Прогрессивные технологии сооружения скважин

ПОВЕРХНОСТНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГРАВИЙНОЙ СМЕСИ И ЕЕ ПОДАЧИ В СКВАЖИНУ

Одним из наиболее сложных и важных обязательных техно­логических этапов при сооружении гравийных фильтров в сква­жине считают этап приготовления гравийной смеси на поверхно­сти и ее подачи в скважину. Как показывает практика, по причи­не неудовлетворительного фракционирования гравия на поверх­ности, приготовления низкокачественной гравийной смеси и ис­пользования упрощенных модификаций оборудования для закач­ки смеси часто не удается сформировать в скважине гравийный фильтр удовлетворительного качества.

Приготовление и закачка гравийной смеси в скважину обычно считается процессом вспомогательным, второстепенным, сущест­венно не влияющим на эффективность работ. Исследованиями, проведенными Русбурмаш и зарубежными организациями, уста­новлено, что экономия на начальном этапе работ за счет выбора максимально упрощенной схемы поверхностного оборудования многократно перекрывается дополнительными затратами при освоении и эксплуатации скважины, обусловленными низким качеством сооружаемого гравийного фильтра. Формирование высококачественного гравийного фильтра возможно только при использовании рациональных схем поверхностного оборудова­ния, обеспечивающих при данных условиях требуемый уровень фракционирования гравия, приготовления смеси и ее подачи в скважину при минимальных затратах.

Необходимо отметить, что в практике оборудования скважин гравийными фильтрами ведущие зарубежные фирмы используют в качестве поверхностного оборудования сложную и громоздкую технику, специально разработанную и изготовленную для приго­товления гравийной смеси и ее закачки в скважину, стоимость которой превышает в некоторых случаях стоимость буровой и насосной установок. Все это свидетельствует о сложности и важ­ности вопросов приготовления гравийной смеси и ее закачки в скважину, экономической целесообразности разработки для этих целей специального оборудования, которое отсутствует не только в геологической, но и в нефтяной, газовой и строительных от­раслях.

Поверхностное оборудование в процессе сооружения гравий­ных фильтров (по целевому назначению) используют для: фракционирования гравия; приготовлений гравийной смеси; закачки гравийной смеси в скважину.

Экономически оправдано обеспечивать централизованное

470

Фракционирование гравия на карьерах, его затаривание и транс­портировку в производственные организации. Несмотря на важ­ность вопроса снабжения фракционированным гравием произ­водственных организаций и все возрастающие потребности от­расли в этом сырье, централизованное снабжение не налажено. В этой связи производственные организации снабжаются гравий­ной смесью очень низкого качества, преимущественно укрупнен­ных фракций.

В многих случаях содержание искомой фракции в гравийной смеси составляет не более 10 %. Использовать такую смесь для гравийной обсыпки без просеивания нельзя из-за неудовлетвори­тельных и гидравлических и суффозионных свойств таких фильтров, резкого снижения эффективности работ вплоть до не­обходимости проведения повторных операций по заканчиванию скважины. В связи с этим производственные организации выну­ждены организовывать работы по фракционированию гравия не­посредственно на своей базе или на буровой, которые вследствие неоправданно низкой стоимости и своей специфики убыточные.

Обычно гравийную смесь просеивают вручную через сита квадратного плетения непосредственно на буровой. Эта техноло­гия характеризуется следующими основными недостатками: высокая трудоемкость работ;

Отсутствие средств механизации для частичной или полной замены ручного труда;

Необходимость отрыва членов бригады на несвойственные им работы, т. е. использование высококвалифицированных работни­ков не по профилю;

Увеличение транспортных расходов на перевозку к месту ра­бот гравийного отсева, содержание которого редко бывает мень­ше 60—70 %;

Повышенная вероятность возникновения аварийной ситуации в скважине при фракционировании гравия после вскрытия водо­носного пласта.

С целью устранения вышеперечисленных недостатков, прису­щих ручному просеиванию гравия непосредственно на буровой (в некоторых производственных организациях на базе экспеди­ции), управления или партии создан специализированный уча­сток по подготовке гравия к использованию для обсыпки. В Краснодарском СУ НПО Спецпромстрой участок приготовления гравийной смеси представляет собой установку для просеивании гравия, которую обслуживает специальная бригада.

Установка для просеивания гравия представлена перфориро­ванной трубой большого диаметра, наклоненной к горизонтали под углом 10—15°. Наклонная труба может вращаться вокруг

471

Большой оси симметрии с приводом от электромотора. Перфори­рованная труба обматывается в один слой сеткой квадратного плетения с размером ячейки, выбираемым исходя из нужной фракции гравия. Под перфорированной трубой устанавливают специальные поддоны для сбора искомой фракции гравия. У нижнего торца наклонной трубы устанавливают емкость для сбо­ра гравийного отсева, который используется в строительных ра­ботах. Верхний торец наклонной трубы снабжен загрузочным люком и воронкой. Самосвал с неотсортированной гравийной смесью подъезжает к наклонной трубе и сгружает часть смеси в воронку, из которой через загрузочный люк она поступает в на­клонную трубу. Наклонная труба вращается, при этом искомая фракция, просыпаясь через ячейки, попадает в поддоны, где на­капливается.

Отсев гравия, представленный более крупными фракциями, чем ячейки сита, высыпают через нижний торец наклонной тру­бы в специальную емкость. Из поддонов гравийная смесь за­бирается, затаривается и отправляется к месту производства ра­бот. С целью получения высококачественной гравийной смеси целесообразно одну и ту же смесь дважды пропустить через ус­тановку для просеивания гравия, в этих процессах сначала от­сеивается некондиционная более мелкая фракция, а затем — бо­лее крупная.

