ЦЕМЕНТИРОВАНИЕ БУРОВЫХ СКВАЖИН (2003 год) - часть 8

СМЕСИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ТИПА УС5-30

Установка способна транспортировать цемент и другие порошкообразные материалы с регулируемой выгрузкой этих материалов пневмотранспортом, а также производить самозагрузку собственных бункеров из складов силосного типа или цементовозов.

Техническая характеристика

Шасси несущего автомобиля..................................................................КрАЗ-65101

Наибольшая масса перевозимого материала, т......................11

Наибольшая вместимость двух бункеров, м3..........................8

Наибольшее рабочее давление, создаваемое компрессором, МПа....................................................................................................................0,06

Производительность самозагрузки, т/ч..........................................7-20

Производительность приготовления цементного раствора, дм3/с..............................................................................................................10-30

Плотность приготавливаемого тампонажного раствора, г/см3..............................................................................................1,3-2,4

Габаритные размеры, мм:

- длина...........................................................9800

- ширина...............................................................2500

- высота.................................................3400

Масса установки, кг:

- в собранном виде (сухая).........................................12350

- без груза..................................................................................................12990

- загруженная...................................................23990

Распределение нагрузки на оси, кг (полностью загруженной)

- на переднюю ось......................................5920

- на балансирную ось......................................18000
Существенным недостатком установок УС5-30 является неравномерная подача цемента из бункеров в гидроваккумный смеситель, что вызывает большое, порой недопустимое, колебание

плотности приготавливаемого раствора.

В связи с этим ее применение целесообразно лишь в комплексе с установками 1 УСО-20 или другими подобными установками при наработке растворов методом рециркуляции. При этом неравномерная подача цемента в смеситель на обогащение циркулирующей среды не создает проблем.

По сути и по назначению установку УС5-30 скорее следует считать автоцементовозом. По сравнению с установками типа УС6-30 она не предназначена к догрузке цементом на стационаре. Число УС5-30 при цементировании должно быть в 2 раза большим, чем УС6-30 в тех же условиях.

В американской практике цементирования скважин, в основном, применяют пневматические смесительные установки. В отличие от УС5-30, зарубежные машины обладают большой грузоподъемностью до 25 т и благодаря увеличенному объему бункера-накопителя, вмещающего до 2,5 м3 материала, обеспечивают равномерную подачу цемента в гидровакуумный смеситель.

Отличительным преимуществом установок УС5-30, по сравнению с другими, является способность подачи цемента или другого порошкообразного материала на относительно большие расстояния, то есть как у автоцементовозов. Эти установки могут широко использоваться для транспортирования сыпучих материалов в строительстве или других хозяйствах, повысив тем самым коэффициент их использования.

К смесительным установкам для приготовления тампонаж-ных растворов относятся также установки смесительно-осреднительные: 1 УСО-20 и 2УСО-20 (рис. 80 и 81).

Первые представляют самоходный вариант, - в стационарном исполнении на санях (рис.82). Эти установки созданы на базе, так называемых, осреднительных емкостей УО-16 и У 0-25, разработанных силами ВНИИКРнефти, и применяются, в основном, для. обработки тампонажных растворов с целью их гомогенизации. Установки УСО отличаются от них, в основном, наличием в комплекте гидровакуумных смесителей (бортовыми и наземными).

Технические характеристики этих установок отражены в табл. 43.

Рис.80. Установка смеситеяьно-осреднительиая 1 УСО-20

Рис. 81. Установка смесительно-осреднительная в стационарном исполнении 2УСО-20

В последние годы необходимость их применения была признана большинством отечественных и зарубежных специалистов.

Несмотря на налаженное серийное производство этих установок, ряд тампонажных служб применяют осреднительные устройства различных конструкций, изготовленных собственными силами. Благодаря простоте их конструкций и неприхотливости в эксплуатации особых проблем при этом не возникает. Однако с целью получения должного эффекта самодельные осреднительные установки также должны соответствовать следующим требованиям:

- обладать необходимой вместимостью;

- быть снабжены ленточными мешалками, привод которых обеспечивается необходимой мощностью.

В качестве примера ниже приведена методика расчета указанных параметров, которая может быть использована при изготовлении установок собственными силами.

Расчет вместимости резервуара осреднителъной установки

Используя методику расчета [1], можно вычислить требуемый объем осреднителъной установки по имеющимся исходным данным.

