Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор современного состояния технологии крепления боковых стволов скважин 9
1.1 Методы повышения качества цементирования боковых стволов 9
1.2 Способы регулирования свойств тампонажных материалов для цементирования нефтяных и газовых скважин 13
1.3 Обзор технических средств оснастки обсадных колонн 26
1.4 Постановка цели и задач исследований. Выводы по главе 1 33
ГЛАВА 2 Методика проведения исследований 35
2.1 Основные свойства тампонажных растворов и камня и методы их контроля 35
2.2 Общий подход к решению задачи седиментационной устойчивости тампонажного раствора 37
2.3 Методика исследования седиментации тампонажного раствора и ее влияния на свойства цементного камня . 39
2.4 Методика определения седиментационной устойчивости тампонажных растворов для условий наклонного и горизонтального расположения модели скважин 40
2.5 Методика проведения испытаний разработанного центратора-турбулизатора 41
2.6 Планирование эксперимента и обработка результатов исследований.. 45
Выводы по главе 2 48
ГЛАВА 3 Разработка расширяющихся составов тампонажных смесей и исследование основных показателей цементного раствора и камня . 50
3.1 Исследование седиментации тампонажного раствора и ее влияния на свойства цементного камня 50
3.2 Исследование влияния полимерных стабилизирующих добавок на свойства тампонажного раствора 56
3.3 Исследование влияния пространственного расположения модели скважины на седиментационную устойчивость тампонажных растворов 59
3.4 Исследование влияния реагентов структурообразователей на седиментационную устойчивость тампонажного раствора. 62
3.5 Исследование седиментационно устойчивого тампонажного состава. 66
Выводы по главе 3 87
ГЛАВА 4 Разработка опорно-центрирующих устройств для обсадных колонн для крепления боковых стволов . 88
4.1 Основные требования, предъявляемые к опорно-центрирующей оснастке обсадных колонн. 88
4.2 Разработка конструкции центратора-турбулизатора для обсадных колонн . 89
4.3 Исследование коэффициента трения разработанного центратора-турбулизатора. 92
4.4 Исследование влияния разработанной конструкции центратора-турбулизатора на степень вытеснения бурового раствора тампонажным 94
Выводы по главе 4 102
ГЛАВА 5 Технико-экономическая оценка предложенных разработок . 103
5.1 Экономическая оценка разработанного седиментационно устойчивого тампонажного состава 103
5.2 Оценка экономической целесообразности производства разработанного центратора-турбулизатора 106
Выводы по главе 5 107
Общие выводы и рекомендации 107
Список литературы 109
- Обзор технических средств оснастки обсадных колонн
- Методика исследования седиментации тампонажного раствора и ее влияния на свойства цементного камня
- Исследование влияния полимерных стабилизирующих добавок на свойства тампонажного раствора
- Разработка конструкции центратора-турбулизатора для обсадных колонн
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Более 70% известных
месторождений нефти и газа входят в завершающую стадию
разработки. На таких месторождениях около 40% скважин
приостановлены или законсервированы из-за обводнения продукции
скважин или снижения их продуктивности. Однако, даже на
месторождениях, разрабатываемых более 40 лет, остаются
недренируемые участки залежи, в которых могут находиться значительные запасы нефти, для добычи которой необходимо бурение новых скважин и значительные капитальные вложения. Строительство боковых стволов (БС) позволяет снизить затраты на бурение и вводить в эксплуатацию уже отработанные и законсервированные скважины.
На сегодняшний день число вводимых в эксплуатацию боковых
стволов составляет более 60% от общего числа бурящихся скважин,
около 70% из них имеют заколонные перетоки различной степени
интенсивности, что обусловлено некачественным цементированием.
Очевидно, что основным способом повышения качества
цементирования скважин является улучшение структурно-
реологических и физико-механических свойств тампонажного раствора
и цементного камня путем изменения их состава. Введение различных
добавок позволяет в известной степени регулировать основные
характеристики цементного раствора, причем, улучшение одних
свойств, иногда приводит к ухудшению других. Высокая
седиментационная устойчивость и прокачиваемость тампонажного раствора как раз являются такими свойствами.
Таким образом, наиболее актуальным направлением в области крепления боковых стволов с горизонтальными и наклонными интервалами является разработка технологий и тампонажных составов, обеспечивающих высокую степень замещения бурового раствора тампонажным и создание сплошного непроницаемого цементного кольца в затрубном пространстве ствола скважины.
