Как работает поплавковое цементировочное оборудование при работе с наклонно-направленными и горизонтальными скважинами

Поплавковое цементировочное оборудование должно надежно работать в наклонно-направленных и горизонтальных скважинах, где углы ствола скважины, приближающиеся к 90 градусам, длинные обсадные колонны, пласты шлама и узкие кольцевые зазоры изменяют способ нагрузки на поплавковый башмак и поплавковую муфту. Обратный клапан должен быть герметичным в любом положении, выдерживать импульсные нагрузки и эрозию во время обкатки, а затем удерживать полный перепад давления после удара грязесъемника. Конструкция с автоматическим заполнением снижает скачок давления и ускоряет заполнение на длинных участках с большим углом наклона, а просверливаемые внутренние элементы позволяют быстро разбуривать PDC через гусеницу. Выбор конфигурации, такой как одно- или двухклапанные узлы, заслонка или шаровое седло, номинальные значения давления и температуры, а также марка материала, определяют, закончится ли цементирование чистым выступом пробки и герметичным башмаком. На практике правильная конфигурация дает буровым командам уверенность в том, что они смогут эффективно спускать длинные колонны, без колебаний циркулировать и подтверждать барьер с помощью четкой реакции давления на поверхности. В этом руководстве объясняется, какие изменения происходят в наклонных скважинах и как выбирать, эксплуатировать и проверять для них поплавковое оборудование.

Что требуют от поплавкового оборудования наклонно-направленные и горизонтальные скважины

Наклонные скважины бурят с запланированным углом наклона, который отводит ствол скважины от вертикали, а горизонтальные скважины растягивают до тех пор, пока траектория не достигнет примерно 90 градусов от вертикали. Скважины с большим отходом от вертикали расширяют эту концепцию, поскольку горизонтальное смещение часто превышает истинную вертикальную глубину. В каждом таком профиле обсадная колонна должна проходить через изогнутые участки с большим углом наклона, и вместе с ней перемещается цементировочное поплавковое оборудование: поплавковый башмак на нижнем стыке и, как правило, поплавковая муфта на один-три стыка над башмаком, образуя дорожку башмака, длина которой обычно составляет от 20 до 90 футов.

Первое отличие геометрическое. В вертикальной скважине ось клапана направлена ​​вниз, поэтому сила тяжести помогает запорному элементу приземлиться на седло. В горизонтальной скважине инструмент лежит на боку, и сила тяжести оказывает небольшую помощь, поэтому герметизация зависит от силы пружины и перепада давления. Подпружиненная заслонка или плунжер принудительно закрывается при любом наклоне, тогда как шаровой клапан зависит от клетки, которая направляет шар, и от обратного перепада давления, чтобы направить его на седло. Вот почему для приложений под большим углом предпочтительны внутренние компоненты, устойчивые к ориентации.

Второе отличие – это обломочная нагрузка. Черенки оседают на нижней стороне лунки и образуют грядку; когда струна движется, циркулирует или перемещается, этот материал может попасть в направляющую башмака, где он может удерживать заслонку открытой, разрушать седло или закупоривать заливное отверстие. Третье отличие – гидравлическое. Поскольку обсадная колонна прилегает к нижней стороне, эффективный кольцевой зазор невелик, а жидкость, вытесняемая перед колонной, может создавать достаточно высокие пульсационные давления, чтобы вызвать разрушение слабых пластов. Поплавковое оборудование с автоматическим заполнением решает эту проблему, позволяя жидкости проходить через клапан во время приработки и закрытия при заданном дифференциале или при приземлении нижней пробки.

После закладки цемента тот же инструмент должен удерживать перепад U-образной трубы, создаваемый тяжелым раствором в затрубном пространстве и более легкой вытесняющей жидкостью внутри обсадной колонны, а затем он должен быть чисто выбурен. Эти совокупные требования определяют каждое решение по выбору наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Почему в скважинах с большим углом наклона повышается ставка на надежность поплавкового оборудования

Когда поплавковое оборудование выходит из строя в наклонной скважине, стоимость непропорционально высока. Если клапан не выдерживает противодавления после удара пробки, тяжелые цементные U-образные трубы возвращаются в обсадную колонну или падают вокруг башмака, оставляя мокрый башмак и загрязненную дорожку башмака, которую необходимо высверливать и часто заново зацементировать. В горизонтальных скважинах и скважинах с большим отходом от вертикали каждый ремонтный рейс длительный, перенос веса ограничен, а время буровой установки быстро расходуется. Повреждения от скачков давления во время приработки также могут разрушить слабые зоны и вызвать потерю циркуляции именно в момент начала цементирования. Небольшие проблемы усугубляются: клапан, который приоткрывается хотя бы на долю, может пропустить сотни баррелей запасного хода, прежде чем экипаж заметит недостающий объем на поверхности.

