一种工程注浆用水泥浆凝结质量评价装置及评价方法与流程

1.本发明涉及水泥浆凝结质量监测技术领域，尤其涉及一种工程注浆用水泥浆凝结质量评价装置及评价方法。


背景技术：

2.工程灌浆是指用适当的方法将按照一定比例配置好的某些可固化浆液注入到岩土地基的裂缝或孔隙之中，通过置换、充填、挤压等方式以达到改善其物理力学性质目的的方法。灌浆技术可以用于地灾里墙桩索的二次注水泥浆，也可以用于地下工程建设过程中的桩后注浆、地铁隧道修建过程中的防渗注浆或是固井后的水泥环和地层间的二次注浆等。在众多涉及到注浆工艺的建筑工程施工作业中，水泥浆体浇筑后的凝结质量是工程人员最为关心的指标，因其密切影响着各建筑结构的强度性能。
3.例如以常规油气和非常规油气（比如可燃冰、页岩油等）的开采为例，为了确保油气资源稳定且长期的开采，需要对所钻地层进行固井作业，固井作业对于提高井壁稳定性、防止层间窜流并且建立油气流出通道、进行增产措施等方面有着十分重要的意义。而固井后水泥浆自身的胶结强度对维持井壁稳定、防止气窜以及防止层间窜流等有重要的影响。除此之外，诸如地灾里墙桩索的二次注水泥浆，地下工程建设过程中的桩后注浆、地铁隧道修建过程中的防渗注浆等工程灌浆领域，其中水泥浆的强度对于相应工程结构的稳定性都有重要影响。现有的室内测试水泥胶凝强度的方法简单易行，但仍存在如下问题：（1）可模拟的地层环境比较有限，尤其是缺少对原位地层及低温的模拟方法，故其实验过程中的数据不够全面，缺乏一定说服力，也因此无法准确有效地为现场施工提供切实可行的指导依据；（2）实验过程通常不可见，因此仅依靠仪表读数得知水泥浆的强度值往往不够准确，且忽略了水泥浆在各凝结时期的微观状态变化，故由此对水泥浆凝结质量的最终评价是不够准确的；（3）几乎无任何实时测量装置，多数只能得出对水泥浆凝结强度的最终评定结果，而无法检测水泥浆任一水化时刻下对应的胶凝强度及其变化强度。
4.故本发明提出一种可视化的、高仿真的方法以及装置来实时测量水泥浆凝结硬化过程中的胶凝强度发展，以模拟地下空间建设过程中的各种环境状态，从而为地下空间建设提供良好的数据支持。
5.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。


技术实现要素：

6.针对现有技术之不足，本发明提供了一种工程注浆用水泥浆凝结质量评价装置及评价方法，旨在解决现有技术中存在的至少一个或多个技术问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种工程注浆用水泥浆凝结质量评价装置，至少
包括：密封釜体，其具有用于容置水泥浆的压力腔，且压力腔的顶部和侧面连接有压力室，通过顶部的压力室能够模拟水泥浆处于不同地层深度下的压力状态，且通过侧面的压力室能够模拟各地层流体侵入水泥浆时的压力状态，加热单元，其用于向密封釜体提供用于模拟水泥浆处于不同地层深度下的温度状态的热能，其中，密封釜体顶部的压力室与一用于向该压力室注入加压流体的输入管线连通，且密封釜体侧面连接有多条输入管线，其中至少一伸入水泥浆中的输入管线被配置为第一测管，至少另一伸入密封釜体侧面压力室中的输入管线被配置为第二测管，其中，密封釜体的至少部分被构造为可视的第一窗口和第二窗口，且第一测管和第二测管各自的端部处于第一窗口和第二窗口的可见范围之内。
8.优选地，第一测管配置为可拆卸结构，且其为透明管路之时，将按照预设间隙与第一窗口内壁并行或与之垂直。
9.优选地，密封釜体的压力腔顶部连接有加压流体泵机组，加压流体泵机组用于提供将加压流体作用至水泥浆之上从而模拟水泥浆处于相应地层下的压力状态时的动力，其中，加压流体泵机组具有用于稳定流体压力的缓冲罐。
10.优选地，密封釜体的压力腔和其顶部的压力室之间设置有至少一层隔离层。
11.优选地，用于向密封釜体注入加压流体的各输入管线之上配置有流量计和加压泵，且各输入管线机械和/或电路连通于一控制器。
