Распространенные проблемы цементировочного оборудования, вызванные мусором и твердыми частицами цемента

Проблемы с цементировочным оборудованием, вызванные мусором и твердыми частицами цемента, являются одними из наиболее распространенных отказов клапанов, о которых сообщается во время первичного цементирования. Миллиметровая окалина, хлопья ржавчины, герметик для труб, шлам из пластов и осевшие частицы цемента могут скапливаться внутри цементировочного кольца или цементировочного башмака и удерживать захлопку, шарик или конус от седла. Клапан, оставшийся открытым, допускает обратный ток цемента после остановки насоса, препятствует чистому удару очистного поршня и оставляет загрязненный след башмака, который может потребовать восстановительного сжатия. Высокоскоростной раствор, несущий абразивные твердые частицы, также может эродировать седла и уплотнения, в то время как осевшие твердые частицы могут перекрывать поток или забивать заливное отверстие цементировочного башмака с автозаполнением. Большинство этих отказов можно избежать при дисциплинированной подготовке обсадных труб, правильной кондиционировании бурового раствора, контролируемых скоростях насоса и оборудовании, изготовленном и испытанном в соответствии с API Spec 10F / ISO 10427-2. Понимание того, как мусор ведет себя внутри цементировочного оборудования, является первым шагом к предотвращению заклинивания клапанов, утечек и дорогостоящих потерь времени буровой установки.

Какие проблемы, связанные с мусором, влияют на цементировочное оборудование?

Цементировочное оборудование представляет собой систему обратного клапана, или клапана обратного давления, установленную в нижней части колонны обсадных труб. Цементировочное кольцо обычно располагается на одну-три трубы выше башмака, чаще всего на две трубы, в то время как цементировочный башмак навинчивается на нижнюю трубу колонны. Оба устройства позволяют буровому раствору и цементному раствору проходить вниз, а затем автоматически закрываются, чтобы остановить обратный поток, когда давление ниже клапана превышает давление над ним. Наиболее распространенными уплотнительными элементами являются захлопковый клапан с эластомерным уплотнением, система шарик-седло или конструкция конус-плунжер. Корпус может быть изготовлен из разбуриваемого чугуна, алюминия, термореактивного пластика или керамики, когда инструмент должен быть разбурен после схватывания цемента.

Мусор попадает в эти клапаны из нескольких направлений. Внутри обсадной трубы миллиметровая окалина, ржавчина и лак от хранения и транспортировки могут отслаиваться во время спуска. Герметик для соединений, сварочный шлак и остатки окалины от предыдущих операций перемещаются вниз по стволу перед трубой. Со стороны ствола скважины шлам и обвалы, которые никогда не были вынесены из скважины, могут попасть в башмак при спуске колонны. Во время самого цементирования раствор представляет собой суспензию плотных твердых частиц: система класса G плотностью 15,8 фунтов/галлон или утяжеленный раствор плотностью 17-20 фунтов/галлон, содержащий гематит или оксид марганца. Любая нестабильная суспензия может осесть в твердую, перекрывающую массу поперек клапана.

Как только мусор достигает клапана, доминируют четыре режима отказа. Во-первых, частицы, застрявшие между захлопкой или шариком и его седлом, удерживают клапан открытым, так что он не может герметично закрыться от обратного потока. Во-вторых, более крупный мусор может заклинить элемент в открытом положении или согнуть петлю захлопки. В-третьих, абразивные твердые частицы, движущиеся с турбулентной скоростью вытеснения, эродируют седла, уплотнения и тонкие разбуриваемые участки до тех пор, пока клапан не начнет пропускать под перепадом давления. В-четвертых, твердые частицы могут забить ограниченное заливное отверстие цементировочного башмака с автозаполнением, останавливая заполнение обсадной трубы с расчетной скоростью и изменяя поведение напора. Даже тонкая пленка осевших частиц цемента на седле может превратить цементировочное кольцо с номинальным давлением 10 000 фунтов на квадратный дюйм в протекающий клапан.

Почему мусор и твердые частицы цемента угрожают всей цементировочной операции

Цементировочный клапан является наименее доступным компонентом в скважине. Он расположен в нижней части колонны, которая может простираться на тысячи футов, и как только оборудование покидает мастерскую, его нельзя осмотреть или отрегулировать. Поэтому повреждение мусором обнаруживается в самый неподходящий момент: во время удара очистного поршня, теста на обратное давление или ожидания схватывания цемента, когда стоимость отказа измеряется в сжатиях, повторных спусках и потерянном времени буровой установки.

Одна частица может нарушить всю функцию обратного клапана. Обратные клапаны предназначены для герметизации на чистой линии, и даже песчинка, застрявшая под захлопкой, создает путь утечки. Затем перепад давления с высокой скоростью проталкивает жидкость через этот путь, эродируя седло и эластомер до тех пор, пока утечка не станет значительной. Та же физика объясняет, почему проблемы с мусором быстро усугубляются, как только они начинаются.

