СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ОБСАДНЫХ КОЛОНН В СКВАЖИНАХ Российский патент 1995 года по МПК E21B33/14 

Изобретение относится к области сооружения скважин и может быть использовано при разработке нефтяных, газовых и водяных месторождений.

Известен способ герметизации обсадных колонн при сооружении нефтегазовых скважин, включающий закачку цементного раствора в заколонное пространство после бурения ствола скважины и спуска обсадной колонный преимущественно по всей длине колонны с проведением работ по проверке качества цементирования, высоты подъема цемента после истечения времени затвердевания цемента [1]
Недостатком этого способа является то, что он не обеспечивает герметичности колонн в процессе всего срока разработки месторождения, особенно при проседании, деформации массива горных пород в разрезе скважины в процессе отбора пластовых флюидов, при этом за счет жесткой связи колонны с окружающими горными породами может происходить деформация самой колонны и выход ее из строя.

Наиболее близким к предлагаемому является способ установки обсадных труб в скважине, при реализации которого по-новому решается вопрос герметизации обсадных колонн скважин: перед цементированием обсадных колонн (кондуктора, промежуточных колонн, обсадной эксплуатационной колонны) в скважину закачивают вязкопластичный раствор и замещают им буровой раствор в заколонном пространстве, а цементирование колонн осуществляют в нижней части только в пределах одной трубы [2]
Однако в этом способе высказана только идея о необходимости нежесткого крепления обсадных колонн и применении вязкопластичных растворов в качестве тампонирующих веществ, но не исследованы свойства этих растворов.

Целью изобретения является повышение эффективности способа за счет повышения надежности герметизации заколонного пространства и снижение материальных затрат на проведение работ по герметизации.

Цель достигается тем, что при реализации способа герметизации обсадной колонны скважины, включающего закачку вязкопластичного раствора в скважину, замещение им бурового раствора в заколонном пространстве и изоляцию колонного проcтранcтва от заколонного в нижней части обсадной колонны, в качестве вязкопластичного раствора закачивают глинистый раствор с глиняными гранулами и содержанием воды, равным влагоемкости глины в растворе и гранулах, при этом глиняные гранулы применяют размером не более половины разницы диаметров скважины и обсадной колонны, закачку вязкопластичного раствора осуществляют в течение времени до распадения гранул, а в гранулы добавляют полиакриламид согласно
lgt_р.г.= 1+11,5К, (1) где t_р.г. планируемое время начала распадения гранул, мин;
К концентрация полиакриламида в составе гранул, мас.

Сущность изобретения заключается в следующем.

После бурения скважины на необходимую глубину и спуска в нее обсадной колонный приступают к герметизации последней. Для этого в скважину, в обсадную колонну закачивают глинистый раствор и замещают им буровой раствор в заколонном пространстве по всей длине обсадной колонны, после чего изолируют колонное пространство от заколонного путем цементирования обсадной колонны, в нижней части в пределах одной трубы продавкой необходимой порции цементного раствора в заколонное пространство вслед за глинистым раствором. Цементное кольцо в данном случае используется в качестве разделителя между скважинным трубным пространством и глинистым раствором в затрубном пространстве. В качестве такого разделителя может быть использован заколонный пакер.

При реализации данного способа добиваются создания у глинистого раствора в заколонном пространстве таких структурных свойств, чтобы они гарантировали невозможность движения пластовых флюидов по заколонному пространству. Кроме того глинистый раствор должен быть стабильным во времени, не расслаиваться, т. е. водоотдача его должна быть нулевой. Поэтому используется глинистый раствор с содержанием воды, равным влагоемкости глины, т.е. с содержанием такого количества воды, которое может удержать (связать) применяемая глина.

Поскольку с увеличением концентрации глины в растворе растет вязкость раствора, то могут возникнуть осложнения при прокачке его в заколонное пространство на большие глубины. Поэтому с целью повышения технологичности способа основное количество глины в раствор добавляют в виде гранул, которые после прокачки раствора в заколонное пространство распадаются и доводят концентрацию глины в растворе до необходимой расчетной величины.

