一种水泥浆水化过程温度及体积变化实时测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种水泥浆水化过程温度及体积变化实时测量装置及方法，包括：养护组件，养护组件包括高温高压养护腔体，高温高压养护腔体的上下两端口分别安装有上堵头和下堵头；温度压力控制组件包括保温室，高温高压养护腔体外侧缠绕有加热线圈，加热线圈电性连接有温度控制面板，温度控制面板的一侧设有压力控制面板，压力控制面板电性连接有高压泵，高压泵通过高压管线贯穿上堵头；数据采集组件包括预置于水泥养护试样内的多个轴向光纤传感器以及多个平面光纤传感器。本发明专利技术采用光纤传感器对水泥浆水化过程的温度和应变进行测量，通过设计光纤传感器的安放位置，实现温度和应变的准确测量，通过数据处理可得水泥浆水化过程的温度和体积变化。度和体积变化。度和体积变化。

【技术实现步骤摘要】
一种水泥浆水化过程温度及体积变化实时测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及石油勘探开发领域井下工况条件下油井水泥性能变化测量
，特别是涉及一种水泥浆水化过程温度及体积变化实时测量装置及方法。

技术介绍

[0002]在油气井勘探开发过程中，封固良好的水泥环能有效封隔不同压力地层的流体、保证油气井生产通道畅通无阻。随着深井、超深井、非常规页岩油气资源的勘探开发不断发展，井下高温、高压、高含硫等复杂环境对固井质量提出巨大挑战，也对后期生产过程中水泥环密封完整性产生很大影响。随着油井水泥固化程度的增加，水化过程温度出现很大变化，同时水泥熟料逐渐减少，生成的水合硅酸钙凝胶和氢氧钙石逐渐增加，并不断长大，水化反应的生成物体积通常小于反应物的体积，导致水泥浆在固化过程中产生体积收缩，固井质量很难保障，给井筒完整性问题带来了很大挑战，制约了油气井的高效开采。
[0003]准确获取井下温度压力条件下油井水泥水化过程中温度和体积变化，是合理设计水泥浆体系、使水泥环能承受井下温度、压力载荷，保证在复杂井下温压工况下固井密封完整性的重要前提，也是水泥浆水化过程关键参数评价的重要基础。目前尚无有效的测量在井下温度压力条件下水泥浆水化过程温度和体积变化的手段。国内外各大油公司和科研院校设计了不同种类的水泥石体积变化室内测量装置，通常将配置好的水泥浆置于封闭容器内，对封闭容器施加一定温度和压力，利用位移传感器或者其它介质体积变化，实现对水泥浆水化过程体积变化的测量。位移传感器只能测量水泥石边界处的位移变化，该位移变化与水泥石的体积变化存在一定的差异，同时其他介质体积变化的测量精度有限，因此无法准确反映水泥浆水化过程体积变化。水泥浆水化过程体积变化是研究固井密封失效机理、针对性优选水泥环密封的水泥浆体系、实现对固井质量和水泥环密封完整性有效控制的重要前提，对这些参数的测量是该领域迫切需要解决的重要问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种水泥浆水化过程温度及体积变化实时测量装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现温度和应变的准确测量，进而得到准确的水泥浆水化过程的温度和体积变化参数。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种水泥浆水化过程温度及体积变化实时测量装置，包括：
[0006]养护组件，所述养护组件包括高温高压养护腔体，所述高温高压养护腔体内设有水泥养护试样，所述高温高压养护腔体的上下两端口分别安装有上堵头和下堵头；
[0007]温度压力控制组件，所述温度压力控制组件包括保温室，所述高温高压养护腔体设置于所述保温室内部，所述高温高压养护腔体外侧缠绕有加热线圈，所述加热线圈电性连接有加热线圈控制电路，所述加热线圈控制电路电性连接有温度控制面板，所述温度控制面板的一侧设有压力控制面板，所述压力控制面板通过高压泵控制电路电性连接有高压
