Технология капитального и подземного ремонта нефтяных и газовых скважин

Эти недостатки были устранены в третьем варианте (см. рис. 6.21, в) введением приспособления для аварийного отворота ниже силовых цилиндров. Кроме того, силовые цилиндры с упором расположили над пластырем. Дорнирующую головку конструктивно оформили в самостоятельный узел и закрепили на полой связующей штанге под пластырем. Рабочий ход силовых цилиндров для предварительного протягивания дорнирующей головки через пластырь на первом этапе запрессовки составляет 1500 мм вместо 500 мм. Количество силовых цилиндров увеличено с двух до трех. Давление в дорнирую-щую головку поступает при заходе ее подвижных калибрующих секторов в пластырь, что значительно снижает осевые усилия.

В устройстве типа ДОРН-2 усовершенствована работа якоря (рис. 6.22), благодаря чему можно вводить дорнирующую головку в пластырь без давления, а также производить его повторную калибровку без подъема устройства на поверхность с сохранением давления в головке при транспортном (отключенном) положении якоря.

Определяющую роль в работе устройства выполняет дор-нирующая головка, функции которой заключаются в предварительном расширении и окончательном сопряжении пластыря с обсадной колонной.



Проведены исследования и разработано несколько типов дорнирующих головок, которые по принципу действия разделяются на гидравлические, механические и гидромеханические (рис. 6.23)

Гидравлическая дорнирующая головка от разработки до внедрения в серийное производство претерпела ряд изменений. В первом (рис. 6.23, а) и во втором (рис. 6.23, б) исполнениях головка была составной частью силовых цилиндров и имела ряд конструктивных и эксплуатационных недостатков; коэффициент успешности этих головок был низким.

После совершенствования и модернизации гидравлическая головка конструктивно оформилась в самостоятельный узел (рис. 6.23, г, д). Она состоит из корпуса, конусного пуансона, самоуплотняющейся упругой диафрагмы (манжета) и подвижных калибрующих секторов.

Существенным преимуществом усовершенствованной гидравлической дорнирующей головки, в отличие от механических, в том числе и американского производства, является то, что она позволяет с помощью подвижных калибрующих секторов, не меняя их, устанавливать пластырь как с положительным, так и с отрицательным натягом в обсадной колонне для всех толщин стенок одного типоразмера, причем не только с цилиндрическим, но и с овальным поперечным сечением колонны. Кроме того, она дает возможность осуществлять многоразовую калибровку пластыря под давлением без подъема устройства на поверхность и регулировать с поверхности радиальные усилия на нее.



Рис.6.24. Конструкции манжет

Конструктивным изменениям и существенной доработке подвергалась манжета (рис. 6.24).

Одни конструкции манжет, применяемые в гидравлической дорнирующей головке устройства ДОРН-1 (рис. 6.24, а, б, в), оказались неработоспособными, а другие (рис. 6.24, г, д) выдерживают на отказ не более пяти операций. Наилучшие показатели по надежности и долговечности имеет манжета (рис. 6.24, е), которая в 1984 г. была разработана на заводе «Электрон» (г. Тюмень).

Манжета (рис. 6.24, ж) применяется в гидравлической головке (см. рис. 6.21, г) и гидравлическом якоре (рис. 6.25) устройства ДОРН-2. По надежности и долговечности она показала хорошие результаты. После 10-летнего хранения и 50-разового испытания манжеты дефектов не обнаружено.

Конструктивным изменениям подвергся также конус, выполняющий роль предварительного расширителя пластыря как по размерам угла захода, так и по форме. Экспериментальные испытания показали, что наименьшие усилия предварительного расширения пластыря в обсадной колонне получены при использовании дорнирующей головки, оснащенной гладким конусом (см. рис. 6.23, г) с углом захода 20⁰.

Профильным конус (см. рис. 6.23, д) расширяет пластырь с усилием в два раза большим, чем гладкий (рис. 6.26). Краткая характеристика устройств типа ДОРН моделей Д-1 и Д-2 приведена в табл. 6.2.

В настоящее время продолжается совершенствование и модернизация отдельных узлов и деталей в целях повышения надежности работы устройства ДОРН и улучшения качества ремонта скважин. Так, в конструкцию введен шламосборник для улавливания песка и других посторонних предметов в жидкости, поступающей в устройство. Ведется разработка гальванического покрытия (хромирования) штоков, наносимого на внутреннюю поверхность силовых цилиндров, что значительно увеличивает срок службы устройств. Усовершенствована циркуляционная система. Разработан комбинированный клапан, который позволяет перекрывать сливное отверстие при создании давления в системе и открывать его после сброса избыточного давления.

Клапан прост в изготовлении, меньше по габаритам и массе в сравнении с применяемым в ДОРН-1.

Рис. 6.26. Зависимость осевых усилий от величины натяга при установке (расширении) пластыря в обсадной трубе диаметром 146 мм:

1-усилие протяжки гладким конусом (Д-2); 2-усилие протяжки профильным конусом (Д-1); 3-суммарное усилие протяжки головкой под давлением 12МПа с гладким конусом (Д-2); 4- суммарное усилие протяжки головкой под давлением 12МПа с профильным конусом.

Сравнительная характеристика технического уровня зарубежных и отечественных устройств для установки пластырей в обсадной колонне приведена в табл. 6.3.



Т а б л и ц а 6.2

Краткая техническая характеристика устройств

Показатель	Шифр устройства
	Д-1 46 (Д168-1)	Д-1 46-2
Наружный диаметр ремонтируемой обсадной колонны, мм	146 (168)	146
Длина пластыря, м	До 12	До 12
Толщина стенок пластыря, мм	До 4	До 4
Рабочий ход дорнирующей головки, мм	1500	1500
Радиальный рабочий ход дожимных (калибрующих) секторов, мм	6,5(8)	6,5
Максимальное избыточное давление в устройстве, МПа	12(15)	20
Осевые усилия, развиваемые устройством, кН	До 230	До 230
Осевые усилия сдвига якоря по стенке обсадной трубы, кН, при давлении в якоре, МПа 10 15 20	- - -	100 200 <300
Габаритный (тарнспортный) диаметр,мм	166 (129)	118
Длина устройства при длине пластыря 12 м, м	22	16
Масса устройства без пластыря, кг	513(532)	250

