УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН
DEVICE FOR CONTROL OVER WELL CEMENTING

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для оперативного контроля за 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 г.). Это устройство, находящееся в составе мобильного комплекса цементирования скважин, содержит измерительный 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 надежностью, компактностью и удобством обслуживания.
Известно устройство для контроля процесса цементирования скважин по патенту РФ №2285119 (опубл. 10.10.2006 г.). Это устройство содержит измерительный блок с расходомером, датчиками давления и температуры, герметично установленными в горловинах высокопрочной вставки (муфты), смонтированной между двумя отличающимися по длине патрубками (отрезками насосно-компрессорных труб) с быстроразъемными соединительными элементами на концах для присоединения к нагнетательному трубопроводу, а также радиационно-безопасный датчик измерителя плотности, включающий излучатель и накладной блок детектирования, и компьютеризированную измерительную станцию в виде малогабаритного переносного блочного комплекта. Данное устройство для контроля процесса цементирования скважин является наиболее близким к предлагаемому.
6
При всех преимуществах это устройство также не лишено недостатков. Основным из них является возникающая в связи с конструктивными особенностями устройства проблема повышения точности контроля плотности цементных растворов в нагнетательном трубопроводе высокого давления. Объясняется это тем, что вследствие использования в нагнетательной линии высокопрочных насосно-компрессорных труб малого диаметра (преимущественно 60,3 мм при толщине стенки около 5 мм) возникает проблема с обеспечением требуемой с метрологической точки зрения толщины слоя цементного раствора в месте расположения чувствительной зоны блока детектирования, так как увеличение диаметра труб приводит к снижению внутреннего допустимого давления на них и к увеличению толщины стенки. Как известно, принцип действия используемого в устройстве радиационно-безопасного измерителя плотности состоит в том, что поток гамма-излучения от излучателя, прошедший через контролируемую поглощающую среду (в данном случае через цементный раствор), регистрируется блоком детектирования (сцинтилляционным счетчиком). В этом блоке гамма-кванты преобразуются в последовательность статистически распределенных электрических импульсов со средней частотой следования, прямо пропорциональной плотности ослабленного потока излучения. Ослабление интенсивности гамма-излучения, а следовательно, и уменьшение средней частоты следования электрических импульсов, происходит по известной экспоненциальной зависимости от плотности контролируемой среды и определяется активностью излучателя и толщиной слоя поглощающего вещества (или, иначе, диаметром трубопровода с находящимся в нем цементным раствором). По этой причине повышение разрешающей способности, а следовательно, и точности измерителя плотности связано с повышением энергии излучателя и обеспечением необходимой для достижения заданных метрологических характеристик толщины слоя цементного раствора в системе «излучатель - блок детектирования». Однако из-за выдерживания всех норм, необходимых для снятия ограничений по радиационной безопасности, активность излучателя в используемом измерителе плотности не может превышать установленного для него минимального значения активности. Так, например, для применяемого в качестве излучателя радионуклида Na-22 это значение составляет 10 Бк. При этом определенный вклад в погрешность контроля плотности цементного раствора вносит и ослабление интенсивности гамма-лучей при прохождении их от излучателя до блока детектирования через удвоенную толщину стенки отрезка насосно-компрессорной трубы устройства.
К другим недостаткам рассматриваемого устройства следует отнести недостаточно высокую универсальность и низкую компактность из-за поочередного линейного расположения датчиков на жесткой несущей конструкции, что затрудняет встраивание изделия в качестве навесного оборудования в блоки манифольдов насосных установок различного типа при высокой плотности монтажа.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения точности контроля плотности цементного раствора и улучшения эксплуатационных параметров.
