УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН
WELL CEMENTING CONTROL DEVICE

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для решения задач оперативного управления процессом цементирования скважин и автоматического контроля основных технологических параметров - давления, температуры, плотности и расхода, а также может быть использовано в автоматизированных линиях производства растворов и смесей различного назначения.
Известно устройство для контроля процесса цементирования скважин, описанное в патенте РФ №2225499 (опубл. 03.10.2004). Это устройство, находящееся в составе мобильного комплекса цементирования скважин, содержит измерительный (приборный) блок с датчиками давления, температуры, плотности и расхода, смонтированными на нагнетательной линии манифольда посредством несущей конструкции с отдельно размещенными и жестко установленными на монтажной базе - автошасси конструктивными элементами, компьютеризированную измерительную станцию, смонтированную в автобусе на автошасси высокой проходимости и связанную информационными кабелями с датчиками измерительного блока.
Такое устройство не обладает необходимой компактностью, удобством монтажа-демонтажа, имеет ограниченные функциональные возможности, требует применения большого количества информационных кабелей большой длины, что снижает надежность работы и увеличивает время развертывания - свертывания комплекса, а также приводит к дополнительным материальным затратам на задалживание и техническое обслуживание автобуса, транспортирующего компьютеризированную измерительную станцию.
От указанных недостатков свободно устройство по патенту РФ №2285119 (опубл. 10.10.2006). Отличительной особенностью этого устройства является выполнение несущей конструкции в модульном варианте в виде стальной трубы переменного диаметра с присоединительными патрубками, имеющей в средней части стеклопластиковую вставку с металлическими законцовками с элементами быстроразъемных соединений для встраивания в линию высокого давления цементировочной обвязки, преимущественно представляющую собой трубопровод, образованный системой насосно-компрессорных труб с быстроразъемными соединительными элементами. При этом труба такой несущей конструкции содержит размещенные на ней датчики давления и температуры, обычно включающие первичные преобразователи и электронные платы усилителей, накладной радиационно-безопасный датчик измерителя плотности, измеритель перепада давления на сужающем устройстве для обеспечения возможности определения расхода жидкостей, а также компьютеризированную измерительную станцию, жестко закрепленную на трубе несущей конструкции и связанную через информационный кабель с выносным информационным табло. Данное устройство для контроля процесса цементирования скважин является наиболее близким к предлагаемому.
Очевидными недостатками этого устройства являются сложность изготовления, большой вес и габаритные размеры из-за размещения на трубе увеличенного диаметра большого количества электронных блоков станции и избыточного количества датчиков давления и температуры. Это приводит к значительному удорожанию устройства и снижению его эксплуатационных возможностей вследствие потери мобильности из-за трудности доставки на скважину для производства тампонажных работ без привлечения дополнительной большегрузной транспортной единицы (автошасси или автоприцепа), а также к потере универсальности, исключающей возможность его встраивания в манифольд мобильного цементировочного комплекса. Кроме того, это устройство не обладает требуемой надежностью работы в условиях воздействия ударно-вибрационных нагрузок и повышенного (более 30÷40 МПа) давления в нагнетательной линии из-за наличия жестко связанных с трубой электронных блоков и наличия стеклопластиковой вставки, имеющей недостаточную по сравнению со стальной трубой прочность и проблемную герметизацию мест соединений с последней, а наличие сужающего устройства в виде шайбы приводит к накоплению на ее рабочей торцовой поверхности цементного раствора (особенно при нагнетании высоковязких растворов повышенной плотности), что отрицательно сказывается на точности определения его расхода вследствие уменьшения сечения дроссельного отверстия.
Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения универсальности, мобильности и удобства обслуживания, повышения надежности, упрощения конструкции, снижения стоимости, уменьшения веса и габаритных размеров.
