Модернизация оборудования и совершенствование технологии приготовления тампонажных растворов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат наук Мищенко, Сергей Владимирович

• Мищенко, Сергей Владимирович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Мищенко, Сергей Владимирович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ И ТЕХНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ

1.1 Обзор технической и патентной литературы по процессам приготовления тампонажных растворов

1.2 Анализ элементов системы приготовления тампонажных растворов

1.2.1 Бункеры цемента

1.2.2 Гидроэжекторные смесители

Выводы к главе 1

ГЛАВА 2 АНАЛИЗ РАСХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БУНКЕРОВ ЦЕМЕНТА ТРАДИЦИОННЫХ СХЕМ

2.1 Скорость свободного истечения цемента

2.2 Расчет наименьшего допустимого диаметра донного выпускного отверстия бункера цемента

2.3 Анализ влияния угла наклона стенок бункера на процесс выпуска цемента через донное отверстие

2.4. Истечение в шнековый питатель

2.5 Истечение в транспортный канал под действием вакуума

Выводы к главе 2

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ СИСТЕМ РАЗГРУЗКИ БУНКЕРОВ ЦЕМЕНТА

3.1 Система выгрузки цемента через верх бункера

по вертикальному трубопроводу

3.2 Система выгрузки цемента из бункера с помощью шнека-рыхлителя

Выводы к главе 3

ГЛАВА 4 АНАЛИЗ РАСХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОЭЖЕКТОРНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

4. 1 Устройство и основные требования к конструкции

гидроэжекторного смесшеля

4.2 Экспериментальные исследования гидроэжекторных смесителей и обоснование путей повышения

коэффициента эжекции

4.3 Уравнение характеристики гидроэжекторного смесителя

4.4 Разработка и испытания гидроэжекторных смесителей с диспергированной струей,

4.4.1 Испытания гидроэжекторного смесителя с многоствольным соплом

4.4.2 Разработка и испытания гидроэжекторного смесителя с кольцевым соплом

Выводы к главе 4

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ И ФОРМУЛИРОВКА ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ РЕГЛАМЕНТА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ НА МОДЕРНИЗИРОВАННОМ ОБОРУДОВАНИИ

5.1 Состав модернизированной технологической схемы с

подачей цемента шнеком-рыхлителем

5.2 Расчет элементов технологической схемы с подачей цемента шнеком-рыхлителем

5.3 Состав модернизированной технологической схемы приготовления тампонажных растворов с выгрузкой

цемента через верх бункера

5.4 Расчет параметров модернизированной технологической

схемы приготовления тампонажных растворов с выгрузкой

цемента через верх бункера

5.5 Требования к регламенту процесса приготовления тампонажного раствора при цементировочных работах в скважинах

5.5.1 Требования к регламенту процесса при подаче цемента

шнеком

5.5.2 Требования к регламенту процесса при выгрузке

цемента через верх бункера

5.6 Использование результатов работы

Выводы к главе 5

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модернизация оборудования и совершенствование технологии приготовления тампонажных растворов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы Важнейшим этапом строительства нефтяных и газовых скважин является цементирование обсадных колонн, хвостовиков, установка цементных мостов. Для реализации процесса цементирования необходимо иметь высококачественные тампонажные растворы с необходимыми параметрами. Основу тампонажного раствора составляет раствор цемента в воде или водном растворе химреагентов (так называемая жидкость затворения). Технические средства приготовления цементного раствора должны обеспечить требуемую производительность по готовому раствору, его плотность и максимальную однородность смеси. Среди этих технических средств наиболее важны устройства для дозированной подачи цемента и его качественного смешения с жидкостью затворения.

В настоящее время приготовление больших объемов тампонажного раствора на буровых производится с помощью цементно-смесительных машин, оснащенных подвесным гидросмесителем, цементировочного агрегата, промежуточного бачка, второго цементировочного агрегата для откачки смеси в ос-реднительную емкость с последующей откачкой этим же или третьим цементировочным агрегатом на станцию контроля цементирования и на цементировочную головку на устье скважины. Недостатком этой системы являются большие колебания плотности раствора после гидросмесителя, связанные с нестабильностью истечения цемента из бункеров и некачественным смешением. Для выравнивания и доводки свойств смеси вынуждены применять осредни-тельные емкости. Многоступенчатость операции увеличивает количество применяемой техники. При этом для установки цементных мостов, цементирования хвостовиков, при изоляционных работах требуется приготовление небольших порций тампонажного раствора (как правило 1-5 м3). Использование описанного выше оборудования зачастую невозможно из-за малого объема рас-

твора. В итоге раствор готовится с использованием неприспособленных технических средств с применением ручного труда. Требуемого качества цементного раствора достичь проблематично. Специальная техника для этого отсутствует. Отсутствуют надежные гидроэжекторные смесители. Основным недостатком имеющихся является забиваемость канала цемента в результате брызгообразо-вания в приемной камере. Производительность процесса ограничена и слабо-управляема из-за нестабильности истечения цемента из бункеров.

Исследованием оборудования и процессов приготовления тампонажных растворов и связанных с ними явлений занимались многие отечественные и зарубежные инженеры и ученые. Среди них А.И.Булатов, Ю.М.Проселков, О.И. Бездробный, П.П.Макаренко, А.Г.Аветисов, Н.И.Макушев, В.М.Мильштейн, В.М.Миненков, А.С.Мамврийский, С.А.Рябоконь, Т.Е.Аллен (Т.Е.АНеп), П.О.Паджетт (Р.О.Рас^еИ). Вышел ряд обобщающих монографий. Однако, в известных исследованиях недостаточно изучен процесс истечения цемента из бункеров, мало информации о выборе рациональной конструкции гидроэжек-торного смесителя.

Таким образом, исследования и разработки в области совершенствования оборудования и технологии приготовления тампонажных растворов являются актуальными.

Цель работы

Модернизация оборудования и совершенствование технологии приготовления тампонажных растворов путем создания устройств, обеспечивающих стабильную подачу цемента с требуемой производительностью и создания устройств для качественного смешения цемента с жидкостью затворения.

Основные задачи исследования

1. Аналитически и экспериментально исследовать закономерности выпуска цемента из бункеров существующих систем приготовления. Выявить причины нестабильности истечения цемента и низкой производительности существующих агрегатов.

2. Разработать новые более эффективные способы транспортирования цемента из бункера в зону смешения.

3. Разработать конструкции и провести сравнительное исследование гид-роэжекторных смесителей цемента, в том числе с компактной и диспергированной струей.

Научная новизна

1. Впервые предложены соотношения для расчета истечения цемента из бункера в вакуумированный пневмопровод. Разработана, испытана и защищена патентом РФ № 2499878 высокопроизводительная система пневмотранспорти-рования цемента через верх бункера по вертикальному пневмопроводу с гидро-эжекторным смесителем в качестве источника вакуума. Выведены расчетные соотношения для определения параметров новой системы.

2. Установлено, что низкая производительность шнековых питателей цемента традиционных конструкций связана с низкими расходными характеристиками процесса выгрузки цемента из нижнего отверстия бункера в шнек. Впервые разработана, испытана и защищена патентом РФ №123344 система подачи цемента на смешение с помощью шнека-рыхлителя, встроенного в боковую стенку бункера, а не в дно. Экспериментально доказано, что предложенная система поддерживает непрерывное рыхление цемента и обрушение сводов. Определены достижимые значения коэффициента заполнения шнека не менее 0,4.

3. Доказано, что существенное повышение эффективности гидроэжектор-ных смесителей достигается при значительном снижении числа Вебера рабочей струи аппарата, что обеспечивается за счет создания ее диспергированной или кольцевой формы. Предложена степенная форма уравнения характеристики гидроэжектор!юго смесителя. Экспериментально доказана большая эффективность гидроэжекторных смесителей с диспергированной струей по сравнению с одноствольным соплом. Найдены практические значения коэффициентов эжек-

ции натурных образцов гндроэжекторных смесителей, составляющие величину порядка 2-2,5.

Теоретическая значимость работы

Получены и проверены на практике новые расчетные соотношения для определения параметров процессов приготовления тампонажных растворов: массового расхода цемента в системе транспортирования и характеристики гидроэжекторного смесителя.

Практическая значимость работы

1. Разработанные автором гидроэжекторные смесители с шестиствольным и кольцевым соплом и загрузчик цемента с обратным клапаном используются в составе установок для приготовления разовых порций буровых и тампонажных растворов.

2. В настоящее время ведется разработка опытного образца новой мобильной установки с подачей цемента на смешение наклонным высокопроизводительным шнековым транспортером с шнеком-рыхлителем.

Методы исследования

При проведении экспериментальных исследований использовались известные методы физических измерений, в том числе гидравлических величин и расходно-весовых характеристик сыпучих материалов. При теоретических исследованиях использовались методы теоретической механики, гидромеханики, механики грунтов и сыпучих тел, математического анализа, теории вероятностей.

Достоверность полученных результатов

Достоверность обеспечена сравнением теоретических положений и расчетных соотношений с опытными данными как самого автора, так и данными, опубликованными в печати. Адекватность полученных соотношений проверена по известным в статистике методикам.

Личный вклад автора

Анализ современного уровня развития данного вида техники, проектирование и контроль изготовления экспериментальных установок, личное проведение экспериментов, обработка и анализ результатов измерений, подготовка публикаций.

Положения, выносимые на защиту

1. Расчет массового расхода цемента на переходе бункер - пневмопровод и обеспечение высокопроизводительной подачи тампонажных материалов на смешение вверх через вертикальный трубопровод при использовании гидро-эжекторного смесителя в качестве источника вакуума.

2. Аналитическое и экспериментальное обоснование рациональной системы подачи цемента шнеком-рыхлителем и повышения коэффициента заполнения транспортирующего шнека.

3. Доказательство существенного влияния числа Вебера на процесс гид-роэжекторного смесителя и на этой основе разработка более эффетивных гид-роэжекторных смесителей с диспергированной струей с получением соотношений для расчета фактического значения коэффициента эжекции на натурных образцах.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международной 65-й научной студенческой конференции "Нефть и газ-2011" г.Москва, апрель 2011 г.; на Международной X научно-практической конференции "Ашировские чтения" п.Агой, октябрь 2013 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 5 в журналах, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России, и 3 патента РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 182 страницах, включает 46 рисунков и 14 таблиц.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ И ТЕХНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ

1.1 Обзор технической и патентной литературы по процессам приготовления тампонажных растворов

В нефтегазопромысловом деле широко используются тампонажные растворы: для цементирования обсадных колонн; для борьбы с поглощениями буровых растворов в процессе бурения скважин; для установки цементных мостов с целью изоляции пластовых вод и ликвидации межпластовых перетоков; для установки отклоняющих клиньев при забуривании боковых стволов и т.д. [1,2, 3, 4, 25, 41, 88]. Основу тампонажного раствора составляет смесь цемента с водой или водным раствором реагентов (так называемая жидкость затворения). Смешение цемента с жидкостью затворения происходит в поверхностнуой системе приготовления тампонажных растворов, которая представляет собой мобильный комплекс технических средств, размещаемых в непосредственной близости от скважины на время выполнения тампонажных работ. Смешение раствора должно производиться с высокой производительностью (до 2 м /мин по готовому раствору или до 1,5 т/мин по цементу [1, 25]) и с обеспечением максимальной однородности смеси.

Исследованием оборудования и процессов приготовления тампонажных растворов и связанных с ними явлений занимались многие отечественные и зарубежные инженеры и ученые. Среди них А.И.Булатов, Ю.М.Проселков, О.И. Бездробный, П.П.Макаренко, А.Г.Аветисов, Н.И.Макушев, В.М.Милыитейн, В.И.Мищенко, В.М.Миненков, Г.В.Беликов, А.С.Мамврийский, С.А.Рябоконь, Т.Е.Аллен (Т.Е.АНеп), П.О.Паджетт (Р.О.Рас^еИ). Вышел ряд обобщающих монографий А.И.Булатова и Ю.М.Проселкова с соавторами, В.М.Мильштейна, Дж.О.Робертсона ^.О.ЯоЬеЛБоп) с соавторами [1,3,24,25,88] и других. Сущест-

венный вклад в создание современных систем приготовления тампонажных растворов внесли инженеры и конструкторы ряда производственных и научных предприятий, в особенности ОАО НПО «Бурение» (ранее ВНИИКРнефть), СевКавНИПИнефть, ООО «Эскорт» (ранее Повочеркасский механический завод), Костромское ОАО «Строммашина», ОАО «Ижнефтемаш» и др. За рубежом значительных успехов в производстве и поставке на мировой рынок комплексов приготовления тампонажных растворов достигли известные американские корпорации Халлибуртон (Halliburton) и Шлюмберже (Schlumberger).

В 60-90 годы были разработаны основные принципы проектирования систем приготовления тампонажных растворов, созданы образцы техники, налажено серийное производство различного оборудования. В частности, за рубежом выпускаются комплектные мобильные агрегаты приготовления тампонажных растворов, включающие размещенный на единой платформе насосно-смесительный блок и специализированные цементовозы. В России налажен широкий выпуск цементировочных агрегатов, цементно-смесительных машин, осреднительных емкостей, вспомогательного оборудования, станций контроля процесса цементирования. Значительное распространение в последние годы получили сервисные компании, что позволило за счет сосредоточения на одном предприятии лучших образцов техники и квалифицированного персонала значительно повысить качество цементирования, снизить остроту такой важной проблемы, как межколонные перетоки.

Процесс приготовления тампонажного раствора включает следующие операции: доставка компонентов на место работ и перебункировка сухой смеси, подготовка жидкости затворения, подача сухой смеси и жидкости затворения на смешение, смешение сухого и жидкого компонентов, накопление смеси, регулирование ее свойств, гомогенизация смеси, подача готового раствора на вход плунжерного или поршневого цементировочного насоса для последующей закачки в скважину [1, 24, 25, 41, 79]. Проведение этих операций требует применения различного технологического оборудования. Так доставка порошкооб-

разных материалов, прежде всего цемента, к месту работ и его перебункеровка, производится цементовозами или цементно-смесительными машинами. Жидкость затворения готовится в резервуарах цементировочных агрегатов или в специальных емкостях, оснащенных мешалками и паровыми регистрами. Подача сухой смеси на затворение осуществляется шнеками цементно-смесительньтх: машин или пневмотранспортной системой. Нагнетание жидкости затворения в смесительное устройство выполняется цементировочными насосами или центробежными насосами цементировочных агрегатов (при наличии таких насосов в составе агрегата). Смешение тампонажного материала и жидкости затворения осуществляетсяь в эжекторном смесительном устройстве, а накопление и выравнивание свойств смеси - в бачке для цементного раствора и/или в осредыи-тельной емкости. Закачка готового раствора в скважину производится плунжерными или поршневыми насосами цементировочных агрегатов [1, 24].

В России распространена схема приготовления тампонажного раствора., один из вариантов которой представлен на рисунке 1.1. В соответствии с этой схемой для приготовления цементного раствора используются три цементировочных агрегата 1,2, 10, оснащенных цементировочными насосами 6,8,9, це-ментно-смесительная машина 3, станция контроля процесса цементирования 4, бачок для цементного раствора 5, гидроэжекторный смеситель 7, осреднитель-ная емкость 11, комплект труб и рукавов для обвязки оборудования и устья скважины [3,21, 72; 88].

Цемент предварительно загружается в цементно-смесительную машину 3. Цементировочный агрегат 1 насосом 6 нагнетает воду или жидкость затворения из своих мерных емкостей или из специальных резервуаров на гидроэжек-торное смесительное устройство 7, подвешиваемое на выгрузочном конце це-ментно-смесительной машины 3. Одновременно в эжекторное смесительное устройство 7 из бункера цементно-смесительной машины 3 встроенными шнеками подается цемент. Водоцементное отношение регулируется изменением

1,2,10 - цементировочные агрегаты; 3 - цементы о-смесительная машина; 4 - станция контроля процесса цементирования; 5 - бачок цементного раствора («чанок»); 7 - эжекторное смесительное устройство; б, 8,9 - насосы цементировочных агрегатов; 11 - осреднительная емкость

рисГк I ■ I - Фрциошьщ схема приготовления шпонажного раствора

частоты вращения встроенных шнеков цементно-емесительной машины. Готовая смесь жидкости и тампонажного материала самотеком выгружается из смесительного устройства 7 в бачок цементного раствора 5. Из бачка цементного раствора 5 смесь откачивается насосом 8 в осреднительную емкость, где происходит выравнивание свойств раствора. Готовый раствор из осреднительной емкости 11 насосом 9 агрегата 10 нагнетается в скважину, проходя перед этим через станцию контроля процесса цементирования 4. Станция контроля процесса цементирования 4 предназначается для автоматического измерения и регистрации технологических параметров процесса цементирования: давления нагнетания, плотности тампонажного раствора, расхода раствора, объема закачанной в скважину жидкости. Цементировочные агрегаты могут нагнетать в скважину другие технологические жидкости (буферную жидкость, продавочную жидкость) с использованием собственных мерных емкостей, осреднительной емкости или дополнительных емкостей.

Если количества цемента, содержащегося в бункере одной цементно-смесителыюй машины, недостаточно, то организовывается непрерывная до-загрузка бункера цементно-смесителыюй машины [2], или устанавливается несколько параллельных линий [3, 41]. В последнем случае широко используется самоходный блок манифольда. Он предназначается для сбора тампонажного раствора от нескольких цементировочных агрегатов в два нагнетательных трубопровода, ведущих к устью скважины. Если цементировочный агрегат оснащен центробежным насосом, то в схеме функциональной схемы приготовления тампонажного раствора, изображенной на рисунке 1.1, можно использовать на один агрегат меньше. В этом случае центробежный насос подает воду или жидкость затворения на смесительное устройство, а цементировочным насосом готовая смесь откачивается из бачка 5 в осреднительную емкость.

Основным недостатком представленной схемы является нестабильность свойств получаемого в бачке 5 тампонажного раствора. Это связано с низкой точностью дозирования сухой тампонажной смеси и неравном^гзрно-стью подачи жидкости затворения. Система труднорегулируема, оператиизное управление плотностью раствора затруднено. Осреднительная емкость обычно плохо перемешивает уже затворенный раствор, а средства ввода в ооред-нительную емкость корректирующих добавок не обеспечивают стабилЕ^^Б^гую подачу компонентов. Станция контроля цементирования фиксирует свойотва закачиваемого в скважину раствора, когда внести какие-либо изменения: уже невозможно. Кроме того, эжекторные смесительные устройства не обесгх-^^и-вают получение однородной смеси [2,3,13, 22, 23, 38,41,42].

Главное достоинство рассматриваемой системы - высокая произослепительность по цементу. Два горизонтальных шнека большого диаметра мм) способны выдавать до 2,25 т/мин цемента и тем самым обеспечивать любое требуемое водоцементное отношение за один цикл, поскольку подача жидкости затворения или воды обычно не превышает 1,2 м /мин.

За рубежом решение проблемы повышения точности регулировалЕэп^я параметров тампонажного раствора, особенно плотности, было найдено на пути создания высокоэффективных смесительных устройств, что нашло <z>t-ражение в технической и патентной литературе [14, 52, 57, 60, 61, 62, 63, 74, 75, 79, 87, 88]. С одной стороны были усовершенствованы эжектори-^-те смесители, а с другой стороны эжекторные смесители были совмещены с вът-сокоинтенсивными механическими и гидромеханическими смесителями.

Среди систем приготовления тампонажных растворов наибольшую известность в бурении получили установки фирм Халлибуртон и Шлюмбер>эЕс:<г-Фирмой Халлибуртон на рынок, в том числе российский, в течение многтг^с?с лет поставляется система приготовления цементного раствора на базе peu.i^sjp>— куляционного смесителя цемента RCM (Recirculating Cement Mixer) в koivi-плекте с емкостью и механическими мешалками [25, 50, 56, 75, 76, 8SU -

Пневмотранспорт цемента в смеситель RCM производится компрессорами, входящими в состав цементовозов или стационарных силосов (если последние имеются на скважине).

Что касается подачи цемента на смешение, то применение обычных строительных цементовозов и силосов для питания рециркуляционного смесителя не практикуется, видимо, из-за неравномерной подачи цемента и большого расхода транспортирующего воздуха. Специализированные тампо-нажные цементовозы за рубежом оснащены системой аэрации цемента до состояния псевдоожижения, обеспечивающего течение цемента по трубопроводам подобно жидкости. Часто используется также специальный аппарат, называемый «surge tank» (дословно: «успокоительная емкость»). Успокоительная емкость-это цилиндро-конический герметичный резервуар объемом порядка 2 м3, куда из силосов или цементовоза потоком воздуха, создаваемым компрессором цементовоза или силосов, непрерывно задувается цемент. Внутри этого резервуара имеется пористое днище, через которое под давлением поступает воздух, вызывающий псевдоожижение сыпучего материала. Кроме этого, воздух, поступающий от цементовоза или силосов вместе с транспортируемым материалом, создает в резервуаре избыточное давление, которое выдавливает текучий псевдоожиженный материал в транспортный трубопровод. В результате сыпучий материал более или менее равномерно и с относительно низким содержанием воздуха транспортируется в рециркуляционный смеситель. Излишек сжатого воздуха из успокоительной емкости выводится в атмосферу через специальный клапан и фильтр. Успокоительная емкость устанавливается либо непосредственно на цементовозе, либо включается в силосный блок хранения тампонажных материалов на буровой [55, 58, 59, 70].

Конструктивно успокоительная емкость, используемая в зарубежном бурении, близка хорошо известному в строительной индустрии пневматическому камерному насосу [20, 35], называемому в англоязычной пнев-

мотранспортной литературе «blow tank» или «blow vessel» [73, 80, 84]. Правда, строительные пневмокамерные насосы работают с очень высокими расходами воздуха, поскольку используются обычно на трубопроводах большой

протяженности. Так пневмокамерный насос ТА-23 при производительности

•j

по цементу 0,5-0,7 т/мин расходует около 16 м /мин воздуха [35]. Применяемые в зарубежном бурении успокоительные емкости расходуют не более 7-8 м3/мин воздуха при более высокой производительности, хотя и имеют меньшую дальность подачи цемента. Зарубежные специализированные тампо-нажные цементовозы имеют аналогичные характеристики. Современные системы подачи цемента на смешение, используемые в зарубежном бурении, могут достигать производительность по цементу до 1,5 т/мин при расходе воздуха 7-7,7 м3/мин.

Однако и такое, сравнительно небольшое количество воздуха, поступающее в смеситель вместе с цементом, создает серьезные проблемы. Даже в отечественных системах, не предусматривающих принудительную подачу воздуха в смеситель, наблюдается сильное вспенивание раствора, так что часто без пеногасителей работать вообще невозможно [8]. Принудительная же подача в смеситель воздуха приводит к еще более сильной аэрации раствора и нестабильности плотности. Это главный недостаток рециркуляционной смесительной системы.

Отметим, что специалисты американской нефтяной корпорации Шлюмберже уже давно подчеркивают: рециркуляционная система не обеспечивает требуемую точность регулирования плотности и по возможности должна заменяться на систему порционного приготовления цементных растворов (batch mixing of ccment slurries) [67,78,81,89]. Отражением этого мнения является патент Шлюмберже на порционную систему приготовления тампонажного раствора [71]. Согласно этому патенту раствор готовится периодически то в одной, то в другой емкости большого объема (6-8 м3). Каждая емкость оснащена мешалками и рециркуляционными насосами. Приме-

нение эжекторного смесителя для предварительного смешения цемента с жидкостью не обязательно. Впрочем, серийные порционные смесители фирмы Шлюмберже объемом 7,5 м3 (50 баррелей) или 15 м3 (100 баррелей) на самом деле все же оснащены эжекторами для ввода в раствор добавок.

Аналогичную систему под маркой ВМС-100 Batch Mixer Skid поставляет и фирма Халлибуртон. Ряд фирм поставляет установки, в которых совмещены рециркуляционный смеситель и емкости порционного приготовления. Такова, например, система приготовления тампонажных растворов фирмы National Oilwell Vareo. Стремление разместить все оборудование на одной раме или одном шасси значительно усложняет конструкцию и снижает ремонтопригодность системы. Недостаточно высокая производительность по цементу вынуждает проводить длительную рециркуляцию, приводящую к износу оборудования.

Отечественными разработчиками были также предложены системы порционного приготовления тампонажных растворов [19,23, 28,39,40]. Однако при этом оказались не проработанными пути обеспечения равномерной и высокорасходной подачи цемента на смешение. Так в работе [13] высокая производительность эжекторного гидросмесителя по цементу за счет вакуумного самовсасывания только констатируется без всяких объяснений. В патенте РФ №2235018 [32] предложено обеспечить подачу цемента из силоса в смеситель с помощью пневматического струйного насоса. Однако истечение цемента из силоса обычно неравномерно, а пневмоструйный насос расходует большое количество воздуха, особенно если цемент хотя бы немного слежался. В патенте РФ № 2184204 [29] предложено использовать для подачи цемента в смеситель устройство, напоминающее успокоительную емкость. Однако, решающие вопросы снабжения этой установки сжатым воздухом и пневмозагрузки успокоительной емкости оставлены без внимания. Патент Новочеркасского ООО «Эскорт» №2212338 на смесительно-осреднительнуга установку предполагает старую схему приготовления раствора в бачке для

цементного раствора [30]. В патенте ОАО «Строммашина», посвященного комплексу цементирования скважин, средства подачи цемента на смешение вообще не упомянуты [31].

Учитывая крайнюю дороговизну и сложность комплектных установок, для простых случаев цементирования выпускают наземные эжекторные смесители с воронками, загрузка в которые цемента и подача жидкости затворения решаются в зависимости от обстоятельств. Пример из отечественной буровой практики представлен на рисунке 1.2, где загрузка цемента в импортную гидроворонку производится вручную из силоса, расположенного вблизи осреднительной емкости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мищенко, Сергей Владимирович, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бездробный О.И. Булатов А.И. Макаренко П.П. Обслуживание наземного цементировочного оборудования: Справочник.- М.- Недра, 1996.476 с.

2. Булатов А.И. Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению. В 2-х томах. Том 2.- М.:- Недра, 1985.- 191 с.

3. Булатов А.И. Макаренко П.П. Проселков Ю.М. Буровые промывочные и тампонажные растворы.- М.: ОАО Издательство «Недра», 1999.- 424 с.

4. Булатов А.И. Тампонажные материалы и технология цементирования скЕажин.- М.: Недра, 1991.- 86 е..

5. Булатов И.В. Применение мобильных нефтегазопромысловых установок для цементирования скважин и основные требования к ним.- Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2002, №12, с.9-10.

6. Витман Л.А. Кацнельсон Б.Д. Палеев И.И. Распыливание жидкости форсунками. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 264 с.

7. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов/ Т.М.Башта, С.С.Руднев, Б.Б.Некрасов и др. - 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1982. - 423 с.

8. Гринько Ю.В. Заславский Г.Г. Атгараев В.Ф. Худобин Е.В. Опыт применения реагентов серии «Крепь» при цементировании скважин на Ки-няминском месторождении.- Огр-во нефг. и газовых скважин на суше и на море, 2007, №6, с.41-43.

9. Дженике Э.В. Складирование и выпуск сыпучих материалов. — М.: Мир, 1968.-164 с.

10. Емкости для сыпучих грузов в транспортно-грузовых системах/ И.В.Горюшинский, И.И.Кононов, В.В.Денисов и др. - Самара, СамГАПС, 2003.-232с.

11. Зенков Р.Л. Гриневич Г.П. Исаев B.C. Бункерные устройства. - М.: Машиностроение, 1977.-225 с.

12. Зенков Р.Л. Ивашков И.И. Колобов Л.Н. Машины непрерывного транспорта.- М.: Машиностроение, 1980.- 304 с.

13. Иванников В.И. Иванников И.В. Приготовление и обработка растворов на буровых (оборудование и технология).- Стр-во нефт. и газовых скважин на суше и на море, 2009, №7, с.24-26.

1 а Ыттт ллпп С Р Уттщтлттип Г1 lltmnann Л Д Dn^ii rrir

it. ч'ьфшшо iv.D. i\.jjni,ü,uoa v.i . ijriavDa u.rt. i cjpiDia

ты применения специальных тампонажных и буферных составов при креплении боковых стволов в 11 v^AlC FiOM Прикамье// Современные технико-технологические решения в области бурения и кап. ремонта скважин: Сбю науч. тп./ ОАО НПО «Бупение».- Кпаснолап. с. 286-291.

w 1 «/ 1 1 f ^ ж. J

15. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.:Химия, 1973. - 752 с.

16. Костин В.Н., Тишина H.A. Статистические методы и модели: Учебное пособие. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. - 138 с.

17. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул. - М.: Высш.школа, 1982. - 224 с.

18. Лямаев Б.Ф. Гидроструйные насосы и установки.- Л.: Машиностроение. Ленингр.отд-ние, 1988.- 256 с.

19. Макушев Н.И. Мильштейн В.М. Дулаев В.Х.-М. Усовершенствованная смесительная установка для приготовления тампонажных растворов.-Нсфтянос хозяйство, 1991, №8, с.40-41.

20. Малевич И.П. Матвеев А.И. Пневматический транспорт сыпучих строительных материалов.- М.:Стройиздат, 1979.- 143 с.

21. Мамврийский A.C. Исследование смесительных устройств для приготовления растворов,- Грозный: Чечено-Ингушское кн. изд-во, 1979.- 84 с.

22. Мильштейн В.М. Иноземцев П.Н. Макушев Н.И. Оборудование для цементирования нефтяных скважин,- М.: ВНИИОЭНГ, 1989.- (Обзорн. ин-форм. Сер. «Строительство скважин»).- 44 с.

23. Мильштейн В.М. Казаков В.А. Макогонов С.А. Отечественная техника для цементирования скважин и основные пути ее совершенствова-ния//Технология и материалы для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин: Сб.науч.тр./ОАО НПО «Бурение».- Краснодар, 1999.- с. 121-126.

24. Мильштейн В.М. Крепление скважин в различных условиях бурения.- Краснодар: ООО «Просвещение-Юг», 2007.- 130 с.

25. Мильштейн В.М. Цементирование буровых скважин.- Краснодар: ООО «Просвещение-Юг», 2033.- 375 с.

26. Мищенко В,И, Кортунов AJB, Приготовление, очистка и дегазация буровых растворов. - Краснодар: АртПресс,2008.- 336 с.

27. Пажи Д.Г. Галустов B.C. Основы техники распыливания жидкостей. - М.: Химия, 1984. - 256 с.

28. Пат.2150379 РФ, МПК7 В28С 5/38. Смесительная установка для приготовления растворов/ Макушев Н.И. Рябоконь С.А., ОАО НПО «Бурение».- №99102650/03; заявл. 10.02.1999; опубл. 10.06.2000.

29. Пат.2184204 РФ, МПК7 Е21В 21/06, И28С 5/38. Смесительная установка для приготовления растворов/ Рябоконь С.А. Макушев Н.И., ОАО НПО «Бурение».- №2000117541/03; заявл.ОЗ.07.2000; опубл. 27.06.2002.

30. Пат.2212338 РФ, МПК7 В28С 5/38. Установка смесительная осред-нительная/ Лаврентьев Л.Л. Федорснко В.А. Шейкин В.М., ООО «Фирма Эскорт».- №2001133184/03; заявл.06.12.2001; опубл. 20.09.2003.

31. Пат.2225499 РФ, МПК7 Е21В 33/13. Комплекс цементирования скважин «Костромич»/ Халилов М.М., ОАО «Строммашина».-№2001130701/03; заявл.14.11.2001; опубл. 10.03.2004.

32. Пат.2235018 РФ, МГПС7 В28С 5/38. Смесительная установка для приготовления растворов/ Рябоконь С.А. Кармолин В.Г. Мильштейн В.М., ОАО НПО «Бурение».- №2002132003/03; заявл.27.11.2002; опубл. 27.08.2004.

33. Пахлян И.А. Исследование гидроэжекторных смесителей, модернизация их конструкций и совершенствование технологии приготовления буровых промывочных и тамнонажных растворов. Канд. дисс., Краснодар, 2010.

34. Плановский А.Н. Рамм В.М. Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии.- 4-е изд.- М.: Химия, 1967.- 847 с.

35. Пневмотранспортное оборудование: Справочник/М.П.Калинушкин, М.А.Коппель, В.С.Серяков, М.М.Шатунов; под общ. ред. М.П.Калинушкина.- JI.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986,- 286 е.: ил.

36. Разумов И.М. Пневмо- и гидротранспорт в химической промышленности.- М.: Химия, 1979.- 248 с.

37. Рогинский Г.А. Дозирование сыпучих материалов. - М.: Химия, 1978.- 176 с.

38. Рябов H.A. Клименов К.В. Мамврийский Е.А. Смесительная установка УС для приготовления тампонажных растворов.- РНТС «Машины и нефтяное оборудование».- М.: ВНИИОЭНГ, №10, 1979, с. 28-30.

39.Рябоконь С.А. Макушев Н.И. Кармолин В.Г. Горохов Д.В. Совершенствование техники и технологии приготовления тампонажных растворов при цементировании скважин// Новые технологии, технич. средства и материалы в области промывки при бурении и ремонте нефтяных и газовых скважин: Сб. науч. тр./ ОАО НПО «Бурение».- Краснодар, 2001.- с.66-72.

40. Рябоконь С.А. Макушев Н.И. Кармолин В.Г. Совершенствование технологических схем приготовления и закачивания в скважины тампонажных растворов// Основные принципы выбора технологии, технических средств и материалов при строительстве и ремонте скважин: Сб. науч. тр./ ОАО НПО «Бурение».- Краснодар, 2002.- с.35-39.

41. Середа Н.Г. Соловьев Е.М. Бурение нефтяных и газовых скважин: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.:Недра, 1988.-360 с.

42. Соболев А.С. Тампонажные работы: оптимизация оборудования.-Бурение и нефть, 2008, №12, с.47-48.

43. Соколов Е.Я.Зингер Н.М. Струйные аппараты.- 3-е изд., перераб.-М.: Энергоатомиздат, 1989.- 352 с.

44. Спиваковский А.О. Дьячков В.К. Транспортирующие машины: Учеб. пособие для машиностроительных вузов. - 3-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1983.-487 с.

45. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник. - М.: Машиностроение, 1985. - 232 с.

46. Феодосьев В.И, Сопротивление материалов. — М. — Наука, 1970. —

544 с.

47. К.Хартман Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. - М.: Мир, 1977. - 552 с.

48. Цегельский В.Г. Двухфазные струйные аппараты.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003.- 408 с.

49. Чаповский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов.-М.:Недра, 1975. - 304 с.

50. Apparatus for mixing: US Patent 5538341: ВО IF 15/02/ Padgett P.O. Landram L.R. Jones P.A.; Halliburton Co.: Jul.23, 1996.

51. Automated cement mixing system: US Patent 6786629: B28C 7/04/ Rondeau J. Vigncaux P.; Schlumbcrger Technology Corp.: Sep.7, 2004.

52. Automatic cement mixing and density simulator and control system and equipment for oil well cementing: US Patent 5571281: B01F 15/02/ Allen Т.Е.: Nov.5, 1996.

53. Baumgarten C. Mixture Formation in Internal Combustion Engines. -Berlin Heidelberg : Springer-Verlag, 2006. - 294 p.

54. Bertho Y. Giorgiutti-Dauphine F. Hulin J.-P. . - Physics of Fluids, 2003, v.15, №11, p. 3358-3369.

55. Bulk cement transport apparatus: US Patent 5538286: B60P 3/22/ Hoff T.M.; Halliburton Co.: Jui.23, 1996.

56. Cementing skid with recirculating mixer: US Patent 4158510: BO IF 15/00/ Smith L.G. Knoll J.N.; Halliburton Co.: Jun.19, 1979.

57. Cement mixing system for oil well cementing: US Patent 6749330:

DAI p <//v>/ A T p . 1 c onnj.

uuu ~>i yj^-i .n.iiv-11 i .£_/.. j unv iJ, ^.uu-r.

58. Cement Mixing System Simulator and Simulation Method: US Patent 5320425: B28C 5/00/ Stephenson S.V. Donaghe C.D. Iiorinek H.J. et a!.; Halliburton Co.: Jun.14, 1994.

59. CemSTREAK Land Cementing Units [www document]. URL http://www.slb.eom/services/drilling/cementing/equipment/cemstreak.aspx#.

60. Continuous multi-component slurrying process at oil or gas well: US Patent 5522459: E21D 33/13/ Padgett P.O. Crain S.F. Handke W.A. at al.; Halliburton Co.: Jun.4, 1996.

61. Continuous multi-component slurrying process at oil or gas well: US Patent 5570743: E21D 33/13/ Padgett P.O. Crain S.F. Handke W.A. at al.; Halliburton Co.: Nov.5, 1996.

62. Control method for a multi-component slurrying process: US Patent 5452954: B0IF 15/04/ Handke W.A. Crain S.F. Padgett P.O. at al.; Halliburton Co.: Sep.26, 1995.

63. Edgley K.D.(Halliburton Services) Automatic Density Control System Improves Cement Slurry Performance.- SPE Deep Drilling and Production Symp., 6-8 Apr., 1986, Amarillo, Texas.- Doc.ID 14989-MS.- 7 p.

64. El-Ghandour M. El-Sawaf I.A. El-Otta F.M. Solid-Materials-Handling Central-Nype Jet Pump. - 6-th Int.Water Technology Conf. IWTC 2001, Alexandria, Egypt.

65. Granular material pneumatic transport apparatus: US Patent 4500228: B65G 53/08, B65G 53/04, B65G 53/48/ McDonald R. Macartny D.L.; Joy Manufacturing Co.: Feb. 19, 1985.

66. Ground Jet Mixer/ Wilco Machine and Fab. [www document]. URL http://www.wilcofab.com/ wilcogroundjetmi.html.

67. Hibbert A.r. Keilingray D.J. Viuick B. Effect of Mixing Energy Levels During Batch Mixing of Cement Slurries.- SPE Drilling and Completion, 1995, v.lO, №1, p.49-52.

68. Hilton J.E. Mason L.R. Clearly P.W. The Effect of Gas Dynamics on Hopper Discharge Rates. - 7-th int. Conf. on CFD in the Minerals and Process Ind., CSIRO, Melbourne, Australia, 9-11 Dec., 2009, 6 p.

69= Mancos C, Janda A, Arevalo R, et al. The flow rate of granular materials through an orifice. - Granular Matter, 2007, v.9, №6, p.407-414.

70. Method for Cementing a Well: US Patent 5103908: E21B 33/14/ Allen Т.Е.; Halliburton Co.: Apr. 14, 1992.

71. Method for Continuously Batch Mixing a Cement Slurry: US Patent 7464757: E21B 33/00, B28C 7/04/ Pessin J.L. Coquilleau L. Rayner J. Woodmansee M.; Schlumberger Technology Corp.: Dec.6, 2008.

72. Mieila C. Casandroiu T. Aspects regarding influence of geometrical shape of orifices about seeds gravimetric flow rate. - INMATEH, 2009, v.28, №2,

i г» p. i-6.

73. Mills D. Jones M.G. Agarwal V.K. Handbook of Pneumatic Conveying Engineering.- Marccl Dekker Inc., Basel, 2004.- 676 p.

74. Mixer: US Patent 4838701: B01F 15/02/Smith D.W. Kennedy R.D. Garcia E.C.; Dowell Schlumberger Inc.: Apr.25, 1988.

75. Mixing apparatus: US Patent 5046855: B0IF 15/02/ Allen Т.Е. Edgley K.D.; Halliburton Co.: Sep.10, 1991.

76. Mixing apparatus with rotary jet water valve: US Patent 6454457: BO IF 5/04, B01F 5/10/ Banse M.J. Padgett P.O. Sneed C.; Halliburton Energy Services Inc.: Sep.24, 2002.

77. Nguen T.V. Brennen C. Sabersky R.H. Gravity Fiow of Granular Materials in Conical Hoppers.- Transactions of the ASME, Journal of Applied Mechanics, 1979, v.46, Sept., p.529-535.

78. O'Neill E. Tellez L.E. (Dowell Schlumberger). New Slurry Mixer Improves Density Control in Cementing Operations.- SPE L.America Petroleum Eng. Conf., 14-19 Oct. 1990, Rio de Janeiro, Brazil.- Paper Number 21130-MS.- 7 p.

79. Piot B. Cement and Cementing: An Old Technique with a Future? [www.document]. URL http://www.spe.org /dl/docs/2009/

piot.pdf

80. Pneumatic conveying of solids. A theoretical and practical approach/ Klinzing G.E., Rizk F., Marcus R., Leung L.S. - Springer Dordrecht, Heidelberg, London, New York, 2010.- 561 p.

81. Process of Cementing Wells: US Patent 4003431: E21B 33/13/ Novotny R.J. Smith C.L.; Byron Jackson Inc.: Jan. 18, 1977.

82. Pump Handbook/Edited by I.J. Karassik, J.P. Messina, P. Cooper, C.C. Heald. - 3-rd Edition, New York.:McGRAW-HILL, 2001. - 1768 p.

83. Purutyan H. Pittinger B.H. Carson J.W. Six Steps to Designing a Storage Vessel that Really Works.- Powder and Bulk Engineering, 1999, v. 13, №11.-p.p.56-68.

84. Ratnayake C.A. Comprehensive Scaling Up Technique for Pneumatic Transport Systems: Thesis for the degree of Dr.Ing.- The Norwegian University of Science and Technology, Porsgrunn, 2005.- 276 p.

85. Roberts A.W. Manjunath K.S. McBride W. The mechanics of screw feeder performance for bulk solids flow control. - 4-th Int. Conf. on Bulk Materials: Storage, Handling and Transportation: 7-th Int. Simp, on Freight Pipelines, Preprints, Barton, ACT: Institution of Engineers, Australia, 1992, p. 333-338.

86. Singh D. Moysey E.B. Grain Bin Wall Pressures: Theoretical and Experimental.- Can. Agric. Eng. V.27, 1985, p.43-48.

87. Stegemoeller C. Allen T. (Halliburton Servises) Automatic Density Control and High Specific Mixing Energy Deliver Consistene High-Quality Cement Slurries.- Offshore Technology Conf., 4-7 May 1992, Houston, Texas.- Doc. ID 7068-MS.- 12 p.

88. Surface operations in petroleum production/ Robertson J.O., Chilin-garian G.V., Kumar S.- New York.: Elsevier Science, 1989.- 562 p.

89. Vidick B. Hibbert A.P. Kellingray D.S. Cement Slurry Batch Mixing: A Critical Step for Slurry Quality Control.- Offshore Technology Conf. 4-7 May, 1992, Houston, Texas.- Doc. ID 7067-MS.- 8 p.