NL8004390A

NL8004390A - Werkwijze en inrichting voor niet-destructief beproeven van cement.

Info

Publication number: NL8004390A
Application number: NL8004390A
Authority: NL
Original assignee: Halliburton Co
Priority date: 1979-10-01
Filing date: 1980-07-31
Publication date: 1981-04-03
Also published as: DE3034642A1; GB2059588B; NO802201L; GB2059588A; IT8024220A0; BR8006271A; AU6255780A; US4259868A; IT1132436B; NL186115C; CA1140248A; AU536005B2; DE3034642C2; NL186115B

Description

“ - 1 i , 4

Werkwijze en inrichting voor niet-destructief beproeven van cement

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en op een inrichting voor het beproeven van de druksterkte van cement en van cementbrij-mengsels. In het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een niet-destructieve werkwijze en inrichting voor het beproeven van monsters van dergelijke cement-brijmengsels en van cement.

Tot nu toe is het onnoodzakelijk gebleken teneinde de druksterkte van cement te bepalen als een functie van het tijdsverloop om een aantal monsters van de cement en kleine proefcilinders 10 of blokjes te vervaardigen en vervolgens op destructieve wijze een reeks van deze monsters als een functie van het tijdsverloop naarmate de cement harder werd te beproeven, of tewel te breken. Bij het beproeven van charches cement op deze manier is het noodzakelijk gebleken omdat de cement kan uitharden bij een hoge temperatuur en 15 druk zoals deze optreden in een boorput, de monsters van de cement uit de situatie van hoge temperatuur en druk weg te halen teneinde de breekproef op de druksterkte-meetmachines die voor dit doel nodig zijn, uit te voeren. Aldus is tot nu toe de werkelijke uitvoering van de beproeving van de cementmonsters gewoonlijk bij kamertemperatuur 20 en bij: atmosferische druk uitgevoerd in plaats van bij de werkelijke temperatuur en druk die optreden in een boorputgat.

Het zal duidelijk zijn dat deze bekende werkwijzen voor het beproeven van de druksterkte van cement als een functie van het tijdsverloop vele tekortkomingen vertenen. Bijvoorbeeld kunnen 25 de uit een bepaalde chaiche cement getrokken monsters voor het vormen van de voor een dergelijke beproeving nodige cilinders niet uniform blijken te zijn. Zo zou ook het aan de situatie van hoge temperatuur en druk onttrekken van de monstercilinders om deze te beproeven bij at- 8004390 -- . 2 mosferische druk en kamertemperatuur de fysische eigenschappen van de cement kunnen veranderen, dat wil zeggen juist de eigenschappen die worden moeten/gemeten. Bovendien is een dergelijke beproeving ongemakkelijk, omslachtig en tijdverslindend.

5 De tijd die een voor het cementeren van een olie- put of een gasput gebezigde brij nodig heeft voor het bereikerytan een aanvankelijke harding en voor het ontwikkelen van een bruikbare druksterkte is een belangrijke parameter bij het opstellen van een tijdschema voor verdere boorhandelingen of voor het voltooien van de 10 put. Bijvoorbeeld is het voor handelingen zoals het meten van de temperatuur in het boorgat om de bovenkant van een cementkolom te bepalen, het onderzoeken van cementbindingen teneinde een cementering te waarderen, het voortzetten voor het boren na het plaatsen van tussenbuizen of van verloren verhuizingen, het perforeren van 15 productiezones of het uitvoerden van een schoonmaakbehandeling en van een put-stimuleringsbehandeling na een handeling als een perscementatie, kennis van de druksterkte en van de uithardbegintijd van de cementbrij die wordt gebruikt, nodig.

Zonder betrouwbare gegevens omtrent het begintijdstip 20 van het uitharden en omtrent de druksterkte kunnen temperatuurmetingen en cementbindingsmetingen te vroeg worden uitgevoerd of onnodig worden opgehouden. Het voortzetten van het boren in een putboorgat kan eveneens hetzij prematuur of later dan nodig worden uitgevoerd. Indien een schoonmaak- en stimuleringsbehandeling van de put te vroeg na 25 een perscementatie worden uitgevoerd, kunnen communicatieproblemen tussen zones ontstaan. Zo is ook gebleken dat het perforeren van de put gedurende de eerste fasen van de ontwikkeling van de druksterkte van de cementbrij rondom een boorgatbuis kan resulteren in nettere perforaties met minder verbrokkeling en met een betere zóne -isolatie. 30 Uit deze voorbeelden kan blijken dat een nauwkeurige kennis van de begintijd van het harden en van de ontwikkeling van de druksterkte van de cementbrij die wordt gebruikt bij het voltooien van een put of een behandeling daarvan, noodzakelijk is voor het uitvoeren van de hierboven genoemde soort behandelingen op het optimale tijdstip 35 teneinde onnodige vertragingen te vermijden.

8004390 C 4 ·' - 3

De uitvinding verschaft een werkwijze en een inrichting voor het op niet-destructieve wijze beproeven van monsters van een cementbrij om zo informatie te verschaffen betreffende de begintijd van het uitharden van de brij en de ont-5 wikkeling van de mechanische druksterkte van de brij als een functie van het tijdsverloop. Een autoclaaf waarvan de temperatuur en de druk worden bestuurd, vormt de behuizing van een klein, cilindervormig monster van de cementbrij die moet worden beproefd, en handhaaft een hoge temperatuur en hoge druk zoals deze voor het monster 10 gedurende de beproeving worden verlangd. Aan tegenover elkaar gelegen uiteinden van het monster in de autoclaaf zijn elementen voor het omzetten van ultrasone golven aangesloten. De omzetter die de golven uitzendt; wordt periodiek aangedreven met een puls en de looptijd van het ultrasone signaal van-af de uitzendende omzetter naar de ont-15 vangende omzetter wordt periodiek gemeten. Een geheel geautomatiseerd electronisch stelsel is aanwezig voor het verkrijgen van de looptijd-metingen.