Для достижения указанных технических результатов устройство для контроля процесса цементирования скважин, содержащее измерительный блок с датчиками давления и температуры, включающими первичные чувствительные элементы и электронные платы усилителей, накладным радиационно-безопасным датчиком измерителя плотности и датчиком измерителя расхода, смонтированными посредством несущей конструкции в нагнетательном трубопроводе, образованном системой насосно-компрессорных труб с быстроразъемными соединительными элементами, и компьютеризированную измерительную станцию, связанную через блоки обработки сигналов информационными кабелями с датчиками измерительного блока, отличается тем, что несущая конструкция выполнена в виде насосно-компрессорной трубы, разделенной на два отрезка, встречные концы которых соединены с включенной в нагнетательный трубопровод муфтой, снабженной в центральной части двумя горловинами, в которых герметично размещены датчики давления и температуры, при этом датчик измерителя расхода выполнен в виде накладного сенсора ультразвукового расходомера с возможностью размещения на одном из отрезков упомянутой трубы, а станция выполнена в виде малогабаритного переносного блочного комплекса.
Причем отрезки насосно-компрессорной трубы выполнены отличающимися по длине, при этом датчики измерителей плотности и расхода совместно и компактно размещены на длинном отрезке трубы.
Кроме того, продольные оси горловин расположены в центральной диаметральной плоскости муфты под углом, не превышающем 90°, одна относительно другой с вершиной на продольной оси трубопровода.
Кроме того, электронные платы усилителей датчиков давления и температуры размещены между электрически изолирующими демпфирующими подушками в отдельно дополнительно введенной в несущую конструкцию герметичной коробке, смонтированной на коротком отрезке трубы ближе к концу муфты.
Причем блоки обработки сигналов измерителей давления и расхода установлены в коробке и выполнены в виде пакета электронных плат, разделенных друг от друга электрически изолирующими демпфирующими подушками.
Отличительными признаками предлагаемого устройства для контроля процесса цементирования скважин от указанного выше известного наиболее близкого к нему являются выполнение несущей конструкции измерительного блока в виде насосно-компрессорной трубы с быстроразъемными соединительными элементами, разделенной на два отличающихся по длине отрезка, встречные концы которых соединены с включенной в нагнетательный трубопровод муфтой, снабженной в центральной части двумя горловинами, в которых герметично размещены датчики давления и температуры, а также выполнение датчика измерителя расхода в виде накладного сенсора ультразвукового расходомера, который совместно с датчиком измерителя плотности размещен на длинном отрезке трубы, и выполнение станции в виде малогабаритного переносного блочного комплекта.
Другими отличительными признаками предлагаемого устройства являются расположение продольных осей горловин в центральной диаметральной плоскости муфты под углом, не превышающим 90° одна относительно другой с вершиной на продольной оси трубы, а также размещение электронных плат усилителей датчиков давления и температуры на демпфирующих подушках в отдельной дополнительно введенной в несущую конструкцию герметичной коробке, смонтированной на коротком отрезке трубы ближе к концу муфты.
Другим отличительным признаком предлагаемого устройства является введение в коробку блоков обработки сигналов измерителей плотности и расхода и выполнение их в виде пакета электронных плат, разделенных друг от друга электрическими изолирующими демпфирующими подушками.
Устройство для контроля процесса цементирования скважин включает в себя измерительный блок и компьютеризированную измерительную станцию.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2 и 3.
На фиг.1 изображен общий вид измерительного блока.
На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
На фиг.3 показана схема соединений устройства.
