КОМПЛЕКС ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН

Настоящая предполагаемая полезная модель относится к области нефтегазодобычи и может быть использована при строительстве и эксплуатации скважин различного назначения, приготовлении и нагнетании тампонажного раствора, промывки песчаных пробок и выполнении других работ.
Цементирование скважин относится к наиболее ответственным операциям строительства нефтяных и газовых скважин и преследует решение нескольких технологических целей:
- обеспечить длительную изоляцию продуктивных нефтегазо-насыщенных объектов пласта от верхних или нижних вод;
- предотвратить возможность движения любой жидкости или газа из одного горизонта в другой через затрубное пространство;
- укрепить неустойчивые породы путем плотного сцепления цементного камня как со стенками скважины, так и с обсадной колонной;
- предотвратить выброс газа, находящегося под большим давлением в породах, залегающих в зацементированной зоне скважины;
- изолировать пройденные при бурении маломощные продуктивные горизонты с целью временной их консервации;
- предохранить колонну обсадных труб от смятия внешним давлением и от коррозии;
- закрепить колонну обсадных труб в случае необходимости на любом расстоянии от забоя.
Эффективность операции цементирования скважин зависит от многих факторов:
- качества жидкости затворения;
- качества компонентного состава тампонажного материала;
- технологии приготовления цементного раствора в строгом соответствии с технологическим регламентом, разрабатываемым для конкретных геолого-технических условий скважины;
- точного соблюдения режимов закачки с контролем параметров процесса;
- качества подготовки скважины к процессу цементирования (удаления глинистой корки со стенок скважины и пленки с обсадных труб).
Предлагаемое техническое решение направлено на повышение эффективности процесса цементирования скважин за счет качественного приготовления раствора и обеспечения технологического регламента процесса в зависимости от конкретных геолого-технических условий.
Как правило, в применяемых технологиях цементирования скважин базовым параметром, который контролируется и поддерживается, является плотность, однако сам факт соблюдения только плотности (которая определяется водоцементным соотношением) не гарантирует получения качественного раствора.
Традиционно в РФ и за рубежом технология приготовления цементного раствора, как правило, заключается в смешении жидкости затворения и порошкообразного тампонажного материала в вакуумных смесительных устройствах, которые фактически готовят суспензию, в то время как для технологии необходимо приготовить гомогенезированный раствор, обеспечив полную гидратацию цемента.
В общем виде процесс цементирования укрупненно можно разбить на следующие этапы (которые могут совмещаться во времени):
- подготовка скважины к цементированию (как правило, выполняется силами буровой бригады) с целью промывки заколонного пространства;
- подготовка компонентов раствора (жидкости затворения и тампонажного материала);
- приготовление цементного раствора;
- нагнетание буферной жидкости с целью вытеснения бурового раствора и очистки скважины и обсадных труб, соответственно, от глинистой корки и пленки, а также очистки каверн;
- нагнетание цементного (тампонажного) раствора (облегченной плотности, как правило, 80÷85% от общего объема и раствора нормальной плотности, соответственно, 20÷15% от общего объема);
- нагнетание продавочной жидкости (через разделительную продавочную резино-металлическую пробку) до посадки на упорное кольцо.
Следует отметить, что для цементных растворов регламентируются следующие параметры:
- плотность раствора и водоцементное соотношение (В/Ц);
- растекаемость тампонажного раствора по конусу АзНИИ;
- минимально допустимое время начала загустевания тампонажного раствора при заданных температуре и давлении (час-мин.);
- минимально допустимое время начала схватывания тампонажного раствора при заданных температуре и давлении (час-мин.);
- время конца схватывания тампонажного раствора при заданных температуре и давлении (час-мин.);
- объемное расширение тампонажного камня за одни или двое
суток водного твердения при заданной температуре (%);
- прочность тампонажного камня на изгиб за одни или двое суток водного твердения при заданной температуре (МПа).
Соблюдение всех перечисленных регламентируемых параметров невозможно без специальной подготовки жидкости затворения и эффективного процесса приготовления раствора с обязательным контролем параметров и режимов.
Комплексное решение перечисленных технологических задач требует создания специализированного многофункционального комплекса оборудования (см., например, «Новые насосные установки для цементирования нефтяных и газовых скважин». Каталог М.: АОЗТ «Нефтемаш», 1997 г., 3 с.).
