СПОСОБ ВИБРАЦИОННОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНЫХ ТРУБ В СКВАЖИНАХ Российский патент 1997 года по МПК E21B33/13 

Изобретение относится к области нефте- и газодобычи и может быть использовано для цементирования наклонных и горизонтальных скважин с использованием упругого миграционного геоэффекта и кавитации.

Известен способ цементирования обсадных труб в вертикальных скважинах, при котором обсадная колонна подвешивается на некотором расстоянии от забоя, внутри обсадной колонны подвешивается вторая колонна, которая крепится к обсадной колонне основной в нижней ее части, к внутренней колонне наверху присоединен вибратор, который создает продольные колебания, и используют второй генератор который создает сдвиговые колебания, затем в скважину подают цементный раствор по внутренней колонне и он поднимается по заколонному пространству колебания, передаваемые посредством вибратора на обсадной колонне облегчают подъем цементного раствора и способствуют его дегазации [1]
Известный способ трудоемок и нетехнологичен, не позволяет работать в выбранном диапазоне частот или на частоте резонанса, практически неприменим в наклонных и горизонтальных скважинах и не использует для снижения энергоемкости упругий миграционный геоэффект и энергию кавитирующих взрывов при нагреве раствора до 40 50^oC.

Известен также способ вибрационного цементирования обсадных труб в скважинах, включающий нанесение на наружную поверхность обсадных труб слоя редкоземельного элемента с магнитострикционными сойствами, спуск обсадных колонн в скважину, закачку в обсадные трубы цементного раствора с последующей его продавкой в затрубное пространство и передачу на слой редкоземельного элемента в направлении снизу-вверх напряжений с частотой, равной частоте собственных колебаний колонны [2]
Известный способ применим в основном в вертикальных скважинах, не использует структурные и механические свойства скрепляющего раствора.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу при цементировании наклонных и горизонтальных скважин цементный раствор нагревают до температуры 40 50^oC, а частоту собственных колебаний обсадной колонны согласуют с частотой собственных колебаний цементного раствора, при этом возбуждение колебаний обсадной колонны осуществляют в течение времени, при котором прочность камня в затрубном пространстве на основе цементного раствора достигает 0.5 его нормативной или проектной прочности.

На слой редкоземельного элемента и подают напряжение, возбуждающие колебания обсадной колонны с амплитудой, создающей напряжения в цементном камне в пределах 0.1 0.2 от величины его разрушающих напряжений на разрыв.

На наружную поверхность обсадных труб наносят слой редкоземельного элемента в виде RFe₂, а передачу напряжения на слой редкоземельного элемента осуществляют с частотой 60 1500 Гц и по мере подъема цементного раствора при его продавке в затрубное пространство.

До, во время и после вибрационного цементирования обсадных труб в скважине осуществляют акустический каротаж по результатам которого определяют состояние массива горных пород, цементного камня в затрубном пространстве и обсадных труб.

На фиг.1 приведена схема реализации способа, где 1 массивы горных пород, 2 скважина, 3 обсадная труба, 4 слой редкоземельного элемента, 5 источник возбуждающего напряжения для редкоземельного элемента, 6 блок согласования, 7 микропроцессор, 8-9 электроды, 10 гидроимпульсатор для нагнетания скрепляющих растворов в скважину.

На фиг.2 приведены пороги кавитации для различных диапазонов частот.

На фиг. 3 экспериментальные результаты поведения радиуса кавитирующего пузырька во времени при постоянном давлении P₀ на частоте 5 кГц: кривая 1 получена при P₀ 10⁵Па, 2 P₀= 5•10⁵Па, 3 P₀ 10⁶Па.

Способ осуществляют следующим образом.

Обустраивают скважину 2 в массиве 1 обсадной трубой 3 на внешнюю поверхность которой наносят слой редкоземельного элемента 4, обладающего гигантской магнитострикцией, например, интерметаллические соединения типа PFe₂. Их наносят посекционно секциями 3 5 м и с шагом через 3 15 м по скважине, подводят к слою редкоземельного элемента 4 электроды, 8, 9 от источника возбуждающего напряжения 5 и подают посредством электродов 8, 9 возбуждающее на слой 4, которое даже при комнатной температуре вызывает генерацию электромагнитных колебаний в слое 4, причем до 50% энергии электромагнитных колебаний переходит в упругие колебания. Изменяя величину возбуждающего напряжения и его частоту управляют параметрами упругих колебаний в выбранном диапазоне частот, т.е. с использованием блока согласования 6, воспринимающего упругие колебания и микропроцессора 7, в котором заложена программа работы виброисточника или их группы, причем в качестве виброисточника служит часть обсадной трубы в скважине на поверхность которой нанесен слой редкоземельного элемента 4.

