Разработка устройства и способа повышения качества ступенчатого цементирования скважин

 

Для повышения качества цементирования скважин упомянутыми выше способами необходимо устранить причины, обусловливающие колебания давления в нижних частях обсадных колонн, для чего в период ОЗЦ необходимо сохранение гидравлической неразрывности во внутреннем объеме колонны от устья до забоя. Для этой цели были разработаны специальные муфты ступенчатого цементирования, позволяющие решить данную задачу.

Специальная муфта ступенчатого цементирования снабжена кожухом с заливочными отверстиями, а корпус выполнен с отверстиями над верхней и под нижней продавочными пробками, причем кожух образует с корпусом кольцевую полость, сообщающую камеры над верхней и под нижней продавочными пробками (рис.30).

Муфта содержит корпус 13 с четырьмя заливочными отверстиями 2 в средней части, а также с отверстиями в нижней 5 и верхней 12 частях, нижнюю продавочную пробку 4 с седлом 6, которая жестко связана с нижней подвижной втулкой 7, закрепленной на корпусе штифтом 8, верхнюю продавочную пробку 1 с седлом 11, которое жестко связано с верхней подвижной втулкой 10, закрепленной на корпусе штифтом 9, и кожух 3, что позволяет ей работать следующим образом.

В начале продавки тампонажного раствора за колонну пробка 4 садится на седло 6, перемещая его с втулкой 7 вниз до упора. При этом срезается штифт 8 и открываются заливочные отверстия 2. В конце продавки тампонажного раствора верхняя пробка 1 подходит к верхнему седлу 11, садится за него, срезая штифт 9, перемещает верхнюю втулку 10 вниз до упора, закрывая заливочные отверстия 2 и открывая верхние отверстия 12.

Рис. 30. Специальная муфта ступенчатого цементирования

 

При этом внутренний объем обсадных труб гидравлически связывается с нижним внутренним объемом обсадных труб через отверстия 5 и 12 и канал между кожухом 3 и корпусом 13 при нижних положениях втулок 7 и 10.

Стендовые испытания муфты показали ее высокую надежность, она не требует специального оснащения и больших материальных затрат.

Такие муфты прошли промысловые испытания на скважинах Сухокумского УБР объединения " Дагнефть", в результате которых выявлены их высокая надежность и эффективность.

При цементировании скважин в обсадную колонну сбрасывают управляющие детали (" бомбы", шары, стержни), например для приведения в действие муфт ступенчатого цементирования (МСЦ, МДК-245 и т.д.), пакер-муфт типа ПДМ и других устройств. Падают они от устья до посадочных седел с различной скоростью, зависящей от плотности и вязкости жидкости в колонне, зазора между колонной и деталью, от плотности детали и других факторов.

Неправильная оценка скорости падения детали может привести к простоям скважины или же к проведению дополнительных технологических операций в ней.

Для уточнения ее определения разработано устройство, основанное на регистрации возникающих и распространяющихся в обсадной колонне акустических колебаний в момент ударов падающей детали о ее стенки [101]. При попадании детали на посадочное седло, глубина установки которого известна, акустические колебания в колонне исчезают, фиксируя время от возникновения до исчезновения этих колебаний в обсадной колонне, простым расчетом можно определить скорость падения детали в скважине.

Устройство состоит из двух функциональных частей: блока датчика и блока индикации. Электрическая схема устройства (рис.31) содержит: приемник акустических колебаний П: усилители Ml, Rl - R4, Cl - C4; согласующие усилители VI, V2, R5 - R10, С5 - С7; выпрямители V3 - V4, С8; триггер Шмитта V5 - V8, R11 - R17; светодиоды V8, V9. Электропитание устройства осуществляется от двух элементов питания 336Л (Б1, Б2).

Акустические колебания, возникающие в обсадной колон­не, улавливаются приемником, расположенным в блоке датчика, и преобразуются в электрические сигналы, которые вначале усиливаются усилителем, расположенным в блоке датчика, и передаются по кабелю к блоку индикации, а затем дополнительно усиливаются согласующим усилителем, после чего поступают на выпрямитель, собранный по схеме удвоения напряжения. Выпрямленное напряжение, превышая определенное значение, запускает триггер Шмитта, который опрокидывается; на эмиттере транзистора V8 появляется напряжение, близкое к напряжению питания, которое подается на светодиод V9. Он начинает светиться, сигнализируя о том, что в обсадной колонне распространяются акустические сигналы, возникающие в результате движения в ней управляющей детали. Когда деталь достигнет посадочного седла, акустические колебания в колонне прекратятся, триггер Шмитта вернется в первоначальное состояние и светодиод погаснет. Время от сбрасывания управляющей детали в скважину до момента, когда индикаторный светодиод погаснет, и будет временем ее полета.