12.优选地，加压流体被注入至位于隔离层之上的压力室中，并且加压流体是与水泥浆互不相溶的液体。
13.优选地，还包括基座和配置在基座顶部两端的活动支架，并且密封釜体和加热单元连接于活动支架，以能够通过升降加热单元的方式向密封釜体提供热能。
14.优选地，通过评价装置测定水泥浆的胶凝强度是按照如下方法完成的：s101：根据检测需求，控制加压流体泵机组和加热单元以对密封附体的容置有水泥浆的压力腔施加对应于不同地层深度的压力和温度状态；s102：在水泥浆凝结硬化反应达到预定时间时，启动流体输送装置以向所述第一测管中施加加压流体；s103：通过第一窗口观察第一测管管口处水泥浆的微观变化，并通过压力表记录相应时刻的压力值p。
15.优选地，在水泥浆初凝之前，当第一测管管口处产生预定大小的气泡时，计此时的压力为初始破乳压力p1，而当第一测管管口处产生至少单个完整气泡时，计此时的压力为最终破乳压力p2，则该时刻水泥浆的胶凝强度为初始破乳压力p1与最终破乳压力p2之和与一比例因子k的乘积，其中，所述比例因子k=0.5。
16.优选地，在水泥浆初凝之时，当第一测管管口处的水泥浆波动、颤动或是产生裂隙之时，计此时的压力为p3，并以此表征对应时刻的水泥浆的胶凝强度。
17.优选地，在模拟测定水泥浆的胶凝强度之时，若第一测管管口处有气泡形成并上浮或有裂隙产生，则获取与流量检测装置实时显示的流体流速产生波动之时对应的压力值p，并以此表征水泥浆的胶凝强度。
18.优选地，本发明还提供了一种工程注浆用水泥浆的施工方法，该方法可以包括：通过观察水泥浆的微观形态来测量与各预设形态对应的至少部分水化时刻下的用于表征水泥浆胶凝强度的压力值p；基于对若干压力值p的回归分析结果获得水泥浆胶凝强度与水化
时间彼此关联的函数曲线；根据该函数曲线估计至少另一部分水化时刻下的水泥浆胶凝强度，以根据预估的水泥浆胶凝强度控制速凝剂的添加及其用量。
19.本发明的有益技术效果在于：通过可视化的窗口可以直观地观察水泥浆在凝结硬化过程中胶凝强度的变化情况；其次，可参照施工地段相应地层的地温和地压，使水泥浆在相应的地温和地压情况下进行凝结硬化，并且可以在任何水化时刻测量其胶凝强度，可得出凝结强度随时间的变化曲线，相比于现有技术，能够准确且全面地反映出水泥浆在凝结过程中的胶凝强度变化，并且可根据曲线拟合结果预估其它水化时刻下水泥浆的胶凝强度，从而可根据相应工程对于水泥浆不同时刻的凝结强度要求来调整水泥浆的施工方案；另外，若有测量固井一界面胶结强度的需求，可以等待水泥浆硬化之后，和缸体内壁之间产生胶结之后，测量其胶结强度；此外，在现场疑难地层施工之前，可以做地面试验，将水泥浆置于相应地层的地温和地压之下，凝结硬化，查看水泥浆是否满足相应工程对于强度的需求，可以大大减少操作失误带来的成本增加和工期延误；再者，该装置可广泛应用于未来地下空间的建设工程之中，即可用于模拟所建地下空间建筑在建设过程中，水泥胶凝强度发展的情况，从而能够极大程度地降低未来地下空间的建设成本。
附图说明
20.图1是根据本发明实施例提供的一种工程注浆用水泥浆凝结质量评价装置优选的结构示意图；图2是根据本发明实施例所述的第一窗口的局部放大图；图3是根据本发明实施例所述的第一测管在第一窗口内优选的结构示意图；图4是根据本发明实施例所述的第二窗口的局部放大图；图5是基于本发明实施例所述的评价装置一种优选的方法流程图；图6示出了工程注浆5mpa压力条件下水泥浆凝结强度随时间变化的关系曲线。
21.附图标记列表10：基座；20：活动支架；30：密封釜体；40：加热单元；50：隔离层；60：缓冲装置；70：流量检测装置；80：流体输送装置；90：控制器；100：压力表；110：第一窗口；120：第二窗口；130：第一测管；140：第二测管；200：加压流体；300：水泥浆；400：密封釜体界面；500：固井一界面。
具体实施方式
22.下面结合附图进行详细说明。
