УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН

Полезная модель относится преимущественно к области нефтедобычи и, в частности, может быть использована для цементирования скважин.
Для создания обсадной колонны в скважину заливается цементный раствор и происходит его застывание. Указанная полезная модель предназначена для обработки раствора в ходе его застывания. Целью обработки является улучшение качества цементного камня, а именно, повышение однородности структуры и, следовательно, прочности.
Известен способ цементирования обсадной трубы в скважине (патент RU №2166063) путем подачи тампонажного раствора в затрубное пространство и воздействия на раствор акустическими колебаниями частотой 20-100 кГц, генерируемыми источником, введенным в трубу, отличающийся тем, что используют трубу с наружным поверхностным покрытием из нержавеющей стали, имеющим толщину 0,3-0,5 мм и шероховатость 40-120 мкм.
2
Известен способ добычи нефти с использованием энергии упругих колебаний (патент RU №2392422), который может быть использован и для цементирования скважин, выбранный в качестве прототипа, включающий размещение в скважине на рабочей глубине скважинного аппарата, который соединен с наземным источником электропитания промышленной частоты и содержит в себе ультразвуковой преобразователь, обеспечивающий создание упругих колебаний высокой частоты, возбуждение упругих колебаний разных частот и, последующее за этим, преимущественно, неоднократное воздействие упругими колебаниями разных частот на нефтяной пласт, отличающийся тем, что воздействие упругими колебаниями на нефтяной пласт осуществляют колебаниями высокой и низкой частоты, а для создания упругих колебаний высокой и низкой частоты используют два независимых источника колебаний, один из которых выполнен в виде, по меньшей мере, одного излучающего ультразвукового, преимущественно, магнитострикционного преобразователя, а второй создан на базе электроимпульсного устройства, которое обеспечивает создание упругих колебаний низкой частоты, соединено с наземным источником электропитания промышленной частоты и включает в себя электрически взаимосвязанные между собой зарядное устройство, блок накопительных конденсаторов, разрядный блок, оснащенный электродами, и два коммутирующих средства, одно из которых обеспечивает компоновку отдельных накопительных конденсаторов в единый блок, а второе выполняет переключение накопительных конденсаторов с одного вида их электрического соединения на другой вид соединения, при этом воздействие упругими колебаниями высокой частоты осуществляют в низкочастотном ультразвуковом диапазоне, преимущественно, на частоте 18-44 кГц и ведут его в постоянном и/или импульсном режиме с интенсивностью в пределах 1-5 Вт/см, а воздействие упругими колебаниями низкой частоты осуществляют с частотой следования импульсов разряда равной 0,2-0,01 Гц и ведут его с энергией единичного импульса разряда, составляющей 100-800 Дж, причем на зарядное устройство от источника электропитания подают постоянное напряжение, величину которого устанавливают в пределах 300-150 В, перед зарядкой накопительных конденсаторов осуществляют их компоновку в единый блок, зарядку блока накопительных конденсаторов выполняют, преимущественно, при параллельном соединении конденсаторов и ведут ее, преимущественно, в течение 20 с до необходимой величины напряжения, максимальное значение которой принимают равным 20-27 кВ, а перед разрядкой блока накопительных конденсаторов, обеспечивающей поступление его выходного напряжения на электроды разрядного блока, все накопительные конденсаторы или их некоторую часть переключают в последовательное электрическое соединение, вместе с этим воздействие упругими колебаниями высокой и низкой частоты осуществляют поочередно и/или одновременно, преимущественно, при неподвижном расположении скважинного аппарата, ведут его с постоянными и/или с изменяющимися электрическими и акустическими характеристиками наземного и/или скважинного оборудования и технологическими параметрами процесса добычи нефти и, преимущественно, при постоянной и/или при периодической откачке нефти из скважины.
Известные способ и устройство имеют низкую эффективность цементирования скважин, сложны в изготовлении и эксплуатации. Задачей, на решение которой направлено предлагаемая полезная модель, является повышение эффективности цементирования скважин.
Решение данной задачи в предлагаемой полезной модели достигается тем, что устройство содержит скважинный прибор, состоящий из последовательно расположенных в одном корпусе электрогидравлического блока с колебательным контуром, меняя параметры которого можно управлять длительностью импульсов, частотой набивки и спектра сигнала электрогидравлического блока для изменения зоны воздействия, и ультразвукового блока с электроакустическими преобразователями, датчики давления и потока, гидрофон, насос, ультразвуковой и импульсный генераторы, контрольное оборудование для датчиков, блок управления скважинным прибором, снабженный синхронизатором работы электрогидравлического и ультразвукового блоков, при этом в нижней части корпуса скважинного прибора расположены разрядная камера и защитная крышка.
На Фиг.1 и Фиг.2 приведена схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из скважинной и наземной части.