Измерительный блок (фиг.1) предлагаемого устройства включает в себя несущую конструкцию, состоящую из двух 1 и 2, отличающихся по длине отрезков одной насосно-компрессорной трубы (НКТ) с быстроразъемными соединениями (БРС) элементами унифицированного типа. При этом отрезок НКТ большей длины 1 оснащен БРС - гнездом 3, а также НКТ меньшей длины 2 - БРС - конусом 4 с уплотнительным резиновым кольцом (на чертеже не показано) и накидной гайкой 5. Встречные концы отрезков 1 и 2 НКТ с помощью трубных замковых резьб герметично присоединены к строганой муфте 6 высокого давления, которая совместно с упомянутыми отрезками НКТ образует трубопроводный элемент с проточным отверстием одного диаметра. Муфта 6 в центральной части имеет две горловины 7 и 8 (фиг.2), в которых герметично размещены и фиксированы от осевого перемещения с помощью, например, U-образных стопорных вилок 9 и 10 датчики давления 11 и температуры 12. Такая конструкция не исключает любого расположения горловин 7 и 8, в том числе и в одной продольной плоскости, например, в виде креста. Однако в рассматриваемом случае для повышения компактности и уменьшения поперечного габарита измерительного блока оси горловин расположены в центральной диаметральной плоскости муфты 6 под углом, не превышающим 90° одна относительно другой с вершиной на продольной оси трубопроводного элемента. При этом идеальным для самоочищения от цементного раствора и промывочной жидкости чувствительных торцовых поверхностей датчиков давления 11 и температуры 12 является такое пространственное положение измерительного блока, когда вертикальная плоскость делит угол между осями горловин 7 и 8 пополам, а проводная ось трубопроводного элемента, несущая эти датчики, не превышает относительно горизонтальной плоскости угол, равный 45°.
6
На длинном отрезке 1 НКТ в промежутке между БРС - гнездом 3 и торцом муфты 6 жестко и компактно установлены накладной радиационно-безопасный датчик 13 измерителя плотности и накладной сенсор 14 ультразвукового расходомера. Датчик 13 закреплен с помощью двух зажимов, включающих в себя колодки 15,16 и 17 со стяжными резьбовыми шпильками 18 и гайками 19. Сенсор 14 размещен между БРС - гнездом 3 и датчиком 13 и закреплен с помощью ленточного хомута 20 посредством металлической прокладки 21, исключающей наличие воздушных зазоров и смазанной с обеих сторон специальным гелем, обеспечивающим надежный акустический контакт. При этом для обеспечения ламинарности потока и достижения требуемой точности измерения расхода жидкости длина отрезка 1 НКТ выбирается таким образом, чтобы от конца ее резьбового окончания в муфте 6 и сенсором 14 составляло не менее десяти диаметров проточного отверстия трубы, а направление потока при том размещении сенсора 14, которое изображено на фиг.1, должно задаваться от БРС - конуса 4 до БРС - гнезда 3. В случае изменения направления потока сенсор 14 должен быть размещен между датчиком 13 и встречным торцом муфты 6. Датчик 13 выполнен в виде контурно повторенного на фиг.1, 2 и 3 радиоизотопного блока детектирования отечественного бесконтактного измерителя плотности ИПБ - 1К - 1, имеющего лучшие по сравнению с современными аналогами эксплутационные характеристики. В качестве излучателя 22 в нем используется радионуклидный источник Na-22 с периодом полураспада 2,6 года и минимальным значением активности, не превышающим 10 Бк, что позволяет использовать его в соответствии с действующими Нормами и Правилами без ограничений по радиационной безопасности. Причем излучатель 22 имеет вид дисковой алюминиевой или магниевой мишени, облученной на циклотроне, и является восстанавливаемым при снижении активности изделием. Накладной сенсор 14 ультразвукового расходомера использует эффект Доплера, заключающийся в измерении частоты отраженной волны от движущихся в потоке жидкости примесей и/или пузырьков газа, скорость которых используется для расчета расхода. При этом измеряемой средой для расходомера, основанного на доплеровском эффекте, служат жидкости, содержащие хотя бы 0,1% твердых частиц или пузырьки газа диаметром от 100 микрон. Этим требованиям полностью удовлетворяют цементные растворы и продавочные жидкости, что позволяет в качестве измерителя расхода использовать один из известных выпускаемых промышленностью приборов, например бесконтактный ультразвуковой расходомер типа EESIFLO 3000 Series.
