ЦЕМЕНТИРОВАНИЕ БУРОВЫХ СКВАЖИН (2003 год) - часть 10

Основным мероприятием, способствующим увеличению степени наполнения, является применение подпора перекачиваемой жидкости в приемной части насоса. Подпор может создаваться гидростатическим или гидродинамическим способом. Первый из них - расположением откачиваемой жидкости выше приемной части насоса. При этом величина гидростатического давления при нагнетании всего объема жидкости должна превышать гидропотери в приемном манифольде насоса.

При использовании гидродинамического способа подпора -применением насосов с «мягкой» характеристикой (центробежных, шламовых и пр.); создаваемое ими давление так же должно преодолевать гидропотери в приеме насоса, а подача - превышать наибольшую производительность основного насоса.

Практикой применения подпора подтверждено, что при создаваемом перепаде давления в приемном манифольде до 0,3-0,4 МПа, даже при содержании газа или воздуха в прокачиваемой жидкости до 6-7 % и «мертвом» пространстве до 20 %, коэффициент подачи насоса возрастает до 35-40 % [4].

Другим фактором, существенно влияющим на коэффициент подачи насосов, является сжимаемость перекачиваемых жидкостей. Насыщенная газом или воздухом жидкость меняясь в объеме под давлением заполняет не только рабочую полость цилиндров, а все внутреннее пространство гидравлической части насоса, включая «мертвое». В связи с этим, насосы с относительно большими объемами «мертвого» пространства обладают меньшим значением коэффициента подачи, а некоторые из них, например насос 4Н-700, по этой причине не способен отбирать тяжелые жидкости, уровень которых расположен ниже насоса на 1,5-2,0 м. «Мертвое» пространство определенным объемом является конструктивной особенностью насоса, в связи с чем уменьшение его в процессе эксплуатации или профилактическом обслуживании практически невозможно. Для решения проблемы, связанной с вредным влиянием сжимаемости перекачиваемых жидкостей, необходимо проводить соответствующую их обработку перед нагнетанием

в скважину: вводить пеногасители в тампонажный раствор, а глинистый раствор перед использованием его в качестве продавочной жидкости подвергать дегазации и т.п.

Другим фактором, действующим на уменьшение коэффициента подачи и зависящим от конструктивной особенности насоса, является несвоевременное перекрытие клапанами каналов, по которым жидкость поступает в рабочую полость цилиндра и из нее. После заполнения цилиндра жидкостью под давлением приемный клапан закрывается через определенную долю секунды после начала ее вытеснения. Несмотря на то, что промежуток времени незначителен, часть жидкости проникает обратно в приемную полость насоса. После вытеснения жидкости из цилиндра нагнетательный клапан также срабатывает с опозданием и часть вытесняемой жидкости возвращается в цилиндр.

Этот процесс наглядно проиллюстрирован на индикаторной диаграмме работы насоса (рис. 117).

Наряду с перечисленными существуют и другие факторы, влияющие на изменение коэффициента подачи насосов, в основе которых лежат гидропотери при заполнении цилиндров насоса жидкостью. Нарастание этих гидропотерь происходит при повышении подачи насоса за счет увеличения числа ходов плунжеров.

Иллюстрацией действия этого фактора может служить результат исследований, проведенных специалистами НПО «Бурение» и «Краснодарнефтегаз» [12]. Суть их заключается в замерах подачи насоса при увеличении числа ходов плунжеров. Графики, изображенные на рис.118, указывают на неадекватность роста подачи и увеличения числа ходов. Объясняется это ростом гидропотерь при заполнении жидкостью цилиндров насоса, что приводит к снижению коэффициента его подачи.

Анализ данных табл.46 указывает на то, что различные свойства перекачиваемой жидкости по разному меняют коэффициент подачи.

По сути, изменению подвергается основной компонент коэффициента подачи - степень наполнения цилиндров. Решением проблемы в этом случае, как уже отмечалось, служит применение гидродинамического подпора, преодолевающего гидропотери при заполнении цилиндров насоса жидкостью.

«Мертвое» пространство внутри гидравлической части насоса на его коэффициент подачи влияет косвенно. Непосредственное влияние оказывает упругость водяных паров и сжимаемость заполняющей это пространство жидкости. Более существенно этот недостаток проявляет себя в процессе работы насоса с там-понажными растворами, обработанными вспенивающими химическими реагентами. При откачке таких растворов без подпора в приемном манифольде коэффициент подачи составляет 0,6 и ниже.