Т а б л и ц а 6.3

Сравнительная характеристика технического уровня зарубежных (США) и отечественных (ВНИИКРнефть) устройств для установки пластырей в обсадной колонне

Показатель	Модель устройства
	фирмы «Хомко»	ДОРН-1	ДОРН-2	фирмы «Лайенс»
Максимальные осевые усилия, развиваемые при давлении 15 МПа, кН	179 (334 при 28 МПа)	231	300	--
Максимальное избыточ- ное давление в рабочей полости устройства, МПа	28	15	25	14--21
Число рабочих цилиндров	2	3	--	--
Рабочий ход дорнирую- щей головки, мм	1500	1500	1500	--
Радиальный рабочий ход дожимных элементов дорнирующей головки, мм	2,5	6,5	6,5	15,5
Число сменных комплек- тов (дожимных элемен- тов) на один типоразмер обсадной трубы	5	1	1	1
Способность управлять радиальными нагрузками дожимных элементов дорнирующей головки	--	+	+	+
Способность захода дожимных элементов дорнирующей головки в пластырь без создания на них осевой (радиаль- ной) нагрузки	--	+	+	+
Показатель	Модель устройства
	фирмы «Хомко»	ДОРН-1	ДОРН-2	фирмы «Лайенс»
Способность дорнирую- щей головки к повтор- ным операциям при дожатии пластыря уве- личением радиальных нагрузок на дожимные элементы без подъема инструмента на поверх- ность	-	+	+	-
Количество спуско-подъе- мных операций инстру- мента при установке пластыря	1 (при необходимости для калибровки производится 2-я операция -- роликовой оправкой	1	1	2
	(при необходимости для калибровки производится 2-я операция - роликовой оправки)			(1-я операция-эластичным баллонном, 2-я - роликовой оправкой
Масса, кг: без учета пластыря с учетом пластыря длиной 12 м	570 690	513 633	350 370	192 312
Габаритные размеры: диаметр, мм длина с учетом пластыря длиной 12 м, м	116,78 21,5	116 22,2	118 16	108 4,54

Транспортировку пластыря в скважину и установку его на дефект обсадной колонны производят устройством ДОРН.

Контроль качества установки пластыря осуществляют опрессовочной головкой без подъема устройства ДОРН на устье.

Выбор и подготовка пластыря

Пластырь, предназначенный для восстановления герметичности обсадной колонны, выбирают по длине и диаметру в зависимости от размера дефекта и внутреннего диаметра обсадной колонны.

L = l_Д + 21, (6.6)

где l_Д -- длина дефекта по образующей обсадной колонне; l -- длина отрезка от торца пластыря до дефекта,

(6.7)

где R -- радиус срединной поверхности пластыря после придания ему цилиндрической формы;

h -- толщина стенки пластыря;

µ-- коэффициент Пуассона.

С учетом накопленного опыта и технических возможностей при изготовлении трубных заготовок длину пластыря без сварки встык принимают от 3 до 9 м.

Периметр пластыря в поперечном сечении берут равным внутреннему периметру обсадной колонны в месте ее негерметичности или несколько больше его, так как натяг не должен превышать 4-3,5%. При этом осевые усилия запрессовки будут не более 200 кН.

При установке пластыря с применением гидравлической дорнирующей головки натяг пластыря рекомендуется применять от -3,5 до +3,5% по периметру поперечного сечения внутреннего диаметра ремонтируемого участка обсадной колонны. В случае применения пластыря с отрицательным натягом давление в головке повышается до 30ч50%.

Перед спуском в скважину наружную поверхность пластыря покрывают герметизирующим составом толщиной не более 1 мм. На нижний конец пластыря, надеваемый на конус дорнирующей головки на участке длиной 300 мм, покрытие не наносят. Этот участок обеспечивает достаточно надежное предварительное сцепление с обсадной колонной.

Выдержка перед нанесением герметизирующего покрытия до спуска пластыря в скважину определяется временем схватывания (затвердения) герметизирующего материала.

Так, гуммировочный состав на основе наирита (НТ) по ТУ 30-10518-77 рекомендуется наносить за несколько суток и освежать последним слоем за 2-3 ч. до спуска в скважину; применение полимерного состава на основе эпоксидных смол ЭД-5, ЭД-6 не должно превышать 2-4 ч.

Подготовка ДОРН к работе

Перед спуском в скважину ДОРН расконсервируют, укомплектовывают штангами с учетом длины пластыря, собирают и испытывают на герметичность и на рабочий ход поршней в ДОРН-1 и штанги в ДОРН-2.

После проверки, устранения неисправностей и испытания устройство разбирают на узлы для транспортировки, сборки и монтажа на скважине.

Узлы ДОРН-1: дорнирующая головка, набор штанг, силовые цилиндры, клапанная циркуляционная система.

Узлы ДОРН-2: дорнирующая головка, набор штанг, якорь, клапанная циркуляционная система.

Монтаж устройства перед спуском в скважину

1. Устройство типа ДОРН-1 (см. рис. 6.21, в) собирают первоначально на мостках двумя секциями.

Первую секцию комплектуют дорнирующей головкой, набором штанг, переводником, пластырем и технологическим хомутом, который вставляют между пластырем и переводником, а вторую -- силовыми цилиндрами и циркуляционными

клапанами.

Затем первую и вторую секции последовательно спускают в скважину, свинчивают между собой, убирают технологический хомут. При этом в каждую секцию заливают жидкость (воду).

После этого устройство в комплекте с пластырем готово к спуску в кважину.

2. Устройство типа ДОРН-2 (см. рис. 6.22, г) собирают на мостках в комплекте с пластырем в полном объеме, затем с помощью консольного крана или талевой системы поднимают и спускают в скважину. Допускается циркуляционные клапаны (комбинированный клапан) монтировать непосредственно над устьем.

В устройство заливают воду, и оно готово к спуску в скважину.

Спуск пластыря в интервал нарушения

1. Устройство в сборе с пластырем спускают в скважину плавно, без рывков, со скоростью не более 6 м/с, на насосно-компрессорных трубах, опрессовыванных гидравлическим давлением на 20 МПа.

Пластырь спускают в скважину так, чтобы его середина была размещена против дефекта. Для предотвращения заклинивания спуск устройства контролируют индикатором веса.