Wanneer eenmaal de looptijdmetingen zijn gedaan wordt gebruik gemaakt van een vooraf bepaalde, empirisch afgeleide betrekking 20 die de aanvankelijke uithardtijd en de druksterkte van het monster als een functie van de looptijd van de ultrasone golven door het monster bepaalt. Een tijdregistratie van de looptijd en van de berekende druksterkte kan worden gemaakt door de proef voortdurend te herhalen als functie van het tijdsverloop . Het stelsel volgens de uitvinding 25 is aldus uitgerust voor het verkrijgen van een complete historie van de aanvankelijke uithardtijd en van de druksterkte als eigenschappen van de cementbrij die wordt onderzocht, en wel als functie van het tijdsverloop. Deze informatie kan worden weergegeven, hetzij in de vorm van een grafiek of anders door middel van digitale uitlezingen.

30 Het stelsel is voorts geschikt voor het uitvoeren van dergelijke niet- destructieve metingen van de sterkte-eigenschappen van cementmonsters aan een aantal cementmonsters tegelijkertijd.

Verdere voordelen van de uitvinding zullen blijken uit de hierna volgende beschrijving in bijzonderheden die verwijst 35 naar een tekening.

8004390 ·' - b

Fig. 1 is een blokschema dat een enkel kanaal laat zien van een uitvoeringsvorm van een stelsel volgens de uitvinding.

Fig. 2 geeft een schematische voorstelling van het verloop van een signaal, namelijk van het ontvangen akoestische signaal 5 dat door een cementmonster heen is uitgezonden.

Fig. 3 is een grafische voorstelling die een gegeneraliseerde betrekking tussen de druksterkte van cementmonsters en de looptijd van een ultrasoon signaal daardoor heen laat zien.

Fig. 1* is een grafische voorstelling die een typische 10 uitkomst van de meting van de druksterkte van het monster en van de looptijd van een ultrasoon signaal daardoorheen, beide als functie van het tijdverloop, laat zien.

Fig. 5 geeft een grafische voorstelling die de verandering van de looptijd van het ultrasoon signaal door een monster 15 als functie van de uithardtijd van de cement toont.

Fig. 6 geeft een perspectivische schets die de configuratie laat zien van een cement—analyse stelsel volgens de uitvinding ,

Fig. 7 is een blokschema dat een enkel kanaal laat 20 zien van een ander, uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding.

Fig. 8 geeft een schematische voorstelling van het verloop van een signaal die het ontvangen akoestische signaal in samenhang met de tijdpoortinrichting van de uitvoering volgens fig. 7 laat zien.

25 Bij de beschrijving van een voorkeursuitvoering van de uitvinding die nu volgt, kan worden vooropgesteld dat het niet-destructieve beproevingsstelsel volgens de uitvinding is gebaseerd op de meting van de looptijd van een ultrasoon signaal dat door een monster cement of cementbrij waarvan de eigenschappen 30 moeten worden gemeten, heen wordt gevoerd. Een zeer nauwkeurige ge generaliseerde betrekking voor het met elkaar in verband brengen van de druksterkte van cementmonsters met de looptijd van een hoeveelheid ultrasone energie daardoorheen, werd ontwikkeld. Een techniek voor het nauwkeurig meten van de verandering van de doorlooptijd door een 35 cilindervormig cementmonster van 5 cm heen over een zeker tijdsinter- 8004390 t * " ; 5 val en het daardoor verzamelen van een registratie van de hi storie van de sterkte van het monster wordt in het stelsel volgens de uitvinding verkregen.

De doorlooptijd van een ultrasoon signaal over een 5 afstand van 5 cm in een cementmonster kan van 30 tot Uo microseconden duren tijdens de eerste stadia van de ontwikkeling van de druksterkte en zal afhemen tot ongeveer 10 tot 12 microseconden gedurende de laatste stadia van de ontwikkeling van de sterkte. Metingen van de doorlooptijd van het ultrasone signaal door het monster heen maken het 10 detecteren van zwakke binnenkomende signalen gedurende de eerste stadia van de ontwikkeling van de druksterkte noodzake^ijk. Het stelsel poogt de doorlooptijd aankomst van de eerst ontvangen piek van de ultrasone golf die het monster doorloopt, te meten met een nauwkeurigheid van ongeveer plus of minus 30 graden. Een scheidend 15 vermogen venr de detectie ten bedrage van \% vergt dus voor een doorlooptijd van 30 microseconden het detecteren van de ontvangen ultrasone energie-puls met een nauwkeurigheid van ongeveer plus of minus 0,3 microseconden. Bij het vertalen van dit gegeven in een toelaatbare detectiefout van ongeveer plus of minus 30 graden van de 20 eerste echte piek van het binnenkomende signaal is 0,3 microseconden equivalent met het gebruik van een frequentie voor het ultrasone signaal van ongeveer 277 kHz. Teneinde rekening te houden met tijd-afpassingsfouten in de apparatuur en fouten bij het tijdafpassen zelf maakt het stelsel volgens de uitvinding gebruik van een enigszins 25 hogere ultrasone frequentie van ongeveer ^00 kHz. Deze frequentie is voldoende groot gebleken te zijn om een overdracht van het ultrasone signaal te geven die betrouwbare detecteerbaarheid en scheidend vermogen te verschaffen voor de aankomst van de eerste piek gedurende de beginstadia van de ontwikkeling van de druksterkte.

30 Bovendien is een dergelijke frequentie verenigbaar met de meting van de aanvankelijke uithardtijd van een cementbrij. Voor dit doel moet de voor gebruik gekozen frequentie gering genoeg zijn om een detecteerbaar signaal door nog niet vast geworden brij heen te zenden (dat wil zeggen voldoend korte golflengte) om ongewenste 35 verstrooiing aan aggregaatdeeltjes in de brij te voorkomen, en tevens 8004390 - - 6 groot genoeg om te zorgen voor de verlangde nauwkeurigheid van de metingen van de doorlooptijd.