Цель работы – повышение качества крепления боковых стволов нефтяных и газовых скважин.
Идея работы заключается в разработке расширяющихся
тампонажных составов с повышенной седиментационной
устойчивостью, адгезией к горной породе и обсадной колонне, а также
технических средств, повышающих эффективность их применения при цементировании скважин.
Задачи исследования:
-
анализ современного состояния науки и техники в области крепления скважин, а также применяемых материалов и реагентов и их влияние на свойства тампонажного раствора и камня;
-
исследование седиментации тампонажного материала и ее влияния на физико-механические свойства получаемого цементного камня;
-
разработка составов тампонажных смесей и исследование свойств цементного теста и камня.
-
создание центрирующих и турбулизирующих устройств и исследование их влияния на полноту вытеснения бурового раствора тампонажным.
-
проведение технико-экономической оценки предложенных разработок
Методика исследований носила экспериментальный характер и включала в себя лабораторные и стендовые исследования, связанные с разработкой композиций тампонажных растворов для крепления боковых стволов с наклонными и горизонтальными участками, и технических средств для повышения эффективности проведения тампонажных работ.
Научная новизна работы заключается в установлении зависимости и раскрытии механизма повышения седиментационной устойчивости тампонажных растворов от состава и свойств тампонажной смеси и концентрации входящих в нее компонентов.
Защищаемые научные положения:
1. Разработанный тампонажный состав на основе смеси
портландцемента, глиноземистого цемента и кварцевого песка в
соотношении по массе 3:1:1, с расширяющей добавкой – оксида
кальция (5-7%), а также с добавками реагентов улучшающего действия:
ГЭЦ 400 – 0,2%, суперпластификатора С-3 – 1,3% и пеногасителя Пента
465 – 0,05% позволяет повысить герметичность крепи боковых стволов
за счет нулевого водоотделения и большого объемного расширения (3-
12%) при твердении цементного раствора;
2. Разработанная конструкция центратора-турбулизатора
позволяет увеличить степень вытеснения бурового раствора
тампонажным за счет турбулизации восходящего потока и уменьшения эксцентриситета обсадной колонны, а также снизить трение на 40% при спуске обсадной колонны в скважину.
Достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций определяется современным уровнем аналитических и
достаточным объемом экспериментальных исследований, высокой
степенью сходимости их результатов и воспроизводимостью
полученных данных.
Практическая ценность работы заключается в разработке
составов высокоподвижных седиментационно устойчивых
расширяющихся тампонажных растворов для цементирования боковых стволов с наклонными и горизонтальными участками.
Апробация работы. Основные положения, результаты
теоретических и экспериментальных исследований, выводы и
рекомендации докладывались на VII Всероссийской конференции
«Проблемы разработки Месторождений углеводородных и рудных
полезных ископаемых» Пермь (28-31 октября 2014 г.), IX
Международной научно-технической конференции «Геология и
нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна», Тюмень (10-11
декабря 2014г.), VII Международной научно-практической
конференции молодых учных «Актуальные проблемы науки и
техники–2014», Уфа (18-20 ноября 2014), Всероссийской научно-
технической конференции «Проблемы научно-технического прогресса
в бурении скважин», Томск (24-27 ноября 2014г.), V Международной
конференции с элементами научной школы для молодежи
«Экологические проблемы нефтедобычи-2015», Уфа (20-22 октября
2015г.), XI Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов
и студентов «Новые технологии в газовой промышленности (газ, нефть,
энергетика)», Москва (20-23 октября 2015 г.), XI Всероссийская научно-
техническая конференция «Актуальные проблемы развития
нефтегазового комплекса России», Москва (08-10 февраля 2016 г.).
По результатам работы над диссертацией в 2015 году автору была присуждена стипендия Правительства РФ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных
работ, из которых 7 статей в журналах рекомендованных ВАК, 3 статьи
в журналах, индексируемых международной научной базой
цитирования SCOPUS, и тезисы восьми докладов.
Личный вклад. Проведен анализ современного состояния
науки и техники в области крепления скважин, а также применяемых
материалов и реагентов и их влияние на свойства тампонажного
раствора и цементного камня. Сформулированы цель, задачи
исследований и научные положения. Разработаны седиментационно
устойчивые расширяющиеся тампонажные составы для крепления
боковых стволов с наклонными и горизонтальными участками.
