Ультразвуковой анализатор цемента
ULTRASONIC CEMENT ANALYSER

Предлагаемое изобретение относится к устройству, предназначенному для определения прочности тампонажных цементов при сжатии неразрушающим методом, полученной в условиях, имитирующих скважинные по температуре до 200ºС и давлении на сжатие до 100 МПа. Предлагаемое устройство 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.
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. По мере того, как прочность цементного образца со временем увеличивается, скорость прохождения ультразвукового сигнала через образец возрастает, т.е. уменьшается время его прохождения. В приборе 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.
Известно  устройство, для определения прочности бетона, содержащее генератор импульсов, программный блок, генератор зондирующих импульсов, ключи, буферный регистр, электроакустические излучатели с приемником контролируемого изделия, усилитель (см. описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1566285, МПК G01N29/04, опубл. 23.05.1990г.).
ую
ю
Кроме того, известное  устройство содержит  синхронизатор, формирователь, задатчик времени, селектор, реверсивные счетчики, делитель, умножитель, задачик эталонного значения, регистратор, акустическ лини задержки электроакустического излучателя, электроакустический излучатель с приемником эталонного изделия.
Известное  устройство позволяет сравнить прочность испытуемого твердого образца с эталонным образцом и не имеет возможности определять относительную прочность цементного раствора по мере его отвердевания.
Известное устройство может быть использовано, в частности, для контроля качества продукции предприятий промышленности строительных материалов.
Известен ультразвуковой анализатор цемента, содержащий основание с вертикально закрепленной панелью, на которую вынесены сенсорный монитор, манометр, кран для сброса излишнего давления, таймер. Внутри основания установлены с  возможностью автоматической регулировки температуры и давления независимые автоклавы под ячейки,  выполненные с крышками, снабженных рукоятками (см. Ультразвуковой анализатор цемента 420 http://interlab-service.ru).
Известный ультразвуковой анализатор цемента имеет две независимые работающие ячейки с автоматической регулировкой температуры и давления,
с нулевой теплопередачей между ячейками, которые позволяют проводить испытания цементных растворов при температурах до 260°C и давлениях до 34,5 МПа (или 138 МПа.).
Обе ячейки имеют общее электропитание, подачу сжатого воздуха, воды и дренаж, а также подключение к ПК. Остальные  элементы системы (система нагрева, создания давления и т.д.)  полностью разделены.
Давление в ячейках создают  водой при помощи насоса высокого давления с пневматическим приводом и контролируют  регуляторами давления и противодавления.
Известный ультразвуковой анализатор цемента может работать без компьютера или быть подключен к внешнему ПК с передачей данных через USB.
Компьютер с установленным специализированным программным обеспечением осуществляет непрерывный сбор и обработку данных,  замеряет время прохождения сигнала и интерполирует значения прочности при сжатии для каждой испытательной ячейки.
Относительная прочность определяется путем измерения скорости ультразвукового сигнала, проходящего через образец цемента по мере его отвердевания.
Известный ультразвуковой анализатор  цемента не лишен недостатков.
В известном ультразвуковом анализаторе цемента предусмотрено создание давления только в автоматическом режиме, поэтому при сбое в пневмосистеме устройство не работает.
Кроме того,  известные ультразвуковые анализаторы цемента, выпускаемые за рубежом, неремонтопригодны, используются только  в стационарных условиях и дорогостоящие.
Известно устройство для определения характеристик тампонажных цементов, принятое в качестве прототипа, содержащее основание с закрепленной в верхней части основания  панелью, снабженной  окнами для установки показывающих приборов, фиксирующих рабочее состояние устройства, а также кран для сброса давления,  устройство для обеспечения подъема давления - насос масляный,  установленный на полке, жестко закрепленной на боковой стенке основания,  приспособление для размещения образцов, выполненное  с крышкой, снабженной рукоятками для установки/извлечения приспособления, нагревателями для подогрева и системой охлаждения, компьютер, соединенный с блоком управления, (см. описание изобретения к  патенту Российской Федерации № 2 685 092, МПК G01N 11/14,  опубл. 16.94.2019).
