УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ ИЗ ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 2023 года по МПК G01N1/28 

Изобретение относится к устройствам для формирования образцов цементного камня из тампонажных растворов и может быть использовано в лабораторных условиях для экспериментальных исследований фильтрационно-емкостных и деформационно-прочностных свойств цементного камня, а также для определения прочности сцепления цементного камня с материалом обсадной колонны и влияния буровых растворов и различных технологических жидкостей на фильтрационно-емкостные свойства цементного камня в условиях, моделирующих пластовые условия в пористых средах нефтегазоконденсатных месторождений (НГКМ).

Известна четырехъячеечная латунная форма (см. Измеритель проницаемости с системой сбора данных RGP-560, CGP-90. Инструкция по эксплуатации, OFI Testing Eguipment, Inc. Хьюстон, США, 2015.1), в которой нижняя пластина смазываются смазкой ЦИАТИМ-202, а ячейки формы и верхняя пластина смазываются индустриальным маслом. Форма устанавливается на нижнюю пластину. Приготовленную пробу тампонажного раствора заливают в ячейки формы до верхнего края. Для удаления захваченного воздуха раствор штыкуют стержнем по десять ударов в каждой ячейке. Избыток тампонажного раствора срезают ножом вровень с краями формы. Верхняя пластина устанавливается на форму. Нижняя и верхняя пластины закрепляются между собой с помощью винтов. Форму с образцами-цилиндрами помещают в водный термостат при температуре воды (22±2)°С. Время от момента затворения тампонажного раствора до размещения форм с образцами в термостат не превышает 15 мин. Форму с образцами-цилиндрами извлекают из термостата и проводят разборку формы по истечении (30±2) ч от момента затворения тампонажного раствора. Оставшееся время до начала испытания (до (48±2) ч от момента затворения тампонажного раствора) образцы-цилиндры хранят в эксикаторе при температуре (22±2)°С.

Недостатком известного технического решения (четырехъячеечной латунной формы) является: формирование цементного камня в атмосферных условиях без учета присутствия породы пласта, насыщенной пластовыми флюидами; термобарических условий НГКМ.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является разборный контейнер для устройства формования образцов из тампонажных растворов, выполненный разъемным и состоящий из днища, крышки, снабженных отверстиями под крепеж для фиксации стенок относительно днища и крышки, и ручки, закрепленной на крышке для установки и извлечения контейнера из устройства, отличающийся тем, что стенки выполнены двойные - наружные и внутренние, в виде соосно установленных полых цилиндров, при этом наружные стенки выполнены с сопрягаемыми ступенчатыми торцами и соединены через разделитель, верхняя поверхность которого выполнена с кольцевым выступом для взаимодействия с пазом одной наружной стенки, а нижняя его поверхность снабжена стенкой, выполненной в виде полого цилиндра со ступенчатым торцом для соединения с другой наружной стенкой, нижняя поверхность крышки снабжена стенкой в виде цилиндра со ступенчатым нижним торцом для соединения с торцом наружной стенки, причем стенки разделителя и крышки выполнены равной высоты и снабжены сквозными отверстиями для создания давления внутри контейнера, при этом на торцах внутренних стенок установлены вставки, выполненные в виде цилиндров с днищем, снабженным сквозными отверстиями для выхода излишков тампонажного раствора, и центральным цилиндрическим выступом, при этом центральный цилиндрический выступ и стенки каждой вставки выполнены со сквозными, соосно расположенными отверстиями с возможностью выемки вставки после формования образцов, при этом суммарная высота стенки вставки и внутренней стенки меньше суммарной высоты стенки разделителя и наружной стенки в нижней части контейнера, а также наружной стенки и стенки крышки в верхней его части с возможностью перемещения вставок относительно наружных стенок при расширении тампонажного раствора (см патент на изобретение RU 2727371 С1, МПК G01N 33/38, G01N 1/31, 21.07.2020).