In fig. 6 zijn de componenten van een cement-analyse stelsel volgens de grondslagen van de uitvinding schematisch in zij-5 aanzicht getekend.Efen besturingscomputer 61 met geschiktheid om met meer kanalen te werken, is getekend in aansluiting aan een enkele autoclaaf 63 voor het meten van een monster. Het stelsel kan tot acht dergelijke autoclaven parallel en gg.ijktijdig hanteren. Eveneens aangesloten aan de besturingscomputer 61 is een digitaal uitgevoerde 10 plotter 62, De besturingscomputer 61 is voorzien van een toetsenbord 68 voor het invoeren van een data en van opdrachtfuncties in het stelsel.

De besturingscomputer is voorzien van zeven digitale uitleesschemen 69, T0, 71, 72, 73, Then 75. Het uitleesscherm 69 15 vertoont de aanvankelijke uithardtijd van een bepaald cementmonster.

Het scherm 70 geeft een digitale aflezing van de tijd die nodig is voor het bereiken van een willekeurig programmeerbare waarde van de druksterkte die met sterkte 1 wordt aangeduid. Zo vertoont het scherm 71 de tijd die nodig is voor het bereiken van een willekeurig pro-20 grammeerbare waarde van de sterkte die sterkte 2 wordt genoemd. Het scherm 72 vertoont de waarde van sterkte 1 in eenheden voor de druk.

Het digitale scherm 7^ toont de waarde van sterkte 2 in eenheden voor de druk. Deze programmeerbare waarden van de sterkte die moeten worden bereikt, zijn de waarden die worden aangegeven door de tijd-25 aanwijzers 70 en 71. Het digitale weergeefscherm 73 vertoont de actuele gemiddelde waarde van de druksterkte van een cementmonster. Tenslotte laat het digitale scherm 75 de ultrasone doorloopt!jdwaarde zien die op dat moment voor een bepaald cementmonster is gemeten. De op enig tijdstip getoonde num^erieke waarden hebben betrekking op een bepaald 30 gekozen kanaal van het stelsel.

Een weergeefpaneel 77 geeft de toestand van een kanaal voor elk van de acht mogelijke kanalen die kunnen zijn aangesloten aan de besturingscomputer 61. Met behulp van licht uitzendende diodes wordt de actuele toestand van gegevens in elk kanaal getoond. Het kanaal 35 dat is gekozen, laat de numerieke waarden die behoren bij het monster 8004390 *' * 7 ί * in dat kanaal, zien in de digitale weergeefschennen die hiervoor zijn genoemd. De keuze van een bepaald kanaal voor de aflezing wordt bewerkstelligd door middel van het invoeren van gegevens vanuit het toetsenbord 68.

5 De cementmonsters die worden geanalyseerd, zijn ondergebracht in een van de acht mogelijke autoclaven die zijn aangesloten aan de kanalen van de besturingscomputer 61. In fig. 6 is een typerende autoclaaf 63 getekend. De autoclaaf 63 is voorzien van een drukvat 6U dat het cementmonster dat wordt geanalyseerd, zou bevatten 10 en bovendien nog de ultrasone omzetters ( niet getekend) die akoestisch zijn gekoppeld met het monster tijdens de analyse. Het cementmonster wordt ingebracht in een drukkamer 6h die vervolgens wordt gestoken in een opening 6ka in het bovenblad van de autoclaaf 63 waar het wordt aangesloten aan de drukleiding 6Ub. De drukmeter 67 op de voor-15 kant van de autoclaaf meet de druk die op het monster in de drukkamer 6h wordt uitgeoefend. De snelheid waarmee de temperatuur van het monster in de drukkamer 6h toeneemt, wordt geregeld door middel van een bedieningsknop 66 voor een variabele transformator op de voorkant van de autoclaaf 63 die de stroom door een daar binnen in aanwezige 20 verwarmingswikkeling (niet getekend) regelt. De temperatuur die aan het drukvat in de autoclaaf zelf wordt gemeten, wordt gecontroleerd door een temperatuurcontrole-eenheid 65 en daarmee zichtbaar gemaakt, eveneens op de voorkant-van de autoclaaf-eenheid 63. Druk voor het onder druk brengen van de drukkamer 6h wordt geleverd via een aansluiting 25 6?a naar buiten op de voorkant van de autoclaaf 63. Aldus wordt een monster van de cement of de brij dat moet worden geanalyseerd, in het drukvat 6k ingebracht, waarna dit drukvat in de opening 6ka in de autoclaaf wordt gestoken en de temperatuur van het drukvat wordt gecontroleerd via de temperatuurregeling 65 en 66. Tot acht van 30 dergelijke autoclaven worden zo aangesloten aan de besturingscomputer 61 die hetVv°Surend uitvoeren van metingen tot stand brengt.

De resultaten van de metingen aan een bepaald monster kunnen worden uitgezet op een digitale plotter 62 zoals in fig.

6 is getekend. Een verplaatsbare electromechanische schrijfkop 76 35 die wordt aangedreven door de besturingscomputer 61, kan worden ge- 800 43 90 . . 8 bruikt voor het tekenen van de grafieken van druksterkte en doorlooptijd als functie van de tijd terwijl een proef in een bepaald monster-kanaal wordt uitgevoerd. Fig. h toont met meer bijzonderheden een typische grafiek van de doorlooptijd en de sterkte-van een monster 5 als functie van het tijdsverloop en is identiek met de grafiek die in fig. 6 is getekend op de digitale plotter 62. Zoals in fig. h bijvoorbeeld kan worden waargenomen neemt terwijl de doorlooptijd van akoestisch signaal door het monster heen als functie van de tijd afneemt, de druksterkte van het monster (uitgedrukt in drukeenheden) 10 toe. Het zal duidelijk zijn dat tot en met acht dergelijke grafieken kunnen worden vastgelegd voor de acht afzonderlijke kanalen van het meetstelsel volgens de uitvinding.

