Jak sprzęt pływający do cementowania działa w zastosowaniach odwiertów pochyłych i poziomych

Sprzęt pływający do cementowania musi działać niezawodnie w odwiertach pochyłych i poziomych, gdzie kąty odwiertu zbliżające się do 90 stopni, długie ciągi rur okładzinowych, złoża urobku i wąskie przestrzenie pierścieniowe zmieniają sposób obciążania buta pływającego i kołnierza pływającego. Zawór zwrotny musi uszczelniać w każdej orientacji, przetrwać obciążenia udarowe i erozję podczas wciągania, a następnie utrzymać pełne ciśnienie różnicowe po uderzeniu zatyczki wycierającej. Konstrukcje samonapełniające zmniejszają ciśnienie udarowe i przyspieszają napełnianie na długich odcinkach o dużym nachyleniu, podczas gdy rozwiercalne elementy wewnętrzne umożliwiają szybkie rozwiercanie za pomocą wierteł PDC przez ścieżkę buta. Wybór konfiguracji, takich jak zespoły z jednym lub dwoma zaworami, zamknięcia klapowe lub kulkowo-gniazdowe, parametry ciśnienia i temperatury oraz gatunek materiału decydują o tym, czy zadanie cementowania zakończy się czystym uderzeniem zatyczki i uszczelnionym butem. W praktyce odpowiednia konfiguracja daje zespołom wiertniczym pewność, że mogą efektywnie wciągać długie ciągi rur, cyrkulować bez wahania i potwierdzić barierę czystą odpowiedzią ciśnieniową na powierzchni. Niniejszy przewodnik wyjaśnia, co się zmienia w odwiertach o dużym nachyleniu i jak dobrać, zainstalować i zweryfikować sprzęt pływający do tych zastosowań.

Czego odwierty pochyłe i poziome wymagają od sprzętu pływającego

Odwierty pochyłe są wiercone z zaplanowanym kątem narastania, który odsuwa odwiert od pionu, a odwierty poziome są przedłużane, aż trajektoria osiągnie około 90 stopni od pionu. Odwierty o dużym zasięgu posuwają tę koncepcję dalej, z poziomym przesunięciem, które często przekracza rzeczywistą głębokość pionową. W każdym takim profilu ciąg rur okładzinowych musi być prowadzony przez zakrzywione odcinki o dużym nachyleniu, a sprzęt pływający do cementowania podróżuje razem z nim: but pływający na dolnym odcinku i, zazwyczaj, kołnierz pływający jeden do trzech odcinków powyżej buta, definiując ścieżkę buta, która zazwyczaj ma długość od 20 do 90 stóp.

Pierwsza różnica jest geometryczna. W odwiertach pionowych oś zaworu jest skierowana w dół, więc grawitacja pomaga elementowi zamykającemu osadzić się na swoim gnieździe. W odwiertach poziomych narzędzie leży na boku, a grawitacja oferuje niewielką pomoc, więc uszczelnienie zależy od siły sprężyny i ciśnienia różnicowego. Klapa lub tłok sprężynowy zamyka się pewnie przy każdym nachyleniu, podczas gdy zawór kulkowo-gniazdowy zależy od klatki do prowadzenia kuli i od ciśnienia różnicowego wstecznego, aby napędzić ją na gniazdo. Dlatego preferowane są elementy wewnętrzne tolerujące orientację do zastosowań o dużym nachyleniu.

Druga różnica to obciążenie zanieczyszczeniami. Urobek osiada po niskiej stronie otworu i tworzy złoże; gdy ciąg jest wciągany, cyrkulowany lub poruszany, materiał ten może zostać wciągnięty do ścieżki buta, gdzie może trzymać otwartą klapę, erodować gniazdo lub zatykać otwór napełniający. Trzecia różnica jest hydrauliczna. Ponieważ rura okładzinowa przylega do niskiej strony, efektywna przestrzeń pierścieniowa jest niewielka, a płyn wypierany przed ciągiem może tworzyć ciśnienia udarowe wystarczająco wysokie, aby rozszczelnić słabe formacje. Samonapełniający sprzęt pływający rozwiązuje ten problem, pozwalając płynowi przepływać przez zawór podczas wciągania i zamykając się przy ustalonym ciśnieniu różnicowym lub po osadzeniu dolnej zatyczki.

Po umieszczeniu cementu to samo narzędzie musi utrzymać różnicę ciśnień typu U-tube, utworzoną przez ciężką zawiesinę w przestrzeni pierścieniowej i lżejszy płyn wypierający wewnątrz rury okładzinowej, a następnie musi zostać czysto rozwiercone. Te połączone wymagania kształtują każdą decyzję o wyborze dla odwiertów pochyłych i poziomych.