Недостатком указанного выше технического решения является то, что устройство не обеспечивает возможность формирования цементного камня при контакте с образцом породы при пластовых условиях и, соответственно, не обеспечивается получение достоверных результатов исследований.

На НГКМ и подземных хранилищах газа (ПХГ) эксплуатационные скважины имеют проявления межколонных давлений, создаваемых флюидами (газ, нефть, вода водоносных пластов) в процессе их эксплуатации. Эта проблема обусловлена не только не герметичностью резьбовых соединений, а также и низкой трещиностойкостью цементного кольца за колонной и его разрушением при выполнении некоторых технологических операций, связанных с повышением давления в скважине, деформациями эксплуатационного пласта.

С этой целью для разработки составов тампонажных растворов, используемых при цементировании скважин, представляет теоретический и практический интерес вопрос формирования в пористых средах НГКМ цементного камня в условиях, моделирующих пластовые, для последующих исследований физических, деформационно-прочностных свойств, фильтрационного эксперимента с целью предупреждения и ликвидации проявления межколонных давлений, создаваемых флюидами.

Для решения задач повышения качества цементирования обсадных колонн скважин с учетом геологических условий применения необходимо проводить лабораторные исследования, моделирующие процесс цементирования с целью изучения свойств цементного камня в зависимости от условий его формирования.

Заявленное изобретение предназначено для формирования образцов цементного камня в пластовых условиях в контакте с породой пласта в период ожидания застывания цемента.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является повышение достоверности результатов исследований фильтрационно-емкостных и деформационно-прочностных свойств цементного камня за счет формирования образца цементного камня в условиях максимально приближенных к условиям пласта.

Технический результат достигается тем, что устройство для формирования образцов цементного камня из тампонажных растворов, содержит цилиндрический корпус, на передней торцевой части которого закреплен входной уплотнительный элемент, а на задней торцевой части корпуса закреплен выходной уплотнительный элемент, причем входной уплотнительный элемент имеет переднюю фланцевую часть, задняя торцевая поверхность которой прижата к переднему торцу цилиндрического корпуса, среднюю часть, которая находится внутри цилиндрического корпуса и прижата своей наружной цилиндрической поверхностью к внутренней поверхности цилиндрического корпуса и заднюю часть, имеющую внешнюю цилиндрическую поверхность, диаметр которой меньше, чем внутренний диаметр цилиндрического корпуса, а выходной уплотнительный элемент имеет заднюю фланцевую часть, передняя торцевая поверхность которой прижата к заднему торцу корпуса и переднюю часть расположенную внутри корпуса и имеющую наружный диаметр равный наружному диаметру задней части входного уплотнительного элемента, причем во входном уплотнительном элементе выполнена осевая цилиндрическая полость, имеющую задний закрытый торец и передний открытый, при этом в передней фланцевой части входного уплотнительного элемента выполнены передние сквозные каналы для флюида, сообщенные с осевой цилиндрической полостью, внутри которой размешен поршень, между торцом задней поверхности входного уплотнительного элемента и передней торцевой поверхностью выходного уплотнительного элемента помещен образец породы, отобранный из исследуемого пласта, который зафиксирован между упомянутыми поверхностями уплотнительных элементов манжетой, в пространство в осевой цилиндрической полости, которое расположено между задней поверхностью поршня и передней поверхностью образца породы, залит тампонажный раствор, а выходной уплотнительный элемент снабжен задними сквозными каналами для флюида, причем между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и поверхностью манжеты образована кольцевая полость, предназначенная для заполнения ее обжимной жидкостью, посредством которой создают горное давление на образце породы.

В заявленном устройстве происходит формирование образцов цементного камня из тампонажных растворов в условиях, максимально приближенных к условиям пласта, за счет обеспечения контакта тампонажного раствора с образцом породы и создания в заявленном устройстве условий, моделирующих пластовые условия в пористых средах НГКМ.