In fig. 3 is een proefondervindelijk verkregen grafische voorstelling getekend die de betrekking tussen de druk-15 sterkte in drukeenheden van cementmonsters als functie van de door looptijd van een ultrasoon signaal laat zien. De door de punten in de fig. 3 die de verkregen gegevens voorstellen, getrokken lijn kan worden uitgedrukt door een wiskundige vergelijking die bruikbaar is voor de besturingscomputer van het stelsel. De grafische voorstelling 20 in fig. 3 toont de resultaten van metingen van de druksterkte die zijn uitgevoerd aan cement van verschillende dichtheid en chemische samenstelling in even zo veel monsters welke chemische samenstellingen en dichtheden typerend zjji voor toepassing bij het werken in een olieveld. Terwijl de gegeneraliseerde grafische voorstelling in fig. 3 25 van voldoende nauwkeurigheid is om te worden gebruikt bij cementerings- toepassingen in olievelden kan indien nauwkeurige resultaten worden verlangd een dergelijke ijkkromme voor een bepaald type cement worden verkregen en daarvoor in de plaats worden gesteld. Aldus blijkt dat door een grafische voorstelling af te leiden zoals die volgens fig. 3 dat, 30 indien de doorlooptijd voor een ultrasoon signaal door een monster heen nauwkeurig kan worden gemeten, deze in verband kan worden gebracht met de druksterkte van de cement al naarmate de doorlooptijd veranderd tijdens het uithardingsproces.

Fig. 5 laat een techniek zien voor het vast-;3 stellen van de beginui thardty d van een cementmonster.

800 4390 - - 9 Μ Λ

Het cementmonster dat wordt geanalyseerd, wordt ingébracht in het drukvat 6b in fig. 6 in de vorm van een brij. De aanvankelijke uithardtijd van de cementbrij wordt gedefinieerd als het tijdstip waarop de brij vast is geworden^inf|odanige mate dat 5 de druksterkte een waarde van ongeveer 50 psi^ (350 kPa). De in fig. 5 getekende grafische voorstelling laat de eigenschappen zien van twee verschillende soorten cement die typerend zijn voor gebruik in olie-puttoepassingen. De in fig. 5 toegelichte monsters zijn bij verschillende temperaturen gemeten. De horizontale stippellijn bij een waarde 10 van ongeveer 15,2 microseconden per inch doorlooptijd (komt overeen met 6 microseconden per cm) representeert een waarde van ongeveer 50 psi (350kPa) volgens de in fig. 3 getekende grafiek. Uit fig. 5 blijkt dat een van de twee beproefde cementen zijn aanvankelijke uithardtijdwaarde bereikt ongeveer 3 uur en 50 seconden na het begin 15 van de jjroef. De andere cement die wordt beproefd volgens fig. 5* bereikt deze sterktewaarde pas na ongeveer 10 uur en 15 minuten na het begin van de proef. In beide gevallen echter treedt de aanvankelijke uithardtijd die kan worden vertoond op het digitale weergeefscherm van de besturingscomputer 61 in fig. 6, op wanneer het brijmengsel 20 een druksterkte van ongeveer 50 psi (350 kPa) heeft bereikt. Een meting van de waarde van de aanvankelijke uithardtijd zal onmogelijk kunnen zijn uitgevoerd onder beheerste omstandigheden van temperatuur en druk met een tot nu toe bekende techniek. Echter met gebruikmaking van het stelsel volgens de uitvinding worden dergelijke metingen be-25 trekkelijk gemakkelijk verkregen.

In fig. 1 en fig, 2 wordt een meetstelsel voor een enkel kanaal voor het meten van de doorlooptijd van een ultrasoon signaal door een cementmonster heen en voor het weergeven van de verkregen meting van de druksterkte schematisch in de vorm van een 30 blokschema voorgesteld. Fig. 2 toont schematisch een typerende spannings- signaalvorm die afkomstig is uit de ultrasone ontTOgeromzetter en die is weergegeven als functie van de tijd. Het stelsel kan het best worden begrepen door verwijzing naar deze twee figuren waarbij deze in samenhang met elkaar worden bezien.

35 In fig. 1 is het deel van het meetstelsel dat zich 80 0 4 3 90 10 bevindt in de autoclaaf-eenheid links van de verticale stippellijn.

Het gedeelte van het meetstelsel in de besturingscomputer bevindt zich rechts van de verticale stippellijn. Een monster van de cement waarvan de sterkte-eigenschappen moeten worden onderzocht als een 5 functie van de tijd, is akoestisch gekoppeld met een zenderomzetter 14 en met een ontvangeromzetter 16 in de autoclaaf-eenheid. Deze omzetters bestaan uit piezo-electrische kristallen met een centrale werkfrequentie van U00 kHz, zoals hiervoor is besproken. Een drukregel· stelsel 1? en een temperatuurregelstelsel 18 van gebruikelijke uit-10 voering werken op het monster 15 om dit op een vooraf bepaalde tempe ratuur en druk tijdens het verloop van de proef te houden. Wanneer de uitzendende omzetter 1U wordt bekrachtigd, wordt een signaal in een bepaalde vorm uitgezonden door een proefmonster heen en door de ontvangeromzetter 16 ontvangen. Vanuit de ontvangeromzetter 16 wordt 15 een signaalanaloog aan de in fig. 2 voorgestelde signaalvorm, toege voerd aan een ingang van een vergelijkingsorgaan 19· Aan de tegengestelde ingang van het vergelijkingsorgaan 19 wordt vanuit de be-sturingscomputer een referentiespanning aangevoerd. De referentie-spanning die aan het vergelijkingsorgaan 19 wordt toegevoerd, wordt 20 opgewekt in digitale vorm door middel van een referentiespanning- programma 28 en geconverteerd naar analoge vorm via een digitaal/analoog-omzetter (DAC) 21 alvorens aan het vergelijkingsorgaan 19 te worden toegevoerd. Het besturingsprogramma dat de referentiespanning opwekt, zal hierna verder worden toegelicht. Hier is het voldoende te zeggen 25 dat de aan het vergelijkingsorgaan 19 toe-gevoerde referentiespanning de signaaldrempel bepaalt, voor het detecteren van de aankomst van het signaal in de ontvangeromzetter 16 uit de zenderomzetter 1^ nadat het signaal het monster van de cement die moet worden geanalyseerd, heeft doorlopen.