Коэффициент дисперсии колебаний плотности раствора будет равен

Аналогом УСО по назначению и конструкции является агрегат смесительный для приготовления тампонажных растворов -ACM 25 (рис. 84), разработанный СевКавНИПИнефтью (г. Грозный). Основным и весьма существенным отличием от УСО является механический способ приготовления раствора с помощью лопастной двухвальной мешалки, расположенной в резервуаре агрегата. Принцип действия АСМ-25 заключается в следующем.

В резервуар набирают расчетный объем воды, включают, мешалку, вводят химические реагенты, предусмотренные заданной рецептурой приготавливаемого раствора и готовят жидкость за-творения. Затем, не останавливая мешалок, в жидкость затворе-ния подают цемент шнековым транспортером, входящим в состав АСМ-25. Подачу цемента продолжают до получения раствора заданной плотности, а работу мешалок до обеспечения однородности его по всему объему.

Существенным недостатком в работе этой установки, а, по сути - в таком способе приготовления растворов, является трудность смешивания компонентов при достижении раствором плотности 1,55-1,60 г/см3. При этом поступающий в резервуар цемент зависает на поверхности раствора и не погружается в него даже при интенсификации работы мешалок. В таких случаях принимаются дополнительные меры созданием циркуляции приготавливаемого раствора цементировочным агрегатом, направляя выкид в цемент, сосредоточенный на поверхности раствора.

Рис. 84 - Агрегат смесительный для приготовления тампонажных растворов АСМ-25

Как отмечалось выше, наиболее эффективным способом приготовления тампонажного раствора с целью достижения его высокого качества является порционный или объемный способ. В условиях буровой такой способ не сложно осуществить с применением установок типа УСО или им подобными. Для этой цели выбирают установки с резервуарами соответствующей вместимости и в необходимом количестве. Готовят в них заранее жидкость затворения, которую подогревают в случае необходимости. После этого проверяют и оценивают ее свойства на соответствие заданной рецептуре и приступают к наработке раствора методом рециркуляции.

При продолжительной циркуляции раствора через гидровакуумный смеситель может наблюдаться его интенсивное вспенивание. В таких случаях необходимо применять пеногасители, которые можно вводить в приготавливаемый раствор при работе мешалок. В случаях необходимости таким путем можно вводить и пластификаторы, которые не повлияют на другие свойства раствора.

Следует иметь в виду, что реагенты - регуляторы сроков схватывания и понизители водоотдачи таким способом вводить нецелесообразно, так как уже образованные гидратные оболочки на цементных частицах будут препятствовать взаимодействию реагента с цементом.

Заготовив таким методом расчетный объем тампонажного раствора, перед нагнетанием его в скважину желательно (а в некоторых случаях - необходимо) подвергнуть обработке с целью достижения полной однородности всего объема, дефлокуляции, повышения активности и улучшения других свойств, определяющих его качество.

Приготовление тампонажных растворов с помощью гидровакуумного смесителя требует применения насоса соответствующей характеристики и полезной (гидравлической) мощности. В основном - значения производных этой мощности: давления и подачи. Для приготовления тампонажных растворов нормальной плотности прямоточным методом в качестве жидкости затворе-ния применяют воду с жидкими или растворенными химическими реагентами. В этом случае выбирают насос с мягкой характеристикой - центробежный, способный развивать давление не мене 1,0 МПа и подачу, обеспечивающую скорость исходящей из штуцера струи не менее 33 м/с. В отличие от поршневых или плунжерных насосы мягкой характеристики - центробежные или шламовые обеспечивают {равномерную подачу жидкости, исключающую пульсацию, меняющую форму струи при каждом импульсе. Работая в режиме с такой пульсацией, смеситель не способен обеспечивать нормальное Перемешивание цемента с водой.

Применение поршневых или плунжерных насосов для затво-рения цемента вызвано необходимостью создания относительно высокого давления, более 4,0 МПа, которое требуется для получения энергии, достаточной не только для приготовления растворов любой плотности, но и для подачи его на высоту бортов ос-реднительной или накопительной емкостей. Применение насосов жесткой характеристики необходимо также при обработке там-понажных растворов с целью повышения их активности путем диспергации.

Еще одним недостатком насосов жесткой характеристики является их относительно малая подача. В основном для приготовления тампонажных растворов используют насосы цементировочных агрегатов, которые при этих значениях давления не способны развивать подачу более 20 дм3/с, что порой не достаточно.