В ПСО Востокбурвод для целей подготовки гравия к засыпке в скважину использовался сортировочный агрегат СА, который состоит из приемного бункера, грохота и четырех конвейеров. В приемный бункер СА засыпают исходную гравийную смесь, от­куда она поступает на верхнее сито грохота. На первом сите из общей массы отсеивается фракция более 10 мм, которая первым конвейером транспортируется и складируется в 20 м от агрегата. На последующих ситах отсеивается фракция 3—7 мм, которая транспортируется вторым конвейером и складируется также в стороне от агрегата. Фракция гравия < 3 мм третьим и четвер­тым конвейерами транспортируется к месту складирования.

При работе агрегата в зимних условиях (как промежуточное звено) между ситами устанавливаются дробилки для размельче­ния смерзшихся кусков. Сортированный гравий искомой фрак­ции затаривают в мягкие контейнеры для сыпучих материалов, выпускаемые промышленностью, и транспортируют на буровую. Основные параметры контейнеров приведены ниже.

Техническая характеристика мягких контейнеров

Типоразмер....................................................

Масса, кг.........................................................

Масса брутто, кг.............................................

Рабочий объем в загруженном состоянии, м

МК-0,5 МК-0,7

20 25

1,5 1,5

472

Контейнеры выпускаются двух модификаций, которые марки­руются индексами П и Л. Индекс П свидетельствует о том, что контейнер выполнен с грузовыми элементами в виде несущих проушин, а индекс Л — с грузовыми элементами в виде грузовых лент с кольцами. Для механизации погрузо-разгрузочных работ с контейнерами применяют краны-укосины.

Для просеивания гравийной смеси на базе производственных организаций можно использовать вибрирующие сита, изготавли­ваемые для очистки промывочной жидкости. Некоторые произ­водственные организации страны укомплектованы одинарными СВ-1 и сдвоенными СВС-2 виброситами. Техническая характе­ристика вибросита СВС-2 представлена ниже.

TOC o "1-3" h z Пропускная способность, л/с............... 50-55

Угол наклона сетки, градус...................... 15

Частота колебаний сетки в 1 мин....... 1400, 1600, 1800, 2000

Полезная площадь сетки, м2.................... 2,5

Размеры ячеек, мм.............................. 0,7x2,3

1,0x2,3 1,0x5,0

Привод................................................. Индивидуальный от электродвигателей

Типа А0 42-4 мощностью 2x2,8 кВт при 1420 об/мин

ВНИИнефтемашем разработано сдвоенное вибросито СВ-2 со следующей технической характеристикой.

Пропускная способность, л/с........................................ ... 50-60

Частота колебаний сетки в 1 мин............................... 1600, 2000

Рабочая площадь сетки, м2.......................................... ....... 2,6

Длина сетки одной вибрирующей рамы, м.................. ....... 4,5

Тип электродвигателя........................................................ А0 2-31

Установленная мощность, кВт..................................... ..... 2,2x2-4,4

Габариты, мм:

Длина......................................................................... 2450

Ширина...................................................................... ..... 2650

Высота....................................................................... ..... 1530

Масса, кг....................................................................... .... 1380

По сравнению с виброситом СВС-2 у нового вибросита зна­чительно увеличен срок службы сетки. Кроме того, угол наклона сетки по длине вибрирующей рамы переменный, что создает ус­ловия для лучшего сбрасывания гравия.

Общий недостаток вибросит — их малая производительность, сложность механизации погрузки и разгрузки исходной фракци­онной смеси. Наиболее высокую производительность по твер­дому, а следовательно, и большую эффективность применения в процессе фракционирования имеют гидроциклоны. Принцип действия гидроциклона следующий.

В корпусе, имеющем форму воронки, создается закрученный поток жидкости с содержанием гравия исходной фракции. При попадании частиц гравия в гидроциклон на них начинает дейст-

473

Вовать центробежное поле, обусловливающее возникновение цен­тробежной силы, стремящейся сместить частицу из центральных сечений в периферийные. Такому смещению препятствует сила сопротивления. Так как центробежная сила пропорциональна объему частицы или кубу ее характерного диаметра, а сила со­противления — площади поверхности частицы, или квадрату ха­рактерного диаметра, можно утверждать, что с увеличением крупности частиц центробежная сила растет быстрее, чем сила сопротивления.

Решение дифференциального уравнения движения частиц гравия в центробежном поле позволяет установить, что чем больше размер частиц, тем быстрее они переместятся к перифе­рийным сечениям гидроциклона, к его стенкам. И наоборот, чем меньше частица, тем сложнее ее сместить из центральных сече­ний гидроциклона. В связи с этим, если отбирать из пристенной части гидроциклона одну часть потока, то в ней будут содер­жаться преимущественно крупные фракции. Во второй части по­тока, отбираемой из центральных сечений гидроциклона, будут содержаться преимущественно мелкие фракции. За счет измене­ния подачи рабочего потока в гидроциклон и его геометрических характеристик добиваются заданных параметров фракционирова­ния. Как правило, применение гидроциклонов не позволяет до­биться четкого разделения гравия по фракциям в связи с тем, что существует промежуточная фракция, которая содержится как в отсеве, так и в искомой фракции.

Гидроциклоны в геологической отрасли широко используют в практике очистки промывочной жидкости от примесей. Рассмот­рим типовую схему очистного оборудования с гидроциклонами.

Установка ОГХ-8Б состоит из гидроциклона и питательного насоса с электроприводом, смонтированных на общей раме. Гид­роциклон выполнен в виде конусной воронки, переходящей в нижней и верхней частях в цилиндры с двумя сливными пат­рубками. Питательный насос центробежного типа забирает водо - гравийную смесь и закачивает ее в верхнюю часть гидроциклона через нагнетательный патрубок, вваренный в корпус по направ­лению касательной. Смесь нагнетают под давлением 0,15­0,3 МПа. При попадании в гидроциклон смесь закручивается, наиболее крупные частицы смещаются к поверхности конусной воронки и через нижний цилиндр и сливной патрубок поступают в специальную емкость, где гравий складируется, а жидкость от­фильтровывается и удаляется.