Разработана конструкция центратора-турбулизатора для обсадных
колонн. Спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд,
позволяющий моделировать процессы, протекающие при
цементировании скважины. Проведены натурные испытания, в
результате которых доказана эффективность применения
разработанного центратора-турбулизатора.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 123 наименования. Материал диссертации изложен на 121 странице, включает 22 таблицы, 41 рисунок.
Обзор технических средств оснастки обсадных колонн
Строительство БС подразумевает его бурение из уже имеющейся скважины, следовательно, конструкция нового ствола зависит от параметров исходной скважины. Для нефтяных месторождений России, характерно, что у более 70% существующих скважин конструкция предусматривает 146 мм эксплуатационную колонну [109]. В таких скважинах зарезка БС и его бурение проводится с использованием долот диаметром 124 мм и последующий спуск 102 мм хвостовика. Стоит отметить, что при строительстве новой скважины, бурение под 146 мм эксплуатационную колонну ведется долотом 215,9 мм [82], где зазор между стенкой скважины составляет 35 мм с площадью сечения 200 см2, что в пять раз больше чем у бокового ствола со 102 мм хвостовиком.
Главная задача цементирования скважины – вытеснить буровой раствор и обеспечить равномерное распределение тампонажного раствора в кольцевом пространстве за обсадной колонной. Многочисленными исследованиями Ашрафьяна М.О. [8, 9, 10, 40] показано, что полнота замещения бурового раствора достигается различными путями, основным из которых является обеспечивание турбулентного режима течения замещающей жидкости. Очевидно, что при движении жидкости с расходом, обеспечивающим турбулентный режим течения, малым заколонным зазорам боковых стволов будут возникать большие гидродинамические сопротивления и, следовательно, высокое давление на забое скважины. В интервалах продуктивного пласта возникновение высоких давлений негативно сказывается как на продуктивности скважины, так и на успешности цементирования. Интенсивная фильтрация жидкости затворения в пласт снижает проницаемость призабойной зоны, как фазовой, так и вследствие набухания глинистых минералов. Отфильтровывание свободной воды и загущение тампонажного раствора снижает прокачивающую способность раствора и также приводит к росту давления на забое. В случае превышения давления закачки над давлением гидроразрыва пласта (ГРП) образование сети трещин в ПЗП приводит к поглощению тампонажного раствора.
Наличие горизонтальных участков в скважинах при цементировании определяет такие факторы, как низкая степень центрирования обсадной колонны и седиментация тампонажного раствора. Спуск обсадной колонны в скважины малого диаметра осложнен возможностью ее посадок и недостижением проектной глубины спуска.
Повышение качества цементирования боковых стволов обеспечивается за счет применения следующих технических и технологических приемов [6, 61, 99, 100, 118]: - использование продавочных, разделительных пробок и буферных жидкостей; - вращение и расхаживание обсадной колонны во время цементирования; - установка турбулизаторов и центрирование обсадной колонны в боковом стволе скважины; - регулирование свойств тампонажных растворов. Булатовым А.И. [14] показано, что вытеснение бурового раствора тампонажным характеризуется их взаимодействием и смешиванием. Загрязнение цементного раствора при движении его в скважине снижает качество цементирования. При смешении резко изменяются свойства тампонажного раствора, падает его прокачивающая способность, изменяются физико-механические свойства получаемого тампонажного камня.
Предотвращение смешения тампонажного раствора с буровым при его прокачке в колонне обсадных труб достигается за счет применения разделительных и продавочных пробок, по ним также можно судить об окончании операции цементирования при получении сигнала стоп. Разделительная пробка применяется для разделения буферной жидкости или бурового раствора от тампонажного, способствует равномерному фронту его движения до башмака и очистке внутренней поверхности обсадной колонны. Ввиду конструктивных особенностей цементирование хвостовиков происходит без применения нижних разделительных пробок. В результате, объем смешения растворов может достигать больших значений, особенно это проявляется в месте подвески хвостовика на бурильных трубах, а также происходит загрязнение тампонажного раствора под верхней продавочной пробкой, оставшимся на внутренних стенка обсадной колонны слоем бурового раствора. Увеличение объема закачиваемого тампонажного раствора позволяет повысить качество цементирования.
