Устройство для цементирования обсадной колонны скважины

 

Устройство для цементирования обсадной колонны скважины относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к устройствам для цементирования обсадных колонн. Техническим результатом является повышение качества цементирования за счет обеспечения эффективной обработки тампонажного раствора в затрубном пространстве импульсами гидродинамических волн. Устройство состоит из обсадной колонны, башмака, муфты, стоп-кольца. В устройстве для цементирования обсадной колонны скважины, содержащем обсадную колонну с башмаком и размещенными в ней стоп-кольцом и гидродинамическим излучателем, последний выполнен в виде по крайней мере одной системы ротора и статора, лопасти которых имеют окна, причем окна ротора и статора асимметричны, гидродинамический излучатель установлен между стоп-кольцом и башмаком, а в обсадной колонне над излучателем выполнено отверстие для направления потока гидроимпульсов в затрубное пространство. 4 ил.

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к устройствам для цементирования обсадных колонн.

Известно устройство для цементирования обсадных колонн скважин, разработанное БашНИПИнефть /1/. В цементировочной головке упомянутого устройства устанавливается гидродинамический излучатель (ГДИ). После закачивания тампонажного раствора ГДИ освобождается и идет вниз вместе с продавочной пробкой. После окончания цементирования он остается в скважине. При перемещении ГДИ вниз по ходу движения от него распространяются гидродинамические волны. ГДИ вместе с продавочной пробкой "падает" вниз вслед за уровнем тампонажного раствора, опустившегося из-за высокой его плотности, при этом 30-50% тампонажного раствора не оказывается под воздействием гидродинамических волн из-за того, что они гасятся в радиальном направлении силами упругости труб.

Ближайшим техническим решением, выбранным за прототип, является устройство для цементирования обсадных колонн скважины, включающее обсадную колонну с башмаком и стоп-кольцом, над которыми размещен гидродинамический излучатель /2/. В устройстве используется гидродинамический излучатель пружинно-клапанного типа, работающий в режиме автоколебаний, при протекании жидкости. В растворе, заполнившем колонну, возникают гидроударные волны, которые вызывают упругие колебания стенок обсадных труб.

Недостатком устройства является то, что при его работе основной поток импульсов, возникающих в жидкости, направлен к устью скважины и только небольшая их часть распространяется вниз и в затрубье, так как гидроимпульс возникает от кратковременной преграды на пути движения потока, он распространяется в противоположном направлении движению потока. Частицы цемента в цементном растворе, проходя через клапаны, не подвергаются интенсивно диспергированию, при этом воздействие на раствор такое же, как в клапанной коробке цементировочного агрегата.

Технической задачей изобретения является повышение качества цементирования за счет обеспечения эффективной обработки тампонажного раствора в затрубном пространстве импульсами гидродинамических волн.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для цементирования обсадной колонны скважины, содержащем обсадную колонну с башмаком и размещенными в ней стоп-кольцом и гидродинамическим излучателем, последний выполнен в виде, по крайней мере, одной системы ротора и статора, лопасти которых имеют окна, причем окна ротора и статора асимметричны, гидродинамический излучатель установлен между стоп-кольцом и башмаком, а в обсадной колонне над излучателем выполнено отверстие для направления потока гидроимпульсов в затрубное пространство.

Размещение гидродинамического излучателя между стоп-кольцом и башмаком и выполнение его в виде системы роторов и статоров с лопастями, выполненными с размещенными в системах асимметрично окнами, а также наличие отверстия в обсадной колонне позволяет осуществить воздействие гидроимпульсов на тампонажный раствор в затрубном пространстве непосредственно в зоне цементирования с одновременным диспергированием частиц цемента в части объема цементного раствора, что значительно повысит качество цементного раствора.

Прокачивание цементного раствора с импульсами гидродинамических волн обеспечивает более полное вытеснение глинистого раствора из затрубного пространства в скважинах, например, в пространстве между нижней стенкой скважины и обсадной колонной.

Вращение роторов в системе статоров происходит с оборотами порядка 600-800 об/мин. Частицы цемента с оболочкой из воды при прохождении устройства измельчаются, открываются новые поверхности у них для контакта с водой, что обеспечивает лучшие условия для консолидации.

Предложенное устройство изображено на фиг. 1 и 2, на фиг. 3 - разрез по А-А, на фиг. 4 - разрез по В-В.

Устройство состоит из обсадной колонны 1, башмака 2, муфты, соединяющей колонну с башмаком 3, стоп-кольца 4, причем в обсадной колонне выполнено отверстие 5 для распространения гидроимпульсов по заколонному пространству.

Гидротурбоизлучатель (ГТИ) обозначен 6 и состоит из одного (фиг. 1) или нескольких роторов 7 с сердечником 8 (фиг. 2) и одного (фиг. 1) или нескольких статоров 9 (фиг. 2).

