книги из ГПНТБ / Шацов Н.И. Разобщение пластов в нефтяных и газовых скважинах (конструкции, крепление и цементирование скважин)

Разгрузочные концы шнеков выходят за пределы бункера в приемную воронку, в которой оба потока цемента соединяются и направляются особым вертикальным шнеком 5 к смесительному устройству 6. Вертикальный шнек приводится во вращение от одного из валов основных шнеков через цепную передачу и кони­ ческие шестерни.

К нижнему фланцу приемной воронки присоединено специаль­ ное смесительное устройство 6.

Рис. 73, а. Цемептосмесителъная машина СМН-20.

Смесительное устройство — это своеобразный гидрорегуля­ тор в виде приемного горшка с диффузором, переходящим в вы­ кидную трубку, и сопла, снабженного регулятором удельного веса.

Регулятор удельного веса представляет собой магазин с набо­ ром насадок разного сечения. Поворотом рычага любая из наса­ док магазина может быть установлена против сопла и закреплена зажимом. Правильность установки контролируют шариковым фиксатором.

Регулятор удельного веса устанавливают для совместной ра­ боты с цементировочным агрегатом ЦА-150 на соплах диамет­ ром 12 или 13,5 мм. Удельный вес регулируют в период выдачй первых порций цемента, открывая кран на обводной трубе сме­ сительного устройства или изменяя подачу цемента шнеками из­ менением числа оборотов двигателя.

Смесительное устройство снабжено обводной трубой с краном для точного регулирования удельного веса путем добавления требуемого количества воды непосредственно в выкидную трубу.

Регулирование в смесительном устройстве осуществляется изменением положения выдвижной насадки по величине водяной струи, которая должна без разбрызгивания перекрыть все сечение конической насадки выкидного патрубка смесительного устрой­ ства в месте наименьшего сечения. Величину этого разрежения замеряют вакуумметром, применяя специальную крышку для смесительного устройства.

Привод it шпекам осуществляется от двигателя через коробку скоростей 1 и коробку отбора мощности 2.

Управление коробкой отбора мощности производится при помощи двух рычагов, рукоятки которых находятся в кабине шо­ фера автомашины.

От коробки отбора мощности вращение передается основным шнековым транспортерам через цепную передачу, а к загрузоч­ ному шнеку .9 — через систему цепных передач и карданный вал.

В нижней части шнек имеет загрузочную воронку, а в верх­ ней — поворотную течку, позволяющую загружать цемент по­ очередно в два люка без перестановки транспортера.

Загрузочный шнек, устанавливаемый с любой боковой стороны цемеитосмесительной машины, приводится в рабочее положение при помощи небольшого крана-укосины с ручной лебедкой грузо­ подъемностью 200 кг.

Цемент загружают в приемный бункер непосредственно из автоцементовоза.

Работа цементосмесительных машин предусмотрена совместно с цементировочными агрегатами. От ротационного или поршневого насоса агрегата вода под давлением 7—10 ат поступает в смеси­ тельное устройство.

Все трубопроводы для подвода воды к машине GMH-20 монти­ руют при помощи быстросъемных соединений.

Во время работы по затворению цементного раствора водитель постоянно находится в кабине автомашины, а рабочий — у сме­ сительного устройства. По сигналу «пуск» включают подачу воды к смесителю.

По достижении в компенсаторе давления 7—9 ат рабочий открывает задвижку перед смесительным устройством и подает команду водителю о включении шпеков. Водитель включает первую скорость и доводит число, оборотов двигателя до задан­ ного.

В зависимости от диаметра применяемого сопла на смесителе

.регулируют число оборотов двигателя следующим образом: при диаметре сопла 12,5 мм число оборотов 1000—1200 об/мин-, при

диаметре 13,5 мм — 1100—1300 об/мин и диаметре 14,5—15 мм—

до И500 об/мин.

Минимальное число оборотов соответствует давлению 7—8 ат, наибольшее — давлению до 10 ат.

Точное регулирование заданного удельного веса в период цементирования достигается увеличением или уменьшением от­ крывания крана на обводной линии или изменением числа оборо­ тов двигателя. В дальнейшем раствор выдается автоматически, при этом колебания удельного веса не превышают 0,02.

Необходимо следить за подачей воды в смеситель,

Внедрение цементосмесительных машин и использование дан­ ных кавернограмм позволяют более точно определять необходи­ мое количество цемента для заполнения каверн и отказаться от шаблонного коэффициента на заполнение каверн, который при­ нимается в основных районах равным 1,2—1,3.

При ручном способе затворения цемента установить дозировку не представляется возможным. Поэтому неизбежны резкие колебания удельного веса раствора, что обычно приводит к несоответствию фактического объема цементного раствора рас­ четному.

При работе цементосмесительной машины колебание удель­ ного веса не превышает 0,02.

