Устройство и способ цементирования скважин

Устройство и способ цементирования скважин

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к строительству нефтяных, газовых и разведочных скважин, в частности к турбулизаторам и способу их применения при цементировании обсадных колонн аэрированными тампонажными растворами.

Известен способ цементирования скважины [а.с. 1548409 SU, МПК⁵ Е 21 В 33/14, опубл. 07.03.90], включающий спуск обсадной колонны на необходимую глубину, промывку и ее цементирование путем прохождения потока через турбулизатор, закрепленный на обсадной колонне, где часть потока заходит через окна в зазор между корпусом и внутренним торцом дополнительной лопасти. Преодолевая сопротивление пружины, поток, воздействуя на наклонную поверхность дополнительной лопасти, выдвигает последнюю из радиальных окон, увеличивая диаметр турбулизатора в рабочем положении, что приводит к более благоприятным условиям замещения бурового раствора.

Известен способ цементирования скважины [а.с. 1712587 SU, МПК⁵ Е 21 В 33/14, опубл. 15.02.92], включающий спуск обсадной колонны и ее цементирование путем прохождения потока через каналы, делящие кольцевое пространство между стенками скважины и обсадной колонной эластичными пластинами турбулизатора. Поток цементного раствора, проходя через эти каналы, изменяет свою скорость течения с созданием дополнительной турбулизации.

Известен способ цементирования скважины [а.с. 1767160 SU, МПК⁵ Е 21 В 33/14, опубл. 07.10.92], включающий спуск обсадной колонны до проектной глубины, промывку буровым раствором, проходящим через турбулизаторы, установленные на обсадной колонне. На данном этапе турбулизаторы, установленные на обсадной колонне в определенных интервалах, создают турбулентный режим течения раствора, воздействуя на застойные зоны и на корку наслоений на стенках скважины. При закачке и продавке тампонажного раствора за колонну труб турбулизаторы, создавая возмущение потока раствора, способствуют более полному вытеснению бурового раствора и замещению его тампонажным.

Причины, препятствующие достижению заявляемого технического результата в известных технических решениях, следующие. При цементировании скважин производительность агрегатов в среднем составляет 12-20 л/с и плотность цементного раствора 1500-1900 кг/м³. Условия турбулизации, при которых показатели фактической скорости течения в кольцевом пространстве будут превышать показатель критической скорости течения данного раствора в указанных режимах цементирования скважин, невозможны без создания дополнительной гидродинамической составляющей.

Известен турбулизатор [а.с. 1548409 SU, МПК⁵ Е 21 В 33/14, опубл. 07.03.90], повышающий качество цементирования скважин путем обеспечения полноты вытеснения бурового раствора из каверн, снабженный дополнительными лопастями. Основные лопасти выполнены полыми с радиальными отверстиями на периферийных участках и циркуляционными окнами на верхнем и нижнем торцах. Дополнительные лопасти установлены в полостях основных лопастей с возможностью осевого перемещения и подпружинены относительно последних. Между корпусом и внутренним торцом дополнительной лопасти образован зазор, расширяющийся книзу, а площадь циркуляционных окон, выполненных на нижнем торце основных лопастей, больше площади циркуляционных окон, выполненных на верхнем торце.

Известен турбулизатор [а.с. 1712587 SU, МПК⁵ Е 21 В 33/14, опубл. 15.02.92] с повышенной эффективностью турбулизации потока за счет дополнительных пластин, закрепленных по наружному ребру основных пластин и образующих с ними единую лопасть, основные пластины выполнены с отверстиями и наклонены к образующей корпуса в противоположеные стороны.

Известен турбулизатор для обсадной колонны [а.с. 1767160 SU, МПК⁵ Е 21 В 33/14, опубл. 07.10.92], повышающий качество цементирования обсадных колонн в наклонных скважинах за счет возможности усиления эффекта турбулизации потока цементного раствора, а также возможности вращения и расхаживания обсадных колонн. Упругие ребра в продольном сечении выполнены в виде элементов трапецеидальной формы с большим основанием L и меньшим основанием 1, при этом большие основания упругих ребер чередуются с их меньшими основаниями.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата в известных технических решениях, является низкий показатель турбулентности потока тампонажного раствора, повышение которого незначительно за счет изменения конструктивных особенностей угла наклона и конфигурации лопастей. Изменение разности длин ребер L и 1 создает аварийную ситуацию при спуске и расхаживании обсадных колонн (возможны повреждения колонны в интервалах интенсивного искривления скважины).

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа цементирования скважин аэрированными тампонажными растворами и устройства для его осуществления, обеспечивающих необходимое качество цементирования, а также удовлетворяющих требованиям безопасности при проведении работ.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении качества цементирования скважин за счет создания однородного аэрированного тампонажного раствора в затрубном пространстве скважины путем увеличения турбулентности потока.

Указанный технический результат по объекту - устройство достигается тем, что устройство для цементирования скважин содержит корпус, выполненный в виде трех отдельных секций - нижней и верхней неподвижных, закрепленных на обсадной колонне, и средней подвижной, каждая из секций имеет лопасти, расположенные с наклоном к образующей корпуса, при этом лопасти средней подвижной секции имеют угол наклона, противоположно направленный углу наклона неподвижных секций. Кроме того, нижняя и верхняя неподвижные секции устройства имеют проточки, обеспечивающие свободное вращение средней подвижной секции, а диаметр лопастей средней подвижной секции меньше диаметров лопастей неподвижных секций.