Скважинная часть включает в себя скважинный прибор, соединенный с наземной частью оборудования геофизическим кабелем 1. При этом в корпусе скважинного прибора последовательно снизу вверх установлены электрогидравлический блок 7 и ультразвуковой блок 4 с электроакустическими (магнитострикционными) преобразователями 3, над которым расположен кабельный наконечник 2, а между ультразвуковым блоком 4 и электрогидравлическим блоком 7 расположены компенсатор давления 5 и соединительный блок 6. Кроме того, над корпусом скважинного прибора установлены датчики давления 10, потока 11, гидрофон 12, а также насос (условно не показан). В нижней части скважинного прибора расположены разрядная камера 8 и защитная крышка 9.
Электроакустические преобразователи 3, смонтированные в ультразвуковом блоке 4, могут быть установлены параллельно, параллельно-перпендикулярно, последовательно (см. Фиг.3) - с целью создания наиболее эффективной диаграммы направленности, соответствующей условиям цементирования скважины.
Ультразвуковой блок 4 оснащен устройством для компенсации давления 5 (выравнивания давлений внутри и вне блока), с целью предотвращения кавитации внутри блока. Кабель 1 в электрогидравлический блок 7 вводится через ультразвуковой блок 4.
Такое исполнение устройства оптимально для создания коротких разрядов внутри скважины с целью формирования эффективной ударной волны. Комбинированное ультразвуковое и электрогидравлическое воздействие позволяет повысить эффективность цементирования скважин, поскольку в этом случае воздействие имеет более широкую операционную зону.
Наземная часть устройства включает в себя: ультразвуковой генератор 13, соединенный посредством кабеля 1 с ультразвуковым блоком 4 скважинного прибора; импульсный генератор 14, соединенный кабелем 1 с электрогидравлическим блоком 7 скважинного прибора; контрольное оборудование для датчиков 15 и единый блок управления 16 скважинным прибором с устройством для управления длительностью импульсов, частотой набивки и спектра сигнала колебательного контура электрогидравлического блока и синхронизатором (условно не показаны) работы ультразвукового генератора 13 и электрогидравлического блока 7.
Устройство (см. Фиг.1) работает следующим образом.
Скважинный аппарат опускают в скважину (см. Фиг.2). С помощью контрольного блока сенсоров 15 определяют степень (параметры) загрязнения скважины. После чего, используя блок управления 16, сигнал соответствующей частоты от ультразвукового генератора 13, через геофизический кабель 1, подается на электроакустические преобразователи 3 ультразвукового блока 4. При этом ультразвуковой блок 4 подключен к ультразвуковому наземному генератору 13 со следующими оптимальными параметрами, полученными экспериментальным путем:
а) диапазон частот -17 - 24 кГц;
б) напряжение на выходе - 420 - 1200 V;
в) максимальная выходная мощность - 10 кВт;
г) максимальный ток подмагничивания - 15 А;
д) активное сопротивление кабеля - 20-80 Ом;
е) питания - 3 ∗ 380 В, 50,60 Гц;
ж) разрешенное изменение напряжение питания -10% -+10%;
з) потребляемая мощность - не более 13,8 кВт;
и) генератор может работать при ручном и компьютерном управлении.
Одновременно сигнал от импульсного генератора 14, через геофизический кабель 1, подается на электрогидравлический блок 7. При этом сигнал обладает следующими оптимальными параметрами, полученными экспериментальным путем:
а) выходная амплитуда импульса -120-240 V;
б) длительность импульса - 5-50 сек;
в) пауза между импульсами - 50-600 сек;
г) амплитуда импульса тока - не более 2,5 А;
д) напряжение питания - 220 \ 380 В, 50 Гц;
е) разрешено изменение напряжение питания -10% -+10%;
ж) потребляемая мощность - не более 2,3 кВт;
з) генератор может работать при ручном и компьютерном управлении.
Воздействие сигналом низкой частоты, осуществляемое ультразвуковым блоком 4, и сигналом высокой частоты, осуществляемое электрогидравлическим блоком 7, производится совместно (синхронно), что приводит к изменению взаимного расположения и уплотнению гравийных частиц в цементном растворе.
Зона воздействия электрогидравлическим блоком 7 варьируется с помощью параметров колебательного контура в этом блоке (индуктивности, емкости и сопротивления). За счет этого меняется длительность импульса и частота набивки, а, следовательно, - спектр сигнала, что и приводит к изменению зоны воздействия. Благодаря этому осуществляется воздействие на различные зоны цементного раствора, особенно на границе гравийной засыпки.
Расположение электрогидравлического блока 7 в нижней части скважинного прибора позволяет обеспечить двойной фронт ударной волны: отраженной от дна скважины и исходящей собственно от электрогидравлического блока 7. При этом фронт представляет собой своего рода сферу. Эксперименты показали, что описанное комбинированное воздействие, осуществляемое предлагаемым устройством, существенно повышает эффективность цементирования скважин по сравнению с моночастотным воздействием.
Таким образом, предлагаемое устройство при минимально возможных габаритах позволяет улучшить качество цементного камня: его однородность и прочность.