На рис. 74, а приведен^ термограмма цементирования колонны с использованием машины СМН-20, а на рис. 74, б — такая же термограмма, но при ручном приготовлении цементного раствора. Экзотермические кривые наглядно показывают преимущества применения Цементосмесительных машин.

196

При использовании машин СМН-20 первые порции цементного раствора при закачке в скважину перемешиваются с глинистым раствором, вследствие чего, как видно из термограмм, не всегда точно можно отбить высоту подъема цементного раствора в затруб­ ном пространстве. Поэтому при затворении цемента машиной необходимо в первые 10—20 сек. дать резкое колебание удельного вера в пределах 1,7—2,0 г/с.м3, после чего перейти на приготовле­ ние раствора заданного удельного веса.

В настоящее время серийно изготовляются следующие це­ ментосмесительные машины: смесительные машины, смонтирован­ ные на автомашинах ЯАЗ-210Д, грузоподъемностью 10—12 т с бункерами емкостью 10 или 20 т; агрегаты, смонтированные на полуприцепе, грузоподъемностью 20 т; они транспортируются автотягачами ЯАЗ-210Д или трактором С-80 [106].

В современных конструкциях смесительных машин улучшена схема привода основных шнеков (вместо цепной передачи уста­ новлена карданная), создан более удобный доступ к коробке перемены передач, а также широкий диапазон регулировки ско­ рости вращения основных шнеков,.а следовательно, и производи­ тельности (от 200 кг до 2 т).

Конструкции смесительных машин 2СМН-20 и СМ-10 отли­ чаются друг от друга только емкостью бункера и отсутствием у машин СМ-10 загрузочного шнека с приводом от двигателя авто­ машины.

Агрегаты типа 2СМН-20 имеют съемный загрузочный шнек с приводом от тягового двигателя автомашины мощностью 165 л. с. При помощи шнека на складе бункер загружают цементом или другими материалами до 9 т, а затем на буровой догружают до 20 т (при этом бункер устанавливают на домкраты).

В настоящее время ряд буровых предприятий транспортирует почти весь цемент, необходимый для цементирования скважин, в смесительных машинах, отказавшись от дополнительного авто­ транспорта.

Благодаря этому полностью ликвидируются потери цемента при его транспортировке со склада на буровые и исключается возможность преждевременного затвердения цемента.

Смесительные машины могут быть использованы также для приготовления глинистого раствора из глинопорошка, гельцемента, смеси песка с цементом, смеси песка с жидкостью разрыва для гидравлического разрыва пластов, а также для утяжеления глинистых растворов порошкообразными утяжели­ телями.

Е. М. Соловьевым проведен анализ, который показывает, что для различных условий цементирования нефтяных и газовых скважин необходимо иметь цементосмесительные машины [63] трех типов:

1) с емкостью бункера до 10 т — при высоте подъема цемент-^ кого раствора до 500 м;

197

2)с емкостью бункера до 20 гп — при высоте подъема цемент­ ного раствора до 1000 м;

3)с емкостью бункера до 30 т — при высоте подъема цемент­ ного раствора до 1500 м.

Опыт цементирования скважин (в тресте Туймазабурнефть и н др.) показал, что на затворение 50—60 т цемента при трех цементировочных агрегатах ЦА-300 и трех цементосмесительных машинах СМН-20 в среднем затрачивается 27 мин. Затворяют через 15-и.и сопло при давлении на выкиде водяного насоса

8—10 ат.

Заданный удельный вес цементного раствора поддерживается в процессе цементирования регулированием как числа оборотов разгрузочных шнеков цементосмесительной машины, так и коли­ чества подаваемой воды через отводную трубу смесительного устройства.

Для непрерывного визуального контроля из кабины шофера, а также автоматической регистрации удельного веса цементного раствора в процессе его приготовления, создан специальный прибор, устанавливаемый на машине СМН-20. Для измерения и регистрации давления, возникающего в цементировочном на­ сосе в процессе продавки цементного раствора, на цементировоч­ ном агрегате монтируется самопишущий манометр СЦА-4.

Большое значение при цементировании скважин имеет бес­ перебойная работа цементировочных агрегатов и цемептосмесительных машин. В этой связи заслуживает внимания опыт нова­ торов производства. Так,' в тресте Туймазабурнефть сконструи­ рован и внедрен центральный пульт управления верхним и ниж­ ним двигателем на агрегате ЦА-150, обеспечивший совместное регулирование работы центробежного и поршневого насосов и позволивший высвободить одного рабочего. Кроме того, в бунке­ рах цементосмесительных машин вмонтированы аварийные люки, при помощи которых во время поломки разгрузочных шнеков можно продолжать приготовление цементного раствора путем высыпания цемента из аварийного бункера через такой люк сразу в цементировочную воронку. Всего лишь 5 мин. требуется для перестройки работы цементосмесительных машин.