На коротком отрезке 2 НКТ с помощью регулируемой по высоте стойки 23, двух зажимных колодок 24 и 25 и двух стяжных болтов 26 смонтирована герметичная коробка 27 с элементами кабельных разъемов, например розетками 28. Коробка 27 может иметь различную конструктивную форму и габаритные размеры, не превышающие поперечных габаритов измерительного блока. В этой коробке, устанавливаемой как можно ближе к концу муфты 6, между тремя электрически изолирующими демпфирующими подушками, выполненными, например, из поролона, губчатой резины или в виде воздушных мешков, размещены одна над другой электронные платы усилителей (на чертеже не показаны) датчиков давления 11 и температуры 12, электрически связанные через информационные кабели 29 и 30 (фиг.3) с их первичными преобразователями (на чертеже не показаны), имеющими с помощью горловин 7 и 8 доступ к исследуемому потоку жидкости. Это при минимальной длине информационных кабелей 29 и 30, необходимой для уменьшения влияния помех окружающей среды, обеспечивает комфортные условия для упомянутых электронных плат при любых реально встречающихся на практике ударно-вибрационных воздействиях, что значительно повышает надежность датчиков давления 11 и температуры 12. В то же время уменьшение осевых габаритов датчиков 11 и 12, достигаемое за счет исключения из их корпусов электронных плат усилителей, обеспечивает уменьшение поперечного габарита измерительного блока. Учитывая, что эти датчики являются наиболее слабым с точки зрения надежности звеном в схеме измерительного блока вследствие их прямого контакта с находящейся под высоким давлением абразивной жидкостью, каждый из них, также как и в ближайшем аналоге, может быть выполнен в виде комплексного датчика, включающего в себя первичные преобразователи давления и температуры (два в одном корпусе), обеспечивая, таким образом, резервирование надежности устройства в случае особо жестких условий его эксплуатации без изменения несущей конструкции и увеличения осевого габарита измерительного блока.
Благодаря особенностям описанной конструкции при известных габаритах реально существующих датчиков и НКТ диаметром 60,3 мм измерительный блок может быть выполнен с размерами, не превышающими по длине 1100 мм, по ширине 260 мм и по высоте 300 мм. Это позволяет такой измерительный блок легко встраивать в любое технологически обоснованное место нагнетательной линии, в том числе и в манифольд цементировочного агрегата любого известного типа.
Компьютеризированная измерительная станция 31 (фиг.3) с помощью информационных кабелей 32, 33 и 34 соответственно электрически связана с сенсором 14 ультразвукового расходомера, датчиком 13 измерителя плотности и коробкой 27 с электронными платами усилителей датчиков давления 11 и температуры 12. При необходимости станция 31 может оснащаться выносным информационным табло и при современном уровне развития электроники без особых затруднений может быть выполнена в виде герметичного малогабаритного переносного портативного блочного комплекта, полностью либо частично конструктивно и функционально совмещенного в герметичном навесном, настольном или вставном каркасе с габаритами, не превышающими 450×300×120 мм. При этом, как обычно, она содержит малогабаритный компьютер, коммутационный блок, блоки предварительной обработки сигналов датчиков плотности и расхода, блок сбора информации, блок питания, блок энергонезависимой твердотельной памяти и другие вспомогательные типовые элементы (на чертежах не показаны). Однако благодаря предлагаемой конструкции описываемое устройство позволяет блоки обработки сигналов измерителей плотности и расхода выполнить в виде пакета электронных плат, разделенных друг от друга электрически изолирующими демпфирующими подушками, и комфортно вибро- и ударобезопасно разместить их в коробке 27. Это даст возможность минимизировать габаритные размеры станции 31, уменьшить длину информационного кабеля 32, выполняемого коаксиальным, исключить необходимость его непосредственного подключения к станции 31 и тем самым снять ограничения (до 3-6 м) по дальности размещения последней от измерительного блока. Кроме того, это позволит через один из разъемов коробки 27 обеспечить связь измерительного блока со станцией 31 с помощью всего лишь одного множительного быстросъемного информационного кабеля, что даст возможность оперативно развертывать - свертывать устройство на скважине независимо от места его дислокации.
Работа предлагаемого устройства для контроля процесса цементирования скважин аналогична работе известных устройств и отличается лишь более широким выбором мест размещения измерительного блока и станции 31, которая в случае навесного или вставного исполнения упомянутого выше каркаса должна оснащаться дополнительными стандартными крепежными (фиксирующими) быстросъемными элементами.