Более мелкие фракции гравия из центральных сечений посту­пают в верхний цилиндр большего (чем нижний) диаметр и от­туда через вторую сливную магистраль поступают в другую ем-

474

Кость, где также собираются, а отфильтрованная жидкость удаля­ется. С увеличением диаметра гидроциклона его подача возрас­тает, а качество фракционирования снижается. Для улучшения качества фракционирования могут применяться блоки гидроци­клонов, состоящие из нескольких спаренных гидроцикло­нов. Геологическая отрасль снабжена гидроциклонами типа 1ГЦ-15ОР, которые можно эффективно применять для отсеива­ния наиболее применяемой фракции гравия 0,5—1,5 мм.

Техника и технология приготовления гравийной смеси и ее закачки в скважину в процессе работ должна обеспечивать при минимуме затрат:

Приготовление гравийной смеси заданной концентрации с равномерным распределением частиц по всему объему;

Равномерную подачу гравийной смеси в скважину с требуе­мым расходом под необходимым давлением, обусловленным суммой гидравлических потерь в циркуляционной системе в процессе закачки;

Надежную работу поверхностного оборудования при перекачке абразивных смесей;

Непрерывность процесса приготовления и закачки смеси; простоту технологических операций и применяемого оборудо­вания;

Возможность механизации процесса сооружения гравийного фильтра.

В практике оборудования скважин гравийными фильтрами используют схемы поверхностной обвязки. Эти рекомендации недостаточно обоснованы и сейчас некоторые технические сред­ства и соответствующие технологии устарели. Во ВСЕГИНГЕО теоретически и экспериментально на специально оборудованном стенде и натурных скважинах испытаны известные в практике принципиально различные схемы поверхностного оборудования и оценено их влияние на эффективность сооружения гравийного фильтра.

Способ приготовления гравийной смеси и ее закачка в сква­жину эжекторным смесителем широко применяется и реклами­руется ПСО Востокбурвод. Согласно этой технологии жидкость - носитель от бурового насоса подается к гидросмесителю эжек - торного типа, обычно представленного модификациями ГД-1 и ГДМ-1, которыми комплектуются буровые установки 1БА-15В. При прохождении жидкости-носителя через сопло увеличивается скорость потока и согласно эффекту Вентури в камере смешения гидросмесителя создается подсос 0—0,06 МПа. За счет подсоса гравий из бункера эжекторного смесителя поступает в струю жидкости-носителя и подается в нагнетательную магистраль.

475

На начальном этапе испытания этой схемы было установлено, что гравий крайне неравномерно поступает в нагнетательную магистраль вследствие образования в бункере гидромешалки ус­тойчивого гравийного контура равновесия над камерой смеше­ния. Неравномерность подачи приводит к периодическому уве­личению концентрации гравийной смеси больше критических значений, которые (например, для воды) составляют приблизи­тельно 15 %, и пробкообразованию в поверхностной обвязке. С целью минимизации неравномерности подачи гравия в струю жидкости носителя был модернизирован корпус гидромешалки таким образом, что отверстие, через которое гравий поступал в камеру смешения, было асимметричным по отношению к кор­пусу. Однако модернизация корпуса позволила лишь частично устранить пробкообразование. Опробовано было предложение ПСО Востокбурвод, заключающееся в формировании парал­лельно с основной струей жидкости-носителя после сопла вспо­могательной струи, которая постоянно разрушала бы сформиро­вавшийся контур равновесия. Испытания показали, что нерав­номерность подачи устраняется лишь на начальном этапе после включения насоса. В дальнейшем образовывался свод равнове­сия большого масштаба, который не захватывался струей и не был подвержен разрушению. Разрушение свода наблюдалось лишь при передаче вибрационного воздействия на бункер.

Итак, при использовании гидросмесителей эжекторного типа для приготовления и подачи в скважину гравийной смеси (со­гласно имеющимся рекомендациям) не представляется возмож­ным устранить неравномерность подачи гравия в нагнетательную магистраль, и следовательно обеспечить надежную транспорти­ровку гравия в скважину, минимизацию расслоения смеси в про­цессе движения к забою. С целью устранения сводообразования на бункер гидромешалки необходимо устанавливать вибратор, что значительно удорожает и усложняет работы.

Кроме того, установлено, что применение гидросмесителя не позволяет развить давление в нагнетательной магистрали более 0,06—0,07 МПа. Отмеченное обстоятельство исключает возмож­ность применения гидросмесителей эжекторного типа в процессе сооружения гравийного фильтра при комбинированной и обрат­ной циркуляции, а также при глубинах статического уровня скважин более 50 м при засыпке гравия через вспомогательную колонну труб, установленную в кольцевом пространстве сква­жины. Дело в том, что при стандартной подаче насосного обору­дования 10—20 л/с при нисходящей фильтрации через гравий­ный фильтр типового размера, потери напора только в фильтре существенно превышают давление нагнетания. Поэтому гидро-

476

Смеситель «захлебывается» и жидкость-носитель начинает выте­кать из бункера гидросмесителя.

Установка гидросмесителя в нагнетательной магистрали при­водит к аэрации гравийной смеси, которая в свою очередь обу­словливает увеличение потерь напора при циркуляции в сравне­нии с неаэрированной жидкостью. Увеличение потерь напора за счет аэрации существенно сужает возможную область примене­ния гидросмесителей эжекторного типа для целей приготовления гравийной смеси и ее подачи в скважину. С целью расширения возможной области применения гидросмесителей Русбурмаш было предложено устанавливать в нагнетательной магистрали после камеры смешения специальный тройник с фильтром, от которого отводилась сливная магистраль.