Приспособление для размещения образцов в известном устройстве установлено в автоклаве, что позволяет обеспечить формирование и выдержку образцов в условиях, приближенных к скважинным условиям, для последующего испытания их разрушающим методом.  Известное устройство не имеет возможности получения информации о времени и степени нарастания прочности цементного раствора, получаемых при неразрушающем методе испытания цементного раствора звуком в реальном времени.
Технической задачей и результатом предлагаемого изобретения является создание устройства для определения прочности цементного камня неразрушающим методом,  малогабаритного,  легко и доступно обслуживаемого и ремонтопригодного, используемого как в стационарных условиях, так и в полевых и мобильных лабораториях.
при этом
Технический результат достигается тем, что устройство для формирования образцов из тампонажных растворов для прочностных испытаний на сжатие  содержит основание с закрепленной в верхней части основания  панелью, снабженной  окнами для установки показывающих приборов, фиксирующих рабочее состояние устройства,  устройство для обеспечения подъема давления - насос масляный,  установленный на полке, жестко закрепленной на боковой стенке основания,  кран  для сброса давления, приспособление для размещения образца, устройство для подогрева/охлаждения, снабженное патрубками для подачи и отвода рабочей среды, нагревателями  и полостью для установки приспособления для размещения образца,   а также блок управления,  корпус устройства для подогрева/охлаждения состоит из двух частей-полуцилиндров, фиксируемых относительно приспособления для размещения образца с помощью пружины, при этом каждая его часть выполнена с полостью по наружной поверхности, образованной ребрами, расположенными зигзагообразно с образованием каналов для прохождения рабочей среды и снабжена автономными патрубками  для подачи и отвода рабочей среды и нагревателями, установленными в отверстиях-гнездах, радиально выполненных в стенке корпуса с внутренней стороны каждой части, а приспособление для размещения образцов выполнено в виде сборного контейнера-ячейки, состоящего из цилиндрического корпуса, соединенного посредством резьбового соединения с днищем и крышкой, выполненной с ручками для установки/извлечения контейнера-ячейки, при этом крышка и днище выполнены с гнездом  для установки датчиков   источника ультразвукового сигнала, а крышка дополнительно выполнена со сквозными каналами для размещения термопары и создания давления внутри  контейнера, соединенного с масляным насосом через распределитель, соединяющий масляный насос  с манометром  и краном   для сброса давления в контейнере-ячейке.
Предлагаемое устройство малогабаритно, ремонтопригодно, легко и доступно обслуживаемое. Ремонт предлагаемого устройства может произвести  на месте сотрудник, прошедший инструктаж по ремонту и обслуживанию данного устройства.
Предлагаемое устройство обеспечивает возможность получения данных об изменении структуры цементного камня в режиме реального времени, что дает два основных преимущества:
- уменьшение времени  ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ),  которое можно выставлять по фактической пробе, что  особенно актуально при бурении морских скважин, где сутки работы платформы стоят очень дорого;
- возможность корректировки режима противодавления при ОЗЦ в тех случаях, когда при цементировании для минимизации риска возникновения межколонного давления (МКД)  применяется режим противодавления, который необходимо корректировать по мере набора прочности цементного камня.
Предлагаемый ультразвуковой анализатор иллюстрирован чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид; на фиг. 2 – то же, вид сбоку; на фиг.3 – то же, вид сверху; на фиг 4 – распределитель в сечении; на фиг 5 – продольное сечение ячейки; на фиг 6 – сечение А – А на фиг. 5; на фиг 7 – рубашка нагрева и охлаждения, (вид сверху); на фиг 8 – рубашка нагрева и охлаждения (вид сбоку).
Предлагаемый ультразвуковой анализатор состоит из основания 1, выполненного каркасной конструкции в виде параллелепипеда с опорой 2 в нижней части для установки приспособления для размещения образцов, выполненного в виде контейнера-ячейки 3. На чертежах представлено устройство с одной ячейкой  3, но их может быть и две и более в зависимости от места использования устройства. При мобильном исполнении устройства его удобней оснащать одной ячейкой  3, а в стационарных условиях – двумя и более для сокращения времени на испытания.
Передняя стенка основания 1 образована съёмной панелью 4 или двумя открывающимися дверными створками  для обеспечения возможности установки оборудования внутрь устройства.  Задняя стенка 5 основания 1 выполнена из перфорированного металлического листа для обеспечения циркуляции воздуха. Для обеспечения горизонтальности основание 1 снабжено регулируемыми по высоте опорами 6.