Повреждения от мусора также имеют тенденцию появляться группами. Окалина с одного корродированного соединения может достичь клапана в виде струи, а условия хранения или обращения, которые ее вызвали, обычно затрагивают несколько соединений одновременно. Именно поэтому отказы из-за мусора часто повторяются в одной и той же скважине или кампании до тех пор, пока не будет устранена основная причина: влажное хранение, плохая очистка или нестабильный раствор.

Четыре характеристики цементировочного оборудования и цементировочных операций делают мусор и твердые частицы цемента особенно опасными:

• Герметизация зависит от контакта металл-металл или металл-эластомер по всей окружности седла. Мусор нарушает эту линию контакта, и возникающая утечка увеличивается под давлением, а не самоисцеляется.
• След башмака является последним участком, очищаемым перед цементированием, и первым местом, где скапливается мусор. Если цементировочный башмак выходит из строя, цементировочное кольцо является единственной резервной копией; в колонне с одним клапаном резервной копии нет вообще.
• Цементные растворы абразивны по своей природе. Раствор класса G плотностью 15,8 фунтов/галлон и утяжеленные растворы плотностью до 20 фунтов/галлон несут твердые частицы, которые ударяют по седлам, уплотнениям и разбуриваемым внутренним частям с турбулентной скоростью вытеснения.
• Симптомы отказа проявляются поздно. Клапан, удерживаемый открытым мусором, может пройти проверки заполнения и циркуляции, а затем выйти из строя только тогда, когда он должен удерживать полный столб цемента во время теста на обратное давление после удара поршня.

Последствия знакомы каждому инженеру по цементированию. Цемент падает обратно или вытекает из следа башмака, след башмака остается загрязненным буровым раствором, газ может мигрировать вверх по кольцевому пространству во время ожидания схватывания цемента, а восстановительное сжатие становится единственным решением. Понимание того, почему мусор так разрушителен, облегчает обоснование программы профилактики, а также повышает критерии инспекции, применяемые до того, как оборудование будет установлено в скважину.

Как предотвратить и управлять проблемами с мусором в цементировочном оборудовании

Профилактика начинается до того, как оборудование поступит на буровую установку, и продолжается до разбуривания. Практическая программа охватывает пять областей.

Подготовьте обсадные трубы и цементировочное оборудование перед спуском

Осмотрите каждое цементировочное кольцо и цементировочный башмак на складе и снова на буровой площадке. Проверьте защитные колпачки резьбы, подтвердите номинальное давление и температуру на паспортной табличке и осмотрите на предмет повреждений от ударов, треснувших разбуриваемых участков или смещенных уплотнений. Храните инструменты на поддонах, держите их сухими и никогда не роняйте и не катайте их. Перед спуском прогоните калибр через обсадную трубу и почистите или поскребите внутренние поверхности, где ожидается окалина; наносите герметик для соединений экономно, чтобы излишки не попали в клапан. Перед сборкой инструментов убедитесь, что номинальное давление и температура соответствуют плану скважины.

Кондиционируйте ствол скважины и буровой раствор перед цементированием

Проведите циркуляцию для очистки ствола скважины перед цементированием. Проведите циркуляцию до дна как минимум, а в наклонных скважинах работайте трубой, чтобы разбить скопления шлама, которые могут осесть вниз по стволу. Кондиционируйте буровой раствор для удаления выбуренных твердых частиц и поддержания стабильной реологии; раствор с высоким содержанием твердых частиц сбросит свою нагрузку шлама в первой зоне низкой скорости, часто прямо у башмака. После длительных статических периодов проведите очистной проход. Цель состоит в том, чтобы начать цементирование с максимально чистой скважины, поскольку заполнитель и раствор добавят свою собственную нагрузку твердых частиц.

Разработайте раствор и вытеснение для ограничения эрозии и оседания

Поддерживайте скорость вытеснения в пределах диапазона, для которого было разработано цементировочное оборудование. Турбулентный поток через клапан при чрезмерных скоростях ускоряет эрозию седел, уплотнений и разбуриваемых внутренних частей; если программа требует турбулентного вытеснения, выбирайте конструкции, устойчивые к эрозии, и подтвердите это с поставщиком. Утяжеленные растворы в диапазоне 17-20 фунтов/галлон требуют эффективных диспергаторов, чтобы твердые частицы оставались во взвешенном состоянии, поскольку раствор, который уплотняется поперек клапана, является проблемой мусора, возникшей в смесительном узле. Избегайте оставления статического раствора поперек клапана, поддерживайте движение трубы, где это возможно, и используйте правильный объем заполнителя.

Проверьте целостность клапана на буровой площадке

Подтвердите работу клапана, прежде чем полагаться на него. Во время спуска следите за поведением заполнения: слишком быстрое или полное отсутствие заполнения обсадной трубы может указывать на повреждение заливного отверстия с автозаполнением. После посадки циркулируйте с контролируемой скоростью и подтвердите возврат, затем проведите испытание под давлением на клапан и выдержите запланированное значение теста. Клапан, который не выдерживает давления, должен быть проверен перед цементированием. Во время операции ударьте поршнем при запланированном давлении и следите за манометрами: стабильное давление при закрытии означает, что клапан держит, а постоянное падение означает, что клапан протекает, и столб цемента падает обратно.

