Лаборатория мобильная для испытания цементных растворов
MOBILE LABORATORY FOR CEMENT SLURRIES TESTING

Изобретение относится к испытательной технике в нефтегазовой промышленности, а именно к мобильным передвижным лабораториям, и может быть использовано для проведения испытаний тампонажного раствора в полевых условиях в процессе строительства, эксплуатации, капитальном ремонте и ликвидации скважин.
Цементирование обсадных колонн тампонажными растворами является ответственейшей задачей в технологическом цикле строительства скважины. Успех этой операции зависит от многих факторов, причем основную роль играет правильный выбор количества и состава цементного раствора или тампонирующей смеси.
В настоящее время контроль состава цементных растворов в полевых условиях не осуществляют или осуществляют не в полном объеме, в результате чего цементные растворы, рецептура которых подбирается в лабораторных условиях института, не проходят по составу для цементации скважин. Цементные растворы на скважине не схватываются в положенное время, в результате чего на скважине происходят аварии.
В стационарной лаборатории, расположенной при институте, используют для взвешивания лабораторные весы, позволяющие взвешивать более точно количество компонентов для приготовления цементных растворов, в результате чего получают более точные рецептуры цементных растворов и более точные результаты на выходе проведенных исследований.
На скважине лабораторные весы отсутствуют, и компоненты для приготовления цементных растворов взвешивают не на лабораторных весах. Цементные растворы готовят в большем количестве, чем в лабораторных условиях, в результате чего погрешность при приготовлении и исследовании цементных растворов значительно увеличивается, чем и обусловлена острая необходимость в мобильных лабораториях.
Известна передвижная лаборатория для диагностики и испытаний автомобилей, содержащая автомобиль - фургон и размещенное в нем оборудование для измерений, связанное с устройством автоматического сбора и обработки измеряемой информации (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации №2086946, МПК G01M 17/00, опубл. 10.08.1997 г.).
Недостатком данного аналога является то, что в составе лаборатории не предусмотрены средства для обеспечения всего комплекса работ выполняемых при проведении испытаний цементных растворов.
Известна мобильная лаборатория для инженерно-геологических изысканий в строительстве, включающая блок-контейнер, выполненный с возможностью его установки на любое транспортное средство, при этом блок-контейнер разделен на отсеки для установки контрольно-измерительной аппаратуры, прикрепленной к лабораторным столам и связанной с устройством автоматического сбора и обработки измеряемой информации, измерительное оборудование, кабели соединительные, лабораторную посуду, расходные материалы, лабораторную мойку, емкость для воды, рабочие столы, а также систему освещения, вентиляции, отопления и кондиционирования (см описание изобретения к патенту Российской Федерации №2462556, МПК E02D 1/00, опубл. 27.01.2012 г.).
Недостатком известного аналога является то, что в составе лаборатории не предусмотрены средства для обеспечения всего комплекса работ, выполняемых при проведении испытаний цементных растворов.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание мобильной лаборатории имеющей возможность обеспечения высоких оперативных возможностей получения результатов лабораторных испытаний цементных растворов в полевых условиях (непосредственно на скважине).
Техническая задача решается тем, что мобильная испытательная лаборатория цементных растворов включает, выполненный с возможностью установки на любое транспортное средство фургон, разделенный на отсеки для установки аппаратуры, связанной с устройством автоматического сбора и обработки измеряемой информации, и снабженной оборудованием для механических испытаний, кабели соединительные, лабораторную посуду, расходные материалы, лабораторную мойку, емкость для воды, рабочие столы, изолированный отсек с автономным энергоузлом, а также систему освещения, вентиляции, отопления и кондиционирования имеет отличия, а именно в одном отсеке установлено устройство для автоматического сбора и обработки измеряемой информации (компьютер), а в другом - оборудование для взвешивания компонентов, оборудование для приготовления смесей и тампонажных растворов, оборудование для приготовления цементного раствора и определения времени загустевания цементного теста, оборудование для изготовления образцов, оборудование для проведения испытаний тампонажных растворов: оборудование для измерения реологических характеристик тампонажного раствора, оборудования для определения водоотдачи, оборудование для определения нормальной густоты, сроков схватывания и определения толщины корки цементного теста, оборудование для определения растекаемости тампонажного раствора, а также оборудование для силовых испытаний образцов на сжатие и изгиб.
