Комплекс оборудования для цементирования скважин

Заявляемая полезная модель относится к области нефтегазодобычи и предназначена для использования при строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.

Комплекс оборудования для цементации скважин содержит передвижные насосные агрегаты, оборудование для транспортировки сухих тампонажных смесей и воды, оборудование для приготовления цементного раствора, систему контроля и управления процессом цементирования, быстроразборную трубопроводную обвязку с запорно-регулирующей арматурой. Характерной особенностью комплекса является то, что он включает интегрирующий насосный агрегат, оснащенный нагнетательным коллектором с обратными клапанами, входы которых связаны с нагнетательными трубопроводами других насосных агрегатов, а также блок замера в потоке плотности, расхода и давления раствора, также установленный в напорном коллекторе интегрирующего насосного агрегата. Оборудование для приготовления раствора включает мобильный блок приготовления жидкости затворения и блок накопления и осреднения плотности раствора с раздающим коллектором, который связан с всасывающим коллектором насосных установок. При этом блок приготовления раствора включает бункер для транспортировки сухих тампонажных смесей с системой автономной пневмозагрузки - выгрузки и электронным весоизмерительным устройством.

Система контроля и управления включает первичные датчики контроля в потоке давления, расхода, температуры и плотности, смонтированные в составе интегрирующего насосного агрегата, а также первичные датчики плотности, уровня и температуры, смонтированные в блоке приготовления жидкости затворения, а также в блоке приготовления раствора и блоке накопления и осреднения плотности раствора, весоизмерительное устройство в составе бункера транспортирования тампонажных смесей, блок контроля плотности и температуры раствора на выходе из скважины, а также блок обработки, индикации и архивирования данных с пультом управления, смонтированным в интегрирующем насосном агрегате. Блок приготовления раствора и блок накопления и осреднения плотности оснащены вертикальными гидроприводными перемешивающими устройствами с

регулируемой частотой и направлением вращения и гидроприводными насосами для рециркуляции и перекачки приготовленного раствора, а также гидравлическими аутригерами.

Блок приготовления жидкости затворения включает бункер для транспортировки сухих компонентов с узлом их дозирования и подачи весоизмерительным устройством, а также емкость для смешения с гидроприводным перемешивающим устройством для нагрева жидкости затворения.

В составе интегрирующего насосного агрегата может быть применен пятиплунжерный насос.6 п.п.ф. 1 илл.

Настоящая предполагаемая полезная модель относится к области нефтегазодобычи и может быть использована при строительстве и эксплуатации скважин различного назначения, приготовлении и нагнетании тампонажного раствора, промывки песчаных пробок и выполнении других работ.

Цементирование скважин относится к наиболее ответственным операциям строительства нефтяных и газовых скважин и преследует решение нескольких технологических целей:

- обеспечить длительную изоляцию продуктивных нефтегазо-насыщенных объектов пласта от верхних или нижних вод;

- предотвратить возможность движения любой жидкости или газа из одного горизонта в другой через затрубное пространство;

- укрепить неустойчивые породы путем плотного сцепления цементного камня как со стенками скважины, так и с обсадной колонной;

- предотвратить выброс газа, находящегося под большим давлением в породах, залегающих в зацементированной зоне скважины;

- изолировать пройденные при бурении маломощные продуктивные горизонты с целью временной их консервации;

- предохранить колонну обсадных труб от смятия внешним давлением и от коррозии;

- закрепить колонну обсадных труб в случае необходимости на любом расстоянии от забоя.

Эффективность операции цементирования скважин зависит от многих факторов:

- качества жидкости затворения;

- качества компонентного состава тампонажного материала;

- технологии приготовления цементного раствора в строгом соответствии с технологическим регламентом, разрабатываемым для конкретных геолого-технических условий скважины;

- точного соблюдения режимов закачки с контролем параметров процесса;

- качества подготовки скважины к процессу цементирования (удаления глинистой корки со стенок скважины и пленки с обсадных труб).

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение эффективности процесса цементирования скважин за счет качественного приготовления раствора и обеспечения технологического регламента процесса в зависимости от конкретных геолого-технических условий.

Как правило, в применяемых технологиях цементирования скважин базовым параметром, который контролируется и поддерживается, является плотность, однако сам факт соблюдения только плотности (которая определяется водоцементным соотношением) не гарантирует получения качественного раствора.

Традиционно в РФ и за рубежом технология приготовления цементного раствора, как правило, заключается в смешении жидкости затворения и порошкообразного тампонажного материала в вакуумных смесительных устройствах, которые фактически готовят суспензию, в то время как для технологии необходимо приготовить гомогенезированный раствор, обеспечив полную гидратацию цемента.

