комплекс цементирования скважин

Формула изобретения

1. Комплекс цементирования скважин, включающий датчики, установленные на самостоятельных передвижных агрегатах, смонтированных на автошасси, имеющих обвязку в виде приемных и нагнетательных трубопроводов, и содержащий смесительный и цементировочные агрегаты, осреднительную емкость, станцию управления и контроля, распределительный коллектор, отличающийся тем, что комплекс выполнен как одно целое с системой контроля и управления с обратной связью, содержащей датчики и измерительные устройства, установленные на всех установках и измерительном блоке на выходе из скважины, смесительный агрегат комплекса выполнен в виде установки приготовления тампонажного раствора и содержит смонтированные на основании четырехосного автошасси просеивающее устройство с магнитом для отделения инородных фракций, установленное в верхней части бункера, малую осреднительную емкость для приготовления раствора с расположенными на ней двумя смесителями для первоначального смешивания цемента с водой, насос-дезинтегратор для доведения цемента до мелкодисперсного состояния в растворе и динамического перемешивания раствора и направления его в малую осреднительную емкость с участием рециркуляционного насоса, цементировочные агрегаты выполнены в виде установки насосной универсальной, содержащей смонтированные на четырехосном автошасси раздаточный коллектор, соединенный насосной линией с самостоятельным силовым агрегатом и плунжерным насосом для закачки жидкости, мерный бак для приготовления раствора, водоподающий блок и подпорный насос для перекачивания раствора, и установки двухнасосной передвижной, содержащей смонтированные на четырехосном автошасси распределительный коллектор для распределения раствора и воды, два напорных трубопровода, соединенных цементировочной головкой, дополнительные подводы для подключения резервных установок, две автономные насосные нагнетательные линии, работающие как в коллектор, так и отдельно в каждой линии нагнетания разных рабочих растворов, осреднительная емкость комплекса выполнена в виде установки осреднительной передвижной и содержит смонтированную на основании четырехосного автошасси большую осреднительную емкость с перфорированным трубопроводом по внутреннему контуру емкости для перемешивания раствора, рециркуляционный насос для дополнительного перемешивания раствора, станция управления и контроля комплекса смонтирована на трехосном автошасси и содержит компьютерное оборудование для обрабатывания сигналов с датчиков установок в реальном времени и выдачи в графическом и текстовом виде данных процесса цементирования.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что датчики и измерительные устройства температуры, плотности, расхода и объема установлены на малой осреднительной емкости установки приготовления тампонажного раствора.

3. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что датчики и измерительные устройства давления, расхода, температуры, объема установлены на насосной линии и плунжерном насосе универсальной насосной установки и дополнительном измерительном блоке.

4. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что датчики и измерительные устройства давления, температуры, плотности, расхода, объема установлены на измерительном блоке установки двухнасосной передвижной.

5. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что датчики и измерительные устройства температуры, плотности, расхода, объема установлены на базе осреднительной емкости установки осреднительной передвижной.

6. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что датчики давления, температуры, плотности, расхода, объема, уровня установлены на измерительном блоке на выходе из скважины.

7. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что большая осреднительная емкость выполнена с контуром душа для обмыва внутренних стенок емкости после цементирования.

8. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность осреднительной емкости покрыта составом для предотвращения налипания цемента.

9. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вакуумно-гидравлический смеситель, как резервное устройство для приготовления тампонажного раствора, соединенный с установкой приготовления тампонажного раствора.

10. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит дублирующие трубопроводы подачи воды, цементного раствора, продавочной жидкости, буферной жидкости и цементировочную головку, установленную на скважине.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобыче, в частности цементировочной технике с системой контроля и управления в текущем времени, приготовления тампонажного раствора и цементирования скважин любой глубины, и может быть использовано для строительства и ремонта скважин различного назначения, приготовления тампонажного раствора и нагнетания различных сред при цементировании, гидропескоструйной перфорации, промывке песчаных пробок и других работах, предназначенных для работ в умеренном и холодном макроклиматических регионах, в том числе районах Крайнего Севера.

Известна автоматизированная система управления процессом цементирования скважин, включающая цементно-смесительные машины, цементировочные агрегаты, блок манифольдов с датчиками и измерительными устройствами расхода, давления, плотности, осреднительную емкость, распределительную гребенку, станцию контроля и управления с блоком управления, датчики расхода и давления, установленные на выходе из заколонного пространства скважин [1].