При использовании одной ступени ее статор 9 закрепляется с помощью приваренной к нему втулки 10 в резьбовом соединении между трубкой 11 и башмаком 2. Роторы 7 и статоры 9 в ГТИ принципиально представляют собой турбинки, у которых в лопастях вырезано несколько лопаток и сделаны окна 11 (фиг. 2).

Окна сделаны в роторах и статорах так, чтобы они имели разную симметрию. Соответственно окна роторов и статоров в каждой системе симметричны.

Например, на фиг. 2 окна в статорах (сечение А-А) сделаны под углом в 120^oC, а в роторах (сечение В-В) под 90^oC. Когда окна в роторах и статорах совпадают, перепад давлений резко падает, при несовпадении - резко возрастает. Возникают гидроимпульсы.

Когда применяются несколько ступеней роторов и статоров (фиг. 2), то они формируются по отверстиям соответственно шпонками 12 и 13. Системы роторов 7 и статоров 9 собраны на сердечнике 8. Роторы закреплены с одной стороны гайкой 14 и ступицей сердечника с другой стороны. Система статоров снизу ограничена от движения вниз срезными штифтами 15, пропущенными через кольцо 16 в обсадную колонну.

Устройство для цементирования обсадных колонн работает следующим образом.

В начале промывки скважины перед цементажом при закачке промывочной и буферной жидкости ГТИ создает гидроимпульсы, распространяющиеся по затрубному пространству через отверстие 5 и отверстия в самом башмаке. Гидроимпульсы интенсифицируют очистку стенок скважины. Вращение роторов в ГТИ может достичь 800-1000 об/мин. Учитывая, что в нашем примере в роторах три отверстия, частота импульсов может колебаться в пределах 40-60 Гц. Максимальное давление, срабатываемое на одной ступени ГТИ- 10 - 15 кгс/см², при 4-3-х ступенях - 20-30 кгс/см². Распространение импульсов в жидкости типа бурового раствора - 1300 м/с. Отсюда длина волны будет: При таких длинах волн сложение их не будет происходить, следовательно, промывка скважины будет происходить при равномерном импульсном потоке, что определит лучшие условия для промывки ствола скважины и для перемешивания и диспергирования цементного раствора. Часть потока цементного раствора, проходя через вращающиеся роторы в системе статоров, будет подвергаться дополнительному диспергированию. При этом будут измельчаться частицы цемента, покрытые водяной оболочкой. Откроются новые поверхности контакта цементных частиц с водой, а это приведет к повышению качества твердения цемента, т.к. больше откроется связей между частицами цемента.

При прохождения цементного раствора гидроимпульсы воздействуют на цементный раствор с самого начала выхода его из башмака обсадной колонны. Этот процесс в гидравлической системе носит волновой характер и распространяется вдоль гидравлических каналов, т.е. в трубах и затрубном пространстве - со скоростью, равной скорости звука в данной среде.

Положительный эффект для распространения гидроимпульсов играет и то, что ГТИ располагается ниже стоп-кольца, которое ограничивает распространение их внутрь обсадной колонны, тем самым усиливая их мощность к распространению через боковые отверстия в башмаке через затрубное пространство. Мощность гидроимпульсов от ГТИ зависит от количества ступеней роторов-статоров, т.е. от перепада срабатываемого при совпадении и несовпадении в них окон при вращении системы роторов.

Преимущество заявляемого устройства по сравнению с известным заключается в том, что пульсирующее гидравлическое поле распространяется в затрубном пространстве в зоне самого излучателя, что резко повышает мощность гидроимпульсов, которые активно воздействуют на цементный раствор; кроме того, заявляемое устройство позволяет эффективно очистить затрубное пространство от остатков глинистого раствора.

Улучшение качества крепления скважины значительно увеличивает срок ее эксплуатации.

Источники информации.

1. Клявин Р.М. и др. "Цементирование обсадных колонн с применением гидродинамического генератора, транспортируемого с потоком жидкости", "Нефтяное хозяйство", 1990, N 5, с. 27.

2. Рахимкулов Р.Ш. и др. "Применение вибровоздействия для повышения качества цементирования эксплуатационных колонн", "Нефтяное хозяйство", 1990, N 6, с. 35-37.

Формула изобретения

Устройство для цементирования обсадной колонны скважины, содержащее обсадную колонку с башмаком и размещенными в ней стоп-кольцом и гидродинамическим излучателем, отличающееся тем, что гидродинамический излучатель выполнен в виде по крайней мере одной системы ротора и статора, лопасти которых имеют окна, причем окна ротора и статора асимметричны, гидродинамический излучатель установлен между стоп-кольцом и башмаком, а в обсадной колонне над излучателем выполнено отверстие для направления потока гидроимпульсов в затрубное пространство.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4