Спосіб та установка для визначення тиску гідропрориву цементного каменя

1. Спосіб визначення тиску гідропрориву цементного каменя, який включає розміщення цементного каменя у випробувальній камері, подання гідравлічним насосом рідини у випробувальну камеру, поступове збільшення тиску рідини, візуальне спостереження за виходом рідини з випробувальної камери та спостереження за зміною тиску, який відрізняється тим, що перед поступовим C2 2 (19) 1 3 жать від якості тампонажних цементів та сумішей, використаних для його формування. Таким чином, існує нагальна проблема визначення гідроізоляційних характеристик цементного каменя і здатності його до опору водяному та газовому тиску, з метою оптимального вибору тампонажного цементу та необхідних додаткових сумішей до моменту їх використання в реальній свердловині чи на будь-якому іншому реальному об'єкті будівництва. Очевидно, що проведення попереднього визначення якісних характеристик цементного каменя при моделюванні різноманітних геологічних умов дає змогу суттєво знизити витрати на подальшу експлуатацію свердловини чи іншого об'єкта будівництва. Найбільш важливою якісною характеристикою цементного каменя, що визначає його здатність забезпечувати в свердловині герметичність в зоні контакту "цементне кільце-обсадна колона", є значення тиску гідропрориву. При перевищенні цього тиску цементний камінь, що у свердловині має форму цементного кільця, починає пропускати рідину. Тиск гідропрориву є визначальним для вибору того чи іншого тампонажного цементу для використання при цементуванні свердловини. Відомий спосіб і установка для оцінки герметичності контакту цементного каменя з обмежуючою поверхнею (Булатов А.И. "Формирование и работа цементного камня в скважине", Москва, 1990, с. 211-212). Спосіб полягає в поданні води під тиском в центр торця цементного каменя і візуальному спостереженню за появою води на протилежному його торці із одночасним вимірюванням тиску води, що подається. В установці, створеній для реалізації способу, торець цементного каменя циліндричної форми контактує з металевою поверхнею. Тиск рідини вимірюють за допомогою манометра. Недоліком відомого способу та установки є вкрай низька точність отримуваних результатів досліджень, оскільки вони базуються на даних вимірювань манометра, отриманих в момент гідропрориву, який визначається оператором дослідної установки візуально. Таким чином, точність отриманих результатів залежить від низки суб'єктивних людських факторів, властивих оператору дослідної установки, зокрема його уважності і швидкості реакції. Відомий спосіб і установка для визначення проникності цементного каменя (Саид Ибрагим Али Фара "Разработка составов для восстановления герметичности заколонного пространства при капитальном ремонте скважин ", Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Уфа, 2003, с. 13). Спосіб включає формування цементного каменя в випробувальній камері, подання рідини у випробувальну камеру під тиском, спостереження за тиском та появою рідини з вихідного отвору випробувальної камери. Установка містить послідовно сполучені між собою трубопроводами балон із стисненим газом, бак із рідиною, випробувальну камеру у вигляді порожнистого циліндра з передньою та задньою торцевими кришками, 96561 4 обладнаними вхідними та вихідними отворами, датчики тиску. Датчики тиску виконані у вигляді стрілкових манометрів. Тиск гідропрориву визначається оператором за допомогою цих стрілкових манометрів. Недоліком відомої установки є малий діапазон тисків, що можуть бути створені нею, оскільки при відсутності насоса максимальний тиск, створюваний установкою, не буде перевищувати тиск в балоні газу. Суттєвим недоліком установки є низька точність визначення моменту гідропрориву і тиску в цей момент, оскільки момент гідропрориву визначається візуально за фактом витоку рідини із вихідного отвору задньої кришки випробувальної камери, а тиск визначається шляхом спостереження за показаннями кількох манометрів одночасно. Із недоліків установки випливає недолік способу - низька точність отримуваних результатів досліджень через вплив суб'єктивних людських факторів (уважність, швидкість реакції), властивих оператору дослідної установки, який вимушений одночасно регулювати збільшення тиску, стежити за кількома манометрами та визначати момент витоку рідини із вихідного отвору задньої кришки випробувальної камери. Відома установка для вимірювання ступеня усадки цементного каменя, що містить випробувальну камеру увигляді циліндра