Недостаток состоит в том, что система не обеспечивает закачивание тампонажных растворов в скважину при оптимальных режимах из-за ограниченности снимаемых параметров в реальном времени, что увеличивает вероятность возникновения осложнений в процессе цементирования. Станция контроля и управления выполнена непередвижной, не контролируются объемы по этапам и видам закачиваемых растворов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является комплекс цементирования скважин, включающий датчики, установленные на самостоятельных передвижных агрегатах, размещенных на автошасси и содержащий осреднительную емкость, смесительные и цементировочные агрегаты, распределительный коллектор с обвязкой всего комплекса, приемными и нагнетательными трубопроводами. Для анализа приготовления тампонажного раствора разработана станция контроля цементирования, входящая в комплекс [2].

Причиной, препятствующей получению ниже технического результата при использовании известного комплекса, является ограничение функционально-технических возможностей, обусловленное тем, что конструктивное выполнение смесительного агрегата и осреднительной емкости не обеспечивает достаточного качества приготавливаемого тампонажного раствора по всему объему, цементировочный агрегат не позволяет обеспечить непрерывный процесс цементирования. Возможности станции контроля по снимаемым параметрам цементирования скважин ограничены.

Основной задачей, на решение которой направлен комплекс цементирования скважин, оснащенный системой контроля и управления процессом, является производство комплекса высокой проходимости с минимальным количеством установок, участвующих в процессе цементирования на буровой площадке с минимальной площадью, и увеличение количества снимаемых параметров для надежного контроля процесса цементирования любой по глубине скважины, а также высокое качество приготовления тампонажного раствора за счет точного выдерживания заданных параметров. Смонтированное на основании оборудование выполнено с размещением всех механизмов таким образом, что в обвязке комплекс работает как единое целое. В предлагаемом техническом решении достигнута интенсивная механическая активация тампонажного раствора, непрерывность закачки его в скважину. Весь процесс цементирования по всем параметрам записывается в память ЭВМ, по завершении процесса выдается отчет в графическом и текстовом виде.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном комплексе цементирования скважин, включающем датчики, установленные на самостоятельных передвижных агрегатах, смонтированных на автошасси, имеющих обвязку в виде приемных и нагнетательных трубопроводов и содержащих смесительные и цементировочные агрегаты, осреднительную емкость, станцию управления и контроля, распределительный коллектор, согласно изобретению комплекс выполнен как одно целое с системой контроля и управления с обратной связью, содержащей датчики и измерительные устройства температуры, давления, плотности, расхода, объема, уровня, установленные на всех установках и измерительном блоке на выходе из скважины, датчики и измерительные устройства температуры, плотности, расхода и объема, установленные на малой осреднительной емкости установки приготовления тампонажного раствора, датчики и измерительные устройства давления, расхода, температуры, объема, установленные на насосной линии и плунжерном насосе универсальной насосной установки и дополнительном измерительном блоке, датчики и измерительные устройства давления, температуры, плотности, расхода, объема, установленные на измерительном блоке установки двухнасосной передвижной, датчики и измерительные устройства температуры, плотности, расхода, объема, установленные на базе осреднительной емкости установки осреднительной передвижной, датчики и измерительные устройства давления, температуры, плотности, расхода, объема, уровня, установленные на измерительном блоке на выходе из скважины.

