Устройство для определения объемных изменений тампонажных смесей Советский патент 1985 года по МПК E21B33/138 G01N33/38 

ff/.,

I /

к

Л

г сд

D1

|

ю

/

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ТАМПОНАЖНЫХ СМЕСЕЙ, содержащее заглушенный сверху стакан с делящим его на две камеры поршнем со штоком, подпоршне- вая из которых заполнена тампонажной смесью, дифференциально-трансформаторный датчик с сердечником, соединенным со штоком поршня, и регистрирующий узел, включающий усилитель и самописец, отличающееся тем, что, с целью повьш1ения чувствительности и расширения диапазона измерения объемных изменений тампонажных смесей под действием ограничивающих осевых нагрузок, оно снабжено перфорированной перегородкой, установленной на нижней части под§ поршневой камеры, причем штоковая (Л камера и полость между дном стакана и перфорированной перегородкой сообс щены с источником давления.

I 11 I I I I I ГГПТП

/

13

2, Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снаб жено последовательно соединенными блоками обратной связи и установки Изобретение относится к цементиро ванию нефтяных и газовых скважин и предназначено для исследования объемных изменений тампонажных растворов в условиях приближенных к условиям реальной скважины. Известно устройство для определе ния во времени величины контракции вяжущих веществ, включающее автЪклав с размещенным в нем стаканом для исследуемого вещества, заполненным водой, плунжер, передающий через воду.заданную величину сжатия веще ства, связанныйиС регистрирующей аппаратурой. П . Однако это устройство определяет только величину контракции и не позволяет одновременно определить величину объемногоизменения вещества, необходимую для подбора тампо смесей с заданными показателя ми. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для определения объемных изменений тампонажных смесей, содержащее заглушенный сверху стакан с делящим его на две камеры поршнем ее штоком, подпоршневая из которых заполнена тампонажной смесью, дифферен циально-трансформаторный датчик с сердечником, соединенным со штоком поршня, и регистрирующий узел, включающий усилитель и самописец. Изменение высоты испытуемой смеси приводит к изменению положения поршня, вызывающего перемещение сердечника в дифференциально-трансформаторной кату1ш ;е, что в свою очередь регистри руется самописцем Г2. Недостатками известного прибора являются невозможность исследования процессов объемных изменений тампонажных смесей в устювиях ограничивающих осевух нагрузок, узкий диапазон изменений i-r нелинейность шкапы самоП74557

нуля, при этом вход блока обратной связи подключен к усилителю, а выход блока установки нуля -- к самописцу. писца, обусловленная нелинейной характеристикой дифференциально-трансформаторного датчика. Цель изббретения - повьш1ение чувствительности и расширение диапазона измерения объемных изменений тампона:жных смесей под действием ограничивающих осевых нагрузок. Указанная цель достигается тем, что устройство для определения объемных изменений тампонажных смесей, содержащее заглушенный сверху стакан с делящим его на две камеры поршнем со штоком, подпоршневая из которых заполнена тампонажной смесью, дифференциально-трансформаторный датчик с сердечником, соединенным со штоком поршня, и регистрирующий узел, включающий усилитель и самописец, снабжено перфорированной перегородкой, установленной в нижней части подпоршневой камеры, причем штоковая камера и полость между дном стакана и перфорированной перегородкой сообщены с источником давления. Кроме того, устройство снабжено последовательно соединенными блоками обратной связи и установки нуля, при этом вход блока обратной связи подключен к усилителю, а выход блока установки нуля -г к самописцу. На чертеже изображено предлагаемое устройство. Устройство состоит из стакана 1, заглушки 2, стопорной вилки 3, подвижного поршня 4 с жестко связанным с ним сердечником 5, перемещаюшJiмcя в немагнитном кожухе 6 с надетой на него катушкой 7 индуктивности, выполненный по дифференциальнотрансформаторной схеме, являющейся частью регистрирующего узла, состоящего из генератора 8 синусоидальных колебаний, пикового детектора 9.

усилителя 10, блока 11 обратной связи, блока 12 установки нуля и самописца 13.

В стакан 1 с изолированным поршнем 4 камеры 14 и 15 заливается исследуемая тампонажная смесь . Стакан закрьшается перфорированной заглушкой 2 и стопорится вилкой 3. В камере 15 создается необходимое ;, давление и головка помещается в терм стат с заданной температурой. В первоначальный момент, когда исследуемая смесь не обладает структурой, давление в камере 15 посредством поршня 4 передается в камеру 14, т.е давление в этих камерах будет равно.

