Ультразвуковой анализатор цемента (UCA) OFITE

Ultrasonic cement analyzer (UCA) OFITE

D. Chzhu, EPAK-SERVICE ZAO

Ультразвуковой анализатор цемента (UCA) производства компании OFI Testing Equipment, Inc. реализует непрерывный неразрушающий метод определения прочности при сжатии тампонажных цементов во времени в условиях, имитирующих температуры и давления внутри скважины.

UCA manufactured by company OFITE are realized with continuous not destroying method of durability determination at compression of slurries cements in various conditions.

Рекомендации по применению данного неразрушающего звукового метода тестирования тампонажных цементов даются в API Recommended Practice 10B-2 / ISO 10426-2, где приведены общие требования к аппаратурному оформлению подобного прибора и проведению на нем эксперимента. Основой для признания этого метода Американским нефтяным институтом (API) как метода испытаний тампонажных цементов послужил опыт использования приборов подобной конструкции в промышленности.

Определение прочности Ультразвуковым анализатором основано на корреляциях между временем прохождения ультразвукового сигнала через образец цемента и прочностью на сжатие, измеренной разрушением состаренных в аналогичных условиях образцов под воздействием механической нагрузки. Эта связь между временем прохождения ультразвука и прочностью при сжатии цемента является эмпирической – выведенной из многочисленных экспериментальных данных. При этом в документации API четко различаются понятия «звуковой прочности», определяемой как степень развития прочности цементного образца и рассчитываемой посредством измерения скорости прохождения звука через образец на основе специальных математических корреляций, и «прочности при сжатии», измеряемой непосредственно и определяемой силой, необходимой для разрушения образца цементного камня.

На сегодняшний день несколько американских компаний, включая компанию OFI Testing Equipment, Inc. (г. Хьюстон, США), производят ультразвуковые анализаторы для определения прочности цемента. И несмотря на то что каждый производитель при построении прибора использует собственную базу электронных компонентов и свои корреляции «время прохождения ультразвукового сигнала – прочность цемента при сжатии», принцип работы этих анализаторов подобен (рис. 1).
Рис. 1. Принцип работы Ультразвукового анализатора прочности цемента
Цементный раствор, приготовленный в соответствии с рекомендациями API, помещается в ячейку-автоклав. Задаются температура и давление, имитирующие условия внутри скважины. Генератор посредством датчика-преобразователя посылает ультразвуковой сигнал через образец цемента. На выходе другой датчик-преобразователь принимает сигнал. При этом измеряется время прохождения сигнала через цементный раствор. По мере того, как прочность цементного образца со временем увеличивается, скорость прохождения ультразвукового сигнала через образец возрастает, т. е. уменьшается время его прохождения.
Рис. 2. Ультразвуковой анализатор цемента (UCA) OFITE (кат. №120-50)
Конструктивно Ультразвуковой анализатор цемента производства OFI Testing Equipment, Inc. (кат. №120-50) представляет собой моноблок, который коммутируется с компьютером (рис. 2). Испытательная ячейка-автоклав состоит из цилиндрического корпуса, в который вкручиваются крышки. В верхнюю и нижнюю крышки испытательной ячейки устанавливаются датчики-преобразователи. Собранная ячейка с цементным раствором устанавливается в нагревательную рубашку прибора. Задаются требуемые температура и давление, имитирующие условия внутри скважины. Работой нагревательного элемента управляет программируемый температурный контроллер, позволяющий задавать различные температурные профили. Давление в ячейке создается водой при помощи насоса высокого давления с пневматическим приводом и контролируется регуляторами давления и противодавления. Максимальное рабочее давление – до 16 000 PSI (110,3 МПа), максимальная рабочая температура – до 400°F (204,4°C). По завершении испытания включается система водяного охлаждения испытательной ячейки-автоклава.

Компьютер с установленным специализированным программным обеспечением «OFITE UCA» осуществляет непрерывный сбор и обработку данных, измеряет прохождение сигнала во времени и интерполирует значения прочности при сжатии.

В главном рабочем окне программы «OFITE UCA» в реальном времени отображаются условия проведения испытания и результаты теста: время прохождения ультразвукового сигнала (Transit Time), прочность при сжатии (Сompressive strength), температура (рис. 3). Все данные сохраняются в графическом виде, а также в формате электронных таблиц Microsoft Office Excel.
Рис. 3. Главное рабочее окно программы «OFITE UCA»
В программном обеспечении «OFITE UCA» предусмотрена возможность выбора соответствующего корреляционного файла «время прохождения сигнала – прочность при сжатии» по плотности исследуемого цементного раствора, т. к. от правильности выбора корреляционного файла будут зависеть значения получаемой прочности цемента при сжатии, а также отображаемая динамика набора прочности цементным образцом.