Смесительный агрегат комплекса выполнен в виде установки приготовления тампонажного раствора и содержит смонтированные на основании четырехосного автошасси просеивающее устройство с магнитом для отделения инородных фракций, установленное в верхней части бункера, малую осреднительную емкость для приготовления раствора с расположенными на ней двумя смесителями для первоначального смешивания цемента с водой, насос-дезинтегратор для доведения цемента до мелкодисперсного состояния в растворе, динамического перемешивания раствора и направления его в малую осреднительную емкость с участием рециркуляционного насоса, цементировочный агрегат выполнен в виде установки насосной универсальной и содержит смонтированные на четырехосном автошасси раздаточный коллектор, соединенный насосной линией с самостоятельным силовым агрегатом и плунжерным насосом для закачки жидкости, мерный бак для приготовления раствора, водоподающий блок и подпорный насос для перекачивания раствора, цементировочный агрегат комплекса выполнен в виде двухнасосной передвижной установки и содержит смонтированные на четырехосном автошасси распределительный коллектор для распределения раствора и воды, два напорных трубопровода, соединенных цементировочной головкой, дополнительные подводы для подключения резервных установок, две автономные насосные нагнетательные линии, работающие как в коллектор, так и отдельно в каждой линии нагнетания разных рабочих растворов, осреднительная емкость комплекса выполнена в виде установки осреднительной передвижной и содержит смонтированную на основании четырехосного автошасси большую осреднительную емкость с перфорированным трубопроводом по внутреннему контуру емкости для перемешивания раствора, контур душа для обмыва внутренних стенок емкости после цементирования, рециркуляционный насос для дополнительного перемешивания раствора, а также элемент манифольда для подключения резервной линии подачи раствора к двухнасосному агрегату, внутренняя поверхность емкости покрыта специальным составом для предотвращения налипания цемента, станция управления и контроля комплекса смонтирована на трехосном автошасси и содержит компьютерное оборудование, которое обрабатывает сигналы с датчиков установок в реальном времени и выдает в графическом и текстовом виде данные процесса цементирования, комплекс дополнительно содержит вакуумно-гидравлический смеситель как резервное устройство для приготовления раствора, соединенный с установкой приготовления тампонажного раствора, а также дополнительно содержит дублирующие трубопроводы подачи воды, цементного раствора, продавочной жидкости, буферной жидкости и цементировочную головку, установленную на скважине.

Установка приготовления тампонажного раствора обеспечит повышение качества и стабильности приготавливаемого тампонажного раствора. Наличие насоса-дезинтегратора, смонтированного на основании, обеспечит однородность масс раствора, улучшит свойства текучести, использование магнита позволит исключить в растворе металлические примеси. Наличие малой осреднительной емкости с перфорированным трубопроводом, рециркуляционного насоса обеспечит стабильность приготовления тампонажногго раствора.

Универсальная насосная установка обеспечит непрерывное безаварийное закачивание продавочного раствора до момента посадки пробки на кольцо, а также имеет возможность в текущем времени в соответствии с ростом давления изменять режимы работы.

Установка двухнасосная передвижная позволит производить подключение резервных установок, закачивает цементный раствор в зависимости от объема и глубины скважины обеими насосными линиями, по параметрам производительности, а также по гидродинамическим режимам превосходит выпускаемые установки и обеспечит закачку рабочей жидкости взамен нескольких установок.

Установка осреднительная передвижная предназначена для гомогенизации растворов, позволяет получать тампонажный раствор заданной плотности по всему объему емкости, что достигается выполнением емкости с перфорированным трубопроводом и наличием рециркуляционного насоса, специальное внутреннее покрытие емкости и контур душа обеспечивают качественную ее промывку.

Станция контроля и управления процессом цементирования предназначена для управления процессом цементирования в реальном времени с предотвращением гидроразрывов и недоподъемов тампонажного раствора в затрубном пространстве, гидроударов при посадке продавочной пробки на упорное кольцо, слежения за приготовлением тампонажного раствора при использовании осреднительной емкости.

На чертеже представлен комплекс цементирования скважин КЦС-40 с принципиальной схемой обвязки установок.

Условные обозначения: УПТР - установка приготовления тампонажного раствора; УНУ - установка насосная универсальная; УНП2 - установка двухнасосная передвижная; УОП - установка осреднительная передвижная; СКУПЦ-К - станция контроля и управления процессом цементирования - компьютеризированная; СМН - смесительное устройство; Ц - цементовоз; Ц.Р. - цементный раствор; Пр. Ж. - продавочная жидкость; Б. Ж. - буферная жидкость.

Комплекс содержит установку приготовления тампонажного раствора УПТР с датчиками и измерительными устройствами температуры, плотности, расхода, объема, установку насосную универсальную УНУ с датчиками и измерительными устройствами давления, расхода, температуры, объема и дополнительным измерительным блоком, установку двухнасосную передвижную УНП2 с датчиками и измерительными устройствами давления, расхода, температуры, объема, плотности, установку осреднительную передвижную УОП с датчиками и измерительными устройствами температуры, плотности, объема, расхода, измерительный блоке на выходе из скважины с датчиками и измерительными устройствами температуры, давления, плотности, объема, расхода, уровня, станцию контроля и управления процессом цементирования компьютеризированную СКУПЦ-К и дополнительно включает смесительные установки СМН.