Долгое время пребывания бурового раствора в скважине приводит к образованию пленок на обсадной колонне и на горной породе, глинистых корок в интервалах проницаемых пород [70, 74]. Исследованиями Булатова А.И. [22] показано, что наличие глинистой корки приводит к загрязнению тампонажного раствора, плохому, а в некоторых случаях к полному отсутствию контакта цементного камня с сопредельными средами. Для минимизации вредного воздействия оставшегося бурового раствора используют буферные жидкости, которые прокачивают перед цементным раствором, степень очистки скважины зависит от свойств и количества буфера. Составы буферных жидкостей подбираются в соответствии с условиями скважины и свойствами тампонажного и борового растворов, она должна обладать хорошими отмывающими характеристиками, не взаимодействовать и не загущать тампонажный раствор, удалять пленку бурового раствора, в том числе на углеводородной основе, фильтрационную корку. В состав буферных жидкостей, как правило, входят поверхностно-активные вещества, различные загустители – полимеры, в некоторых случаях абразивные наполнители (песок кварцевый).
Методика исследования седиментации тампонажного раствора и ее влияния на свойства цементного камня
Опорно-центрирующая оснастка обсадных колонн должна выполнять следующие задачи – не препятствовать спуску ОК и максимально центрировать ее в скважине, турбулизировать восходящий поток для повышения коэффициента вытеснения бурового раствора тампонажным. В связи с чем, исследуемыми параметрами для определения эффективности применения разработанной конструкции центратора-турбулизатора являются: способность снижать силу сопротивления при движении колонны по стволу скважины, влияние на качество очистки ствола скважины.
Для определения силы сопротивления движению обсадной колонны по стволу скважины была создана установка, позволяющая определять силу проталкивания элемента центратора, при создании на него дополнительной нагрузка известной величины [57]. Принципиальная схема и фотография установки представлены на рисунке 2.5 и 2.6.
Принципиальная схема установки для определения силы сопротивления движению фрагмента центратора, а – разрабатываемого с элементами качения, б – обычного. Рисунок 2.6 – Установка для определения силы сопротивления движению фрагмента центратора, где: 1 и 5 – манометры для контроля создаваемой нагрузки и снятия усилия проталкивания, соответственно, 2 и 4 – гидравлический пресс для создания нагрузки и проталкивания образца, соответственно, 3 – испытуемый образец
Для определения силы трения при движении центратора по обсаженному стволу в качестве поверхности трения использовался сегмент стальной обсадной колонны, а по открытому стволу - песчаник. Измерения проводились как со смазкой буровым раствором поверхностей трения, так и без нее. Гидравлические испытания влияния центрирующей оснастки проводились на специально изготовленной модели горизонтальной скважины (рисунок 2.7, 2.8). Модель представляет собой прозрачную трубу длиной 2 метра и внутренним диаметром 18 мм, выполненную из оргстекла, к концам которой подсоединяются водоподающий шланг с измерительным прибором с одной стороны и сливной патрубок с другой. Внутри модели скважины предусмотрено размещение обсадной колонны, роль которой выполняет тянутый медный стержень длиной 2 м. Стеклянная труба и медный стержень являются гидравлически гладкими, с коэффициентом шероховатости 1 мкм [15]. Методикой исследований подразумевается заполнение кольцевого пространства суспензией, изготовленной из мелкодисперсного материала (кварц молотый пылевидный), диаметр частиц которого значительно меньше гидравлического диаметра (D-d), в результате чего их влиянием на поток можно пренебречь [15]. Установка центрирующей и турбулизирующей оснастки производится на расстоянии, равном не менее 10 внутренним диаметрам модели скважины от входа жидкости в трубу, с целью нормализации потока [89]. При этом установка центраторов производится равномерно по всей длине стержня - по одному в начале, по центру и в конце. Центраторы изготавливаются с учетом того, чтобы стержень выбранного диаметра находился ровно по центру стеклянной трубы. Винтообразные ребра турбулизатора выполнены под углом 30-35 градусов относительно оси металлического стержня. После прокачки чистой воды в количестве, равном 20 объемам кольцевого пространства, модель скважины разбирается и промывается, промытая жидкость собирается и фильтруется, после чего фильтр сушится и взвешивается. За степень вытеснения принимается:
Для обеспечения высокого качества цементирования тампонажный раствор должен быть подвижным, седиментационно устойчивым, обладать сроками схватывания, превышающими время проведения цементирования и образовывать плотный безусадочный камень с высокими адгезионными характеристиками.