Измерение времени прохождения ультразвукового сигнала через образец цемента является еще одним решающим фактором, определяющим правильность и точность работы прибора в целом. Для повышения точности измерения времени прохождения сигнала в программе «OFITE UCA» предусмотрена возможность проведения калибровки испытательной ячейки-автоклава. Калибровку можно осуществлять двумя способами:
  • по дистиллированной воде,
  • по 3,5” стальному калибровочному блоку, который поставляется по дополнительному заказу.
Использование дистиллированной воды или стального блока имитирует два крайних состояния цементного образца – жидкое и твердое, соответственно. После проведения калибровки расчет прочности осуществляется на основе скорректированного времени прохождения сигнала.

Основной задачей ультразвукового, неразрушающего метода испытания тампонажных цементов является, в первую очередь, получение данных о степени развития прочности при сжатии во времени, т. е. о динамике набора прочности цементным образцом в условиях, имитирующих температуры и давления в скважине. И как указывалось ранее, «звуковая прочность», определяемая Ультразвуковым анализатором, является расчетной величиной, тогда как «прочность при сжатии» состаренных в аналогичных условиях цементных образцов измеряется непосредственно при их разрушении под воздействием механической нагрузки. Поэтому эти две величины, определенные в одинаковых условиях, но разными методами, не обязательно должны совпадать по абсолютному значению. Тем не менее представляется интересным сопоставить данные по прочности цемента при сжатии, полученные на Ультразвуковом анализаторе цемента и определенные путем разрушения на гидравлическом прессе предварительно выдержанных в автоклаве в аналогичных условиях образцов цементного камня.

Подобные сравнительные испытания были выполнены в лаборатории буровых, тампонажных растворов и специальных жидкостей СургутНИПИнефть (ОАО «Сургутнефтегаз», г. Сургут) на имеющемся в лаборатории оборудовании. Так, определение «звуковой прочности» при сжатии проводилось на Ультразвуковом анализаторе цемента (UCA) OFITE (кат. №120-50). Для выдержки цементных образцов перед их разрушением применялся автоклав OFITE Модель 200 на две ячейки (кат. №120-30). Исследование «прочности при сжатии» образцов цементного камня осуществлялось на гидравлическом прессе для определения прочности материалов при изгибе и сжатии с цифровым блоком управления Модель Е160 производства фирмы MATEST (Италия). Приготовление цементных растворов проводилось с использованием мешалки постоянной скорости OFITE Модель 20 (кат. №120-60-1).

Для испытаний были приготовлены цементные растворы:
  • на основе цемента класса G без добавок,
  • на основе цемента класса G с добавкой NTF (0,08%),
  • на основе цемента класса G с добавкой CaCl2 (5 %).
Условия старения образцов в автоклаве OFITE Модель 200 и ячейке-автоклаве Ультразвукового анализатора цемента (UCA) OFITE были идентичны:
  • температура – 100°С,
  • давление – 4200 PSI (28,96 МПа),
  • длительность одного испытания – 24 часа.
По истечении заданного периода времени выдержки в Автоклаве OFITE Модель 200 прочность при сжатии сформировавшихся образцов цементного камня кубической формы 2” х 2” определялась на гидравлическом прессе MATEST Модель Е160. В качестве дополнительного средства контроля значений прочности при сжатии, получаемых на Ультразвуковом анализаторе цемента, по завершении испытаний сформировавшиеся в ячейке-автоклаве анализатора образцы цементного камня также были испытаны на гидравлическом прессе.
Табл. 1. Результаты сравнительного тестирования
* – образец в жидком состоянии.
Результаты проведенного сравнительного тестирования представлены в табл. 1.

Из приведенных данных видно, что значения прочности цементных образцов при сжатии, полученные на гидравлическом прессе и на Ультразвуковом анализаторе цемента, практически совпали в пределах погрешности. Образцы цементного камня, извлеченные по завершении испытаний из ячейки автоклава-анализатора, также показали близкую к ним прочность при разрушении на прессе. Следует отметить, что для приготовления растворов был взят цемент класса G, который длительное время хранился в лаборатории на воздухе. Поэтому полученные значения прочности по абсолютной величине не совсем согласуются с ожидаемыми для данных типов добавок и их количеств. Тем не менее даже в этом случае результаты, полученные двумя разными методами, совпадают.