23.根据一种优选实施方式，本发明提供了一种工程注浆用水泥浆凝结质量评价装置，其可广泛应用于包括但不限于油气固井后的水泥环与地层间的二次注浆、工民建中的混凝土灌注桩等多个涉及到地下空间水泥浆体胶凝强度检测的领域。
24.具体地，如图1所示，本发明的评价装置可以包括：基座10；活动支架20，其配置在基座10顶部，并包括按照彼此相对的两个独立支架；用于容置待测水泥浆的密封釜体30，该密封釜体30以不接触的方式设置于基座10顶部，且其两端连接于活动支架20；
用于向密封釜体30提供热能的加热单元40，其设置于密封釜体30与基座10之间，且其两侧连接于活动支架20。
25.根据一种优选实施方式，在需要向密封釜体30提供相应地层的温度时，可通过活动支架20将加热单元40升起到所需位置处以对密封釜体30加热。
26.特别地，为了模拟地层温度从接近零度到数百摄氏度的环境，加热单元40优选采用水—油浴池或是沙浴池，以提供数百摄氏度之上的高温环境。
27.根据一种优选实施方式，密封釜体30具有一压力腔（图中未示出），该压力腔用于容置待测水泥浆300。
28.根据图1所示的一种优选实施方式，密封釜体30的压力腔上方设置有第一压力室，通过该第一压力室可向水泥浆300施加沿竖向方向上的外加作用力，以用于模拟水泥浆300在不同地层深度下的压力状态。因此，如图1所示，在密封釜体30的压力腔的上部增设有带有缓冲装置60的加压流体泵机组，在该流体泵机组的作用下，加压流体200被注入至水泥浆300上方的第一压力室，以向水泥浆300提供相应地层的压力状态。优选地，缓冲装置60为一缓冲罐，其用于稳定流体的压力，以将流体平缓缓慢地压入至密封釜体30内。
29.进一步地，密封釜体30的压力腔的侧面设置有第二压力室（图中未示出），通过该第二压力室可向水泥浆300施加沿横向方向上的外加作用力，以用于模拟对应于不同深度下的各地层流体侵入水泥浆300或是固井水泥环时的压力状态。优选地，同第一压力室类似，第二压力室为水泥浆300提供相应地层流体浸入时的压力状态也是通过注入加压流体200的方式来完成的。
30.根据图1所示的一种优选实施方式，在密封釜体30的大致中部位置处设置有第一窗口110和在其侧面，即模拟外部流体侵入处设置有第二窗口120。优选地，为了便于清晰地观察压力腔内部水泥浆300的微观变化以及外部流体侵入时水泥浆300的微观变化，该第一窗口110和第二窗口120被配置为具有放大效果（例如将相应玻璃窗口构造为放大镜形式），并且第一窗口110和第二窗口120上均设置有刻度线，以便于实验人员通过可视化窗口观察内部流体气泡的变化并记录相应的数据。
31.根据图1所示的一种优选实施方式，密封釜体30的压力腔顶部设置有一隔离层50，其用于分隔位于其上方的加压流体200与压力腔内部的水泥浆300。优选地，注入至第一压力室内的加压流体200是与水泥浆300互不相溶的液体。
32.根据图1所示的一种优选实施方式，密封釜体30的侧面连接若干输入管路。优选地，各输入管路之上配置有用于控制该管路通断的阀门。
33.根据图1所示的一种优选实施方式，其中一输入管路的输入端由密封釜体30侧面伸入至密封釜体30内的水泥浆300之中。为了便于理解，将该输入管路的插入于水泥浆300中的至少部分定义为第一测管130。
34.根据图2所示的一种优选实施方式，该第一测管130的端部处于第一窗口110的可见区域内。进一步地，如图3所示，当该第一测管130是透明玻璃管时，需要以一定间隙（例如1mm左右）与第一窗口110壁面保持平行或是垂直。优选地，测量水泥浆300的第一测管130被配置为可拆卸式结构，通过该输入端输入的流体（气体或液体）可根据具体的情况来选择。此外，若第一测管130采用透明形式，则可通过其观察水泥浆300是否反侵入该输入管线之中。