Полезную мощность, необходимую для затворения цемента, определяют по формуле:

В процессе наработки тампонажного раствора методом рециркуляции плотность и вязкость его постоянно нарастают, увеличивая тем самым гидропотери в системе циркуляции. При этом часть энергии расходуется на преодоление растущих гидропотерь в основном за счет подачи. Пределом допустимого снижения подачи является скорость исходящей из пггуцера струи. При снижении ее до величины меньшей 33 м/с теряется эффект эжек-ции смесителя, поступление цемента в смесительную камеру прекращается и рециркуляция переходит в стадию циркуляции. Если при этом заданная плотность приготавливаемого раствора не достигнута, необходимо увеличить приводную мощность насоса. При использовании в качестве приводов двигателей внутреннего сгорания это не представляет сложности. В насосных агрегатах с электроприводом - это практически не выполнимо.

Изменение режима работы смесителя при рециркуляции наглядно показано на графике (рис. 85), где использовались данные процесса приготовления тампонажного раствора на экспериментальном стенде ВНИИКРнефти.

В этих условиях проводились исследования по определению наиболее целесообразного режима работы гидровакуумных смесителей, результаты которых изложены в табл. 44.

Рециркуляционный способ приготовления тампонажных растворов с его накоплением и дополнительной обработкой необходим в условиях применения лежалых цементов, требующих до полнительную активацию и улучшения других свойств. Как правило, это условие имеет место на отдаленных буровых экспедициях, на морских буровых установках, а также на отдаленных кустах при кустовом бурении. В этих условиях наиболее целесообразно применение комплексов стационарного цементировочного оборудования. В состав этих комплексов должны быть включены осреднительные установки, количество и вместимость которых определяются условиями цементирования, главным образом, числом видов тампонажного раствора и их расчетными объемами.

На большинстве месторождений Западной Сибири бурение осуществляют кустовым способом, с числом построенных скважин в кусте - 12 и более. Для цементирования эксплуатационных колонн применяют два вида тампонажного раствора: облегченный и раствор нормальной плотности. Объем первого составляет 40-45 м3, второго - 12-16 м3.

Для успешного цементирования скважин в этих условиях с применением тампонажных растворов высокого качества НПО «Бурение» рекомендует применение комплексов стационарного цементировочного оборудования, схема и описание которого показаны на рис. 86.

В комплекс включены две насосные установки с дизельным приводом. Общая полезная (гидравлическая) мощность этих установок соответствует мощности, необходимой для проведения самой энергоемкой операции по цементированию обсадных колонн, предусмотренных конструкцией скважин.

Учитывая необходимость создания высокого давления, как при цементировании, так и в процессе аварийных или опрессо-вочных работ, одна из установок оснащена насосом с плунжерами малого диаметра - 100 мм. Другую установку выбирают с расчетом получения наибольшей подачи, то есть с насосом, диаметр плунжеров которого 120 или 125 мм.

Осреднительные установки выбирают с вместимостью резервуаров, способных готовить весь расчетный объем растворов в два приема. То есть в начале весь объем облегченного, затем, после откачки его из одной емкости, готовить в ней раствор нормальной плотности, не прерывая процесс нагнетания облегченного раствора в скважину.

Обвязку установок выполняют таким образом, чтобы каждая насосная установка могла откачивать раствор из любой осредни-тельной установки, как показано на рис.86.

Наработку облегченного раствора выполняют до начала цементировочной операции. Примерно за сутки резервуары осред-нительных установок заполняют расчетным объемом воды для затворения и вводят в нее глинопорошок, и, в случае необходимости, ускорители сроков схватывания: Количество компонентов выбирают в соответствии с заданной рецептурой раствора Содержимое жидкости затворения тщательно перемешивают мешалкой. Перед началом цементирования нарабатывают облегченный тампонажный раствор в следующем порядке. Гидровакуумный смеситель, расположенный под бункером-накопителем, оснащают штуцером увеличенного диаметра (18-20 мм). Включают шламовый насос и создают циркуляцию в системе: осред-нительная установка - насос - смесительно-осреднительная установка. После выхода на рабочий режим системы, в бункер-накопитель подают цемент из контейнеров с помощью грузоподъемного устройства при участии оператора, вскрывающего контейнеры и очищающего сетку над бункером от цементных комков. Подачу цемента в смеситель осуществляют до получения заданной плотности нарабатываемого раствора. После этого ее прекращают, продолжая работу мешалок с целью обеспечения однородности раствора по всему объему. Подобным способом готовят раствор в резервуаре другой осреднительной установки, сделав соответствующее переключение кранов и заслонок на нагнетательном и приемном манифольдах, а также направляют выкидную трубу смесителя в другую емкость.

