Wie Zementierungsschwimmerausrüstung in Anwendungen mit abweichenden und horizontalen Bohrlöchern funktioniert

Zementierschwimmergeräte müssen in abgelenkten und horizontalen Bohrlöchern zuverlässig funktionieren, wo Bohrlochwinkel von fast 90 Grad, lange Futterrohrstränge, Bohrkleinbetten und enge Ringabstände die Art und Weise verändern, wie der Schwimmerschuh und der Schwimmerkragen belastet werden. Das Gegendruckventil muss in jeder Ausrichtung abdichten, Stoßbelastungen und Erosion beim Einlaufen überstehen und dann den vollen Differenzdruck halten, nachdem der Abstreifer angestoßen wurde. Auto-Fill-Designs reduzieren den Druckstoß und beschleunigen das Auffüllen über lange Abschnitte mit hohem Winkel, während bohrbare Innenteile ein schnelles PDC-Ausbohren durch die Schuhschiene ermöglichen. Konfigurationsoptionen wie Einzel- oder Doppelventilbaugruppen, Klappen- oder Kugelsitzverschlüsse, Druck- und Temperaturwerte sowie die Materialqualität entscheiden darüber, ob die Zementierungsarbeit mit einem sauberen Stopfenstoß und einem abgedichteten Schuh endet. In der Praxis gibt die richtige Konfiguration den Bohrteams die Sicherheit, lange Bohrstränge effizient zu verlegen, ohne zu zögern zu zirkulieren und die Barriere mit einer sauberen Druckreaktion an der Oberfläche zu bestätigen. In diesem Leitfaden wird erläutert, welche Änderungen sich bei Hochwinkelbrunnen ergeben und wie die Float-Ausrüstung dafür ausgewählt, betrieben und überprüft wird.

Was abweichende und horizontale Bohrlöcher von Float-Geräten verlangen

Abgelenkte Bohrlöcher werden mit einem geplanten Bauwinkel gebohrt, der das Bohrloch von der Vertikalen wegführt, und horizontale Bohrlöcher werden verlängert, bis die Flugbahn etwa 90 Grad von der Vertikalen erreicht. Brunnen mit erweiterter Reichweite treiben das Konzept weiter voran, wobei die horizontale Verschiebung oft die tatsächliche vertikale Tiefe übersteigt. In jedem solchen Profil muss der Futterrohrstrang durch gekrümmte, steilwinklige Abschnitte geführt werden, und die Zementierschwimmerausrüstung bewegt sich mit ihm: ein Schwimmerschuh an der unteren Verbindung und normalerweise ein Schwimmerkragen ein bis drei Gelenke über dem Schuh, wodurch eine Schuhschiene definiert wird, die typischerweise 20 bis 90 Fuß lang ist.

Der erste Unterschied ist geometrisch. In einem vertikalen Schacht zeigt die Ventilachse nach unten, sodass die Schwerkraft dazu beiträgt, dass das Verschlusselement auf seinem Sitz landet. In einem horizontalen Bohrloch liegt das Werkzeug auf der Seite und die Schwerkraft bietet kaum Unterstützung, sodass die Abdichtung von der Federkraft und dem Differenzdruck abhängt. Eine federbelastete Klappe oder ein federbelasteter Kolben schließt bei jeder Neigung zwangsläufig, wohingegen ein Kugelsitzventil auf einen Käfig angewiesen ist, um die Kugel zu führen, und auf einen umgekehrten Differenzdruck, um sie auf den Sitz zu treiben. Aus diesem Grund werden orientierungstolerante Einbauten für Hochwinkelanwendungen bevorzugt.