Так как акустические сигналы в обсадной колонне имеют преимущественно импульсный характер, схема выпрямителя содержит конденсатор С8 (см. рис.31), который, медленно разряжаясь, удерживает триггер Шмитта в опрокинутом состоянии до прихода следующего импульса.

Регулятор усиления позволяет так настраивать устройство, чтобы исключались ложные срабатывания индикатора от случайных помех, возможных в скважине.

Акустические колебания, возникающие в обсадной колонне при движении в ней управляющей детали, могут быть записаны регистрирующим устройством, для подсоединения к которому на корпусе блока индикации имеются специальные клеммы.

Блок датчика (рис.32) заключен в корпус 1, внутри которого находятся приемник акустических колебаний 2 и печатная плата усилителя 3. Кабель 4 служит для передачи сигналов к блоку индикации из блока датчика и для снабжения последнего электроэнергией. Блок датчика устанавливается на обсадной трубе 5 на устье скважины таким образом, чтобы игла 6 приемника акустических колебаний входила в непосредственное соприкосновение с наружной поверхностью обсадной трубы, благодаря натяжению резиновой ленты 7, с помощью которой блок крепится на трубе. Резиновая прокладка 8 служит для демпфирования вибрации корпуса датчика.

Рис.31. Электрическая принципиальная схема устройства для определения скорости падения управляющих деталей в скважине

Рис. 32. Узел датчика и способ крепления его на обсадной трубе

 

 

Рис. 33. Диаграмма регистрации акустических сигналов во время падения в колонне управляющей детали:

1, 2 - время соответственно начала падения и остановки на посадочном седле

 

Устройство было испытано на экспериментальной буровой № 3 Суздальской площади по следующей методике.

В ствол скважины, заполненный глинистым раствором плотностью 1, 5 г/см³, было спущено 300 м бурового инструмента из труб ЛБТ диаметром 146 мм, оканчивающегося специальным переводником, снабженным боковыми отверстиями и посадочным седлом. У устья на ЛБТ был закреплен блок датчика устройства, соединенный через блок индикации с регистратором каротажной станции. После включения и настройки устройства были сброшены: первая " бомба" массой 7, 5 кг, представляющая собой цилиндр переменного сечения с максимальным диаметром 90 мм, длиной 350 мм (с зазором между нею и колонной 9 мм); вторая " бомба" массой 4, 5 кг и конфигурацией, аналогичной вышеописанной; а затем третья - диаметром 100 мм, длиной 370 мм, массой 5, 5 кг (с зазором между нею и колонной 4 мм). При сбросе " бомб" регистрировались во времени акустические сигналы, которые по мере удаления сброшенной детали от устья заметно затухали (рис.33). Резкое прекращение регистрации сигналов означало остановку " бомбы" в посадочном седле. После определения по отметкам на диаграмме времени полета детали и учета глубины установки посадочного седла - 300 м определяли скорость движения. Она была равна в 1-м случае 1, 8; во 2-м - 1, 1; в 3-м - 1, 0 м/с.

Далее бурильный инструмент опустили до глубины 600 м и определили скорости падения аналогов вышеописанных " бомб", которые в этих условиях оказались равными: для 4, 5-килограммовой " бомбы" - 1, 1; для 5, 5-килограммовой - 1, 0 м/с.

Следовательно, скорость падения деталей в зависимости от глубины изменялась незначительно, а испытания устройства показали достаточную для практических целей точность определения скорости падения деталей в обсадной колонне.

Так как серийный выпуск специальных муфт ступенчатого цементирования, сохраняющих гидравлическую связь верхнего и нижнего объемов колоны, не был налажен, а производственные задачи требовали разрешения, был разработан способ выбора оптимального времени цементирования верхней ступени после цементирования нижней, позволяющий повысить качество ступенчатого цементирования скважин.

