NO172664B - Apparat og fremgangsmaate til testing av betong/sementblandinger - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører et apparat til testing av betong/ sennentblandinger, hvor betong-/sementblandingsprøven under ihvertfall en del av testen, det vil si inntil størkning skjer, opptas i et hulrom som kan dannes av det indre av en fortrinnvis rørformet testbeholder som er plassert i et kammer, og hvor testapparatet videre omfatter henholdsvis er koplet til organ for å opprette og måle temperatur- og trykkforhold som forventes å opptre på betongens/sementblandingens anvendelsessted. Oppfinnelsen vedrører likeledes en fremgangsmåte til testing av betong/sementblandinger, hvor betong-/sementblandingsprøven anbringes i et hulrom, fortrinnsvis dannet av en rørformet testbeholder, under ihvertfall en del av testen, og hvor det opprettes og måles temperatur- og trykkforhold som i det minste delvis svarer til de forhold som kan forventes å opptre på betongens/sementblandingens tilsiktede anvendelsessted.

NO-patentsøknad nr. 802201 omhandler en fremgangsmåte og et apparat for trykkfasthetstesting av sementoppslemmingsprø-ver. Derved benyttes det en innretning til generering av et ultralydsignal og en måleinnretning for registrering av ul-tralydsignalets gangtid gjennom prøven og for generering av et målesignal, hvorved man til slutt kommer frem til en opp-tegning av trykkfasthetssignaler.

NO-utlegningsskrift nr. 154.506 omhandler en celle for akus-tisk å kontrollere settings- og herdingskarakteristika for sement. Ifølge dette utlegningsskrift er målekammeret utstyrt med tverrgående kanaler som hver inneholder en elek-troakustisk omformer. Denne kjente celle kan anvendes til kontroll av sement under betingelser med høye trykk og temperaturer.

Denne celle som er kjent fra NO-utlegningsskrift nr. 154.506 muliggjør imidlertid ikke testing av gassgjennomtrengning gjennom sementprøven.

Ifølge GB-1.501.323 varmes betongprøven opp i den hensikt å akselerere herdingen - ikke for å simulere temperatur-forholdene ved tilsiktet anvendelsessted for betongen.

Ved en fremgangsmåte og et apparat ifølge US-4.425.810 ar-beider man under testingen med kontrollerbar/styrbar temperatur og trykk. Man tester så spesielle egenskaper (tetthet/ viskositet) hos boreslamsprøven.

Et hovedformål med den foreliggende oppfinnelse er derfor å anvise en nytt apparat og en ny fremgangsmåte av den innled-ningsvis angitte art hvor ihvertfall størsteparten av de ovenfor beskrevne mangler og anvendelsesbegrensninger ved tradisjonell teknikk er helt avhjulpet eller i vesentlig grad redusert.

Ifølge oppfinnelsen er det således tatt sikte på å skaffe tilveie et apparat og en fremgangsmåte hvor betong/sementblanding - utover simulerte trykk- og temperaturforhold i henhold til kjent teknikk; jfr. eksempelvis NO utlegnings-skrif t nr. 154.506 - kan testes under forhold som i mange henseender simulerer de betingelser som betongen/sementblandingen forventes å bli utsatt for i forbindelse med forings-rørsementeringen i undersjøiske olje- og gassbrønner, samt

avviks-, høyavviks- og horisontalbrønner.

Spesifikke formål for denne oppfinnelse er under testingen å muliggjøre opprettelse og måling av gassgjennomtrengning gjennom sementblandingsprøven. I tillegg skal man ved den foreliggende oppfinnelse ha anledning til å endre vinkelen på betongprøvesøylen (eksempelvis for å simulere forholdene ved avviksboring). Ifølge den foreliggende oppfinnelse skal man også kunne simulere poretrykk ved å injisere inn gass. Ifølge oppfinnelsen skal det dessuten kunne måles gassmengde inn i betongprøven uten at det foreligger 100% gassgjennom-strømning. Ifølge oppfinnelsen skal det enn videre mulig-gjøres opprettelse og måling av hydrostatisk trykk i betong-prøven. Ifølge den foreliggende oppfinnelse skal man likeledes ha anledning til å avkjøle betongprøven.

Oppfinnelsen hovedformål er realisert ved den kombinasjon av trekk som fremgår av etterfølgende selvstendige patentkrav. Underordnede, fordelaktige trekk er angitt i de uselvsten-dige patentkrav.

