Способ определения давления гидропрорыва герметичной зоны контакта цементного камня со стенками испытательной камеры и установка для реализации такого способа

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГИДРОПРОРЫВА ГЕРМЕТИЧНОЙ ЗОНЫ КОНТАКТА ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ СО СТЕНКАМИ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ КАМЕРЫ И УСТАНОВКА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ТАКОГО СПОСОБА Задачей группы изобретений является способ определения давления гидропрорыва герметичной зоны контакта цементного камня со стенками испытательной камеры и установка для реализации этого способа. Область использования способа и установки - нефтегазовая отрасль. Способ включает в себя размещение цементного камня в испытательной камере (3), подачу жидкости в испытательную камеру (3) гидравлическим насосом (2), постепенное увеличение давления жидкости в испытательной камере, визуальное наблюдение за выходом жидкости из испытательной камеры и наблюдение за изменением давления. Перед постепенным увеличением давления жидкости выпускают воздух из испытательной камеры. Наблюдение за изменением давления и контроль работы гидравлического насоса осуществляют с помощью устройства(6) обработки информации. По полученным и обработанным этим устройством данным строят аппроксимированную кривую изменения давления во времени. Давление гидропрорыва определяют по точке выхода построенной кривой на плато, усредняя данные не менее двух последовательно проведенных исследований. Объектом группы изобретений является способ определения давления гидропрорыва цементного камня и установка для осуществления этого способа. Группа изобретений может быть использована в нефтегазовой промышленности при строительстве и ремонте скважин, а также в строительной отрасли при проведении подземных, подводных и любых других работ, связанных с использованием цементного раствора для создания гидроизоляционного слоя. Качественные и количественные показатели работы нефтегазовых скважин. в частности, зависят от качества их цементирования, которое определяется гидроизоляционными характеристиками сформированного в скважине цементного камня. В свою очередь, характеристики цементного камня зависят от качества тампонажных цементов и смесей, использованных для его формирования. Таким образом, существует насущная проблема определения гидроизоляционных характеристик цементного камня и способности его к сопротивлению гидравлическому и газовому давлению с целью оптимального выбора тампонажного цемента и необходимых дополнительных смесей до момента их использования в реальной скважине или на любом другом реальном объекте строительства. Очевидно, что проведение предварительного определения качественных характеристик цементного камня при моделировании различных геологических условий позволяет существенно снизить затраты на дальнейшую эксплуатацию скважины или другого объекта строительства. Наиболее важной качественной характеристикой цементного камня, определяющей его способность обеспечивать в скважине герметичность в зоне контакта "цементное кольцо - обсадная колонна",является значение давления гидропрорыва. При превышении этого давления цементный камень, в скважине имеющий форму цементного кольца, начинает пропускать жидкость. Давление гидропрорыва является определяющим для выбора того или иного тампонажного цемента для использования при цементировании скважины. Известен способ и установка для оценки герметичности контакта цементного камня с ограничивающей поверхностью (см. Булатов А.И. "Формирование и работа цементного камня в скважине", Москва, 1990, с. 211-212). Способ заключается в подаче воды под давлением в центр торца цементного камня и визуальном наблюдении за появлением воды на противоположном его торце с одновременным измерением давления подаваемой воды. В установке, созданной для реализации способа, торец цементного камня цилиндрической формы контактирует с металлической поверхностью. Давление жидкости измеряют с помощью манометра. Недостатком известного способа и установки является крайне низкая точность получаемых результатов исследований, поскольку они базируются на данных измерений манометром, полученных в момент гидропрорыва, определяемый оператором исследовательской установки визуально. Таким образом, точность полученных результатов зависит от ряда субъективных человеческих факторов, присущих оператору исследовательской установки, в частности его внимательности и скорости реакции. Известен способ и