В качестве оборудования для взвешивания в ее состав включены весы для взвешивания сухих материалов, а также весы для взвешивания сухих добавок и рычажные весы с метрической шкалой для определения плотности тампонажного раствора. В качестве оборудования для приготовления смесей в ее состав включен смеситель тампонажного раствора лабораторный, а также миксер промышленный постоянной скорости. В качестве оборудования для приготовления тампонажных растворов и определения времени загустевания цементного теста при атмосферном давлении и температуре да 95°С в ее состав включен атмосферный консистометр ZM 1002М. В качестве оборудования для изготовления образцов при высоком давления и температуре, в ее состав включен термобарический консистометр ZM 1003М высокого давления и температуры. В качестве оборудования для изготовления образцов, в ее состав включен термостат жидкостный. В качестве оборудования для измерения реологических характеристик тампонажного раствора в ее состав включен вискозиметр. В качестве оборудования для определения водоотдачи в ее состав включен прибор для контроля фильтрации цементных растворов при низких давлениях. В качестве оборудования для определения водоотдачи в ее состав включен прибор для определения водоотдачи для контроля фильтрации цементных растворов при высоком давлении и высокой температуре. В качестве оборудования для определения нормальной густоты, сроков схватывания и определения толщины корки цементного теста в ее состав включен прибор «игла Вика». В качестве оборудования для определения растекаемости тампонажного раствора в ее состав включен прибор конус АзНИИ. В качестве оборудования для испытания цементных образцов на предел прочности при сжатии в ее состав включен пресс с электронной системой управления и силоизмерения. В качестве оборудования для испытания цементных образцов на изгиб в ее состав включено приспособление к прессу для прочностных испытаний цементных образцов-балочек на изгиб.
Мобильная лаборатория оперативно выезжает на скважину и обеспечивает возможность взвешивания компонентов для приготовления смесей
из фактически завезенных на скважину цементов, компонентов-добавок и жидкости затворения, имея в наличии необходимый комплект оборудования, позволяющего готовить тампонажные растворы и буферные жидкости и проводить лабораторные исследования тампонажных растворов и буферных жидкостей в полевых условиях, что позволит исключить подачу некачественного тампонажного раствора для закачки в скважину.
Лаборатория мобильная позволяет проводить экспресс анализы при каких-либо корректировках непосредственно на скважинах. Комплекс исследований цементного раствора позволит контролировать и отслеживать процесс цементажа в период строительства, капитального ремонта и ликвидации скважин.
На фиг. 1 показан общий вид лаборатории мобильной, на фиг. 2 показан разрез А-А с фиг. 1, представляющий схему размещения оборудования лаборатории мобильной для испытания цементных растворов.
Лаборатория мобильная испытательная для испытания цементных растворов выполнена в виде фургона 1 усиленного и утепленного размером (2450×6000×2000) с возможностью установки его на колесную базу любого транспортного средства подходящего под габарит фургона. Внутри фургон 1 имеет три отсека. В первом отсеке 2 установлено устройство 3 для автоматического сбора и обработки измеряемой информации (компьютер), размещенный на рабочем столе 30, связанный с консистометром 4 ZM 1002М, консистометром 5 1003М для программного обеспечения управлением процессом механического воздействия и измерения силы, давления, действующего на испытываемый образец и линейных деформаций образцов. Во втором отсеке 6 установлены также контрольно-измерительные приборы и приспособления к ним, прикрепленные к лабораторным столам и полу. В третьем изолированном отсеке 7 размещен автономный энергоузел включающий дизельный двигатель 8 с электрогенератором и электрощит 9 с разъемами для подключения внешнего электропитания мобильной лаборатории. Первый и третий отсеки 2 и 6 соответственно оснащены входной дверью 10 и 11 соответственно с лестницей в виде трапа для подъема (трап на чертеже не показан).
Фургон оснащен системой вентиляции в виде настенного вытяжного вентилятора мощностью 220 В, 50 Гц, системой кондиционирования воздуха в виде сплит-системы настенной мощностью 220 В, 50 Гц и системой обогрева в виде нагревателя 220 В, 50 Гц, 4000 Вт, автономного воздушного отопителя, 5 кВт, дизеля 24V и водонагревателя емкостью 50 л электрического мощностью 220 В 2 кВт и системой освещения в виде светильников настенных и потолочных, лампы аварийного освещения и розеток (европейского типа) 220 В (системы вентиляции, кондиционирования, обогрева и освещения на чертеже не показаны).