Затем возбуждают упругие колебания и производят закачку цементного раствора посредством гидроимпульсатора 10 в скважину 2 и его последующую продавку в заколонное пространство, раствор подают по внутренней колонне и он поднимается в затрубном пространстве за счет вибраций, передаваемых раствору от виброисточника. Упругие колебания возбуждают в диапазоне от 60 до 1500 Гц секциями обсадной колонны начиная от забоя скважины, т.е. снизу-вверх, и по мере подъема раствора, вплоть до устья скважины. Величину давления в знакопеременной упругой волне поддерживают на уровне 0.1 0.2 от величины разрушающих напряжений на разрыв для скрепляющих растворов в течение времени, при котором прочность цементного камня в затрубном пространстве достигает 0.5 от его нормативной или проектной величины. Раствор перед нагнетанием нагревают до 40 50^oC вследствие чего он приобретает пластические свойства, возбуждают упругие колебания частоту которых согласуют с частотой собственных колебаний скрепляющего раствора и вибровоздействия осуществляют в течение времени, при котором достигают положительного эффекта.

При цементировании наклонных и горизонтальных скважин, подъем раствора осуществляют только за счет вибровоздействий, для чего возбуждают упругие колебания в диапазоне 1 20 кГц и инициируют на пути распространения колебаний кавитирующих взрывы, так как гидроразрывы мельчайшие пузырьки заполненные паром и газом, образующиеся в зоне разрежения упругой волны схлопываются в зоне сжатия, причем время схлопывания кавитирующих пузырьков и их энергию определяют из выражений:
E=P_o•πR³•4/3,

где p плотность среды;
R_мин и R_max соответственно минимальный и максимальный размер кавитирующих пузырьков в момент схлопывания

и с учетом того, что ξ 10, p 2.1 г/см³, P_max= 100 МПа, R_мин= 10 мм получим, что энергия в импульсе равна E 3.2•10³ МПа и время схлопывания составляет при этом T_{схлопы вания} 2•10^-3с.

Такие импульсные давления вызывают мощные гидродинамические возмущения в виде импульсов сжатия микро- и макроударных волн и потоков флюидов, порождаемых пульсируемыми пузырьками. Кроме того, схлопывание вызывает сильный локальный разогрев, что в свою очередь сопровождается разложением газовых компонент в растворах на составляющие и их диффундирующая миграционная способность в порах и трещинах как массива приконтурной части скважины, так и в самом скрепляющем растворе, увеличивается более, чем на порядок и имеет место замещение газовой фазы жидким пластичным раствором за счет сотрясений и вибраций обсадной колонны, что в свою очередь, способствует более глубокому проникновению раствора в поры и трещины приконтурной части массива и более прочному сцеплению обсадной трубы с массивом горных пород.

Работу группы виброисточников, которыми служат отдельные части обсадной трубы, контролируют геомеханическими и геофизическими методами исследований. Воздействуя на массив и скрепляющий раствор вибрационными нагрузками, измеряют напряженно-деформирование состояние их до, во время и после вибровоздейсвия, сопоставляют эти параметры и по ним судят о достигнутом эффекте-качестве цементирования скважины, что способствует снижению динамических проявлений горного давления и в конечном итоге, эффективности способа.

Кроме того, до, во время и после вибровоздейсвия производят акустический каротаж по скважине, выявляют скорости и поглощение продольных и сдвиговых волн в массиве, цементном камне и материале обсадной трубы, выявляют спектры упругих волн, строят в изолиниях карты распределения модуля упругости, сдвига скорости P, S_x2 и S_x3 волн и их коэффициентов поглощения и по ним судят как о состоянии и свойствах массива, так и скрепляющего раствора, и заодно осуществляют диагностику обсадных труб по глубине скважины.

Сущность способа состоит в том, что под воздействием мощных вибрационных колебаний, порождаемых виброисточниками в виде части обсадных труб, на пути распространения упругих волн возникают волн сжатия и разрежения, которые действуют на флюиды, как тектонический насос, вследствие чего их распространение миграция увеличивается в десятки и сони раз по сравнению со случаем, когда вибровоздействия отсутствуют. При работе в резонансном режиме, когда частота зондирующих импульсов совпадает с частотой собственных колебаний скрепляющего раствора, их перемещение в затрубном пространстве увеличивается на несколько порядков за счет проявления кавитирующих процессов при нагнетании нагретых растворов в затрубное пространство скважины. Степень развития кавитации и характер ее протекания воздействия на массив и скрепляющие растворы изменяются при варьировании газосодержания, гидростатического давления и температуры, что порождает несимметричность процесса схлопывания кавитирующих пузырьков в растворе и приводит к их распаду на множество мелких пузырей, служащих зародышами кавитации.

Кроме того, по мере удаления от виброисточника давление в упругой волне изменяется, что в сочетании с изменяющимся гидростатическим давлением в массиве по глубине скважины создает возможности для проявления кавитирующих процессов. Вибровоздействия по предлагаемому способу позволяют осуществить перераспределение напряженно-деформированного состояния массива на пути мигрирующих флюидов-растворов и повысить глубину проникновения растворов в поры и трещины массива за счет сотрясений, вибраций и кавитирующих процессов, а также снизить вероятность динамики проявления горного давления в скважинах за счет более прочного сцепления обсадной трубы с массивом.

Преимущества предлагаемого способа состоят в следующем:
возможность производить вибрационные колебания в выбранном диапазоне частот начиная от забоя и кончая устьем скважины;
управлять состоянием и свойствами скрепляющих растворов в процессе их нагнетания в затрубное пространство;
осуществлять цементирование скважины в резонансном режиме
повысить безремонтный срок службы скважины в 2 5 раз.

Использование изобретения позволит значительно снизить энергоемкость процесса, в особенности при работах в наклонных и горизонтальных скважинах, за счет использования упругого миграционного геоэффекта и энергии кавитирующих взрывов по сравнению с имеющимися обычными технологиями.

Использование: при цементировании скважин обеспечивает повышение качества цементирования в наклонных и горизонтальных скважинах. Сущность изобретения: способ включает нанесение на наружную поверхность обсадных труб слоя редкоземельного элемента с магнитострикционными свойствами. Спускают обсадные трубы в скважину. Затем закачивают в обсадные трубы цементный раствор и продавливают его в затрубное пространство. На слой редкоземельного элемента передают напряжение с частотой, равной частоте собственных колебаний колонны. При этом цементный раствор нагревают до температуры 40-50^oC. Частоту собственных колебаний обсадной колонны согласуют с частотой собственных колебаний цементного раствора. Возбуждение колебаний обсадной колонны осуществляют в течение времени, при котором прочность камня в затрубном пространстве на основе цементного раствора достигает 0,5 его нормативной или проектной прочности. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ вибрационного цементирования обсадных труб в скважинах, включающий нанесение на наружную поверхность обсадных труб слоя редкоземельного элемента с магнитострикционными свойствами, спуск обсадных труб в скважину, закачку в обсадные трубы цементного раствора с последующей его продавкой в затрубное пространство и передачу на слой редкоземельного элемента в направлении снизу вверх напряжения с частотой, равной частоте собственных колебаний колонны, отличающийся тем, что при цементировании наклонных и горизонтальных скважин цементный раствор нагревают до 40 - 50^oС, а частоту собственных колебаний обсадной колонны согласуют с частотой собственных колебаний цементного раствора, при этом возбуждение колебаний обсадной колонны осуществляют в течение времени, при котором прочность камня в затрубном пространстве на основе цементного раствора достигает 0,5 его нормативной или проектной прочности. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на слой редкоземельного элемента подают напряжение, возбуждающее колебания обсадной колонны с амплитудой, создающей напряжения в цементном камне в пределах 0,1 0,2 величины его разрушающих напряжений на разрыв. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на наружную поверхность обсладных труб наносят слой редкоземельного элемента в виде RF₂, а передачу напряжения на слой редкоземельного элемента осуществляют с частотой 60 1500 Гц и по мере подъема цементного раствора при его продавке в затрубное пространство. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что до, во время и после вибрационного цементирования обсадных труб в скважине по ее глубине осуществляют акустический каротаж, по результатам которого определяют состояние массива горных пород, цементного камня в затрубном пространстве и обсадных труб.