• Независимое от ориентации уплотнение.Подпружиненная конструкция заслонки и плунжера надежно закрывается независимо от того, висит ли инструмент вертикально или лежит горизонтально, поэтому барьер противодавления надежен при любом наклоне, а предотвращение обратного потока цемента не зависит от силы тяжести.
• Контроль помпажа и наполнения.Поплавковые башмаки и манжеты с автоматическим заполнением снижают пульсационное давление в узких затрубных пространствах с большим углом наклона, защищают слабые пласты и сокращают время заполнения на длинных колоннах; закрытие при заданном дифференциале восстанавливает полный барьер до начала цементирования.
• Устойчивость к мусору и эрозии.Большие проходные сечения, закаленные седла и прочные клетки не позволяют шламу удерживать клапан в открытом состоянии или повреждать поверхности уплотнений во время циркуляции и возвратно-поступательного движения в отклоненных отверстиях.
• Предсказуемая развертка.Просверливаемые внутренние детали из чугуна, алюминия, керамики или термореактивного пластика быстро фрезеруются с помощью долот PDC при небольшом весе на долото, что важно в тех случаях, когда трение ограничивает передачу веса на гусеницу.

Время делает эти неудачи особенно разрушительными. Во время перехода цемента раствор приобретает прочность геля, и колонна затрубного пространства может потерять гидростатическую поддержку; если в этот момент поплавковый башмак или поплавковая муфта позволяют жидкости упасть обратно, пластовые флюиды и газ могут мигрировать вверх по затрубному пространству, и дорожка башмака остается загрязненной. Барьер, который закрывает мгновенную остановку откачки, удерживает колонну на месте, защищает цемент и позволяет бригаде с уверенностью испытывать обсадную колонну под давлением. Операторы, которые избавились от мокрой обуви в горизонтальной скважине, редко снова соглашаются на конструкцию с одним клапаном.

Поскольку ни одна конструкция не подходит для каждой скважины, диапазон номинальных характеристик необходимо сверять с реальной программой: номинальные значения перепада давления обычно находятся в диапазоне от 5000 до 15 000 фунтов на квадратный дюйм, температурные показатели достигают примерно от 350 до 400 градусов по Фаренгейту, а цементные растворы обычно работают от 15,8 до 20 фунтов на галлон. Конструкция с двойным клапаном, в которой поплавковая манжета поддерживает поплавковый башмак, добавляет второй независимый барьер и часто применяется для критически важных горизонтальных скважин и скважин с большим отходом от вертикали.

Как выбрать и запустить поплавковое оборудование в наклонно-направленных и горизонтальных скважинах

Успешное применение поплавкового оборудования в наклонно наклонных скважинах – это процесс, который начинается на столе выбора и заканчивается только после разбуривания башмака. Приведенные ниже шаги охватывают наиболее важные решения.

Сначала определите строку, нагрузки и среду.

Начните с размера, веса и соединения корпуса, которые в отрасли варьируются от 4-1/2 дюйма до 20 дюймов с резьбой API LTC, STC, BTC или премиум-класса. Оцените максимальный перепад, который клапан должен удерживать после удара пробки, используя самую тяжелую запланированную суспензию, обычно от 15,8 до 20 фунтов на галлон или выше для взвешенных систем, и сравните его с номинальным давлением оборудования от 5000 до 15 000 фунтов на квадратный дюйм. Убедитесь, что температура циркуляции остается в пределах номинального значения, примерно от 350 до 400 градусов по Фаренгейту для стандартных инструментов. Затем выберите между обычным оборудованием и оборудованием с автоматическим наполнением, решите, оправдано ли использование поплавкового воротника с одним или двумя клапанами и поплавковым башмаком, и обсудите этот выбор с поставщиком до того, как будет собрана колонна.

Контролируйте гидравлику при обкатке и режим заполнения.

В длинных колоннах, расположенных под большим углом, скорость спуска должна регулироваться так, чтобы гидродинамическое давление не превышало градиент трещины открытого ствола, особенно там, где обсадная колонна расположена на стороне низкого давления и кольцевой зазор узок. Если используется оборудование автозаполнения, убедитесь, что заправочные отверстия открыты и что клапан закроется при заданном перепаде, обычно при достижении заданного значения или при приземлении нижней пробки очистителя. Регулярно контролируйте заполнение во время приработки, делайте перерывы в циркуляции на запланированных глубинах, чтобы удалить пласты шлама со стороны низкого давления, и никогда не превышайте давление, при котором клапан автозаполнения закроется до того, как колонна окажется на дне. Запишите объемы заполнения и сравните их с теоретическим объемом, поскольку необъяснимый прирост или потеря часто являются первым признаком того, что клапан автозаполнения закрылся раньше времени или вообще не закрылся.

Подтвердите целостность клапана до и во время цементных работ.

Перед запуском убедитесь, что заслонка возвращается полностью, шарик свободно перемещается в сепараторе, а седло чистое и неповрежденное. Как только обсадная колонна окажется на дне, циркулируйте и кондиционируйте скважину, затем следуйте программе цементирования с нижней пробкой, цементным раствором и верхней пробкой. Наблюдайте за ударным давлением на поплавковой муфте и башмаке, стравьте давление вытеснения и убедитесь, что обратный поток через оборудование не возвращается, что доказывает, что обратные клапаны удерживают перепад U-образных трубок во время схватывания цемента.

