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与流程

1.本发明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技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.本发明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。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种水泥浆水化过程温度及体积变化实时测量装置，包括：
6.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；
7.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；
8.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。
9.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；
10.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；
11.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；
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.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。
18.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。
19.一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：
20.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；
21.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；
22.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；
23.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；
24.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；
25.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；
26.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；
27.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；
28.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；
29.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腔体是否有泄漏，如果出现泄漏及时停止加压，重新检查各部件连接密封情况，直至达到无泄漏状态；
30.步骤十一：使所述保温室处于密闭状态，设定温度值，并进行加热；
31.步骤十二：开启所述光纤传感器信号处理器，设置好测量数据存储位置，并采集所述水泥养护试样凝固过程应变和温度；
32.步骤十三：将应变、温度数据拷贝至存储介质中，对采集到的数据进行数据处理，即可得到水泥浆凝固过程的温度和体积变化。
33.本发明公开了以下技术效果：
34.1)光纤传感器可以通过浸入、埋入等多种方式预置在水泥养护试样内部，实现水泥养护试样内部温度、应变状态测量；
35.2)可实时、连续测量水泥养护试样在凝固过程的温度、应变状态；
36.3)可模拟井下温度压力工况条件，同时光纤传感器具有抵抗包括高温在内的恶劣环境及化学侵蚀的能力，保证测量数据的准确性。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本发明水泥浆水化过程温度及体积变化实时测量装置的主视图；
39.图2为本发明上堵头的结构示意图；
40.图3为本发明下堵头的结构示意图；
41.图4为本发明轴向光纤传感器和平面光纤传感器安放位置俯视图；
42.图5为本发明高温高压养护腔体的结构示意图；
43.其中，1为泄压孔，2为高压进液孔，3为上堵头螺纹孔，4为高温高压养护腔体，5为上堵头，6为上堵头紧固螺栓，7为上堵头密封圈，8为高压水，9为加热线圈，10为支撑架，11为光纤测量孔，12为下堵头，13为下堵头密封圈，14为下堵头紧固螺栓，15为下堵头螺纹孔，16为轴向光纤传感器，17为平面光纤传感器，18为光纤传感器数据传输线，19为水泥养护试样，20为保温室，21为外孔，22为光纤传感器信号处理器，23为高压泵，24为高压管线，25为上堵头紧固螺栓销子，26为高压泄压阀，27为光纤密封堵头，29为下堵头紧固螺栓销子，31为低压管线，32为储水箱，33为温度压力控制组件，34为压力控制面板，35为温度控制面板，36为加热线圈控制电路，37为高压泵控制电路，38为高压管线接头，40为金属密封台阶。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