Oppfinnelsen går i prinsippet ut på at røret med betong-prøven anbringes i et kammer som kan ha form av to sammen-henglede kammerhalvdeler, som muliggjør kammerets åpning og lukking. Kammeret er oppvarmbart (nedkjølbart) for å simulere varmen (kulden) i en undersjøisk brønn, eksempelvis til 100°C, og kan trykksettes for eksempel til det trykk som kan forventes i angjeldende brønn. Når dette trykk er opprettet, kan det ifølge fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen tilsettes et overtrykk (differensialtrykk), for derved å simulere en gasslekkasje fra reservoaret. Etterat testen er gjennomført, åpnes kammeret og betongprøven tas ut for nærmere analyse i laboratorium. Apparatet ifølge oppfinnelsen kan skråttstilles (stilles horisontalt) for derved å simulere spesielle forhold som gjør seg gjeldende ved avviks-brønner (horisontalbrønner).

Ifølge oppfinnelsen kan man arbeide med trykk i testkammeret på opptil 1.000 psi, og man vil kunne teste sementblandinger fra -5°C til +200°C.

Hydrostatisk trykk kan observeres under hele testperioden. Hydrostatisk trykk svarer til vekten av sementblandingen pluss eventuelt tilleggstrykk og kan måles ved hjelp av en veiecelle samt avleses på tilkoplet dataskjerm. Når sementblandingen størkner, blir den selvbærende, og det hydrostatiske trykk går da ned mot 0.

Det tilsatte differensialtrykk kan justeres fra 0-15 psi med en nøyaktighet på 0,02 psi. Differensialtrykkets stør-relse kan iakttas under hele testen.

Testutstyret/-metoden ifølge oppfinnelsen muliggjør å måle hvor meget gass som eventuelt måtte ha kommet inn i sementblandingen. Dette er viktig fordi man da kan kalkulere hvor langt inn i betongsøylen gassen har trengt i de tilfeller hvor gassen ikke har penetrert igjennom hele søylen. Der hvor gassen eventuelt kan forventes å slå igjennom er det hensiktsmessig anordnet en måler, for derved å bringe på det rene om gjennomstrømningen har vært på 100% eller mindre. Ifølge fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan man for opprettelse av differensialtrykk tilføre et visst antall milli-liter gass, idet betongen senere tas ut for analyse.

Betydningen av å kunne sirkulere sementblandingen i overens-stemmelse med apparatet og fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse består i at man derved vil kunne simulere tidsforløpet ved innpumpingen av sementblandingen i borehullet. Betydningen av betongtesting under de temperatur- og sirkulasjonsforhold som råder i borehullet har blant annet tilknytning til den skjærspenning (klipping) som betongen utsettes for under pumping og som kan ha innvirkning på herdetiden.

Det nye apparat er i sin mest avanserte utførelsesform utformet og innrettet til å muliggjøre gjennomføring av en hel sementeringsoperasjon under simulerte forhold.

Før røret fylles med betong, kan man sirkulere igjennom fortrinnsvis oljebasert boreslam hvis ulike kjemikalier (ba-rytt, bentonitt) avleirer seg langs rørets innervegg. En slik avleiring kalles vanligvis filterkaken. Dessuten vil det ved oljebasert borevæske innerst langs rørveggen danne seg en fetthinne. Som følge av dette fettsjikt kan det dannes et mikro-ringrom, som i praksis er representert ved en tynn oljefilm mellom foringsrør og betong. Når dette er gjort, kan man pumpe inn en skillevæske, for derved å fjerne både filterkake og fetthinne. Ved denne fjerning tester man selvsagt skillevæskens egenskaper i forhold til den benyt-tede borevæske. Det er av avgjørende betydning å fjerne filterkake og fetthinne så fullstendig at betongens vedheftning til foringsrøret blir fullt ut tilfredsstillende. Ved util-strekkelig vedheftning foreligger det straks mulighet for at gass fra for eksempel en gasslomme får anledning til å unn-slippe via nevnte mikro-ringrom mellom rørvegg og tilstøt-ende sementblandingsflate. Under testen blir det benyttet de samme væsker (borevæske og skillevæske) som man tenker å bruke under de innledende trinn til den virkelige sementer-ingsoperas jon .

Det kan være formålstjenlig å lagre samtlige informasjoner som erfaringsdata, for på basis av disse eventuelt oppdater-te data å forbedre de ulike sammenblandingers beskaffenhet. Eksempler på slike viktige data er sementblandingens herde-tid, dens temperatur under testen, gassmengde inn og/eller ut av prøvestykket, hydrostatisk trykk og differensialtrykk.

