СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PREPARATION OF CEMENT SLURRY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области крепления нефтяных и газовых скважин, а именно к способам приготовления тампонажного раствора в промысловых условиях с использованием активаторов цементного раствора гидроструйно-механического действия типа «струя в струю».
Известен способ приготовления тампонажного раствора для крепления скважины (см. описание к патенту №2161695, 7 МПК E21B 33/138, E21B 21/06, опубл. 10.01.2001 г., под названием «Тампонажный раствор для крепления скважины и способ его приготовления», предусматривающий смешивание портландцемента с реагентом, упрочняющим цементный камень, например, с золой-уносом ГРЭС, полученную смесь вводят в вакуумный гидросмеситель, при этом вводят барит от его расчетного количества и воду, подаваемую под давлением, далее осуществляют перемешивание раствора, после чего его гидроактивируют путем рециркуляции через гидросмеситель, гидроактивацию раствора под давлением 8,0-12,0 МПа повторяют несколько раз. По мнению заявителя, полученный раствор обладает повышенной термостойкостью и прочностью цементного камня, но резервы повышения прочности цементного камня сохраняются.
Недостатком известного способа приготовления тампонажного раствора является то, что он трудоемок в приготовлении, требует дополнительного оборудования и создания высокого давления порядка 8,0-12,0 МПа. При этом активирование цементного раствора происходит лишь при рециркуляции раствора, а это не дает высоких положительных результатов, что отрицательно скажется на качестве цементирования обсадной колонны.
Известен также способ приготовления тампонажного раствора (см. книгу Булатова А.И., Измайлова Л.Б. и др. «Справочник по креплению нефтяных и газовых скважин» М., Недра, 1982 г., с.62), предусматривающий приготовление цементного раствора смешиванием цемента с жидкостью затворения с использованием цементосмесительной машины, цементировочного агрегата и осреднительной емкости с последующим нагнетанием с помощью цементировочного агрегата в скважину закачиванием по высоконапорной нагнетательной линии с подключенным активатором гидроструйно-механического действия типа «струя в струю», основанные на использовании кинетической энергии турбулентных потоков, исходящих из двух насадок, вмонтированных в диаметрально противоположно направленных патрубках корпуса активатора.
Работа активатора (гидродиспергатора) заключается в следующем. При ударе струй друг с другом вследствие возникающего кавитационного эффекта происходит разрушение скомковавшихся лежалых цементов и гидратных оболочек на частицах цемента.
В нем недостатки вышеуказанного способа частично устранены. Однако и он не лишен недостатков.
Так, недостатком известного способа является то, что он осуществляется активатором, обладающим большой металлоемкостью и малой эффективностью и трудно вписывается в технологическую линию цементирования скважины в силу своих конструктивных особенностей. Кроме того, сварочное соединение отводов к корпусу представляет опасность при работе под высокими значениями давления. А такие диспергаторы (см. тот же источник информации), как магнитомеханические и ультразвуковые - дорогостоящие и трудно вписываются в технологическую линию цементирования скважин.
Известен гидроактиватор цементного раствора (см. описание к патенту на П/М №24502 под названием «Гидродиспергатор», МПК 7 E21B 33/14, 21/00, B01F 11/02, опубл. в БИ №22, 10.08.2002 г.), в описании которого приведен и способ его применения. В заранее приготовленный цементный раствор смешиванием цемента в жидкости затворения с использованием цементосмесительной машины типа СМН-20 направляют в чанок, из него с помощью цементировочного агрегата по высоконапорной гидролинии в осреднительную емкость, откуда далее по высоконапорной линии с подключенным гидродиспергатором-активатором цементного раствора с помощью цементировочного агрегата типа ЦА-320М направляют в скважину.
Эффект активации цементного раствора этим гидроактиватором заключается в следующем. Две высоконапорные струи жидкости, исходящие из гидромониторных боковых насадок, встречаясь, диспергируют частицы цемента и одновременно создают гидравлический экран. Высоконапорная струя выходящей из гидромониторной насадки, снабженной потоковращающей вставкой, и идущей по центральной оси диспергатора, встречаясь с гидравлической преградой - экраном, дополнительно диспергирует частицы цемента в растворе.
