Обоснование параметров конструкции устройства для поинтервальной обработки ствола скважины

Обоснование параметров конструкции устройства для поинтервальной обработки ствола скважины

Дан анализ состояния техники и технологии цементирования скважин. Отмечены основные недостатки существующих приемов крепления ствола скважины. Обоснован гидродинамический способ удаления глинисто-шламовых паст. Приведены технические условия применения разработанного устройства для обработки кавернозной зоны.

Введение. Основной задачей цементирования скважин является получение прочного, водогазонефтенепроницаемого, концентрично расположенного в затрубном пространстве кольца цементного камня, который по всей высоте обеспечивал бы разобщение и надежную изоляцию вскрытых скважиной продуктивных горизонтов и зон осложнений, увеличивал несущую способность обсадной колонны и предохранял ее от агрессивного воздействия подземных вод. Операция цементирования обсадной колонны, спущенной в скважину, заключается в заполнении кольцевого пространства между обсадными трубами и стенками скважины в нужном интервале связующей смесью (как правило, тампонажным цементным раствором). Однако практика строительства скважин и лабораторные исследования показывают [1], что в большинстве случаев процесс цементирования в той или иной мере оказывается неудачным. Некачественное цементирование скважин приводит к сокращению срока их службы, требует больших затрат на ремонтные работы по разобщению пластов, может привести к гибели скважины и даже месторождения, кроме того, возникшие в связи с этим сообщения между пластами приводят к неверной оценке запасов залежи, не обеспечивают охраны недр.

Процесс цементирования исследовали всесторонне как теоретически, так и экспериментально; тем не менее, полученные результаты в большинстве своем неясны и противоречивы. Большинство авторов приходят к выводу, что одной из основных причин некачественного цементирования является наличие в стволе скважины кавернозных интервалов (глубокие в радиальном направлении уширения), внутри которых происходит накопление обломков разрушенной породы и образование высоковязких малоподвижных глинисто-шламовых паст. Если в процессе бурения наличие таких паст не вызывает особенных осложнений, то их следует считать основными виновниками разных газо-, водо- и нефтепроявлений. Наиболее сложные условия наблюдаются в кавернах, которые имеют значительный диаметр и малую мощность.

Специальные лабораторные исследования показали, что:

1) интенсивность отложения шлама в кавернах зависит от скорости движения жидкости в затрубном пространстве;

2) скорости движения промывочных жидкостей, имеющиеся в практике бурения скважин, являются недостаточными;

3) при остановке циркуляции промывочной жидкости часть шлама, осевшего в кавернах, сползает и оседает на забой, а другая – остается в кавернах;

4) при замене естественных водных суспензий на глинистый или цементный растворы оставшийся в кавернах шлам не удаляется.

Глинисто-шламовые пасты, находящиеся в кавернах, при поступлении цементного раствора в затрубное пространство активно смешиваются с ним, результатом чего является резкое падение технологических и технико-экономических показателей операции цементирования обсадных колонн.

Исходя из изложенного выше, были поставлены следующие задачи.

1) Разработать теоретические основы устройства для создания радиального движения промывочной жидкости в кавернозной зоне ствола скважины.

2) Разработать и обосновать конструктивные и технологические параметры устройства.

3) Исследовать рациональные технические характеристики, позволяющие использовать его одновременно с проработкой ствола скважины перед ее цементированием.

.

Основной материал. За последние годы значительно усовершенствованы технологический процесс крепления скважин и тампонажные материалы, однако все это не привело к кардинальному повышению технико-экономических показателей строительства и эксплуатации скважин. Поэтому, как указывают многие исследователи, особое внимание следует уделять именно подготовке ствола скважины к цементированию. В настоящее время перед спуском и цементированием обсадной колонны в скважину для очистки каверн от шлама и проработки ствола спускают новое долото (с центральной промывкой) в сочетании с жесткой компоновкой и, удерживая инструмент на весу, прорабатывают ствол скважины с промывкой при скорости подачи 40 м/ч. Однако такая технология не позволяет полностью очистить каверны от шлама, кроме того, вынесенный шлам из нижележащих каверн при движении восходящего потока оседает в частично очищенных вышележащих кавернах, что практически исключает возможность качественного цементирования кавернозных зон. Так же редко удается получить положительные результаты при цементировании каверн, имеющих к моменту начала работ сравнительно небольшие мощности (0,8-1,0 м) и диаметр которых не превышает 80 см. Считается, что одной из причин этого является неполное заполнение каверн тампонирующей смесью. Поэтому последнюю порцию продавочной жидкости в объеме тампонирующей смеси рекомендуется закачивать на малых скоростях.