Учитывая вредное влияние «мертвого» пространства у цементировочных насосов, зарубежные фирмы, выпускающие их, учли этот недостаток. Проблема уменьшения «мертвого» пространства каждой фирмой решалась по разному. У насосов фирмы BJ-Hughes Jnc- пейсмейкер приемный клапан расположен соосно с плунжером, что дало возможность значительно уменьшить зазор между ними (рис. 120), а вместе с ним - «мертвое» пространство гидравлической части насоса. Рабочая характеристика этого насоса приведена в табл.47.

В цементировочном насосе фирмы Dowell Schlumberger над приемным клапаном применяют плоскую пружину в виде Архимедовой спирали (рис (121).

У трехплунжерных насосов 14Т, выпускавшихся заводом «Красный Молот» (г. Грозный), стали применять плоские пружины над приемными клапанами, но «мертвое» пространство над ними оставили прежним. Очевидно, конструкторская мысль не достигла истинного смысла совершенствования этих насосов.

К числу основных показателей цементировочных насосов относится их надежность, которая оценивается средней наработкой на отказ, выраженной в часах.

Предприятия, выпускающие насосные агрегаты, в числе показателей их технической характеристики приводят среднее значение наработки на отказ. Такие данные следует считать весьма условными, так как надежность насоса зависит не только от его конструкции, но и от влияния целого ряда факторов, главными из

которых являются условия работы насосной установки. Эти условия, в основном, выражены степенью абразивности и другими свойствами перекачиваемых жидкостей, рабочим давлением, интенсивностью подачи насоса, температурой окружающей среды и т.д.

Для оценки надежности насосов разных типов необходимо проводить сравнение данных наработки на отказ каждого из них в одинаковых условиях эксплуатации. Примером могут служить результаты исследований по определению надежности двух типов цементировочных агрегатов: ЦА-320 и ЗЦА-400 с разными насосами: КМ-9Т и КМ-11 Т. Исследования проводились с использованием статистических данных об отказах в работе и характере поломок по четырем агрегатам ЦА-320 и пяти ЗЦА-400 [5], работающих в одинаковых условиях - на площадях объединения «Краснодарнефтегаз». Результаты этих исследований отражены в табл. 48.

Сравнительные данные наработки на отказ агрегатов ЦА-320 (22 час) и агрегатов ЗЦА-400 (12,8 час) показывает, что цементировочный агрегат ЗЦА-400 значительно уступает агрегату ЦА-320 по надежности, работая в равных условиях, в связи с чем их серийное производство в дальнейшем оказалось нецелесообразным.

Рабочие характеристики отечественных цементировочных насосов показаны в табл. 49.

Разнообразие конструкций зарубежных насосов заключается не только в расположении клапанов. Каждый из них обладает отличительными особенностями, со спецификой, соответствующей различным условиям применения. Насосы типа пейсмейкер при сравнительно малой металлоемкости и длиной хода плунжера (всего 101,6 мм) обеспечивают большую производительность за счет быстроходности - до 600 ходов плунжера в одну минуту. Малая металлоемкость и габариты этих насосов значительно упрощают компоновку цементировочных агрегатов. В то же время большое число ходов влияет на снижение коэффициента подачи насоса, так как увеличивает число долей не вытесненной из цилиндров жидкости в результате несвоевременного срабатывания

клапанов, поскольку общие потери подачи по этой причине прямо пропорциональны числу ходов плунжера.

В отличие от насоса «Пейсмейкер», насос фирмы Halliburton - НТ-400 обладает вдвое большей длиной хода плунжера (203,2 мм) и примерно вдвое меньшим числом его ходов.

Тем не менее, коэффициент подачи этого насоса примерно тот же по значению, но отличается влиянием на него действующих факторов. Если фактор несвоевременного срабатывания клапанов влияет в меньшей степени, то фактор упругости паров и сжимаемости жидкости оказывает большее влияние за счет увеличенного по сравнению с насосом «Пейсмейкер» «Мертвого» пространства в гидравлической части насоса. Металлоемкость насоса НТ-400 значительно больше, так как кривошипный механизм приводной части обладает большими размерами и соответственно большей массой. Его рабочая характеристика приведена в табл.50.

Фирма Western (США) выпускает три типа трехплунжерных насосов общим названием Rough Rider, один из которых предназначен для оснащения цементировочных агрегатов - RR-500. Специалисты фирмы утверждают, что ими впервые был разработан способ размещения клапанов Valve-over-Valve (клапан над клапаном), улучшающий конструкцию гидравлической части насоса.

Насос RR-500 рассчитан на применение четырех сменных гидравлических частей с различными диаметрами плунжеров. Каждый вариант насоса предназначен для агрегатов различного назначения (мобильного, морского и пр.).

В насосе предусмотрена относительно небольшая частота ходов плунжеров - до 300 в минуту. Прочие основные рабочие параметры насоса приведены в табл.51.