Лаборатория оснащена приборами для приготовления цементных растворов и приборами для испытания тампонажных растворов, лабораторной мойкой 12, а также лабораторной посудой и расходными материалами.
Лаборатория включает комплект оборудования:
- атмосферный консистометр 4 ZM 1002М прибором для определения времени загустевания цементного теста при атмосферном давлении и температуре до 95°С, для приготовления цементного или бурового растворов для исследования реологии, водоотдачи и других параметров;
Консистометр 5 герметизированный ZM-1003M с рабочим давлением до 100 МПа и рабочей температурой до 200°С оснащен прибором для определения времени загустевания цементного теста до консистенции 70-100 Вс (е.к.), с устройством для формирования образцов цемента в виде кубиков для прочностных испытаний на сжатие (устройство для формирования образцов цемента в виде кубиков на чертеже не показано).
- миксер 13 постоянной скорости для приготовления тампонажного раствора согласно ГОСТа 26798.2 и международного стандарта API, ISO;
смеситель 14 тампонажного раствора лабораторный для приготовления тампонажного раствора согласно ГОСТа 26798.1;
- вискозиметр 15 для измерения реологических характеристик тампонажного раствора;
- прибор 16 контроля фильтрации цементных растворов при высоком давлении и высокой температуре;
- прибор 17 контроля фильтрации буровых и цементных растворов при низких давлениях;
- пресс 18 для испытания цементных кубиков на предел прочности при сжатии с электронной системой управления и силоизмерения;
- приспособление 19 к прессу для испытания цементных балочек на изгиб;
- весы 20 лабораторные электронные до 3000 г с точностью в пределах ± 0,1% от показываемой нагрузки;
- весы 21 электронные 400 г с точностью в пределах ± 0,1% от показываемой нагрузки;
- прибор 22 «игла Вика», для определения нормальной густоты, сроков схватывания и определения толщины корки цементного теста;
- весы 23 рычажные с метрической шкалой для определения плотности тампонажного раствора под давлением жидкости;
- конус 24 АзНИИ для определения растекаемости тампонажного раствора - условной меры подвижности или прокачиваемости свежеприготовленного раствора.
- Для изготовления образцов-балочек для прочностных испытаний на изгиб используют формы 25.
- Для выдержки и охлаждения образцов при атмосферном давлении и температуре до 95°С лаборатория оснащена термостатами 26 жидкостными
- Для охлаждения и подачи незамерзающей жидкости под давлением в консистометр ZM-1003M имеется емкостью 27 с насосом.
- Для ремонтных работ при необходимости лаборатория имеет тиски 28 слесарные.
Отсеки 3 и 6 соединены между собой дверью 29.
Лабораторию используют следующим образом.
Для испытаний проведения испытаний тампонажные жидкости (цементные растворы) затворяют на той же воде, которая будет использована непосредственно на скважине.
Цемент просеивают и взвешивают на весах 20, а компоненты при их необходимости - на весах 21, затем затворяют раствор согласно ГОСТа 26798.2-96 «Цементы тампонажные типов I-G и I-H. Методы испытаний» и международного стандарта API, ISO в миксере 13 постоянной скорости или в смесителе 14 лабораторном для растворов согласно ГОСТа 26798.1-96 «Цементы тампонажные. Методы испытаний».
После затворения измеряют удельный вес тампонажного раствора рычажными весами 23 с метрической шкалой, затем измеряют растекаемость тампонажного раствора на конусе 24 АзНИИ. После измерения растекаемости тампонажный раствор заливают в прибор для определения времени загустевания цементного теста (стакан консистометра 4, 5) и, задав необходимые параметры, »запускают прибор. После достижения тампонажным раствором консистенции 70-100 Вс (е.к.) тампонажный раствор извлекают из консистометра 4 и заливают в кольцо, которое помещают в термостат 25 жидкостной для определения начала и конца схватывания прибором 22 «игла Вика».
Время загустевания цементного теста определяют в атмосферном консистометре 4 ZM 1002М при атмосферном давлении и температуре до 95°С.
Для определения контроля фильтрации тампонажного раствора процедура затворения цементных растворов повторяют, после чего раствор заливают в прибор 16 контроля фильтрации цементных растворов при высоком давлении и высокой температуре и прибор 17 контроля фильтрации буровых и цементных растворов при низких давлениях.
