Как поплавковое цементировочное оборудование поддерживает первичное цементирование нефтяных и газовых скважин

Поплавковое цементировочное оборудование поддерживает первичное цементирование в нефтяных и газовых скважинах, герметизируя башмак обсадной колонны, предотвращая обратный поток цемента и удерживая давление во время схватывания раствора. Поплавковые башмаки и поплавковые манжеты с обратными клапанами позволяют буровому раствору и цементу двигаться вниз по обсадной колонне, а затем автоматически закрываются, как только перекачка прекращается, поэтому плотная кольцевая колонна не может вернуться обратно в трубу по U-образной трубке. Во время приработки эти инструменты контролируют заполнение и ограничивают пульсационное давление, защищая слабые пласты от гидравлического повреждения. В скважине они направляют обсадную колонну к центру скважины, улучшают вытеснение бурового раствора и поддерживают чистоту башмака, обеспечивая работоспособность окончательной цементной оболочки. Современное поплавковое оборудование, изготовленное и испытанное в соответствии со стандартами API Spec 10F и ISO 10427-2, рассчитанное на перепад давления от 5 000 до 15 000 фунтов на квадратный дюйм и доступное из разбуриваемых материалов, надежно работает как в обычных скважинах, так и в сложных условиях HPHT. В этой статье объясняется, что делает оборудование, почему от него зависит первичное цементирование, а также как его правильно выбрать и запустить для предсказуемого и герметичного цементирования.

Какова роль поплавкового оборудования при первичном цементировании?

При первичном цементировании в затрубном пространстве между обсадной колонной и пластом создается непрерывная цементная оболочка, обеспечивающая зональную изоляцию, механическую поддержку и защиту от миграции жидкости за трубу. Плавучее оборудование для цементирования представляет собой семейство невозвратных инструментов, которые работают как неотъемлемая часть обсадной колонны и делают эту операцию контролируемой и предсказуемой. Эти инструменты выполняют три физические функции: они направляют колонну к забою скважины, обеспечивают односторонний путь для бурового раствора и цементного раствора и герметизируют обсадную колонну от обратного потока в момент остановки закачки.

Два компонента несут большую часть ответственности. Поплавковый башмак установлен в самом низу колонны и сочетает в себе закругленный направляющий носик, обратный клапан и проточное отверстие. Поплавковая манжета представляет собой аналогичный узел клапана, размещаемый на одном-трех соединениях над башмаком, чаще всего на двух соединениях, что определяет след башмака длиной примерно от 20 до 90 футов. Поскольку после работы след башмака остается заполненным незагрязненным цементом, он создает в скважине герметичный барьер на дне обсадной колонны, который можно проверить и позже разбурить.

Элементы клапана различаются по философии конструкции, но физика идентична. Створчатые клапаны закрывают подпружиненный диск; шаровые краны с седлом удерживают шар на обработанном седле; конусные и плунжерные клапаны устанавливают конический элемент на место. Нисходящий поток поднимает или открывает элемент, в то время как любая тенденция обратного потока приводит к его закрытию, поэтому эти инструменты также называют обратными клапанами. Уплотняющие поверхности обрабатываются с жесткими допусками, а сборки рассчитаны на давление, обычно 5000 или 10 000 фунтов на квадратный дюйм, при этом конструкции HPHT достигают 15 000 фунтов на квадратный дюйм и номинальные температуры около 350–400 ° F (177–204 ° C).

Выбор материала соответствует плану разбуривания. Разбуриваемое поплавковое оборудование изготавливается из чугуна, алюминия, термореактивных пластмасс и керамики, поэтому его можно быстро разрушить с помощью PDC или шарошечного долота после того, как цемент наберет прочность; непросверливаемые стальные конструкции остаются в колонне там, где требуется постоянный барьер. Поплавковые манжеты и башмаки с автоматическим заполнением добавляют функцию контролируемого заполнения, которая снижает пульсационное давление во время спуска, в то время как обычное поплавковое оборудование использует график заполнения поверхности. Доступно для обсадных труб диаметром от 4-1/2 дюйма до 20 дюймов, с соединениями API LTC, STC, BTC или премиум-класса. Выбор поплавкового оборудования всегда начинается с конструкции обсадной колонны.