Кроме того, для обработки приствольной зоны скважины предлагается применять виброобработку ствола, аэрированные буферные жидкости, двух- и трехфазные пенные системы, вихревые потоки, струйную кольматацию стенок, механическое уплотнение фильтрационной корки, технологию селективной изоляции и т.д. Детальный анализ перечисленных приемов позволил выделить среди их значительного числа два основных. Первый из них заключается в разрушении глинисто-шламовых паст, которые образовались, с дальнейшим удалением продуктов разрушения потоком промывочной жидкости. Второй предусматривает закрепление и перевод в инертное состояние содержимого кавернозных зон скважины [1,2].

Известны несколько конструкций устройств реализующих принцип первого приема, среди которых наибольшее распространение получило устройство, включающее корпус и размещенные на нем скребковые элементы, выполненные в виде петель из металлического каната разного диаметра [3]. С целью повышения качества обработки ствола скважины за счет обеспечения возможности удаления рыхлой корки при вращении устройства и обработки участков скважины, диаметр которых больше номинального, скребковые элементы расположены вдоль оси корпуса и имеют разную жесткость. Важной его характеристикой является то, что скребковые элементы выполнены из каната различного диаметра, причем диаметр петли из каната большего диаметра меньше диаметра петли из каната меньшего диаметра и плоскости этих петель взаимно перпендикулярны.

Однако общим недостатком названного устройства и других известных конструкций является то, что они в основном предназначены для удаления рыхлой глинистой корки со стенок скважины и малоэффективны в кавернозных интервалах. В связи с этим на кафедре техники разведки МПИ НГУ разработаны конструкции устройств для обработки кавернозной зоны ствола скважины, в которых сводятся к минимуму указанные недостатки.

Конструкция устройства поинтервальной обработки (УПО) ствола скважины содержит цилиндрический корпус и шарнирный механизм [4,5]. В наружной поверхности стенок цилиндрического корпуса выполнены пазы для размещения лопастей. Шарнирный механизм с пружиной и роликом жестко прикреплены к замку. Пружина обеспечивает ролику необходимое прижатие при передвижении его по стенкам скважины. Ролик необходим для обеспечения подвижного контакта со стенками скважины. Он снабжен лубрикатором (например, литол, солидол) для исключения возможности его заклинивания при загрязнении частицами шлама.

При попадании в кавернозный интервал лопасти устройства раскрываются за счет пружины, совершая радиальное движение вокруг оси скважины. Под действием лопастей в каверне возникают вихри с постоянной осевой и окружной скоростью, которые способствуют движению и выносу шлама из нее. Далее при выходе устройства из очередной каверны, на ролик шарнирного механизма действуют сжимающие силы со стороны ствола скважины и лопасти смыкаются, устройство в сложенном состоянии продолжает спускаться в скважину, открываясь в нижележащих кавернозных участках. При дохождении долота до забоя внутрь бурильной колонны вбрасывается стальной шарик, который под действием движущейся по бурильной колонне промывочной жидкости закрывает замок на устройстве, тем самым приводя их в нерабочее состояние. О дохождении шарика до наддолотного переводника судят по резкому скачку давления очистного агента. После этого колонну поднимают.

Наличие последовательного ряда устройств типа УПО в составе бурильной колонны обеспечит качественную очистку каверн и исключит загрязнение вышележащих каверн шламом из нижележащих (что присуще современному методу очистки).

Недостатком описанного устройства является то, что оно не создает достаточной силы, способной разрушить скопления, присутствующие в кавернозных зонах имеющих значительную мощность в радиальном направлении.

В основу предлагаемого изобретения положена задача совершенствования устройства для обработки ствола скважины, в котором принципиально иное конструктивное исполнение и механизм разрушения глинисто-шламовых паст позволяет значительно усиливать, ускорять и направлять поток промывочной жидкости на объекты обработки, в частности глинисто-шламовые пасты. Использование проектируемого устройства значительно увеличит качество очистки каверн значительной радиальной мощности и цементирования ствола скважины, а за счет этого сократятся денежные расходы и время на ликвидацию осложнений, связанных с низким качеством цементирования, увеличатся безремонтный срок эксплуатации и обслуживания скважины.

