СПОСОБ ОБОРУДОВАНИЯ СКВАЖИН НАПРАВЛЕНИЕМ ПРИ ИХ СТРОИТЕЛЬСТВЕ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ Российский патент 1997 года по МПК E21B36/00 

Изобретение относится к строительству скважин и может быть использовано при оборудовании скважин направлением в многолетнемерзлых породах (ММП), а также в обычных породах.

Известен способ оборудования скважин направлением при их строительстве в многолетнемерзлых породах (ММП), включающий бурение ствола под направление с заглублением его в устойчивые породы, теплоизоляцию направления, цементирование направления тампонажными материалами для мерзлых пород.

Недостатком способа является то, что установка направления требует значительных затрат вследствие своей громоздкости, сложно его изготовление, кроме этого невозможно изменить конструкцию направления при оборудовании им скважин, т. е. конструкция направления и способ оборудования им скважин не являются универсальными.

Цель изобретения упрощение оборудования устья скважины направлением, обладающим повышенной теплоизолирующей и гидроизолирующей способностью.

Для решения поставленной задачи в способе оборудования скважин направлением при их строительстве в многолетнемерзлых породах, включающем бурение ствола под направление с заглублением его в устойчивые породы, теплоизоляцию направления, цементирование направления тампонажными материалами для мерзлых пород, определяют глубину залегания мерзлых пород со стабильной отрицательной температурой, на которой не сказываются годовые колебания температуры (ГКТ) воздуха на поверхности, годовые колебания температуры ММП на этой глубине не должны превышать (±0,1) (±0,2)^oC, определяют глубины залегания ниже ГКТ пропластков устойчивых пород, производят расширение ствола под направление породоразрушающим инструментом диаметром больше номинального на глубину, превышающую ГКТ с заглублением в устойчивые породы, но на глубину, меньшую, чем ступенчатый ствол под направление, производят спуск направления и за направлением коммуникаций термометрических трубок (КТТ) до забоя и на уровень ступеньки, а за кондуктором КТТ спускают на глубину, превышающую глубину спуска направления, центрируют в стволе направление с обеспечением полного заполнения им затрубного пространства и с вытеснением из затрубья бурового раствора и шлама, спускают в заглушенные снизу КТТ термометрические устройства, замеряют температуры в КТТ и контролируют по их изменениям качество цементирования, крепления скважины, герметичность затрубного пространства за направлением в процессе бурения под кондуктор, теплоизолирующую способность конструкции скважины, тепловое взаимодействие скважины с ММП в процессе ее строительства, эксплуатации, простоев, ствол в расширенной верхней части до ступеньки бурится породоразрушающим инструментом большего диаметра, чем диаметр оттаивающих мерзлых пород за направлением ниже ступеньки в процессе бурения под кондуктор из-под направления, при этом произведение времени бурения, промывки под кондуктор на среднюю температуру бурового раствора не должно превышать значения, определяемого из выражения:

где d_p диаметр породоразрушающего инструмента для расширения ствола, м;
ρ, r_ви, r_и, r_из, r_ц радиусы, соответственно, протаивания пород за направлением, внутренний, наружный радиусы трубы направления, теплоизоляции на ней, наружный радиус цементного кольца за направлением (контакт цемент порода) ниже глубины залегания ступеньки, м;
Ц отношение радиусов, безразмерная величина;
t_б суммарное время теплового воздействия на породы за направлением при бурении, промывке под кондуктор, с;
t_2c средняя температура восходящего бурового раствора при бурении, промывке под кондуктор внутри направления, ниже ступеньки, ^oC;
m_s количество льда в породе ниже ступеньки, который протаивает при определенной температуре фазового перехода, принимаемой равной 0^oC, кг/м³;
i удельное тепло фазового перехода лед вода, равное 333,7 кДж/кг;
K_н, U_н коэффициенты теплопередачи, термического сопротивления направления, соответственно, Вт/м•^oC, м•^oC/Вт;
λ_тр, λ_из, λ_ц, λ_т коэффициенты теплопроводности, соответственно, трубы направления, теплоизоляции за направлением, цементного кольца, талых пород, Вт/м ^oC.