Для достижения указанных технических результатов в устройство для контроля процесса цементирования скважин, содержащее измерительный блок с расходомером, датчиками давления и температуры, герметично установленными в горловинах муфты, смонтированной между двумя отличающимися по длине отрезками насосно-компрессорных труб с быстроразъемными соединительными элементами на концах для присоединения к нагнетательному трубопроводу, а также радиационно-безопасный датчик измерителя плотности, включающий излучатель и накладной блок детектирования и компьютеризированную измерительную станцию в виде малогабаритного переносного блочного комплекта, введена дополнительная муфта, которая связана с длинным отрезком трубы или выполнена за одно целое с основной муфтой, при этом в центральной части дополнительной муфты выполнена горловина, в которой герметично размещена пробка с установленным на ее нижнем конце излучателем, при этом на внешней стороне дополнительной муфты в месте расположения чувствительной зоны блока детектирования выполнена канавка, форма и размеры поперечного сечения которой выбраны таким образом, что обеспечивают минимальное ослабление потока излучения.
Причем встречная по отношению к блоку детектирования поверхность излучателя расположена от встречной образующей внутренней поверхности дополнительной муфты на расстоянии, превышающем внутренний диаметр насосно-компрессорных труб нагнетательного трубопровода, при этом нижняя часть горловины под излучателем выполнена с конусной расточкой.
Кроме того, участок насосно-компрессорной трубы между основной и дополнительной муфтами снабжен быстроразъемным соединением.
Кроме того, при совмещении основной и дополнительной муфт продольные оси всех трех горловин расположены в одной диаметральной плоскости и имеют единую вершину, расположенную на продольной оси трубопровода, причем продольные оси горловин с датчиками давления и температуры расположены по обе стороны от продольной оси горловины с излучателем под углом, не превышающим 90°.
Отличительными признаками предлагаемого устройства для контроля процесса цементирования скважин от указанного выше известного наиболее близкого к нему являются введение в него дополнительной муфты, которая связана с длинным отрезком трубы или выполнена за одно целое с основной муфтой, при этом в центральной части дополнительной муфты выполнена горловина, в которой герметично размещена пробка с установленным на ее нижнем конце излучателем, а также выполнение на внешней стороне дополнительной муфты в месте расположения чувствительной зоны блока детектирования канавки, форма и размеры поперечного сечения которой выбраны таким образом, что обеспечивают минимальное ослабление потока излучения.
Другими отличительными признаками устройства являются расположение встречной по отношению к блоку детектирования поверхности излучателя от встречной образующей внутренней поверхности дополнительной муфты на расстоянии, превышающем диаметр насосно-компрессорных труб нагнетательного трубопровода, а также выполнение нижней части горловины под излучателем с конусной расточкой.
Другим отличительным признаком предлагаемого устройства является введение быстроразъемного соединения в участок насосно-компрессорной трубы между основной и дополнительной муфтами.
Другим отличительным признаком является то, что при совмещении основной и дополнительной муфт продольные оси всех трех горловин расположены в одной диаметральной плоскости с единой вершиной, расположенной на продольной оси трубопровода, а также расположение продольных осей горловин с датчиками давления и температуры по обе стороны от продольной оси горловины с излучателем под углом, не превышающим 90°.
Предлагаемое устройство для контроля процесса цементирования скважин включает в себя измерительный блок и компьютеризированную измерительную станцию в виде малогабаритного переносного блочного комплекта.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.
На фиг.1 изображен общий вид одного из вариантов исполнения измерительного блока.
На фиг.2 - дополнительная муфта с излучателем без блока детектирования, общий вид с частичным продольным разрезом.
На фиг.3 - общий вид второго возможного варианта исполнения измерительного блока.
На фиг.4 - разрез А-А на фиг.3 без блока детектирования.
В зависимости от технических условий эксплуатации предлагаемого устройства возможны два варианта исполнения измерительного блока.