Для решения многокритериальной задачи создания и оптимизации составов тампонажных растворов используются различные методы определения обобщенного показателя, среди которых одним из наиболее удобных является обобщенная функция желательности Харрингтона [81]. Преимуществом данного способа является то, что вместо простого сравнения свойств разрабатываемых тампонажных растворов, параметры систем пересчитываются в числовые значения, а затем обрабатываются для получения общего коэффициента системы. Что позволяет объективно оценивать цементные суспензии и облегчает процесс их сравнения.
За основу математического аппарата берется логистическая функция Харрингтона – кривая желательности: d = exp[-exp(-Y)] Эта функция была выведена эмпирическим путем. Ось координат Y называется шкалой частных показателей. Ось d – шкалой желательности. Промежуток эффективных значений на шкале частных показателей – [-2; +5]. Шкала желательности от 0 до 1 делится на пять диапазонов: [0; 0,2] – «очень плохо», [0,2; 0,37] – «плохо», [0,37; 0,63] – «удовлетворительно», [0,63; 0,8] – «хорошо», [0,8; 1] – «очень хорошо» (рисунок 2.9).
Конкретные параметры сравниваемых систем распределяются в масштабе, соответствующем предъявляемым к ним требованиям, на промежутке эффективных значений шкалы частных показателей. Затем соответствующие им показатели пересчитываются в отметки на шкале желательности. Полученное значение d(i) для i-го параметра пересчитывается вместе с другими в обобщенный коэффициент желательности - D. Он вычисляется по формуле D =d1-d2-...-d(n), где п - число используемых показателей параметров сравнения для данной системы. Причем число этих показателей может быть неодинаковым для разных систем. Это позволяет сравнивать обобщенные коэффициенты даже тогда, когда отсутствует часть параметров сравнения у различных систем или данные по ним. Корень n-й степени «сглаживает» возникающие отклонения, а полученный результат позволяет оценивать системы с определенной степенью точности. Для оценки разрабатываемых тампонажных составов использовались следующие основные параметры растворов и камня: водоотделение в горизонтальной модели скважины, растекаемость, начальная консистенция, консистенция через 1 час, консистенция через 2 часа, прочность тампонажного камня на сжатие, его адгезия к стали и расширение через двое суток твердения. В таблице 5 представлено распределение данных параметров по шкале частных показателей от – 2 до + 5 и шкале желательности. В случае с водоотделением было установлено две возможные оценки «5» – отсутствие седиментации, «– 2» – наличие, что позволит отбрасывать седиментационно неустойчивые растворы.
Исследование влияния полимерных стабилизирующих добавок на свойства тампонажного раствора
Результаты исследований показывают, что введение солей в базовый состав снижает водоотделение из цементного раствора, но приводит к существенному его загущению [76]. При добавке солей, в результате их электролитического действия, на цементных зернах происходит образование ионных оболочек, снижающих свободный поверхностный потенциал, что приводит к коагуляции частиц цемента, образованию крупных агрегатов и частичному связыванию свободной воды [32, 94, 95, 97, 111]. Следует отметить, что данные явления протекают сразу после начала затворения и приводят к снижению растекаемости раствора. Наличие полимера и пластификатора также снижает дальнейшую растворимость вяжущего и замедляет образование коагуляционных связей.
Положительное действие добавки глиноземистого цемента ГЦ 40 на седиментационную устойчивость тампонажного раствора обусловлено ускоренной гидратацией его минералов и, как следствие, созданием достаточно прочной тиксотропной структуры [25, 87, 122]. Растворение алюминатов и их гидратация происходит в короткие сроки даже при наличии в растворе пластификатора и полимера, в результате чего пока зерна портландцемента находятся в инкубационном периоде, кристаллизация гидратов алюмината кальция происходит на их поверхности [24, 65, 80, 121]. Ввиду невысокой прочности образующихся оболочек, состоящих преимущественно из трехкальциевых гидроалюминатов, раствор остается достаточно подвижным, при этом седиментационная устойчивость повышается и водоотделение снижается до нуля. В результате проведенных исследований можно сделать вывод о том, что тампонажные составы рекомендуется испытывать в горизонтальных моделях скважины, добавка высокоалюминатного минерального вяжущего позволяет повысить седиментационную устойчивость тампонажного раствора, при этом, не снижая его растекаемость.