35.根据图1所示的一种优选实施方式，第一测管130所在的输入管路设置有两条分支管路，两条分支管路连接至密封釜体30的侧面，并且均伸入至密封釜体30侧面的第二压力室中。为了便于理解，将分支输入管路的位于第二窗口120内的至少部分称为第二测管140。
36.根据图4所示的一种优选实施方式，第二测管140的端部处于第二窗口120的可见区域内，且具体地，第二测管140的端部位于密封釜体30的密封釜体界面400与压力腔之间。
37.根据图1所示的一种优选实施方式，用于输送加压流体200的各输入管路机械和/或电路连接于控制器90。优选地，控制器90为一体化智能控制单元，其用于控制输送管路上各设备的启停、以及调整各设备的工作模式或状态。
38.根据图1所示的一种优选实施方式，该装置还包括配置在各输入管路之上的流量检测装置70、流体输送装置80以及压力表100。
39.根据一种优选实施方式，该流量检测装置70为一流量计，其用于测量流体流速，并且通过具备高精度的流量检测装置70的实时读数可判断水泥浆300的胶凝强度。
40.具体地，在加压初期，随着管线内压力的升高，流量检测装置70实时显示的流体流速较为均匀，当加压管口有气泡形成并上浮或有裂隙产生时，管线内必定伴随有压力的微小波动，而流量检测装置70实时显示的流体流速势必会有一定的波动，与此波动时刻相对应的压力可定义为水泥浆300的胶凝强度。
41.根据一种优选实施方式，流体输送装置80为一加压泵，用于向密封釜体30泵入加压流体200。
42.根据一种优选实施方式，压力表100用于实时读取加压流体200的压力值，并且该压力表100具备高精度，其确保了整个模拟检测过程中数据的真实可靠性。
43.根据一种优选实施方式，在使用本发明的工程注浆用水泥浆凝结质量评价装置时，将待测水泥浆300容置于密封釜体30的压力腔中，使其进行凝结硬化反应，根据检测需求，通过加压流体泵机组向压力腔上方的第一压力室注入加压流体200以向容置有水泥浆300的压力腔提供相应地层的压力状态，以及通过加热单元40向容置有水泥浆300的压力腔提供相应地层的温度状态，测量开始后，在水泥浆凝结硬化反应进行一定的设定时间之后，启动流体输送装置80以通过第一测管130平稳缓慢地向水泥浆300中输送加压流体200，并通过第一窗口110观察第一测管130管口处水泥浆300的微观变化，并记录同时刻的压力值p：在水泥浆300初凝之前，水泥浆300会因流体压力而在第一窗口110处产生一定大小的气泡（例如1mm左右），计此时的压力为初始破乳压力p1，随着输入压力的持续增大，水泥浆300会产生完整气泡，计此时的压力为最终破乳压力p2，最后得出此时刻水泥浆300的胶凝强度为初始破乳压力p1与最终破乳压力p2之和与一比例因子k的乘积，且k优选为0.5；在水泥浆300初凝之时，水泥浆300逐渐凝结为膏体状，此时的胶凝强度为第一测管130管口处的水泥浆波动、颤动或者产生裂隙时，压力表所反映的压力值，计此时水泥浆300的胶凝强度为p3。
44.特别地，当需要进一步模拟测量油气固井中的水泥浆300在相应的地温和地压下和套管之间的胶结强度，即固井一界面500胶结强度的检测需求时：使水泥浆300继续发生凝结硬化反应，当达到预定时间之后，打开第二测管140，持续泵送平稳缓慢的流体至水泥环和密封釜体30内壁之间的空隙，并通过密封釜体30侧面的第二窗口120进行观察，当观察到水泥环和釜体内壁之间产生松动之时，停止泵入流体并记录此时的泵入压力，该泵入压力为水泥环和钢套管之间的胶结强度，且该泵入压力与水泥环和井壁之间的胶结强度呈正
相关关系。
45.根据一种优选实施方式，如图6所示，是通过对所测结果进行回归分析得出的工程注浆5mpa压力条件下水泥浆凝结强度随时间变化的关系曲线，曲线拟合后的回归方程为y=349.15 0.42exp（x/1.23），r2=0.96，相关系数高达0.96，表明水泥浆凝结强度与水化时间有强烈的相关性，所得出的函数可以用于对不同时间点凝结强度的预测。
