Устройство для формирования образцов из тампонажных растворов для прочностных испытаний на сжатие
DEVICE FOR FORMATION OF SAMPLES FROM GROUTING MORTARS FOR COMPRESSION STRENGTH TESTS

Предлагаемое изобретение относится к устройству, предназначенному для формирования образцов из тампонажных растворов, применяемых при цементировании нефтяных и газовых скважин, полученных в условиях, имитирующих скважинные по температуре до 200°С и давлению до 100 МПа, для последующих прочностных испытаний образцов на сжатие и может быть использовано как непосредственно на скважинах, так и в лабораториях тампонажных контор, управлений буровых работ и нефтедобывающих объединений, а также в лабораториях научно-исследовательских организаций, занимающихся разработкой рецептур и исследованием тампонажных цементов, смесей и растворов для цементирования скважин.
Для проведения прочностных испытаний на сжатие согласно ГОСТу 26798.2-96 и стандарта ISO 10426-2-2003 образцы должны иметь определенную форму, а именно быть выполнены размером 50×50×50 мм, подвержены выдержке для формирования цементного камня, после чего их испытывают на прочность при сжатии. Согласно ГОСТу 26798.2-96 выдержку образцов производят водном термостате при атмосферном давлении и температуре 38 (60)°C. Образование цементного камня в таких условиях не всегда соответствует цементному камню, образующемуся в скважинах при их цементировании.
Известно устройство, принятое в качестве прототипа, содержащее автоклав с полостью для размещения приспособления с испытываемыми образцами, крышку, накидную гайку с рукоятками для удерживания крышки, нагреватели для подогрева автоклава, систему охлаждения, блок управления, преобразователь давления и устройство для обеспечения подъема давления (в виде масляного насоса) (см. Консистометр высокого давления ZM-1003, выпускаемого ООО НПК «ЗИП - Магнитоника» zmag.ru).
Известное устройство предназначено для определения времени загустевания тампонажных растворов, применяемых для цементирования нефтяных и газовых скважин. Внутри автоклава установлено устройство для измерения, выполненное в виде стакана для размещения измерительной рамки имеющей возможность вращения. В основу принципа действия известного устройства положено измерение крутящего момента, создаваемого на лопастном устройстве.
В известном устройстве нагреватели установлены под кожухом с внешней стороны корпуса автоклава и не обеспечивают достаточного прогрева камеры автоклава.
Конструктивное исполнение системы охлаждения не обеспечивает эффективнее охлаждение камеры автоклава.
Известное устройство не обеспечивает возможность выдержки образцов для набора прочности в необходимых условиях, соответствующих скважинным условиям по температуре и давлению.
Техническая задача предлагаемого устройства заключается в обеспечении возможности выдержки образцов с целью набора ими прочности в необходимых условиях, соответствующих скважинным условиям по температуре и давлению для дальнейших силовых испытаний их на прочность при сжатии.
Техническая задача решается тем, что устройство для формирования образцов из тампонажных растворов для прочностных испытаний на сжатие содержит автоклав с полостью для размещения приспособления для размещения образцов, а также с крышкой, накидной гайкой с рукоятками для удерживания крышки, нагревателями для подогрева автоклава и системой охлаждения, блок управления, преобразователь давления и устройство для обеспечения подъема давления (насос масляный) имеет отличия, а именно система охлаждения выполнена в виде соосно установленного на автоклаве корпуса с полостью и патрубками для подачи и отвода воды, внутренняя поверхность которого выполнена волнистой, взаимодействующей волнами с пазами, радиально размещенными с равным шагом по наружной поверхности автоклава, а нагреватели установлены; в полостях, расположенных радиально в стенке автоклава, а приспособление для размещения образцов выполнено в виде сборного контейнера, состоящего из крышки и трех разъемных форм квадратного сечения и с днищем в виде круга, имеющих возможность центрирования в горизонтальной плоскости по направляющим по для взаимодействия по типу штифт-паз, выполненных на двух противоположных стенках каждой формы, днища форм и крышка выполнены с отверстиями под шпильки для фиксации форм по высотке контейнера, наружная поверхность каждого днища и внутренняя поверхность крышки выполнены с пазом, причем крышка снабжена ручкой для установки/извлечения контейнера.
Предлагаемое устройство отличается простотой в эксплуатации, позволяет обеспечить выдержку образцов с целью набора ими прочности в необходимых условиях и доводить давление и температуру до значении соответствующих условиям конкретной испытуемой скважины.
Предлагаемое устройство иллюстрировано чертежами, где на фиг. 1 изображена схема устройства с продольным сечением автоклава; на фиг. 2 - общий вид контейнера с образцами; на фиг. 3 - вид А на фиг. 2; на фиг 4 - вид Б на фиг. 2; на фиг. 5 - вид В на фиг 2; на фиг. 6 - сечение Г-Г на фиг 2.