Часть жидкости-носителя фильтровалась через фильтр, на ко­тором оседал и задерживался гравий и поступала на слив, сни­жая тем самым рабочий расход смеси, а следовательно и потери напора в циркуляционной системе. Таким образом, за счет уменьшения подачи смеси в скважину после смесителя удалось снизить требуемое рабочее давление нагнетания и несколько расширить область применения гидросмесителей при сооруже­нии гравийных фильтров. Однако, как показали испытания, та­кое расширение области применения этой технологии незначи­тельно вследствие невозможности существенного снижения расхода смеси в скважине исходя из необходимости поддержа­ния в циркуляционной системе турбулентного режима движе­ния, позволяющего предотвратить пробкообразование и обеспе­чить надежную транспортировку частиц гравия в интервал фор­мирования фильтра. Кроме этого, вести закачку смеси при огра­ниченных режимах экономически невыгодно. Единственное пре­имущество схемы приготовления и закачки гравийной смеси гидросмесителями эжекторного типа — простота технологических операций и доступность технических средств. Однако примене­ние этой схемы в практике, как правило, не обеспечивает формирования гравийного фильтра высокого качества и эффек­тивного проведения работ в целом.

Приготовление гравийной смеси в герметичных бункерах и закачка приготовленной смеси насосами высокого давления при попеременном подключении к бункерам рекомендовали ВНИИ - газ и ВНИПИ Термнефть при оборудовании гравийными фильт­рами глубоких нефтяных и газовых скважин. Бункерные смеси­тели широко применяют в практике гидротранспорта. Впервые для приготовления гравийной смеси и ее подачи в скважину, герметичные бункера предложил использовать в 30-х гг. про­шлого столетии Л. Лайенс. Бункер представлял собой обсадную

477

Трубу длиной 1,5—2 м, с одного торца заваренную металличе­ским диском, а с противоположного — металлическим кольцом с загрузочным люком. В нижней части бункера высверливали два отверстия, в которых жестко закрепляли входной и рабочий пат­рубки. Входной патрубок соединяли с поршневым насосом, а ра­бочий — со скважиной. Герметичный бункер через загрузочный люк заполняли гравием. После герметизации загрузочного люка от насоса в бункер через входной патрубок нагнетали жидкость - носитель, которая, смешиваясь с гравием, образовывала смесь. Гравийная смесь через рабочий патрубок герметичного бункера и гибкие шланги подавалась в скважину.

Схемы поверхностного оборудования ВНИИгаз и ВНИПИ Термнефть принципиально аналогичны схеме расположения по­верхностного оборудования с герметичным бункером, рекомендо­ванной Л. Лайенсом. Отличие заключается в том, что применяе­мые схемы обеспечивают одновременную разгрузку сразу не­скольких герметичных бункеров, соединенных с поршневыми насосами цементировочных агрегатов, а нижняя часть бункера выполнена в виде полусферы или конусной воронки.

Автором с НПО Спецпромстрой проведены исследования по выявлению преимуществ, недостатков и рациональных областей применения герметичных бункеров для приготовления и подачи в скважину гравийной смеси. Работы проводились на экспери­ментальной скважине Московского СУ НПО Спецпромстрой. Первоначально испытывалась поверхностная обвязка, рекомен­дуемая для применения в нефтяных и газовых скважинах и ана­логичная схеме Л. Лайенса при малых давлениях, не превышаю­щих 0,02 МПа. В ходе испытаний выявлены следующие недос­татки схемы поверхностной обвязки с герметичными бункерами: невозможность приготовления гравийной смеси с заданной постоянной объемной концентрацией;

Неравномерность поступления гравия в струю жидкости-носи­теля вследствие сводообразования, зависания гравия;

Необходимость прерывистого ведения работ вследствие пре­кращения закачки на время загрузки бункеров;

Сложность герметизации загрузочного люка и высокая трудо­емкость работ в процессе загрузки бункера гравием;

Сложность контроля за опорожнением бункера и технологиче­ским процессом закачки.

В начальный момент закачки в рабочий патрубок поступал большой объем гравия, средние величины которого по мере опо­рожнения герметичного бункера уменьшились. Высокие концен­трации гравийной смеси при подключении насоса к герметич­ному бункеру приводили к пробкообразованию еще до поступле-

478

Ния гравия в скважину, т. е. в поверхностной обвязке. Образова­ние гравийных пробок происходило не только в начальный пе­риод закачки. По мере опорожнения бункера образовывались устойчивые гравийные своды над отверстием рабочего патрубка и концентрация гравия в смеси уменьшалась до нуля.

При обрушении свода, которое наблюдалось при передаче ударных нагрузок на корпус герметичного бункера, концентрация смеси резко возрастала, что приводило к образованию пробки. Следует отметить, что неравномерность поступления гравия в скважину, прерывистость технологических операций в процессе работ недопустимы не только из условия необходимости преду­преждения пробкообразования, но также исходя из соображений повышения качества намываемого гравийного фильтра, за счет минимизации расслоения.

В процессе испытаний для обеспечения равномерной подачи гравия в скважину поверхностная обвязка с герметичными бун­керами была модернизирована. Во-первых, герметичные бункера, выполненные из обсадных труб диаметром 426 мм, были уста­новлены под углом 20—30° к вертикали, что исключило вероят­ность возникновения в бункере устойчивых сводов равновесия. Дело в том, что при асимметричной форме поверхности бункера (по отношению к отверстию рабочего патрубка) свод равновесия возникать теоретически не должен. Во-вторых, за счет установки в корпусе специальной муфты обеспечили возможность переме­щения входного патрубка в герметичном бункере относительно продольной оси, что позволило в процессе закачки регулировать объем камеры смешения, который определяется расстоянием ме­жду отверстием рабочего патрубка и нагнетательным патрубком. Перед заполнением бункера гравием нагнетательный патрубок перемещали к рабочему до упора, т. е. камеры смешения практи­чески не было.