Der zweite Unterschied ist die Trümmerlast. Die Stecklinge setzen sich auf der unteren Seite des Lochs ab und bilden ein Bett. Wenn die Saite läuft, zirkuliert oder bewegt wird, kann dieses Material in die Schuhschiene geschwemmt werden, wo es eine Klappe offen halten, einen Sitz erodieren oder eine Füllöffnung verstopfen kann. Der dritte Unterschied ist hydraulisch. Da die Verrohrung an der unteren Seite anliegt, ist der effektive Ringspalt klein und die vor dem Strang verdrängte Flüssigkeit kann Druckstöße erzeugen, die hoch genug sind, um schwache Formationen aufzubrechen. Die automatische Füllschwimmerausrüstung behebt dieses Problem, indem sie beim Einlaufen und Schließen bei einem voreingestellten Differenzial oder beim Aufsetzen des unteren Stopfens Flüssigkeit durch das Ventil strömen lässt.

Nach dem Einbringen des Zements muss dasselbe Werkzeug das U-Rohr-Differenzial halten, das durch schwere Schlämme im Ringraum und leichtere Verdrängungsflüssigkeit im Inneren des Gehäuses entsteht, und später muss es sauber herausgebohrt werden. Diese kombinierten Anforderungen prägen jede Auswahlentscheidung für abgelenkte und horizontale Brunnen.

Warum Hochwinkelbrunnen den Einsatz für die Zuverlässigkeit von Float-Geräten erhöhen

Wenn die Schwimmausrüstung in einem Bohrloch mit hohem Winkel ausfällt, sind die Kosten unverhältnismäßig hoch. Wenn das Ventil den Gegendruck nach dem Anstoßen des Stopfens nicht aufrechterhält, rutschen schwere U-Rohre aus Zement in das Gehäuse zurück oder fallen um den Schuh herum zurück, wodurch ein nasser Schuh und eine verunreinigte Schuhspur zurückbleiben, die ausgebohrt und häufig neu zementiert werden muss. Bei horizontalen Bohrlöchern und Bohrlöchern mit großer Reichweite ist jede Sanierungsmaßnahme langwierig, die Gewichtsverlagerung ist begrenzt und die Bohrzeit vergeht schnell. Überspannungsschäden während des Einlaufens können auch Schwachstellen zerstören und genau dann zu Durchblutungsstörungen führen, wenn mit dem Zementieren begonnen wird. Kleine Probleme verstärken sich: Ein Ventil, das auch nur um einen Bruchteil offen bleibt, kann Hunderte Fässer an Rückfall zulassen, bevor die Besatzung das fehlende Volumen an der Oberfläche bemerkt.

• Orientierungsunabhängige Abdichtung.Federunterstützte Klappen- und Kolbenkonstruktionen schließen sicher, unabhängig davon, ob das Werkzeug vertikal hängt oder horizontal liegt, sodass die Gegendruckbarriere bei jeder Neigung zuverlässig ist und die Verhinderung des Zementrückflusses nicht von der Schwerkraft abhängt.
• Überspannungs- und Füllkontrolle.Automatisch füllende Schwimmschuhe und Manschetten reduzieren den Druckstoß in schmalen Ringen mit hohem Winkel, schützen schwache Formationen und verkürzen die Füllzeit bei langen Saiten; Das Schließen bei einem voreingestellten Differential stellt eine vollständige Barriere wieder her, bevor mit dem Zementieren begonnen wird.
• Schmutz- und Erosionsbeständigkeit.Großzügige Durchflussbereiche, gehärtete Sitze und robuste Käfige verhindern, dass Späne ein Ventil offen halten oder die Dichtungsoberflächen während der Zirkulation und Hin- und Herbewegung in abweichenden Löchern beschädigen.
• Vorhersehbarer Drillout.Bohrbare Innenteile aus Gusseisen, Aluminium, Keramik oder duroplastischem Kunststoff lassen sich mit PDC-Bohrern bei geringem Gewicht auf dem Bohrer schnell ausfräsen, was wichtig ist, wenn die Reibung die Gewichtsübertragung auf die Schuhschiene begrenzt.