Спланируйте дорожку для обуви и проход для бурения

Дорожка башмака между поплавковой муфтой и поплавковым башмаком обычно имеет длину от 20 до 90 футов и обычно пробуривается долотом PDC. Просверливаемые внутренние детали из чугуна, алюминия, керамики или термореактивного пластика рассчитаны на мелкие кусочки, которые легко вытекают из отверстия. На горизонтальных участках передача веса на долото ограничена трением, поэтому проводите разбуривание с контролируемыми параметрами, контролируйте крутящий момент и скорость проходки и продолжайте циркуляцию до тех пор, пока весь мусор не будет удален, прежде чем начинать бурение. Если крутящий момент резко возрастает или проникновение останавливается, поднимите, расширьте и восстановите циркуляцию, а не проталкивайте струну через направляющую башмака.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли использовать стандартное поплавковое оборудование в горизонтальных скважинах?

Да, при условии, что конструкция клапана надежно закрывается при большом угле наклона, а показатели давления, температуры и абразивного износа соответствуют плану скважины для запланированных условий скважины. Подпружиненные заслонки и плунжерные клапаны являются наиболее устойчивыми к ориентации, в то время как шаровые седельные клапаны с направляющей клеткой также могут работать хорошо. Перед запуском нитки всегда согласовывайте заявку с поставщиком оборудования.

Почему поплавковое оборудование с автоматическим заполнением популярно для длинных струн с большим углом наклона?

Поплавковые башмаки и манжеты с автоматическим заполнением позволяют наполнять обсадную колонну во время ее работы, что снижает пульсационное давление в узких искривленных кольцевых пространствах и сокращает время, затрачиваемое на заполнение трубы вручную. Клапан закрывается при заданном перепаде давления или при приземлении нижней пробки, восстанавливая полный барьер противодавления перед началом цементирования. Поверхностная проверка перед обкаткой подтверждает такое поведение.

Правильно ли садятся шаровые поплавковые клапаны при больших углах ствола скважины?

Шаровые седельные клапаны могут работать под большими углами, когда шар направляется клеткой и обратный перепад давления прижимает его к седлу. Однако там, где угол наклона очень велик, часто предпочтительны конструкции с пружинными створками или плунжерами, поскольку их закрытие не зависит от силы тяжести и, следовательно, более предсказуемо в скважинах с большим углом наклона.

Как шлам и мусор влияют на поплавковые клапаны в наклонно-направленных скважинах?

Слои шлама на нижней стороне скважины могут быть сметены в башмак во время циркуляции и нагонов. Мусор может удерживать заслонку открытой, разрушать седло или забивать заливные отверстия. Большие площади потока, устойчивые к эрозии седла и регулярная подготовка скважины существенно снижают эти риски еще до начала работ по цементированию.

Какой перепад давления должно выдерживать плавающее оборудование после цементирования?

После удара пробки оборудование должно удерживать гидростатическую разницу между столбом цемента в затрубном пространстве и более легкой жидкостью внутри обсадной колонны. При суспензиях от 15,8 до 20 фунтов на галлон эта разница может достигать нескольких тысяч фунтов на квадратный дюйм, что вполне соответствует номинальному давлению типичного оборудования от 5000 до 15 000 фунтов на квадратный дюйм.

Как разбуривается поплавковое оборудование в горизонтальном башмаке?

Просверливаемые внутренние детали из чугуна, алюминия, керамики или термореактивного пластика фрезеруются с помощью долот PDC с контролируемыми параметрами и малым весом долота, что подходит для горизонтальных участков, где передача веса ограничена. Образующийся мусор достаточно мал, чтобы выйти из скважины, прежде чем продолжить бурение бокового ствола.

Заключение

Наклонные и горизонтальные скважины предъявляют необычные требования к поплавковому оборудованию для цементирования: от независимого от ориентации закрытия клапана до контроля помпажа, устойчивости к обломкам и предсказуемого разбуривания. Оборудование должно надежно герметизироваться, пока инструмент лежит почти горизонтально, удерживать перепад U-образных труб, создаваемый тяжелым цементным раствором, и аккуратно просверливать гусеницы, где передача веса ограничена. Конструкции с автоматическим заполнением, устройства с двумя клапанами и просверливаемые внутренние детали из чугуна, алюминия, керамики или термореактивного пластика — все это позволяет решить эти проблемы, но их необходимо выбирать с учетом реальных нагрузок скважинной программы. Проверьте давление, температуру и диапазон плотности раствора, проверьте работу клапана до того, как колонна войдет в скважину, и спланируйте разбуривание до начала работ по цементированию. Чтобы получить помощь в подборе поплавкового оборудования для конкретной конструкции наклонно-направленной или горизонтальной скважины, свяжитесь с нашими инженерами по применению и сообщите программу подсчета обсадных колонн и цементирования.