Испытания герметичности обратных клапанов и эксплуатационных колонн

- -

 

В.В. Вялов, Е.Г. Леонов, С.И. Райкевич

( Ф. "Тюменбургаз", РГУ  нефти и газа им. И.М. Губкина, 
ЗНГДУ "Ямбурггаздобыча" )

 

Испытания герметичности обратных клапанов и эксплуатационных  
колонн ( на примере сеноманских скважин Заполярного НГКМ )

 

На газовых месторождениях севера Западной Сибири в скважины, пробуренные на сеноманские отложения, обычно спускают эксплуатационные колонны диаметром 168 или 219 мм до глубины  1100…1500 м и цементируют до устья. При этом последующая эксплуатация каждой третьей скважины сопровождается наличием межколонных давлений. Одной из причин их возникновения является разгерметизация  цементной оболочки за эксплуатационными колоннами.

Герметичность цементного кольца можно в значительной мере сохранить, если с момента потери подвижности тампонажного раствора за колонной в период ОЗЦ и в течение дальнейших работ поддерживать в колонне давление близкое к тому, которое она будет испытывать во время эксплуатации. Если после затвердевания раствора  не выполняется это условие, то существенное увеличение внутреннего давления и соответственно диаметра колонны может вызвать разрушение ( растрескивание ) цементного камня, а уменьшение – привести к образованию зазора между колонной и цементной оболочкой  [ 1, 2 и др.]. Наличие флюидопроводящих каналов в виде продольных трещин и ( или ) зазора обуславливает негерметичность цементного кольца.

В настоящей статье рассмотрены две важные технологические операции ( опрессовка колонны и проверка закрытия обратного клапана ), реализация которых может сопровождаться несвоевременным повышением давлений в колонне. Особенно не вовремя большое давление создают в колонне после ОЗЦ при традиционной опрессовке по правилам безопасности [ 3, 4 ]. При этом вблизи башмака давление превышает пластовое в два раза. В результате цементный камень может разрушиться. Также сильно повышают внутреннее давление в колонне при негерметичном обратном клапане. Если отсутствует или не закрывается обратный клапан, в цементировочной головке вынуждены поддерживать избыточное давление. Вследствие этого цементная оболочка формируется с увеличенным внутренним диаметром при расширенной колонне. Позднее при эксплуатации скважины, когда давление в колонне снизится, между цементным кольцом  и колонной может образоваться зазор. При этом прочность отрыва поверхности колонны, покрытой глинистой пленкой от цементного камня, пренебрежимо мала.

По нашей рекомендации с 1996 г. на месторождении начиная со скв. 109.4 внедряется опрессовка колонн непосредственно после сигнала " стоп ". К настоящему времени в начале ОЗЦ опрессовано более 200 эксплуатационных колонн. Однако оказалось, что эффективность этой операции на некоторых скважинах снижается из-за незакрытия ( негерметичности ) обратных клапанов. Колонны, в которых клапан не сработал, вынуждены оставлять в период ОЗЦ под нежелательным рабочим давлением (9 … 10 МПа ) в цементировочной головке.

Рассмотрим фактические результаты операций по опрессовкам колонн и проверке обратных клапанов в начале ОЗЦ. Для выполнение их используется следующий порядок работ.

1. После посадки верхней пробки ( сигнала "стоп" при давлении  Рс) начинают проверять работоспособность обратного клапана. Для этого, открывая кран на верхнем отводе цементировочной головки, по линии пробочного цементировочного агрегата стравливают давление. Одновременно мерной планкой бака агрегата определяют объем возвращаемой продавочной жидкости.

1.1. Приток  отдаваемой скважиной жидкости  обычно прекращается при объеме  V*£ 0,3 м3 для 219 мм и V*£ 0,2 м3 для 168 мм колонны и падении давления в головке с 9…13 МПа до атмосферного. В этом случае клапан признается герметичным.

1.2. Если  же давление в головке остается  больше атмосферного и объем  жидкости превышает V* приходят к выводу, что клапан негерметичен. В этом случае после опрессовки колонны в головке в период ОЗЦ поддерживают давление равное рабочему.

2. Проверяют герметичность колонны  совместно с головкой. Для этого  повышают давление в головке ( Рг ) до требуемого ( Роп ) при опрессовке колонны  [ 3, 4 ].

2.1. Осматривают  соединения арматуры головки. Особое внимание обращают на герметичность пробковых кранов и присоединительных резьб переводника между головкой и колонной. Утечки жидкости должны отсутствовать, так как они негативно могут повлиять на оценку герметичности непосредственно самой колонны.

2.2. Колонна вместе с головкой считаются герметичными, если в течение 30 мин давление на манометре головки падает менее чем на 0,5 МПа [ 3, 4 ].

3. Если не закрывается  клапан и ( или ) негерметична колонна, то во время ОЗЦ поддерживают  в головке рабочее давление ( Рр ).