Заполнение инструмента жидкостью при спуске осуществляется через заливной клапан.

Глубину спуска пластыря к месту его установки контролируют набором труб (свечей), длина которых заранее известна.

Индикатором веса фиксируются показания нагрузки от веса инструмента после спуска к месту дефекта.

К колонне труб, спущенных в скважину с устройством, подсоединяют нагнетательную систему, напорный шланг которой позволяет поднимать инструмент на высоту Н = L + 2м, где L -- длина пластыря, м.

Установка пластыря

А. Установка пластыря по 1 схеме (рис. 6.27).

1. В системе создается избыточное гидравлическое давление до 15-18МПа. При достижении давления 3-9 МПа в устройстве срезаются транспортные штифты, а при 15-18 МПа начинается первый предварительный этап установки пластыря протягиванием дорнирующей головки через пластырь силовыми цилиндрами на длину хода 1500 мм.

При этом в лорнирующую головку давление поступает после захода ее секторов в пластырь. Длина захода - 200 мм. Инструмент разгружается от собственного веса (стрелка индикатора веса становится на 0).

Первый предварительный этап запрессовки обеспечивает удерживающую силу сцепления пластыря с обсадной колонной, позволяет освободить упор пластыря. Об окончании первого предварительного этапа запрессовки пластыря свидетельствует быстрый рост давления на манометре насосно-цементи-ровочного агрегата.

После выдержки под давлением 8--10 мин. давление снимается. Первый этап протяжки дорнирующей головки окончен.

2. Второй этап запрессовки пластыря на всей оставшейсядлине осуществляется подъемом устройства с сохранением давления 15-18 МПа в дорнирующей головке со скоростью не более 6 м/мин. После прохода дорнирущей головки через пластырь снимается давление в системе. Операция установки пластыря окончена.

Б. Установка пластыря по II схеме (рис. 6.28).

1. В системе создается избыточное гидравлическое давление до 20-25 МПа для сцепления якоря. Через 5-10 мин. оно снижается до 15-18 МПа и начинается плавный подъем (скорость не выше б м/мин.) инструмента, который продолжается до момента выхода дорнирующей головки из пластыря.

В момент создания давления в системе якорь контактирует своими плашками со стенкой обсадной колонны, а в лорнирующую головку давление поступает после захода секторов в пластырь. Ход головки без давления равен 260 мм.

Момент якорения фиксируется на индикаторе веса увеличением нагрузки при подъеме инструмента (протяжки дорнирующей головки через пластырь), а момент создания давления в дорнирующей головке -- колебаниями стрелки манометра. Якорь автоматически отключается от обсадной колонны после рабочего хода 1,5 м с сохранением давления в дорнирующей головке до полного выхода ее из пластыря. После этого давление снимается. Операция установки пластыря окончена.

В целях напряжения контакта пластыря с обсадной колонной и повышения надежности герметизации ремонтируемого участка производят один -- три раза калибровку пластыря дорнирующей головкой под давлением. Для этого дорнирующую головку спускают без давления в системе до первоначальной отметки и протягивают под давлением до выхода ее из пластыря. При этом допускается увеличивать давление на дорнирующую головку до 50% к первоначальному; осевое усилие при протяжке будет значительно ниже.



Рис. 6.27. Схема установки пластыря с устройством ДОРН-1

а-спуск устройства с пластырем к дефекту (I этап); б-заход головки в пластырь без давления на отрезке-протяжка силовыми цилиндрами (II этап); в-расширение пластыря головкой на отрезке-предварительное сцепление пластыря с обсадной колонной протяжкой силовыми цилиндрами (III этап); г-расширение пластыря головкой при подъёме инструмента (IV этап);

1-гидравлическая дорнирующая головка; 2-штанга; 3-упор пластыря; 4-силовые цилиндры; 5-циркуляционные клапаны; 6-обсадная колонна; 7-пластырь; 8-поврежденный участок обсадной трубы.



Рис. 6.28. Схема установки пластыря с устройством ДОРН-2

а-спуск устройства с пластырем к дефекту и якорение (I этап); б-заход головки в пластырь без давления на отрезке (II этап); в-расширение пластыря и отключение якоря -снятие упора (III этап); г-расширение пластыря на выходе головки без упора (IV этап);

1-гидравлическая дорнирующая головка; 2-штанга; 3-пластырь; 4-упор; 5-якорь; 6- циркуляционные клапаны; 7- обсадная колонна; 8-дефект; 9-цанговые ограничетели.

Подъем устройства на поверхность

1. Устройство поднимают на поверхность после калибровки пластыря в том случае, если испытание (опрессовка) отремонтированного участка обсадной колонны осуществляется двойным пакером.

Перед подъемом внутрь сливного клапана по колонне труб спускают стержень диаметром 25 мм и длиной 2 м, от удара которого по крестовине ниппель перемещается вниз и открывает отверстия клапана для слива жидкости. Об открытии отверстий свидетельствует подъем уровня жидкости в трубах и отсутствие жидкости в поднятой трубе (свече) при ее отвинчивании.

После открытия отверстий сливного клапана производятподъем инструмента со скоростью до 6 м/с.

Подъем и разборку устройства на секции по 1 схеме осуществляют в последовательности, обратной сборке и спуску.

По II схеме устройство поднимают полностью и укладывают на мостки.

4. После подъема устройство разбирают на узлы, промывают и отправляют в цех для профилактики и ремонта, затем консервируют.

6.4.8 ОПРЕССОВКА ОТРЕМОНТИРОВАННОЙ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ

Качество ремонта колонны определяют как наружным, так и внутренним давлением. Время выдержки - 30 мин.

Наружная опрессовка обеспечивается снижением уровня в колонне (опорожнением) до расчетной по техническим условиям эксплуатации скважины.

Внутренняя опрессовка обеспечивается созданием избыточного расчетного давления как всей колонны, так и локально отремонтированного ее участка.

А. Опрессовка колонны без подъема устройства на поверхность через опрессовочную головку.

Такой способ опрессовки сокращает одну спуско-подъемную операцию, экономит время и снижает стоимость ремонта.

В случае негерметичности операцию «калибровка пластыря дорнирующей головкой» повторяют один - три раза, повышая в ней давление до 18-20 МПа. опрессовку повторяют.

Б. Опрессовка отремонтированного участка обсадной колонны двойным пакером (операция X).