Указанный способ и гидроактиватор для его осуществления может быть принят в качестве прототипа.
Не умаляя достоинств известного способа и устройства, отметим, что возможности улучшения качества цементного раствора на данном этапе не исчерпаны.
Так, подключение гидроактиватора в высоконапорную нагнетательную линию, трудно поддается контролю качества диспергирования цемента в цементном растворе, а вставка с лопатками для отклонения потока, создающие вращательное движение потоку, хотя придают потоку дополнительную энергию, однако истекающая струя из насадки приобретает рассеянный характер, что не обеспечивает полностью реализовать полученную энергию.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение качества цементного раствора, обеспечивающего сокращение расхода реагентов, применяемых для упрочнения цементного камня, сроков схватывания цемента и повышение прочности цементного камня, и, как следствие, повышение напряженности контакта цементного кольца с колонной и породами разреза.
Поставленная техническая задача достигается описываемым способом приготовления тампонажного раствора с использованием цементосмесительной машины, цементировочных агрегатов (ЦА) и осреднительной емкости, включающим смешивание цемента в жидкости затворения шнеком цементосмесительной машины, перекачивание полученного цементного раствора насосом цементировочного агрегата в осреднительную емкость по высоконапорной гидролинии и нагнетание готового тампонажного раствора в осреднительной емкости в скважину по высоконапорной нагнетательной гидролинии с помощью другого цементировочного агрегата, при этом в одну из высоконапорных гидролиний подключают гидроактиватор цементного раствора гидромеханического действия типа «струя в струю», истекающие из двух боковых конусоидальных насадок, направлены один против другого и образующие при встрече гидроэкран, а центральная струя, истекающая из насадки, снабженной вставкой, направлена перпендикулярно к гидроэкрану.
Новым является то, что упомянутого гидроактиватора подключают в высоконапорную гидролинию для перекачивания цементного раствора в осреднительную емкость, при этом вставку центральной насадки гидроактиватора выбирают с возможностью формирования центростремительного потока.
Устройство для осуществления способа, представляющее собой систему приготовления тампонажного раствора, включающую цементосмесительную машину, цементировочный агрегат, осреднительную емкость, высоконапорные гидролинии и гидроактиватор цементного раствора типа «струя в струю», включающий полый ступенчатый корпус с присоединительными резьбами на концах, концентрично и с зазором установленную в большей ступени корпуса ступенчатую втулку, меньшей ступенью обращенную к выходному отверстию меньшей ступени корпуса, с наружными и внутренними присоединительными резьбами со стороны открытого конца большей ступени, и прикрепленную к большей ступени корпуса, конусоидальные насадки, установленные в диаметрально противоположно выполненных отверстиях в ее боковых стенках, оси которых перпендикулярны к оси корпуса, в меньшей ступени втулки с осью, совмещенной с осью корпуса, вмонтирована третья насадка с вставкой, при этом расстояние от сечения выходного отверстия третьей центральной насадки до точки встречи с осями двух боковых насадок выбрано из следующего соотношения:
н
L=5÷6D, где
L - оптимальное расстояние от сечения выходного отверстия третьей насадки до точки встречи с осями двух других боковых насадок, мм;
н
D - диаметр сечения выходного отверстия третьей насадки, мм.
Новым является то, что вставка центральной конусоидальной насадки, установленной в отверстиях меньшей ступени втулки, вмонтирована к торцу насадки со стороны ее входного отверстия, и выполнена она с возможностью формирования центростремительного потока, причем к присоединительным резьбам втулки и меньшей ступени корпуса ввинчены переходники, снабженные элементами быстросъемного соединения, при этом корпус гидроактиватора снабжен переносной ручкой.