Das Timing macht diese Ausfälle besonders schädlich. Während der Zementübergangszeit entwickelt die Aufschlämmung eine Gelfestigkeit und die Ringsäule kann ihre hydrostatische Unterstützung verlieren; Wenn der Schwimmerschuh oder der Schwimmerkragen in diesem Moment Flüssigkeit zurückfallen lässt, können Formationsflüssigkeiten und Gas den Ringraum hinaufwandern und die Schuhschiene bleibt kontaminiert. Eine Barriere, die die sofortigen Pumpstopps verschließt, hält die Säule an Ort und Stelle, schützt den Zement und ermöglicht es der Mannschaft, den Futterrohrstrang sicher einem Drucktest zu unterziehen. Bediener, die in einem horizontalen Schacht einen nassen Schuh ausgezogen haben, akzeptieren selten wieder eine Einventilkonstruktion.

Da kein einzelnes Design für jedes Bohrloch geeignet ist, muss der Nennbereich anhand des tatsächlichen Programms überprüft werden: Die Differenzdruckwerte liegen typischerweise zwischen 5.000 und 15.000 psi, die Temperaturwerte liegen bei etwa 350 bis 400 Grad F und Zementschlämme liegen üblicherweise bei 15,8 bis 20 ppg. Eine Doppelventilanordnung, bei der der Schwimmerkragen den Schwimmerschuh unterstützt, fügt eine zweite unabhängige Barriere hinzu und wird häufig für kritische horizontale Bohrlöcher und Bohrlöcher mit großer Reichweite eingesetzt.

Auswahl und Betrieb von Float-Geräten in abgelenkten und horizontalen Bohrlöchern

Der erfolgreiche Einsatz von Schwimmausrüstung in Steilbrunnen ist ein Prozess, der am Auswahltisch beginnt und erst mit dem Bohren der Bohrschiene endet. Die folgenden Schritte decken die Entscheidungen ab, die am wichtigsten sind.

Definieren Sie zuerst die Zeichenfolge, die Lasten und die Umgebung

Beginnen Sie mit Gehäusegröße, Gewicht und Anschluss, die branchenweit von 4-1/2 Zoll bis 20 Zoll mit API LTC-, STC-, BTC- oder Premium-Gewinden reichen. Schätzen Sie die maximale Differenz, die das Ventil halten muss, nachdem der Stopfen angestoßen wurde, anhand der schwersten vorgesehenen Gülle, typischerweise 15,8 bis 20 ppg oder mehr für gewichtete Systeme, und vergleichen Sie sie mit der Gerätebewertung von 5.000 bis 15.000 psi. Stellen Sie sicher, dass die Umlauftemperatur innerhalb der Nenngrenze bleibt, etwa 350 bis 400 Grad F für Standardwerkzeuge. Wählen Sie dann zwischen konventioneller und automatischer Füllausrüstung, entscheiden Sie, ob eine Einzelventil- oder eine Doppelventil-Anordnung aus Schwimmerkragen und Schwimmerschuh gerechtfertigt ist, und besprechen Sie die Auswahl mit dem Lieferanten, bevor der Strang zusammengestellt wird.

Einlaufhydraulik und Füllverhalten steuern

Bei langen Strängen mit großem Winkel muss die Laufgeschwindigkeit so gesteuert werden, dass der Stoßdruck den Bruchgradienten des offenen Lochs nicht überschreitet, insbesondere wenn die Verrohrung auf der unteren Seite liegt und der Ringspalt eng ist. Wenn automatische Füllgeräte verwendet werden, stellen Sie sicher, dass die Füllöffnungen geöffnet sind und dass das Ventil bei der vorgesehenen Differenz schließt, typischerweise wenn der voreingestellte Wert erreicht ist oder wenn der untere Wischerstopfen auftrifft. Überwachen Sie den Füllvorgang während des Einfahrens regelmäßig, legen Sie in geplanten Tiefen Zirkulationspausen ein, um Schnittgutbetten von der unteren Seite zu entfernen, und überschreiten Sie niemals den Druck, der das automatische Füllventil schließen würde, bevor der Strang am Boden ist. Zeichnen Sie die Füllvolumina auf und vergleichen Sie sie mit der theoretischen Verdrängung, denn ein unerklärlicher Gewinn oder Verlust ist oft das erste Anzeichen dafür, dass ein automatisches Füllventil zu früh geschlossen hat oder überhaupt nicht geschlossen hat.