Disse informasjoner kan man benytte til å optimalisere de ulike sementblandinger som skal brukes til sementering av foringsrør i undersjøiske olje- og gassbrønner, over et meget vidstrakt reservoar-temperaturområde og under sterkt avvikende trykkforhold. Erfaringsdataene kan blant annet komme til nytte i rent forskningsøyemed, idet det i denne forbindelse kan nevnes at gassmigrasjon i sementblandinger, spesielt ved temperaturer over 100°C, er lite utforsket.

Ved bruk av et testapparat hvis konstruktive oppbygning vil bli forklart senere i forbindelse med beskrivelsens spesielle del, omfatter fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen i store trekk følgende arbeidsoperasjoner i rekkefølge: (i) borevæske sirkuleres gjennom det tomme betong-opptagende beholderrør inntil det på rørinnerveggen har bygget seg opp en passende filterkake, for eksempel i én time; (ii) borevæske-sirkulasjonen erstattes med for eksempel én omgangs sirkulering av skillevæske som derved fortrenger filterkaken; sementblanding sirkuleres for å simulere pumpetids-forløpet ved en aktuell operasjon, idet sementblandingen kan sirkuleres i for eksempel 1-6 timer da blandingens beskaffenhet deretter vil være tilnærmelsesvis slik den vil være i praktisk bruk; hvilken sirkulasjon innebærer at sementblandingen blir utsatt for skjærspenninger, slik den blir når den passerer gjennom pumper, rør, bend og lignende, slik at testapparatet og -fremgangsmåten skaper forhold som simulerer sementblandingens ferd gjennom borerørstrengen, hvor den utsettes for skjærkrefter ved sin kontakt med rør-strengveggen, mot ventiler og lignende; (iii) hvoretter sementblandingens nivå i beholderrøret justeres slik at nevnte nivå bli liggende ca. 10 cm fra rørets øvre parti, hvoretter betongpumpene stanses; (iv) hvoretter testapparatet trykksettes, for eksempel til 1000 psi, ved å lede inn gass over og under betongsøylen (som ikke nødvendigvis be-høver å være vertikal men kan danne en vilkårlig vinkel med vertikalt, for prøvning av betong for sementering av foringsrør i awiksbrønner/horisontalbrønner); (v) hvoretter man oppretter et differensialtrykk i sider i kammerveggen, hvorved det ekstra trykk som stammer fra et reservoar under virkelige operasjoner, simuleres, idet et filter kan være anordnet for å fordele gassen omkring betongprøven i 3 60°;

(vi) hvorunder olje blir sirkulert i kammeret for å varme opp kappen

Oppvarmingsoljen varmer opp kappen i ønsket tid, det vil si inntil sementblandingen har størknet, eksempelvis 5-12 timer, hvoretter kammeret åpnes og betongprøven tas ut for analyse.

Et eksempel på en utførelsesform av et testapparat ifølge oppfinnelsen forklares nærmere i det etterfølgende under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et aksialsnitt gjennom testkammeret med tilknyttet utstyr; apparatur til sirkulering av sementblanding, borevæske og skillevæske er sløyfet for oversiktens skyld og fordi slik apparatur formentlig ikke behøver å illustrer-es særskilt, idet det i hvert enkelt tilfelle kun er tale om en enkel sirkuleringsprosess i lukket kretsløp før sementblandingen etc. blir tilført testapparatet; Fig. 2 viser, i samme målestokk som fig. 1, et sideriss, delvis gjennomskåret etter linjen II-II i fig. 3; Fig. 3 viser et radialsnitt etter linjen III-III i fig. 1 i omtrent dobbelt så stor målestokk som i fig. 1 og 2.

Ifølge tegningene omfatter et testkammer som inngår i et apparat for testing av betong til bruk ved sementering av foringsrør i undersjøiske olje- eller gassbrønner, to halv-sylindriske veggdeler 1,1' som er hengslet sammen ved hjelp av hengsler 2 for åpning og lukking av testkammeret 1,1' . Kammerveggene er utformet som dobbeltvegger, og i mellomrom-mene melom enkeltkappene er anbragt isolasjonsmateriale 3. Diametralt motsatt hengslene 2 er de ytre kammerkapper 1,1' forsynt med samvirkende koplingsorganer 4 hvis inngrep kan sikres utløsbart ved hjelp av en låsebolt eller lignende, ikke vist.

Kammerveggenes indre enkeltkapper er ved hver aksial ende tilbøyd slik at den for øvrig konsentriske dobbeltvegg der får noe mindre tykkelse. En slik utforming er hensiktsmessig blant annet for innpasning av endelokk på et indre rør som blir omtalt senere. Et antall langsgående rør 5 er innpasset i det ringromformede mellomrom mellom indre kammerkappe og tilstøtende vegg av monteringspartier av hengslene 2 og kop-lingsorganene 4.