Вариант 1. Измерительный блок (фиг.1) предлагаемого устройства включает в себя несущую конструкцию, состоящую из двух 1 и 2 отличающихся по длине отрезков насосно-компрессорной трубы (НКТ) с элементами быстроразъемных соединений (БРС) унифицированного типа. При этом отрезок НКТ большей длины 1 оснащен БРС-гнездом 3, а отрезок НКТ меньшей длины 2 - БРС-конусом 4 с уплотнительным резиновым кольцом (на чертеже не показано) и накидной гайкой 5. В состав несущей конструкции также входят основная 6 и дополнительная 7 строганые муфты высокого давления, связанные между собой участком НКТ, снабженным БРС. По сути этот участок представляет собой два 8 и 9 герметично соединенных между собой отрезка НКТ минимально допустимой длины со встречными БРС-гнездом 10 и БРС-конусом 11, стянутыми накидной гайкой 12. Встречные концы отрезков 1 и 8 НКТ и встречные концы отрезков 9 и 2 с помощью трубных замковых резьб соответственно герметично присоединены к дополнительной 7 и основной 6 муфтам высокого давления, которые совместно с упомянутыми отрезками НКТ образуют трубопроводный элемент с проточным отверстием одного диаметра. Основная муфта 6 в центральной части имеет две горловины, в которых герметично размещены и фиксированы от осевого перемещения датчики давления 13 и температуры 14 с помощью одинаковых, например, U-образных стопорных вилок (на чертеже видна стопорная вилка 15, установленная на горловине с датчиком давления 13). Продольные оси горловин с датчиками давления 13 и температуры 14 V-образно расположены в центральной диаметральной плоскости основной муфты 6 под углом, не превышающим 90° одна относительно другой с вершиной на продольной оси трубопроводного элемента. При этом для самоочищения от цементного раствора и промывочной жидкости чувствительных торцовых поверхностей датчиков давления 13 и температуры 14 предпочтительным является такое пространственное положение осей их горловин, когда вертикальная плоскость, проведенная через продольную ось трубопроводного элемента, делит угол между ними пополам (на чертеже для удобства изображения угол между осями упомянутых горловин показан равным 90° с расположением оси горловины датчика давления 13 в вертикальной плоскости). Причем очевидно, что применение датчиков давления 13 и температуры 14 в однокорпусном исполнении и отсутствие необходимости в аналогичном резервном втором датчике приведет к совмещению продольных осей горловин указанных датчиков 13 и 14 в одну ось с расположением ее в вышеупомянутой вертикальной плоскости.
На длинном отрезке 1 НКТ в промежутке между БРС-гнездом 3 и торцом дополнительной муфты 7 жестко и компактно закреплены накладной сенсор 16 ультразвукового расходомера и часть блока детектирования 17 радиационно-безопасного измерителя плотности, например, типа ИПБ-1К. Причем предлагаемое устройство не исключает возможности применения расходомера, основанного на иных физических принципах действия. Вторая часть блока детектирования 17 закреплена на дополнительной муфте 7. Крепление накладного сенсора 16 осуществлено с помощью ленточного хомута 18. При этом блок детектирования 17 установлен на нижней стороне несущей конструкции и закреплен посредством зажима, включающего в себя колодки 19 и 20 со стяжными резьбовыми шпильками 21 и гайками 22, и хомута 23, связанного с колодкой 20 при помощи болтов 24 с гайками 25. На верхней стороне дополнительной муфты 7 в ее центральной части расположена горловина 26 (фиг.2), в которой посредством резиновых уплотнительных колец 27 герметично размещена и фиксирована от осевого перемещения с помощью U-образной стопорной вилки 28 пробка 29 с установленным на ее нижнем конце излучателем 30, защищенным от соприкосновения с цементным раствором разделительным, например, резиновым колпачком 31. При этом блок детектирования 17 (см. фиг.1) установлен на несущей конструкции таким образом, что главная ось его чувствительной зоны (или, иначе, продольная ось входящего в него сцинтиллятора) и главная ось излучателя 39 совпадают с осью, пересекающей продольную ось трубопроводного элемента. Причем на внешней стороне дополнительной муфты 7 для минимизации ослабления толщей ее металла интенсивности гамма-излучения в месте расположения чувствительной зоны блока детектирования 17 выполнена канавка 32 (см. фиг.2). Форма и размеры канавки 32 могут быть различными и должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечивать минимальное ослабление потока излучения. Наиболее простой по форме и в изготовлении является, как это показано на чертеже, канавка 32 в виде глухого цилиндрического отверстия. Для улучшения метрологических характеристик измерителя плотности за счет увеличения толщины слоя, контролируемого цементного раствора встречная по отношению к блоку детектирования 17 поверхность излучателя 30 расположена от встречной образующей внутренней поверхности дополнительной муфты 7 на расстоянии, по меньшей мере, в 1,5 раза превышающем внутренний диаметр насосно-компрессорных труб нагнетательного трубопровода. При этом для улучшения условий перетока и вымывания цементного раствора из-под излучателя в нижней части горловины 26 выполнена конусная расточка с диаметром основания конуса, не меньшим внутреннего диаметра дополнительной муфты 7.