Bestätigen Sie vor und während der Zementierung die Unversehrtheit des Ventils

Vergewissern Sie sich vor dem Lauf, dass die Klappe vollständig zurückkehrt, die Kugel sich frei in ihrem Käfig bewegt und der Sitz sauber und unbeschädigt ist. Sobald sich die Verrohrung am Boden befindet, zirkulieren und konditionieren Sie das Loch und befolgen Sie dann das Zementprogramm mit dem unteren Stopfen, der Zementaufschlämmung und dem oberen Stopfen. Beobachten Sie den Stoßdruck am Schwimmerring und -schuh, lassen Sie den Verdrängungsdruck ab und stellen Sie sicher, dass kein Rückfluss durch die Ausrüstung zurückfließt. Dies beweist, dass die Gegendruckventile das Differenzial des U-Rohrs halten, während der Zement aushärtet.

Planen Sie die Schuhschiene und die Bohrstrecke

Die Schuhschiene zwischen dem Schwimmkragen und dem Schwimmschuh ist typischerweise 20 bis 90 Fuß lang und wird normalerweise mit einem PDC-Bohrer aufgebohrt. Bohrbare Innenteile aus Gusseisen, Aluminium, Keramik oder duroplastischem Kunststoff sind so konzipiert, dass sie in kleine Stücke zerfallen, die sich leicht aus dem Loch herausbewegen. In horizontalen Abschnitten wird die Gewichtsübertragung auf den Bohrer durch Reibung begrenzt. Führen Sie daher den Bohrvorgang mit kontrollierten Parametern durch, überwachen Sie das Drehmoment und die Eindringgeschwindigkeit und fahren Sie mit der Zirkulation fort, bis alle Rückstände entfernt sind, bevor Sie mit dem Bohren fortfahren. Wenn das Drehmoment ansteigt oder die Penetration stagniert, heben Sie die Saite auf, bohren Sie sie auf und stellen Sie die Zirkulation wieder her, anstatt sie durch die Schuhschiene zu drücken.

Häufig gestellte Fragen

Können Standard-Schwimmgeräte in horizontalen Bohrlöchern verwendet werden?

Ja, vorausgesetzt, dass die Ventilkonstruktion auch bei großer Neigung zuverlässig schließt und die Druck-, Temperatur- und Abriebwerte mit dem Bohrplan für die geplanten Bohrlochbedingungen übereinstimmen. Federunterstützte Klappen- und Kolbenventile sind am orientierungstolerantesten, während käfiggeführte Kugelsitzventile ebenfalls eine gute Leistung erbringen. Bestätigen Sie die Anwendung immer mit dem Ausrüstungslieferanten, bevor Sie den Strang in Betrieb nehmen.

Warum sind Float-Geräte mit automatischer Füllung für lange Saiten mit hohem Winkel beliebt?

Automatisch füllende Schwimmerschuhe und Manschetten sorgen dafür, dass sich die Verrohrung während des Betriebs füllt, was den Druckstoß in engen Ringräumen senkt und den Zeitaufwand für das manuelle Befüllen des Rohrs verringert. Das Ventil schließt bei einer voreingestellten Differenz oder beim Aufsetzen des unteren Stopfens und stellt so eine vollständige Gegendruckbarriere wieder her, bevor mit dem Zementieren begonnen wird. Eine Oberflächenprüfung vor dem Einfahren bestätigt dieses Verhalten.