Рассмотрим на конкретных примерах использование приведенной выше последовательности испытания клапанов и колонн  ( см. п.п. 1 ¸ 3 ).

На рис. 1 ¸ 4 показаны характерные случаи изменения во времени t давления Рг в цементировочной головке с момента, предшествующего посадке пробки и в начальный период ОЗЦ на скв. 202.5, 202.2, 208.0 и 209.4 Заполярного месторождения. Зависимости давления Рг (t) записаны с помощью датчика станции ГТК, присоединенного к манометру на головке. Интерпретация вида кривых Рг (t) обусловлена различными сочетаниями негерметичностей обратного клапана, наземной обвязки и эксплуатационной колонны.

На рис. 1 приведена хронограмма  Рг (t), снятая при цементировании и в начале периода ОЗЦ на скв. 202.5. Она лучшая по сравнению с другими на рис. 2 – 4, так как свидетельствует о герметичности  клапана  и колонны с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

головкой. Согласно кривой Рг (t) рабочее давление в конце цементирования составило 9,3 МПа. При посадке пробки давление поднялось до 11,8 МПа. Для проверки закрытия обратного клапана в момент  t = 49 мин открыли верхний кран на цементировочной головке. В течение 0,5 мин давление снизилось до атмосферного и в мерник пробочного агрегата скважина отдала 0,2 м3 продавочной жидкости, что свидетельствует о герметичности клапана. Полученный на этой и других скважинах объем отдачи жидкости (V* £ 0,2 м3) при падении давления до атмосферного принят предельно допустимым объемом, характеризующим закрытие клапана в 168 мм колонне. В момент  t = 57 мин начали, и к моменту  t = 58 мин завершили повышение давления до требуемого для опрессовки колонны  ( Рн = 14,7 МПа > Pоп = 12,6 МПа ). Оставили колонну под давлением на 38 мин. Поскольку к моменту  t = 90 мин давление в колонне упало лишь на 0,4 МПа, ее вместе с головкой признали герметичной. В течение 1,0 мин снизили давление на устье до атмосферного (закрыли клапан), чтобы во время ОЗЦ затвердевание раствора проходило в более благоприятных условиях (при минимально возможном давлении в колонне и меньшем ее диаметре). В целом, на опрессовку клапана и колонны затратили примерно 45 мин. Таким образом, с учетом некоторого запаса времени для цементирования следует применять растворы, которые  после сигнала " стоп " теряют подвижность через 55 – 60 мин.

Из хронограммы Рг (t), записанной на рис. 2, при цементировании и опрессовках в скв. 202.2  видно, что обратный клапан и колонна вместе с головкой герметичны. Обнаружены утечки жидкости в узлах наземной обвязки.

 На данной  скважине, начиная с  t = 49 мин до  t = 58 мин, два раза проверили клапан. Установили, что он закрывается. К моменту  t = 58 мин подняли давление до требуемого ( Pн = 13,2 МПа > Pоп = 12,6 МПа) для опрессовки колонны. Из-за изношенности и частых отказов пробковыми кранами стараются пользоваться реже. Поэтому нижний кран головки оставили открытым. Под опрессовочным давлением оказались все соединения нагнетательной линии и клапанная коробка блок  манифольда.

 

Наблюдения с момента  t = 58 мин до  t =  80 мин показали, что в течение 22 мин давление в головке упало с 13,2 до 12,4 МПа. Таким образом, выяснилось, что негерметичными являются колонна и (или) наземная обвязка. Чтобы исключить влияние последней и получить однозначный результат, в третий раз подняли давление до опрессовочного и в момент  t = 87 мин, несмотря на возможную разгерметизацию при вращении пробки закрыли кран на головке. До  t = 128 мин давление не изменилось, т.е. колонна вместе с головкой и кранами оказались герметичными. В течение  0,5 мин давление в колонне уменьшили до атмосферного (закрыли клапан), чтобы цементный раствор затвердевал также, как и в скв. 202.5 в более благоприятных условиях. Распространенный случай на скв. 202.2 показывает, что при опрессовке колонны следует отключать наземную обвязку, перекрывая пробковые краны на головке, надежность которых нуждается в повышении.

На рис. 3 показана хронограмма опрессовок на скв. 208.0. Она свидетельствует, что не закрывается клапан и негерметична колонна.

Положение кривой Рг (t) обусловлено тем, что при рабочем давлении 7,3 МПа в момент  t = 48 мин открыли кран на верхнем отводе головки. К моменту 50 мин скважина отдала 0,7 м3 > V* = 0,2 м3  жидкости при снижении давления в головке до  5 МПа, т.е. клапан не закрылся. В момент  t = 52 мин давление подняли до  14,7 МПа и, к моменту 58 мин снизили до требуемого (13,8 МПа) для опрессовки колонны. В момент  t = 56 мин  закрыли  кран на головке и начали опрессовку колонны. В течение 25 мин  к моменту  t = 80 мин давление снизилось до Pк = 12,1 МПа. Также как и клапан, колонна оказалась негерметичной и оставлена на ОЗЦ под давлением 10,0 МПа.