Закачку глинистого раствора с гранулами в скважину осуществляют с такой интенсивностью, чтобы гранулы за время этого процесса не распались, иначе вязкость раствора может возрасти до величин, при которых его прокачка будет не возможна.

Поскольку верхний предел интенсивности закачки раствора в скважину ограничен техническими возможностями, т.е. имеющимся насосным оборудованием, а также высокими давлениями, возникающими при больших скоростях движения раствора по колонне труб и заколонному пространству, то задаются оптимальной интенсивностью закачки и по ней определяют величину времени начала распадения гранул (минимального) t_р.г.:
t_р.г. ≥ (V_к.п.+ V_з.п.)/Q, (2) где V_к.п., V_з.п. соответственно объемы колонного и заколонного пространства, м³;
Q интенсивность закачки раствора, м³/c.

Величину времени начала распадения гранул регулируют, например, изменением концентрации водорастворимого полимера полиакриламида (ПАА) в составе гранул.

В таблице представлены экспериментальные данные по определению времени начала распадения гранул с ПАА в их составе.

На основании данных эксперимента получена зависимость t_р.г. от концентрации в гранулах ПАА (К) lgt_р.г.=1+11,5 К.

Для выполнения условия проходимости гранул в заколонном пространстве гранулы применяют с диаметром d_г, меньшим половины разности диаметров скважины d_c и наибольшего внешнего диаметра обсадной колонный d_н-d_г ≅ (d_c-d_н)/2.

При использовании гранул в качестве раствора-носителя их может быть взять буровой глинистый раствор, на котором осуществляется бурение скважины, если в нем нет усугубляющих процесс изоляции обсадной колонны присадок.

Лабораторные эксперименты с бентонитовой глиной показали, что максимальные вязкопластичные свойства вязкопластичного раствора (ВПР), т.е. его тампонирующие способности, достигаются при концентрации глины порядка 40% что соответствует влагоемкости бентонитовой глины 60% Дальнейшее увеличение концентрации глины нецелесообразно, поскольку консистенция раствора выходит за рамки текуче-пластичного состояния, позволяющего надежно герметизировать колонну и по мере необходимости извлекать ее из скважины.

П р и м е р. Необходимо герметизировать обсадную колонну с внешним диаметром d_н= 0,164 м, длиной L=2000 м в скважине диаметром d_c=0,214 м. Используют в качестве тампонирующего вещества раствор бентонитовой глины.

Лабораторные исследования показали, что 40%-ный раствор бентонитовой глины имеет начальное напряжение сдвига τ_o5305 Па, вязкость η 530 ПА ˙ с. Определяют возможность прокачки такой вязкопластичной системы в заколонное пространство.

Максимальный перепад давления в кольцевом пространстве при прокачке определяется по формуле
ΔP (3) где β безразмерное напряжение сдвига.

Величина β определяется по графической зависимости от параметра Сен-Венана (S):
S (4) где F_к= (d2с

-d2н)
Q темп прокачки раствора, м³/с.

Задают Q=0,02 м³/с, тогда
S 0,37
Для данной величины S β 0,08, тогда по формуле (3)
ΔP 1,06·10¹⁰ Па.

Учитывая необходимость создания огромного забойного, а значит и устьевого давления для прокачки такого ВПР, используют в качестве исходных материалов для нее 3%-ный глинистый раствор (τ_o 10 Па, η0,02 Па ˙ с) с глиняными гранулами диаметром
d_г ≅ (d_c-d_н)/2 ≅ 0,025 м
Определяют необходимое количество раствора и гранул. Объем заколонного пространства
V_з.п= (d2с

-d2н)L (0,214²- 0,164²)
Количество бентонитовой глины (глинопорошка) для приготовления гранул G_г= V_з.п.(ρ_г ˙ 0,4+ ρ_в ˙ 0,6)(К_г-К_р)=30(2700 x x0,4+1000 ˙ 0,6) ˙ 0,37=18600 кг18,6 т. где К_г концентрация глины в ВПР;
К_р концентрация глины в растворе-носителе;
К_в концентрация воды в ВПР;
ρ_г удельный вес глины (ρ_г=2700 кГм/м³).