При включении насоса жидкость-носитель из нагнетательного патрубка поступала через отверстие в рабочий патрубок и в скважину не обогащаясь гравием. Постепенным отодвиганием нагнетательного патрубка от отверстия рабочего патрубка путем вращения обеспечивали заданную концентрацию гравия в жид­кости-носителе. По мере опорожнения бункера объем камеры смешения увеличивали с целью поддержания постоянной объем­ной концентрации смеси.

Режимы закачки отрабатывали в лабораторных условиях на базе построения графиков зависимости объема поступающего в рабочий патрубок гравия от объема камеры смешения при типо­вых расходах используемого насосного оборудования по мере опорожнения бункера. Необходимо отметить, что в настоящее

479

Время отсутствуют теоретические исследования, позволяющие определить режимы закачки без проведения эксперимента.

При использовании герметичных бункеров для поддержания концентрации гравия в воде 5—7 % расстояние между нагнета­тельным патрубком и отверстием рабочего патрубка увеличивали плавно по мере опорожнения бункера с 15-20 до 50-60 мм. Ис­пользование полученных соотношений для бункеров других конструкций возможно только для ориентировочных оценок. Для обеспечения непрерывности работ по закачке гравия в скважину использовали два бункера, причем пока первый разгружался, второй заполняли гравием, и наоборот. Попеременное подключе­ние насоса к каждому из бункеров осуществляли с помощью трехходовых кранов.

При увеличении давления нагнетания растет давление в гер­метичном бункере и усложняется его эксплуатация. В некоторых случаях работы под большим давлением при использовании гер­метичных бункеров могут оказаться небезопасными. В процессе испытаний при давлении нагнетания 1,2 МПа нарушилась герме­тичность загрузочного люка, а при давлении 1,8 МПа в другом бункере оторвало кольцо с загрузочным люком. Аналогичные аварии наблюдались при испытании герметичных бункеров при сооружении гравийных фильтров в скважине.

Таким образом, при использовании в поверхностной обвязке герметичных бункеров к ним необходимо предъявлять соответст­вующие требования как к сосудам, работающим под большим давлением, что значительно усложняет и удорожает работы. По­этому использовать бункерные схемы поверхностного оборудова­ния в процессе оборудования глубоких скважин при высоких давлениях нагнетания не рекомендуется.

В. Я. Мешков предложил уменьшить объем герметичного бун­кера до размеров, обеспечивающих его безопасную работу при полуторакратных рабочих давлениях. В качестве герметичного бункера использовали стандартные газовые баллоны, испытанные на определенное давление. Баллон жестко закрепляли в специ­альном патрубке перпендикулярно его продольной оси и уста­навливаемом в нагнетательной магистрали таким образом, чтобы расстояние между выпускным отверстием баллона и нижней по­верхностью патрубка было 5—10 мм. В противоположном торце баллона устанавливали загрузочный люк, через который засы­пали гравий.

После засыпки гравия люк закрывали и включали насос. При прохождении жидкости через патрубок, в который был вмонти­рован торец баллона с выпускным отверстием, гравий захваты­вался струей и закачивался в скважину. Практика оборудования

480

Скважин на объектах треста Промбурвод при использовании в качестве герметичных бункеров газовых баллонов показала ее пригодность при оборудовании глубоких скважин гравийными фильтрами, гидроразрыве пласта, установке песчано-гравийного моста и других работах. Недостаток предложенной схемы — очень высокие затраты труда на открытие и герметизацию загру­зочных люков при заполнении баллонов малого объема гравием, сложность контроля за поступлением гравия в скважину, нерав­номерность подачи гравия в скважину вследствие сводооб- разования в баллоне. Особенно ярко проявляются недостатки этой схемы при необходимости засыпки в скважину больших объемов гравия.

При оборудовании глубоких скважин ПВ давления в нагнета­тельной магистрали после эжекторного смесителя недостаточно для обеспечения циркуляции в скважине. Для таких условий в ЗАО «Русбурмаш» разработан и изготовлен загрузочно-обмен - ный аппарат, показанный на рис. 8.32. Значительный объем бун­
керов позволяет существенно снизить затраты на оборудование скважин гравийного фильтра. Данная установка успешно приме­няется для транспортировки гравийной смеси на поверхности от места разгрузки и просеивания по рудному полю к скважинам.

В последние два-три десятилетия в зарубежной практике чет­ко прослеживается тенденция перехода на закачку гра­вийной смеси поршневыми насосами высокого давления. Сего­дня почти все ведущие фирмы используют для закачки гравия в скважину такую технологию. В нашей стране ранее при соору­жении гравийных фильтров схема закачки гравийной смеси поршневыми насосами не использовалась. Имелся единичный опыт использования поршневых насосов преимущественно це­ментировочных агрегатов для закачки в скважину небольших объемов песчано-гравийной смеси в процессе проведения гидро­разрыва продуктивных пластов нефтяных и газовых скважин. Основная причина ограниченного применения технологии за­качки гравийной смеси поршневыми насосами заключалась в повышенном износе цилиндровых втулок, клапанных седел и других частей насоса в процессе работ.

Автором проведен анализ работ, посвященных надежности работы насосного оборудования при перекачке абразивных сме­сей, и комплекс экспериментальных и полевых исследований. Анализ показал, что при качественном просеивании гравия, уда­ления из его состава фракций более 4—5 мм возможна удовле­творительная работа насоса при перекачке абразивной смеси в течение длительного срока. По данным А. С. Волкова, надежная работа поршневых насосов при перекачке водогравийной смеси концентрации до 5 % с размером частиц не более 2 мм обеспечи­вается в течение 700—800 ч непрерывной работы, после которых необходимо заменить изношенные детали гидравлической части насоса. На оборудование гидрогеологической скважины типовой конструкции требуется приблизительно 1 м3 гравия. Основыва­ясь на данных А. С. Волкова с учетом подачи насоса 5—10 л/с при концентрациях смеси порядка 5 %, можно определить, что одного поршневого насоса будет достаточно для оборудования без ремонта порядка 1000 скважин.