В общем виде процесс цементирования укрупненно можно разбить на следующие этапы (которые могут совмещаться во времени):

- подготовка скважины к цементированию (как правило, выполняется силами буровой бригады) с целью промывки заколонного пространства;

- подготовка компонентов раствора (жидкости затворения и тампонажного материала);

- приготовление цементного раствора;

- нагнетание буферной жидкости с целью вытеснения бурового раствора и очистки скважины и обсадных труб, соответственно, от глинистой корки и пленки, а также очистки каверн;

- нагнетание цементного (тампонажного) раствора (облегченной плотности, как правило, 80÷85% от общего объема и раствора нормальной плотности, соответственно, 20÷15% от общего объема);

- нагнетание продавочной жидкости (через разделительную продавочную резино-металлическую пробку) до посадки на упорное кольцо.

Следует отметить, что для цементных растворов регламентируются следующие параметры:

- плотность раствора и водоцементное соотношение (В/Ц);

- растекаемость тампонажного раствора по конусу АзНИИ;

- минимально допустимое время начала загустевания тампонажного раствора при заданных температуре и давлении (час-мин.);

- минимально допустимое время начала схватывания тампонажного раствора при заданных температуре и давлении (час-мин.);

- время конца схватывания тампонажного раствора при заданных температуре и давлении (час-мин.);

- объемное расширение тампонажного камня за одни или двое

суток водного твердения при заданной температуре (%);

- прочность тампонажного камня на изгиб за одни или двое суток водного твердения при заданной температуре (МПа).

Соблюдение всех перечисленных регламентируемых параметров невозможно без специальной подготовки жидкости затворения и эффективного процесса приготовления раствора с обязательным контролем параметров и режимов.

Комплексное решение перечисленных технологических задач требует создания специализированного многофункционального комплекса оборудования (см., например, «Новые насосные установки для цементирования нефтяных и газовых скважин». Каталог М.: АОЗТ «Нефтемаш», 1997 г., 3 с.).

За прототип заявляемого технического решения может быть принят патент РФ на изобретение №2225499 MKU 7 E 21 B 33/13, выдан 10.03.2004 г., опубл. Бюл. №7 «Комплекс цементирования скважин «Костромич», авт. Халилов М.М.

В состав этого комплекса входит передвижной насосный агрегат, оборудование для транспортировки тампонажной смеси и воды, оборудование для приготовления цементного раствора, осреднительная станция, трубопроводная обвязка с запорно-регулирующей аппаратурой, система контроля и управления процессом цементирования. Основным недостатком прототипа является то, что он не решает комплексно технологические задачи, необходимые для выполнения процесса цементирования скважин, в частности, не обеспечивает приготовление жидкости затворения и тампонажных растворов, не обеспечивает контроль процесса цементирования на всех этапах и операциях.

В связи с изложенным, основной технической задачей настоящей предполагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков прототипа и создание такого комплекса оборудования для цементирования скважин, который позволял бы комплексно решать технологические задачи, необходимые для выполнения процесса цементирования и, в частности, обеспечивал бы приготовление жидкости затворения тампонажных растворов и обеспечивал бы контроль процесса цементирования на всех его стадиях.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что комплекс оборудования для цементирования скважин содержит насосные агрегаты, оборудование для транспортировки сухих тампонажных смесей и воды, оборудование для приготовления цементного раствора, систему контроля и управления процессом цементирования, быстроразборную трубопроводную обвязку с запорно-регулирующей арматурой.

Характерной особенностью комплекса является то, что он включает интегрирующий насосный агрегат, для чего он оснащен нагнетательным коллектором с обратными клапанами, входы которых связаны с нагнетательными трубопроводами других насосных агрегатов, а также блок

замера в потоке плотности, расхода и давления раствора, установленный в напорном коллекторе насосного агрегата.

Оборудование для приготовления раствора включает мобильный блок приготовления жидкости затворения, блок приготовления и активации раствора и блок накопления и осреднения плотности раствора с раздающим коллектором, связанным со всасывающими коллекторами насосных установок, причем блок приготовления раствора включает бункер для транспортировки сухих тампонажных смесей с системой автономной пневмозагрузки - выгрузки и электронным весоизмерительным устройством.

