CC BY
59
УДК 622.245.44
Д.В. Изюмченко, А.А. Гулин
Магнитный пакер для герметизации трубного пространства многозабойных скважин
В настоящее время газовой промышленности России предстоит решить грандиозные задачи освоения новых месторождений в различных регионах страны. При этом возникает комплекс научно-технических проблем, связанных с поддержанием эффективности эксплуатации месторождений Надым-Пур-Тазовского региона Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) и освоением крупных месторождений п-ова Ямал, а внедрение безлюдных технологий играет определяющую роль [1].
Для периодической очистки стволов многозабойных скважин от горной породы или воды, проведения изоляционных работ, а также интенсификации добычи различными методами и периодических раздельных исследований как в основном, так и в боковых стволах в период эксплуатации скважины нормативно-технической документацией предусмотрена технология отключения пластов, которая заключается в установке закрытой секции вместо миниатюрных окон [2]. Это требует вскрытия скважины и применения больших человеческих ресурсов, а известные системы регулирования дебита пластов скважин имеют сложную конструкцию и наличие трущихся частей, что повышает износ оборудования.
Предлагаемая в работе конструкция скважины позволяет отказаться от необходимости ее вскрытия и предоставляет возможность регулирования работы пластов с пульта операторной вдали от скважины.
Суть новой конструкции заключается в замене узла миниатюрного окна секции заканчивания скважины на секцию с магнитожидкостным уплотнением. Она состоит из герметизирующей и разуплотняющей (под которой находится контейнер с магни-тореологической суспензией) катушек индуктивности, соединенных с несущей трубой сварным способом. К катушкам с помощью кабеля подводится переменный ток, они выполняют роль электромагнитов. На внешней стороне несущей трубы в месте расположения контейнера между циркуляционными отверстиями необходимо нанести слой магнитоэкранирующего материала или сделать эту перегородку, например, из легированной стали с небольшой магнитной проницаемостью, чтобы при разгерметизации суспензия направлялась непосредственно в контейнер, а не размазывалась по внутренней поверхности несущей трубы.
Спуск и закрепление секции магнитожидкостного уплотнения лифтовой колонны происходит с заполненным магнитореологической суспензией контейнером. Для беспрепятственного спуска кабеля до пласта необходимо заменить применяемые пакеры на модификации с кабельным вводом или многофункциональным каналом для установки и герметизации нескольких кабелей.
Для создания уплотнения необходимо при остановленной скважине подать напряжение на герметизирующую катушку индуктивности, плавно устанавливая минимальное расчетное сопротивление на реостате и вращением ручки переводя рычажный механизм из положения 1 в положение 2 (рис. 1). В результате этого суспензия подтянется из контейнера в трубное пространство и перекроет его (рис. 2а). Регулирование достигается за счет одновременного и асимметричного перемещения ползунков реостатов, выполненных одним блоком.
Для разгерметизации необходимо увеличить сопротивление на реостате электрической цепи с герметизирующей катушкой индуктивности, что одновременно повлечет уменьшение сопротивления на реостате электрической цепи с разуплотняющей катушкой и перетягивание суспензии в контейнер (рис. 2б). После стабилизации
Ключевые слова:
многозабойная
скважина,
герметизация
трубного
пространства,
магнитный пакер,
магнитная
жидкость.
Keywords:
downhole splitter, tube sealing, magnetic packer, magnetic fluid.
Рис. 1. Схема блока реостатов
6 7 4 8
Рис. 2. Схема секции магнитожидкостного уплотнения лифтовой колонны в режиме герметизации (а) и разуплотнения (б) (вид сверху): 1 - герметизирующая катушка индуктивности; 2 - разуплотняющая катушка индуктивности; 3 - контейнер; 4 - циркуляционное отверстие (4 шт.); 5 - несущая труба; 6 - электрокабель разуплотняющей катушки индуктивности; 7 - электрокабель герметизирующей катушки индуктивности; 8 - магнитореологическая суспензия; 9 - электромагнитные линии
потока газожидкостной смеси (ГЖС) можно снять напряжение с катушки. Благодаря циркуляционным отверстиям в контейнере, расположенным под углом к потоку, магнитореоло-гическая суспензия будет поддавливаться ГЖС и находиться в статичном состоянии. С пульта операторной можно регулировать проходное сечение и плавно пускать пласт в работу.
Пример конструкций забоев стволов в многозабойных скважинах (МЗС) с магнитожид-костным уплотнением представлен на рис. 3.
Исполнение конструкции магнитного па-кера и схема его установки могут отличаться от вышеизложенных и должны подстраиваться под технические особенности скважины.