Dlaczego odwierty o dużym nachyleniu podnoszą stawkę dla niezawodności sprzętu pływającego

Gdy sprzęt pływający zawodzi w odwiertach o dużym nachyleniu, koszt jest nieproporcjonalnie wysoki. Jeśli zawór nie utrzyma ciśnienia wstecznego po uderzeniu zatyczki, ciężki cement cofa się do rury okładzinowej lub opada wokół buta, pozostawiając mokry but i zanieczyszczoną ścieżkę buta, którą należy rozwiercić i często ponownie zacementować. W odwiertach poziomych i o dużym zasięgu każda podróż naprawcza jest długa, przenoszenie ciężaru jest ograniczone, a czas pracy platformy szybko się kończy. Uszkodzenia udarowe podczas wciągania mogą również rozszczelnić słabe strefy i spowodować utratę cyrkulacji dokładnie wtedy, gdy rozpoczyna się cementowanie. Małe problemy się potęgują: zawór, który utknie otwarty nawet o ułamek, może wpuścić setki baryłek cofającego się płynu, zanim załoga zauważy brakującą objętość na powierzchni.

• Niezależne od orientacji uszczelnienie. Sprężynowe konstrukcje klapowe i tłokowe zamykają się pewnie, niezależnie od tego, czy narzędzie wisi pionowo, czy leży poziomo, dzięki czemu bariera ciśnienia wstecznego jest niezawodna przy każdym nachyleniu, a zapobieganie cofaniu się cementu nie zależy od grawitacji.
• Kontrola udaru i napełniania. Samonapełniające buty i kołnierze pływające zmniejszają ciśnienie udarowe w wąskich przestrzeniach pierścieniowych o dużym nachyleniu, chronią słabe formacje i skracają czas napełniania długich ciągów; zamknięcie przy ustalonym ciśnieniu różnicowym przywraca pełną barierę przed rozpoczęciem cementowania.
• Odporność na zanieczyszczenia i erozję. Duże obszary przepływu, utwardzone gniazda i solidne klatki zapobiegają trzymaniu zaworu otwartego przez urobek lub uszkadzaniu powierzchni uszczelniających podczas cyrkulacji i posuwisto-zwrotnego ruchu w odwiertach pochyłych.
• Przewidywalne rozwiercanie. Rozwiercalne elementy wewnętrzne z żeliwa, aluminium, ceramiki lub tworzywa termoutwardzalnego szybko się rozwiercają za pomocą wierteł PDC przy niskim nacisku na wiertło, co jest kluczowe tam, gdzie tarcie ogranicza przenoszenie ciężaru na ścieżkę buta.

Czas tych awarii jest szczególnie niszczący. Podczas przejściowego okresu cementowania zawiesina rozwija wytrzymałość żelową, a kolumna pierścieniowa może stracić wsparcie hydrostatyczne; jeśli but pływający lub kołnierz pływający pozwoli na cofnięcie płynu w tym momencie, płyny złożowe i gaz mogą migrować w górę pierścienia, a ścieżka buta pozostaje zanieczyszczona. Bariera, która zamyka się w momencie zatrzymania pompowania, utrzymuje kolumnę na miejscu, chroni cement i pozwala załodze na pewne testowanie ciśnieniowe rury okładzinowej. Operatorzy, którzy mieli do czynienia z mokrym butem w odwiertach poziomych, rzadko ponownie akceptują konstrukcję z jednym zaworem.

Ponieważ żadna pojedyncza konstrukcja nie pasuje do każdego odwiertu, zakres parametrów musi zostać zweryfikowany w stosunku do rzeczywistego programu: parametry ciśnienia różnicowego zazwyczaj wahają się od 5 000 do 15 000 psi, parametry temperatury osiągają około 350 do 400 stopni F, a zawiesiny cementowe zazwyczaj wynoszą od 15,8 do 20 ppg. Układ z dwoma zaworami, z kołnierzem pływającym jako zapasowym dla buta pływającego, dodaje drugą niezależną barierę i jest często określany dla krytycznych odwiertów poziomych i o dużym zasięgu.

Jak wybrać i zainstalować sprzęt pływający w odwiertach pochyłych i poziomych

Skuteczne zastosowanie sprzętu pływającego w odwiertach o dużym nachyleniu to proces, który rozpoczyna się przy stole selekcyjnym i kończy dopiero po rozwierceniu ścieżki buta. Poniższe kroki obejmują najważniejsze decyzje.