Henvisningstallet 6 betegner selve testrøret, det vil si det rør hvori sementblandingen som skal testes, blir fylt og underkastet varme/kuldepåvirkning, trykkpåvirkning, her-under differensialtrykkpåvirkning etc. og som på forhånd vil kunne være påvirket fra sirkulert borevæske og skillevæske, for å undersøke hvorvidt disse er forenelige.

Isolasjonen 3 tjener til å varmeisolere rørene 5, som er utformet for sirkulerende varme- eller kuldemedium, for eksempel varm olje, for å bringe testrøret 6 opp/ned på ønsket temperatur, for eksempel 100°C, svarende til en nokså normal reservoartemperatur.

Olje eller annet varme/kuldemedium blir pumpet inn i og

gjennom oppvarmings/avkjølingsrørene 5 via et nedre, radialt rettet tilførselsrør 7 som munner ut i en manifold 8 i test-kammerets 1,1' nederste endeparti. Anordningen kan eksempelvis være slik at varme/kuldemediet blir pumpet inn via røret 7 og den nedre manifold 8 og derfra opp gjennom rørene 5 i

den venstre halvpart 1' av testkammeret 1,1', for ved sist-nevntes øvre ende å bli overført til en øvre manifold 9, hvorfra varme/kuldemediet via et fleksibelt slangestykke 10 havner i en ytterligere manifold 11 som står i forbindelse

med de øvre ender av rørene 5 i kammerets høyre halvpart 1. Etter så å ha strømmet nedover sistnevnte gruppe av rør 5, passerer varme/kuldemediet en ytterligere nedre manifold 12 og derfra via et rør 13 til en ikke vist pumpe.

Det er benyttet et fleksibelt slangestykke 10 for å mulig-gjøre kammerhalvdelenes 1 og 1<1> svingning i forhold til hverandre ved hjelp av hengslene 2.

Når således testkammerhalvdelene 1,1' befinner seg i opp-svingt stilling, ikke vist, kan testrøret 6 settes inn i kammeret.

Testrøret 6 er forsynt med påskrudde endehetter 14,14' . I den nedre endehette 14 er det plassert en veiecelle 15 som er innrettet til å anvise det hydrostatiske trykk i test-røret /kammeret .

Testrørets 6 nedre endehette 14 har to aksialt gjennomgående boringer tilknyttet hver sin rørledning/slange 16,16' som utgjør to innløp til testrøret. Testrørets 6 øvre endehette 14' er utformet på tilsvarende måte, og 17 og 17' betegner testrørets to utløp.

Boreslam, skillevæske og sementblanding kan nå sirkuleres gjennom testrøret 6 via innløpet 16 og utløpet 17.

Gjennom innløpet 16' innledes gass for å sette røret 6 under trykk, og gass som eventuelt måtte ha migrert gjennom betongen i testrøret 6, kan avleses på en ikke vist måler koplet til utløpet 17' .

Radialtrettede kanaler 18,18' som strekker seg igjennom den doble kammervegg, tjener til tilførsel av gass for opprettelse av et overtrykk (differensialtrykk). Henvisningstallet 19 betegner et filter som har til oppgave å fordele dette overtrykket 360° omkring betongprøvestykket. Et slikt trykkfordelingsfilter er ikke kritisk for oppfinnelsens funksjon, men utgjør ikke desto mindre et fordelaktig trekk som bidrar til å forbedre testresultatenes nøyaktighets-grad .

Testapparatet ifølge oppfinnelsen vil være utstyrt med temperatur-angivende instrument for den testede betongs temperatur; måleinstrument for måling og angivelse av gassmengde inn i/ut av betongprøven; trykk-angivende instrument for måling og angivelse av hovedtrykk (det vil si minus differensialtrykk) på betongprøven, eksempelvis 1000 psi; måleinstrument til måling av hydrostatisk trykk, for eksempel den viste veiecelle 15; trykk-angivende måleinstrument for måling og angivelse av differensialtrykk (opprettet gjennom gass tilført via de radiale kanaler 18,18').

