УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ КАСАТЕЛЬНО ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОБСАДНОЙ ТРУБЫ В ПРОЦЕССЕ ОЖИДАНИЯ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИНЫ
INSTALLATION FOR TESTING WITH RESPECT TO DEFORMATION OF METAL CASING PIPE IN PROCESS OF WAITING FOR HARDENING OF CEMENT MORTAR FOR WELL CEMENTING

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к испытательной установке для моделирования и измерения деформации металлических обсадных труб, вызванной выделением тепла от реакции гидратации цементного раствора для цементирования скважины в процессе ожидания затвердевания в пласте, в области цементирования нефтяных и газовых скважин.
Предпосылки изобретения
[0002] Основная функция обсадных труб в процессе добычи нефти и природного газа заключается в сдерживании пластового давления и защите нефтепровода, и если произойдет деформация, повреждение или растрескивание обсадных труб, то это будет непосредственно влиять на период рентабельной разработки нефтяных и газовых скважины.
[0003] Одним из ключевых моментов разработки в нефтяной и газовой отраслях является именно поверхность контакта обсадных труб с цементом; реакция гидратации, которую вызывает сам тампонажный цемент для нефтяных и газовых скважин, в процессе ожидания затвердевания после введения тампонажного цемента в пласт является экзотермической реакцией, и выделение большого количества тепла приводит к скачку его температуры и к соответствующему его расширению в объеме. Обсадная труба, которая находится в плотном соприкосновении с тампонажным цементом, также будет подвергаться соответствующей деформации при изменении давления; превышение деформацией нормы приведет к повреждению обсадной трубы, что соответственно усложнит работу по разработке и даже может повлиять на безопасность сооружения.
[0004] Хотя сегодня во многих нефтяных и газовых скважинах уже начинают использовать расширяемые обсадные трубы для нефти, по-прежнему нет единого способа научной оценки для лабораторных испытаний касательно деформации металлических обсадных труб. Кроме того, для определения деформации обсадных труб останавливаются на вычислительной механике с цифровым моделированием, но в отношении параметров, установленных на основании формул для моделирования, применительно к реальной обстановки при проведении строительных работ на площадке всегда будут существовать определенные погрешности, поэтому результаты с самого начала не могут идеально подходить для строительной площадки; формулы, полученные посредством численной аппроксимации, подходят для определенных условий, а изменение места разработки или других условий ставит применимость таких формул под сомнение.
[0005] Кроме того, сегодня способами компенсации (заделывания) компенсируют трещины и щели, возникающие из-за слишком большой деформации обсадных труб, но даже при применении технологий компенсации для гофрированных труб или технологий укрепления с компенсацией для обсадных труб будут возникать заметные недостатки: стенки гофрированной трубы тонкие, легко деформируются, и эффект от ремонта получается крайне ограниченным; эффект укрепления в случае технологий укрепления с компенсацией для обсадных труб тоже является средним.
[0006] Следовательно, испытательные установки для исследований деформации обсадных труб в процессе ожидания затвердевания цементного раствора для цементирования скважин получают первостепенную важность для целей научной оценки и испытаний касательно деформации обсадных труб.
Суть изобретения
[0007] Задача настоящего изобретения заключается в предоставлении установки для испытаний касательно деформации металлической обсадной трубы в процессе ожидания затвердевания цементного раствора для цементирования скважины, при этом установка характеризуется надежными основными принципами и рациональной конструкцией, может соответствовать условиям высокой температуры и высокого давления в пласте и позволяет проводить испытания касательно величины деформации обсадной трубы, вызванной тем, что при разных температуре и давлении цементный раствор для цементирования скважины расширяется, при этом процесс испытания является удобным и быстрым, а результаты испытания больше соответствуют реальным рабочим условиям под землей.
[0008] Для решения вышеуказанной технической задачи в настоящем изобретении используется следующее техническое решение.