Najpierw zdefiniuj ciąg, obciążenia i środowisko

Zacznij od rozmiaru, wagi i połączenia rury okładzinowej, które w branży wahają się od 4-1/2 cala do 20 cali z gwintami API LTC, STC, BTC lub premium. Oszacuj maksymalne ciśnienie różnicowe, które zawór musi utrzymać po uderzeniu zatyczki, używając najcięższej zaplanowanej zawiesiny, zazwyczaj 15,8 do 20 ppg lub więcej dla systemów obciążonych, i porównaj je z parametrami sprzętu od 5 000 do 15 000 psi. Potwierdź, że temperatura cyrkulacji pozostaje w granicach znamionowych, około 350 do 400 stopni F dla standardowych narzędzi. Następnie wybierz między konwencjonalnym a samonapełniającym sprzętem, zdecyduj, czy uzasadnione jest zastosowanie jednego zaworu, czy układu z dwoma zaworami (kołnierz pływający i but pływający), i przed złożeniem ciągu skonsultuj się z dostawcą.

Kontroluj hydraulikę podczas wciągania i zachowanie podczas napełniania

W długich ciągach o dużym nachyleniu prędkość wciągania musi być zarządzana tak, aby ciśnienie udarowe nie przekraczało gradientu rozszczelnienia otwartego otworu, szczególnie tam, gdzie rura okładzinowa przylega do niskiej strony, a przestrzeń pierścieniowa jest wąska. Jeśli używany jest sprzęt samonapełniający, upewnij się, że otwory napełniające są otwarte i że zawór zamknie się przy zamierzonym ciśnieniu różnicowym, zazwyczaj po osiągnięciu ustawionej wartości lub po osadzeniu dolnej zatyczki wycierającej. Regularnie monitoruj napełnianie podczas wciągania, rób przerwy na cyrkulację na zaplanowanych głębokościach, aby usunąć złoża urobku z niskiej strony, i nigdy nie przekraczaj ciśnienia, które zamknęłoby zawór samonapełniający przed osiągnięciem dna. Zapisuj objętości napełniania i porównuj je z teoretycznym wyporem, ponieważ niewyjaśniony przyrost lub strata jest często pierwszym sygnałem, że zawór samonapełniający zamknął się przedwcześnie lub wcale się nie zamknął.

Potwierdź integralność zaworu przed i podczas zadania cementowania

Przed zainstalowaniem sprawdź, czy klapa wraca całkowicie, kula porusza się swobodnie w swoim gnieździe, a gniazdo jest czyste i nieuszkodzone. Po osadzeniu rury okładzinowej na dnie, cyrkuluj i kondycjonuj otwór, a następnie postępuj zgodnie z programem cementowania z dolną zatyczką, zawiesiną cementową i górną zatyczką. Obserwuj ciśnienie uderzenia na kołnierzu pływającym i bucie, odpowietrz ciśnienie wypierające i potwierdź, że żaden płyn nie cofa się przez sprzęt, co dowodzi, że zawory zwrotne utrzymują różnicę ciśnień typu U-tube podczas wiązania cementu.

Zaplanuj ścieżkę buta i zadanie rozwiercania

Ścieżka buta między kołnierzem pływającym a butem pływającym ma zazwyczaj długość od 20 do 90 stóp i jest zazwyczaj rozwiercana wiertłem PDC. Rozwiercalne elementy wewnętrzne wykonane z żeliwa, aluminium, ceramiki lub tworzywa termoutwardzalnego są zaprojektowane tak, aby rozpadać się na małe kawałki, które łatwo cyrkulują z otworu. W odcinkach poziomych przenoszenie ciężaru na wiertło jest ograniczone przez tarcie, dlatego wykonuj rozwiercanie przy kontrolowanych parametrach, monitoruj moment obrotowy i szybkość penetracji, i kontynuuj cyrkulację, aż wszystkie zanieczyszczenia zostaną usunięte, zanim przejdziesz do wiercenia dalej. Jeśli moment obrotowy gwałtownie wzrośnie lub penetracja ustanie, podnieś, rozwierć i przywróć cyrkulację, zamiast przepychać ciąg przez ścieżkę buta.

Często zadawane pytania

Czy standardowy sprzęt pływający może być używany w odwiertach poziomych?

Tak, pod warunkiem, że konstrukcja zaworu zamyka się niezawodnie przy dużym nachyleniu, a parametry ciśnienia, temperatury i ścierania odpowiadają planowi odwiertu dla zaplanowanych warunków odwiertu. Klapy i tłoki sprężynowe są najbardziej tolerancyjne na orientację, podczas gdy zawory kulkowo-gniazdowe prowadzone przez klatkę również mogą działać dobrze. Zawsze potwierdź zastosowanie z dostawcą sprzętu przed zainstalowaniem ciągu.