Конструкция содержит полый цилиндрический корпус 1 и шарнирные механизмы 2, которые располагается в двух диаметрально противоположных пазах 3 и оснащены специальными проточными электрогидравлическими устройствами 4. Эти устройства способствуют выбрасыванию жидкости со скоростью до 2000 м/с и созданию направленного воздействия на объекты обработки. Шарнирный механизм 2 с пружиной 5 и роликом 6 жестко прикреплен к замку 7, это обеспечивает управление работой устройства. Пружина 5 создает устройству необходимое прижатие при передвижении его по стенкам скважины. Ролик 6 необходим для обеспечения подвижного контакта устройства со стенками скважины.

Рис. 1 Устройство для обработки ствола скважины.

На рис. 1 приведена общая схема устройства, где 1 – полый цилиндрический корпус; 2 – шарнирный механизм; 3 – два диаметрально противоположных паза для размещения соответствующих шарнирных механизмов с электрогидравлическими устройствами 4; 5 – пружины, которые предназначены для раскрытия и закрытия шарнирных механизмов относительно корпуса прибора; 6 – ролики, необходимые для обеспечения подвижного контакта со стенками скважины; 7 – замки; 8 – электрический грузоподъемный кабель, который закреплен на корпусе устройства с помощью хомутов 9.

Рис. 2 Разрез электрогидравлического устройства по линии А-А.

На рис. 2. приведен разрез электрогидравлического устройства 4 по линии А-А, где 10 - рабочая камера, в которой с помощью набросной гайки 11 закреплен положительный электрод 12, армированный полиэтиленовой изоляцией 13, 14 - кольцевой выступ корпуса рабочей камеры, который служит отрицательным электродом, 15, 16 - входное и выходное сопла соответственно.

Ударные волны, которые резко ускоряют движение жидкости в коаксиальной системе электродов 12, 14 рабочей камеры 10 формируются таким образом. Разрядный ток течет в радиальном направлении между двумя электродами. Положительным электродом является стальной стержень с конусообразным наконечником 12, расположенный на оси системы, а отрицательным – кольцевой выступ корпуса рабочей камеры 14. Радиальный ток разряда взаимодействует с концентрическим магнитным полем. Сила, направленная вдоль оси системы, способствует ускорению движения жидкости, которая поступает в рабочую камеру 10 через входное сопло 15. Из межэлектродного пространства через выходное сопло 16 жидкость выбрасывается со скоростью до 1000 м/с, захватывая за собой и жидкость, движущуюся по стволу скважины.

Обработка кавернозной зоны осуществляется при подъеме устройства, предварительно спущенного в скважину на электрическом грузоподъемном кабеле 8, который закреплен на корпусе устройства с помощью хомутов 9. Поскольку ствол скважины заполнен глинистым раствором, то для обеспечения беспрепятственного спуска устройства есть возможность в нижней его части размещать грузы-утяжелители.

При попадании в кавернозный интервал шарнирный механизм 2 с электродами 4 раскрываются за счет пружины 5. Раскрытие механизма фиксируется на поверхности датчиком, с помощью которого осуществляется автоматическое включение подачи электричества. При выходе устройства из очередной каверны, на ролик 6 шарнирного механизма 2 действуют сжимающие силы со стороны ствола скважины, и механизм с электродами смыкается, устройство в сложенном состоянии продолжает подниматься из скважины, открываясь в следующих кавернозных участках.

Выводы. Принципиально иное конструктивное исполнение и механизм ликвидации глинисто-шламовых паст позволит, согласно расчетам, значительно ускорять и направлять поток промывочной жидкости на объекты обработки, в частности глинисто-шламовые пасты, что значительно увеличит качество очистки каверн и цементирования ствола скважины, а это в свою очередь практически исключит расходы на ремонтно-восстановительные работы.

Содержание

Введение……………………………………………………………………………1

Основной материал………………………………………………………………...3

Выводы……………………………………………………………………………...8

Министерство образования и науки Украины

Национальный горный университет

                        Кафедра ТРРКК