30 In de besturingscomputer levert een klok-oscillator 11 met een frequentie van 20 MESS signalen aan een synchronisatie-pulsgenerator 12, aan een teller 22 en aan een programma 2k dat de doorlooptijd meet en deze omzet in druksterkte voor het cementmonster.

De synchronisatiepulsgenerator 12 die kan bestaan uit een delerketen 35 of dergelijke, levert synchronisatiesignalen aan de teller 22 en, via 8004390 > 11 een poort 29, aan een pulsvormer 13 die zich bevindt in de autoclaaf-eenheid. Invoer-commandos afkomstig van de operateur van het stelsel, worden via een toetsenbord 26 en een besturingsprogramma 27 aan het weergeefsysteem 25 en het meetprogramma 2b toegevoerd. Tot deze 5 commandos behoort invoer-informatie wat betreft de waarde van sterkte 1 en sterkte 2, de twee programmeerbare waarden van de sterkte waarvan het bereiken zal resulteren in het weergeven van een tijd op het digitale scherm zoals met betrekking tot fig. 6 als is besproken.

Zo kunnen ook via het toetsenbord 26 commandos voor het veranderen 10 van de weergeefwaarden van kanaal tot kanaal of voor het veranderen van de statüs . van een proef in een bepaald kanaal worden ingevoerd.

In de praktijk is de besturingscomputer geprogrammeerd om rond te gaan van kanaal tot kanaal en metingen uit te voeren van de doorlooptijd van het ultrasone signaal door het monster in elk 15 kanaal. Een volledige rondgang door alle meetkanalen wordt eenmaal per 10 seconden gedurende het proces uitgevoerd. De laatst gemeten doorlooptijd in elk kanaal wordt gemiddeld met eerdere waarden na de digitale filtering in elke rondgang van de besturingscomputer.

20 In bedrijf wordt aan het begin van elke meetcyclus in een gegeven kanaal voor dit kanaal een ruisniveau vastgesieLd op de volgende wijze. Het meetprogramma 2b geeft via het referentie-spanningprogramma 28 opdracht tot een reeks initiesLe referentie-spanningen. De pulsvormer 13 wordt via de poort 29 gedurende deze 25 reeks geblokkeerd. Deze referentiespanningen beginnen bij een hoge waarde en worden stapsgewijs verlaagd tot een ruisdrempelspanning zoals in fig. 2 weergegeven, wordt bereikt. Op dit punt aangekomen z^al het vergelijkingsorgaan 19 in het stelsel electrische ruis detecteren die een waarde van de referentiespanning overtreft. Dit 30 bepaalt de ruisdrempelspanning. Wanneer dit gebeurt genereert het vergelijkingsorgaan 19 een uitgangspuls naar de pulsgenerator 20 die een signaalpuls levert aan het besturingsprogramma 27 in de besturingscomputer. Wanneer aldus het heersende ruisniveau is vastgesteld geeft het besturingsprogramma 27 de poort 29 vrij om synchroni-satiepulsen vanuit de synchronisatiepulsgenerator 12 door te laten 35 naar de pulsvormer 13. Bij de volgende cyclus krijgt de synchronisatie- 8004390 - . 12 pulsgenerator 12 gelegenheid de pulsvormer 13 in de autoclaaf een signaal te geven. De pulsvormer 13 stoot de zendende omzetter aan met een spanningspuls die ultrasone energie vanuit de zendende omzetter 1U genereert. De ultrasone energie loopt door het monster 5 15 naar de ontvangende omzetter 16. Tegelijk met het geven van een signaal aan de pulsvormer 13 wordt aan een teller 22 een terugstel/ startpuls geleverd. Deze start-puls brengt de teller 22 in de toestand waarin wordt begonnen met het tellen van de uit de klok-oscillator 11 afkomstige signalen met een frequentie van 20 MHZ.

10 Bij het aanstoten van de pulsvorm 13 brengen het besturingsprogramma 27 en het meetprogramma 2b in samenwerking een signaaldetectie-kriterium tot stand. Een signaaldetectie-niveauspanning wordt tot stand gebracht door een vooraf bepaalde signaalruis-verhoudingsspanning op te tellen bij de referentiespanning die aan het vergelijkingsorgaan 19 wordt 15 toegevoerd om zo de ruis-referentiedrempelvaarde te bepalen. Typerend is de signaalruis-verhouding die nodig is voor de detectie van de aankomst van een signaal, tussen 15 en 75 dB groter dan de ruisdrempelwaarde die zojuist is gedefinieerd. Wanneer dus het ultrasone signaal vanuit de zender 1U de ontvanger 16 bereikt, wordt een spanningssignaal h,eeft 20 opgewekt dat de vorm ivan het signaal in fig. 2. De eerst binnengekomen golf bereikt het vergelijkingsorgaan 19. Wanneer het spanningsniveau afkomstig van de ultrasone ontvanger 16 de drempelspanning die wordt geleverd vanuit het referentiespanningsprogramma 28 (via DAC 21) overtreft, levert het vergelijkingsorgaan 21 een uitgangssignaal. Het uit-25 gangssignaal vanuit het vergelijkingsorgaan 19 wordt toegevoerd aan een pulsgenerator 20 die een stoppuls uitzendt naar de teller 22 in de computer. De stoppuls stopt de teller 22 bij de waarde van de tijd die '.t is verlopen sinds het aanstoten van de akoestische zender/omzetter.

De teller 22 zal aldus een binair getal bevatten dat representatief is 30 voor de looptijd van de akoestische golf door het monster 15. Dit getal wordt weggezet in het DT-register 23 en wordt daardoor toegankelijk gemaakt voor het meetprogramma 2b.