Конструкция устройства для формирования образцов цементного камня из тампонажных растворов позволяет заливать тампонажный раствор в небольшую форму и формировать в ней образец требуемой длины (в зависимости от вида проводимых исследований), что обеспечивает возможность надежного формирования цементного камня из различных марок цементов с различными геометрическими размерами (длина, диаметр) применительно к термобарическим условиям НГКМ и ПХГ в присутствии породы пласта, так и без ее присутствия.

Также конструкция устройства для формирования образцов из тампонажных растворов позволяет сократить до минимума расход химических реагентов, входящих в состав тампонажных растворов, вследствие ограничения используемых объемов растворов за счет того, что в устройстве возможно получить небольшой образец, который получается ровной формы и не требует обработки (шлифовки и т.д.)

Кроме того, конструкция устройства для формирования образцов цементного камня из тампонажных растворов позволяет сократить время на подготовку гидравлической системы установки для исследования фильтрационно-емкостных свойств керна в пластовых условия к последующим экспериментам, а также позволяет сократить количество элементов устройства, контактирующих с тампонажным раствором за счет того, что заявленное устройство возможно заполнить тампонажным раствором путем заливки тампонажного раствора непосредственно в полость входного уплотнительного элемента без использования трубопроводов и трубопроводной арматуры.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан общий вид устройства для формирования образцов цементного камня из тампонажных растворов.

На чертеже позициями обозначены: цилиндрический корпус 1 устройства для формирования образцов цементного камня из тампонажных растворов, манжета 2, входной уплотнительный элемент 3, гайка 4, выходной уплотнительный элемент 5, передние сквозные каналы 6 для флюида, задние сквозные каналы 7 для флюида, канавки 8 для уплотнительных колец, выполненные на поверхности входного уплотнительного элемента, осевая цилиндрическая полость 9, поршень 10, канавки 11 для уплотнительных колец, выполненные на поверхности поршня, образец породы 12, тампонажный раствор 13.

Устройство для формирования образцов цементного камня из тампонажных растворов содержит цилиндрический корпус 1, на передней торцевой части которого закреплен входной уплотнительный элемент 3, а на задней торцевой части - выходной уплотнительный элемент 5.

Входной уплотнительный элемент 3 имеет переднюю фланцевую часть, а также среднюю и заднюю части.

На передней части внешней цилиндрической поверхности корпуса 1 выполнена резьба, на которую навинчивается гайка 4, предназначенная для фиксации входного уплотнительного элемента 3 в корпусе 1 и выполненная с возможностью охвата передней фланцевой части входного уплотнительного элемента 3.

Передняя фланцевая часть входного уплотнительного элемента 3 находится вне корпуса 1, прижата свой задней торцевой поверхностью к передней торцевой поверхности корпуса 1 и имеет наружный диаметр больше внутреннего диаметра корпуса 1. Средняя и задняя части входного уплотнительного элемента 3 находятся внутри корпуса 1. Средняя часть входного уплотнительного элемента 3 прижата своей наружной цилиндрической поверхностью к внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1. На наружной поверхности средней части входного уплотнительного элемента 3 выполнена кольцевая канавка 8 для уплотнительного кольца. Задняя часть входного уплотнительного элемента 3 имеет внешнюю цилиндрическую поверхность, диаметр которой меньше, чем внутренний диаметр корпуса 1.

Во входном уплотнительном элементе 3 выполнена внутренняя осевая цилиндрическая полость 9, которая проходит через среднюю и заднюю части входного уплотнительного элемента 3, открыта с торца задней части входного уплотнительного элемента 3 и закрыта со стороны передней фланцевой части входного уплотнительного элемента 3.

В передней фланцевой части входного уплотнительного элемента 3 выполнены передние сквозные каналы 6, сообщенные с осевой цилиндрической полостью 9. Через передние сквозные каналы 6 для флюида может подаваться рабочая жидкость. Передние сквозные каналы 6 для флюида выполнены с возможностью соединения с трубками гидравлической системы установки для исследования фильтрационно-емкостных свойств керна в пластовых условиях (на чертеже не показана). Для крепления упомянутых выше трубок гидравлической системы в передней фланцевой части входного уплотнительного элемента 3 выполнены резьбовые отверстия.