Рассмотренная конструкция измерительного блока позволяет в предлагаемом устройстве минимизировать ослабление потока гамма-лучей от излучателя 30 при прохождении толщи металла дополнительной муфты 7 (за счет толщины дна канавки 32, меньшей удвоенной толщины стенки НКТ), а также оптимизировать уровень поглощения гамма-излучения в конструкции с заданным диаметром НКТ за счет обеспечения достаточной толщины слоя цементного раствора в системе «излучатель 30 - блок детектирования 17». Благодаря этому обеспечивается повышение точности контроля плотности цементного раствора. Кроме того, данный вариант исполнения измерительного блока вследствие наличия БРС между основной 6 и дополнительной 7 муфтами по существу представляет собой двухмодульную конструкцию, позволяющую раздельно включать каждый из модулей в нагнетательный трубопровод, менять их место соединения между собой, а также осуществлять при помощи вспомогательного угольника поворот одного модуля относительно другого в требуемое пространственное положение. Это дает возможность наиболее эффективно использовать измерительный блок в качестве малогабаритного навесного оборудования, встраиваемого в блок манифольда насосной установки любого известного типа.
Вариант 2. Представленный на фиг.3 измерительный блок имеет в основном те же конструктивные особенности и элементы, что и описанный выше измерительный блок (см. фиг.1 и 2). Отличием его является выполнение основной и дополнительной муфт в виде единой строганой муфты 33 с тремя горловинами 26, 34 и 35 (фиг.4), в которых соответственно герметично размещены и фиксированы от осевого перемещения с помощью стопорных вилок 28, 15 и 36 пробка 29 с излучателем 30 (см. фиг.2), датчики давления 13 и температуры 14. Продольные оси всех трех горловин 26, 34 и 35 расположены в одной центральной диаметральной плоскости муфты 33 с пересечением в одной точке с продольной осью трубопроводного элемента. При этом продольные оси горловин 34 и 35 с датчиками давления 13 и температуры 14 расположены по обе стороны от продольной оси горловины 26 с пробкой 29, оснащенной излучателем 30, под углом, не превышающим 90°. При этом наиболее простой в изготовлении является такая муфта 33 (см. фиг.4), в которой упомянутый угол равен 90°, а ее срединная часть имеет форму куба. Последнее, благодаря образованной таким образом на нижней части муфты 33 плоской поверхности, обеспечивает более надежное закрепление блока детектирования 17 на несущей конструкции за счет исключения возможности его проворачивания вокруг продольной оси трубопровода при ударах и тряске, имеющих место в процессе проведения работ по цементированию скважин. Важной особенностью рассмотренного варианта измерительного блока является его повышенная компактность, которая при минимизации осевого габарита (до 1000 мм) и веса (до 60 кг) конструкции делает ее привлекательной для использования в качестве переносного высокомобильного изделия.