46.参照图1-5，本发明提供一种水泥浆水化过程温度及体积变化实时测量装置，包括：
47.养护组件，养护组件包括高温高压养护腔体4，高温高压养护腔体4内设有水泥养护试样19，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；
48.温度压力控制组件33，温度压力控制组件33包括保温室20，高温高压养护腔体4设置于保温室20内部，保温室20为高温高压养护腔体4在养护水泥浆过程中创造一个绝热环境，保证温度处于稳定状态，高温高压养护腔体4外侧缠绕有加热线圈9，为其提供温度，加热线圈9电性连接有加热线圈控制电路36，加热线圈控制电路36电性连接有温度控制面板35，温度控制面板35的一侧设有压力控制面板34，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，高压泵23的一端通过低压管线31连接有储水箱32，高压泵23的另一端通过高压管线24贯穿上堵头5，并与高温高压养护腔体4连通，高压泵23能够将高压水8引入至高温高压养护腔体4内，高压泵23可将低压水增压至设计压力，并将其通过高压管线24和上堵头5输送至高温高压养护腔体4，实现设计压力工况的模拟；
49.数据采集组件，数据采集组件包括预置于水泥养护试样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，平面光纤传感器17和轴向光纤传感器16均电性连接有光纤传感器数据传输线18，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。轴向光纤传感器16可以测量水泥养护试样19轴向方向的应变；平面光纤传感器17可以测量水泥养护试样19周向方向的应变；光纤传感器信号处理器22，处理检测到的光学信号，并将光学信号转换成数字信号；光纤传感器数据传输线18，可以将轴向光纤传感器16和平面光纤传感器17测量的光学信号传输到光纤传感器信号处理器22。
50.进一步的，轴向光纤传感器16和平面光纤传感器17是预先放置在高温高压养护腔体4的轴向及平面方向，在水泥养护试样19注入高温高压养护腔体4后，能够实时检测轴向和周向方向的温度和应变；轴向光纤传感器16和平面光纤传感器17可由能检测到温度和应
变的不同传感器组成，具备检测温度应变的功能。
51.在测量过程中，将光纤传感器预置在水泥养护试样19内部，设置反映井下工况的高温高压条件。在水泥养护试样19水化过程中，由于水泥石温度和体积变化不断变化而产生应变，光纤传感器可以实时测量上述应变，通过信号处理，可以得到水泥养护试样19水化过程温度和体积实时变化数据。
52.本装置通过上堵头5、下堵头12和上堵头紧固螺栓6、下堵头紧固螺栓14使高温高压养护腔体4能够承受较高的压力和温度，为水泥养护试样19的养护提供压力和温度条件。
53.进一步优化方案，上堵头5和下堵头12均为t型结构，高温高压养护腔体4的上下两端口均设置为台阶孔；
54.位于上端的台阶孔的扩径段与上堵头5的缩径段之间螺纹连接有上堵头紧固螺栓6，位于上端的台阶孔的缩径段与上堵头5的扩径段之间设有上堵头密封圈7，实现上堵头5与台阶孔处的密封圈密封；
55.位于下端的台阶孔的扩径段与下堵头12的缩径段之间螺纹连接有下堵头紧固螺栓14，位于下端的台阶孔的缩径段与下堵头12的扩径段之间设有下堵头密封圈13，实现下堵头12与台阶孔处的密封圈密封；
56.台阶孔与高温高压养护腔体4的连接处设有金属密封台阶40，上堵头5和下堵头12分别与金属密封台阶40抵接，实现金属密封；
57.高温高压养护腔体4上下端内壁有螺纹和台阶，可与上堵头5、下堵头12、上堵头紧固螺栓6和下堵头紧固螺栓14组合，实现高温高压养护腔体4的密封，为水泥浆高温高压养护提供空间；上堵头5和下堵头12与高温高压养护腔体4通过金属和密封圈双重密封；上堵头紧固螺栓6和下堵头紧固螺栓14与高温高压养护腔体4通过螺纹连接，并形成预紧力，为上堵头5和下堵头12的金属密封提供一定压力，保证上堵头5和下堵头12与高温高压养护腔体4能够承受设计压力。
58.进一步优化方案，上堵头紧固螺栓6和下堵头紧固螺栓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，上堵头螺纹孔3与下堵头螺纹孔15均位于台阶孔的外侧，上堵头螺纹孔3内螺纹连接有上堵头紧固螺栓销子25，下堵头螺纹孔15内螺纹连接有下堵头紧固螺栓销子29。上堵头紧固螺栓6和下堵头紧固螺栓14分别通过螺纹与上堵头紧固螺栓销子25和下堵头紧固螺栓销子29连接，通过旋转上堵头紧固螺栓销子25和下堵头紧固螺栓销子29，将上堵头紧固螺栓6和下堵头紧固螺栓14与高温高压养护腔体4通过螺纹紧密连接，同时通过增加螺纹，提高上堵头紧固螺栓销子25和下堵头紧固螺栓销子29旋转圈数，产生一定预紧力，该预紧力能够将上堵头5和下堵头12在高温高压养护腔4的金属密封台阶40处产生一定接触压力，增强上堵头5和下堵头12与高温高压养护腔体4的密封性。
59.进一步优化方案，上堵头5贯穿开设有高压进液孔2，上堵头5的一侧开设有与高压进液孔2连通的泄压孔1，高压进液孔2的顶口设有高压管线接头38，高压管线接头38与高压管线24连接，泄压孔1内设有高压泄压阀26；下堵头12贯穿开设有光纤测量孔11，光纤测量孔11的顶口设有光纤密封堵头27，光纤传感器数据传输线18贯穿光纤测量孔11。