установка для определения проницаемости цементного камня (см. Саид Ибрагим Али Фара "Разработка составов для восстановления герметичности заколонного пространства при капитальном ремонте скважин", Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Уфа, 2003, стр. 13). Способ включает формирование цементного камня в испытательной камере, подачу жидкости в испытательную камеру под давлением, наблюдение за давлением и появлением жидкости из выходного отверстия испытательной камеры. Установка содержит последовательно соединенные трубопроводами баллон со сжатым газом, бак с жидкостью, испытательную камеру в виде полого цилиндра с передней и задней торцевыми крышками, оборудованными входными и выходными отверстиями, датчики давления. Датчики давления выполнены в виде стрелочных манометров. Давление гидропрорыва определяется оператором с помощью этих стрелочных манометров. Недостатком известной установки является малый диапазон давлений, которые могут быть созданы ею, поскольку при отсутствии насоса максимальное давление, создаваемое установкой, не будет превышать давления в баллоне газа. Существенным недостатком установки является низкая точность определения момента гидропрорыва и давления в этот момент, поскольку момент гидропрорыва определяется визуально по факту вытекания жидкости из выходного отверстия задней крышки испытательной камеры,а давление определяется путем наблюдения за показаниями нескольких манометров одновременно. Из недостатков установки следует недостаток способа - низкая точность получаемых результатов исследований вследствие влияния субъективных человеческих факторов (внимательность, скорость реакции), присущих оператору исследовательской установки, который вынужден одновременно регулировать увеличение давления, следить за несколькими манометрами и определять момент утечки жидкости из выходного отверстия задней крышки испытательной камеры. Известна установка для измерения степени усадки цементного камня, которая содержит испытательную камеру в виде цилиндра с поршнем, гидравлический насос и компьютер для контроля параметров работы установки (международная публикация WO 2005065411, МПК G01N 3/12, G01N 3/02 опубликовано 21.07.2005). Задняя крышка испытательной камеры не имеет отверстий. Несмотря на некоторую конструктивную схожесть с заявляемой установкой, известная установка непригодна для использования в целях определения значения давления гидропрорыва цементного камня,поскольку испытательная камера не содержит выходных отверстий для выпуска жидкости. Известна установка для определения степени усадки цементного камня, содержащая последовательно соединнные трубопроводами гидравлический насос, испытательную камеру в виде полого цилиндра с передней и задней торцевыми крышками, оборудованными входными и выходными отверстиями, емкость для жидкости и микроконтроллер, который осуществляет контроль параметров работы установки (патент США 7296927, МПК G01N 3/00, опубл. 20.11.2007). Эта установка непригодна для использования в целях определения значения давления гидропрорыва цементного камня, поскольку испытательная камера предназначена только для сквозной циркуляции жидкости. Наиболее близкими к заявленной группе изобретений является известный способ и установка для определения давления гидропрорыва цементного камня (см. Амерханов С.И., "Повышение эксплуатационной надежности крепи скважин на поздней стадии разработки нефтяных месторождений", Диссертация на соисканию ученой степени кандидата технических наук, Уфа, 2002). Способ включает размещение цементного камня в испытательной камере, подачу гидравлическим насосом жидкости в испытательную камеру, постепенное увеличение давления жидкости, визуальное наблюдение за выходом жидкости из испытательной камеры и наблюдение за изменением давления. Установка содержит последовательно соединенные трубопроводами гидравлический насос, испытательную камеру в виде полого цилиндра с передней и задней торцевыми крышками, оборудованными входными и выходными отверстиями, датчик давления. Датчик давления выполнен в виде стрелочного манометра. Наблюдение за изменением давления проводят с помощью этого манометра. Передняя торцевая крышка испытательной камеры содержит входное отверстие для подачи жидкости. Задняя торцевая крышка содержит одно расположенное в ее центре выходное отверстие для выведения жидкости после гидропрорыва цементного камня. Главным недостатком известного способа является низкая точность определения момента гидропрорыва и давления жидкости в этот