Кроме описанных выше, фирмой SPM (США) выпускается ряд моделей многоплунжерных насосов, используемых на промысловых работах, в том числе для цементирования скважин (рис. 122). Основные технические параметры этих насосов изложены в табл.52.

Наиболее подходящим для оснащения мобильных насосных установок, выполняющих цементировочный сервис, является насос модели TWS 500 LW, обладающий наименьшей металлоемкостью и достаточной гидравлической мощностью. Его основные

рабочие параметры насоса изложены в табл. 53.

В порядке совершенствования насосной техники фирма Halliburton создала пятиплунжерный насос - Horizontal Quintuplex (HQ) (рис. 123).

Как отмечалось выше в качестве приводных применяют два вида силовых агрегатов - ходовой двигатель несущего шасси автомобиля или навесной, расположенный на платформе. В качестве навесного двигателя используют двигатель типа В-2. В последних моделях самоходных цементировочных агрегатов, а также на агрегатах стационарного типа, смонтированных на раме, устанавливают двигатель типа ЯМЗ-238 с наддувом, способствующим увеличению мощности до 300 л.с. и более.

Технической характеристикой этих силовых установок служат следующие данные:

- шифр.........................................................,6X0-20;

- тип двигателя.............................................ЯМЗ-238;

- наибольшая мощность при частоте вращения коленчатого

вала 2100 мин-1, л.с.(кВт).......................300(220);

- максимальный крутящий момент при частоте вращения коленчатого вала 1500 мин-1, Н *м.....................................295;

—. эксплуатационная мощность при частоте вращения коленчатого вала 1800 мин-1, л.с.(кВт)................................218(160);
- трансмиссия - сцепление ЯМЗ-238 двухдисковое, сухое фрикционного типа;

- привод выключения сцепления - гидравлический с пневмоусилителем;

- коробка перемены передач ЯМЗ-236 Н, механическая, пятиступенчатая, с передаточными числами:

• первая передача - 5,26;

• вторая передача - 2,90;

• третья передача - 1,52;

• четвертая передача- 1,00;

• пятая передача - 0,66;

• задний ход - 5,48;

- система охлаждения - жидкостная закрытого типа с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости.

Следует отметить недостаточность охлаждения двигателя при работе на стационаре вследствие того, что при охлаждении жидкости в радиаторе не учитывается поток встречного воздуха, который имеет место при движении автомобиля. В связи с этим, заводом-изготовителем («Ярославский моторный завод») отбор мощности при работе установки на стационаре ограничен на 25 %. На зарубежных цементировочных агрегатах эта проблема решена путем увеличения площади радиатора и применения более мощного вентилятора, соответствующего площади радиатора.

На цементировочных агрегатах повышенной гидравлической мощности, в основном, применяют силовые установки на базе двигателей В2-500, техническая характеристика которых содержит следующие данные:

-тип двигателя В-2-500 АВ-СЗ..............четырехтактный

быстроходный с непосредственным впрыском топлива и жидкостным охлаждением;

- номинальная мощность двигателя при частоте вращения

коленчатого вала 1800 мин-1, л.с.(кВт).......................500(368);

- эксплуатационная мощность двигателя при частоте коленчатого вала 1600 мин-1, л.с. (кВт)..............................450(334);

- удельный расход топлива на эксплуатационном режиме,

см3*кВт*ч....................................................................230;

- система охлаждения - жидкость с принудительной циркуляцией;

- система запуска электростартером или сжатым воздухом;

- вместимость топливного бака, дм3..........................100;

- тип аккумуляторов...............................6ССГ-132 ЭМС;

- количество аккумуляторов.......................................4;

- коробка перемены передач:

- тип 4КПм-50 двухходовая четырехскоростная с передаточными числами:

• первая передача - 4,66;

• вторая передача - 3,26;

• третья передача - 2,20;

• четвертая передача- 1,59.

На цементировочных агрегатах высокой гидравлической мощности устанавливают силовые установки со следующими характеристиками:

- тип двигателя В2-800 ТК-СЗ;

- номинальная мощность при оборотах коленвала 2000 мин-1,

л .с .(кВт).............................................................760(558);

- крутящий момент на валу двигателя при частоте

2000 мин-1, кН-м................. .........................................2,8;

- коробка перемены передач шестискоростная трехвальная, с передаточными числами:
• первой передачи - 5,37
• второй передачи - 4,16
• третьей передачи 3,29
• четвертой передачи - 2,56
• пятой передачи 1,99
• шестой передачи rv - 1,57

• кроме перечисленных, имеются две дополнительные передачи, используемые на опрессовочных работах, с передаточными числами 14,05 и 29,5.