Dlaczego samonapełniający sprzęt pływający jest popularny w długich ciągach o dużym nachyleniu?

Samonapełniające buty i kołnierze pływające pozwalają na napełnianie rury okładzinowej podczas jej wciągania, co obniża ciśnienie udarowe w wąskich przestrzeniach pochyłych i skraca czas ręcznego napełniania rury. Zawór zamyka się przy ustalonym ciśnieniu różnicowym lub po osadzeniu dolnej zatyczki, przywracając pełną barierę ciśnienia wstecznego przed rozpoczęciem cementowania. Kontrola na powierzchni przed wciągnięciem potwierdza to działanie.

Czy zawory kulkowo-gniazdowe prawidłowo się osadzają przy dużych kątach odwiertu?

Zawory kulkowo-gniazdowe mogą działać przy dużych kątach, gdy kula jest prowadzona przez klatkę, a ciśnienie różnicowe wsteczne napędza ją na gniazdo. Jednak w przypadku ekstremalnych nachyleń często preferowane są konstrukcje klapowe lub tłokowe sprężynowe, ponieważ ich zamknięcie nie zależy od grawitacji i jest dlatego bardziej przewidywalne w odwiertach o dużym nachyleniu.

Jak urobek i zanieczyszczenia wpływają na zawory pływające w odwiertach pochyłych?

Złoża urobku po niskiej stronie otworu mogą zostać wciągnięte do ścieżki buta podczas cyrkulacji i zdarzeń udarowych. Zanieczyszczenia mogą trzymać otwartą klapę, erodować gniazdo lub zatykać otwory napełniające. Duże obszary przepływu, gniazda odporne na erozję i regularne kondycjonowanie otworu znacznie zmniejszają te ryzyka przed rozpoczęciem zadania cementowania.

Jakie ciśnienie różnicowe musi utrzymać sprzęt pływający po cementowaniu?

Po uderzeniu zatyczki sprzęt musi utrzymać różnicę hydrostatyczną między kolumną cementu w przestrzeni pierścieniowej a lżejszym płynem wewnątrz rury okładzinowej. Przy zawiesinach o gęstości od 15,8 do 20 ppg różnica ta może osiągnąć kilka tysięcy psi, co mieści się w typowych parametrach sprzętu od 5 000 do 15 000 psi.

Jak rozwiercany jest sprzęt pływający w poziomej ścieżce buta?

Rozwiercalne elementy wewnętrzne z żeliwa, aluminium, ceramiki lub tworzywa termoutwardzalnego są rozwiercane za pomocą wierteł PDC przy użyciu kontrolowanych parametrów i niskiego nacisku na wiertło, co jest odpowiednie dla odcinków poziomych, gdzie przenoszenie ciężaru jest ograniczone. Powstałe zanieczyszczenia są na tyle małe, że można je wypłukać z otworu przed kontynuowaniem wiercenia wzdłuż odcinka bocznego.

Wnioski

Odwierty pochyłe i poziome stawiają nietypowe wymagania przed sprzętem pływającym do cementowania, od niezależnego od orientacji zamknięcia zaworu po kontrolę udaru, tolerancję na zanieczyszczenia i przewidywalne rozwiercanie. Sprzęt musi niezawodnie uszczelniać, gdy narzędzie leży prawie poziomo, utrzymać różnicę ciśnień typu U-tube utworzoną przez ciężką zawiesinę cementową i czysto rozwiercić się przez ścieżkę buta, gdzie przenoszenie ciężaru jest ograniczone. Konstrukcje samonapełniające, układy z dwoma zaworami i rozwiercalne elementy wewnętrzne z żeliwa, aluminium, ceramiki lub tworzywa termoutwardzalnego istnieją, aby sprostać tym wyzwaniom, ale muszą być dobierane w stosunku do rzeczywistych obciążeń programu odwiertu. Zweryfikuj zakres parametrów ciśnienia, temperatury i gęstości zawiesiny, potwierdź działanie zaworu przed włożeniem ciągu do otworu i zaplanuj rozwiercanie przed rozpoczęciem zadania cementowania. Aby uzyskać pomoc w dopasowaniu sprzętu pływającego do konkretnego projektu odwiertu pochyłego lub poziomego, skontaktuj się z naszymi inżynierami aplikacyjnymi, podając swój spis rur okładzinowych i program cementowania.