一种用于测试水泥水化热的实验装置

技术领域

本发明涉及固井水泥浆检测技术领域，具体涉及一种用于测试水泥浆在高温高压环境下水化热的实验装置。

背景技术

在水泥水化过程中，水泥中的组分和水之间会发生一系列的化学反应，并放出大量的热。放热量过大易导致浆体内外温差大，内部热应力增加，从而造成水泥石孔渗性增大，不利于力学性能的发展。因此，对水泥浆内部温度进行实时监测具有重要意义。目前，常用于水泥水化放热特性的测量方式有两种，即化学溶解热测量法（GB/T 2022-1980）和直接测量法（GB/T 12959-1991）。

化学溶解热法依据的是盖斯定律，它是在热量计周围温度一定的条件下，分别将未水化的水泥与已水化至一定龄期的水泥放在一定浓度的标准酸溶液中溶解，然后测定溶解热之差，即为该水泥在规定龄期内所放出的热量。但化学溶解热法只能测量较长龄期的水化放热量，操作繁琐、所用化学试剂腐蚀性大、不安全，同时还要考虑资源消耗大、性价比不高等实际问题。直接测量法操作较为简单，是一种无污染的标准实验方法，其原理是根据水泥水化热量积蓄和散失的多少求得水泥各龄期的放热量。该方法在水化反应前期可较为准确地计算浆体放热量，但在测量过程中却受到温度和压力的限制。

目前，业界用直接法测量水泥浆水化热时，所采用的实验装置和测量方法大都存在一定的不足。“一种绝热型混凝土水化热温升测量装置”（CN205333552U），可有效对混凝土试样进行保温，减少热量损失，操作方便，但其温度及压力条件都有很大限制，所得到的实验结果都是在常温常压下测试的，不能满足深井中水泥浆所处的高温高压环境。“一种快速检验高性能混凝土水化热的检测装置”（CN207351938U），操作简单、成本低，但不易使外界温度保持在恒温状态下，因水泥在初始水化过程中放热并不多，样品温度的变化也并不明显，若直接将样品温度变化作为水化放热特性的表征，往往会受到环境温度缓慢、微小变化的影响，故测量水泥在初始水化放热特性时，要保持外界环境温度处于恒定的状态下。“一种用于水泥水化热测试的防水密封装置”（CN203173080U），有着良好的密封效果，但其温度传感器通过软木塞进行固定，软木塞在长期使用后易发生变形，中间的孔道会随着使用次数的增多而变大，后期固定效果不明显，更换频率高、使用成本大。同时，软木塞极易发生转动或上下移动，易导致浆体内部部分热量外散，从而影响实验结果的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测试水泥水化热的实验装置，能够模拟水泥浆在井下所处的高温高压环境，同时可消除外界环境温度变化对水泥水化热的影响，有效控制内部热量散失。该装置操作方便、精确度高，可掌握水泥浆在高温高压环境下的放热情况，有效避免浆体因放热过快而对固井施工造成的不利影响。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种用于测试水泥水化热的实验装置，包括原料反应系统、温压传输系统和数据采集系统。

所述原料反应系统包括保温容器、样品筒及抗高温密闭釜盖，保温容器内壁设置加热片，顶部为可拆卸的抗高温密闭釜盖，内部有样品筒，保温容器和样品筒之间为热传导油。

所述温压传输系统包括增压泵、加热片、压缩机，增压泵通过热传导油对浆体加压，加热片位于保温容器内壁，可使浆体温度升至100℃以上，以实现水泥浆所处的高温高压环境。

所述数据采集系统包括温度传感器、模数转换器及计算机，样品筒内部产生的热量通过温度传感器、模数转换器转为温度数字信号，并传输到计算机，从而检测原料在反应过程中的温度变化情况，获得水泥浆放热量与放热速率。

所述样品筒盖及抗高温密闭釜盖上都有一个带螺纹的小孔，该小孔通过六角螺母、密封圈固定温度传感器，避免压力的泄露及控制保温容器内热量的散失。

所述样品筒最好选用玻璃钢制品，可有效承受住保温容器内的压力。同时，玻璃钢制品有较好的耐腐蚀性，能防止壁面结垢而影响热量的传递。

所述加热片为不锈钢材料制成，以防壁面生锈。

所述保温容器为低导热材料制造，最好为纳米气凝胶保温毡。

所述热传导油上部留有部分空气，利用空气的可压缩性，防止浆体升温的同时保温容器内压力过大。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）加热片可将浆体温度加到100℃以上，模拟井下所处的超高温环境，克服了传统水浴锅的温度限制；