Указанный технический результат по объекту - способ достигается тем, что в способе цементирования скважин аэрированным тампонажным раствором, включающем закачивание аэрированного тампонажного раствора в обсадную колонну, его продавливание в затрубное пространство, особенностью является то, что производят дополнительное перемешивание аэрированного тампонажного раствора путем преобразования гидравлической энергии потока раствора во вращательное движение подвижной секции устройства.

Причинно-следственная связь между заявленным техническим результатом и существенными признаками изобретения следующая. Повышение качества цементирования обсадных колонн аэрированным тампонажным раствором осуществляется за счет поддержания однородности аэрированного тампонажного раствора в процессе продавливания в затрубное пространство скважины вследствие изменения конструктивных особенностей устройства, имеющего дополнительную подвижную секцию, увеличивающую эффективность турбулентности потока.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена верхняя неподвижная 1 секция, на фиг.2 - средняя подвижная 2 секция, на фиг.3 - нижняя неподвижная 3 секция, на фиг.4 - вид I на фиг.3 (крепление верхней и нижней неподвижных секций устройства к обсадной колонне), на фиг 5 представлен общий вид устройства, установленного на обсадной колонне, стрелками показано направление движения аэрированного тампонажного раствора.

Устройство для цементирования скважин содержит корпус, выполненный в виде трех отдельных секций, имеющих две неподвижные - нижнюю 3 (фиг.3) и верхнюю 1 (фиг.1) секции и среднюю подвижную секцию 2 (фиг.2). Каждая из секций содержит корпус и лопасти, расположенные на корпусе с наклоном к его образующей: нижняя 3 - корпус 4 и лопасти 5, верхняя 1 - корпус 6 и лопасти 7, средняя 2 - корпус 8 и лопасти 9. Лопасти 9 имеют угол, противоположено направленный углу наклона лопастей 5, 7 неподвижных секций 3 и 1. Диаметр D₂ лопастей 9 подвижной средней секции 2 меньше диаметров D и D₃ лопастей 5 и 7 неподвижных секций 3 и 1, что предотвращает прилегание лопастей 9 подвижной средней секции 2 к стенке скважины или внутренней части предыдущей обсадной колонны. При изготовлении неподвижных секций 3 и 1 устройства выполняются проточки (направляющие) диаметрами D₁ и D₄ с длиной L и L₁ (элемента вращения), обеспечивающие свободное вращение средней подвижной секции 2, с возможностью регулирования зазоров h и h₁ при креплении и регулировании на обсадной колонне 10 (фиг.5) неподвижных секций 3 и 1. Крепление неподвижных секций устройства к обсадной колонне производится посредством резьбового соединения винта 11 и части 12 корпусов секций (фиг.4).

Способ цементирования скважины посредством устройства осуществляют следующим образом.

Первоначально, в процессе продавливания, аэрированный тампонажный раствор попадает на лопасти неподвижной секции устройства, закрепленной на обсадной колонне. При этом изменяется направление потока аэрированного тампонажного раствора. Движение потока аэрированного тампонажного раствора противоположено углу наклона лопастей подвижной секции устройства, что заставляет ее вращаться, увеличивая фактическую скорость течения раствора. Устройство, установленное на обсадной колонне, создает дополнительное увеличение турбулентности потока. Сжатый аэрированный тампонажный раствор находится в скважине под давлением, следовательно, при увеличении турбулентности потока (с производительностью цементировочных агрегатов во время продавливания не более 30 л/с) исключается эффект разделения фаз. При увеличении турбулентности потока в процессе прокачивания в затрубное пространство аэрированного тампонажного раствора, включающего вяжущее, жидкость затворения, газообразующий реагент, происходит ликвидация образованных газовых нерастворенных пачек (образованных на устье скважины). Дополнительное перемешивание, создание однородности аэрированного тампонажного раствора оказывает положительное влияние на свойства формирующегося цементного камня.

1. Устройство для цементирования скважин, содержащее корпус, выполненный в виде трех отдельных секций - нижней и верхней неподвижных, закрепленных на обсадной колонне, и средней подвижной, каждая из секций имеет лопасти, расположенные с наклоном к образующей корпуса, при этом лопасти средней подвижной секции имеют угол наклона, противоположно направленный углу наклона неподвижных секций.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нижняя и верхняя неподвижные секции устройства имеют проточки, обеспечивающие свободное вращение средней подвижной секции.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр лопастей средней подвижной секции меньше диаметров лопастей неподвижных секций.

4. Способ цементирования скважин аэрированным тампонажным раствором, включающий закачку аэрированного тампонажного раствора в обсадную колонну, его продавливание в затрубное пространство, отличающийся тем, что используют устройство по пп.1-3, при этом в процессе продавливания раствора в кольцевом пространстве скважины производят дополнительное перемешивание аэрированного тампонажного раствора путем преобразования гидравлической энергии потока раствора во вращательное движение подвижной секцией устройства.