Для успешной прокачки раствора с гранулами необходимо знать продолжительность этого процесса, чтобы приготовить гранулы с нужной задержкой их распадения. Для нашего примера
t_р.г≥ ≈ 3595 с ≈ 1ч
Как видно из опытных данных (формула (1) и таблица) для тампонирования обсадной колонный в течение 1 ч необходимо в состав гранул ввести ≈ 0,07% ПАА.

Определяют забойное давление, необходимое для продавки раствора с гранулами в заколонное пространство:
S 18,5
Для такого S величина β 0,5, тогда
ΔP 3,2· 10⁶ Па
Данная величина получена без учета гидростатики столба жидкости в скважине и увеличения вязкости раствора при добавлении в него гранул. Если считать, что столб жидкости в затрубном пространстве уравновешивается столбом жидкости в трубном, а наличие гранул в растворе увеличивает его вязкость в три раза, то и в этом случае устьевое давление при прокачке раствора в затрубное пространство не превысит 10 МПа.

После закачки в скважину глинистого раствора с гранулами вслед за ним подается порция цементного раствора из расчета подъема его в заколонном пространстве на высоте одной трубы (l=10 м) от башмака.

Количество цементного раствора
V_ц= (d2с

-d2н)l (0,214²-0,164²)·10 0,148 м³
Скважина закрывается на время ожидания затвердевания цементного раствора, в это время происходит распадение глиняных гранул, и глинистый раствор в заколонном пространстве приобретает необходимые тампонирующие свойства.

Технико-экономические преимущества данного способа заключаются в его высокой технологичности, простоте, экономичности, поскольку главный изолирующий материал глина легко доступна, а изготовление гранул хорошо отработано в промышленности.

Использование: при цементировании скважин. Цель повышение эффективности способа за счет повышения надежности герметизации заколонного пространства и снижение материальных затрат. Способ включает закачку вязкопластичного раствора. Этот раствор применяют в виде глинистого раствора с глиняными гранулами. Содержание воды в растворе принимают равным влагоемкости глины в растворе и гранулах. Глиняные гранулы применяют размером не более половины разницы диаметров скважины и обсадной колонны. В гранулы добавляют полиакриламид согласно зависимости lgt_р.г=1-11,5 K, где t_р.г планируемое время начала распадания гранул, мин; K - концентрация полиакриламида в составе гранул, мас. Закачку вязкопластичного раствора осуществляют в течение времени до распадения гранул. Вязкопластичным раствором замещают буровой раствор в заколонном пространстве. С его применением существует возможность извлечения обсадных колонн. 1 табл.

СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ОБСАДНЫХ КОЛОНН В СКВАЖИНАХ, включающий закачку вязкопластичного раствора в скважину, замещение им бурового раствора в заполненном пространстве и изоляцию колонного пространства от заколонного в нижней части обсадной колонны, отличающийся тем, что, в целью повышения эффективности способа путем повышения надежности герметизации заколонного пространства и снижения материальных затрат, в качестве вязкопластичного раствора закачивают глинистый раствор с глиняными гранулами и содержанием воды, равным влагоемкости глины в растворе и гранулах, при этом глиняные гранулы применяют размером не более половины разницы диаметров скважины и обсадной колонны и добавляют в гранулы полиакриламид согласно зависимости
lgt_р.г (1 11,5) K,
где t_р.г планируемое время начала распадения гранул, мин;
K концентрация полиакриламида в составе гранул, мас.

а закачку вязкопластичного раствора осуществляют в течение времени до распадения гранул.