[0009] Установка для испытаний касательно деформации металлической обсадной трубы в процессе ожидания затвердевания цементного раствора для цементирования скважины в основном состоит из котла высокой температуры и высокого давления, системы цилиндра для имитации обсадной трубы, системы перемешивания, накапливания и закачивания цементного раствора для нефтяных скважин, датчика давления в цилиндре, приспособлений со шкалой для измерения деформации обсадной трубы, термопар внутри реакционного котла, датчиков давления в реакционном котле, системы регулирования температуры в реакционном котле, системы регулирования давления в реакционном котле, блока сбора данных и блока обработки данных.
[0010] Указанный котел высокой температуры и высокого давления представляет собой емкость клиновидной формы, в которую удобно устанавливать приспособления со шкалой для измерения деформации обсадной трубы с целью выполнения измерений, при этом корпус котла с двух сторон снабжен системой регулирования температуры, точность которой сравнительно высокая.
[0011] Указанная система цилиндра для имитации обсадной трубы в основном состоит из цилиндра (металлический материал, такой же, как и материал обсадных труб для нефтяных скважин), крышки, крепежного болта в крышке цилиндра, прокладки в области болта, резинового кольца, нижней крышки и защелки для нижней крышки. При этом крепежный болт в крышке цилиндра выполнен полым, и в него может быть пропущен вставляемый датчик давления, с помощью которого проверяют изменение давления внутри цилиндра.
[0012] Указанная система перемешивания, накапливания и закачивания цементного раствора для нефтяных скважин в основном состоит из воздушного компрессорного насоса и емкости для перемешивания и накапливания цементного раствора для нефтяных скважин; внутри емкости для перемешивания и накапливания цементного раствора для цементирования скважины предусмотрено устройство перемешивания; после достаточного перемешивания цементного раствора для нефтяных скважин его закачивают в котел высокой температуры и высокого давления посредством воздушного компрессорного насоса.
[0013] Указанный датчик давления в цилиндре сквозь крышку реакционного котла глубоко проходит внутрь цилиндра; эффективное отслеживание давления происходит в области наконечника датчика, который через крепежный болт в крышке цилиндра глубоко проходит внутрь цилиндра и отслеживает изменение давления в цилиндре в процессе ожидания затвердевания.
[0014] Указанные приспособления со шкалой для измерения деформации обсадной трубы расположены внутри корпуса котла и представляют собой соответственно горизонтальное приспособление со шкалой для измерения деформации и вертикальное приспособление со шкалой для измерения деформации, применяемые для осуществления измерений при моделировании горизонтальной деформации и вертикальной деформации обсадной трубы в процессе ожидания затвердевания цементного раствора для цементирования скважины. При этом на приспособлении со шкалой участок с отметкой «0» точно встроен в нижнюю часть котла высокой температуры и высокого давления, и его вспомогательная шкала плотно соприкасается с основной шкалой, то есть показания будут изменяться только в случае деформации металлической обсадной трубы.
[0015] Указанные термопары внутри корпуса котла в целом расположены на двух сторонах крышки котла, всего одна левая и одна правая термопары, и отслеживают температуру в реальном времени цементного раствора в корпусе котла; указанные датчики давления в корпусе котла расположены в корпусе котла парой и в основном отслеживают величину давления в реальном времени цементного раствора в корпусе котла. Основная задача заключается в контроле условий в корпусе котла и в моделировании влияния температуры и давления пласта, а также расширения цементного раствора для цементирования скважины на деформацию обсадных труб.
[0016] Указанная система регулирования температуры в корпусе котла в основном состоит из нагревательной рубашки снаружи корпуса котла для регулирования температуры нагревания внутри корпуса котла.
[0017] Указанная система регулирования давления в корпусе котла в основном состоит из устройства увеличения давления жидкости, предохранительного клапана высокого давления и др. и осуществляет увеличение давления, а также регулирование давления в корпусе котла.
[0018] Блок сбора данных и блок обработки данных на стороне вычислительного устройства в отношении изменения давления в цилиндре и температуры и давления в корпусе котла осуществляют отслеживание, а также сбор и обработку данных.