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что заявляемое техническое решение имеет признаки, которые отсутствуют в аналогах, а их использование в заявляемой совокупности существенных признаков позволяет получить новый технический результат, следовательно, можно предположить, что заявляемое техническое решение соответствует условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».
Приведенные рисунки поясняют суть изобретения, где на фиг.1 изображена схема обвязки системы приготовления тампонажного раствора, в частности цементосмесительные машины типа СМН-20 с вспомогательной емкостью, чанок, цементировочные агрегаты типа ЦА-320М, осреднительная емкость и гидроактиватор цементного раствора.
На фиг.2 - гидроактиватор, используемый при приготовлении цементного раствора, в частичном продольном разрезе.
На фиг.3 - струя из центральной насадки по прототипу, когда она снабжена вставкой центробежного типа, где видна струя рассеянного характера, видно также ядро струи.
На фиг.4 - струя, исходящая из центральной насадки гидроактиватора по заявляемому объекту, когда ее вставка сформировала центростремительный поток, при котором ядро струи приобрело стреловидную форму.
Устройство для осуществления заявляемого способа, представляющее собой систему (см. фиг.1) приготовления тампонажного раствора, включающую цементосмесительные машины 1 и 2 типа СМН-20, цементировочные агрегаты типа ЦА-320М 3, 4 и 5, осреднительную емкость 6, связанные между собой высоконапорными гидролиниями 7, 8 и 9. К высоконапорным гидролиниям 7 и 8 для перекачивания цементного раствора из чанков 10 и 11 в осреднительную емкость 6 подключены гидроактиваторы 12 и 13 гидромеханического действия типа «струя в струю» одинаковой конструкции. Гидроактиватор содержит полый ступенчатый корпус 14 (см. фиг.2) с меньшей и большей ступенями 15 и 16 соответственно. Большая ступень корпуса выполнена в виде полого цилиндра с внутренней резьбой 17 на конце, а меньшая ступень 15 выполнена в виде усеченного конуса, продолжение меньшего основания которого имеет цилиндрическую форму с внутренней присоединительной резьбой 18 на конце. Внутри большей ступени 16 корпуса 14 концентрично и с зазором установлена ступенчатая втулка 19, меньшая ступень 20 со стороны меньшей ступени 15 корпуса выполнена также в виде усеченного конуса. Концевая часть большей ступени втулки 19 выполнена с наружной и внутренней присоединительными резьбами 21 и 22 соответственно, с помощью наружной резьбы 21 она присоединена к большей ступени 16 корпуса. Со стороны меньшего основания усеченного конуса втулки 19 герметично с помощью уплотнительного кольца 23 вмонтирована с упором о кольцевой выступ 24 центральная конусоидальная гидромониторная насадка 25, ось которой совмещена с осью корпуса. Со стороны входного отверстия конусоидальная насадка 25 снабжена вставкой 26, формирующая центростремительный поток, при котором он приобретает высокую скорость на выходе из насадки, следовательно, обладая большой кинетической энергией, он обладает и большей ударной силой. Такая струя характеризуется меньшим рассеиванием потока (см. фиг.4) в сравнении с потоком, исходящим из насадки, снабженной вставкой центробежного типа по прототипу (см. фиг.3). В боковых стенках большей ступени втулки 19 выполнены в диаметрально противоположных направлениях два отверстия, в которых герметично с помощью уплотнительных колец установлены боковые гидромониторные насадки 27 и 28 аналогичные центральной насадке 25. Оси боковых насадок перпендикулярны к оси корпуса. С целью обеспечения наибольшего эффекта диспергирования реагентов в растворе расстояние L от выходного отверстия центральной насадки 25 до точки встречи с осями боковых насадок 27 и 28 выбрано из следующего соотношения:
н
L=5÷6D,
н
где D - диаметр сечения выходного отверстия насадки 24, мм.