Во внутренней осевой цилиндрической полости 9 установлен поршень 10, на наружной цилиндрической поверхности которого выполнены две кольцевые канавки 11 для уплотнительных колец. Поршень 10 с уплотняющими кольцами предотвращает смешение передающей давление на поршень рабочей жидкости, которая находится в пространстве полости 9, ограниченном передней поверхностью поршня 10 с тампонажным раствором 13, заполняющим пространство между задней поверхностью поршня 10 и образцом породы 12.

Рабочую жидкость подают для создания пластового давления и создания величины репрессии, которая соответствует величине репрессии в тампонажном растворе в зоне продуктивного пласта.

Выходной уплотнительный элемент 5 имеет переднюю часть, расположенную внутри задней части корпуса 1, и заднюю фланцевую часть, которая прижата к заднему торцу корпуса 1 (на чертеже не показано). На задней части внешней цилиндрической поверхности корпуса 1 выполнена резьба, на которую навинчивается гайка (на чертеже не показано), предназначенная для фиксации выходного уплотнительного элемента 5 в корпусе 1 и выполненная с возможностью охвата задней фланцевой части входного уплотнительного элемента 5, имеющей наружный диаметр больше внутреннего диаметра корпуса 1.

Передняя часть выходного уплотнительного элемента 5 размещена внутри корпуса 1 и имеет наружный диаметр равный наружному диаметру задней части входного уплотнительного элемента 3. Выходной уплотнительный элемент 5 снабжен задними сквозными каналами 7 для отвода фильтрата тампонажного раствора.

Образец породы 12, отобранный из исследуемого пласта, расположен между задней торцевой поверхностью входного уплотнительного элемента 3 и передней торцевой поверхностью выходного уплотнительного элемента 5. Образец породы 12 зафиксирован между входным уплотнительным элементом 3 и выходным уплотнительным элементом 5 посредством манжеты 2, которая охватывает наружную поверхность образца породы 12, а также охватывает входной и выходной уплотнительные элементы 3 и 5.

Пространство между задней поверхностью поршня 10 и передней поверхностью образца породы 12 предназначено для заполнения его порцией тампонажного раствора 13.

Между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1 и поверхностью, которая образована поверхностью манжеты, охватывающей наружную поверхность образца породы 12, а также охватывает входной и выходной уплотнительные элементы 3 и 5.

образована кольцевая полость, предназначенная для заполнения ее обжимной жидкостью, посредством которой создают горное давление на образце породы.

Для заполнения упомянутой кольцевой полости обжимной жидкостью корпус 1 снабжен входным патрубком, а для отвода обжимной жидкости корпус снабжен выходным патрубком (на чертеже не показаны).

Работа устройства для формирования образцов цементного камня из тампонажных растворов осуществляется следующим образом.

Из исследуемого продуктивного горизонта НГКМ выпиливают образцы породы (керна) 12 правильной цилиндрической формы (диаметр образцов породы выбирают в зависимости от диаметра формируемого образца цементного камня).

Подготавливают образцы породы 12 для проведения исследований: определяют геометрические размеры образца, проводятся стандартные петрофизические исследования образца и создают остаточную водонасыщенность образца породы 12.

Образец породы 12, подготовленный вышеупомянутым образом, помещают между задней частью входного уплотнительного элемента 3 и передней частью выходного уплотнительного элемента 5 и закрепляют образец породы 12 между входным и выходным уплотнительными элементами посредством манжеты 2, охватывающей наружную поверхность образца породы 12, а также охватывает входной и выходной уплотнительные элементы 3 и 5.

Фиксируют в корпусе 1 переднюю фланцевую часть входного уплотнительного элемента 3 посредством гайки 4.