Почему первичное цементирование зависит от надежного поплавкового оборудования

Без функционирующего обратного барьера каждая пауза в сцеживании вызывает эффект U-образной трубки. Гидростатический напор плотного цементного раствора в затрубном пространстве превышает столб более легкой жидкости внутри обсадной колонны, поэтому раствор течет обратно через башмак в трубу. Результатом является загрязнение башмака, незагерметизированное дно обсадной колонны, заглушка, которая не может приземлиться чисто, и дорогостоящее ремонтное цементирование. Компетентный поплавковый узел исключает этот вид отказа еще до его запуска, поэтому операторы рассматривают оборудование как барьер давления, а не как обычный аксессуар.

Четыре преимущества имеют наибольшее значение для типичной первичной цементной работы:

• Предотвращение обратного потока цемента и контроль U-образных трубок. Односторонний клапан удерживает кольцевую колонну на месте между этапами и после окончательного перемещения, сохраняя направляющую башмака незагрязненной суспензией, в то время как цемент переходит из жидкого состояния в гель и в твердое.
• Управление пиковым давлением во время спуска обсадной колонны. Конструкции с автоматическим и дифференциальным заполнением позволяют наполнять обсадную колонну с контролируемой скоростью, ограничивая скачок давления в слабых или истощенных зонах и снижая риск потери циркуляции еще до начала цементирования.
• Чистая гусеница и надежный отбойник. Когда поплавковая манжета удерживает колонну, верхняя заглушка стеклоочистителя приземляется при расчетном давлении удара, давая бригаде положительный сигнал с поверхности о том, что смещение завершено и гусеница башмака заполнена качественным цементом.
• Быстрое и предсказуемое развертывание. Просверливаемые поплавковые башмаки и муфты из чугуна, алюминия или термореактивных материалов разработаны таким образом, чтобы их можно было быстро высверливать стандартными долотами, что сводит к минимуму время буровой установки и оставляет чистую нору для последующих операций.

Поплавковое оборудование также защищает скважину там, где выход из строя обходится наиболее дорого. В скважинах HPHT, глубоких скважинах и газовых скважинах с затрубным потенциалом потока газа негерметичный поплавок позволяет колонне цемента опускаться назад, гидростатическое давление падает, а пластовые флюиды попадают в затрубное пространство до того, как цемент схватится. Вот почему конфигурации с двойным клапаном, поплавковое кольцо и поплавковый башмак, являются обычными для критически важных колонн, почему номинальные значения перепада давления должны покрывать наихудший случай дисбаланса колонны и почему операторам требуется оборудование, сертифицированное в соответствии с протоколами испытаний API Spec 10F и ISO 10427-2.

Экономика столь же ясна. Стоимость флотационного оборудования составляет небольшую часть стоимости обсадной колонны, однако от него зависит, обеспечит ли первичная цементная работа изоляцию с первой попытки. Один вышедший из строя поплавок может стоить нескольких дней работы буровой установки, тысяч баррелей жидкого раствора и работ по прокачке, которые никогда не смогут полностью восстановить барьер. Проверенное, правильно установленное поплавковое оборудование является одним из самых дешевых страховых полисов при строительстве скважин, и оно окупается с первого раза, когда давление выдерживается.

Как выбрать и запустить поплавковое оборудование для первичного цементирования

Успешное применение поплавкового оборудования соответствует повторяемому рабочему процессу проектирования, который начинается с таблицы проектирования обсадной колонны и заканчивается только после проверки гусеницы башмака.