Магнитные жидкости представляют собой коллоидные дисперсии магнитных материалов (ферромагнетиков - магнетита, ферритов) с частицами от 5 нанометров до 10 микрометров, стабилизированные в полярной (водной или спиртовой) и неполярной (углеводороды и силиконы) средах с помощью поверхностно-активных веществ или полимеров. Они сохраняют устойчивость в течение двух-пяти лет и обладают при этом хорошей текучестью в сочетании с магнитными свойствами [3].
Для оценки герметизирующих свойств магнитожидкостного уплотнения на один пласт необходимо рассмотреть алгоритм расчета цепи переменного тока, состоящей из последовательно соединенных к источнику тока реостата и катушки индуктивности.
Индуктивность катушки (Ь) рассчитывается по формуле, Гн:
N2 5
Ь = -
I
(1)
где ц0 = 4% • 10-7 - магнитная постоянная, Гн/м; ц - относительная магнитная проницаемость материала сердечника; д1 - коэффициент, учитывающий объем заполнения магнитным материалом внутреннего пространства катушки индуктивности, % об.; - площадь сечения катушки, м2; I - длина намотки катушки, м; N = l/dкaб - число витков; ёкаб - диаметр провода катушки, м.
Индуктивное сопротивление катушки (ХЬ), Ом [4]:
X = 2я / Ь,
где / - частота тока, Гц.
(2)
Рис. 3. Схема конструкций забоев стволов в МЗС с доступом в боковой и без доступа в основной стволы: 1 - насосно-компрессорная труба; 2 - затрубный пакер; 3 - секция магнитожидкостного уплотнения в разгерметизированном состоянии; 4 - секция магнитожидкостного уплотнения в загерметизированном состоянии
Активное сопротивление катушки (гк), Ом: Сила тока с учетом потерь для определения
-4 сечения кабеля, А:
l 10-
гк = (164 + 0,70)—-, (3)
q I2 = U2/Z. (12)
где lnp = 3,14(dmym, HKm + dKa6) - длина провода катушки (deHym нкт - внутренний диаметр лифтовой Магнитная индукция (B) рассчитывается колонны), м; 0 - средняя температура кабеля по формуле, Тл: по всей длине, °С; q - площадь сечения жилы
кабеля, мм2. B = (L I)/S, (13)
Полное сопротивление катушки (zK), Ом:
где S - площадь сечения сердечника катушки, м2. zk = Vrl + XL. (4) Сила отрыва жидкости от области действия
магнитного поля (F) из расчета на один полюс, Н: Полное сопротивление цепи (Z), Ом: 2
F = —, (14)
Z = V (R + r )2 + X¡, (5)
где S - площадь поверхности полюса (сечение где R - сопротивление реостата, Ом. НКТ с МРС), м2; к - поправочный коэффици-
Сила тока цепи без учета потерь (I), А: ент, учитывающий объемную концентрацию
ферромагнитных частиц в магнитореологиче-I = U/Z, (6) ской суспензии.
Авторами проанализировано, что формула где U - напряжение цепи без учета потерь, В. (14) без поправочного коэффициента справед-Потери напряжения в кабеле от источника лива для цельной металлической пластинки и напряжения до катушки (A U), В: не учитывает того, что в магнитореологической
суспензии ферромагнитные частицы не образу-AU = ~JbI(rm6 cos ф + xKa6 sinф), (7) ют единого массива.
Поправочный коэффициент определяет-где хкаб - индуктивное сопротивление кабеля, ся как: Ом; гшб - активное сопротивление кабеля, Ом;
cos9 - коэффициент мощности цепи; sin9 - си- к = V/100, (15)
нус угла сдвига фаз ф между напряжением катушки индуктивности UL и I. где V- объемная концентрация твердых частиц
Индуктивное сопротивление кабеля (хкаб), в жидкости, %. Ом: Для перевода единицы измерения силы от-
рыва из Н в кгс воспользуемся формулой, кгс:
Хкаб = h • 10-4, (8)
FKlc = F/9,81. (16)
где h - длина кабеля от источника напряжения
до катушки, м. Для отображения влияния двух полюсов
Активное сопротивление кабеля, Ом: используем формулу, кгс:
^ = (164 + 0,70) (9) F^ = 2F_ (17)
q
Коэффициент мощности цепи показывает, Выдерживаемое максимальное давление
какая часть полной мощности является актив- (P), МПа:
ной, и рассчитывается по формуле: F
Р = 2 2кгс-, (18)
П г -10
cosф = г^к. (10) вв->™-нкт
где Г внутр. нкт - внутренний рЗДИус ЛИфТОвой Ю-
Напряжение цепи с учетом потерь, В: лонны, см.
Для выбора МРС по ее намагниченности П2 = и + ли. (11) насыщения остается посчитать напряженность
Рис. 4. Автоматизация расчета магнитожидкостного уплотнения для многозабойных скважин месторождений п-ова Ямал
магнитного поля (Н), создаваемую катушкой и рассчитываемую по формуле, А/м:
Н = Б/ца:
(19)
где ца - абсолютная магнитная проницаемость материала сердечника катушки, Гн/м.
Реактивная мощность (0 характеризует нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, и рассчитывается по формуле, ВАр:
Q = ULI БШф.
(20)
мания последовательности действий пользователя в программе имеется инструкция.
Программа способна построить график зависимости выдерживаемого давления от сопротивления реостата (рис. 5).
Анализируя график Р = ЛЯ), можно заметить, что примерно до 2 МПа давление уменьшается быстро за небольшой диапазон увеличения сопротивления реостата, а далее скорость снижения давления резко падает. Следовательно, для реостата можно ограничить максимальное сопротивление, уменьшающее
16
Расчет магнитожидкостного уплотнения автоматизирован с помощью программного комплекса Microsoft Office Excel на базе языка программирования Visual Basic for Applications [5]. На рис. 4 наглядно показано, что после заполнения исходных данных определяется максимальное выдерживаемое давление и выводится решение о возможности применения магнитной жидкости выбранной марки исходя из ее намагниченности насыщения. Для пони-
е 12
-
а «
40
70 80 90 Сопротивление, R, Ом
120
Рис. 5. График зависимости выдерживаемого давления от сопротивления реостата Р = /(Я)
8
4
0
выдерживаемое давление до 2 МПа, а также для плавной регуляции лучше применять пол-зунковый тип реостата.
Таким образом, разработана новая технология автоматизированного отключения пластов в многозабойных скважинах с помощью управляемого трубного магнитного пакера, позволяющая регулировать работу пластов с устья и включающая воздействие электромагнитного поля на маг-нитореологическую суспензию, которая в таких
условиях становится более вязкой и превращается в жидкую пробку. Например, для удержания магнитножидкостным уплотнением потока углеводородов пласта ТП12 Бованенского месторождения с пластовым давлением 15,6 МПа необходимо использовать катушку с индуктивностью 0,0131 Гн, в операторной на реостате поставить сопротивление 42,5 Ом и применить магнито-реологическую суспензию с намагниченностью насыщения 40 кА/м.
Список литературы
1. Минигулов Р.М. Установка подготовки газа с удаленным управлением и автономным энергоснабжением / Р.М. Минигулов, Д.Н. Грицишин, И.С. Аболенцев // Вести газовой науки: Проблемы эксплуатации газовых, газоконденсатных
и нефтегазоконденсатных месторождений. -М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2013. - № 4 (15). -С. 113-117.
2. Р Газпром 3-3.3-258-2008. Компоновки устьевого и внутрискважинного оборудования многозабойных газовых скважин Бованенковского НГКМ.
3. Сенатская И.И. Магнитная жидкость / И.И. Сенатская, Ф.С. Байбуртский // Наука и жизнь. - 2002. - № 11. -http://www.nkj.ru/archive/articles/4971/
4. Веденяпин Г.Н. Общая электротехника /
Г.Н. Веденяпин, А.Н. Добкин, Ю.А. Михеев. -М.: Высшая школа, 1967. - 405 с.
5. Гарбер Г. З. Основы программирования на Visual Basic и VBA в Excel-2007 / Г.З. Гарбер. -М.: Солон-пресс, 2008. - 192 с.
References
1. Minigulov R.M. Gas treatment plant with a remote control and autonomous power supply / R.M. Minigulov, D.N. Gritsishin,
I.S. Abolentsev // Vesti gazovoy nauki: Problems of operation of gas, gas condensate and oil and gas fields. - Moscow: Gazprom VNIIGAZ, 2013. -V. 4 (15). - P. 113-117.
2. R Gazprom 3-3.3-258-2008. Layouts of wellhead and borehole equipment of multi-hole gas wells at the Bovanenkovo oil/gas/condensate field.
3. Senatskaya I.I. Magnetic fluid / I.I. Senatskaya, F.S. Baiburtsky // Nauka i zhizn. - 2002. -
№. 11. - http://www.nkj.ru/archive/articles/4971/
4. Vedenyapin G.N. General electrical technology / G.N. Vedenyapin, A.N. Dobkin, Yu.A. Mikheyev. - Moscow: Vysshaya shkola, 1967. - 405 p.
5. Garber G.Z. Basics of programming in Visual Basic and VBA in Excel-2007 / G.Z. Garber. -Moscow: Solon-press, 2008. - 192 p.