За прототип заявляемого технического решения может быть принят патент РФ на изобретение №2225499 MKU 7 E 21 B 33/13, выдан 10.03.2004 г., опубл. Бюл. №7 «Комплекс цементирования скважин «Костромич», авт. Халилов М.М.
В состав этого комплекса входит передвижной насосный агрегат, оборудование для транспортировки тампонажной смеси и воды, оборудование для приготовления цементного раствора, осреднительная станция, трубопроводная обвязка с запорно-регулирующей аппаратурой, система контроля и управления процессом цементирования. Основным недостатком прототипа является то, что он не решает комплексно технологические задачи, необходимые для выполнения процесса цементирования скважин, в частности, не обеспечивает приготовление жидкости затворения и тампонажных растворов, не обеспечивает контроль процесса цементирования на всех этапах и операциях.
В связи с изложенным, основной технической задачей настоящей предполагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков прототипа и создание такого комплекса оборудования для цементирования скважин, который позволял бы комплексно решать технологические задачи, необходимые для выполнения процесса цементирования и, в частности, обеспечивал бы приготовление жидкости затворения тампонажных растворов и обеспечивал бы контроль процесса цементирования на всех его стадиях.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что комплекс оборудования для цементирования скважин содержит насосные агрегаты, оборудование для транспортировки сухих тампонажных смесей и воды, оборудование для приготовления цементного раствора, систему контроля и управления процессом цементирования, быстроразборную трубопроводную обвязку с запорно-регулирующей арматурой.
Характерной особенностью комплекса является то, что он включает интегрирующий насосный агрегат, для чего он оснащен нагнетательным коллектором с обратными клапанами, входы которых связаны с нагнетательными трубопроводами других насосных агрегатов, а также блок
замера в потоке плотности, расхода и давления раствора, установленный в напорном коллекторе насосного агрегата.
Оборудование для приготовления раствора включает мобильный блок приготовления жидкости затворения, блок приготовления и активации раствора и блок накопления и осреднения плотности раствора с раздающим коллектором, связанным со всасывающими коллекторами насосных установок, причем блок приготовления раствора включает бункер для транспортировки сухих тампонажных смесей с системой автономной пневмозагрузки - выгрузки и электронным весоизмерительным устройством.
Система контроля и управления комплекса включает первичные датчики контроля в потоке давления, расхода, температуры и плотности, смонтированные в составе интегрирующего насосного агрегата; первичные датчики плотности, уровня и температуры, смонтированные в блоке приготовления жидкости затворения, а также в блоке приготовления раствора и блоке накопления и осреднения плотности раствора. Весоизмерительное устройство размещено в составе бункера транспортирования тампонажных смесей. Система контроля и управления включает также блок контроля плотности и температуры на выходе из скважины, а также блок обработки, индикации и архивирования данных с пультом управления, смонтированным в интегрирующем насосном агрегате.
Блок приготовления раствора и активации (гидравлической и механической) и блок накопления и осреднения плотности оснащены вертикальными гидроприводными перемешивающими устройствами с регулируемой частотой и направлением вращения, а также гидроприводными насосами для рециркуляции и перекачки приготовляемого раствора и гидравлическими аутригерами.
Блок приготовления жидкости затворения включает бункер для транспортировки сухих компонентов с узлом дозирования и подачи сухих компонентов, весоизмерительное устройство и емкость для смешивания с гидроприводными перемешивающими устройствами и оснащено устройством для нагрева жидкости затворения.
Возможность осуществления заявляемой полезной модели доказывается успешным использованием в отечественной и зарубежной практике цементирования скважин отдельных видов цементировочного оборудования и комплексов для цементирования скважин.
Отличительные признаки, отраженные в формуле полезной модели, могут быть реализованы с помощью средств, используемых в различных областях техники. Они необходимы и достаточны для осуществления заявляемой полезной модели, т.к. обеспечивают решение поставленной выше технической задачи. В дальнейшем, заявляемая полезная модель поясняется примером ее выполнения, схематически изображенном на прилагаемом чертеже, на котором представлен общий вид заявляемого комплекса оборудования для цементирования скважин и которым поясняется состав и работа комплекса.
Комплекс (см. чертеж) включает в свой состав мобильную установку (блок) 1 для приготовления жидкости затворения (как правило, воды требуемой температуры с добавками соли), которая подается в мобильную установку (блок) 2 для приготовления и активации цементного раствора. После приготовления цементный раствор подается в мобильную установку (блок) 3 накопления и осреднения плотности, из которой раствор может подаваться на интегрирующий цементировочный агрегат 4 или на насосные агрегаты (на чертеже не показаны) для дальнейшего нагнетания в скважину. Цементный раствор, нагнетаемый цементировочными агрегатами, после заполнения скважины, поступает из затрубного пространства в блок контроля параметров раствора 5 на выходе из скважины.
В свою очередь, отдельные установки (блоки) и агрегаты состоят из следующих узлов и систем.
Установка приготовления жидкости затворения 1 (как правило, солевого водного раствора) включает бункер 6 для хранения и транспортировки сухих компонентов с весоизмерительным устройством 7 для контроля расхода сухих компонентов и узлом их дозирования и подачи 8.
Сухие компоненты подаются в емкость смещения 9, оснащенную гидроприводными перемешивающими устройствами 10 и узлом подогрева 11 жидкости затворения. Как вариант этот узел может быть выполнен в виде теплообменника, где в качестве теплоносителя циркулирует пар или вода от внешнего источника (на чертеже не показан).
Для контроля параметров приготовляемой жидкости (плотность, объем, температура) установка оснащена блоком 12 контроля параметров, представляющим собой конструктив с установленными датчиками.
Приготовленная жидкость затворения гидроприводным насосом 13 подается в установку приготовления и активации раствора, при этом расход жидкости измеряется расходомером 14.
Установка (блок) приготовления цементного раствора 2, в свою очередь, состоит из герметичного бункера 15 для хранения и транспортировки сыпучих сухих тампонажных смесей (цемент с добавками), оснащенного весоизмерительным устройством 16. Для пневмотранспорта сыпучих смесей в составе установки имеется вакуумный воздушный компрессор 17 с гидроприводом, обеспечивающим самозагрузку и выгрузку бункера сыпучими материалами.
Тампонажная сухая смесь подается в емкость 18, оснащенную гидроприводными перемешивающими устройствами 19, в которой тампонажная сухая смесь смешивается с водой, поступающей из блока 1 (как вариант возможна подача воды из автоцистерны), и доводится с помощью перемешивателей с регулируемой частотой вращения до требуемых параметров по плотности, одновременно происходит гомогенизация и активация раствора. При этом контроль параметров осуществляется с использованием датчиков температуры и плотности системы контроля с одновременным замером объема раствора в емкости. Датчики установлены в
измерительном конструктиве 20. Для обеспечения рециркуляции раствора и его перекачки в блоке имеется гидроприводной насос 21.
Приготовленный раствор из блока 2 подается в блок 3 накопления раствора и осреднения плотности. Этот блок состоит из емкости 22, оснащенной гидроприводными перемешивающими устройствами 23 с регулируемой частотой вращения, а для рециркуляции и перекачки раствора в составе блока имеется гидроприводной насос 24. Для контроля параметров раствора (плотность и объем) в конструктиве 25 установлены соответствующие датчики.
От блока накопления раствора и осреднения плотности раствор поступает по трубопроводу 26 с быстроразборными соединениями к всасывающим коллекторам 27 цементировочных агрегатов. На чертеже показан только один интегрирующий цементировочный агрегат 4, выполняющий кроме основных функций - нагнетание раствора в скважину, задачи увязки работы технологических блоков комплекса, а также контроля и управления процессом цементирования скважин.
Интегрирующий агрегат имеет в своем составе насос высокого давления 28, на нагнетательном коллекторе 29 которого установлен блок обратных клапанов 30, позволяющий подключить к работе дополнительные цементировочные агрегаты. В качестве насоса высокого давления 28 может быть применен пятиплунжерный насос.
Кроме того, на нагнетательном коллекторе установлен измерительный конструктив 31, в котором монтируются первичные датчики измерения в потоке параметров раствора плотности, давления, расхода и температуры.
Раствор, нагнетаемый цементировочным агрегатом 4, поступает в скважину и выдавливается вверх по затрубному пространству между стенкой скважины и обсадной колонной. Для контроля параметров раствора на выходе из скважины установлен измерительный блок 32.
Для контроля и управления всем процессом цементирования скважины в составе агрегата 4 имеется система управления и контроля 33, обеспечивающая обработку информации от первичных датчиков, установленных в отдельных блоках комплекса, индикацию параметров и архивирование данных. Кроме того, для индикации параметров, замеряемых по отдельным блокам, в их составе также имеются индивидуальные панели индификации 34 текущих значений контролируемых параметров.
Система управления и контроля может быть установлена и в отдельном вахтовом автобусе (на рис. не показано).