Верхняя часть основания 1 выполнена с закрепленной панелью 7, снабженной окнами для установки показывающих приборов для ячейки 3, а именно сенсорного монитора 8, манометра  9, таймера 10, USB разъемов 11, кнопки 12 «сеть», а также фиксирующих рабочее состояние устройства лампочки 13 «авария», лампочки 14 «нагрев», лампочки 15 «охлаждение».
Ячейка 3 снабжена  рубашкой 16 нагрева/охлаждения. Рубашка 16 нагрева/охлаждения каждой ячейки 3 состоит из двух частей (полуцилиндров) для ускорения прохождения воды при охлаждении и для обеспечения быстрого нагрева ячейки 3 с образцом и упрощения ремонта при выходе из строя одной из частей или одного из нагревателей.  Каждая часть рубашки 16 имеет свой вход 17 и выход 18 потока рабочей среды.
Корпус каждой части (полуцилиндра) рубашки 16 нагрева/охлаждения по наружной поверхности выполнен  с полостью в виде зигзагообразно расположенных каналов для прохождения воды, образованной ребрами 19,  а с внутренней стороны - радиально выполненные отверстия-гнезда   для размещения  нагревателей  20 (отверстия на чертеже не показаны).
Две части рубашки 16 фиксируютсяотносительно корпуса ячейки 3  с помощью пружины 21 для плотного соприкасания с наружной поверхностью ячейки 3 после ее размещения  внутри рубашки 16 (между полуцилиндрами).
Для соединения входов рубашки 16 с внешним источником охлаждения установлен кран шаровой 2-х ходовой с электроприводом для удаленного (дистанционного) управления потоком рабочей среды, имеющий возможность регулировать охлаждение ячеек 3 (кран шаровой   на чертеже  не показан).
Для уменьшения инерционности  в регулировке по температуре анализатор оснащен  электромагнитным клапаном ввода воды, поэтому при работе на высоких температурах может происходить небольшой выход пара из шланга выхода воды (пара) (электромагнитный клапан ввода воды на чертеже не показан).
Ячейки 3 выполнены съёмными, разъёмными и состоят из цилиндрического корпуса 22, крышки 23 и днища 24. Крышка 23 снабжена рукоятками 25 для установки/извлечения ячейки 3 из рубашки 16. Крышка 23 выполнена с гнездом 26 для установки датчика источника ультразвукового сигнала, и сквозными каналами 27 для установки термопары и 28 для создания давления внутри ячейки (датчик  источника ультразвукового сигнала на чертеже не показан). При необходимости сквозной канал 28 может быть использован для установки эталонного калибровочного термометра.
Днище 24 выполнено с гнездом 29 для установки датчика  источника ультразвукового сигнала, аналогичным гнезду 26.
Датчики ультразвукового сигнала поджаты  в гнездах 26 и 29 пружиной и зафиксированы гайкой от выпадения (датчик, пружина и гайка на чертеже не показаны).
Корпус 22 соединён с крышкой 23 и днищем 24 посредством резьбового соединения (резьбовое соединение на чертеже не показано). Между корпусом 22, крышкой 23 и днищем 24 для герметизации в канавках, выполненных в корпусе 22, установлены уплотнительное кольцо 30 и запорное кольцо 31, обеспечивающие создание давления в ячейке 3 и  исключающие утечку масла и цементного раствора из ячейки 3.
Устройство имеет возможность имитировать скважинные условия с помощью автоматической регулировки температуры с помощью рубашки 16 нагрева/охлаждения и давления, создаваемого при помощи масляного насоса 32, установленного на полке 33, закрепленной на основании 1.
Для двух ячеек 3 масляные насосы 32 устанавливают на боковых стенках по обе стороны основания 1. Привод масляного насоса 31 может быть выполнен как ручной, в виде рукоятки 34, так и автоматический, что позволяет использовать предлагаемое устройство как в мобильной-полевой лаборатории, так и в стационарной лаборатории (привод автоматический на чертеже не показан).