момент. От оператора установки, на которой осуществляют способ,требуется одновременное выполнение нескольких действий: наблюдение за выходным отверстием испытательной камеры, наблюдение за манометром, регулирование режима работы гидравлического насоса. Таким образом, точность результатов существенно зависит от скорости реакции оператора, его наблюдательности и многих других субъективных человеческих факторов, что приводит к практической непригодности известного способа для использования в реальных производственных условиях, в частности на скважине Кроме того, точность полученных результатов в известном способе снижается благодаря воздействию воздуха, который остается в испытательной камере и образует воздушные "карманы" и пузырьки. Главным недостатком известной установки является низкая точность определения момента гидропрорыва и давления жидкости в этот момент, поскольку момент гидропрорыва определяется визуально по факту истечения жидкости из выходного отверстия задней крышки испытательной камеры, а давление определяется путем наблюдения за показаниями манометра. Необходимо подчеркнуть, что в известной установке манометр установлен не на испытательной камере, а на баке с жидкостью, и фактически измеряет давление в нем, а не в испытательной камере. Кроме того, момент выхода жидкости из выходного отверстия задней торцевой крышки не является фактическим моментом гидропрорыва цементного камня. Поскольку явление гидропрорыва происходит в зоне контакта цементного камня со стенками испытательной камеры и на задней торцевой крышке, жидкость после гидропрорыва появляется вдоль ее периметра (т.е. вдоль стенок), необходимо определенное время для того, чтобы жидкость собралась на задней крышке, преодолела путь от периметра задней крышки к ее центру и вытекла наружу через расположенное в ней отверстие, чтобы быть замеченной оператором установки. Задачей группы изобретений является повышение точности определения давления гидропрорыва цементного камня путем автоматизации процесса снятия данных с датчика давления и последующей их обработки и путем предотвращения влияния остаточного воздуха в испытательной камере на процесс гидропрорыва при проведении исследований. В отношении способа поставленная задача достигается тем, что в известном способе определение давления гидропрорыва цементного камня, который включает размещение цементного камня в испытательной камере, подачу гидравлическим насосом жидкости в испытательную камеру, постепенное увеличение давления жидкости, визуальное наблюдение за выходом жидкости из испытательной камеры и наблюдение за изменением давления, согласно заявленному техническому решению перед постепенным увеличением давления жидкости из испытательной камеры выпускают воздух, наблюдения за изменением давления и контроль работы гидравлического насоса осуществляют с помощью устройства обработки информации, по полученным и обработанными устройством данным строят аппроксимированную кривую изменения давления во времени, а давление гидропрорыва определяют по точке выхода построенной кривой на плато, усредняя данные не менее двух последовательно проведнных исследований. Рекомендовано осуществление способа, в котором в качестве устройства обработки информации используют компьютер. В отношении установки поставленная задача достигается тем, что в известной установке для определения давления гидропрорыва цементного камня, содержащей последовательно соединенные трубопроводами гидравлический насос, испытательную камеру в виде полого цилиндра с передней и задней торцевыми крышками, оборудованными входными и выходными отверстиями, и датчик давления, согласно заявленного технического решения установка оборудована устройством обработки информации,соединенным с датчиком давления, установленным на испытательной камере, и гидравлическим насосом, а выходные отверстия задней торцевой крышки расположены вдоль ее периметра. Возможно выполнение установки, в которой передняя торцевая крышка содержит дополнительное отверстие для выпуска воздуха. Оптимальным является выполнение установки, в которой устройство обработки информации выполнено в виде компьютера. Возможно выполнение установки, в которой испытательная камера оборудована нагревателями, соединенными с устройством обработки информации. В отношении способа техническим результатом является повышение точности определения давления гидропрорыва цементного камня благодаря применению устройства обработки информации для снятия данных с датчика давления и их автоматической обработки. В