Подберите оборудование к обсадной колонне и условиям скважины

Перед заказом подтвердите наружный диаметр обсадной колонны от 4-1/2 до 20 дюймов, тип соединения (API LTC, STC, BTC или премиум), а также требования к проходимости. Поплавковое оборудование должно проходить через корпус над ним и принимать заглушки-грязесъемники, используемые в работе. Проверьте номинальный перепад давления, обычно 5000 или 10 000 фунтов на квадратный дюйм и до 15 000 фунтов на квадратный дюйм для скважин HPHT, с учетом наихудшего дисбаланса между столбом пульпы и жидкостью внутри обсадной колонны. Убедитесь, что номинальная температура соответствует температуре циркуляции на забое скважины: стандартные эластомеры подходят для большинства скважин примерно до 350–400 °F, а специальные конструкции — выше 450 °F. Для эксплуатации в кислых средах выбирайте материалы, соответствующие требованиям NACE MR0175/ISO 15156.

Выберите конфигурацию клапана и режим заполнения.

Решите, обеспечивает ли один поплавковый башмак достаточную защиту или оправдан второй клапан в поплавковом воротнике. Для эксплуатационных колонн узел с двумя клапанами с манжетой на расстоянии одного-трех соединений над башмаком (обычно двух соединений) обеспечивает избыточность: если один клапан дает утечку, другой все еще удерживает давление. Рассмотрите возможность использования оборудования с автоматическим заполнением при эксплуатации длинных колонн, глубоких хвостовиков или скважин с узкими окнами порового давления и градиента гидроразрыва; муфты с автоматическим заполнением снижают гидродинамическое давление и экономят время буровой установки, но механизм преобразования должен быть активирован правильно, чтобы клапан стал полноценным односторонним барьером на запланированной глубине. Для плотных растворов от 17 до 20 фунтов на галлон убедитесь, что седла устойчивы к эрозии и имеют достаточную площадь потока для запланированной скорости вытеснения.

Осмотр и испытание под давлением перед спуском в скважину

Относитесь к поплавковому оборудованию как к барьеру давления, а не как к товару. По прибытии снимите протекторы резьбы, осмотрите резьбу, отверстие и направляющую головку на предмет повреждений при транспортировке и убедитесь, что клапан удерживается в одном направлении и свободно открывается в другом. Ознакомьтесь с сертификатом испытаний производителя, поскольку большинство узлов перед отправкой проходят испытания под давлением в соответствии со спецификацией API Spec 10F, и повторите испытание на перепад давления на буровой площадке, когда программа требует дополнительной проверки. Проверьте длину оборудования, внешний диаметр и рекомендуемый момент свинчивания по контрольной таблице и оставьте защитные устройства установленными до момента свинчивания.

Пропускайте колонну с использованием методов контролируемого заполнения и помпажа

Скорость спуска, график заполнения и свойства бурового раствора определяют давление, воспринимаемое поплавковым оборудованием и пластом. При использовании обычного поплавкового оборудования заполняйте корпус по определенному графику, чтобы поддерживать перепад давления на клапане в пределах расчетного диапазона. При использовании оборудования с автозаполнением следите за индикаторами заполнения и соблюдайте рекомендуемую максимальную скорость движения. Контролируйте скачок давления, управляя скоростью спуска, особенно на участках с узкими отверстиями и вблизи башмака, чтобы градиент трещины никогда не превышался. Перед цементированием постепенно прерывайте циркуляцию, кондиционируйте буровой раствор с запланированной скоростью и подтвердите полную отдачу.

Сместите, ударьте и подтвердите барьер

Запустите нижнюю грязесъемную пробку перед навозной жижей, а верхнюю за ней, затем переместите ее с запланированной скоростью и объемом. Когда верхняя заглушка упадет на поплавковую манжету, давление насоса должно возрасти до расчетного давления удара. Это явный признак того, что направляющая колодки заполнена и заглушки посажены. Удерживайте давление, пока цемент схватывается; Поплавок считается надежным, когда из обсадной колонны можно спустить воздух и клапан удерживает гидростатическую колонну. Если программа требует этого, проверьте под давлением направляющую колодки, затем высверлите просверливаемые внутренние детали с контролируемыми параметрами и проверьте возврат, чтобы подтвердить полное удаление.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между плавающей обувью и плавающим воротником?