1. Двойной пакер спускают в скважину к месту опрессовки участка и устанавливают так, чтобы пластырь находился между резиновыми баллонами пакера. Длину штанг между ними принимают на 500 мм больше длины пластыря.

Трубы заполняют жидкостью при спуске в скважину через обратный клапан пакера.

2. Через опрессовочную головку создается гидравлическое давление в трубах до 10 (15) МПа. При этом осуществляется распакеровка резиновых баллонов и параллельно создается давление через отверстия штанги между баллонами на стенки и торцы установленного пластыря.

В случае появления расхода жидкости и падения давления пакер поднимают и повторяют операцию калибровки пластыря, спуская в скважину дорнирующую головку с циркуляционными клапанами без силовых цилиндров (якоря) и повышая давление до 18 (20) МПа.

При положительных результатах опрессовки ремонт скважины заканчивают и ее сдают в эксплуатацию, оформив соответствующий акт.

Для локальной опрессовки обсадной колонны можно использовать устройство, показанное на рис. 6.29.

Устройство состоит из корпуса 14 с переливными отверстиями 1, 4 и нагнетательным 12. Внутри корпуса размещены верхняя 9 и нижняя 16 подвижные втулки с уплотнитель-ными элементами 17 и срезными штифтами 5. Верхняя втулка снабжена пружиной 8, а ниже ее расположена шпилевая опора 10 под шар 7. На седле нижней втулки 16 размещен шар 15, а самоуплотняющиеся манжеты 11 закреплены на корпусе воронками друг к другу.



Рис. 6.29. Устройство для опрессовки обсадной колонны.

В скважину устройство спускают на насосно-компрессорных трубах 6 к установленному пластырю 13 на дефект 3 обсадной колонны 2.

При спуске устройства в скважину заполнение инструмента жидкостью и перелив ее, минуя верхнюю манжету, осуществляется через переливные 4 и напорные 12 отверстия.

После ориентации устройства для опрессовки заданного участка содается избыточное опрессовочное давление, при этом отверстие 4 перекрывается втулкой 9, сохраняя прямой канал связи манжеты за счет наличия пружины 8 и шпилевой опоры 10.

После опрессовки заданного участка на шар 15 создается избыточное давление несколько выше опрессовочного, и втулка, перемещаясь вниз, открывает переливное отверстие 1. При этом происходит перелив жидкости в колонне, минуя нижнюю манжету, и слив ее при подъеме инструмента.

6.4.9 АВАРИИ ПРИ РЕМОНТЕ ОБСАДНЫХ КОЛОНН

В процессе установки металлических пластырей на негерметичный дефект обсадных колонн возникают осложнения и аварии, для предотвращения и ликвидации которых необходимо знать виды, причины появления и пути их преодоления.

К наиболее характерным и часто встречающимся видам осложнений и аварий относятся:

негерметичность дефекта после установки пластыря;

установка пластыря не на месте дефекта;

заклинивание устройства в пластыре;

обрыв инструмента при протяжке устройства через пластырь или при посадке в колонне;

потеря устойчивости пластыря на смятие;

сползание пластыря с дефекта после его установки.

Причины, повлекшие за собой осложнения или аварии, можно разделить на три категории: технологические, технические и организационные.

Технологические причины

Отсутствие или некачественное нанесение герметизирующего материала на пластырь.

Отсутствие сведений о форме, характере и размерах дефекта колонны.

Неточная информация о месте нахождения дефекта.

Некачественное и непрочное сопряжение пластыря со стенкой обсадной трубы при расширении пластыря малыми радиальными нагрузками. Пластырь имеет форму многогранника и продольные каналы между обсадной трубой. Калибровка пластыря -- повторные проходы расширителем -- не выполнялась.

Не обеспечено достаточное сопряжение пластыря с колонной на первом этапе его установки. Пластырь сползает по колонне после снятия его упора.

Шаблонирование колонны не производилось или производилось шаблоном другого размера.

Наличие смятия или значительной овальности обсадной колонны не устранено.

Лишнее количество повторных проходов расширителем при установке пластыря, особенно при перекрытии дефекта в виде трещины. Размер трещины увеличивается.

Технические причины

Использование пластыря, некачественного по химическому составу, механическим свойствам, термообработке и с наличием физических дефектов (разностенность, раковины, трещины и т. п.).

Дефект колонны не перекрыт по концам или мало перекрыт пластырем.

Неправильный выбор толщины стенки пластыря.

Перекрытие дефекта, форма, размер и характер которого не предусматривают использование пластыря.

Установка пластыря на значительно прокорродировавшую стенку обсадной колонны.

Организационные причины.

Использование неисправного инструмента (устройств, насосно-компрессорных труб) и другого оборудования при ремонте скважин.

Отсутствие контрольно-измерительных приборов или пренебрежение ими.

Нарушение нормативных параметров и режимов технологического процесса и технических возможностей инструмента и оборудования.

Выполнение работ неквалифицированными кадрами.

Нарушение правил техники безопасности и утвержденных технических и организационных мероприятий по выполнению указанных работ.



6.4.10 ВЫБОР РЕЖИМОВ РЕМОНТА ОБСАДНЫХ КОЛОНН СТАЛЬНЫМИ ПЛАСТЫРЯМИ

Качество и эффективность восстановления герметичности обсадных колонн достигаются выбором оптимальных параметров и режимов ремонта, установкой на дефект тонкостенных продольно-гофрированных стальных пластырей.

К основным параметрам относятся:

максимально допустимый перепад давления в зоне дефекта после установки пластыря;

осевые усилия, необходимые для расширения пластыря до сопряжения с обсадной колонной при протяжке дорнирующего инструмента через пластырь;

минимально допустимая длина сцепления пластыря с обсадной колонной в процессе его установки;

минимально допустимая длина пластыря для перекрытия дефекта в обсадной колонне;

минимально допустимые усилия выпрессовки (сдвига) пластыря в обсадной колонне;

минимально допустимые усилия сцепления якоря (упора пластыря) с обсадной колонной в процессе расширения пластыря.

6.4.11 ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СРЕДСТВ И ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА ОБСАДНЫХ КОЛОНН ПЛАСТЫРЯМИ И РАСШИРЕНИЕ ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Важнейшие факторы ускорения научно-технического прогресса как главного рычага повышения эффективности производства -- сокращение трудоемкости, снижение материалоемкости, энергоемкости и упрощение производственно-технологических процессов, другими словами, применение интенсивной технологии производства.

Использование при ремонте обсадных колонн гофрированных стальных пластырей является прогрессивной технологией в сравнении с существующими в отечественной практике методами ремонта скважин (повторное цементирование, замена колонны, спуск хвостовика и др.). Это позволяет исключить потребность в тампонажных цементах, снизить металлоемкость, упростить технологический процесс, сократить трудоемкость и время ремонта, увеличить межремонтный период (время эффекта). Кроме того, значительно улучшается охрана окружающей среды в результате исключения тампонажных работ и промывок скважин, которые применялись при разбуривании остающегося цементного раствора в обсадной колонне.

Тем не менее внедрение существующей технологии и средств установки пластырей не решает всех существующих проблем ремонта обсадных колонн.

Так, устройство для спуска и установки пластырей на дефект обсадных колонн ДОРН-1 очень громоздко, металлоемко, неудобно в обслуживании, кроме того, не исключена взаимозависимость осевых и радиальных нагрузок при установке пластыря на первом этапе.

Совершенствование основной операции технологического процесса -- транспортировки пластыря на дефект -- направлено на достижение следующих целей:

простоты конструкции и эксплуатации устройства для транспортировки и установки пластыря;

возможности установки пластырей в глубоких скважинах;

снижение металлоемкости и трудоемкости при изготовлении устройства;

простоты и эффективности установки пластыря.

К наиболее эффективным методам герметизации обсадных колонн в перспективе можно отнести установку пластыря на дефект обсадной колонны с постоянным его упором; после закачки тампонажного материала через дефект колонны при одной спуско-подъемной операции; за счет гидравлического давления непосредственно на внутреннюю его поверхность; методом набухания материала, расширяющего пластырь при непосредственном контакте с его внутренней поверхностью, а также использование пластыря, изготовленного из материала, обладающего эффектом «памяти формы».

Конструкция и принцип действия устройств для реализации указанных методов рассматриваются ниже.

Установка пластыря на дефект обсадных колонн с постоянным его упором

При герметизации обсадных колонн стальными пластырями в скважинах на глубине 2500 м возникает ряд проблем:

необходимость применения труб с повышенной прочностью, что требует дополнительных материальных затрат;

отсутствие возможности в устройствах типа ДОРН-1 и ДОРН-2 повышать давление в процессе протяжки лорнирующей головки через пластырь, вследствие чего не исключается сдвиг его по колонне и герметизация обсадной колонны не достигается; кроме того, при заклинивании дорнирующей головки в пластыре требуется проведение дополнительных работ по ликвидации аварии, и устройство (дорнирующая головка) приходит в непригодное состояние.

Указанные проблемы решены в устройстве типа ДОРН-3, которое имеет принципиальное отличие от ДОРН-1 и ДОРН-2: в нем установка стального пластыря производится по схеме «сверху вниз» в глубоких скважинах. Это отличие позволяет:

исключить попадание металлических предметов и твердых частиц между обсадной колонной и пластырем в процессе его установки и, следовательно, повысить коэффициент успешности ремонта;

устанавливать пластыри без осевой (растягивающей) нагрузки на инструмент (насосно-компрессорные или бурильные трубы);

использовать пластыри предпочтительно с нулевым и отрицательным периметром, что также повышает коэффициент успешности ремонта;

не применять левые резьбы и аварийные отвороты в устройствах;

оставлять в скважине в случае аварийной ситуации только срезные штифты и упорные полушайбы;

работать с минимально необходимым избыточным давлением жидкости в системе, а значит, и с минимальной радиальной нагрузкой на дорнирующую головку при проходах ее в пластыре, что обеспечивает благоприятные условия ремонта скважин с длительным периодом эксплуатации и значительной коррозией обсадных колонн;

ликвидировать незначительное смятие обсадной колонны в местах посадки устройства (инструмента); в этом случае необходимо работать только дорнирующеи головкой без пластыря.

Данное устройство целесообразно применять для ремонта скважин с дефектами на глубине 1000 м и более, так как при этом используется частично вес инструмента (НКТ) для осадки его вниз при расширении нижнего участка пластыря.

Принцип работы устройства

После спуска устройства (рис. 6.30) в сборе с пластырем 13 на бурильных или насосно-компрессорных трубах 2 в скважину на заданную глубину в системе создается избыточное давление. Жидкость под давлением поступает в силовой толкатель 4 и через отверстия 8 штока б создает усилия на поршни 7, приводя в движение цилиндры 5, соединенные с подвижной гидравлической дорнирующеи головкой 10.

Запрессовка гофрированного пластыря 13 к внутренней стенке обсадной трубы 9 для перекрытия дефекта 1 осуществляется при продавливании дорнирующеи головки 10 через пластырь силовым толкателем 4. При этом предварительное расширение пластыря обеспечивается конусным пуансоном 21, а окончательное -- до полного контакта с обсадной трубой -- калибрующими секторами 20, Причем заход на отрезке 1_} калибрующих секторов 20 дорнирующеи головки 10 осуществляется без давления в головке за счет изоляции напорного отверстия 22.

После захода секторов 20 в пластырь 13 жидкость под давлением автоматически поступает через напорные отверстия 22 и 19 на самоуплотняющуюся эластичную диафрагму 18, что обеспечивает радиальное расширение секторов 20.

Заданное избыточное давление жидкости на калибрующие секторы при продавливании дорнирующеи головки по штанге 15 на отрезке 1₂ ее хода поддерживается благодаря промежуточной напорной камере 17, которая при перемещении на штанге 15 соединяется с каналом жидкости через отверстие 22.

По окончании первого прохода дорнирующей головкой рабочего хода (L= l₁ + 1₂) снимают гидравлическое давление в системе и осаждают (заряжают) силовой гидротолкатель 4 путем спуска НКТ на величину хода головки, отрезок которого соответствует ходу головки, находящейся под давлением. Очередной цанговый упор 12 в это время выходит из пластыря и, контактируя с его торцом, выполняет роль упора. Затем повторно создают гидравлическое давление в системе и повторяют под давлением процесс продвижения дорнирующей головки в пластыре.

Циклы продвижения дорнирующей головки через пластырь повторяют до выхода головки из пластыря.

Устройство позволяет осуществлять повторные проходы (калибровку) дорнирующей головкой через установленный пластырь при расчетном гидравлическом давлении в системе за счет общего веса спускаемых труб и устройства сверху вниз или дополнительной расчетной осевой нагрузки на крюк при подъеме устройства снизу вверх.

Заполнение жидкостью труб при спуске и слив ее при подъеме осуществляются через циркуляционный клапан 3.

Для предотвращения преждевременного расширения пластыря в процессе спуска в скважину в дорнирующей головке устройства предусмотрен стопорный срезной штифт.

С целью беспрепятственного извлечения на поверхность устройства в осложнившихся условиях в момент установки пластыря упоры 14 снабжены левыми отворотами.

Универсальный клапан

Универсальный клапан (рис. 6.31) применяется в устройствах для заполнения и слива жидкости при спуске и подъеме инструмента, используемого в скважине. Этот клапан повышает надежность эксплуатации и успешность его функционального назначения, прост и технологичен в изготовлении и обслуживании.

Клапан состоит из корпуса 5 с переливными отверстиями 3, 12 и расширенной полостью 6. Внутри него размещены верхняя 1 и нижняя 11 подвижные втулки с уплотнительными элементами 2 и срезными штифтами 4 и 9. Под втулками расположены шпилевые опоры 7 под шары 8, причем нижняя втулка 11 имеет пружину 10.

Принцип работы клапана заключается в следующем. В процессе спуска устройства в скважину полость насосно-компрессорных или бурильных труб заполняется жидкостью через отверстия 12 клапана. После спуска и заполнения жидкостью в инструменте создается избыточное давление на нижний шар

и отверстия 12 перекрываются втулкой 11 после среза штифта 9 сохраняя прямой канал связи благодаря наличию пружины 10 и шпилевой опоры 7.

Перед подъемом инструмента на поверхность в полость труб спускают шар 8 и создают избыточное давление. После того, как шар 8 достигнет седла верхней втулки 1 и перекроет канал, втулка 1 срезает штифт 4 и, перемещаясь в расширенную полость 6, открывает отверстия 3, обеспечивая слив жидкости из труб в скважину при их подъеме.

Благодаря наличию шпилевой опоры канал связи в клапане не перекрывается. Это позволяет при необходимости обеспечить избыточное давление в устройстве за счет повышения производительности насосного агрегата.

Рис. 6.31. Универсальный клапан:

а-отвестия открыты для заполнения инструмента жидкостью при спуске в скважину; б-отверстия перекрыты, канал прямой связи открыт; в-отверстия открыты для слива жидкости при подъёме инструмента.

Установка пластыря после закачки тампонажного материала через дефект обсадной колонны в процессе одной спуско-подъемной операции

С целью повышения качества герметизации затрубного пространства часто возникает необходимость после закачки тампонажного материала через дефект или перфорацию обсадной колонны устанавливать металлический тонкостенный пластырь. Сокращение интервала между закачкой тампонажного материала и установкой пластыря гарантирует повышение качества ремонта. Это может быть достигнуто последовательным выполнением обоих видов работ в процессе одной спуско-подъемной операции.

Совмещенная в одну спуско-подъемную операцию последующая установка пластыря после прокачивания тампонажного материала через дефект обсадной колонны может быть реализована при использовании специальной цементировочной камеры-приставки (рис. 6.32, в).

Цементировочную камеру монтируют под устройством, которое обеспечивает установку пластыря, и в сборе с ним спускают на насосно-компрессорных или бурильных трубах в скважину к месту дефекта обсадной колонны (рис. 6.32, а).

Рис. 6.32. Устройство типа ДОРН модификации Д-4

а-ориентация цементировочной камеры на дефект при спуске устройства в скважину; б-ориентация пластыря на дефект колонны; в-цементировочная камера.

Закачка тампонажного материала и установка пластыря осуществляются следующим образом.

Устройство в сборе с пластырем и цементировочной камерой 2 спускают в скважину так, чтобы ее радиальное отверстие 4 было расположено напротив дефекта 3 обсадной колонны 7. После этого закачивают расчетную порцию тампонажного раствора в затрубное пространство по известной технологии через отверстия камеры и дефект обсадной колонны. При этом уплотнительные элементы 5 препятствуют распространению тампонажного материала по колонне труб. По окончаний закачки тампонажного раствора и продавки его за колонну через дефект шар 12 спускается по НКТ в седло втулки 13 и создается избыточное расчетное давление жидкости. С помощью шара и давления срезаются средние штифты, а втулка 13, перемещаясь вниз, перекрывает отверстие 4, одновременно открывая обводной канал 14 в его верхней части. Под действием избыточного давления выталкивается заглушка 8, освобождая обводной канал в его нижней части, а пробка 15 после среза ее штифтов перемещается в карман 17 и задерживается вместе с заглушкой 8 на крестовине 18, обеспечивая поток жидкости в устройство. Затем давление жидкости снимают, устройство приподнимают с ориентацией середины пластыря 11 против дефекта 3 и устанавливают пластырь в интервале дефекта обсадной трубы по известной технологии.

Для слива жидкости при подъеме инструмента на поверхность по окончании процесса ремонта устройство снабжено сливным клапаном 1, который расположен над цементировочной камерой.

Совмещенный метод ремонта позволяет повысить запас прочности ремонтируемого участка обсадной трубы и коэф-

фициент успешности, увеличить межремонтный период, уменьшить расход тампонажных материалов, сократить трудовые и энергетические затраты, обеспечить значительный экономический эффект.

Установка пластыря гидравлическим давлением непосредственно на его внутреннюю поверхность

Одним из простых в изготовлении и несложных в обслуживании и эксплуатации является устройство для установки пластыря, принцип действия которого основан на создании гидравлического давления непосредственно на его внутреннюю поверхность.

Такое устройство позволяет производить ремонт обсадных колонн в скважинах практически на любой глубине.

Использование настоящего устройства для установки пластыря обеспечивается благодаря изготовлению его в комбинации с дорнирующей головкой.

Применение продольно-гофрированного металлического пластыря с цилиндрическими концевыми участками длиной 1,5--2 м (рис. 6.33, а) и размещение в них уплотнительных элементов обеспечивают надежную герметизацию внутренней полости пластыря при расширении его гидравлическим давлением, а равный габаритный диаметр концевых и средней частей пластыря обеспечивает на всей его длине заданный зазор при спуске в обсадную колонну.

Принцип установки пластыря и работа устройства

Устройство спускают на насосно-компрессорных трубах к месту дефекта 4 обсадной колонны 3 (рис. 6.33).

После спуска устройства в сборе с пластырем на насосно-компрессорных трубах в скважину к месту дефекта 4 в обсадной колонне 3 на штанге 10 через перфорацию 9 на внутреннюю полость пластыря 5 подают жидкость и создают гидравлическое давление, обеспечивающее расширение и прижатие до полного контакта гофрированной части пластыря 1 с внутренней стенкой обсадной колонны.

Герметизация внутренней полости пластыря при создании давления осуществляется уплотнительными элементами 7, расположенными по концам пластыря в цилиндрических частях 2. Первоначально герметизацию обеспечивают чашеобразные манжеты 11. По мере роста давления надежность герметизации дополнительно повышается эластичными втулками 12, которые, перемещаясь под воздействием давления совместно с чашеобразными манжетами в осевом направлении по штанге 10, сжимаются, а в радиальном направлении по диаметру увеличиваются, прочно контактируя с цилиндрической поверхностью пластыря и одновременно расширяя его до критического возрастания давления.

В момент наступления критического (расчетного) давления срезается ограничительная шайба 13, а нижний уплотнительный элемент 7 перемещается по штанге вниз. Одновременно при незначительном (расчетном) увеличении давления срезается фиксатор 16 заглушки 14, которая падает в расширенную полость 18 на ограничительную крестовину 19, освобождая канал для передачи жидкости в дорнирующую головку 15. Обратный клапан 20 при создании давления в лорнирующей головке закрывается.

Процесс развальцовки цилиндрических концов пластыря и калибровки по всей его длине осуществляется снизу вверх протягиванием под давлением дорнирующей головки при подъеме насосно-компрессорных труб на поверхность или сверху вниз за счет инструмента (НКТ). Так как штанга 10 имеет калиброванное отверстие 9 с выходом жидкости в скважину, то поддержание необходимого давления в устройстве при развальцовке концов и калибровке пластыря обеспечивается увеличением производительности насоса.

Калибровку пластыря можно повторять многократными проходами дорнирующей головки.

После окончания процесса установки пластыря избыточное давление в системе снимают и устройство поднимают на поверхность. При этом жидкость сливается из труб через перфорированное отверстие 9.

Устройство спускают в скважину на тросе. Избыточное давление создают глубинным электронасосом.

Установка пластыря методом набухания материала

Суть данного метода заключается в том, что расширение гофрированного тонкостенного стального пластыря по периметру поперечного сечения на всей его длине до заданного контактного сцепления со стенкой ремонтируемого участка обсадной колонны происходит под действием тепловой энергии, выделяющейся при увеличении объема специального материала (раствора или порошка), подаваемого в полость пластыря. Подобное изменение объема вещества наблюдается, например, при замораживании воды, гашении извести, набухании замоченного гороха и т. д.

Предлагаемое вещество должно обеспечивать постепенное (в пределах 3-24 ч.) увеличение объема (не менее чем в два раза) и равномерное распределение и увеличение давления (30-- 50 МПа) в полости пластыря.

Указанными свойствами обладает порошок НРС-1 (невзрывчатое разрушающее средство), выпускаемый по ТУ 21-31-56-87 опытным заводом ВНИИстром им. Будникова; в качестве жидкости для получения раствора используется вода. Соотношение порошка НРС-1 и воды 10:3. Порошок нетоксичен. Добавки в порошок должны замедлять процесс его твердения (кристаллизации) в момент нахождения в капсуле и при последующем вымывании из скважин.

Устройство для реализации указанного метода представляет собой капсулу (рис. 6.34). При этом отпадает необходимость в системе силовых цилиндров (цилиндры, поршни, штоки), трудоемких в изготовлении, материалоемких и громоздких. Устройство работает следующим образом. Раствор (порошок + вода) приготовляют и заполняют им полость пластыря непосредственно перед спуском устройства в скважину. Устройство в сборе с пластырем спускают к месту ремонта обсадной колонны, причем пластырь ориентируют так, чтобы его середина находилась напротив дефекта.

Через 2--3 ч. после подачи раствора в устройство начинается процесс его набухания с выделением тепла, что обеспечивает не мгновенное, как взрыв, а медленное, равномерное (за счет развивающихся усилий) расширение пластыря по всей его длине. При этом профильные эластичные уплотнители, скользя свободными концами по пластырю и облегчая скруг-ление упорных втулок, обеспечивают герметичность полости пластыря и удерживают набухающий раствор до получения полного контакта пластыря со стенками обсадной колонны. После этого устройство поднимают на поверхность, при этом набухший раствор рассыпается и легко извлекается из скважины.

Дожатие концов пластыря и калибровку его по всей длине при необходимости осуществляют во время подъема на поверхность устройства дорнирующей оправкой, которая может быть предусмотрена на его конце ниже пластыря.

Калибровку выполняют как снизу вверх при подъеме инструмента, так и сверху вниз весом инструмента. Данный метод имеет следующие преимущества: повышаются качество и эффективность ремонта; исключается возможность разрушения обсадной колонны (по сравнению с методом взрыва);

упрощается технология ремонта;

уменьшается металлоемкость, сокращается трудоемкость, упрощается конструктивное решение устройства;

повышается универсальность применения пластыря по периметру поперечного сечения для всех толщин стенок одного типоразмера ремонтируемой обсадной колонны;

расширяется диапазон использования пластыря для ремонта обсадных колонн любого диаметра, в том числе труб малого диаметра;

возможность применения цилиндрических в поперечном сечении пластырей;

появляется возможность уменьшить габаритные диаметры пластырей и устройство в целях увеличения зазоров между пластырем и стенкой обсадной колонны при спуске в скважину;

устройство с пластырем можно спускать на канате;

исключаются дополнительные осевые нагрузки на спускаемый инструмент (НКТ) в момент установки пластыря;

создаются местные, распределяющиеся с постепенным увеличением радиальные усилия;

возможно прокачивать цементный и другие растворы через устройство до и после установки пластыря, в том числе для проверки герметичности после ремонта;

ремонт обсадных колонн можно производить в скважинах на любой глубине.