свою очередь, определение давления гидропрорыва по аппроксимированным кривым, построенным на основе обработанных устройством обработки информации данных, позволяет получить точные результаты исследований в наглядной форме, а усреднение данных не менее двух последовательно проведенных исследований позволяет избежать случайных разногласий, погрешностей и нейтрализовать их влияние на конечный результат измерений. Дополнительное повышение точности измерений достигается предотвращением оказания воздействия остаточного воздуха в испытательной камере за счет его выпуска перед постепенным увеличением давления жидкости. В отношении установки техническим результатом является повышение точности определения давления гидропрорыва цементного камня благодаря оборудованию установки устройством обработки информации, соединенным с датчиком давления, установленным на испытательной камере, и гидравлическим насосом. Такое устройство позволяет отслеживать изменения значения давления жидкости непосредственно в испытательной камере, контролировать режим работы гидравлического насоса и нагревателей. Выполнение этого устройства в виде компьютера (например, ноутбука) позволяет использовать для контроля параметров работы установки широкий спектр программного обеспечения, разработанного для популярных операционных систем. Дополнительное повышение точности визуального определения момента гидропрорыва обеспечивается благодаря размещению выходных отверстий задней торцевой крышки испытательной камеры вдоль ее периметра. Поскольку гидропрорыв происходит в зоне контакта цементного камня со стенками испытательной камеры, и на задней торцевой крышке жидкость появляется именно вдоль ее периметра,то размещение выходных отверстий вдоль этого периметра позволяет обеспечить ее беспрепятственный выход. Таким образом, становится возможным увидеть появление жидкости непосредственно в момент гидропрорыва. Дополнительно повышается точность проведения измерений благодаря исключению фактора влияния имеющегося в испытательной камере воздуха, что становится возможным благодаря оснащению передней торцевой крышки дополнительным отверстием для выпуска воздуха. Становится возможным проведение измерений давления гидропрорыва цементного камня в условиях, максимально приближенных к реальным условиям скважины, что достигается оснащением испытательной камеры нагревателями, которые имитируют температурные условия в скважине. Осуществление способа возможно с помощью установки, конструкция которой приведена на чертежах. На фиг. 1 - общая схема установки; на фиг. 2 - испытательная камера (продольный разрез); на фиг. 3 - испытательная камера с установленным сердечником (продольный разрез); на фиг. 4 - вид передней торцевой крышки испытательной камеры; на фиг. 5 - вид задней торцевой крышки испытательной камеры; на фиг. 6 - график изменения давления при проведении исследований (аппроксимированная кривая). Установка для определения давления гидропрорыва цементного камня содержит последовательно соединенные трубопроводами 1 гидравлический насос 2, испытательную камеру 3 в виде полого цилиндра с передней 4 и задней 5 торцевыми крышками. Установка оборудована устройством обработки информации, выполненным в виде компьютера 6, который соединен с гидравлическим насосом 2. Выходные отверстия 7 задней торцевой крышки 5 расположены вдоль ее периметра. Передняя торцевая крышка 4 имеет три отверстия, а именно: отверстие, к которому присоединен датчик давления 8, отверстие,соединенное с патрубком 9 для выпуска воздуха, и входное отверстие, соединенное с патрубком 10 для подачи жидкости. Датчик давления 8 оборудован электронным интерфейсом и соединен с компьютером 6. Испытательная камера 3 оборудована нагревателями 11, соединенными с компьютером 6. Установка также оборудована фильтром 12, ресивером 13, предохранительным клапаном 14, краном 15 и манометром 16. Испытательная камера может содержать установленный сердечник 17, как показано на фиг. 3. Перед началом работы в испытательной камере 3 формируют образец цементного камня. Для этого с испытательной камеры 3 снимают переднюю 4 и заднюю 5 торцевые крышки с отверстиями, заменяя их временными сплошными крышками (на чертежах не показаны). В случае необходимости в середину камеры 3 устанавливают сердечник 17. Заливают цементный раствор в испытательную камеру 3. Закрывают испытательную камеру 3 сплошными крышками с обоих торцов и оставляют ее до полного затвердения раствора. Затем снимают временные сплошные крышки и устанавливают на