Внутри основания 1 расположен  распределитель 35, обеспечивающий    подачу масла из масляного насоса 32 на манометр 9, ячейку 3. Распределитель 35 оснащен выходом 36 на трубку 37 для создании давления в ячейке 3, соединяющей масляный насос  32 с ячейкой 3 через распределитель 35 и трубку 37,  а также выходом 38 для соединения с  манометром 9, входом 39 из масляного насоса 32 и выходом 40  на кран 41 для сброса давления в ячейке 3.
Ультразвуковой анализатор цементов оснащён встроенным в  основание 1 блоком управления (компьютером), отделенным от ячейки 3 теплоизоляционной  перегородкой (компьютер и перегородка на чертеже не показаны).
Ультразвуковой анализатор цементов работает следующим образом.
Вначале собирают ячейку 3, соединяя корпус 22 с днищем 24 посредством резьбового соединения и устанавливая уплотнительное и запорное кольцо 30 и 31 соответственно, предварительно нанеся на них  масло  и термостойкую смазку.
Датчики ультразвукового сигнала устанавливают в гнездах 26 и 29, нанеся на них предварительно акустический контактный состав, фиксируют с помощью пружины и гайки.  Концы кабеля датчиков ультразвукового сигнала  выводят на переднюю панель 7 иподключают к розетке, обозначенной «Ультразвук» (розетка на чертеже не показана).
Термопару вставляют в отверстие 27 крышки 23, а конец кабеля термопары выводят  на переднюю панель 7 и подключают к розетке, обозначенной «Термопара» (розетка на чертеже не показана).
3
Затем в корпус 22 ячейки 3 помещают тампонажный цемент - приблизительно 200 см, нe переполняя ячейку 3, и не допуская попадания цемента на резьбу резьбового соединения, и  закрывают крышкой 23. Крышку 23 затягивают только до контакта с торцом корпуса 22, так как дальнейшая затяжка не усилит уплотнения, и может затруднить извлечение крышки 23 и повредить  место соединения корпуса 22 с крышкой 23, после чего ячейку 3 помещают в рубашку 16 и фиксируют пружиной 21.
Затем закрывают кран для сброса давления 41 и насосом 32 в ручном режиме подают масло в ячейку 3 через распределитель 35 и трубку 37 до появления масла в вентиляционном отверстии термопары, удаляя тем самым воздух из ячейки 3 (вентиляционном отверстии на чертеже не показано).
Включают устройство при помощи входных автоматов. Управляющая программа на компьютере запускается автоматически и в течение 10-20 секунд на мониторе 8 появятся текущие значения устройства, параметры для испытания раствора и его характеристики. Затем оператор в диалоговом режиме устанавливает параметры необходимые для испытания тампонажных растворов и касанием на мониторе  8 активирует  кнопку «Старт».
Включаются нагреватели 20, и начинается нагрев ячейки 3 с тампонажным цементом.
Отсчет времени начинается с нуля и идёт запись в память компьютера, а показания выводятся  на рабочий стол  монитора 8.
В случае сбоя по питанию, устройство  прекращает работу и выходит в начальный режим.
При нагреве давление в ячейке 3 повышается, поэтому в большинстве случаев не требуется прибегать к помощи масляного насоса 32 для поднятия давления от атмосферного до заданного. С этой целью масляный насос 32 используют при необходимости лишь тогда, когда нагрев рубашкой 16 до заданной температуры не обеспечивает повышения давления до заданной величины.
Включение и выключение нагревателей 21 и нагрев  ячейки 3 с испытуемым цементным раствором, отображается лампочкой 14 «нагрев», расположенной на панели 7. Поддерживание температуры, установленной оператором, происходит автоматически и поддерживается до окончания испытаний.
Испытание будет продолжаться до того момента, пока не будет остановлено оператором.
После окончания испытаний охлаждение ячейки 3 осуществляют в ручном режиме оператором с помощью кнопки «Охлаждение» и после охлаждения холодной водой кнопки «Стоп», расположенных на мониторе 8.
После окончания испытаний избыточное давление уменьшают до атмосферного принудительным плавным открытием крана 41, повернув его против часовой стрелки на один оборот, затем отключают кабель термопары и соединительную трубку 37.
Сохранение результатов испытаний оператор производит с помощью действий на мониторе 8 компьютера.