[0019] По сравнению с аналогами, известными из предшествующего уровня техники, настоящее изобретение характеризуется следующими полезными эффектами:
(1) результаты испытаний являются наглядными, и выявленные изменения непосредственно являются полученными при моделировании величинами деформации металлической обсадной трубы;
(2) можно точно моделировать условия высокой температуры и высокого давления в пласте, при этом теплопроводное масло используют в качестве теплоносителя и среды для увеличения давления; наиболее высокая температура при испытании достигает 300°, а наиболее высокое давление при испытании достигает 200 МПа;
(3) теплоизоляция и воздухонепроницаемость являются хорошими, и результаты испытаний являются точными;
(4) для имитации обсадной трубы используют материал обсадных труб для строительства скважин, и результаты испытаний больше соответствуют реальным рабочим условиям; кроме того, цилиндр для имитации обсадной трубы является разборным, и в испытательное оборудование можно в реальном времени вносить изменения в зависимости от разных условий в скважине, при этом делается это быстро и легко;
(5) проблема деформации обсадной трубы может быть эффективно решена в лаборатории.
[0020] Настоящее изобретение может применяться для исследований с целью определения деформации обсадных труб, вызванной ответным расширением цементного раствора для цементирования скважины в процессе ожидания затвердевания в пласте в процессе разработки нефтяных и газовых скважин, в частности использоваться для испытаний касательно деформации обсадной трубы в пластах с высокой температурой и высоким давлением, чем эффективно предотвращать повреждения от деформации обсадной трубы и влиять на работу по разработке.
Описание прилагаемых графических материалов
[0021] На фиг. 1 представлено схематическое изображение конструкции установки для испытаний касательно деформации металлической обсадной трубы в процессе ожидания затвердевания тампонажного цемента.
[0022] На фиг. 2 представлено схематическое изображение конструкции внутренней части котла высокой температуры и высокого давления.
[0023] На фигурах: 1 - котел высокой температуры и высокого давления; 2 - воздушный компрессорный насос; 3 - емкость для перемешивания и накапливания цементного раствора; 4 - устройство увеличения давления жидкости; 5 - панель регулирования температуры и давления; 6 - система обработки данных; 7 - вычислительное устройство с системой отображения данных; 8 - трубопровод для закачивания цементного раствора; 9 - клапан управления закачиванием цементного раствора; 10 - клапан управления выкачиванием цементного раствора; 11 - клапан сброса высокого давления устройства увеличения давления жидкости; 12 - клапан увеличения давления устройства увеличения давления жидкости; 13 - трубопровод для закачивания теплопроводного масла; 14 - клапан сброса давления в котле; 15 - трубопровод возврата теплопроводного масла; 16 - линия сбора данных о температуре в котле высокой температуры и высокого давления; 17 - линия сбора данных о давлении в цилиндре для имитации обсадной трубы; 18 - линия сбора данных о давлении в котле высокой температуры и высокого давления; 19 - защелка; 20 - датчик давления котла высокой температуры и высокого давления; 21 - масловпускное отверстие для теплопроводного масла из устройства увеличения давления жидкости; 22 - обратный клапан увеличения давления; 23 - термопары в котле высокой температуры и высокого давления; 24 - датчик давления в цилиндре для имитации обсадной трубы; 25 - крышка котла высокой температуры и высокого давления; 26 - отверстие для закачивания цементного раствора; 27 - отверстие для выкачивания цементного раствора; 28 - масловозвратное отверстие для теплопроводного масла из устройства увеличения давления жидкости; 29 - крепежный болт в крышке цилиндра; 30 - крышка цилиндра для имитации обсадной трубы; 31 - нагревательное устройство котла высокой температуры и высокого давления; 32 - уплотнительное резиновое кольцо; 33 - горизонтальная линейка для измерения деформации; 34 - вертикальная линейка для измерения деформации; 35 - цилиндр для имитации обсадной трубы; 36 - нижняя крышка цилиндра для имитации обсадной трубы; 37 - нижняя защелка для цилиндра для имитации обсадной трубы; 38 - нижняя защелка для вертикальной линейки для измерения деформации.
Конкретные способы осуществления
[0024] Чтобы специалистам в данной области техники было легче понять настоящее изобретение, настоящее изобретение дополнительно описано ниже со ссылками на прилагаемые графические материалы. Тем не менее, следует понимать, что объем настоящего изобретения не ограничивается конкретными способами осуществления, и изменения, предложенные специалистами в данной области техники, входят в объем защиты настоящего изобретения, если они находятся в пределах его сущности и объема, определенных и установленных на основании прилагаемой формулы изобретения.