С целью проверки этих данных были проведены испытания схемы поверхностного оборудовании, при которой гравийная смесь поршневым насосом закачивалась в скважину. Испытания проводились на объектах треста НПО Спецпромстрой в Яро­славской области, Краснодарском крае, Башкирской АССР и в ПО Молдавгеология ССР в южных районах.

Для перекачки гравийной смеси в Краснодарском СУ НПО Спецпромстрой использовали гравийную смесь фракции от 2 до

482

10 мм. Перекачка гравийной смеси осуществлялась поршневым насосом цементировочного агрегата ЦА-32ОМ. В процессе пере­качки водогравийной смеси концентрации 2—3 % со временем уменьшалась подача цементировочного агрегата. Это было свя­зано с засорением всасывающего патрубка и клапанов наиболее крупными фракциями гравия.

Прекращение подачи наблюдалось через 10—15 мин после промывки насоса. Засорение клапанов и всасывающего патрубка насоса наблюдалось по причине невозможности перекачки порш­невым насосом данной конструкции частиц крупностью более 5 мм вследствие ограниченной высоты подъема клапана. По мере проведения закачки концентрация крупных фракций в гидравли­ческой части увеличивалась, что приводило к увеличению гид­равлического сопротивления во всасывающей магистрали и как следствие — к снижению подачи. При достижении концентрации скопившихся частиц критических значений подача насоса пре­кращалась и требовалась промывка гидравлической части.

Проведенные работы показали, что использование поршневых насосов для перекачки гравийной смеси возможно только при качественном просеивании гравия, в процессе которого удаляется фракция более 5 мм. Необходимо отметить, что использование для гравийной засыпки фракций гравия более 3 мм, а тем более крупнее 5 мм, согласно имеющимся нормативным документам ни для одного района работ нашей страны рекомендовано быть не может. Намыв фильтра такого фракционного состава не только не обеспечит предупреждения песковании скважины, но и приве­дет к увеличению гидравлического сопротивления фильтрацион­ному потоку и как следствие - к снижению удельных дебитов.

Перекачку гравийной смеси состава 1—3 мм с концентра­циями 5—7 % на Ярославском участке Московского СУ НПО Спецпромстрой осуществляли поршневым насосом НБ-125, ус­тановленным на насосном блоке НП-15А. Гравийную смесь зака­чивали при расходах 10 л/с в течение 12 и 18 ч. Осложнений в процессе работ не наблюдалось. В Уфимском СУ треста Пром - бурвод для закачки аналогичной по фракционному составу гра­вийной смеси использовали насос 11ГР. В процессе оборудова­ния скважины гравийным фильтром снижения подачи и переры­вов циркуляции не наблюдалось.

При оборудовании гравийными фильтрами скважин, пробу­ренных в сложных условиях юга Молдавии, для закачки гравия фракции 0,3—1,5 мм насосом цементировочного агрегата ЦА-100 осложнений также не наблюдалось.

В ходе испытаний установлено, что для целесообразности снижения абразивного износа деталей насоса в качестве жидко-

483

Сти-носителя нужно использовать более вязкую жидкость, чем воду, и обеспечивать равномерную подачу гравия во всасываю­щую часть насоса с дополнительным подпором 0,01-0,03 МПа.

Итак, установлено, что поршневые насосы — единственное техническое средство, которое при правильной эксплуатации и контроле может подавать гравийную смесь в скважину под большим давлением. Это позволяет формировать гравийные фильтры высокого качества. Применение других схем поверхно­стного оборудования не позволяет обеспечить в скважине обрат­ную или комбинированную циркуляцию, нисходящую фильтра­цию жидкости-носителя через уже намытый гравийный слой. Экономически целесообразно модернизировать поршневые на­сосы специально для перекачки абразивных смесей. Эти работы можно осуществлять на базе принципа гидравлической или ме­ханической защиты контактирующих с гравием частей насоса, выбора рациональных конструкций клапанов, седел, уплотнений поршня и т. д. В ПГО Гидроспецгеология, Молдавской ГГЭ и других организациях при использовании поршневых насосов для целей перекачки абразивных смесей обычные тарельчатые кла­пана заменяют на шаровые. Надежность работы клапанов при такой модернизации увеличивается.

В зависимости от оборудования, используемого для при­готовления гравийной смеси, и типа поршневого насоса, ис­пользуемого для закачки гравия в скважину, возможно примене­ние четырех принципиальных схем поверхностной обвязки (рис. 8.33):

Приготовление гравийной смеси в пескосмесительных агрега­тах и ее закачка в скважину цементировочными агрегатами (см. рис. 8.33, а);

Приготовление и закачка гравийной смеси в скважину цемен­тировочными агрегатами (см. рис. 8.33, б);

Приготовление гравийной смеси в установленной на поверх­ности специальной емкости с помощью вспомогательного насоса и ее закачка в скважину буровым насосом (см. рис. 8.33, в);

Приготовление гравийной смеси в установленной в отстой­нике специальной емкости с помощью вспомогательного насоса и ее закачка в скважину буровым насосом (см. рис. 8.33, г).