По мере образования структуры давление в камере 14 будет падать. Линия 16 давления служит для поддержания заданного условия эксперимента давления в камере 14.

В качестве источника давления используют баллон со сжатым воздухом включенный в линию 16 через раз- делитель сред Использование сжатого газа в качестве источника заданного условия эксперимента постоянного . давления позволяет исключить колебания давления в камере 14, которые могли бы возникнуть в результате контракционных эффектов и объемных изменений исследуемой смеси, поскольку объем баллона со сжатым газом, служащий источником давления, намного больше не только этих изменений, но и самой камеры 14.

Всякое изменение объема исследуемого образца будет вызывать линейное перемещение поршня и жестко связан- ного с ним сердечника 5 дифференциально-трансформаторной катушки 7, связанной с электронной схемой, позвляющей с высокой точностью регистрирвать эти перемещения (до 0,01 мм). Создавая различные осевые нагрузки и исследуя изменения линейных изменений при этом, можно построить зависимость f (&), что позволит определить величину контакт- ных напряжений, возникающих при наличии ограничивающих объемные изменения связей. В реальных условиях это напрйжения, возникающие в контакте ресширяющийся цемент-порода и расширяющийся цемент-колонна.

Измерительная часть преобразователя линейных перемепщний является

основным элементом бесконтактного измерителя линейных перемещений, вхдящего в состав прибора для регистрации динамики процесса объемных изменений тампонажных смесей. Она содержит дифференциальный трансформатор с сердечником, жестко связанн с поршнем, регистрирующим объемные изменения исследуемой смеси в зависимости от условий твердения. На выход дифференциального трансформатора подается синусоидальное напряжение с генератора, выход трансформтора подключен к пиковому детектору связанному с усилителем, который охвачен элементом обратной связи та что коэффициент усиления усилителя зависит от, уровня напряжения его на входе.

Коррекция обратной связи, позволяющей получить линейную зависимост показаний самописца от перемещений сердечника, осуществляется следующим образом.

На вход дифференциально-трансформаторного датчика подается синусоидальный сигнал частотой 800 Гц строго определенной амплитуды с внуреннего генератора преобразователя. Сердечник дифференциального трансформатора связан с микрометрическо передачей, позволяющей оценивать перемещение с точностью до 0,01 мм. Сердечник устанавливают в положение при котором сигнал на выходе усилителя равен нулю. Это положение сердечника является точкой отсчета перемещений.

Введение в электронную схему элемента установки нуля независимо от положения сердечника в катушке дифференциально-трансформаторного датчика и обратной связи, позволяющей корректировать характеристики датчика и получить линейную завимисоть показаний самописца от перемещения сердечника, обеспечивает высокую чувствительность в широком диапазоне измерений объемных изменений исследуемых тампонажных смесей. ,

П р и м е р. Берут тампонажную смесь, состоящую из портландцемента с добавкой 10% СаО, водосмесевой фактор 0,5. Опыт проводят при 75 С.

Исследуемую смесь помещают в стакан закрывают перфорированной заглушкой 2, стопорной вилкой 3 и подключпют

линий 16-давления к системе создания давлений. Создают гидростатическое давление в камере 4, которое поддерживают в процессе структурообразования на постоянном уровне - 10 МПа.

Создавая различные перепады давления от О до 66 МПа в процессе

Характеристика

Показатели характеристики Величина расширения 22 12 9 7 5,6 4,2 Давление, МПаО 5 10 75 . 20 30 Как видно из таблицы на вели6Vчину расширения --влияет величи на ограничивающих это расширение св зей с увеличением осевых нагрузок, т.е. с увеличением контактных напряжений, а величина объемных измен ний исследуемой тампонажной сМеси будет уменьшаться вплоть до О при 66 МПа. Полученная зависисмость величины объемных изменений от величины огра ничивающих их связей для исследоватвердения цементного камня, т.е. создавая различные осевые нагрузки на исследуемую тампонажную смесь, 5 получают ряд характеристик объемных изменений при твердении смеси.

Результаты исследования приведены в таблице. 4 2,2 1,6 i 0,50,2 О 35 . 40 45 50 55 60 66 НИИ смеси позволяет рассчитать суще-, ствзпощие контакты напряжения в скважине. Таким образом, устройство позволяет получить данные об объемных изменениях тампонажных смесей в условиях, приближенных к скважинам, необходимые для расчета и прогноёи- рования напряжений в контактных зонах цемент-колонна и цемент-порода,, что необходимо для создайия высокой герметичности заколонного пространства.