Claims (8)

1. Apparat til testing av betong/sementblandinger, hvor betong-/sementblandingsprøven under ihvertfall en del av testen, det vil si inntil størkning skjer, opptas i et hulrom som kan dannes av det indre av en fortrinnsvis rørformet testbeholder (6) som er plassert i et kammer (1,1'), og hvor testapparatet videre omfatter henholdsvis er koplet til organ for å opprette og for å måle temperatur- og trykkforhold som i det minste delvis svarer til de forhold som forventes å opptre på betongens/sementblandingens tilsiktede anvendelsessted, karakterisert ved at nevnte kammer/testbeholder (l,l'/6) er forsynt med innløp (18, 18') for særskilt gasstilførsel, i den hensikt å skape et differensialtrykk som i det vesentlige kan ansees å simulere for eksempel det ekstratrykk som avstedkommes ved en gasslekkasje som kan forventes å ville oppstå på den testede betongs/sementblandings tilsiktede anvendelsessted, idet apparatet er utstyrt med henholdsvis tilkoplet måleinstrument innrettet til å måle gassmengde inn i henholdsvis ut av betong-/sementblandingsprøven og måleinstrument innrettet til å måle nevnte differensialtrykk.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte rørformede testbeholder (6) innvendig er utstyrt med en veiecelle (15) for måling av det hydrostatiske trykk som betong-/sementblandingsprøven utsettes for under testen.

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, utstyrt med oppvarmings-/ avkjølingsorgan for regulering av temperaturen i testbeholderen, karakterisert ved at nevnte oppvarmings- /avkj ølingsorgan består av et antall aksialt for-løpende, perifert i nevnte kammers (1,1') hulrom anordnede rør (5) for et strømmende varme-/kuldemedium, og at nevnte hulroms sentrale del som avgrenses radialt innenfor rørene (5) er forbeholdt opptagelse av den rørformede testbeholder (6 ).

4. Apparat ifølge ett eller flere av kravene 1-3, karakterisert ved at nevnte kammer består av to sammenhengslede (2) sylindriske halvdeler (1, 1') som således kan svinges for åpning og lukking av kammeret, i den hensikt å sikre enkel fjerning av testbeholderen (6) etter at de ulike målinger i selve testapparatet er gjennomført.

5. Apparat ifølge ett eller flere av kravene 1-4, karakterisert ved at den rørformede testbeholder (6) hvis hovedlegeme består av en tett rørvegg, er forsynt med endelokk (14, 14') i hver ende, og at det ene endelokk (14) har to gjennomgående boringer tilknyttet hver sin tilløpsledning (16, 16'), én (16') for tilførsel av gass for opprettelse av ønskede trykkforhold og for migrering gjennom betong-/sementblandingsprøven og én (16) for tilfør-sel og eventuelt sirkulering av sementblanding/borevæske/ skillevæske, og at det annet endelokk (14') er utformet med to utløp (17, 17'), ett (17) for gass og ett (17') for sirkulert sementblanding/borevæske/skillevæske, idet utløpet (17) for gass er koplet til et måleinstrument form måling av den gassmengde som måtte ha migrert gjennom betong-/sement-blandingsprøven.

6. Apparat ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at kammeret (1,1') er anordnet svingbart om en tverrgående horisontal akse, slik at kammeret (1,1') med den rørformede testbeholder (6) kan skråttstilles henholdsvis stilles vinkelrett i forhold til vertikalplanet, i den hensikt å simulere se-menteringsforhold for eksempel for faststøping av forings-rør i avviks- henholdsvis horisontalbrønner.

7. Fremgangsmåte til testing av betong/sementblandinger, hvor betong-/sementblandingsprøvern anbringes i et hulrom, fortrinnsvis dannet av en rørformet testbeholder (6), under ihvertfall en del av testen, og hvor det opprettes og måles temperatur- og trykkforhold som i det minste delvis svarer til de forhold som kan forventes å opptre på betongens/sementblandingens tilsiktede anvendelsessted, karakterisert ved at betongen/sementblandingen sirkuleres gjennom nevnte hulrom som sikres fylt med betong/sementblanding før den egentlige test påbegynnes, og at betongens /sementblandingens nivå i hulrommet justeres slik at det opprettes en viss avstand til hulrommets øvre ende, hvoretter hulrommet (6) på i og for seg kjent måte settes under et trykk og/eller en temperatur som i det vesentlige simulerer de generelle trykk/temperatur-forhold på tilsiktet anvendelsessted for betongen/sementblandingen, idet gass blir ledet inn over og under betong-/sementblandingsprøven, hvoretter det opprettes et differensialtrykk ved å lede inn gass radialt i forhold til hulrommets lengdeakse.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at det før innpumpingen av betongen/sementblandingen i nevnte hulrom (6), pumpes inn borevæske og deretter skillevæske i hulrommet (6), hvilke væsker sirkuleres gjennom hulrommet, slik at borevæsken sirkuleres inntil den har etterlatt seg en filterkake og en innenforliggende, mikro-ringrom-dannende fetthinne på veggen som avgrenser hulrommet, mens skillevæsken sirkuleres inntil fjerningen av filterkake og fetthinne ansees som tilfredsstillende.