（2）电动增压泵通过热传导油对水泥浆体进行加压，可以模拟浆体在高压环境中的放热情况；

（3）采用保温容器防止外界温度变化对实验结果的影响，抗高温密闭釜盖可有效对保温容器进行密封，防止内部处于高温高压状态时，温度散失及压力泄漏；

（4）采用温度传感器进行水化热温度测量，温度传感器位置被盖体开口固定，避免因温度传感器位置的变动而产生实验误差。

综上所述，本发明利用加热片并通过热传导油对水泥浆加热，利用增压泵对水泥浆加压，从而实现高温高压环境，利用抗高温密闭釜盖上的温度传感器检测样品筒内的温度，将温度模拟信号通过模数转换器转为温度数字信号，传输到计算机。本发明利用水泥水化过程中放出的热量不外散，以此来得到累积热量的大小，再通过微分可获得水泥在水化过程中的放热速率，操作简便，测试结果准确可靠。

附图说明

图1是一种用于测试水泥水化热的实验装置的结构示意图。

图中：1-样品筒；2-密闭釜盖；3-六角螺母；4-密封圈；5-温度传感器连接口；6-温度传感器；7-热传导油；8-支撑架；9-加热片；10-保温容器；11-控制面板；12-热传导线；13-压力管线；14-自动增压泵；15-阀门；16-压力表；17-数据线；18-模数转化器；19-计算机。

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。同时，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。

参看图1。

一种用于测试水泥水化热的实验装置，包括保温容器10、加热片9、密闭釜盖2、样品筒1、温度传感器6、控制面板11、增压泵14、模数转化器18和计算机19，所述保温容器10内壁设置加热片9，顶部为密闭釜盖2，底部通过支撑架8固定样品筒1，保温容器和样品筒之间为热传导油7，密闭釜盖和样品筒盖都有一个带螺纹的小孔，该小孔通过六角螺母3、密封圈4固定温度传感器6，插入样品筒的温度传感器通过连接口5、数据线17依次连接模数转化器18、计算机19；所述保温容器连接增压泵14，连接管线上设置阀门15和压力表16；所述加热片通过热传导线12、增压泵通过压力管线13均连接控制面板11。

所述保温容器10用不锈钢材料制造，其底部可以是圆底或平底。

所述密闭釜盖2与保温容器的开口相适配，可以通过卡接、螺纹连接或法兰连接。盖体上设有小孔，可供温度传感器6插入并拧六角螺母3密封，且开口里需要设有密封圈4，以保证密封效果更好，即样品反应释放的热量不外散。

所述支撑固定装置8用于支撑样品筒1，使样品筒每次固定的位置相同，以便于温度传感器的下入。

所述温度传感器6的分度值精确到0.01℃，量程应覆盖在（0-150℃）。计算机19通过设置相应的软件对接收的温度数据进行处理，了解反应的进程与结果。

所述增压泵14通过压力管线13并利用釜体内的热传导油7对水泥浆加压，其数值可在控制面板11及压力表16中显示出来。

本发明的工作原理：保温装置使样品筒内的水泥在水化过程中释放的热量不外散，累计的热量使样品筒内温度上升，温度传感器感测保样品筒内的温度变化，将温度模拟信号通过数据线17传输给模数转换器18，转换器将温度模拟信号转为温度数字信号并传输到计算机19，以此获得水泥浆的放热量与放热速率。

该装置具体操作如下：

第一步，将配置好的水泥浆倒入样品筒中并盖上密闭釜盖；

第二步，将温度传感器插入到釜盖中，并用螺纹旋紧；

第三步，将密闭的样品筒放入装有热传导油的保温容器中，调整热传导油高度，使其恰好到样品筒顶部，保证样品筒上部留有部分空气，防止水泥浆放热时增加保温容器内部的压力；

第四步，保温容器的密闭釜盖从温度传感器上部插入进来，并迅速拧紧釜盖；

第五步，将数据线接口与温度传感器连接，在控制面板中设置升温升压速率，并打开加热开关，通过控制面板和温度传感器记录热传导油和样品筒内温度的变化。待热传导油温度和样品筒内温度都达到预设温度时，点击开始按钮，计算机记录样品筒内放热量及放热速率的变化情况；

第六步，实验达到预定龄期后，保存数据，拆出仪器并清洗干净。