После тщательной обработки облегченного раствора в двух резервуарах приступают к его нагнетанию в скважину из одного резервуара, удобнее из резервуара 4. После его опустошения на-сосом установки 2 подают воду в гидровакуумный смеситель, сменив перед этим штуцер на другой с малым диаметром, и по-

дают цемент в бункер-накопитель тем же способом.

Воду для затворения отбирают из мерного бака установки 2 и, если необходимо, из мерного бака установки 1, соединенного с первым приемным рукавом.

Наполнив резервуар осреднительной установки расчетным объемом раствора, плотность которого вероятнее всего не будет достигнута до расчетной, приступают к обработке наработанного раствора с целью его утяжеления до заданной величины, обеспечения гомогенизации и, в случае необходимости, активации, дефлокуляции и пр. Для этого делают соответствующее переключение заслонок приемного манифольда, обеспечивающего подачу раствора к насосу из емкости 4.

Режимы приготовления растворов и их нагнетания в скважину должны быть рассчитаны таким образом, чтобы остановки в процессе подачи их в скважину были исключены.

В мировой практике цементирования скважин широкое применение нашли рециркуляционные мешалки с автоматическим регулированием плотности приготавливаемых растворов. Кроме них, главным образом, при выполнении ответственных цементировочных операций применяют порционные смесители, обеспечивающие повышенное качество тампонажных растворов. Всю эту цементосмесительную технику, в основном, выпускают четыре ведущие фирмы США: Halliburton, BJ-Hughes Inc, Dowell Schlumberger и Western.

Наиболее широкий перечень мешалок для приготовления тампонажных растворов, предназначенных для различных условий цементирования, выпускает фирма Halliburton.

Чаще других находит применение рециркуляционная мешалка этой фирмы - RCM (Recirculating Cement Mixer) (рис.87). Эти мешалки используют в качестве цементосмесительного модуля в составе навесного оборудования самоходных цементировочных установок (рис. 88), а также как автономный агрегат в комплексе стационарной цементировочной установки (рис. 89).

Для сложных условий цементирования, требующих применения растворов с особыми свойствами, используют порционные мешалки различных типов и прочее оборудование для обработки этих растворов перед нагнетанием их в скважину. Одной из них является пневматическая порционная мешалка (рис. 90), представляющая блок из трех резервуаров вместимостью по 12 м3, размещенный на полуприцепе автомобиля, оборудованного компрессором. Принцип работы мешалки заключается в следующем.

Pиc. 88. Цементировочный агрегат фирмы Halliburton, укомплектованный мешалкой RCM

Рис. 90. Елок пневматических порционных мешалок из трех резервуаров

Каждый резервуар наполняют расчетным объемом воды и готовят жидкость затворения, подавая в воду жидкие химические реагенты, предусмотренные рецетурой тампонажного раствора. Для перемешивания компонентов используют барботаж (рис. 91), образуемый подаваемым в резервуар воздухом. Таким же способом производят перемешивание цемента с жидкостью, который подают постепенно по мере нарастания плотности раствора. При достижении заданной ее величины подачу цемента прекращают и борботаж продолжают до получения необходимой однородности всего содержимого объема.

Кроме пневматических, фирма выпускает порционные мешалки механического типа (рис.92) с ленточными лопастями винтовой формы, расположенными в два ряда. Каждый из них направлен в разные стороны, образуя два встречных потока жидкости при вращении вала в любом направлении.

Несмотря на высокий уровень оснащения цементосмесительной техникой, в практике цементирования фирмы Halliburton, а также других зарубежных компаний, по-прежнему, используют в отдельных случаях переносную воронку (hopper) с гидровакуумным смесителем, которая является традиционной мешалкой, применяемой при несложных условиях цементирования. Как

правило, эти мешалки применяют в комплексе с цементовозами-смесителями (рис. 93, 94, 95), оборудованными бункерами-накопителями, из люков которых цемент подают в воронку через брезентовый рукав.