[0025] Со ссылкой на фиг. 1 и фиг. 2.
[0026] Установка для испытаний касательно деформации металлической обсадной трубы в процессе ожидания затвердевания цементного раствора для цементирования скважины содержит котел 1 высокой температуры и высокого давления; воздушный компрессорный насос 2; емкость 3 для перемешивания и накапливания цементного раствора; устройство 4 увеличения давления жидкости; линейки для измерения деформации обсадной трубы; панель 5 регулирования температуры и давления; систему 6 обработки данных; и вычислительное устройство 7 с системой отображения данных.
[0027] Указанный котел 1 высокой температуры и высокого давления на левой стороне снабжен масловпускным отверстием 21 для теплопроводного масла (с обратным клапаном 22 увеличения давления) и датчиками 20 давления котла высокой температуры и высокого давления (установленными и закрепленными посредством защелки 19), а на правой стороне снабжен масловозвратным отверстием 28 для теплопроводного масла и нагревательным устройством 31 котла высокой температуры и высокого давления; котел высокой температуры и высокого давления на левой стороне соединен с устройством 4 увеличения давления жидкости посредством масловпускного отверстия для теплопроводного масла, трубопровода 13 для закачивания теплопроводного масла и клапана 12 увеличения давления, а на правой стороне соединен с устройством увеличения давления жидкости посредством масловозвратного отверстия 28 для теплопроводного масла, клапана 14 сброса давления в котле и трубопровода 15 возврата теплопроводного масла.
[0028] В крышке 25 котла указанного котла высокой температуры и высокого давления выполнены открытые отверстия, в которые вставлены термопары 23; дно котла снабжено отверстием 26 для закачивания цементного раствора и отверстием 27 для выкачивания цементного раствора (отверстие для выкачивания цементного раствора выполнено в сообщении с клапаном 10 управления выкачиванием цементного раствора); котел высокой температуры и высокого давления посредством отверстия для закачивания цементного раствора, трубопровода 8 для закачивания цементного раствора и клапана 9 управления закачиванием цементного раствора последовательно соединен с емкостью 3 для перемешивания и накапливания цементного раствора и воздушным компрессорным насосом 2.
[0029] Указанный котел высокой температуры и высокого давления внутри содержит цилиндр 35 для имитации обсадной трубы; указанный цилиндр для имитации обсадной трубы посредством нижней крышки 36 цилиндра и нижней защелки 37 прочно установлен на дне котла высокой температуры и высокого давления; крышка 30 цилиндра для имитации обсадной трубы надежно установлена и уплотнена посредством крепежного болта 29 и уплотнительного резинового кольца 32; в цилиндр посредством крепежного болта вставлен датчик 24 давления.
[0030] Указанное нагревательное устройство 31 котла высокой температуры и высокого давления, термопары 23 (посредством линии 16 сбора данных о температуре в котле высокой температуры и высокого давления), датчик 24 давления в цилиндре (посредством линии 17 сбора данных о давлении в цилиндре для имитации обсадной трубы), датчики 20 давления котла высокой температуры и высокого давления (посредством линии 18 сбора данных о давлении в котле высокой температуры и высокого давления) последовательно связаны с панелью 5 регулирования температуры и давления, системой 6 обработки данных и вычислительным устройством 7 с системой отображения данных.
[0031] Указанные линейки для измерения деформации обсадной трубы расположены в корпусе котла высокой температуры и высокого давления и содержат горизонтальную линейку 33 для измерения деформации и вертикальную линейку 34 для измерения деформации, применяемые для осуществления измерений при моделировании горизонтальной деформации и вертикальной деформации обсадной трубы в процессе ожидания затвердевания цементного раствора для цементирования скважины.