Система контроля и управления комплекса включает первичные датчики контроля в потоке давления, расхода, температуры и плотности, смонтированные в составе интегрирующего насосного агрегата; первичные датчики плотности, уровня и температуры, смонтированные в блоке приготовления жидкости затворения, а также в блоке приготовления раствора и блоке накопления и осреднения плотности раствора. Весоизмерительное устройство размещено в составе бункера транспортирования тампонажных смесей. Система контроля и управления включает также блок контроля плотности и температуры на выходе из скважины, а также блок обработки, индикации и архивирования данных с пультом управления, смонтированным в интегрирующем насосном агрегате.

Блок приготовления раствора и активации (гидравлической и механической) и блок накопления и осреднения плотности оснащены вертикальными гидроприводными перемешивающими устройствами с регулируемой частотой и направлением вращения, а также гидроприводными насосами для рециркуляции и перекачки приготовляемого раствора и гидравлическими аутригерами.

Блок приготовления жидкости затворения включает бункер для транспортировки сухих компонентов с узлом дозирования и подачи сухих компонентов, весоизмерительное устройство и емкость для смешивания с гидроприводными перемешивающими устройствами и оснащено устройством для нагрева жидкости затворения.

Возможность осуществления заявляемой полезной модели доказывается успешным использованием в отечественной и зарубежной практике цементирования скважин отдельных видов цементировочного оборудования и комплексов для цементирования скважин.

Отличительные признаки, отраженные в формуле полезной модели, могут быть реализованы с помощью средств, используемых в различных областях техники. Они необходимы и достаточны для осуществления заявляемой полезной модели, т.к. обеспечивают решение поставленной выше технической задачи. В дальнейшем, заявляемая полезная модель поясняется примером ее выполнения, схематически изображенном на прилагаемом чертеже, на котором представлен общий вид заявляемого комплекса оборудования для цементирования скважин и которым поясняется состав и работа комплекса.

Комплекс (см. чертеж) включает в свой состав мобильную установку (блок) 1 для приготовления жидкости затворения (как правило, воды требуемой температуры с добавками соли), которая подается в мобильную установку (блок) 2 для приготовления и активации цементного раствора. После приготовления цементный раствор подается в мобильную установку (блок) 3 накопления и осреднения плотности, из которой раствор может подаваться на интегрирующий цементировочный агрегат 4 или на насосные агрегаты (на чертеже не показаны) для дальнейшего нагнетания в скважину. Цементный раствор, нагнетаемый цементировочными агрегатами, после заполнения скважины, поступает из затрубного пространства в блок контроля параметров раствора 5 на выходе из скважины.

В свою очередь, отдельные установки (блоки) и агрегаты состоят из следующих узлов и систем.

Установка приготовления жидкости затворения 1 (как правило, солевого водного раствора) включает бункер 6 для хранения и транспортировки сухих компонентов с весоизмерительным устройством 7 для контроля расхода сухих компонентов и узлом их дозирования и подачи 8.

Сухие компоненты подаются в емкость смещения 9, оснащенную гидроприводными перемешивающими устройствами 10 и узлом подогрева 11 жидкости затворения. Как вариант этот узел может быть выполнен в виде теплообменника, где в качестве теплоносителя циркулирует пар или вода от внешнего источника (на чертеже не показан).

Для контроля параметров приготовляемой жидкости (плотность, объем, температура) установка оснащена блоком 12 контроля параметров, представляющим собой конструктив с установленными датчиками.

Приготовленная жидкость затворения гидроприводным насосом 13 подается в установку приготовления и активации раствора, при этом расход жидкости измеряется расходомером 14.

Установка (блок) приготовления цементного раствора 2, в свою очередь, состоит из герметичного бункера 15 для хранения и транспортировки сыпучих сухих тампонажных смесей (цемент с добавками), оснащенного весоизмерительным устройством 16. Для пневмотранспорта сыпучих смесей в составе установки имеется вакуумный воздушный компрессор 17 с гидроприводом, обеспечивающим самозагрузку и выгрузку бункера сыпучими материалами.

Тампонажная сухая смесь подается в емкость 18, оснащенную гидроприводными перемешивающими устройствами 19, в которой тампонажная сухая смесь смешивается с водой, поступающей из блока 1 (как вариант возможна подача воды из автоцистерны), и доводится с помощью перемешивателей с регулируемой частотой вращения до требуемых параметров по плотности, одновременно происходит гомогенизация и активация раствора. При этом контроль параметров осуществляется с использованием датчиков температуры и плотности системы контроля с одновременным замером объема раствора в емкости. Датчики установлены в

измерительном конструктиве 20. Для обеспечения рециркуляции раствора и его перекачки в блоке имеется гидроприводной насос 21.