Аккуратно разбуривайте и выносите мусор

Разбуривание создает свой собственный мусор. При разбуривании разбуриваемого цементировочного оборудования используйте вес на долоте, соответствующий чугунным, алюминиевым, термореактивным или керамическим внутренним частям, чтобы фрагменты измельчались, а не разбивались на куски. Непрерывно циркулируйте, чтобы вынести шлам и фрагменты инструмента из следа башмака, прежде чем они смогут заклинить под клапаном. В насосно-компрессорных и многоступенчатых скважинах мусор сверху может падать на инструменты снизу, поэтому циркулируйте до дна и проверяйте сита перед бурением. Соблюдайте параметры разбуривания производителя, поскольку чрезмерное давление на долото может протолкнуть фрагменты в призабойную зону или заклинить их под следующим инструментом.

Часто задаваемые вопросы

Могут ли мелкие частицы мусора действительно помешать цементировочному клапану герметизироваться?

Да. Клапаны с захлопкой и шариком-седлом герметизируются по узкой линии контакта, поэтому песчинка или несколько осевших частиц цемента, застрявших на седле, создают путь утечки. Как только перепад давления проталкивает жидкость через зазор, эрозия быстро увеличивает его. Мелкий мусор может привести к утечке цементировочного кольца с номинальным давлением.

Каковы наиболее распространенные источники мусора?

Миллиметровая окалина, ржавчина и лак от хранения и транспортировки обсадных труб возглавляют список, за ними следует избыток герметика для резьбы. Шлам из пластов и обвалы, не вынесенные из скважины, также попадают в башмак при спуске колонны. Нестабильный цементный раствор, который оседает во время операции, может перекрыть клапан уплотненными твердыми частицами.

Как мы можем узнать, удерживает ли мусор клапан открытым?

Первые признаки проявляются во время заполнения и циркуляции: обсадная труба заполняется быстрее, чем рассчитано, или возврат не соответствует прокачанному объему. После удара поршня клапан, удерживаемый открытым мусором, не будет держать давление, и манометр будет показывать падение, поскольку столб цемента опускается. Считайте отказ предварительного теста на давление перед цементированием связанным с мусором, пока не доказано обратное.

Увеличивают ли тяжелые цементные растворы риск проблем с клапанами?

Да, в основном из-за эрозии и оседания. Утяжеленные растворы плотностью 17-20 фунтов/галлон несут частицы гематита или оксида марганца, которые ударяют по седлам и уплотнениям с турбулентной скоростью, и они быстрее оседают в статическом состоянии, образуя перемычки поперек клапана. Обработка диспергаторами, контролируемые скорости и устойчивые к эрозии внутренние части уменьшают, но не устраняют риск.

Могут ли цементировочные башмаки с автозаполнением засориться мусором?

Могут. Устройства автозаполнения пропускают жидкость через ограниченное отверстие или мимо захлопки, которая плавает во время заполнения обсадной трубы, и именно в этих проходах первыми скапливаются твердые частицы. Забитое заливное отверстие останавливает заполнение обсадной трубы с расчетной скоростью, изменяя давление напора и время заполнения. Проверки заполнения во время спуска выявляют проблему до того, как колонна достигнет забоя.

Что нам следует делать, если клапан не проходит тест на обратное давление?

Остановитесь и проведите диагностику перед закачкой цемента. Попробуйте циркулировать с более высокой скоростью, чтобы смыть мусор с седла, затем повторите тест. Если клапан по-прежнему не герметизируется, варианты ограничены: вытащить колонну для замены оборудования или продолжить с цементировочным кольцом в качестве основного барьера и планировать сжатие. Обратитесь к своему поставщику за рекомендациями на месте.

Заключение

Мусор и твердые частицы цемента являются скрытыми врагами цементировочного оборудования. Они вызывают заклинивание клапанов, протекание седел, засорение заливных отверстий с автозаполнением и загрязнение следа башмака — отказы, которые проявляются только тогда, когда цементирование зависит от удержания давления клапаном. Средства хорошо проверены: правильно подготовьте обсадные трубы и инструменты, очистите ствол скважины циркуляцией, разработайте растворы, которые остаются во взвешенном состоянии, проверьте клапан до и во время операции, а также разбуривайте с дисциплиной. Поскольку эти меры недороги по сравнению со сжатием или потерей следа башмака, каждая цементировочная программа должна их включать. Если вы планируете цементирование в скважине с сомнительной очисткой ствола или тяжелыми растворами, свяжитесь с нашими инженерами по применению для получения рекомендаций по цементировочным башмакам и цементировочным кольцам, соответствующим вашим условиям.