Предлагаемое устройство содержит автоклав 1 с полостью для установки приспособления для размещения образцов, выполненного в виде контейнера 2, а также с крышкой 3, удерживаемой на автоклаве 1 накидной гайкой 4 с рукоятками 5 для обеспечения возможности снятия и установки крышки 3 на автоклав 1. Между крышкой 3 и корпусом автоклава 1 установлены фторопластовые уплотнительные кольца 6 для герметизации.
В стенке автоклава 1 радиально выполнены цилиндрические полости 7 для размещения теновых нагревателей мощностью, например 0,5 кВт (теновые нагреватели на чертеже не показаны).
По наружной стенке соосно автоклаву 1 установлена система охлаждения в виде цилиндрического корпуса 8 (металлической рубашки) с полостью для размещения воды и патрубками для подачи и отвода воды (патрубки для подачи и отвода воды на чертеже не показаны). Внутренняя поверхность цилиндрического корпуса 8 выполнена волнистой, взаимодействующей волнами с пазами 9, радиально размещенными с равным шагом по наружной поверхности автоклава 1.
Для подачи масла, обеспечивающего давление внутри автоклава 1, в днище автоклава 1 выполнено отверстие 10. Для стравливания (сбрасывания) давления и выхода воздуха из автоклава при настройке устройства перед эксплуатацией в крышке 3 выполнено отверстие 11 для установки перепускного штуцера (штуцер на чертеже не показан).
Контейнер 2 выполнен разборным и состоит из трех разъемных форм для размещения образцов.
Формы выполнены квадратного сечения. Противоположные стенки имеют направляющие 12 и 13 в виде штифт-паз для центрирования форм относительно друг друга. Стенки форм выполнены с отверстиями под винты 14 для соединения (отверстия на чертеже не показаны).
Днища 15 форм и крышка 16 выполнены в виде круга с отверстиями 17 для установки шпилек 18 для фиксации форм относительно друг друга по высоте контейнера 2.
Наружная поверхность днища 15 каждой формы выполнена с пазом 19 прямоугольного сечения в средней части для поступления масла внутрь форм при создании давления внутри автоклава 1.
Крышка 16 имеет петлю 20 для съема крышки, установки контейнера 2 и его извлечения из автоклава 1 и паз 19 на внутренней поверхности для поступления масла внутрь верхней формы.
На основании 21 посредством кронштейнов закреплены блок 22 управления, насос 23 для подачи масла в автоклав 1 и установленный на насосе 23 преобразователь давления (датчик давления) (преобразователь давления на чертеже не показан).
Предлагаемое устройство для изготовления образцов работает следующим образом.
Предварительно приготовленный тампонажный раствор помещают в формы, которые устанавливают друг на друга в виде штабеля, фиксируя их в штабеле направляющими 12 и 13 по горизонтали, затем устанавливают крышку 16 и фиксируют штабель из форм винтами 18 по вертикали, образуя контейнер 2.
Затем в полость автоклава 1 заливают масло на 1/3 объема полости, после чего устанавливают контейнер 2 и доливают масло до уровня фторопластовых уплотнительных колец 6. Закрывают автоклав 1 крышкой 3 и фиксируют ее с помощью накидной гайки 4 посредством рукояток 5. Затем насосом 23 подают масло внутрь автоклава 1, стравливая воздух через перепускной штуцер, установленный в отверстие 11, и обеспечивая заполнение маслом форм через пазы 19.
Затем производят нагрев автоклава 1 тенами до требуемой температуры. При нагреве давление в автоклаве 1 повышается. Повышение давления до необходимого значения, соответствующего условиям испытуемой скважины, обеспечивают с помощью насоса 23, подавая масло внутрь автоклава 1. Полость автоклава 1 используют в качестве камеры для выдержки образцов в течение требуемого времени для образования тампонажного камня.
Показания температуры и давления при автоматическом режиме работы устройства отображаются на мониторе блока 22 системы управления (компьютера).
При ручной режиме работы температуру регулируют с помощью терморегулятора (температуру устанавливают и, если это необходимо, меняют через компьютер), а давление при необходимости регулируют с помощью масляного насоса.
Масло с помощью насоса поступает внутрь автоклава 1, занимая пространство вокруг контейнера 2 и проникая по пазам 19 на крышке 16 и днищах 15 внутрь форм, создавая давление внутри форм.
После набора камнем прочности автоклав охлаждают до температуры 27°C с помощью воды системы охлаждения, остаточное давление уменьшают до атмосферного с помощью открытия перепускного штуцера и после этого снимают крышку 16 и достают контейнер 2 с образцами.
Последующие испытания по определению предела прочности цементного образца производят с помощью тестера прочности на сжатие.