46.优选地，根据所测试的凝结强度发展关系，可以看出此配方水泥浆具有较为良好的直角稠化特性，在工程应用中可根据对固化时间的要求添加速凝剂，使得凝结强度的快速发展期位于所要求的固化时间范围内，从而可达到工程需要。
47.根据一种优选实施方式，基于本发明的工程注浆用水泥浆凝结质量评价装置，本发明提供了一种基于该评价装置的评价方法，如图5所示，该评价方法可包括以下步骤：s101：依据检测需求，控制所述加压流体泵机组和加热单元以对密封釜体的容置有水泥浆300的压力腔提供可变的压力和温度条件，以使水泥浆300的凝结和硬化过程处于相应地层的温度和/或压力状态之下；s102：在水泥浆凝结硬化反应进行一定的设定时间之后，启动流体输送装置80以向伸入水泥浆300中的第一测管130中施加平稳缓慢的流体；s103：通过第一窗口110观察第一测管130管口处的水泥浆300的微观变化，并记录同时刻的用以表征水泥浆300的胶凝强度的压力值p，流体的压力可以在压力表100上得到，压力表100可安装在缓冲装置60上。
48.具体地，初凝之前，由于第一测管130管口处有压力，水泥浆300在第一窗口110处（带有刻度线）会产生一定量的气泡，例如气泡的大小为1mm时，计此时的压力为初始破乳压力p1，随着输入压力的持续增大，水泥浆300会产生完整气泡，计此时的压力为最终破乳压力p2，最后得出此时水泥浆300能抵抗外部流体侵入的能力为初始破乳压力p1与最终破乳压力p2之和与一比例因子k的乘积，并以此表征对应时刻的水泥浆300的胶凝强度，该比例因子k优选为0.5；水泥浆300初凝时，由于水泥浆300凝结成膏体状，此时的胶凝强度为第一测管130的水泥浆波动、颤动或者产生裂隙时，压力表或者流量检测装置70所反映的压力值，计此时水泥浆300抵抗外部流体侵入的能力为p3。
49.进一步地，若有模拟测量水泥浆300在相应的地温和地压下和套管之间的胶结强度的需求，则可通过下述方法进行测量：即使水泥浆300继续发生凝结硬化反应，当达到预定时间之后，打开第二测管140，平稳缓慢的泵送流体进入水泥环和密封釜体30内壁之间的空隙；随着实验过程加压流体200的持续输入，当通过第二测管140所在位置处的第二窗口120观察到水泥环和釜体内壁之间产生松动之时，停止泵入流体，并记录此时的泵入压力；记录此时的泵入压力，用以表征模拟水泥环和套管之间的胶结强度，且该泵入压力与水泥环和井壁之间的胶结强度呈正相关关系。
50.特别地，一般对于油气井固井工程而言，固井一界面为套管与水泥环之间的胶结界面。
51.现有技术中，水泥浆的胶凝强度一般是用水泥浆的黏度和压强来表示，而目前广泛使用的是将水泥浆的黏度换算为水泥浆的胶凝强度，然而通过黏度换算得出的水泥浆胶
凝强度不够直观。由此，本发明采用压强的方式来表征水泥浆的胶凝强度，即利用流体在水泥浆内的破乳压力来表示水泥浆的胶凝强度。
52.由此，基于本发明的工程注浆用水泥浆凝结质量评价装置，在运用至地灾里墙桩索的二次注水泥浆、地下工程建设过程中的桩后注浆、地铁隧道修建过程中的防渗注浆或是固井后的水泥环和地层间的二次注浆等多个领域内水泥浆胶凝强度的模拟测量时，可预先通过本发明的装置模拟各工程地段附近的地层环境，即模拟其所在地层的温度及压力。为了满足相应防护结构对于水泥浆胶凝强度的要求，可将通过实验模拟得出的各地层温度及压力条件下对应的水泥浆的胶凝强度与理论值进行比较，从而基于实验数据对实际水泥施工过程中的各项参数进行调整，例如水泥浆的配比、温度以及浇筑流量等等。
53.换而言之，提前通过实验模拟能够很好地为各类混凝土或水泥建筑工程的开展提供可靠的数据支持，尤其是对于水泥浆胶凝强度而言，在多数涉及到水泥工艺的施工环节中，工程人员能够依据实验数据有效地调整与水泥浆胶凝强度相关的工艺参数，以使各建筑结构的强度性能达到相应工程要求。
54.需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。