Таким образом, к решающим факторам, которые определяют правильную и точную работу Ультразвукового анализатора цемента (UCA), относятся:
  • точное измерение времени прохождения ультразвукового сигнала через образец;
  • правильная корреляция между временем прохождения ультразвукового сигнала и прочностью цементов при сжатии;
  • запланированные или случайные изменения температуры или давления в процессе испытания изменяют время прохождения сигнала;
  • приготовление цементного раствора в строгом соответствии со Спецификацией 10 API, т. к. известно, что способ приготовления может изменять свойства раствора;
  • чрезмерное водоотделение может снижать точность результатов, т. к. при этом теряется контакт цемента с поверхностью верхней крышки ячейки и искажается сигнал, проходящий через образец;
  • присутствие крупных твердых частиц и пузырьков воздуха в цементном растворе отрицательно влияет на результаты испытания вследствие искажения сигнала;
  • степень чистоты датчиков-преобразователей и ответных отверстий в крышках ячейки влияет на интенсивность сигнала. Соответственно, перед каждым испытанием необходимо тщательно очищать все поверхности контакта датчиков-преобразователей и крышек ячейки;
  • правильный выбор типа геля, обеспечивающего надежный контакт крышек ячейки с датчиками-преобразователями. В комплекте с Ультразвуковым анализатором цемента (UCA) OFITE (кат. №120-50) поставляются два типа геля: низкотемпературный и высокотемпературный. Низкотемпературный гель следует использовать при температурах до 126,7°С (260°F). Неправильный выбор типа геля может привести к его подгоранию в процессе испытания и нарушению контакта.
Помимо одноячеечного Ультразвукового анализатора цемента компания OFI Testing Equipment, Inc. выпускает также Ультразвуковой анализатор цемента с двумя ячейками (UCA) OFITE (кат.№120-52) (рис. 4).
Рис. 4. Ультразвуковой анализатор цемента с двумя ячейками (UCA) OFITE (кат. №120-52)
Он представляет собой два одноячеечных прибора, совмещенных в одном корпусе. При этом оба прибора имеют общее электропитание, подачу сжатого газа и воды, дренаж, подключение к персональному компьютеру. Все остальные системы (нагрева, создания давления и т. д.) у них полностью разделены. Используемое с анализатором специализированное программное обеспечение позволяет одновременно отслеживать развитие прочности цемента при сжатии в обеих ячейках. Технические характеристики прибора аналогичны характеристикам Ультразвукового анализатора с одной ячейкой.

В сдвоенном ультразвуковом анализаторе цемента (кат. №120-51), выпускаемом компанией OFI Testing Equipment, Inc., реализована уникальная технология анализа формы волны и частот акустического сигнала, что обеспечивает более точное определение времени прохождения сигнала и, как следствие, получение более точных данных (рис. 5).
Рис. 5. Сдвоенный Ультразвуковой анализатор цемента (кат. №120-51)
Прибор построен на тех же принципах, что и предыдущие модели, однако имеет ряд существенных отличий. Так, компактный дизайн уменьшает габариты этой модели почти до размеров одноячеечного Ультразвукового анализатора цемента. Однако этот прибор позволяет одновременно тестировать два образца, а для обеспечения полной портативности он может использоваться с небольшим переносным компьютером. Более низкое максимальное рабочее давление (до 5000 PSI (34,5 МПа)) обеспечивает экономичность прибора. Максимальная рабочая температура – до 400°F (204,4°C).

Компания OFI Testing Equipment, Inc. приступила к выпуску Системы измерения расширения/усадки цементов, которая является дополнительной принадлежностью к Ультразвуковому анализатору цемента (UCA). Система непрерывно измеряет расширение или усадку образца цемента при температурах и давлениях, имитирующих условия внутри скважины, регистрирует и отображает данные в реальном времени.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Чжу Д.П.

    Чжу Д.П.

    к.х.н., специалист отдела аналитического оборудования ЗАО «ЭПАК-Сервис»

    ЗАО «ЭПАК-Сервис» (г. Омск) — официальный представитель OFI Testing Equipment, Inc. (США, г. Хьюстон) в России

    Просмотров статьи: 5109

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru