Турбулизатор для обсадной колонны Советский патент 1992 года по МПК E21B33/14 

1

(21)4876214/03 (22)22.10.90 (46)07.10.92. Бюл. №37

(71)Всесоюзный научно-исследовательский институт по креплению скважин и буровым растворам Научно-производственного объединения Бурение

(72)А.В.Ладыга, А.А.Абрамов, С.С.Джанги- ров и Е.М.Волосникова

(56)General services зпо1 products Catalog. Weatherford, 1990-91, c.39-43.

Булатов А.И, и др. Справочник по креплению нефтяных и газовых скважин.- М,: Недра, изд. 2-е, 1981, с.121-122.

Авторское свидетельство СССР № 1712587,кл. Е 21 В 33/14,1989. (54) ТУРБУЛИЗАТОР ДЛЯ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ

(57)Использование: для создания турбули- зации потока жидкости при цементировании. Обеспечивает повышение качества цементирования обсадных колон в наклонных скважинах за счет усиления эффекта турбу- лизации потока цементного раствора, а также возможности вращения и расхаживания обсадных колонн. Сущность изобретения: устройство включает корпус, а на нем под различными углами к его оси закреплены упругие ребра. В продольном сечении они выполнены в виде элементов трапецеидальной формы. Большее основание L упругого ребра определяют из соотношения D - d/2 L 1,33 (D - d/2); меньшее основание I упругого ребра определяют из соотношения I 0,67 (D - d/2), где D - диаметр скважины, мм; d - диаметр осадной колонны, мм. Большие основания упругих ребер чередуются с их меньшими основаниями. 4 ил.

(Л

С

Изобретение относится к оснастке обсадных колонн, применяемых при креплении нефтяных, газовых и др. скважин, и предназначено для создания турбулизации потока жидкости в затрубном пространстве при цементировании обсадных колонн.

Известны устройства данного назначения различного конструктивного исполнения.

Совмещенный центратор-турбулизатор металлоемок, сложен конструктивно, трудоемок в изготовлении и сборке. Надежность работы устройства зависит от надежности каждого из функциональных узлов (центратор, турбулизатор). Поломка, например,

центрирующей планки приведет к поломке турбулизирующих элементов.

Следовательно, устройство не будет выполнять своего назначения и создаст сложную ситуацию в скважине (особенно наклонно-направленной или горизонтальной) при спуске обсадной колонны.

Кроме того, данное устройство как турбулизатор не может устанавливаться в зонах поглощения, хотя как центратор оно там необходимо, т.е. устройство по своему назначению требует наличия других устройств.

Турбулизатор с жесткими ребрами, а также турбулизатор с гибкими ребрами.со- здают низкий эффект турбулизации потока

vi о VI

о о

из-за своих конструктивных особенностей. Их ребра имеют продольное сечение, высота которых меньше величины кольцевого зазора и расположены параллельно друг относительно друга.

Известен турбулизатор с размещением турбулизирующих элементов (ребер) под различными углами к оси корпуса. Однако он не позволяет избежать недостатка предыдущего турбулизатора из-за использова- ния простейшей формы (прямоугольной) турбулизирующих элементов. Кроме того, из мировой практики известно, что нор- кольцевым зазором между стенкой скважины и стенкой обсадной трубы принят зазор в 19 мм, а очень часто он составляет 10-11. Поэтому диаметры отверстий в основных пластинах данного турбулизатора могут быть менее 10 мм, что снижает надежность его работы, т.к. отвер- стия могут быть легко зашламлены остатками горной породы и твердой фазой бурового раствора и потеряют свое функциональное назначение. Область применения данного турбулизатора ограничивается использова- нием в вертикальных скважинах с концентричным расположением обсадных колонн в стволах скважин.

При эксцентричном расположении колонны значительная часть кольцевого про- странства будет находиться вне зоны активного воздействия турбулизатора.

Таким образом, существующие конструкции не обеспечивают высокой эффективности и стабильной надежности работы. Они разработаны без учета эксцентричного расположения обсадных колонн в скважинах.

Целью устройства является усиление эффекта турбулизации потока и повышение эф- фективности его использования в условиях скважин, в т.ч. наклонно-направленных и горизонтальных.

Цель достигается тем, что упругие тур- булизирующие элементы (ребра) в продоль- ном сечении имеют трапецеидальную форму, причем величина большего основания определяется из условия

,33()

а меньшее

I о,67(),

где D - диаметр скважины;

d - диаметр обсадной колонны.

Турбулизирующие элементы (упругие ребра) расположены на корпусе под различными углами, при этом большие основания упругих ребер чередуются с их меньшими основаниями.

5

10 15 0 5

0

5

0

5

0

5

На фиг.1 изображен предлагаемый турбулизатор, общий вид; на.фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.З - турбулизатор, часть развертки; на фиг.4 - вертикальные разрезы скважин и обсадных труб с турбулизаторами (схематично) с различными по величине основаниями ребер на горизонтальном участке.

Турбулизатор состоит из корпуса 1 и турбулизирующих упругих ребер 2.

Для повышения качества цементирования обсадных колон за счет увеличения степени вытеснения бурового раствора и замещения его за колонной тампонажным необходим турбулентный режим течения растворов в процессе цементирования. Это достигается установкой на обсадных трубах турбулизаторов.

Работа турбулизатора заключается в следующем.

После спуска обсадной колонны до проектной глубины скважина промывается буровым раствором. На данном этапе турбулизаторы, установленные на обсадной колонне в определенных интервалах, создают турбулентный режим течения раствора, воздействуя на застойные зоны и на корку наслоений на стенках скважины.

На последующем этапе при закачке и продавкетампонажного раствора за колонну труб, турбулизаторы, создавая возмущение потока раствора способствуют более полному вытеснению бурового раствора и замещению его тампонажным.

Повышение эффективности турбулизации потока при прочих равных скважинных условиях в предлагаемом турбулизаторе достигается за счет применения наиболее рациональных размеров и форм возмущающих (турбулизирующих) элементов (упругих ребер), а также их взаимного расположения (фиг. 1-3).

Размеры оснований ребра определялись исходя из необходимости создания гидравлического канала между ребрами, корпусом турбулизатора и стенками скважины, а также из реальных геометрических размеров кольцевого зазора между обсадными трубами и стенками скважин. Во внимание приняты два основные положения:

2,Оси колоны и скважины не совпадают (фиг.4). Для качественного цементирования обсадных колонн эксцентриситет е должен ограничиваться, В мировой практике принято, что он не должен превышать 33%, т.е.

0,33 % кольцевого зазора. Это достигается благодаря применению центраторов. При максимально допустимом эксцентриситете емакс кольцевой зазор будет неравномерным (фиг.4). С одной стороны он будет максимальным, т.е. 1,33 (-.т-) , с другой минимальным, т.е. 0,67

-) с наличием

,D-ck участков оптимального зазора, т.е. (-п-).

При современном развитии техники не представляется возможным сориентировать установленные на колонне десятки тур- булизаторов с размерами ребер, соответствующих величине зазора.

Поэтому необходим выбор наиболее оптимальных размеров оснований ребер, эффективно работающих на любом участке по вертикальному разрезу горизонтальной скважины.

Анализ показывает, что при равенстве оснований ребер минимальному кольцевому зазору, т.е. 0,67 (-п-) , около одной

трети площади кольцевого зазора вертикального разреза (например, диаметр скважины 216 мм, обсадной колонны - 146 мм) не находится в зоне активного воздействия (AT) турбулизатора (фиг.4а), при равенстве оснований ребер оптимальному кольцевому

г fj

зазору, т.е. (-п-) более 10%, при этом

будут незначительно деформированы отдельные ребра турбулизатора (фиг.4б).

При равенстве оснований ребер максимальному кольцевому зазору, т.е. 1,33

xD-dv

(-2-) вся площадь кольцевого зазора

находится под активным воздействием турбулизатора (фиг.4в), но часть ребер будет деформирована в различной степени.

Таким образом, исходя из анализа можно сделать вывод, что наиболее эффективно будет работать ребро трапецеидальной формы.

С учетом необходимости создания тур- булизирующих элементов, обеспечивающих эффективное воздействие по всему кольцевому зазору при концентричном и эксцентричном расположении обсадной колонны в скважине при минимальной деформации отдельных упругих ребер определено, что большее основание ребра L выбирается из условия

LЈ1,33(), а меньшее

I 0,67().

Трапецеидальная форма благодаря разности величин оснований ребер позволит постоянно по высоте h (фиг.З) возмущать поток, вовлекать новые объемы раствора в

режим турбулентного течения и направлять его к стенке скважины.

При расположении упругих ребер с большими основаниями L вверх или наоборот вниз эффект турбулизации потока будет

проявляться при движении колонны вниз или только вверх соответственно, т.е. при расхаживании колонны он будет односторонним. При вращении колонны эффект будет равноценным и минимальным как и при

прямоугольном сечении ребер.

При последовательно чередующемся расположении упругих ребер с большими основаниями вверх и вниз эффект турбулизации потока будет одинаково проявляться

при движении колонны вниз и вверх (спуск колонны и ее расхаживание). При вращении колонны эффект турбулизации будет максимальным из-за разно сти оснований L и I. При концентричном или эксцентричном

расположении обсадной колонны в скважине все кольцевое пространство будет находиться в зоне активной турбулизации потока при спуске, расхаживании и вращении.

Размеры, форма ребер и схема их расположения обеспечивают применение тур- булизаторов при нормальных, (вертикальные скважины), а также в экстремальных условиях эксцентричного расположенияобсадныхтрубв

наклонно-направленных и горизонтальных скважинах при оптимальном эффекте турбулизации, способствующему более полному вытеснению бурового раствора и замещению его тампонажным.

Техническая эффективность предлагаемого турбулизатора достигается за счет повышения качества крепления скважин. Формула изобретения Турбулизатор для обдадной колонны,

включающий корпус с закрепленными под различными углами к его оси упругими ребрами, отличающийся тем, что, с целью повышения качества цементирования обсадных колонн в наклонных скважинах за

счет возможности усиления эффекта турбулизации потока цементного раствора, а также возможности вращения и расхаживания обсадных колонн, упругие ребра в продольно сечении выполнены в виде элементов

трапецеидальной формы с большим основанием L, определяемым из соотношения

()

и меньшим основанием I, определяемым из соотношения

I 0,67(-),

сРиг 2

где D - диаметр скважины, мм;

d - диаметр обсадной колонны, мм, при этом большие основания упругих ребер чередуются с их меньшими основаниями.

Фиг 3

а

i

Г

-так