При таком расстоянии L (мм) кинетическая энергия истекающей струи из выходного отверстия насадки наибольшая, а сила удара о преграду - гидроэкран - максимальная. К внутренним резьбам 18 корпуса и резьбе 22 втулки 19 соответственно завинчены переходники 29 и 30 с элементами 31 и 32 быстросъемного соединения. Корпус 1 гидроактиватора для обеспечения безопасности при сборке, монтаже и демонтаже, а также для удобства переноски снабжен ручкой 33.
Работа гидроактиватора приведена в описании осуществления способа приготовления тампонажного раствора.
Приготовление тампонажного раствора в промысловых условиях осуществляют следующим образом.
Перед приготовлением тампонажного раствора сначала проводят подготовительные операции, заключающиеся в расстановке и обвязке спецтехники системы по приготовлению тампонажного раствора, как это изображено на фиг.1 - цементировочных агрегатов 3, 4 и 5 типа ЦА-320М, цементосмесительных машин 1 и 2 типа ЦМН-20, осреднительной емкости 6, чанков 10, 11 и 34 к высоконапорным гидролиниям 7 и 8 для перекачивания цементного раствора из чанков 10 и 11 в осреднительную емкость 6, подключают гидроактиваторы 12 и 13. Это диктуется необходимостью контроля за качеством цементного раствора и улучшения техники безопасности. После проверки надежности соединений обвязки с использованием цементосмесительных машин 1 и 2 попеременно осуществляют смешивание цемента с жидкостью затворения и полученный цементный раствор выливают в один из чанков 10 и 11, например в чанок 11, откуда его с помощью насоса ЦА 4 по высоконапорной гидролинии 8 через гидроактиватор 13 перекачивают в осреднительную емкость 6. Окончательно приготовленный в осреднительной емкости тампонажный раствор выливается в чанок 34 и далее с помощью насоса ЦА 5 он по высоконапорной нагнетательной гидролинии 9 поступает в скважину через гидроголовку 35. После полного высвобождения осреднительной емкости от тампонажного раствора перекачивание следующей порции цементного раствора из чанка 10 в осреднительную емкость осуществляют по высоконапорной гидролинии 7 с подключенным гидроактиватором 12. Далее цикл приготовления тампонажного раствора повторяется.
При проходе цементного раствора через гидроактиватор 12 или 13 (см. фиг.2) происходит следующее. Часть высоконапорного потока проходит через вставку 26, где формируется центростремительный поток, который через насадку 25 попадает в полость втулки 19, а часть через кольцевой зазор между корпусом большей ступени и наружной стенки втулки попадает в насадки 27 и 28, откуда в виде высоконапорных струй направляются навстречу друг другу в полости втулки, создавая в точке встречи гидравлический экран.
Повышение эффекта диспергирования цементного раствора с помощью вышеупомянутого гидроактиватора заключается в следующем. При прохождении через вставку 26 центральной насадки 25 струя с диспергируемым материалом приобретают повышенную кинетическую энергию за счет формирования им центростремительного потока. Наибольший эффект диспергирования материала при этом происходит при ударе струй, истекающих из центральной насадки 25 с приобретенной повышенной энергией при ударе о гидравлический экран, являющийся как бы преградой, созданный струями, исходящими из боковых насадок 27 и 28. При этом происходит освобождение частиц цемента и глинистых минералов от гидратных оболочек и ускорение процесса их гидратации, достигается высокая степень однородности раствора, улучшаются его технологические параметры, повышается прочность цементного камня.
Технико-экономическое преимущество изобретения заключается в следующем.
2
Использование способа позволяет приготовить тампонажный раствор высокого качества, приготовленный тампонажный раствор обеспечивает получение цементного камня повышенной прочности, причем при этом сокращаются сроки схватывания цемента. Все это в совокупности приводит к повышению напряженности контакта цементного кольца с колонной и породами стенки скважины. Предварительные промысловые испытания тампонажного раствора, приготовленного заявляемым способом, показали, что технологический эффект от использования способа равнозначны комплексной обработке цементного раствора хлоридом CaCl+NaCl по 1% от массы цемента, что позволяет ощутимо сэкономить указанные реагенты на нефтяных промыслах.