Для измерения реологических характеристик процедуру затворения тампонажного раствора повторяют, после чего раствор помещают в консистометр 4, 5 для его выдержки при определенной температуре и давлении при перемешивании в течение 20 минут, после чего раствор извлекают и определяют его реологические свойства, используя вискозиметр 15 для измерения реологических характеристик тампонажного раствора.
3
Для определения водоотделения по ГОСТу 26798.1-96 «Цементы тампонажные. Методы испытаний» цемент и добавки взвешивают на весах 20, 21 и затворяют в смесителе лабораторном 14, цемент и воду помещают в стакан лопастного смесителя и перемешивают в течение (180±5) с. После затворения раствор заливают в два цилиндра до метки 250 см и отделившую сверху воду через 2 часа ± 5 минут отбирают пипеткой в мерный цилиндр вместимостью 20 см и замеряют объем отделившейся воды в каждом цилиндре.
3
3
Для определения водоотделения по ГОСТу 26798.2-96 «Цементы тампонажные типов I-G и I-H. Методы испытаний» цемент и добавки взвешивают на весах 20, 21 и затворяю раствор в миксере 13 постоянной скорости после затворения раствор наливают в консистометр 4 и перемешивают в консистометре (20±0,5) минут при температуре (27±1)°С, по окончании перемешивания в консистометре раствор переливают в миксер 13 постоянной скорости и перемешивают (35±2) секунды при скорости вращения (12000±500) об/мин., по окончанию перемешивания раствор заливают в цилиндр да метки 250 см и отделившую воду сверху через 2 часа ± 5 минут отбирают пипеткой в мерный цилиндр вместимостью 20 см и замеряют объем отделившейся воды.
Для проведения силовых испытаний предварительно готовят образцы.
Образцы в виде кубиков для прочностных испытаний на сжатие изготавливают, используя консистометру 5 герметизированный ZM-1003M с рабочим давлением до 100 МПа и рабочей температурой до 200°С и устройство для формирования образцов к нему. Консистометр 5 герметизированный ZM-1003M позволяет осуществить набор образцами прочности в необходимых условиях (давлении и температуре) до значений соответствующих условиям конкретной испытуемой скважины. Показания температуры и давления при автоматическом режиме работы устройства отображаются на мониторе компьютера устройства 3 автоматического сбора и обработки измеряемой информации.
Формирование образцов-балочек осуществляют в формах 25 при атмосферном давлении и температуре до 95°С, после чего их подвергают прочностным испытаниям на изгиб, а после испытания на изгиб половинки образцов-балочек испытывают на сжатие с помощью пластин.
Последующие испытания по определению предела прочности цементных образцов в виде кубиков на предел прочности при сжатии производят с помощью пресса 18 для испытаний с электронной системой управления и силоизмерения и приспособления 19 к прессу для испытания цементных образцов-балочек на изгиб и полученные после испытания на изгиб половинки образцов-балочек испытывают на сжатие по ГОСТ 310.4-81 "Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии". Полученные данные с пресса 18 поступают в устройство 3 автоматического сбора и обработки измеряемой информации.
Необходимость изучения динамики изменения реологических свойств тампонажного растворов обусловлена неоднократностью их величины во времени, что связано с процессами от момента затворения тампонажного раствора до начала загустевания и схватывания. Точное значение реологии тампонажного раствора важно при выборе режима цементирования, для прогнозирования величины гидравлических сопротивлений, величины зоны смешения и др. На измерение реологических показателей оказывает существенное влияние характер обработки и количество вводимых добавок.
Укомплектованность лаборатории мобильной позволяет в полевых условиях проводить исследования в соответствии с государственными и отраслевыми стандартами методиками, утвержденными в Государственной комиссиии по запасам полезных ископаемых, общепринятыми международными методиками и тестами (Стандарты Американского института нефти API), а также обеспечивает возможность:
- уменьшить время, затрачиваемое на организацию и проведение лабораторных анализов тампонажных растворов, исключив время на доставку материалов для испытаний со скважины в стационарную лабораторию;
- разработать и подобрать более точно рецептуру цементного раствора, отвечающую конкретным горно-геологическим условиям, для крепления обсадных колонн, консервации, ликвидации, установки цементных мостов, капитальном ремонте скважин;
- проводить перед цементажем скважины контрольный анализ из фактически завезенных на скважину цементов, компонентов и жидкости затворения;
- разрабатывать и тестировать наиболее эффективные рецептуры буферных жидкостей;
- отбирать пробы фактически приготовленного тампонажного раствора и параллельно имитировать закачивание раствора в скважину.