Het meetprogramma 2k voert een logische filtering uit op de looptijd om er voor te zorgen dat deze een redelijke vaarde 35 heeft bij vergelijking met de eerder bepaalde looptijd bij gelegenheid 8004390 13 van een eerdere meting. Het meetprogramma 2k converteert vervolgens met gebruikmaking van de vergelijking die de grafiek in fig. 3 voorstelt, de meting van de doorlooptijd in de actuele druksterkte van het cementmonster dat wordt onderzocht. Deze waarde kan vervolgens 5 worden ingevoerd in het weergeefsysteem 25. Het weergeefsysteem 25 houdt een lopend gemiddelde bij van de laatste metingen van de doorlooptijd. Dit gemiddelde wordt vertoond via de digitale uitlezing van het frontpaneel van de besturingscomputer en kan ook worden toegevoerd aan de eerder in verband met fig. 6 besproken digitale 10 plotter.

In fig. 7 en fig. 8 is in de vorm van een blokschema een andere uitvoering van de cement-analysator volgens de uitvinding getekend. Fig. 8 toont schematisch een typerende spanningssignaalvorm afkomstig uit de ultrasone als zender en ontvanger dienende 15 omzetter volgens fig. 7» als functie van de tijd. Het stelsel volgens fig. 7 kan het best worden begrepen door de fig. 7 en 8 samen te bespreken.

In fig. 7 is het deel van het meetstelsel dat zich bevindt in de autoclaaf-eenheid links van de verticale stippellijn.

20 Het gedeelte van het meetstelsel dat zich in de besturingscomputer bevindt, is rechts van de verticale stippellijn getekend. Een cementmonster 87 waarvan de sterkte-eigenschappen moeten worden geanalyseerd als een functie van de tijd, is akoestisch gekoppeld met een als zender en ontvanger dienende omzetter 86 in de autoclaaf-eenheid. Aan 25 de tegenovergelegen kant van het monster 87 is een reflecterend orgaan 88 van metaal aangesloten. In de uitvoering volgens fig. 7 zendt de omzetter 86 een zeer kort durende stoot ultrasone golven uit die door het monster 87 heen lopen in een richting van de omzetter 86 vandaan en vervolgens door de reflector 88 worden teruggekaatst, opnieuw door 30 het monster 87 heen. De teruggekaatste golven worden ontvangen in de omzetter 86 die op dit tijdstip werkzaam is als ontvanger.

De omzetter 86 kan bestaan uit een piezo-electrisch kristal met een centrale werkfrequentie van ongeveer UOO kHz, zoals eerder is besproken. Een drukregelsysteem 85 en een temperatuurregel-35 systeem 8k van een gebruikelijke uitvoering werken op het monster 87 800 43 90

iU

om dit op een vooraf bepaalde temperatuur en druk gedurende de gehele proef te houden.

Wanneer de omzetter 86 wordt aangestoten om een signaal uit te zenden loopt door het monster 87 in twee richtingen ultrasone 5 signaalenergie, Na door de reflector 88 te zijn teruggekaatst keert het ultrasone signaal naar de omzetter 86. Het signaal dat de vorm heeft als in fig. 8 is getekend, wordt vervolgens via een tijdpoort 89 aan een vergelijkingsorgaan 90 aangeboden. Aan de tegengestelde ingang van het vergelijkingsorgaan 90 wordt vanuit de besturings-10 computer een referentiespanning aangevoerd. De referentiespanning die aan het vergelijkingsorgaan 90 wordt aangevoerd, wordt opgewekt in digitale vorm door middel van een besturingsprogramma 97 en een programma 9Ö dat een referentiespanning in de besturingscomputer genereert. Het digitale uitgangssignaal van het programma 98 wordt 15 in analoge vorm geconvergeerd via een digitaal/analoog-omzetter (DAC) 99 alvorens het aan het vergelijkingsorgaan 90 wordt toegevoerd. Het besturingsprogramma 97 en het programma 98 dat tijdpoort- en re-ferentie-spanningen genereert, zal hierna nog in bijzonderheden worden toegelicht. De referential-spanning wordt echter door het 20 programma 98 opgewekt op dezelfde wijze als hiervoor is besproken met betrekking tot de fig. 1 en 2 en zal hier dus niet verder worden beschreven,

In de besturingscomputer volgens fig. 7 levert een klok-oscillator 81 met een frequentie van 20 MHz signalen aan een 25 synchronisatiepulsgenerator 82, aan een teller 92 en aan een programma 9^ dat de doorlooptijd van het ultrasone signaal door het cementmonster heen meet en de uitkomst omzet in een druksterkte om te worden vertoond voor aflezing. De synchronisatiepulsgenerator 82 die kan bestaan uit een delerketen of iets dergelijks, levert eveneens synchronise satiepulsen aan de teller 92 en aan een pulsvormer 83 die zich bevindt in de autoclaaf-eenheid. Bovendien levert de synchronisatiepulsgenerator 82 synchronisatiesignalen aan het programma 98 voor het genereren van poortsignalen die worden toegevoerd aan de tijdpoort 89 in de auto-claaf-eenheid. De tijdpoort89 wordt gebruikt voor het vermijden van 35 het binnen komen van storende, ruissignalen uit ruis die voorkomt in 8004390 15 de schakeling van de autoclaaf-eenheid of uit eventueel doorklinken van de omzetter 86 van de uitgezonden puls. in bedrijf heeft het programma 98 beschikbaar de eerdere gemiddelden van de doorlooptijd-waarden voor de ultrasone signalen die het monster 87 doorlopen, 5 zoals bepaald door het programma 95. Het programma 98 kent dus bij benadering de aankomsttijd die moet worden verwacht voor de volgende puls van de omzetter 86 aangezien deze waarde betrekkelijk langzaam als functie van de tijd zal veranderen. Bij ontvangst van de synchroni-satiepuls uit de synchronisatiepulsgenerator 82 brengt het programma 10 98 vervolgens de tijdpoort 89 in de omstandigheid dat de poort open gaat alleen na het voorbij gaan van een vooraf bepaalde tijdsduur die is gebaseerd op de laatste meting van de doorlooptijd.