60.进一步优化方案，保温室20内设有支撑架10，高温高压养护腔体4架设于支撑架10上，高温高压养护腔体4悬挂在支撑架10上，保证高温高压养护腔体4处于悬空状态；保温室20的侧壁贯穿开设有两个外孔21，加热线圈控制电路36和光纤传感器数据传输线18分别由
外孔21穿出。两个外孔21的设计使得加热线圈控制线路36和光纤传感器数据传输线18能够穿过其中，并外接温度控制面板35和光纤传感器信号处理器22。
61.进一步优化方案，任一轴向光纤传感器16设置于高温高压养护腔体4的中心位置，其余轴向光纤传感器16沿高温高压养护腔体4的中心位置周向设置。
62.进一步优化方案，平面光纤传感器17设置于相邻的轴向光纤传感器16之间。
63.进一步优化方案，水泥养护试样19的高度为平面光纤传感器17和轴向光纤传感器16高度的两倍。
64.一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：
65.步骤一：首先擦拭清理金属密封台阶40处的灰尘，保证后续安装下堵头12时，其与金属密封台阶40紧密贴合，提高金属密封的密封性能，将下堵头密封圈13安装在下堵头12上，并将下堵头12通过下堵头紧固螺栓14螺纹连接于高温高压养护腔体4下端，随后将下堵头紧固螺栓销子29安装在下堵头螺纹孔15中，旋转下堵头紧固螺栓销子29至设计圈数，使下堵头12与高温高压养护腔体4的接触部位紧密连接；
66.步骤二：分别将轴向光纤传感器16和平面光纤传感器17安放在预先设计好的位置，其中在高温高压养护腔体4中心位置和与中心位置半径相同且呈90
°
角度的四个位置安放轴向光纤传感器16，平面光纤传感器17分别安放在上述四个位置的间隔处，最后在光纤密封堵头27中间孔注入高强度密封胶水，待其固化后达到密封的功能；
67.步骤三：将至少10个光纤传感器，其中包括6个轴向光纤传感器16(5个应变传感器和1个温度传感器)和4个平面光纤传感器17的光纤，穿过下堵头12中间的光纤测量孔11和光纤密封堵头27，之后将光纤密封堵头27通过快插接头与光纤测量孔11上部连接，保证高温高压养护腔体4中的水泥养护试样19不会从光纤测量孔11中流出；
68.步骤四：按照一定配方配置水泥养护试样19，将水泥养护试样19倒入高温高压养护腔体4中，水泥养护试样19的高度应为光纤传感器高度的两倍左右，同时使用搅拌棒轻微震击高温高压养护腔体4内壁，使水泥养护试样19内部尽可能不出现气泡，检查下堵头12，确保水泥养护试样19无泄漏；
69.步骤五：在水泥养护试样19上部注入一定体积的水，当达到高温高压养护腔体4内壁变径处时，停止注水；
70.步骤六：首先擦拭清理金属密封台阶40处的灰尘，保证后续安装上堵头5时，其与金属密封台阶40紧密贴合，提高金属密封的密封性能，将上堵头密封圈7安装在上堵头5上，并将上堵头5通过上堵头紧固螺栓6螺纹连接于高温高压养护腔体4的上端，而后将上堵头紧固螺栓销子25安装在上堵头螺纹孔3中，旋转上堵头紧固螺栓销子25至设计圈数，使上堵头5与高温高压养护腔体4的接触部位紧密连接，将高压泄压阀26安装在泄压孔1中；
71.步骤七：将安装好的高温高压养护腔体4放置在保温室20内，将加热线圈控制电路36和光纤传感器数据传输线18穿过位于保温室20侧面的外孔21，分别与温度压力控制组件33和光纤传感器信号处理器22连接；
72.步骤八：将高压管线24通过高压管线接头38连接在高压进液孔2中，将低压管线31与储水箱32连接；
73.步骤九：将高压泵23和加热线圈9分别通过高压泵控制电路37和加热线圈控制电路36与温度压力控制组件33连接在一起；
74.步骤十：开启高压泵23，通过温度压力控制组件33，设定一定压力，在加压过程中，检查高压管线24和高温高压养护腔体4是否有水泥浆和水的泄漏，如果出现泄漏及时停止加压，重新检查各部件连接密封情况，直至达到无泄漏状态；
75.步骤十一：关闭保温室20，使保温室20处于密闭状态，在温度压力控制组件33上设定温度值；
76.步骤十二：开启光纤传感器信号处理器22，打开信号处理器测量程序，设置温度光纤传感器和应变光纤传感器所测量信号的波长零点，设置好测量数据存储位置，点击开始采集，光纤传感器即刻开始采集水泥养护试样19凝固过程应变和温度；
77.步骤十三：分别将温度压力控制器采集到的温度、压力数据和光纤传感器信号处理器22采集到的应变、温度数据拷贝至存储介质中，对采集到的数据进行数据处理，即可得到水泥养护试样19凝固过程的温度和体积变化。
78.步骤十四：数据采集结束后，关闭温度压力和光纤控制组件，打开泄压阀，将高温高压养护腔体4流体排除，而后拆除上堵头5和下堵头12，并清洗高温高压养护腔体4，以备后续实验使用。
79.考虑到光纤传感器可预埋于待测物体、可实时测量待测物体、可在井下工况下测量及可在多种恶劣环境中测量的优势，本发明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。
80.本方法通过提前将光纤传感器放置在一定温度和压力条件下养护的水泥浆内部，能够实时对水泥浆内部的温度和应变进行测量，继而可得到水泥浆在水化过程中的温度和体积变化，所述光纤传感器可以提前预置在水泥浆体内部任意位置，实现水泥浆任意位置的温度和应变的测量。
81.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
82.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。