Установка приготовления тампонажного раствора состоит из просеивающего устройства с магнитом 1, насоса-дезинтегратора 2, рециркуляционного насоса 3, малой осреднительной емкости 4, смесителей 5.

Установка насосная универсальная УНУ состоит из раздаточного коллектора 15, соединенного насосной линией с самостоятельным силовым агрегатом и плунжерным насосом 9, мерного бака 10, подпорного насоса 7, водоподающего блока 20.

Установка двухнасосная передвижная УНП2 состоит из распределительного коллектора 18, напорных трубопроводов 21, соединенных с цементировочной головкой 19, дополнительных подводов для подключения резерва 22.

Установка осреднительная передвижная УОП состоит из большой осреднительной емкости с перфорированным трубопроводом 8, рециркуляционного насоса 6, душа для обмыва 25.

Комплекс также содержит вакуумно-гидравлический смеситель 23, дополнительные дублирующие линии 16, 17, 24.

Комплекс цементирования скважин работает следующим образом:

Установка приготовления тампонажного раствора УПТР предусматривает загрузку сухого цемента с помощью цементовозов Ц или установок смесительных СМН.

Закачиваемый цемент попадает на просеивающее устройство с магнитом 1, установленное в верхней части бункера для отделения инородных фракций. После заполнения бункера цементом на подающих шнеках устанавливается заданный режим.

Далее центробежным насосом 11 установки насосной передвижной УНП2 подается вода на смесительное устройство 5 установки УПТР одновременно с подачей цемента. Жидкость для затворения раствора непрерывно через распределительный коллектор 18 подается на приготовление центробежным насосом 11 установки УНП2 из четырехкубового мерного бака 14, заполнение которого непрерывно происходит через коллектор 15 установки УНУ.

Затем раствор попадает в насос-дезинтегратор 2 установки УПТР, где происходит дополнительное динамическое перемешивание раствора. Из насоса-дезинтегратора раствор поступает в малую осреднительную емкость 4 и дополнительно в работу включается рециркуляционный насос 3. Также для механического перемешивания используются две лопастные мешалки. Параметры контролируются в реальном времени.

По поступлению команды о готовности цементного раствора с помощью подпорного насоса 7 установки УНУ раствор перекачивается в большую осреднительную емкость 8 установки УОП.

Одновременно с процессом приготовления цементного раствора плунжерный насос 9 установки УНУ производит закачку буферной жидкости через измерительный блок установки, приготовленной в мерном баке 10 установки УНУ.

При достижении необходимого объема тампонажный раствор из малой осреднительной емкости 4 установки УПТР перекачивается в большую осреднительную емкость 8 установки УОП. После закачивания облегченного тампонажного раствора в малой осреднительной емкости 4 начинается приготовление тампонажного раствора нормальной плотности.

Цементный раствор, находящийся в большой осреднительной емкости 8, подвергается дополнительному перемешиванию с помощью рециркуляционного насоса 6 и лопастных мешалок. Все параметры контролируются в реальном времени.

При полном заполнении емкости и достижении заданных параметров цементный раствор откачивается в скважину плунжерными насосами 12 установки УНП2. Установленный подпорный насос 13 повышает коэффициент наполнения цилиндров основных плунжерных насосов и практически доводит его до единицы, что позволяет с высокой эффективностью вести закачку цементной смеси в скважину. Весь процесс закачки происходит через измерительный блок. Управление плунжерными насосами ведется из кабины оператора, установленной на верхней платформе установки УНП2.

После откачки последних порций облегченного тампонажного раствора из УОП в малой осреднительной емкости 4 установки УПТР уже подготовлено необходимое количество тяжелого цементного раствора. Раствор перекачивается в большую осреднительную емкость 8 установки УОП, где подвергается дополнительному перемешиванию и рециркуляции.

Затем тяжелый цементный раствор подается в скважину через цементировочную головку 19 плунжерными насосами 12 установки УНП2.