Ввиду высокой активности добавка глиноземистого цемента приводит к ускорению сроков загустевания и схватывания тампонажных растворов. В связи с чем, есть необходимость в изучении сроков схватывания и загустевания тампонажного раствора [50].
Базовым составом для дальнейших исследований была выбрана смесь, состоящая из портландцемента ПЦТ I-50, глиноземистого цемента ГЦ 40, гидроксиэтилцеллюлозы 400, пластификатора С-3, пеногасителя Пента 465. На начальном этапе проводились исследования влияния количества добавки ГЦ 40 на консистенцию тампонажного раствора и его седиментационную устойчивость при температурах 20, 30 и 40 оС. Полученные результаты представлены на рисунке 3.8. 45
В качестве показателя, характеризующего количество добавки выбрано соотношение ГЦ/ПЦТ. Установлено, что при повышении температуры, а также при увеличении соотношения масс глиноземистого цемента и портландцемента сокращаются сроки загустевания тампонажного раствора, что в дальнейшем следует учитывать при подборе рецептуры для конкретных температур.
Помимо времени загустевания определялись прочностные показатели, а также степень расширения получаемого камня из тампонажных растворов с разным соотношением ГЦ/ПЦТ и при температурах 20, 30 и 40 оС, результаты представлены в таблице 3.7. На рисунке 3.9 показана зависимость свойств камня от температуры твердения и соотношения ГЦ/ПЦТ.
Исследования физико-механических свойств камня показали, что добавка глиноземистого цемента способствует расширению тампонажного камня, а также снижению его прочностных и адгезионных характеристик. Снижение прочности вызвано различной скоростью твердения ПЦТ и ГЦ, гидратация алюминатных составляющих глиноземистого цемента протекает быстрее с пересыщением раствора продуктами гидратации и снижением растворимости портландцемента, в результате чего, каркас полученного камня представлен слабыми минералами гидроалюмината кальция [88, 114, 115, 123].
Микроструктура цементного камня, полученного на основе смеси портландцемента и глиноземистого цемента. Добавка глиноземистого цемента способствует повышению седиментационной устойчивости тампонажного раствора, но также и сокращает сроки загустевания. Интенсивное структурообразование раствора во время прокачивания снижает эффективность вытеснения бурового раствора и способствует повышению давления продавки, что негативно сказывается на качестве цементирования.
Известно, что подвижность цементного теста зависит от количества воды в смеси, однако повышение водоцементного соотношения приводит к существенному снижению физико-механических характеристик камня. Для повышения подвижности без ухудшения свойств камня на практике используют химически инертные наполнители. Замена части минерального вяжущего на кварцевый песок, обладающий меньшей удельной поверхностью позволяет увеличить подвижность тампонажных смесей.
Для повышения прокачивающей способности использовался кварцевый песок. Результаты исследований влияния песка на консистенцию тампонажного раствора представлены на рисунке 3.12.
Исследования консистенции тампонажных растворов показали, что замена части вяжущего на кварцевый песок способствует повышению прокачивающей способности тампонажной смеси, так как песок является химически инертным и имеет меньшую удельную поверхностью.
Однако, добавка кварцевого песка также может способствовать снижению седиментационной устойчивости тампонажного раствора. В связи с этим, были проведены исследования влияния песка на водоотделение раствора. Результаты представлены в таблице 3.8. На рисунке 3.13 представлены зависимости водоотделения тампонажного раствора от содержания кварцевого песка и соотношения ГЦ/ПЦТ.
Разработка конструкции центратора-турбулизатора для обсадных колонн
Для успешного проведения операции заканчивания боковых стволов с последующим цементированием необходимо: - минимизировать силы трения обсадной колонны о стенки скважины при спуске; - обеспечить максимально возможную степень центрирования обсадной колонны в боковом стволе; - обеспечить турбулизацию восходящего потока жидкости при продавке цементного раствора. Во время спуска обсадной колонны в скважину возникают естественные силы трения. Превышение данных сил над общим весом спускаемого инструмента является главной причиной недостижения проектной глубины спуска колонны. Величина сил сопротивления движения зависит от таких факторов как: диаметр открытого ствола, наружный диаметр спускаемого инструмента, искривления скважины, степени очистки открытого ствола, смазывающих свойств бурового раствора и т.д. Крепление боковых стволов неглубоких скважин осложнено тем, что в условиях относительно малого диаметра открытого ствола и большой протяженности наклонного участка возникают силы сопротивления, значительно превышающие вес инструмента. В связи с этим актуальным является разработка технических средств, позволяющих снизить силы трения обсадных колонн о стенки скважины при спуске.