泵，所述高压泵的一端通过低压管线连接有储水箱，所述高压泵的另一端通过高压管线贯穿所述上堵头，并与所述高温高压养护腔体连通，所述高压泵能够将高压水引入至所述高温高压养护腔体内；
[0008]数据采集组件，所述数据采集组件包括预置于所述水泥养护试样内的多个轴向光纤传感器以及多个平面光纤传感器，所述平面光纤传感器和所述轴向光纤传感器均电性连接有光纤传感器数据传输线，所述光纤传感器数据传输线电性连接有光纤传感器信号处理器。
[0009]优选的，所述上堵头和所述下堵头均为T型结构，所述高温高压养护腔体的上下两端口均设置为台阶孔；
[0010]位于上端的所述台阶孔的扩径段与所述上堵头的缩径段之间螺纹连接有上堵头紧固螺栓，位于上端的所述台阶孔的缩径段与所述上堵头的扩径段之间设有上堵头密封圈；
[0011]位于下端的所述台阶孔的扩径段与所述下堵头的缩径段之间螺纹连接有下堵头紧固螺栓，位于下端的所述台阶孔的缩径段与所述下堵头的扩径段之间设有下堵头密封圈；
[0012]所述台阶孔与所述高温高压养护腔体的内腔的连接处设有金属密封台阶，所述上堵头和所述下堵头分别与所述金属密封台阶抵接。
[0013]优选的，所述上堵头紧固螺栓和所述下堵头紧固螺栓分别开设有多个周向设置的上堵头螺纹孔和下堵头螺纹孔，所述上堵头螺纹孔与所述下堵头螺纹孔均位于所述台阶孔的外侧，所述上堵头螺纹孔内螺纹连接有上堵头紧固螺栓销子，所述下堵头螺纹孔内螺纹连接有下堵头紧固螺栓销子。
[0014]优选的，所述上堵头贯穿开设有高压进液孔，所述上堵头的一侧开设有与所述高压进液孔连通的泄压孔，所述高压进液孔的顶口设有高压管线接头，所述高压管线接头与所述高压管线连接，所述泄压孔内设有高压泄压阀；所述下堵头贯穿开设有光纤测量孔，所述光纤测量孔的顶口设有光纤密封堵头，所述光纤传感器数据传输线贯穿所述光纤测量孔。
[0015]优选的，所述保温室内设有支撑架，所述高温高压养护腔体架设于所述支撑架上，所述保温室的侧壁贯穿开设有两个外孔，所述加热线圈控制电路和所述光纤传感器数据传输线分别由所述外孔穿出。
[0016]优选的，任一所述轴向光纤传感器设置于所述高温高压养护腔体的中心位置，其余所述轴向光纤传感器沿所述高温高压养护腔体的中心位置周向设置。
[0017]优选的，所述平面光纤传感器设置于相邻的所述轴向光纤传感器之间。
[0018]优选的，所述水泥养护试样的高度为所述平面光纤传感器和所述轴向光纤传感器高度的两倍。
[0019]一种水泥浆水化过程温度及体积变化实时测量方法，包括以下步骤：
[0020]步骤一：将所述下堵头安装于所述高温高压养护腔体的下端口；
[0021]步骤二：将所述平面光纤传感器和所述轴向光纤传感器置于所述高温高压养护腔体内；
[0022]步骤三：调整所述平面光纤传感器和所述轴向光纤传感器在所述高温高压养护腔
体内的位置，而后密封所述高温高压养护腔体的下端口；
[0023]步骤四：配置所述水泥养护试样，并倒入所述高温高压养护腔体内，覆盖所述平面光纤传感器和所述轴向光纤传感器，同时使用搅拌棒震击所述高温高压养护腔体的内壁，防止所述水泥养护试样出现气泡，检查所述下堵头，确保无泄漏；
[0024]步骤五：在所述水泥养护试样上部注水，当达到所述高温高压养护腔体变径处时，停止注水；
[0025]步骤六：将所述上堵头安装于所述高温高压养护腔体的上端口；
[0026]步骤七：将所述高温高压养护腔体放置在所述保温室内，将所述加热线圈控制电路和所述光纤传感器数据传输线分别与所述温度控制面板和所述光纤传感器信号处理器连接；
[0027]步骤八：使所述高压管线与所述高温高压养护腔体连通，将所述低压管线与所述储水箱连接；
[0028]步骤九：将所述高压泵通过所述高压泵控制电路和所述压力控制面板连接，将所述加热线圈通过所述加热线圈控制电路与所述温度控制面板连接；