С этой целью на основании данных о значениях критического давления в колонне (по отношению к растрескиванию цементного кольца) были построены графики зависимостей предельных приращений температуры , вызывающих возникновение критического давления, от толщины стенок обсадных труб и коэффициента , определяющего значение приращения давления жидкости в замкнутом объеме колонны под воздействием изменения температуры на 1 °С (рис.34).

Коэффициент подсчитывался по эмпирической формуле:

 

Рис.34. Графики зависимостей предельных изменений температуры от толщины и диаметра D обсадных труб колонны при изменении .

Рис.35. Графики для выбора оптимального времени цементирования верхней ступени 146-мм обсадной колонны в зависимости от толщины стенок труб при изменении .

 

где: — плотность бурового раствора, г/см³;

- давление в колонне, МПа;

Г - газонасыщенность жидкости в колонне, %;

- температура в средней точке нижней ступени после ее цементирования, °С.

Значение, на которое изменится температура ствола скважины в период ОЗЦ в интервале цементирования нижней ступени, определяли по результатам неоднократных ее измерений (через каждый 2 ч после цементирования, до стабилизации) в пробуренных ранее на площади скважинах.

По полученным в процессе таких измерений данным для средней глубины нижней ступени строили график изменения температуры во времени в период ОЗЦ (рис. 35.а). На этой вариационной кривой находили максимум температуры, а затем по определяемым значениям разности между ее текущим и максимальным значениями строили график зависимости приращения температуры от времени Т (рис. 35.б).

После этого строили совмещенный график приращения температуры в период ОЗЦ в функции времени (рис. 35.в, правая часть), а также в функции коэффициента и толщины стенок обсадных труб (см. рис. 35.в, левая часть).

Оптимальное время цементирования верхней ступени после цементирования нижней определяли по исходным данным для конкретной скважины с использованием графиков, аналогичных приведенным.

Пример расчета оптимального времени цементирования верхней ступени

 

Глубина скважины 2800 м; глубина установки муфты 1820 м; 146-мм обсадная колонна с толщиной стенок 8 мм; плотность бурового раствора 1, 3 г/см³, его газонасыщенность 2 %.

Глубина, соответствующая средней точке интервала цементирования нижней ступени, равна 2310 м.

По данным временных термозамеров в соседних скважинах определяли значения температуры для средней точки интервала цементирования нижней ступени, представленные во времени:

 

Время замера, ч. 2 4 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Температура, °С 50 57 73 80 86 92 94 97 96 95 94

По этим данным строили вариационную кривую (см. рис.35, а).

Из приведенных данных видно, что температура на данной глубине достигает максимума через 18 ч и соответствует 97 °С.

Через точку (см. рис.35), соответствующую максимальному значению температуры, проводили линию, параллельную оси абсцисс, - ось новой системы координат. По ее оси ординат вновь откладывали значения возможного приращения температуры , определяемые как разность между максимальным (97°С) и текущим значениями. Например, через 10 ч после окончания цементирования нижней ступени возможное приращение температуры = 97 - 80 = 17 °С.

Построенный таким образом график зависимости совмещался по оси с соответствующим 146-мм колонне графиком (см. рис.34); в результате получился совмещенный график (см. рис.35, в).

Затем находили значение , для чего определяли давление столба бурового раствора в колонне на глубине Н = 2310 м;

Температура через 2 ч после цементирования в этой точке равна 50 °С (см. выше), поэтому

В целях определения оптимального времени цементирования верхней ступени колонны на графике (см. рис.35.в) от значения = 8 мм проводили прямую, параллельную оси ординат, до пересечения с линией, соответствующей = 0, 8 МПа× °С^-1. Из точки пересечения проводили прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с кривой возможного приращения температуры во времени. Из этой точки восстанавливали перпендикуляр к оси времени, и на их пересечении определяли оптимальное значение времени цементирования верхней ступени после цементирования нижней, равное 11 ч 45 мин.

Таким образом, для предотвращения снижения качества ступенчатого цементирования и возникновения в связи с этим межколонных проявлений необходимо либо применять муфты ступенчатого цементирования для создания гидравлической связи во внутреннем пространстве заполненной жидкостью обсадной колонны, либо выбирать оптимальное время цементирования верхней ступени после цементирования нижней.

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться: