УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОТЫ ГИДРАТАЦИИ ЦЕМЕНТНОГО ИЛИ БУРОВОГО РАСТВОРА НА СТАБИЛЬНОСТЬ ГИДРАТА ПРИРОДНОГО ГАЗА Российский патент 2022 года по МПК G01N25/20 G01N25/48 G01N33/22 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к установкам для измерения и мониторинга стабильности гидрата природного газа в определенных условиях, в частности оно относится к установке для испытания влияния теплоты гидратации цементного раствора / бурового раствора на стабильность гидрата природного газа.

Предпосылки изобретения

[0002] В процессе транспортировки природного газа часто может возникнуть проблема, связанная с тем, что в определенных местах участков ствола шахты и трубопровода из-за попадания в природный газ жидкости образуется гидрат, который закупоривает трубопровод, или из-за больших перепадов в трубопроводе природный газ скапливается в особых областях, что приводит к закупориванию трубопровода.

[0003] В области добычи нефти огромное внимание всегда уделяется вопросу о том, нарушит ли теплота гидратации цементного раствора для цементирования скважины стабильность слоя гидрата природного газа, при выполнении цементирования скважины, в частности глубоководного цементирования скважины. Если стабильность гидрата природного газа в слое гидрата нарушится, то вызовет обрушение пласта в районе добычи и цикл застывания и разложения гидрата природного газа после его попадания в цемент для цементирования скважины, из-за чего ряд механических свойств полученного кольца из цемента для цементирования скважины не будет соответствовать стандартам. Поэтому задача о влиянии теплоты гидратации цементной системы для цементирования скважины или бурового раствора на стабильность гидрата природного газа всегда остается актуальной для специалистов, выполняющих работы по глубоководному цементированию скважин.

[0004] Сегодня к условиям для обеспечения стабильности гидрата природного газа все чаще применяется моделирование давления и температуры посредством технологий цифрового моделирования, но в отношении установленных параметров и обстановки при проведении строительных работ на площадке всегда будут существовать определенные погрешности, поэтому результаты с самого начала не могут идеально подходить для строительной площадки; формулы, полученные посредством численной аппроксимации, подходят для определенных условий, а изменение места разработки или других условий ставит применимость таких формул под сомнение.

[0005] Моделирование образования и разложения гидрата природного газа, осуществляемое в лаборатории, характеризуется следующими недостатками: отсутствием возможности непосредственного наблюдения за ситуацией в реакционном котле; отсутствием определенной точности определения и регулирования давления и температуры; наличием контакта между газом и жидкостью только на поверхности раздела между газом и жидкостью, при этом ограниченная площадь контакта имеет определенное влияние на образование гидрата природного газа.

[0006] Сегодня исследования и разработка установок для испытаний, выполненных с возможностью осуществления наблюдения, проверки и анализа влияния на стабильность гидрата природного газа теплоты, возникающей при гидратации цементного раствора для цементирования скважины или бурового раствора, приобретают первостепенную важность.

Суть изобретения

[0007] Задача настоящего изобретения заключается в предоставлении установки для испытания влияния теплоты гидратации цементного раствора / бурового раствора на стабильность гидрата природного газа, характеризующейся надежными основными принципами, рациональной конструкцией, простым и быстрым процессом испытания, возможностью удобной промывки, и при этом посредством выполненного с возможностью наблюдения окна в реакционном котле можно непосредственно наблюдать за образованием и разложением гидрата природного газа в условиях разных температур и давления, испытывать и исследовать системы цементного раствора для цементирования скважины, а также закономерности влияния количества теплоты, высвобождаемой при гидратации бурового раствора, на стабильность гидрата природного газа.

[0008] Для решения вышеуказанной технической задачи в настоящем изобретении используется следующее техническое решение.

[0009] Установка для испытания влияния теплоты гидратации цементного раствора / бурового раствора на стабильность гидрата природного газа в основном состоит из реакционного котла высокого давления, снабженного окном для наблюдения, системы закачивания и циркуляции бурового раствора, элемента с цементным раствором, термостатического бака, системы регулирования и контроля температуры, системы регулирования и контроля давления, устройства магнитного перемешивания, элемента с буровым раствором, блоков сбора данных и блоков обработки данных.

[0010] Указанный реакционный котел высокого давления установлен на основании с устройством магнитного перемешивания внизу; реакционный котел снабжен выполненным с возможностью наблюдения окном для наблюдения, которое изготовлено прозрачным, что в сочетании с источником холодного света позволяет ясно наблюдать за образованием и разложением гидрата в реакционном котле.

[0011] Указанная система регулирования температуры содержит термостатический бак, датчики температуры, а также нагревательную рубашку, расположенную снаружи реакционного котла с двух сторон; посредством термостатического бака регулируют температуру закачиваемого источника воды; посредством нагревательной рубашки выполняют вторичное регулирование фактической температуры источника воды, входящего внутрь реакционного котла; датчики температуры проходят внутрь реакционного котла, собирают данные о температуре в реальном времени внутри реакционного котла и передают данные в панель управления и вычислительное устройство.

[0012] Указанная система закачивания бурового раствора в основном состоит из насоса для бурового раствора, устройства накапливания бурового раствора с постоянной температурой и циркуляционного насоса; насос для бурового раствора обеспечивает перемешивание и закачивание бурового раствора; закаченный буровой раствор будет накапливаться в устройстве накапливания бурового раствора с постоянной температурой, и затем посредством циркуляционного насоса осуществляется прокачивание бурового раствора с циркуляцией.

[0013] Система циркуляции бурового раствора в основном предназначена для исследования влияния теплоты, высвобождаемой при гидратации бурового раствора, при этом канал проходит через реакционный котел с гидратом природного газа, и можно лучше моделировать контакт между обсадной колонной и пластом во время бурения скважины, чтобы этим определить, может ли или нет количество теплоты гидратации бурового раствора влиять на стабильность гидрата. Соединительный трубопровод, применяемый в системе циркуляции бурового раствора внутри реакционного котла, выполнен из медного материала; циркуляционный трубопровод, прикрепленный к реакционному котлу снаружи, выполнен из теплоизоляционного материала и снаружи покрыт слоем резинового покрытия.

[0014] Элемент с цементным раствором представляет собой цилиндр с цементным раствором, содержащий цилиндр с раствором и крышку цилиндра; полученный цементный раствор загружается в цилиндр с раствором и быстро попадает в установленное место внутри реакционного котла, и затем определяют влияние цементного раствора на образование и разложение гидрата природного газа.

[0015] В реакционный котел посредством расположенного снаружи термостатического бака подается источник воды, при этом устройство перемешивания для реакционного котла представляет собой устройство магнитного перемешивания, применяемое внизу, и может выполнять достаточное перемешивание смеси внутри реакционного котла. Температуру можно регулировать посредством термостатического бака, при этом при регулировании температура может достигать -15-190°C (примечание: источник воды, применяемый при -15-5°C, представляет собой незамерзающую жидкую смесь, в которой к воде добавлен этиленгликоль, например 40% этиленгликоля + 60% мягкой воды; источник воды, применяемый при 5-90°C, представляет собой деионизированную воду; при 90-190°C применяют теплопроводное масло; и в основном применяется для испытания теплоты гидратации высокотемпературного цементного раствора. Переключение между тремя видами жидкости осуществляют на основании температуры испытания); посредством панели управления или компьютера вручную устанавливают скорость повышения температуры и целевую температуру; посредством нагревательной рубашки со стороны реакционного котла выполняют вторичное регулирование температуры на входе (примечание: механизм нагревания нагревательной рубашки основан на нагревании жидкости, при этом жидкость, используемая в случае, когда температура испытания составляет -15-5°C, представляет собой незамерзающую жидкость, которая состоит на 40% из этиленгликоля + на 60% из мягкой воды; жидкость, используемая в случае, когда такая температура составляет 5-90°C, представляет собой деионизированную воду; жидкость, используемая в случае, когда такая температура составляет 90-190°C, представляет собой теплопроводное масло); температура, обеспечиваемая в реакционном котле, представляет собой установленную температуру; и информация о температуре в реакционном котле посредством датчиков температуры передается в панель управления в реальном времени. Посредством клапана регулирования давления можно регулировать давление; посредством устойчивого к действию серы манометра осуществляют контроль давления в реальном времени; посредством устройства измерения расхода газа можно измерять и регистрировать количество перекачиваемого газа. Датчики температуры и датчики давления, установленные на одной высоте с двух сторон, облегчают точный контроль данных о температуре и давлении. Закачивают источник газа и источник жидкости, необходимые для испытания и проверки; обеспечивают температуру и давление, необходимые для испытания и проверки; посредством выполненного с возможностью наблюдения окна реакционного котла оценивают образование и разложение гидрата природного газа в условиях таких температуры и давления; с применением бурового раствора, который закачивают в реакционный котел, или тампонажного цемента, который загружают в цилиндр с цементным раствором, исследуют влияние теплоты, высвобождаемой при гидратации бурового раствора или тампонажного цемента, на стабильность гидрата природного газа; добавляя ингибиторы теплоты гидратации в цементный раствор для нефтяных и газовых скважин, оценивают эффект ингибиторов теплоты гидратации.

[0016] По сравнению с аналогами, известными из предшествующего уровня техники, настоящее изобретение характеризуется следующими полезными эффектами:

(1) результаты испытания являются наглядными, можно непосредственно наблюдать за разложением и образованием гидрата природного газа в реакционном котле;

(2) температура в диапазоне -15-190°C может удовлетворять температурным требованиям условий цементирования при низких температурах и испытаний в отношении теплоты гидратации при высоких температурах;

(3) конструкция трубопровода для бурового раствора и цилиндра с цементным раствором позволяет моделировать взаимодействие между обсадной колонной и слоем гидрата природного газа в ходе строительных работ с применением бурового раствора;

(4) хорошая герметичность при нагревании и точные результаты испытания;

(5) в представленной установке может учитываться теплота, высвобождаемая при гидратации бурового раствора и системы для цементирования в процессе цементирования скважины, и стабильность гидрата природного газа с целью исследования в отношении теплоты, высвобождаемой при гидратации цемента для нефтяных и газовых скважин;

(6) в раствор также можно добавлять термодинамические ингибиторы, кинетические ингибиторы, средства против коагуляции и изделия, в которых они сочетаются, при этом эффективность действия ингибиторов можно эффективно и наглядно оценить.

[0017] Настоящее изобретение можно использовать в исследованиях ряда инженерных задач, касающихся несоответствия качества цементирования скважины стандартам, которое вызвано разложением гидрата природного газа в процессе глубоководного бурения скважин, проседания пластов и т. п., и, в частности, использовать для мониторинга, анализа и исследования того, может ли теплота, высвобождаемая при гидратации в процессе движения системы цементного раствора для цементирования скважины и бурового раствора, привести к разложению гидрата природного газа.

Описание прилагаемых графических материалов

[0018] На фиг. 1 представлено схематическое изображение конструкции установки для испытания влияния теплоты гидратации цементного раствора / бурового раствора на стабильность гидрата природного газа.

[0019] На фиг. 2 представлено схематическое изображение конструкции реакционного котла (с элементом с цементным раствором).

[0020] На фиг. 3 представлено схематическое изображение конструкции реакционного котла (с элементом с буровым раствором).

[0021] На фигурах: 1 - источник газа; 2 - клапан регулирования давления; 3 - устройство измерения массового расхода газа; 4 - устойчивый к действию серы манометр; 5 - предохранительный клапан высокого давления; 6 - термостатический бак; 7 - переключающая арматура источника воды; 8 - выполненный с возможностью наблюдения реакционный котел; 9 - устройство магнитного перемешивания; 10 - емкость для накапливания бурового раствора с циркуляционным насосом; 11 - арматура для закачивания бурового раствора; 12 - насос для бурового раствора; 13 - панель управления; 14 - блок обработки данных о температуре; 15 - блок обработки данных о давлении; 16 - вычислительное устройство; 17, 30 - крепежный болт; 18, 31 - болт реакционного котла; 19, 28 - теплоизоляционная пластина; 20 - крышка цилиндра с цементным раствором; 21 - верхняя крышка реакционного котла; 22 - нижняя крышка реакционного котла; 23 - нагревательная рубашка; 24 - датчик давления; 25 - датчик температуры; 26 - цилиндр с цементным раствором; 27 - верхнее дно реакционного котла; 29 - нижнее дно реакционного котла; 32 - циркуляционный трубопровод для бурового раствора; 33 - соединительный болт; 34 - трубопровод для закачивания бурового раствора.

Конкретные способы осуществления

[0022] Чтобы специалистам в данной области техники было легче понять настоящее изобретение, настоящее изобретение дополнительно описано ниже со ссылками на прилагаемые графические материалы. Тем не менее следует понимать, что объем настоящего изобретения не ограничивается конкретными способами осуществления, и изменения, предложенные специалистами в данной области техники, входят в объем защиты настоящего изобретения, если они находятся в пределах его сущности и объема, определенных и установленных на основании прилагаемой формулы изобретения.

[0023] Со ссылкой на фиг. 1.

[0024] Установка для испытания влияния теплоты гидратации цементного раствора / бурового раствора на стабильность гидрата природного газа содержит источник 1 газа; клапан 2 регулирования давления; устройство 3 измерения массового расхода газа; манометр 4; термостатический бак 6; переключающую арматуру 7 источника воды; выполненный с возможностью наблюдения реакционный котел 8; устройство 9 магнитного перемешивания; панель 13 управления; блок 14 обработки данных о температуре; блок 15 обработки данных о давлении; вычислительное устройство 16; нагревательную рубашку 23; датчики 24 давления; и датчики 25 температуры.

[0025] Указанный выполненный с возможностью наблюдения реакционный котел 8 установлен на основании с устройством 9 магнитного перемешивания и снабжен окном для наблюдения, при этом реакционный котел последовательно соединен с манометром 4, устройством 3 измерения массового расхода газа, клапаном 2 регулирования давления и источником 1 газа, а также посредством переключающей арматуры 7 источника воды соединен с термостатическим баком 6; реакционный котел снаружи окружен нагревательной рубашкой 23, на которой с двух сторон расположено соответственно несколько датчиков 25 температуры и датчиков 24 давления; датчики температуры и датчики давления соединены соответственно с блоком 14 обработки данных о температуре и блоком 15 обработки данных о давлении; блок обработки данных о температуре и блок обработки данных о давлении соответственно связаны с панелью 13 управления и вычислительным устройством 16; указанный выполненный с возможностью наблюдения реакционный котел содержит крышку котла и дно котла; крышка котла содержит верхнюю крышку 21 котла, нижнюю крышку 22 котла и теплоизоляционную пластину 19; дно котла содержит верхнее дно 27 котла, нижнее дно 29 котла и теплоизоляционную пластину 28; верхняя крышка 21 котла и нижнее дно 29 котла соответственно посредством крепежных болтов 17 и 30 соединены с корпусом котла.

[0026] При применении указанной установки в процессе цементирования скважины (см. фиг. 2) в центре корпуса реакционного котла посредством болтов 18 и 31 реакционного котла, а также нижней крышки 22 реакционного котла и верхнего дна 27 реакционного котла закреплен цилиндр 26 с цементным раствором, при этом цилиндр с раствором содержит крышку 20 цилиндра; в цилиндр с раствором помещен цементный раствор.

[0027] При применении указанной установки в процессе бурения скважины (см. фиг. 3) в центре корпуса реакционного котла предусмотрен циркуляционный трубопровод 32 для бурового раствора; циркуляционный трубопровод для бурового раствора посредством соединительных болтов 33 выполнен в сообщении с трубопроводом 34 для закачивания бурового раствора; трубопровод для закачивания бурового раствора последовательно соединен с емкостью 10 для накапливания бурового раствора с циркуляционным насосом, арматурой 11 для закачивания бурового раствора и насосом 12 для бурового раствора.

[0028] Цилиндрическая стенка указанного цилиндра с цементным раствором выполнена из медного материала; размер указанного циркуляционного трубопровода для бурового раствора равен размеру цилиндра с цементным раствором, и он также выполнен из медного материала.

[0029] Указанные датчики температуры применяются в сочетании с датчиками давления и предусмотрены с ними парами на одинаковой высоте для точного сбора данных о температуре и давлении внутри реакционного котла. Блок сбора данных о температуре и блок сбора данных о давлении связаны с панелью управления, и они также связаны с блоком обработки данных о температуре и блоком обработки данных о давлении, и тогда посредством вычислительного устройства собирают и обобщают данные и осуществляют анализ и обработку изображений.

[0030] Посредством вышеуказанной установки определяют влияние теплоты гидратации цементного раствора / бурового раствора на стабильность гидрата природного газа, при этом конкретный процесс является следующим:

На панели 13 управления устанавливают температуру и давление реакции; устанавливают температуру в термостатическом баке 6; в период повышения температуры термостатического бака проверяют, правильно ли блок 25 сбора данных о температуре и блок 24 сбора данных о давлении соединены с панелью управления; устанавливают верхнее дно 27 реакционного котла, нижнюю теплоизоляционную пластину 28 и нижнее дно 29 котла, которые закрепляют и стабилизируют посредством крепежных болтов 30; для закрепления цилиндра 26 с цементным раствором используют болт 31 нижней крышки. Цилиндр с цементным раствором устанавливают и закрепляют в заданном положении на дне котла; затем аналогично устанавливают нижнюю крышку 22 реакционного котла, верхнюю теплоизоляционную пластину 19 и верхнюю крышку 21 реакционного котла; закрепляют их посредством крепежных болтов 17 и болта 18 реакционного котла.

[0031] Затем открывают переключающую арматуру 7 источника воды с обеспечением подачи источника воды. Закрывают переключающую арматуру источника воды; обеспечивают нахождение предохранительного клапана 5 высокого давления в закрытом состоянии; открывают переключающую арматуру источника газа 1 с обеспечением подачи газа; закрывают переключающую арматуру источника газа. Включают «автоматический режим» панели управления; посредством нагревательной рубашки 23 реакционного котла и клапана 2 регулирования давления осуществляют регулирование давления и температуры; включают устройство 9 магнитного перемешивания. Посредством выполненного с возможностью наблюдения окна осуществляют мониторинг внутри реакционного котла; после образования гидрата природного газа открывают крышку котла и теплоизоляционную пластину; открывают крышку 20 цилиндра с цементным раствором и быстро вливают в цилиндр с цементным раствором цементный раствор, полученный согласно стандарту API. Включают вычислительное устройство 16 для осуществления сбора данных.

[0032] После завершения испытания с цементным раствором сначала выключают автоматический режим панели управления. Затем открывают предохранительный клапан 5 высокого давления, выпускают газ высокого давления внутри реакционного котла и выключают устройство магнитного перемешивания. Цилиндр с раствором извлекают и промывают.

[0033] Показанный на фиг. 3 трубопровод 34 для закачивания бурового раствора представляет собой трубопровод, который соединен с емкостью 10 для накапливания бурового раствора с циркуляционным насосом, которые показаны на фиг. 1, при этом с нижней стороны реакционного котла происходит закачивание, а с верхней - выкачивание. Перед началом испытания с буровым раствором сначала циркуляционный трубопровод 32 для бурового раствора соединяют с трубопроводом 34 для закачивания бурового раствора посредством соединительных болтов 33 и проверяют на герметичность. После образования гидрата осуществляют перекачивание полученного бурового раствора циркуляционным насосом, затем запускают сбор данных. После завершения испытания открывают предохранительный клапан высокого давления и выключают устройство магнитного перемешивания. Циркуляционный трубопровод для бурового раствора извлекают и промывают.

Настоящее изобретение относится к установке для испытания влияния теплоты гидратации цементного или бурового раствора на стабильность гидрата природного газа, которая содержит источник 1 газа; клапан 2 регулирования давления; устройство 3 измерения массового расхода газа; манометр 4; термостатический бак 6; переключающую арматуру 7 источника воды; выполненный с возможностью наблюдения реакционный котел 8; панель 13 управления; вычислительное устройство 16; нагревательную рубашку 23; датчик 24 давления; датчик 25 температуры; при этом выполненный с возможностью наблюдения реакционный котел последовательно соединен с манометром, устройством измерения массового расхода газа, клапаном регулирования давления и источником газа, а также посредством переключающей арматуры источника воды соединен с термостатическим баком. Реакционный котел снаружи окружен нагревательной рубашкой, на которой с двух сторон расположено соответственно несколько датчиков температуры и датчиков давления. При применении в процессе цементирования скважины в центре корпуса котла закреплен цилиндр с цементным раствором, при этом в цилиндр с раствором помещен цементный раствор; при применении в процессе бурения скважины в центре корпуса котла находится циркуляционный трубопровод для бурового раствора, при этом циркуляционный трубопровод для бурового раствора соединен с трубопроводом для закачивания бурового раствора. Технический результат: настоящее изобретение характеризуется простым и быстрым процессом испытания и может использоваться в исследованиях закономерностей влияния теплоты, высвобождаемой при гидратации цементного раствора и бурового раствора, на стабильность гидрата природного газа. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Установка для испытания влияния теплоты гидратации цементного или бурового раствора на стабильность гидрата природного газа, содержащая источник газа (1); клапан (2) регулирования давления; устройство (3) измерения массового расхода газа; манометр (4); термостатический бак (6); переключающую арматуру (7) источника воды; выполненный с возможностью наблюдения реакционный котел (8); устройство (9) магнитного перемешивания; панель управления (13); блок (14) обработки данных о температуре; блок (15) обработки данных о давлении; вычислительное устройство (16); нагревательную рубашку (23); датчики (24) давления; и датчики температуры (25); отличающаяся тем, что указанный выполненный с возможностью наблюдения реакционный котел (8) установлен на основании с устройством (9) магнитного перемешивания и снабжен окном для наблюдения, при этом реакционный котел последовательно соединен с манометром (4), устройством (3) измерения массового расхода газа, клапаном (2) регулирования давления и источником (1) газа, а также посредством переключающей арматуры (7) источника воды соединен с термостатическим баком (6); реакционный котел снаружи окружен нагревательной рубашкой (23), на которой с двух сторон расположено соответственно несколько датчиков (25) температуры и датчиков (24) давления; датчики температуры и датчики давления соединены соответственно с блоком (14) обработки данных о температуре и блоком (15) обработки данных о давлении; блок обработки данных о температуре и блок обработки данных о давлении соответственно связаны с панелью (13) управления и вычислительным устройством (16); указанный выполненный с возможностью наблюдения реакционный котел содержит крышку котла и дно котла; крышка котла содержит верхнюю крышку (21) котла, нижнюю крышку (22) котла и теплоизоляционную пластину (19); дно котла содержит верхнее дно (27) котла, нижнее дно (29) котла и теплоизоляционную пластину (28); верхняя крышка котла и нижнее дно котла посредством крепежных болтов соответственно соединены с корпусом котла.

2. Установка для испытания влияния теплоты гидратации цементного или бурового раствора на стабильность гидрата природного газа по п. 1, отличающаяся тем, что при применении указанной установки в процессе цементирования скважины в центре корпуса реакционного котла посредством болтов (18, 31) реакционного котла, а также нижней крышки (22) реакционного котла и верхнего дна (27) реакционного котла закреплен цилиндр (26) с цементным раствором, при этом цилиндр с раствором содержит крышку (20) цилиндра; в цилиндр с раствором помещен цементный раствор.

3. Установка для испытания влияния теплоты гидратации цементного или бурового раствора на стабильность гидрата природного газа по п. 1, отличающаяся тем, что при применении указанной установки в процессе бурения скважины в центре корпуса реакционного котла предусмотрен циркуляционный трубопровод (32) для бурового раствора; циркуляционный трубопровод для бурового раствора посредством соединительных болтов (33) соединен с трубопроводом (34) для закачивания бурового раствора; трубопровод для закачивания бурового раствора последовательно соединен с емкостью (10) для накапливания бурового раствора с циркуляционным насосом; арматурой (11) для закачивания бурового раствора; и насосом (12) для бурового раствора.

4. Установка для испытания влияния теплоты гидратации цементного или бурового раствора на стабильность гидрата природного газа по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что цилиндрическая стенка указанного цилиндра с цементным раствором выполнена из медного материала; размер указанного циркуляционного трубопровода для бурового раствора равен размеру цилиндра с цементным раствором, и он также выполнен из медного материала.