[0029]步骤十：开启所述高压泵，预设压力，在加压过程中，检查所述高压管线和所述高温高压养护本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水泥浆水化过程温度及体积变化实时测量装置，其特征在于，包括：养护组件，所述养护组件包括高温高压养护腔体(4)，所述高温高压养护腔体(4)内设有水泥养护试样(19)，所述高温高压养护腔体(4)的上下两端口分别安装有上堵头(5)和下堵头(12)；温度压力控制组件(33)，所述温度压力控制组件(33)包括保温室(20)，所述高温高压养护腔体(4)设置于所述保温室(20)内部，所述高温高压养护腔体(4)外侧缠绕有加热线圈(9)，所述加热线圈(9)电性连接有加热线圈控制电路(36)，所述加热线圈控制电路(36)电性连接有温度控制面板(35)，所述温度控制面板(35)的一侧设有压力控制面板(34)，所述压力控制面板(34)通过高压泵控制电路(37)电性连接有高压泵(23)，所述高压泵(23)的一端通过低压管线(31)连接有储水箱(32)，所述高压泵(23)的另一端通过高压管线(24)贯穿所述上堵头(5)，并与所述高温高压养护腔体(4)连通，所述高压泵(23)能够将高压水(8)引入至所述高温高压养护腔体(4)内；数据采集组件，所述数据采集组件包括预置于所述水泥养护试样(19)内的多个轴向光纤传感器(16)以及多个平面光纤传感器(17)，所述平面光纤传感器(17)和所述轴向光纤传感器(16)均电性连接有光纤传感器数据传输线(18)，所述光纤传感器数据传输线(18)电性连接有光纤传感器信号处理器(22)。2.根据权利要求1所述的水泥浆水化过程温度及体积变化实时测量装置，其特征在于：所述上堵头(5)和所述下堵头(12)均为T型结构，所述高温高压养护腔体(4)的上下两端口均设置为台阶孔；位于上端的所述台阶孔的扩径段与所述上堵头(5)的缩径段之间螺纹连接有上堵头紧固螺栓(6)，位于上端的所述台阶孔的缩径段与所述上堵头(5)的扩径段之间设有上堵头密封圈(7)；位于下端的所述台阶孔的扩径段与所述下堵头(12)的缩径段之间螺纹连接有下堵头紧固螺栓(14)，位于下端的所述台阶孔的缩径段与所述下堵头(12)的扩径段之间设有下堵头密封圈(13)；所述台阶孔与所述高温高压养护腔体(4)的内腔的连接处设有金属密封台阶(40)，所述上堵头(5)和所述下堵头(12)分别与所述金属密封台阶(40)抵接。3.根据权利要求2所述的水泥浆水化过程温度及体积变化实时测量装置，其特征在于：所述上堵头紧固螺栓(6)和所述下堵头紧固螺栓(14)分别开设有多个周向设置的上堵头螺纹孔(3)和下堵头螺纹孔(15)，所述上堵头螺纹孔(3)与所述下堵头螺纹孔(15)均位于所述台阶孔的外侧，所述上堵头螺纹孔(3)内螺纹连接有上堵头紧固螺栓销子(25)，所述下堵头螺纹孔(15)内螺纹连接有下堵头紧固螺栓销子(29)。4.根据权利要求1所述的水泥浆水化过程温度及体积变化实时测量装置，其特征在于：所述上堵头(5)贯穿开设有高压进液孔(2)，所述上堵头(5)的一侧开设有与所述高压进液孔(2)连通的泄压孔(1)，所述高压进液孔(2)的顶口设有高压管线接头(38)，所述高压管线接头(38)与所述高压管线(24)连接，所述泄压孔(1)内设有高压泄压阀(26)；所述下堵头(12)贯穿开设有光纤测量孔(11)，所述光纤测量孔(11)的顶口设有光纤密封堵头(27)，所述光纤传感器数据传输线(18)贯穿所述光纤测量孔(11...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈吉云，郭雪利，纪宏飞，靳建洲，于永金，李勇，齐奉忠，徐明，黄昭，吕斌，刘慧婷，夏修建，
申请(专利权)人：中国石油集团工程技术研究院有限公司，
类型：发明
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