Наиболее качественная гравийная смесь заданных параметров готовится в пескосмесительных агрегатах. Пескосмесительные агрегаты УСП-50, 4ПА и 3ПА предназначены для транспорти­ровки песка, приготовления песчано-жидкостной смеси и ее по­дачи к насосным установкам при гидроразрыве нефтяных и газо­вых пластов, а также при гидропескоструйной перфорации. В нефтяной и газовой отраслях пескосмесительные агрегаты ис-

484

Пользуют для приготовления гравийной смеси при оборудовании скважин гравийными фильтрами.

Пескосмесительные агрегаты смонтированы на базе автомо­биля КрАЗ-257 и состоят из бункера, разделенного перегородкой на две секции для песка двух различных фракций, установлен­ных на стенках бункера пневмовибраторов, рабочего и загрузоч­ного шнеков, регулятора выдачи сыпучего материала, смесителя, представляющего собой цилиндрическую емкость с коническим днищем и лопастной мешалкой, раздаточного и приемного кол­лекторов, а также центробежного пескового насоса.

С помощью рабочего шнека песок подается из отсеков бун­кера в смеситель. На коническом дне бункера установленные пневмовибраторы, приводимые в действие от пневмосистемы ав­томобиля, улучшают условия поступления песка в рабочий шнек. Из рабочего шнека песок поступает в смеситель, где при помощи лопастной мешалки он перемешивается с жидкостью-носителем. Регулированием частоты вращения рабочего шнека можно гото­вить смесь различной концентрации. Смеситель укомплектован показателем уровня. Готовая смесь отбирается центробежным насосом и подается к насосным установкам.

Техническая характеристика пескосмесительных агрегатов УСП-50 и ЧПА представлена ниже.

TOC o "1-3" h z Тип агрегата......................................... УСП-50 4ПА

Монтажная база - шасси автомобиля КрАЗ-257 Б1А КрАЗ-257

Масса транспортируемого песка, т..... 9 9

Максимальная производительность шнеков, т/ ч:

Рабочего........................................... 50 50

Загрузочного..................................... 25 12-15

Объем, м3:

Бункера............................................ 6,83 6,50

Смесителя......................................... 1 1

Песковой насос:

Шифр................................................ 5 ПС-10 5 ПС-10

Напор, МПа....................................... 0,22 0,22

Габариты, мм.................................... 9530x2630x3750 8750x2630x3750

Масса, кг:

Без груза.......................................... 13735 13775

С грузом............................................ 22735 23000

Техническая характеристика пескосмесительного агрегата 3ПА от 4ПА отличается тем, что емкость бункера увеличена с 6,5 до 6,7 м3, а масса транспортируемого песка с 9 до 10 т. Модифика-

Цементировочного агрегата; 6 — центробежный насос; 7 — нагнетательная маги­страль центробежного насоса; 8 — всасывающая магистраль центробежного насо­са; 9 — отстойник; 10 — транспортер гравия; 11 — всасывающая магистраль; 12 — вспомогательный насос; 13 — гидросмеситель; 14 — емкость для приготовления гравийной смеси; 15 — буровой насос; 16 — нагнетательная магистраль бурового насоса; 17 — всасывающая магистраль бурового насоса; 18 — нагнетательный патрубок вспомогательного насоса; 19 — отверстие в емкости для приготовления гравийной смеси; 20 - опоры; 21 — сливная магистраль

486 Ции 4ПА и 3ПА на производстве заменяются более совершенной конструкцией УСП-50.

Готовая гравийная смесь заданной концентрации подается к насосам, как правило, к насосам цементировочных агрегатов, ко­торыми и закачивается в скважину. Преимуществом данной схе­мы считается наличие подпора во всасывающей магистрали насо­са, который способствует улучшению условий работы клапанов при перекачке абразивной смеси.

Схема поверхностного оборудования из пескосмесительных и цементировочных агрегатов широко используется в практике по инициативе ВНИИгаза при сооружении гравийных фильтров в скважинах подземных хранилищ газа. Очевидно, эксплуатация дорогостоящих пескосмесительных и цементировочных агрегатов, а тем более комплексов, состоящих из нескольких пескосмеси­тельных и цементировочных агрегатов, не всегда экономически оправдана. Прежде всего это относится к организациям, имею­щим малые объемы гравийных обсыпок, при их разбросанности по территории.

В гидрогеологических организациях пескосмесительные агре­гаты отсутствуют, а приобретение их редко обосновано экономи­ческой необходимостью из-за сравнительно незначительных кон­центраций объемов гравийной обсыпки. Поэтому рекомендуется использовать для приготовления гравийной смеси и ее закачки в скважину цементировочные агрегаты ЦА-400, ЦА-32ОМ, ЦА-100 (рис. 8.33, б).

Гравийная смесь готовится непосредственно в емкостях це­ментировочного агрегата. Всасывающий шланг центробежного насоса цементировочного агрегата спускается в отстойник, а на­гнетательный крепится внутри любой из двух емкостей так, что­бы выходящая струя создавала внутри емкости замкнутую кру­говую циркуляцию. Емкости заполняются из отстойника жидко­стью-носителем. При необходимости в емкости добавляют реа­генты, способствующие повышению вязкости структурных свойств раствора. Через верхний открытый торец емкости, в ко­торой создана замкнутая круговая циркуляция, подают гравий. Концентрация приготавливаемой смеси регулируется подачей центробежного насоса и подачей гравия.

Вместо центробежного насоса цементировочного агрегата для создания циркуляции в емкости можно использовать буровой насос. Приготовленная гравийная смесь забирается поршневым насосом цементировочного агрегата и закачивается в скважину. Внедрение данной схемы поверхностного оборудования, разрабо­танной автором, показало, что часть гравия откладывается в уг­лах емкости прямоугольного сечения и не захватывается порш-

487

Невым насосом, что усложняет технологический процесс вследст­вие повышения доли ручного труда, необходимого для приведе­ния осадка во взвешенное состояние.