Современная практика цементирования обсадных колонн имеет ряд недостатков:

1) если продавочная пробка заранее не установлена, в колонну проникает воздух, что объясняется, по-видимому, низкой ско­ ростью движения жидкости в затрубном пространстве в перво­ начальный момент продавки;

198

2)после затворения цементного камня много времени затра­ чивается на заполнение глинистым раствором замерных емкостей агрегатов;

3)существующая схема цементирования неудобна при пор­ ционном и ступенчатом методах закачки, так как при этом уве­

личивается продолжительность данного процесса; 4) применение деревянных пробок не способствует повыше­

нию качества цементирования.

Для ликвидации этих недостатков в тресте Первомайбурнефть (Куйбышевский совнархоз) разработали следующую схему об­ вязки цементировочной головки (рис. 75, а). Стандартная цемен­ тировочная головка 4 оборудуется четырьмя кранами. К трем напорным патрубкам 5 при помощи гаек присоединяются нераз­ борные угольники с кранами и отводными трубками 6, которые предназначаются для промывки линий от цементного раствора.

Цементировочные агрегаты 1 снабжаются дополнительной перепускной линией (рис. 75, б), позволяющей подавать воду для затворения цемента к приему шестеренчатого (водяного) насоса, минуя замерные ящики агрегата.

Продавочную пробку закладывают заранее и продавливают специальным агрегатом 2. Обсадные колонны цементируются сле­ дующим .образом.

Цементировочными агрегатами (рис. 75, а) цементный раствор (для простоты цементосмесительные машины на схеме не пока­ заны) закачивается в скважину. Цементный раствор и продавоч­ ная жидкость подаются в скважину по напорным 2" линиям 5.

Впроцессе затвердения вода подается двумя-тремя агрегатами 3

взависимости от числа работающих агрегатов на затворении це­ мента. Это дает возможность заранее заполнить продавочным гли­ нистым раствором замерные ящики агрегатов и после окончания затворения перейти сразу на продавку, не затрачивая времени на набор глинистого раствора. Последняя операция производится по той же низконапорной линии, поэтому необходимо перекрыть

кран 7 и открыть кран 8.

Предлагаемая схема имеет следующие преимущества.

1. Сокращается время цементирования, которое не превышает 1 часа при расходе цемента 100—120 т.

2.Значительно упрощается процесс и сокращается время цементирования при ступенчатой и порционно-ступенчатой за­ ливке, так как от затворения к продавке глинистым раствором переходят буквально за несколько секунд, если для этого не тре­ буется промывки линии. Однако промывка линий не занимает больше 2 мин., потому что для этого необходимо только на цемен­ тировочной головке открыть три крана и три крана закрыть.

3.Уменьшаются число и длина нагнетательных линий. При этом пропускная способность линий почти не снижается.

Как видно из рис. 75, а, к цементировочной головке подво­ дятся три нагнетательные линии 5. Расчеты, а также приведенная

199

пробная прокачка через одну 2" линию длиной 20 м с одним рез­ ким поворотом на 90° и с одним краном подтверждают, что де­ вятью агрегатами через три напорные линии вполне возможно прокачивать максимальное количествоглинистого или цементного раствора.

4. При цементировании девонских скважин с забоем 3000 м глубина опорожнения колонны после затворения достигает 900 м и выше в зависимости от количества закачиваемого цемента, коэффициента кавернозности а и т. д.

весе цементного раствора уц = 1,9 г!см\ количестве используе­

При бурении глубоких скважин в условиях высоких темпера­ тур и давлений в Озек-Суате (Северный Кавказ) процесс цементи­ рования производят в течение 50—55 мин., применяя до 13 це­ ментировочных агрегатов (рис. 75, в) [27].

Конструкторским бюро нефтяного приборостроения создан прибор, непрерывно измеряющий и регистрирующий удельный вес цементного раствора, приготовленного на цементосмеситель­ ных машинах СМН-20.

Прибор монтируется на стенке бункера цементосмесительной машины. Рабочая часть прибора состоит из одной контрольной и двух рабочих трубок, опускаемых в цементный раствор. Через трубки прокачивается сжатый воздух из ресивера смесителя (рис. 76, а).

При небольшом расходе воздуха, пренебрегая динамическими потерями, можно считать давление воздуха, выходящего из тру­ бок, одинаковым в нижней и верхней частях трубок.

201

Разность давления в трубках

ар = р2-А =

так как Н2 — Н\ — АН = const, то А Р = у А Н.

Рис. 75, в. Схема обвязки при. цементировании 13 цементировочными агрега­ тами.

Из последнего выражения видно, что положение уровня це­

в продолжение всего цикла цементирования, закачивается в ре­ сивер 1 (рис. 76, б).

202