з поршнем, гідравлічний насос та комп'ютер для контролю параметрів роботи установки (міжнародна публікація WO 2005065411, МПК G01N3/12, G01N3/02 дата публікації: 21.07.2005). Задня кришка випробувальної камери виконана "сліпою", тобто не має отворів. Незважаючи на деяку конструктивну схожість із установкою, що заявляється, відома установка непридатна для використання з метою встановлення значення тиску гідропрориву цементного каменя, оскільки випробувальна камера не містить вихідних отворів для витоку рідини. Відома установка для визначення ступеня усадки цементного каменя, що містить послідовно сполучені між собою трубопроводами гідравлічний насос, випробувальну камеру у вигляді порожнистого циліндра з передньою та задньою торцевими кришками, обладнаними вхідними та вихідними отворами, ємність для рідини та мікроконтролер, який здійснює контроль параметрів роботи установки (патент США № 7296927, МПК G01N3/00, опубл. 20.11.2007). Ця установка непридатна для використання з метою встановлення значення тиску гідропрориву цементного каменя, оскільки випробувальна камера призначена лише для наскрізної циркуляції рідини. Найбільш близькими до заявленої групи винаходів є відомий спосіб та установка для визначення тиску гідропрориву цементного каменя (Амерханова СИ., "Повышение эксплуатационной надежности крепи скважин на поздней стадии разработки нефтяных месторождений", Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Уфа, 2002). Спосіб включає розміщення цементного каменя у випробувальній 5 камері, подання гідравлічним насосом рідини у випробувальну камеру, поступове збільшення тиску рідини, візуальне спостереження за виходом рідини з випробувальної камери та спостереження за зміною тиску. Установка містить послідовно сполучені між собою трубопроводами гідравлічний насос, випробувальну камеру у вигляді порожнистого циліндра з передньою та задньою торцевими кришками, обладнаними вхідними та вихідними отворами, датчик тиску. Датчик тиску виконаний у вигляді стрілкового манометра. Спостереження за зміною тиску проводять за допомогою цього манометра. Передня торцева кришка випробувальної камери містить вхідний отвір для подання рідини. Задня торцева кришка містить один розташований в її центрі вихідний отвір для виведення рідини після гідропрориву цементного каменя. Головним недоліком відомого способу є низька точність визначення моменту гідропрориву і тиску рідини в цей момент. Від оператора установки, на якій здійснюють спосіб, вимагається одночасне виконання кількох дій: спостереження за вихідним отвором випробувальної камери, спостереження за манометром, регулювання режиму роботи гідравлічного насоса. Таким чином, точність результатів суттєво залежить від швидкості реакції оператора, його спостережливості та багатьох інших суб'єктивних людських факторів, що призводить до практичної непридатності відомого способу для використання в реальних виробничих умовах, зокрема на свердловині. Крім цього, точність отриманих результатів у відомому способі знижується завдяки впливу повітря, що залишається у випробувальній камері й утворює повітряні "кишені" та бульбашки. Головним недоліком відомої установки є низька точність визначення моменту гідропрориву і тиску рідини в цей момент, оскільки момент гідропрориву визначається візуально за фактом витоку рідини із вихідного отвору задньої кришки випробувальної камери, а тиск визначається шляхом спостереження за показами манометра. Необхідно підкреслити, що у відомій установці манометр встановлений не на випробувальній камері, а на баку із рідиною, і фактично вимірює тиск у ньому, а не у випробувальній камері. Крім цього, момент виходу рідини із вихідного отвору задньої торцевої кришки не є фактичним моментом гідропрориву цементного каменя. Оскільки явище гідропрориву відбувається в зоні контакту цементного каменя із стінками випробувальної камери і на задній торцевій кришці рідина після гідропрориву з'являється вздовж її периметра (тобто вздовж стінок), необхідний певний час для того, щоб рідини зібралась на задній кришці, подолала шлях від периметра задньої кришки до її центра і витекла назовні через розташований в ньому отвір, щоб бути поміченою оператором установки. Задачею групи винаходів є підвищення точності визначення тиску гідропрориву цементного каменя шляхом автоматизації процесу зняття даних з датчика тиску та подальшої їх обробки та шляхом унеможливленням впливу залишкового 96561 6 повітря у випробувальній камері на процес гідропрориву під час