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
Рис. 2. Ультразвуковой анализатор цемента (UCA) OFITE (кат. №120-50)
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»
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.
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 %).
- температура – 100°С,
- давление – 4200 PSI (28,96 МПа),
- длительность одного испытания – 24 часа.
Табл. 1. Результаты сравнительного тестирования
* – образец в жидком состоянии.
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.
Рис. 4. Ультразвуковой анализатор цемента с двумя ячейками (UCA) OFITE (кат. №120-52)
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)
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.