[0032] Указанная горизонтальная линейка 33 для измерения деформации непосредственно расположена внутри корпуса котла; губка для измерения наружных размеров вспомогательной шкалы горизонтальной линейки сваркой прикреплена к левой стороне цилиндра 35 для имитации обсадной трубы; губка для измерения наружных размеров ее основной шкалы сваркой прикреплена к правой стороне цилиндра для имитации обсадной трубы, при этом сваркой обеспечено то, что отметка «0» расположена точно на одном уровне относительно правой стороны цилиндра 35 для имитации обсадной трубы; горизонтальная деформация цилиндра для имитации обсадной трубы вызывает перемещение вспомогательной шкалы и обеспечивает выполнение испытания касательно величины горизонтальной деформации.
[0033] Указанная вертикальная линейка 34 для измерения деформации расположена внутри корпуса котла с правой стороны (закреплена посредством нижней защелки 38), при этом отметка «0» на ее основной шкале расположена точно на одном уровне относительно нижней крышки 36 цилиндра для имитации обсадной трубы; губка для измерения наружных размеров вспомогательной шкалы сваркой прикреплена к крышке 30 цилиндра для имитации обсадной трубы; вертикальная деформация цилиндра для имитации обсадной трубы вызывает перемещение вспомогательной шкалы и обеспечивает выполнение испытания касательно величины вертикальной деформации.
[0034] Указанный котел 1 высокой температуры и высокого давления представляет собой емкость клиновидной формы.
[0035] Материал указанного цилиндра 35 для имитации обсадной трубы является аналогичным материалу обсадных труб для нефтяных и газовых скважин.
[0036] Указанная система 6 обработки данных выполнена с возможностью обработки в режиме реального времени температуры и давления внутри корпуса котла, а также давления в цилиндре для имитации обсадной трубы; указанное вычислительное устройство 7 с системой отображения данных выполнено с возможностью регистрации данных, предоставленных системой обработки данных, и их отображения в реальном времени.
[0037] Посредством вышеуказанной установки проводят испытания касательно деформации обсадной трубы в процессе ожидания затвердевания цементного раствора для цементирования скважины, при этом конкретный процесс испытания включает следующее:
В начале испытания посредством панели 5 регулирования температуры и давления вводят температуру и давление для испытания; цилиндр 35 для имитации обсадной трубы извлекают из котла 1 высокой температуры и высокого давления; смазывают все места испытательного устройства, снабженные резьбой; и переводят клапан 14 сброса высокого давления в автоматический режим.
[0038] В цилиндр 35 для имитации обсадной трубы заливают дистиллированную воду, пока она не достигнет области рядом с уплотнительным резиновым кольцом 32; последовательно устанавливают резиновое кольцо 32, крышку 30 цилиндра для имитации обсадной трубы и крепежный болт 29 цилиндра для имитации обсадной трубы. Цилиндр 35 устанавливают в котел 1 высокой температуры и высокого давления; прикрепляют к цилиндру 35 линейки; и снимают первоначальные показания. Закрывают крышку 25 котла высокой температуры и высокого давления; ввинчивают в корпус котла термопары 23. В цилиндр ввинчивают датчик 24 давления и ослабляют на половину витка. Включают воздушный компрессорный насос 2 и закачивают в корпус котла тампонажный цемент, пока в него не погрузится прокладка в области крепежного болта 29 в крышке цилиндра для имитации, после чего сразу ввинчивают болт для датчика 24 давления и быстро выключают воздушный компрессорный насос 2, а также закрывают клапан 9. Включают нагревательное устройство и устройство 7 увеличения давления жидкости с обеспечением автоматического регулирования; система сбора данных выполняет сбор данных в реальном времени касательно давления цементного раствора для цементирования скважины, находящегося внутри корпуса.
[0039] После завершения испытания переключают переключатели нагревательного устройства и устройства 4 увеличения давления жидкости на панели 6 регулирования температуры и давления; открывают клапан 14 сброса высокого давления для медленного сброса давления и сбрасывают давление в котле 1 высокой температуры и высокого давления; теплопроводное масло посредством трубопровода 15 возвращают в резервуар хранения масла устройства 4 увеличения давления жидкости. Открывают клапаны 9 и 10 и посредством воздушного компрессорного насоса 2 выводят тампонажный цемент.