испытательную камеру 3 с размещенным внутри нее образцом цементного камня верхнюю торцевую крышку 4, нижнюю торцевую крышку 5 и подключают к испытательной камере 3 датчик 8 и трубопровод 1 для подачи жидкости через патрубок 10. Как жидкость в установке используют специально подготовленный раствор,содержащийся в емкости (на чертежах не показана), или водопроводную воду. Включают компьютер 6, открывают кран 15 и запускают гидравлический насос 2, который начинает подавать жидкость по трубопроводу 1 в испытательную камеры 3. В начале работы выпускают воздух из испытательной камеры 3 через патрубок 9. Далее программно с помощью компьютера 6 и соединенного с ним датчика 8 устанавливают и контролируют необходимые значения температуры испытательной камеры 3 и давления в ней, выбирая соответствующий режим работы нагревателей 11 и гидравлического насоса 2. Постепенно увеличивая давление жидкости в испытательной камере 3 достигают такого его значения, при котором происходит гидропрорыв цементного камня. На основании значений давления в испытательной камере 3, полученных датчиком 8, с помощью компьютера 6 и установленных на нем программных средств строят аппроксимированную кривую изменения давления во времени, которая отображается на мониторе компьютера 6. В момент гидропрорыва цементного камня внутри испытательной камеры 3 кривая давления на мониторе компьютера 6 изменяется и вместо роста выходит на плато, отражая постоянное значение давления в камере 3. Это значение давления и является давлением гидропрорыва. В момент гидропрорыва происходит выход жидкости через отверстия 7 задней торцевой крышки 5, что может быть зафиксировано оператором визуально. После начала выхода жидкости с помощью компьютера 6 и подключенного к нему гидравлического насоса 2 давление снижают до первоначального значения и вновь проводят его постепенное снижение до момента гидропрорыва, как описано выше. Полученные в первом и втором исследовании значения давлений гидропрорыва усредняют, получая окончательный результат. При необходимости количество исследований может быть больше двух. В процессе работы установки фильтром 12 очищают рабочую жидкость от посторонних примесей,используя ресивер 13 избавляются от гидравлических пульсаций в трубопроводе 1, вызванных работой гидравлического насоса 2, а с помощью клапана 14 предотвращают чрезмерное превышение давления в трубопроводе 1, исключая создание аварийной ситуации. Давление в трубопроводе 1 контролируют с помощью манометра 16. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ определения давления гидропрорыва герметичной зоны контакта цементного камня со стенками испытательной камеры, включающий размещение цементного камня в испытательной камере,подачу гидравлическим насосом жидкости в испытательную камеру, постепенное увеличение давления жидкости в испытательной камере, визуальное наблюдение за выходом жидкости из испытательной камеры и наблюдение за изменением давления, который отличается тем, что перед постепенным увеличением давления жидкости из испытательной камеры выпускают воздух, наблюдение за изменением давления и контроль работы гидравлического насоса осуществляют с помощью устройства обработки информации, по полученным и обработанным устройством данным строят аппроксимированную кривую изменения давления во времени, а давление гидропрорыва определяют по точке выхода построенной кривой на плато, усредняя данные не менее двух последовательно проведенных исследований. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве устройства обработки информации используют компьютер. 3. Установка для реализации способа по п.1, содержащая последовательно соединенные трубопроводами гидравлический насос, испытательную камеру в виде полого цилиндра с передней и задней торцевыми крышками, оборудованными входными и выходными отверстиями, и датчик давления для измерения давления жидкости в испытательной камере, отличающаяся тем, что установка оборудована устройством обработки информации, соединенным с датчиком давления, установленным на испытательной камере, и гидравлическим насосом, выходные отверстия задней торцевой крышки расположены вдоль ее периметра, а передняя торцевая крышка содержит дополнительное отверстие для выпуска воздуха. 4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что устройство обработки информации выполнено в виде компьютера. 5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что испытательная камера оборудована нагревателями, соединенными с устройством обработки информации.