Поплавковый башмак представляет собой самое нижнее соединение обсадной колонны; он сочетает в себе закругленный направляющий носик, обратный клапан и проточное отверстие. Поплавковая манжета представляет собой узел клапана, установленный на один-три шарнира выше, обычно на два шарнира, и определяет направляющую башмака между двумя инструментами. Оба предотвращают обратный поток, а их совместная работа обеспечивает двойную защиту.

Как поплавковая манжета предотвращает обратный поток цемента?

Поплавковое кольцо содержит обратный клапан, обычно в виде заслонки, шарового седла или конуса, который открывается, когда жидкость перекачивается вниз, и закрывается, когда поток пытается повернуть вспять. После того, как грязесъемная пробка приземлится над ним, клапан удерживает столб цемента в затрубном пространстве и предотвращает повторное заполнение обсадной колонны раствором, пока цемент схватывается.

Почему операторы используют как поплавковый башмак, так и поплавковый воротник?

Использование двух клапанов обеспечивает резервирование. Если один уплотнительный элемент будет поврежден обломками, эрозией или ударом во время спуска в скважину, второй клапан все равно сможет удерживать столб цемента на месте. Струны с двойным клапаном также обеспечивают чистую, заполненную цементом гусеницу и надежную точку приземления нижней пробки стеклоочистителя.

Что такое гусеница и почему это важно?

След башмака представляет собой интервал обсадной колонны между поплавковой муфтой и поплавковым башмаком, обычно от 20 до 90 футов. После работы он остается заполненным незагрязненным цементом и впоследствии выбуривается. Чистая направляющая башмака имеет большое значение, поскольку она обеспечивает герметичный барьер на дне обсадной колонны, от которого зависят последующие операции скважины.

Какие номинальные значения давления и температуры характерны для поплавкового оборудования?

Стандартное поплавковое оборудование рассчитано на перепад давления 5 000 или 10 000 фунтов на квадратный дюйм, а конструкции для высокого давления достигают 15 000 фунтов на квадратный дюйм для скважин HPHT. Номинальные температуры обычно достигают 350–400 °F, а специальные высокотемпературные версии превышают 450 °F. Номинальные значения всегда должны соответствовать наихудшим условиям в скважине, предусмотренным в конструкции скважины.

Разбуривается ли флотационное оборудование после первичного цементирования?

Большинство поплавковых башмаков и воротников изготовлены из сверлимых материалов, таких как чугун, алюминий, термореактивный пластик или керамика. После того, как цемент достигнет достаточной прочности на сжатие, внутренние детали выбуривают с помощью PDC или шарошечного долота, оставляя чистый ствол скважины. Непробиваемые стальные конструкции используются только в том случае, если предполагается создание постоянного барьера.

Заключение

Плавучее оборудование для цементирования представляет собой небольшой компонент обсадной колонны, оказывающий огромное влияние на успех первичного цементирования. Предотвращая обратный поток цемента, контролируя U-образную трубку и пульсирующее давление, а также поддерживая чистоту направляющей башмака, правильно выбранный поплавковый башмак и поплавковая манжета защищают цементные работы и саму скважину. Путь к надежной работе прост: сопоставьте номинальные характеристики с условиями скважины, выберите правильную конфигурацию клапана, проверьте каждую сборку перед приработкой и строго соблюдайте правила перемещения и поддержания давления. Если поведение давления неясно, остановитесь и исследуйте, а не предполагайте, что инструменты исправны. Наши инженеры по применению могут помочь вам выбрать, подобрать размер и аттестовать флотационное цементировочное оборудование для вашей программы обсадных колонн. Свяжитесь с нами, чтобы просмотреть состояние вашей скважины и получить рекомендации по конфигурации, адаптированные к вашей следующей основной работе по цементированию.