Важным узлом насосного агрегата является его нагнетательный манифольд, включающий три ответственных звена: предохранительный клапан, кран на выкидной линии и кран на линии сброса давления (сбросовой линии). Предохранительный клапан (рис. 124) снабжен чекой, рассчитанной на разрушение при превышении допустимого давления. Величину этого давления выбирают от условий эксплуатации цементировочного агрегата.

Кран на выкидной линии КП-3 (кран пробковый), устройство которого показано на рис. 125, служит для перекрытия потока жидкости, направленного в скважину или просто за пределы агрегата.

Наиболее ответственным звеном манифольда является пробковый кран КП-4, на сбросовой линии (рис. 126), который больше других запорных устройств подвергается износу в связи с увеличенной скоростью проходящего через него потока жидкости. Это вызвано сравнительно малым диаметром (25 мм) проходного отверстия в пробке крана в целях обеспечения более плавного сбрасывания давления.

На практике цементировочные агрегаты часто используют на работах, не связанных с цементированием скважин. При выполнении работ с многократными опрессовочными операциями (опрессовка обсадных или бурильных труб и пр.) частота сброса

давления относительно велика и требует от обслуживающего оператора частых манипуляций с краном на сбросовой линии. Работа в таком режиме приводит к быстрой утомляемости обслуживающего персонала, что противоречит эргономическим требованиям. Для работы в таких условиях на практике применяют специальное устройство для сброса давления без участия оператора, обслуживающего навесное оборудование агрегата.

Устройство (рис. 127) устанавливают на сбросовой линии непосредственно за краном КП-4, оставляя его в положении «Открыто», и подключают к устройству шланг для подачи воздуха из пневмосистемы шасси несущего автомобиля. Под давлением воздуха, равным примерно 0,5-0,7 МПа, клапан находится в положении, удерживающим давление жидкости в системе до 20 МПа. При сбросе давления воздуха напором жидкости поршень смещается вдоль оси и открывает спускное отверстие устройства, через которое происходит сброс давления.

Водоподающий блок, являющийся одним из основных модулей цементировочного агрегата, предназначен для подачи жидкости затворения в цементосмесительное устройство. В качестве жидкости затворения применяют не только воду, а в зависимости от условий цементирования - также различные растворы и суспензии. Так, для приготовления облегченных тампонажных растворов «мокрым» способом применяют растворы с высококоллоидными свойствами, включая глинистые суспензии. Жидкости с такими составами могут перекачивать только приспособленные для этого насосы. Насосы с «мягкой» характеристикой, то есть центробежные, на работу с такими жидкостями не рассчитаны. Поршневые и плунжерные насосы способны перекачивать любые рабочие жидкости, применяемые при строительстве и ремонте скважин, в связи с чем их часто применяют для подачи жидкости затворения в процессе приготовления тампонажных растворов сложных по составу и свойствам.

На последних моделях цементировочных агрегатов устанавливают

насосы центробежного типа - ЦНС, рассчитанные на подачу воды без различных примесей. Для перекачки жидкостей в виде вязких растворов и суспензий, а также жидкостей, содержащих твердые частицы, служат шламовые и песковые насосы. Однако, для подачи жидкости затворения они не приспособлены, так как рассчитаны на малое давление (всего 0,4-0,6 МПа), что явно не хватает для затворения цемента гидровакуумными смесителями.

Применение цементировочных поршневых или плунжерных насосов для подачи жидкости затворения является вынужденной мерой и требует увеличения числа цементировочных агрегатов для выполнения операции по цементированию обсадной колонны.

Ранее заводом «Красный Молот» (г. Грозный) выпускались цементировочные агрегаты ЦА-320М, укомплектованные водоподающими блоками, включающими вертикальный трехплунжерный насос 1В (рис. 128).

Этот насос способен перекачивать любые жидкости, применяемые в бурении скважин, под давлением до 2,5 МПа. В отличие от центробежных насосов он обладает рядом недостатков, наиболее существенным из которых является неравномерная пульсирующая подача жидкости в смеситель. Это лишает возможности постоянно сохранять необходимую форму струи, исходящей из штуцера смесителя, и поддерживать требуемый режим затворения цемента. В этом плане, известные центробежные насосы обеспечивают более равномерную подачу жидкости, но и они не способны развивать большое давление.

В последние годы в отечественной практике цементирования скважин все шире используют метод приготовления тампонажных растворов с применением повышенного давления. Это обстоятельство выдвигает важное требование к водоподающим блокам цементировочных агрегатов - соответствие их технических характеристик режимам цементировочных операций и свойствам применяемых тампонажных растворов.

содержание .. 8 9 10 11 ..