Sitzen Kugelsitz-Schwimmerventile auch bei großen Bohrlochwinkeln richtig?

Kugelsitzventile können bei großen Winkeln arbeiten, wenn die Kugel durch einen Käfig geführt wird und durch den umgekehrten Differenzdruck auf den Sitz gedrückt wird. Bei extremer Neigung werden jedoch häufig federunterstützte Klappen- oder Kolbenkonstruktionen bevorzugt, da ihr Verschluss nicht von der Schwerkraft abhängt und daher in Bohrlöchern mit großem Winkel vorhersehbarer ist.

Wie wirken sich Schnittgut und Ablagerungen auf Schwimmerventile in Bohrlöchern mit Abweichung aus?

Schnittgutbetten auf der unteren Seite des Lochs können bei Zirkulations- und Überflutungsereignissen in die Schuhspur geschwemmt werden. Schmutz kann eine Klappe offen halten, einen Sitz erodieren oder Füllöffnungen verstopfen. Große Strömungsbereiche, erosionsbeständige Sitze und eine regelmäßige Bohrlochkonditionierung reduzieren diese Risiken erheblich, bevor mit der Zementierung begonnen wird.

Welchem ​​Differenzdruck muss die Schwimmausrüstung nach dem Zementieren standhalten?

Nachdem der Stopfen angestoßen wurde, muss die Ausrüstung den hydrostatischen Unterschied zwischen der Zementsäule im Ringraum und der leichteren Flüssigkeit im Inneren des Gehäuses aufrechterhalten. Bei Aufschlämmungen von 15,8 bis 20 ppg kann dieser Unterschied mehrere Tausend psi erreichen, was problemlos innerhalb der typischen Gerätewerte von 5.000 bis 15.000 psi liegt.

Wie wird die Schwimmausrüstung in eine horizontale Schuhschiene gebohrt?

Bohrbare Innenteile aus Gusseisen, Aluminium, Keramik oder duroplastischem Kunststoff werden mit PDC-Bohrern unter Verwendung kontrollierter Parameter und geringem Gewicht auf den Bohrer gefräst, was für horizontale Abschnitte geeignet ist, bei denen die Gewichtsübertragung begrenzt ist. Der entstehende Schutt ist klein genug, um aus dem Loch zu zirkulieren, bevor das Bohren entlang der Seitenwand fortgesetzt wird.

Abschluss

Abgelenkte und horizontale Bohrlöcher stellen ungewöhnliche Anforderungen an die Zementierschwimmerausrüstung, vom richtungsunabhängigen Ventilschließen bis hin zur Schwallkontrolle, Trümmertoleranz und vorhersehbarem Bohren. Die Ausrüstung muss zuverlässig abdichten, während das Werkzeug nahezu horizontal liegt, das U-Rohr-Differential halten, das durch schwere Zementschlämme entsteht, und sauber durch eine Schuhschiene bohren, wo die Gewichtsübertragung begrenzt ist. Zur Bewältigung dieser Herausforderungen gibt es automatische Füllkonstruktionen, Doppelventilanordnungen und bohrbare Innenteile aus Gusseisen, Aluminium, Keramik oder duroplastischem Kunststoff, sie müssen jedoch entsprechend den tatsächlichen Belastungen des Bohrprogramms ausgewählt werden. Überprüfen Sie den Druck, die Temperatur und die Schlammdichte, überprüfen Sie die Funktion des Ventils, bevor der Strang in das Loch eingeführt wird, und planen Sie den Bohrvorgang, bevor mit der Zementierung begonnen wird. Wenn Sie Hilfe bei der Anpassung der Schwimmausrüstung an ein bestimmtes abweichendes oder horizontales Bohrlochdesign benötigen, wenden Sie sich mit Ihrem Futterrohr- und Zementierungsprogramm an unsere Anwendungstechniker.