После завершения процесса закачки тампонажного раствора плунжерный насос 9 установки УНУ начинает продавку пробки, беря продавочную жидкость из собственного мерного бака 10. В это время из мерного бака 14 установки УНП2 вода подается в малую осреднительную емкость 4 для промывки последней через систему обмыва емкости. Промываются насос-дезинтегратор 2 и рециркуляционный насос 3 установки УПТР. Далее промывочная жидкость перекачивается подпорным насосом 7 установки УНУ в большую осреднительную емкость 8. Начинается промывка насоса 7 и большой осреднительной емкости 8 через контур душа 25 установки УОП. Плунжерные насосы 9 и 12 промываются, забирая воду из большой осреднительной емкости 8. В мерном баке 10 установки УНУ набирается необходимое количество продавочной жидкости.

Продавку начинает установка УНУ плунжерным насосом 9, к которому подключаются дополнительно для ведения продавки насосы 12 установки УНП2. Для выполнения требуемых режимов продавки контролируется через измерительные блоки установок.

Посадку пробки на кольцо возможно осуществлять одним из насосов 9, 12.

Установки комплекса в своем составе имеют различные варианты выполняемых операций. В случае отказа подпорного насоса 7 установки УНУ функции перекачки из малой осреднительной емкости 4 в большую осреднительную емкость 8 может осуществлять рециркуляционный насос 6 установки УОП.

В случае отказа подпорного насоса 13 установки УНП2 закачку в скважину цементного раствора плунжерные насосы могут осуществлять напрямую из большой осреднительной емкости 8 установки УОП по линии 16. Дополнительные подводы 22 на установке УНП2 позволяют подключать цементные агрегаты и другое технологическое оборудование, применяемое при цементировании, а также дублировать работу приборного блока установки УНУ.

Встроенный дозировочный насос в напорную линию позволяет с высокой точностью дозировать химические реагенты, вводимые в цементный раствор.

Линия 17 позволяет использовать плунжерный насос 9 установки УНУ для откачки цементного раствора из малой осреднительной емкости 4 установки УПТР. Линия 24 является резервной для подключения установки УНП2.

Обвязка комплекса КЦС-40 позволяет дополнительно использовать вакуумно-гидравлический смеситель 18 для увеличения производительности, а также как дублирующее устройство.

Для страховки работы водоподающего насоса 11 установки УНП2 имеется аналогичный водоподающий блок 20 на установке УНУ. Конструкция раздаточного коллектора 15 установки УНУ позволяет эффективно распределять технологические жидкости во время процесса цементирования.

Параметры с датчиков установок передаются на компьютеризированную станцию контроля и управления процессом цементирования, тем самым производится непрерывное сравнивание параметров процесса на выходе из установок с аналогичными параметрами на входе скважины, параметры с датчиков, установленных на измерительном блоке на выходе из скважины, отображают фактическую работу всего комплекса и снимают в реальном времени весь объем информации. Таким образом осуществляется регулирование параметров процесса работы всего комплекса и по окончании процесса цементирования компьютер выдает отчет в графическом и текстовом виде. Информация сохраняется в памяти ЭВМ.

Высокая степень универсальности установок комплекса позволяет их использовать эффективно как отдельные установки, так и в составе различных компоновочных схем.

Высокая степень дублирования выполняемых операций, механизмов, элементов значительно повышает надежность и стабильность работы комплекса, что играет важную роль при проведении тампонажных работ.

Удачные компоновочные решения расположения механизмов установок позволяет повысить мобильность и оперативность тампонажных, подготовительных и заключительных работ.

Базовой моделью автомобильных установок комплекса является шасси Урал. Возможен монтаж на других шасси и транспортных базах (сани, платформа, тележка) с сохранением основных требований к комплексу.

Комплекс может работать как в неагрессивных, так и в агрессивных средах: исполнение по техническому заданию заказчика.

Комплекс КЦС-40 позволяет использовать минимальное вспомогательное количество труб, что повышает производительность процесса цементирования любой сложности скважин, снижает трудоемкость подготовительных и заключительных работ, а также снижает потери рабочих материалов.

Список использованной литературы

1. А.c. 565986 Е 21 В 33/13. Автоматизированная система управления процессом цементирования скважин.

2. Логвиненко С.В. Техника и технология цементирования. М: Недра, 1978 - 384 с. с ил. Стр. 242 рис.756.