Dit wordt in het bijzonder toegelicht in fig. 8.

Het programma 98 weet dat de vorige doorlooptijd DT werd gemeten als 15 uitkomst van de voorafgaande uitzending door de zenderomzetter. Bij de actuele uitzending door de zender wordt vervolgens de tijdpoort 89 in de toestand gebracht om open te zijn juist voorafgaand aan de verwachte doorlooptijdaankomst van de ultrasone-energie (dat wil zeggen een tijdsinverval St eerder). Aldus wordt de tijdpoort 89 in 20 de toestand gebracht voor het doorlaten van ultrasone energie-signalen uit de omzetter 86 alleen na verloop van een vooraf bepaalde tijd na de uitzending door de omzetter. Dit verhindert dat ruispiekjes of het rondzingen van de zender, zoals in fig. 8 aangegeven, ten onrechte het als detector werkende vergelijkingsorgaan 90 binnenkomen bij aan-25 komst van het ultrasone signaal dat aan de andere kant van het monster is teruggekaatst. Op deze wijze worden toevallige electrische ruissignalen of rondzingeffecten afkomstig van het uitzenden door de omzetter 86, niet door het vergelijkingsorgaan 90 gedetecteerd.

Bij het opengaan van de tijdpoort 89 worden de 30 ultrasone signalen toegevoerd aan het vergelijkingsorgaan 90 en ver geleken met de van de DAC 99 afkomstige referentiespanning die is bepaald zoals eerder beschreven. De aankomst van het gereflecteerde ultrasone signaal veroorzaakt een uitgangspuls uit het vergelijkingsorgaan 90 die aan de pulsgenerator 91 wordt toegevoerd. De pulsgene-35 rator 91 genereert vervolgens een stopsignaal dat wordt toegevoerd 8004390 16 aan de teller 92. De teller 92 is te voren in een beginstand gebracht door het opwekken van het synchronisatiepulssignaal afkomstig van de synchronisatiepulsgenerator 82 om vervolgens de uitgangssignalen van de klokoscillator 81 té tellen. Wanneer dus de teller 92 het stop-5 signaal ontvangt uit de pulsgenerator 91 bevat de teller 92 een binair getal dat rechtstreeks verband houdt met de doorlooptijd van de ultrasone energie door het monster 87 dat zich bevindt in deautoclaaf-eenheid, heen. Dit getal wordt weggezet in eenZiT register 93 en wordt daardoor toegankelijk gemaakt voor het meetprogramma 91*.

^ De werking van het besturingsprogramma 97» het toetsenbord 96, het meetprogramma 9^ en het weergeefsysteem 95 in fig. 7 is direct analoog aan die van de overeenkomstige componenten die hiervoor zijn besproken in verband met fig, 1.

Aldus wordt een tweede uitvoeringsvorm van de uit-15 vinding verschaft waarin gebruik wordt gemaakt van een enkele om zetter die als zender en als ontvanger werkt en van een reflector in plaats van dat gebruik wordt gemaakt van een afzonderlijke omzetter voor het uitzenden en een afzonderlijke omzetter voor het ont- · vangen.

20 · Ook kan de werking van de tijdpoort 89 volgens fig. 7 worden benut voor het beheersen van het ten onrechte aanslaan van de - ' " detectieketen als gevolg van ruis hetgeen zou kunnen gebeuren gedurende . . het tijdsverloop tussen het uitzenden door de zender en het ontvangen van het gereflecteerde signaal door de omzetter als ontvanger. Dit 25 principe is vanzelfsprekend eveneens toepasbaar op het stelsel volgens fig. 1 indien zulks wordt verlangd.

In bedrijf meet het stelsel tegelijk met het gebeuren de doorlooptijd van een ultrasoon signaal door een cementmonster gedurende een tijdsinterval dat tot 1000 uur kan oplopen. Aldus wordt een 30 complete historie verkregen van de druksterkte van het cementmonster onder beheerste omstandigheden van temperatuur en druk zoals die zich voordoen in een boorput. Het proces van het vaststellen van het ruisniveau en de doorlooptijd door het cementmonster heen wordt elke 10 seconden herhaald op elk van de in voorkomend geval acht parallelge-35 schakelde autoclaafkanalen in het hier beschreven stelsel. Aldus kunnen vel acht histories van ontwikkeling van de druksterkte in cement-monsters worden verkregen.

8004390

Claims

1. Stelsel voor het niet-destructief meten van de 5 druksterkte van een cementbrij-monster, gekenmerkt door een orgaan voor het daarin opnemen van het monster en voor het beheersen van de druk en de temperatuur van het monster,.een orgaan voor het genereren van een uitrasocn signaal dat met het monster wordt verbonden, een orgaan voor het meten van de doorlooptijd van het 10 ultrasone signaal door het monster heen en voor het genereren van een meetsignaal dat representatief is voor de doorlooptijd, een orgaan dat reageert op het meetsignaal om overeenkomstig een vooraf bepaalde betrekking die de doorlooptijd in verband brengt met de druksterkte, een signaal te genereren dat representatief is voor de druksterkte van 15 het monster, en een orgaan voor het registreren van het signaal dat de druksterkte voorstelt.

2. Stelsel volgens conclusie 1, gekenmerkt door een besturingsorgaan voor het besturen van het generatororgaan en het meetorgaan teneinde herhaaldelijk metingen van de doorlooptijd en de 20 druksterkte uit te voeren, en een orgaan voor het registreren van de hérhaalde metingen van de druksterkte als een functie van de tijd om daardoor een historie van de druksterkte van het cementmonster te verschaffen.

3. Stelsel volgens conclusie 2, gekenmerkt door een 25 orgaan voor het vergelijken van de zich herhalende meetsignalen met een willekeurig vergelijkingssignaal om vast te stellen wanneer het meetsignaal het niveau van het vergelijkingssignaal als functie van het tijdsverloop bereikt, en een orgaan voor het registreren van het tijdstip waarop dit vergelijkingssignaalniveau wordt bereikt,. 30 k. Stelsel volgens conclusie 3, met het kenmerk. dat het vergelijkingssignaal een signaal bevat dat representatief is voor de beginuithardtijd van het cementbrij-monster.