Передние сквозные каналы 6 для флюида присоединяют посредством трубок к гидравлической схеме установки для исследования фильтрационно-емкостных свойств керна в пластовых условиях. Из упомянутой установки через передние сквозные каналы 6 флюид (рабочая жидкость) поступает в полость 9. После чего устройство для формирования образцов цементного камня из тампонажных растворов выдерживают в течение 12-15 часов при температуре, соответствующей температуре в исследуемом пласте (пластовой температуре).

Сборка устройства для формирования цементного камня из тампонажных растворов осуществляется следующим образом.

Отвинчивают гайку 4 и из корпуса 1 извлекают входной уплотнительный элемент 3 и выходной уплотнительный элемент 5. Поршень 10 отводят от заднего торца осевой цилиндрической полости 9 переднего уплотнительного элемента 3 на расстояние, которое требуется для формирования образца цементного камня заданной длины.

Входной уплотнительный элемент 3 устанавливают в вертикальном положении так, чтобы его задняя часть была наверху. После чего весь объем полости 9, находящийся над поршнем 10, заполняют тампонажным раствором 13. Затем манжету 2, с уже заправленным в нее образцом 12 и задним уплотнительным элементом 5, надевают на вертикально расположенный (чтобы не пролился тампонажный раствор) передний уплотнительный элемент 3 таким образом, чтобы последний вошел в плотный контакт с образцом породы 12. Далее полученная сборка в манжете 2 (передний уплотнительный элемент 3 - образец породы 12 -выходной уплотнительный элемент 5), помещается в цилиндрический корпус 1 и закрепляется в нем гайкой 4.

Собранное упомянутым выше образом устройство для формирования образцов цементного камня из тампонажных растворов устанавливают на ложементы в горизонтальном положении в термошкафу (на чертеже не показано). Посредством термошкафа создают и поддерживают в устройстве для формирования образцов цементного камня из тампонажных растворов температуру, соответствующую температуре исследуемого пласта.

Пространство между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1 и поверхностью, на которую установлена манжета, заполняют обжимной жидкостью, посредством которой создают давление, соответствующее горному давлению.

Одновременно с подъемом горного давления через передние сквозные каналы 6 и задние сквозные каналы 7 к сборке подают газ (модель пластового флюида), создавая пластовое давление в керновом образце 12 и уравновешивая поршень 10.

Таким образом, для формирования образцов цементного камня из тампонажных растворов создают термобарические условия (температура, горное и пластовое давления), которые соответствуют пластовым условиям.

После стабилизации температуры и установления горного и пластового давлений в полость 9 под поршень 10 через передние сквозные каналы 6 подают рабочую жидкость (флюид) под давлением, соответствующем репрессии на исследуемый пласт. В то же самое время, давление в керновом образце поддерживается пластовым с помощью автоматического регулятора давления. В процессе формировании цементного камня поршень 10 под действием жидкости, поступающей в полость 9, создает постоянную репрессию тампонажным раствором 13 на образец породы 12. Фильтрат тампонажного раствора отводится через задние сквозные каналы 7.

В таком статичном состоянии гидравлической схемы установки для исследования фильтрационно-емкостных свойств керна в пластовых условиях (стабилизированые температура, горное давление, пластовое давление на выходе из образца керна с учетом флюидонасыщенности, а также пластовое давление и величина репрессии, создаваемая тампонажным раствором в течение времени ожидания застывания цемента (ОЗЦ)), происходит формирование цементного камня.

По окончании процесса формирования цементного камня заявленное устройство разбирают, а сформированный образец цементного камня из входного уплотнительного элемента 3 выдавливают поршнем 10.

После обработки торцов (операция выполняется при необходимости) полученного выше упомянутым способом образца цементного камня образец готов для проведения дальнейших исследований по определению фильтрационно-емкостных и деформационно-прочностных свойств цементного камня.

