如下：首先向釜体内注满清水并安装顶盖，之后由高压氮气瓶经压力管头向釜体内加压1MPa，然后通过压力传感器采集釜体内的压力并传输至计算机系统，若采集的压力未下降，则证明釜体的密封性良好并拆下顶盖、倒出清水以备用，否则证明釜体的密封性不合格，需要重新检查并组装釜体或是更换釜体。本专利技术的有益效果是：本专利技术设计了一种全新的固井水泥浆沉降稳定性实时评价装置及评价方法，装置中通过手柄和蜗轮蜗杆减速机可调整釜体的倾斜角度，通过高压氮气瓶可向釜体内注入压力，通过温控表和加热组件可对釜体进行加热，装置能够实时测量釜体内水泥浆的静液压力，以用来评价水泥浆的沉降稳定性；而且本专利技术具有原理可靠、装置结构合理、测试过程简单快捷、实验结果准确及清洗方便等特点。附图说明图1为本专利技术中固井水泥浆沉降稳定性实时评价装置的结构示意图；图2为实施例中水泥浆的实际静液压力结果图。其中，1―计算机系统；2―温控及监测系统；3―静液压力采集及处理系统；4―手柄；5―蜗轮蜗杆减速机；6―支撑基座；7―中心轴；8―釜体支架；9―压力管头；10―顶盖；11―密封螺钉；12―釜体；13―加热组件；14―热电偶；15―压力传感器。具体实施方式水泥颗粒与水混配后形成的水泥浆，是一种典型的固液两相材料。当水泥浆沉降稳定性较好时，水泥浆中固相颗粒能有效悬浮在孔隙溶液中，此时水泥浆中固相颗粒的重力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固井水泥浆沉降稳定性实时评价装置，其特征在于，包括釜体、顶盖、压力管头、釜体支架、中心轴、支撑基座、蜗轮蜗杆减速机、手柄、加热组件、热电偶、压力传感器和控制箱；/n所述釜体为上端开口、下端封闭的筒体结构且其上端的开口由顶盖可拆卸地封盖；/n所述压力管头贯穿安装在顶盖上，并外接有高压氮气瓶，以用于釜体内的加压和泄压；/n所述釜体支架固接在釜体的外壁上；/n所述中心轴可转动地横向贯穿在支撑基座上，中心轴一端与釜体支架固接、另一端与蜗轮蜗杆减速机的输出端固接；/n所述支撑基座靠近蜗轮蜗杆减速机的一侧设有用于显示釜体旋转角度的角度读取机构；/n所述手柄安装在蜗轮蜗杆减速机的输入端；/n所述加热组件环抱在釜体的外壁上，以用于对釜体进行加热；/n所述热电偶置于釜体的内部，以用于实时采集釜体内的水泥浆的升温速率；/n所述压力传感器置于釜体内的底部，以用于实时采集釜体内的水泥浆的静液压力；/n所述控制箱上集成有计算机系统、温控表和A/D转换器；计算机系统分别与温控表、A/D转换器连接；温控表还与加热组件、热电偶连接，通过在计算机系统中输入实验所需的目标温度及升温时间，由温控表控制加热组件的功率并结合热电偶采集的水泥浆升温速率，以实现精确控温的目的；A/D转换器还与压力传感器连接，以用于将压力传感器采集的电压信号转换为数字信号并传输至计算机系统处理、存储及显示。/n...

【技术特征摘要】
1.一种固井水泥浆沉降稳定性实时评价装置，其特征在于，包括釜体、顶盖、压力管头、釜体支架、中心轴、支撑基座、蜗轮蜗杆减速机、手柄、加热组件、热电偶、压力传感器和控制箱；
所述釜体为上端开口、下端封闭的筒体结构且其上端的开口由顶盖可拆卸地封盖；
所述压力管头贯穿安装在顶盖上，并外接有高压氮气瓶，以用于釜体内的加压和泄压；
所述釜体支架固接在釜体的外壁上；
所述中心轴可转动地横向贯穿在支撑基座上，中心轴一端与釜体支架固接、另一端与蜗轮蜗杆减速机的输出端固接；
所述支撑基座靠近蜗轮蜗杆减速机的一侧设有用于显示釜体旋转角度的角度读取机构；
所述手柄安装在蜗轮蜗杆减速机的输入端；
所述加热组件环抱在釜体的外壁上，以用于对釜体进行加热；
所述热电偶置于釜体的内部，以用于实时采集釜体内的水泥浆的升温速率；
所述压力传感器置于釜体内的底部，以用于实时采集釜体内的水泥浆的静液压力；
所述控制箱上集成有计算机系统、温控表和A/D转换器；计算机系统分别与温控表、A/D转换器连接；温控表还与加热组件、热电偶连接，通过在计算机系统中输入实验所需的目标温度及升温时间，由温控表控制加热组件的功率并结合热电偶采集的水泥浆升温速率，以实现精确控温的目的；A/D转换器还与压力传感器连接，以用于将压力传感器采集的电压信号转换为数字信号并传输至计算机系统处理、存储及显示。


2.根据权利要求1所述的固井水泥浆沉降稳定性实时评价装置，其特征在于，所述角度读取机构包括半圆仪和指针，半圆仪设置在支撑基座侧壁上，与半圆仪配合使用的指针固接在中心轴上并与中心轴同步转动。


3.根据权利要求1所述的固井水泥浆沉降稳定性实时评价...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵殊勋，程小伟，林志辉，刘开强，付家文，黄盛，王贵富，刘健，丛谧，李早元，倪帅，郭小阳，
申请(专利权)人：中国石油集团渤海钻探工程有限公司，中国石油天然气集团有限公司，西南石油大学，
类型：发明
国别省市：天津;12