На рис. 4 приведена зависимость Рг (t) при опрессовках на скв. 209.4. При их выполнении установлено, что не срабатывает обратный клапан, а колонна герметична. В период времени от 40 до 44 мин. Продавка цементного раствора была осложнена разгерметизацией резьбового соединения наземной обвязки.

Рабочее давление составляло 9,6 МПа. При посадке пробки сигнал  
" стоп " зафиксирован в момент t = 52 мин при давлении 13,8 МПа. В момент t = 53 мин открыли кран на верхнем отводе. К моменту t = 55 мин из скважины вернулась жидкость в объеме 0,5 м3 при падении давления до 6,1 МПа. Вторая попытка закрыть клапан также окончились безуспешно. В момент  t = 70 мин подняли давление до величины 13,3 МПа , требуемой для опрессовки колонны. Закрыли краны на головке, тем самым отключив наземную обвязку. В течение 30 мин падение давления в колонне не превысило  
0,5 МПа. Поэтому она признана герметичной. На ОЗЦ колонну оставили под рабочим давлением 10 МПа, т.к. клапан не закрылся.

 

 

 

 

        2

                                                                                                                                                     3

   1

 

         4

 

 

  16   

     5

               6

        15                7                         9

 

              8           10      

 11

   14           13     12

 

 

 

 

Рис. 5 Стенд для испытания обратных клапанов:

1- корпус; 2, 7- кран; 3, 5- манометр; 4- обратный клапан; 6- штуцер; 8, 10- линия низкого давления; 9- осреднительная  емкость; 11- цементировочный агрегат; 12, 16- линия высокого давления; 13- блок монифольда; 14- станция контроля цементирования (СКЦ); 15- напорный коллектор.

 

Из-за случаев незакрытия обратных клапанов в тампонажном управлении  ООО " Тюменбургаз " изготовлен стенд для проверки работоспособности и выявления причин отказа клапанов (*). На рис. 5 приведена принципиальная схема стенда. Основным его узлом служил сменный корпус 1, изготовленный из резьбовых концов и муфты обсадных труб диаметром 168 или 219 мм. В муфтовом соединении устанавливали обратный клапан 4 соответствующего типа и диаметра. Верхнюю половину корпуса обвязывали напорным трубопроводом 16 на быстроразборных соединениях с напорным коллектором 15 блока манифольда 13. К датчикам расхода и давления жидкости  последнего также присоединяли станцию контроля цементирования 14. Напорным трубопроводом 12 обвязывали  цементировочный агрегат 11 с блоком манифольда 13. Нижняя половина корпуса 1 присоединялась сливным трубопроводом 8 к осреднительной емкости 9, из которой по приемному трубопроводу 10 отбирал раствор цементировочный агрегат. Для повышения давления в клапане на выходе из нижней половины корпуса в трубопровод 8 устанавливали штуцер 6 диаметром 8 мм. В период экспериментов измеряли плотность и температуру проб тампонажного раствора, отобранных из осреднительной емкости. Параллельно с СКЦ давление на входе в корпус определяли манометром 3. На выходе из корпуса во время циркуляции раствора и опрессовки клапана давление измеряли манометром 5.

Режимы испытания клапанов на стенде выбраны близкими к реальным условиям процесса цементирования эксплуатационных колонн сеноманских скважин на месторождении. В каждом из четырех экспериментов циркулирующий раствор взаимодействовал с клапаном в течение 2,0 … 2,7 часа, при расходе 8 л/с, температуре 24 … 28 °С и давлении 8,5 МПа. Давление опрессовки клапана составляло 12,5 МПа.

(*) Стендовые исследования проведены совместно с В. Б. Лазаревым.

 

Методика выявления отказов (незакрытия) обратных клапанов заключалась в следующем. Монтировали один из двух сменных корпусов 1 с соответствующим типом и диаметром клапана 4. В емкости 9 на 4% водном растворе CaCl2 затворяли 2,5 … 3,5 м3  цементного раствора, облегченного вермикулитом (ЦВС) или алюмосиликатными микросферами (МС). После выравнивания плотности, раствор из емкости 9 по трубопроводу 10 отбирали агрегатом 11 и нагнетали по линии 12 через блок 13, линию 16, кран 12, обратный клапан 4, штуцер 6, кран 7, линию 8 в емкость 9. Таким образом, раствор циркулировал в течение 2,0 … 2,7 часа по замкнутом циклу. После каждого эксперимента проверяли герметичность клапана, для чего агрегат 11 переобвязывали с краном в нижней половине корпуса. При атмосферном давлении в верхней половине корпуса повышали давление на клапан до требуемого при опрессовки (12,5 МПа). Если значение давления, зафиксированного манометром 5 сохранялось в течение 3-х минут, то клапан считали закрытым (герметичным). В таблицу сведены результаты экспериментов, которые показали, что ЦКОД закрываются, а тарельчатые клапаны не срабатывают.