5. Stelsel volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het vergelijkingssignaal een signaal bevat dat representatief is 35 voor een willekeurige variabele sterkte van het cementbrij-monster. 8004390

6. Stelsel volgens conclusie 1. met het kenmerk, dat het orgaan voor het meten van de doorlooptijd van het ultrasone signaal een orgaan bevat voor het vaststellen van een ruisniveau-karakteristiek van het meetstelsel en een orgaan voor het detecteren 5 van het ogenblik waarop een ultrasoon signaal dat door het monster heen wordt uitgezonden, het ruisniveau met een vooraf bepaald gedrag overtreft.

7. Stelsel volgens conclusie 6, gekenmerkt door een tijdpoortorgaan dat reageert op eerdere doorlooptijdmetingen door een 10 monster om een tijdpoortontvangstinterval vast te stellen dat ver band houdt met de eerdere doorlooptijdmetingen en dient voor het aanvaarden van de binnenkomst van een ultrasoon signaal dat door het monster gaat.

8. Stelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk. 15 dat het orgaan voor het genereren van een ultrasoon signaal door het monster heen omvat een piezo-electrisch omzetterorgaan dat aan het monster is gekoppeld,

9. Stelsel volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het piezo-electrische omzetterorgaan wordt bedreven in een 20 frequentiebereik vanaf 100 kHz tot 1 MHz.

10. Stelsel volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat het piezo-electrische omzetterorgaan werkt bij een frequentie van ten naaste bij UOO kHz.

11. Stelsel volgens conclusie 8, gekenmerkt door 25 een piezo-electrisch omzetterorgaan dat is aangesloten aan het monster aan een kant tegenover de kant waar het signaalgeneratororgaan is aangesloten en dat dient voor het ontvangen van het ontvangen van het ultrasone signaal dat het monster heeft doorlopen.

12. Stelsel volgens conclusie 8, met het kenmerk, 30 dat het piezo-electrische omzetterorgaan omvat een omzetterorgaan dat zowel als zender en als ontvanger kan dienen om zowel ultrasone signalen die met het monster zijn verbonden, uit te zenden als te ontvangen.

13. Stelsel volgens conclusie 12, gekenmerkt door 35 een reflector-orgaan voor het terugkaatsen van ultrasone signalen, 8004390 welk orgaan is aangesloten aan het monster aan een kant tegenover de kant waar het als zender en ontvanger dienende omzetterorgaan is aangesloten. 1U. Werkwijze voor het niet-destructief meten van 5 de druksterkte van een cementbrij-monster, gekenmerkt door de stappen: het op een beheerste temperatuur en druk houden van een monster van de cementbrij; het uitzenden van een ultrasoon signaal door het monster heen; 10 het detecteren van het ultrasone signaal nadat het het monster heeft doorlopen en het meten van de tijd die nodig is voor het signaal om door het monster heen te gaan; het bepalen overeenkomstig een vooraf bepaalde betrekking die een verband legt tussen de doorlooptijd en de druksterkte, 15 van de druksterkte van het monster; en het registreren van de druksterkte van het monster.

15. Werkwijze volgens conclusie 1U, met het kenmerk, dat de stappen herhaaldelijk worden uitgevoerd en dat de druksterkte van het monster wordt vastgelegd als een functie van de tijd waardoor 2o een historie van de druksterkte van het monster wordt verkregen.

16. Werkwijze volgens conclusie 15, gekenmerkt door de stappen: bij el-ke herhaling van de meting van de druksterkte van het monster het vergelijken van de druksterkte met een willekeurig 25 sterkteniveau en het bepalen van het tijdstip waarop de druksterkte dit willekeurige sterkteniveau bereikt; en het vastleggen van het tijdstip waarop de druksterkte het willekeurige sterkteniveau bereikt.

17. Werkwijze vigens conclusie 16, met het kenmerk. 30 dat het willeke/urige sterkteniveau de waarde voorstelt van de begin- uithardtijd van het monster.

18. Werkwijze volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat het willekeurige sterkteniveau een willekeurige variabele sterkte van het monster van de cementbrij voorstelt. 35

19. Werkwijze volgens conclusie 14, met het kenmerk. 8004390 dat de stap van het detecteren van het ultrasone signaal en het meten van de doorlooptijd daarvan omvat het tot stand brengen van een ruisniveaukarakteristiek van het meetstelsel en het detecteren van het tijdstip waarop het ultrasone signaal de ruisniveaukateristiek 5 overtreft,

20. Werkwijze volgens conclusie 19» gekenmerkt door de stap van het vaststellen van een tijdinterval, gebaseerd op eerdere metingen van de doorlooptijd van een ultrasoon signaal door het monster heen, waarin de aankomst van het ultrasone signaal dient 10 te worden gedetecteerd.

21. Werkwijze volgens conclusie 1U, met het kenmerk, dat de stappen van het uitzenden en detecteren worden uitgevoerd met afzonderlijke piezo-electrische omzettereleraenten die aan het 15 monster zijn aangesloten.

22. Werkwijze volgens conclusie 1U, met het kenmerk, dat de stappennen het uitzenden en detecteren worden uitgevoerd met een enkele piezo-electrische omzetter die als .zender en als ontvanger dient en die is aangesloten aan een kaïtvan het monster.

23. Werkwijze volgens conclusie 22, met het kenmerk. dat aan de tegenovergestelde kant van het monster een reflecterend element is aangesloten. 2k. Werkwijze volgens conclusie 1k, met het kenmerk, dat de stappen worden uitgevoerd met gebruikmaking van een ultras-one 25 frequentie in het bereik vanaf 100 kHz tot 1 MHz.

25. Werkwijze volgens conclusie 1H, met het kenmerk, dat de stappen worden uitgevoerd bij een frequentie van ten naaste bij hOO kHz. 8004390