Рис.6.34. Устройство для установки пластыря методом набухания материала:

а-ориентация пластыря на дефект при спуске его в скважину; б-расширение пластыря при использовании HPC-1; в-калибровка пластыря дорнирующей головкой; 1-дорнирующая голока; 2-уплотнительный элемент; 3-обсадная колонна; 4-дефект; 5-канал; 6-конус; 7-уплотнительный элемент; 8-пластырь; 9-порошок HPC-1; 10-штанга.

Установка пластыря из материала, обладающего эффектом «памяти формы»

В настоящее время «память формы» обнаружена у широкого круга сплавов, принадлежащих к различным системам, в частности, у сплавов системы: Ti-Ni, Fe-Ni, Cu-Ai, Co-Ni, Ti-Ni-Co, Fe-Ni-Ti, Co-Al-Ni, Cu-Zn-Al….

Феноменология (умозрительное описание явления) эффекта памяти заключается в следующем. Материал в виде ленты, листа, проволоки и т. п., обладающий эффектом запоминания формы, пластически деформируют при температуре Тд выше температуры прямого мартенситного превращения Мн с целью придания ему определенной заданной формы и размеров, затем охлаждают до температур, обеспечивающих протекание (полное или частичное) мартенситного превращения и деформируют в этой температурной области до получения промежуточной, технологически требуемой формы. При нагреве выше температуры обратного мартенситного превращения Ак образец вновь восстанавливает заданную форму, которая была ему придана при температуре Тд>Мн.

Схематически этот эффект изображен на рис. 6.35.

На рис. 6.35, в показан процесс изменения формы поперечного сечения от цилиндрической заготовки пластыря до его установки в обсадной колонне при термоциклировании.

Эффект «памяти формы» проявляется в строго определенном для каждого сплава интервале температур. При этом начало и конец восстановления формы разделены по температуре несколькими градусами или десятками градусов. Изменяя массовое соотношение компонентов в сплаве, добавляя в него другие элементы, удается менять температуру проявления памяти в широких пределах.



Рис. 6.35. Схема устройства и интерпретации эффекта «памяти формы» пластыря

В настоящее время разработаны сплавы, в которых температуру «эффекта памяти» можно менять от -200 до Н-500°С, сохраняя при этом высокую точность восстановления первоначально заданной формы.

Отдельные сплавы с «памятью формы» обладают следующими уникальными свойствами: усилиями, восстанавливающими исходную форму; эффектом изменения формы с восстанавливающими эту форму усилиями; коррозионной стойкостью; высокой демпфирующей способностью; высоким уровнем внутреннего трения.

Сплавы, обладающие «памятью формы», имеют большие перспективы и в недалеком будущем смогут найти широкое применение при ремонтах скважин для восстановления герметичности обсадных колонн, перекрытия поглощающих и проявляющих пластов, перетоков и т. д.

Так, гофрированный пластырь, изготовленный из сплава, обладающего «памятью формы», без особых материальных и трудовых затрат по упрощенной технологии и с помощью недорогостоящего оборудования может быть спущен на канате к месту дефекта обсадной колонны. При создании на пластыре температуры обратного мартенситного превращения Ак пластырь примет первоначальную (круглую в поперечном сечении) форму и образует надежное контактное сцепление со стенкой ремонтируемого участка обсадной колонны.

Используя имеющиеся данные о так называемом эффекте обратной памяти в области металлов и сплавов, обладающих эффектом «памяти формы», нефтяники смогут извлекать из обсадной колонны пластырь после его износа, закрывать и открывать продуктивные пласты, регулировать приток продукции в скважины.

Для изготовления гофрированных пластырей подходит сплав с «памятью формы» на основе никелида титана, обладающий следующими свойствами:

Предел прочности, МПа ………………………..................................................1200 1900

Относительное удлинение, %..............................................................15 100

Относительная деформация при формовосстановлении, % ... .8--15

Степень восстановления исходной формы, %..............................95--100

Усилие, развиваемое при восстановлении формы, МПа ………До 800

Температурный интервал изменения формы, °С ……………От -200 до +150

Такой сплав коррозионно и износостоек, немагнитен, совместим с биологическими тканями, обладает высокой дефор-мативной способностью.

Пластыри из никелида титана наиболее экономичны и эффективны для применения в скважинах, содержащих сероводород и другие агрессивные среды.

Для восстановления первоначальной формы пластыря можно использовать электрический или химический способы, горячий воздух (газ), а при охлаждении -- жидкий азот.

При электрическом нагреве применяют нагревательные элементы, а при химическом -- выделение тепла при взаимодействии (реакции) двух или нескольких веществ, а также горячий воздух (газ).

Для реализации предлагаемого метода ремонта скважин с помощью пластыря из никелида титана или других сплавов требуется провести исследовательские работы и испытания, а также организовать промышленное изготовление гофрированных пластырей. Создание пластырей, обладающих «памятью формы», и устройств для их транспортировки в скважину имеет важное практическое значение.

Одним из вариантов устройства для транспортировки и установки пластыря, обладающего эффектом «памяти формы», является капсула (см. рис. 6.35, а). Устройство включает пластырь, перфорированную штангу, нагревательные элементы (ТЭНы), соединительные муфты и ограничительные упоры.

После спуска пластыря к месту дефекта по кабелю подается напряжение на нагревательные элементы. После достижения заданной температуры пластырь восстанавливает свою первоначальную цилиндрическую форму, сопрягаясь с обсадной колонной.

6.5 СМЕНА ОБСАДНЫХ КОЛОНН

Одним из путей повышения надежности конструкций глубоких скважин, предупреждающих ремонт колонн, является применение метода сменных обсадных колонн. Применение сменных обсадных колонн позволит увеличить выходы из колонн, сохранить диаметр скважины постоянным, заменять обсадные колонны при их коррозии, изнашивании, повреждениях, способствовать успешной борьбе с авариями при бурении. Например, при прихвате бурильных труб, их поломке и других авариях подъем части промежуточной колонны приведет к росту зазоров между стенками обсадной колонны и трубами. Однако этот метод имеет ряд недостатков: увеличение расхода металла на крепление скважины, осложнения при неудачной попытке подъема сменной колонны и пр.

...