Приготовленный раствор из блока 2 подается в блок 3 накопления раствора и осреднения плотности. Этот блок состоит из емкости 22, оснащенной гидроприводными перемешивающими устройствами 23 с регулируемой частотой вращения, а для рециркуляции и перекачки раствора в составе блока имеется гидроприводной насос 24. Для контроля параметров раствора (плотность и объем) в конструктиве 25 установлены соответствующие датчики.

От блока накопления раствора и осреднения плотности раствор поступает по трубопроводу 26 с быстроразборными соединениями к всасывающим коллекторам 27 цементировочных агрегатов. На чертеже показан только один интегрирующий цементировочный агрегат 4, выполняющий кроме основных функций - нагнетание раствора в скважину, задачи увязки работы технологических блоков комплекса, а также контроля и управления процессом цементирования скважин.

Интегрирующий агрегат имеет в своем составе насос высокого давления 28, на нагнетательном коллекторе 29 которого установлен блок обратных клапанов 30, позволяющий подключить к работе дополнительные цементировочные агрегаты. В качестве насоса высокого давления 28 может быть применен пятиплунжерный насос.

Кроме того, на нагнетательном коллекторе установлен измерительный конструктив 31, в котором монтируются первичные датчики измерения в потоке параметров раствора плотности, давления, расхода и температуры.

Раствор, нагнетаемый цементировочным агрегатом 4, поступает в скважину и выдавливается вверх по затрубному пространству между стенкой скважины и обсадной колонной. Для контроля параметров раствора на выходе из скважины установлен измерительный блок 32.

Для контроля и управления всем процессом цементирования скважины в составе агрегата 4 имеется система управления и контроля 33, обеспечивающая обработку информации от первичных датчиков, установленных в отдельных блоках комплекса, индикацию параметров и архивирование данных. Кроме того, для индикации параметров, замеряемых по отдельным блокам, в их составе также имеются индивидуальные панели индификации 34 текущих значений контролируемых параметров.

Система управления и контроля может быть установлена и в отдельном вахтовом автобусе (на рис. не показано).

1. Комплекс оборудования для цементирования скважин, содержащий передвижные насосные агрегаты, оборудование для транспортировки сухих тампонажных смесей и воды, оборудование приготовления цементного раствора, систему контроля и управления процессом цементирования, быстроразборную трубопроводную обвязку с запорно-регулирующей арматурой, отличающийся тем, что комплекс включает интегрирующий насосный агрегат, оснащенный нагнетательным коллектором с обратными клапанами, входы которых связаны с нагнетательными трубопроводами других насосных агрегатов, а также блок замера в потоке плотности, расхода и давления раствора также установленный в напорном коллекторе интегрирующего насосного агрегата, а оборудование для приготовления раствора включает мобильные блоки приготовления жидкости затворения, блок приготовления и активации раствора, блок накопления раствора и осреднения плотности раствора с раздающим коллектором, связанным со всасывающими коллекторами насосных установок, кроме того, блок приготовления раствора включает бункер для транспортировки сухих тампонажных смесей с системой автономной пневмозагрузки - выгрузки и электронным весоизмерительным устройством.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что система контроля и управления включает первичные датчики контроля в потоке давления, расхода, температуры и плотности, смонтированные в составе интегрирующего насосного агрегата, первичные датчики плотности, уровня и температуры, смонтированные в блоке приготовления жидкости затворения, а также в блоке приготовления раствора и блоке накопления и осреднения плотности раствора, весоизмерительное устройство в составе бункера транспортирования тампонажных смесей, блок контроля плотности и температуры раствора на выходе из скважин, а также блок обработки, индикации и архивирования данных с пультом управления, смонтированном в интегрирующем насосном агрегате.

3. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что блок приготовления и активации раствора и блок накопления и осреднения плотности оснащены вертикальными гидроприводными перемешивающими устройствами с регулируемой частотой и направлением вращения, а также гидроприводными насосами для рециркуляции и перекачки приготавливаемого раствора, и, кроме того, гидравлическими аутригерами.

4. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что блок приготовления жидкости затворения включает бункер для транспортировки сухих компонентов с узлом дозирования и подачи сухих компонентов, весоизмерительным устройством, а также емкость для смешения с гидроприводными перемешивающими устройствами, оснащенную устройством для нагрева жидкости затворения.

5. Комплекс по п.2, отличающийся тем, что блок обработки, индикации и архивирования данных с пультом управления смонтированы в отдельном вахтовом автобусе.

6. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что интегрирующий насосный агрегат оснащен пятиплунжерным насосом высокого давления.