Изобретение относится к устройствам для формирования образцов из тампонажных растворов. Раскрыто устройство, содержащее цилиндрический корпус, на передней торцевой части которого закреплен входной уплотнительный элемент, а на задней торцевой части цилиндрического корпуса закреплен выходной уплотнительный элемент, причем входной уплотнительный элемент имеет переднюю фланцевую часть, задняя торцевая поверхность которой прижата к переднему торцу цилиндрического корпуса, среднюю часть, которая находится внутри цилиндрического корпуса и прижата своей наружной цилиндрической поверхностью к внутренней поверхности цилиндрического корпуса, и заднюю часть, имеющую внешнюю цилиндрическую поверхность, диаметр которой меньше, чем внутренний диаметр цилиндрического корпуса, а выходной уплотнительный элемент имеет заднюю фланцевую часть, передняя торцевая поверхность которой прижата к заднему торцу цилиндрического корпуса, и переднюю часть, расположенную внутри цилиндрического корпуса и имеющую наружный диаметр, равный наружному диаметру задней части входного уплотнительного элемента, причем во входном уплотнительном элементе выполнена осевая цилиндрическая полость, которая имеет задний закрытый торец и передний открытый торец и внутри которой размешен поршень, при этом в передней фланцевой части входного уплотнительного элемента выполнены передние сквозные каналы для флюида, сообщенные с осевой цилиндрической полостью, между торцом задней поверхности входного уплотнительного элемента и передней торцевой поверхностью выходного уплотнительного элемента помещен образец породы, отобранный из исследуемого пласта, который зафиксирован между упомянутыми поверхностями уплотнительных элементов манжетой, в пространство в осевой цилиндрической полости, которое расположено между задней поверхностью поршня и передней поверхностью образца породы, залит тампонажный раствор, а выходной уплотнительный элемент снабжен задними сквозными каналами для флюида, причем между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и поверхностью манжеты образована кольцевая полость, предназначенная для заполнения ее обжимной жидкостью, посредством которой создают горное давление на образце породы. Изобретение обеспечивает повышение достоверности результатов исследования свойств цементного камня. 1 ил.

Устройство для формирования образцов цементного камня из тампонажных растворов, содержащее цилиндрический корпус, на передней торцевой части которого закреплен входной уплотнительный элемент, а на задней торцевой части цилиндрического корпуса закреплен выходной уплотнительный элемент, причем входной уплотнительный элемент имеет переднюю фланцевую часть, задняя торцевая поверхность которой прижата к переднему торцу цилиндрического корпуса, среднюю часть, которая находится внутри цилиндрического корпуса и прижата своей наружной цилиндрической поверхностью к внутренней поверхности цилиндрического корпуса, и заднюю часть, имеющую внешнюю цилиндрическую поверхность, диаметр которой меньше, чем внутренний диаметр цилиндрического корпуса, а выходной уплотнительный элемент имеет заднюю фланцевую часть, передняя торцевая поверхность которой прижата к заднему торцу цилиндрического корпуса, и переднюю часть, расположенную внутри цилиндрического корпуса и имеющую наружный диаметр, равный наружному диаметру задней части входного уплотнительного элемента, причем во входном уплотнительном элементе выполнена осевая цилиндрическая полость, которая имеет задний закрытый торец и передний открытый торец и внутри которой размешен поршень, при этом в передней фланцевой части входного уплотнительного элемента выполнены передние сквозные каналы для флюида, сообщенные с осевой цилиндрической полостью, между торцом задней поверхности входного уплотнительного элемента и передней торцевой поверхностью выходного уплотнительного элемента помещен образец породы, отобранный из исследуемого пласта, который зафиксирован между упомянутыми поверхностями уплотнительных элементов манжетой, в пространство в осевой цилиндрической полости, которое расположено между задней поверхностью поршня и передней поверхностью образца породы, залит тампонажный раствор, а выходной уплотнительный элемент снабжен задними сквозными каналами для флюида, причем между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и поверхностью манжеты образована кольцевая полость, предназначенная для заполнения ее обжимной жидкостью, посредством которой создают горное давление на образце породы.