Для исключения откладывания частиц гравия в стороне от всасывающего клапана рекомендуется устанавливать внутри ем­кости цементировочного агрегата специальный направляющий кожух. Последний выполняется из жести и имеет форму воронки с открытым нижним отверстием на 40—50 мм большем диаметра всасывающего клапана. Гравийная смесь поступает во всасываю­щую магистраль насоса с подпором, равным превышению уровня жидкости в емкости по отношению к уровню всасывающего кла­пана, что создает благоприятные условия для перекачки абразив­ной смеси. Схема поверхностного оборудования с использова­нием цементировочного агрегата проста и надежна.

В некоторых случаях на практике не удается обеспечить ра­боты по сооружению гравийных фильтров в скважине цементи­ровочными агрегатами. Для таких условий рекомендуется схема поверхностной обвязки со стандартным буровым оборудованием. Гравийную смесь готовят в специальной емкости, установленной на поверхности таким образом, чтобы уровень в ней превышал уровень всасывающего клапана насоса, которым предполагается закачивать гравийную смесь в скважину.

Емкость может быть выполнена из отрезка обсадной трубы большого диаметра объема 0,5—0,8 м3. В нижней части емкости вырезается отверстие под храпок всасывающего шланга насоса, закачивающего гравийную смесь в скважину. Храпок герметично закрепляется в этом отверстии. В нижней части емкости в на­правлении касательной к корпусу закрепляют входной патрубок, который соединяют гибким шлангом с нагнетательной магистра­лью гидросмесителя.

Гравийную смесь готовят с помощью вспомогательного на­соса, который может быть представлен как поршневой, плунжер­ной, так и центробежной конструкцией. Жидкость-носитель за­бирается из отстойника вспомогательным насосом и подается через гибкий шланг к гидросмесителю. В бункер гидросмесителя засыпают гравий, который, смешиваясь со струей после сопла, поступает через гибкий шланг и входной патрубок в емкость. За счет пространственного расположения входного патрубка в емко­сти создается замкнутая циркуляция, способствующая равномер­ному распределению твердых частиц по ее сечению и приготов­лению высококачественной гравийной смеси. Концентрацию гра­вийной смеси регулируют путем изменения подачи гравия в бункер гидросмесителя. Готовая гравийная смесь забирается поршневым насосом (табл. 8.14) и закачивается в скважину.

488

При необходимости из схемы поверхностной обвязки можно исключить гидросмеситель за счет обеспечения подачи гравия непосредственно в емкость через верхнее отверстие. Реализация схемы на практике усложняется необходимостью уровнять по­дачу вспомогательного и закачивающего гравийную смесь насоса. Решить проблему уравновешивания подачи двух насосов можно за счет оборудования специальной сливной магистрали от верх­него торца емкости к отстойнику двумя путями. Первый путь заключается в развитии вспомогательным насосом большей по­дачи, чем закачным, а второй — в дополнительной подпитке ем­кости от трубопровода.

В случае невозможности обеспечения вспомогательным насо­сом подачи большей, чем закачным и подпитке емкости от тру­бопровода возможна установка емкости в отстойник (см. рис. 8.33, в). Для этого в дне емкости вырезается дополнительное от­верстие диаметром 7—10 мм, а к корпусу привариваются опор­ные лапы. При погружении емкости в отстойник в них устанав­ливается единый уровень. Всасывающий шланг закачного насоса опускается в емкость ниже уровня непосредственно через верх­ний открытый торец. Приготовление смеси в емкости обеспечи­вается за счет непрерывной циркуляции, создаваемой вспомога­тельным насосом. Гравий может подаваться в емкость либо непо­средственно через ее открытый верхний торец, либо по аналогии с третьей схемой с помощью гидросмесителя, устанавливаемого в нагнетательной магистрали вспомогательного насоса через экс­центричный входной патрубок емкости.

Подача вспомогательного и закачного насосов уравновешива­ется путем перетока жидкости через отверстие в дне либо из от­стойника в емкость, либо наоборот. Недостаток этой схемы — менее надежная работа насоса при перекачке абразивной смеси вследствие отсутствия подпора во всасывающей линии закачного насоса. При возможности следует максимально приблизить уро­вень всасывающих клапанов закачных насосов к уровню жидко­сти в отстойнике или применять первые три схемы поверхност­ной обвязки.

Рассмотренные схемы поверхностного оборудования для при­готовления гравийной смеси и ее закачки в скважину охваты­вают практически все многообразие условий проведения работ и обеспечивают успешное решение поставленной цели в случае правильной оценки ситуации, рационального выбора типа обору­дования и его компоновки. В табл. 8.15 представлены сведения относительно преимуществ, недостатков и рациональных облас­тей применения различных схем поверхностного оборудования для приготовления гравийной смеси и ее закачки в скважину.

490

Некоторыми зарубежными фирмами созданы комплексы по­верхностного оборудования для проведения работ по гравийной обсыпке. Комплексы поверхностного оборудования смонтиро­ваны на базе тяжелых автомобилей и включают:

Смесительный блок для приготовления гравийной смеси; насос высокого давления для закачки гравийной смеси в сква­жину;

Бункера для гравия;

Бункер для жидкости-носителя;

Вспомогательный насос для приготовления смеси и подачи жидкости-носителя в смесительный блок;

Систему транспортеров для загрузки бункеров гравием и их разгрузки в смесительный блок;

Контрольно-измерительную аппаратуру. Поверхностное оборудование для проведения работ по гра­вийной засыпке сложнее и дороже цементировочного и другого оборудования, используемого на скважинах. Несмотря на это разработано много модификаций различных агрегатов, что свиде­тельствует о важности этапа подготовки гравийной смеси на по­верхности и ее закачки в скважину в общем цикле строительства. В нашей стране комплексы поверхностного оборудования для приготовления гравийной смеси и ее подачи в скважину на еди­ной транспортной базе не разработаны.