Большой вклад в создание и совершенствование цементосмесительной техники сделан фирмой BJ-Hughes Jnc. В конце 60-х годов фирмой была создана и запатентована рециркуляционная мешалка с автоматическим регулированием плотности приготавливаемого раствора - PSB (Precision Slurry Blender). В порядке совершенствования в состав мешалок включались дополнительные модули, главным образом, для сокращения колебаний плотности раствора. Так, со временем состав мешалки дополнился резервуаром емкостью до 2 м3, в котором производилось дополнительное перемешивание раствора на выходе. Мешалки выпускаются в разных модификациях: в стационарном исполнении (рис.96) и мобильном (рис.97) с дизельным приводом и с электродвигателями, обеспечивающими работу насосов в составе мешалки.

Рис. 92. Механическая порционная мешалка с лопастями ленточного типа
Рис.94. Рециркуляционная мешалка PSB
Рис.95. Рециркуляционная мешалка с осредшпелышм модулем повышенной вместимости PSB

Принцип действия мешалки, оснащенной дополнительным осредняющим модулем, показан на схеме (рис.96). В состав мешалки включен весовой плотномер не только для контроля над плотностью приготавливаемого раствора, но и для ее регулирования.

Основные данные технической характеристики мешалки PSB

Производительность, м3/мин (дм3/с) - 1,98(33)

Наибольшая плотность получаемого раствора, г/см3 - 2,52 Допустимые колебания плотности, г/см3 - ±0,012

Наиболее современным устройством для приготовления там-понажных растворов с одновременным их нагнетанием в скважину, созданным фирмой BJ Huges в конце 80-х годов, является комплекс RAM-Recirculating averaging mixer, схема устройства которого показана на рис. 97.

Основой комплекса является мешалка типа 35-8-5/PSM, оснащенная двумя осреднительными модулями вместимостью, первичного - 636 дм3, вторичного - 3340 дм3. Необходимость применения осредняющих устройств повышенной вместимости продиктована скоростным режимом приготовления тампонажного раствора, осреднение которого требует больший промежуток времени от момента поступления в осреднитель до нагнетания в скважину. В состав комплекса включены два плунжерных насоса для откачки приготавливаемого раствора в скважину.

Основные данные технической характеристики комплекса RAM

Производительность мешалки, дм3/с - 32,0

Наибольшая плотность приготавливаемого раствора, г/см3 - 2,6

Допустимое колебание плотности раствора, г/см3 - ±0,01

Диаметр плунжеров насосов, мм 114

Наибольшее развиваемое давление, МПа - 71

Наибольшая общая подача, дм3/с - 45

Мощность приводных двигателей (каждого), л.с - 340

Устройство и принцип действия рециркуляционных мешалок прочих фирм США аналогичны PSB. В зависимости от условий применения их комплектуют дополнительными устройствами. Мешалка фирмы Dowell Schlumberger - RCM - (Recirculating Cement Mixer) (рис.98) оснащена гомогенизатором, обеспечивающим однородность приготавливаемого цементного раствора и непрерывность его откачки при выравнивании плотности методом рециркуляции.

Рис. 98. Рециркуляционная мешалка фирмы Dowell Schlumberger

Основные данные технической характеристики RCM

Вместимость осреднительной емкости, м3 - 1,84

Тип привода и трансмиссии шламовых насосов:

- дизельный двигатель мощностью 152 л. с;

- гидронасос;

- гидромотор;

Шламовый насос:

- количество - 2

- подача, дм3/с - 41

- давление, МПа - 0,28

- потребляемая мощность, л.с “ 45

Габаритные размеры, мм:

- длина - 6200

- ширина - 2200

- высота - 3650

Масса, кг - 6500

Фирма Western кроме рециркуляционных мешалок выпускает мешалки порционного типа Две из них вместимостью 3,8 и 8 м3 предназначены для ремонтных и других изоляционных работ на скважинах в условиях морского бурения, а также на суше. Для цементирования потайных колонн и других ответственных интервалов применяют тампонажные растворы сложных рецептур, приготовление которых осуществляют порционным смесителем DMT (Density Mixing Trailer), вместимостью 24 м3, способным готовить раствор плотностью до 2,65 г/см3 (рис. 99).

Рис.99. Порционная мешалка фирмы Dowell Schlumberger DMT

содержание .. 6 7 8 9 ..