Применение центраторов при креплении скважин необходимо для создания равномерного цементного кольца за обсадной колонной. Такое расположение труб в скважине также способствует лучшей очистке ствола скважины и наиболее полной замене бурового раствора тампонажным. Однако, применяемые в настоящее время пружинные центраторы не обеспечивают достаточную степень центрирования обсадной колонны в наклонных и горизонтальных участках скважины.
Полнота вытеснения бурового раствора также зависит от режима течения жидкостей в кольцевом пространстве. Известно [7], что при турбулентном потоке тампонажного раствора происходит более полное замещение им бурового раствора. Зачастую, ввиду реологических свойств применяемых цементных суспензий достижение высоких скоростей течения жидкостей в кольцевом пространстве в ряде случаев невозможно из-за сложных геологотехнических условий скважины, поэтому используются специальные устройства, переводящие режим течения цементного раствора из структурного в турбулентный.
В этой связи представляется актуальной разработка конструкции элементов оснастки обсадной колонны, обеспечивающих высокую степень ее центрирования, турбулизацию восходящих потоков жидкости и снижению сил трения при спуске в скважину.
Предлагаемая конструкция включает полый корпус с концами для внутреннего резьбового соединения с обсадными трубами. На внешней поверхности центратора-турбулизатора расположены 4 винтообразных ребра, в которых имеются отверстия для посадки элементов качения – шаров. Сверху каждый шарик крепится отдельной крышкой – шайбой для исключения выпадения из отверстия (рисунок 4.1), в каждое отверстие перед установкой шаров закладывается антифрикционная фторопластовая прокладка и наполняется густой смазкой – солидол. Глубина отверстия под посадку шара, предусматривающая расположение в нем антифрикционной прокладки, равна: H = h3+h2+h1, где h3 – глубина углубления под фторопластовую прокладку с диаметром d2, h2 – глубина камеры для шара с диаметром d2, равным: d2 = dш+1 мм, hi - толщина шайбы с диаметром di, равным: di = d2+3 мм Внутреннее отверстие шайбы имеет коническую форму с большим диаметром dш и меньшим dн, равным: dн = dш - 2 мм Отверстия под элемент качения расположены между собой на расстоянии Ьш, равном: Lш = di+2 мм Корпус центратора-турбулизатора выполняется из того же материала, что и обсадные трубы. При этом, длина винтообразных ребер U выбирается из количества устанавливаемых элементов качения и не должна быть меньше диаметра скважины Dс. Винтовые ребра расположены под углом 30-35о к оси центратора-турбулизатора. Диаметр образующей винтовых ребер Dв выбирается из условия: Dв Dс - 5 мм Диаметр шаров dш качения выбирается максимальным, исходя из условия: Фс - do.K- 10) шар где, dо.к. – внутренний диаметр обсадной колонны. Внешний Dо.к. и внутренний dо.к. диаметры корпуса центратора-турбулизатора равны внешнему и внутреннему диаметру муфты обсадной колонны соответственно. Длина концов Lк принимается равной 3-4 длинам резьбовых соединений, резьба выбирается в зависимости от типа соединения обсадных труб. Центраторы-турбулизаторы включаются в состав обсадных колонн непосредственно перед интервалами, определенными геофизическими исследованиями, как потенциально опасные застойные (кавернозные) зоны, вытеснение бурового раствора и шлама из которых ламинарным течением невозможно
Исследование коэффициента трения разработанного центратора-турбулизатора. С целью определения сил сопротивления, возникающих при движении центрирующего устройства по стволу скважины, была разработана специальная установка (см. рис. 2.5 и 2.6) для определения силы сопротивления движению центратора при создании на него нагрузки, имитирующей вес обсадной колонны.
Исследования проводились проталкиванием модели центратора-турбулизатора по металлу и горной породе (ГП) с целью имитации скольжения центрирующих элементов при спуске обсадной колонны в обсаженной части скважины и в открытом стволе, со смазкой глинистым буровым раствором (БР) и без. Результаты исследований представлены в таблице 4.1, на рисунке 4.2. показаны зависимости сил трения центраторов по стенке скважины.