проведення досліджень. Щодо способу поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі визначення тиску гідропрориву цементного каменя, який включає розміщення цементного каменя у випробувальній камері, подання гідравлічним насосом рідини у випробувальну камеру, поступове збільшення тиску рідини, візуальне спостереження за виходом рідини з випробувальної камери та спостереження за зміною тиску, згідно з заявленим технічним рішенням, перед поступовим збільшенням тиску рідини з випробувальної камери випускають повітря, спостереження за зміною тиску та контроль роботи гідравлічного насоса здійснюють за допомогою пристрою обробки інформації, за отриманими та обробленими цим пристроєм даними будують апроксимовану криву зміни тиску в часі, а тиск гідропрориву визначають за точкою виходу побудованої кривої на плато, усереднюючи дані не менш ніж двох послідовно проведених досліджень. Рекомендоване виконання способу, в якому як пристрій обробки інформації використовують комп'ютер. Щодо установки поставлена задача вирішується тим, що у відомій установці для визначення тиску гідропрориву цементного каменя, що містить послідовно сполучені між собою трубопроводами гідравлічний насос, випробувальну камеру у вигляді порожнистого циліндра з передньою та задньою торцевими кришками, обладнаними вхідними і вихідними отворами, та датчик тиску, відповідно до заявленого технічного рішення установка обладнана пристроєм обробки інформації, з'єднаним з датчиком тиску, встановленим на випробувальній камері, та гідравлічним насосом, вихідні отвори задньої торцевої кришки розміщені вздовж її периметра, а передня торцева кришка містить додатковий отвір для випуску повітря. Оптимальним є виконання установки, в якому пристрій обробки інформації виконаний у вигляді комп'ютера. Доцільним є виконання установки, в якому випробувальна камера обладнана нагрівачами, з'єднаними з пристроєм обробки інформації. Щодо способу технічним результатом є підвищення точності визначення тиску гідропрориву цементного каменя завдяки застосуванню пристрою обробки інформації для зняття даних з датчика тиску та їх автоматичної обробки. В свою чергу, визначення тиску гідропрориву за апроксимованими кривими, що побудовані на основі оброблених пристроєм обробки інформації даних, дозволяє отримати точні результати досліджень у наочній формі, а усереднення даних не менш ніж двох послідовно проведених досліджень дозволяє уникнути випадкових розбіжностей, похибок та нейтралізувати їх вплив на кінцевий результат вимірювань. Додаткове підвищення точності вимірювань досягається унеможливленням впливу залишкового повітря у випробувальній камері за рахунок 7 його випуску перед поступовим збільшенням тиску рідини. Щодо установки технічним результатом є підвищення точності визначення тиску гідропрориву цементного каменя завдяки обладнанню установки пристроєм обробки інформації, з'єднаним з датчиком тиску, встановленим на випробувальній камері, та гідравлічним насосом. Такий пристрій дозволяє відстежувати зміни значення тиску рідини безпосередньо у випробувальній камері, контролювати режим роботи гідравлічного насосу та нагрівачів. Виконання цього пристрою у вигляді комп'ютера (наприклад, ноутбука) дозволяє використовувати для контролю параметрів роботи установки широкий спектр програмного забезпечення, розробленого для популярних операційних систем. Додаткове підвищення точності візуального визначення моменту гідропрориву забезпечується завдяки розміщенню вихідних отворів задньої торцевої кришки випробувальної камери вздовж її периметра. Оскільки гідропрорив відбувається в зоні контакту цементного каменя із стінками випробувальної камери, і на задній торцевій кришці рідина з'являється саме вздовж її периметра, то розміщення вихідних отворів вздовж цього периметра дозволяє забезпечити її безперешкодний вихід. Таким чином, стає можливим побачити появу рідини безпосередньо в момент гідропрориву. Додатково підвищується точність проведення вимірювань завдяки виключенню фактора впливу наявного у випробувальній камері повітря, що стає можливим завдяки обладнанню передньої торцевої кришки додатковим отвором для випуску повітря. Стає можливим проведення вимірювань тиску гідропрориву цементного каменя в умовах, максимально наближених до реальних умов свердловини, що досягається обладнанням випробувальної камери нагрівачами, які імітують температурні умови в свердловині. Реалізація способу можлива за допомогою установки, конструкція якої наведена на кресленнях: фіг. 1 - загальна схема установки; фіг. 2 випробувальна камера (поздовжній переріз); фіг. 3 - випробувальна камера з встановленим осердям (поздовжній переріз); фіг. 4 - вигляд передньої торцевої кришки випробувальної камери; фіг. 5 - вигляд задньої торцевої кришки випробувальної камери; фіг. 6 - графік змінення тиску під час проведення досліджень (апроксимована крива). Установка для визначення тиску гідропрориву цементного каменя містить послідовно сполучені між собою трубопроводами 1 гідравлічний насос 2, випробувальну камеру 3 у вигляді порожнистого циліндра з передньою 4 та задньою 5 торцевими кришками. Установка обладнана пристроєм обробки інформації, виконаним у вигляді комп'ютера 6, що з'єднаний з гідравлічним насосом 2. Вихідні отвори 7 задньої торцевої кришки 5 розміщені вздовж її периметра. Передня торцева кришка 4 має три отвори, а саме: отвір, до якого приєднаний датчик тиску 8, отвір, сполучений з 96561 8 патрубком 9 для випуску повітря, і вхідний отвір, сполучений з патрубком 10 для подання рідини. Датчик тиску 8 обладнаний електронним інтерфейсом і з'єднаний з комп'ютером 6. Випробувальна камера 3 обладнана нагрівачами 11, з'єднаними з комп'ютером 6. Установка також обладнана фільтром 12, ресивером 13, запобіжним клапаном 14, краном 15 та манометром 16. Випробувальна камера може містити встановлене осердя 17, як показано на фіг. 3 Перед початком роботи у випробувальній камері 3 формують зразок цементного каменя. Для цього з випробувальної камери 3 знімають передню 4 та задню 5 торцеві кришки з отворами, замінюючи їх тимчасовими суцільними кришками (на кресленнях не показані). У разі необхідності всередину камери 3 встановлюють осердя 17. Заливають цементний розчин у випробувальну камеру 3. Закривають випробувальну камеру 3 суцільними кришками з обох торців і залишають її до повного затвердіння розчину. Потім знімають тимчасові суцільні кришки і встановлюють на випробувальну камеру 3 із розміщеним всередині неї зразком цементного каменя верхню торцеву кришку 4, нижню торцеву кришку 5 та підключають до випробувальної камери 3 датчик 8 та трубопровід 1 для подання рідини через патрубок 10. Як рідину в установці використовують спеціально підготовлений розчин, що міститься в ємності (на кресленнях не показана) або водопровідну воду. Вмикають комп'ютер 6, відкривають кран 15 і запускають гідравлічний насос 2, який починає подавати рідину трубопроводом 1 до випробувальної камери 3. На початку роботи випускають повітря із випробувальної камери 3 через патрубок 9. Далі програмно за допомогою комп'ютера 6 та з'єднаного з ним датчика 8 встановлюють та контролюють необхідні значення температури випробувальної камери 3 та тиску в ній, вибираючи відповідний режим роботи нагрівачів 11 і гідравлічного насоса 2. Поступово збільшуючи тиск рідини у випробувальній камері 3, досягають такого його значення, при якому відбувається гідропрорив цементного каменя. На підставі значень тиску у випробувальній в камері 3, отриманих датчиком 8, за допомогою комп'ютера 6 та встановлених на ньому програмних засобів будують апроксимовану криву змінення тиску в часі, що відображається на моніторі комп'ютера 6. В момент гідропрориву цементного каменя всередині випробувальної камери 3, крива тиску на моніторі комп'ютера 6 змінює свій вигляд і замість зростання виходить на плато, відображаючи стале значення тиску в камері 3. Це значення тиску і є тиском гідропрориву. В момент гідропрориву відбувається витік рідини крізь отвори 7 задньої торцевої кришки 5, що може бути зафіксовано оператором візуально. Після початку витоку рідини за допомогою комп'ютера 6 та підключеного до нього гідравлічного насоса 2 тиск знижують до початкового значення і знов проводять його поступове зниження до моменту гідропрориву, як описано вище. 9 Отримані в першому і другому дослідженні значення тисків гідропрориву усереднюють, одержуючи остаточний результат. При необхідності кількість досліджень може бути більшою ніж два. В процесі роботи установки фільтром 12 очищують робочу рідину від сторонніх домішок, використовуючи ресивер 13, позбавляються від 96561 10 гідравлічних пульсацій в трубопроводі 1, спричинених роботою гідравлічного насоса 2, а за допомогою клапана 14 запобігають надмірному перевищенню тиску в трубопроводі 1, унеможливлюючи створення аварійної ситуації. Тиск у трубопроводі 1 контролюють за допомогою манометра 16. 11 96561 12 13 Комп’ютерна верстка І. Скворцова 96561 Підписне 14 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601