Кроме того, для решения поставленной задачи центрирование спускаемого в скважину направления и размещение в зазорах КТТ осуществляется с помощью теплоизолирующих-центрирующих элементов (ТЦЭ), расположенных на них, а направления также с помощью КТТ, цементирование однотрубного направления, спускаемого в ступенчатый ствол, производится в одну ступень, после частичного или полного освобождения ствола от бурового раствора, а цементирование двухтрубного направления -в две или три ступени с опорожнением ствола от бурового раствора и шлама после закачки первой порции цемента и его схватывания, цементирование однотрубного направления производится в одну ступень, но с использованием двух порций цемента с закачкой в расширенную часть цемента с повышенной теплоизолирующей способностью, а в нижнюю часть ствола с небольшим перекрытием ступеньки напрягающего цемента, в межтрубном пространстве двухтрубного направления над ступенькой, но не ближе, чем 0,5-0,6 м от нее, устанавливается герметизирующий -цементирующий элемент (ГЦЭ), цементирование направления производится в одну ступень с подъемом цемента за наружной трубой направления до устья, а излишний цемент, проникший выше ГЦЭ, размывается и выносится из межтрубного пространства с помощью специальной коммуникации, спущенной до уровня или несколько выше ГЦЭ, герметичность затрубного пространства за направлением поступления жидкости, раствора в затрубье, размыв пород, цемента за направлением контролируются по повышению температур в КТТ, а по снижению температур в КТТ, а по снижению температур в КТТ до 0^oC и ниже отмечаются моменты обратного промерзания пород вокруг скважины и промерзание зоны конструкции скважины, при наличии провалов при оттаивании мерзлых пород за цементным кольцом направления КТТ, расположенные вблизи проваливающихся, обваливающихся пород в расширенной части ствола в зимний период переводятся в сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ) для восстановления отрицательных температур в породах, а за расширенной частью направления в местах оседания, провалов пород за направлением бурятся скважины малого диаметра без растепления ММП, в которых располагаются дополнительные КТТ-СОУ.

Сущность изобретения заключается в том, что ступенька, забой расширенной части ствола располагают в устойчивых породах, в так называемых мерзлых. Чтобы эти породы не подвергались воздействию изменяющихся сезонных температур, забой расширенной части ствола направления должен находится ниже ГКТ. Формирование устойчивого ступенчатого ствола производят за счет использования при бурении бурового раствора, обладающего пониженной теплоотдачей (растворы с полимерными добавками, пены, воздух) в окружающие породы и поддержания его пониженной температуры не выше (3,0-5,0)^oC. Устойчивые мерзлые породы характеризуются невысокой льдистостью, как правило, не превышающей 150-250 кш/м³ в зависимости от типа породы. Бурение ствола под направление ведут с одновременным или последовательным расширением, что определяется выбранной технологией бурения, используемыми типами бурового раствора и породоразрушающего инструмента. Наилучшие результаты по формированию устойчивого ступенчатого ствола дает применение технологии бурения всухую без промывки с использованием, например, шнеков, специальных буров.

Бурение ствола в расширенной части производят породоразрушающим инструментом большего диаметра, чем диаметр, на который оттаивают мерзлую породу, прилегающие снизу к ступеньке в процессе бурения под кондуктор. Выбранный диаметр расширенной части должен соответствовать тепловременному режиму бурения под контуктор, определенному согласно выражению /1/.

Способ позволяет успешно использовать как однотрубные, так и двухтрубные направления в зависимости от мерзлотных условий, а также условий строительства и эксплуатации скважин. Использование способа упрощает создание и оборудование скважины направлением, обладающим повышенной теплоизолирующей и гидроизолирующей способностью. Размещение на трубе направления теплоизоляции ниже ступеньки и на КТТ теплоизолирующих-центрирующих элементов (ТЦЭ) позволяет произвести центрирование направления в стволе, разместить в стволе КТТ, повысить качество их цементирования, крепления. Спуск КТТ в скважину осуществляется в зависимости от применяемой технологии в процессе спуска трубы направления или в процессе его цементирования. На нижних концах труб направления устанавливаются башмаки, позволяющие центрировать трубу направления на забое и предотвратить задевание ступеньки, повреждение теплоизоляции внутренней трубы, направления при спуске.

Для повышения качества цементирования направления затрубное пространство до закачки цемента или после закачки первой порции цемента частично или полностью освобождается от бурового раствора. Причем, цементирование однотрубного направления производится в одну ступень, но с последовательной закачкой двух порций цемента с прокачкой сначала цемента с повышенной теплоизолирующей способностью в расширенную часть ствола, например, с использованием портландцемента с добавкой вермикулита, перлита или торфа, полимербентонитовой смеси и др. а в качестве второй порции закачивается портланд- или напрягающий цемент, которыми цементируется направление от забоя до ступеньки, что позволяет повысить герметизацию затрубного пространства в нижней части направления. Цементирование двухтрудного направления производится в одну сторону или две ступени в зависимости от выбранной технологии.

По замерам температур в КТТ контролируют качество цементирования направления и других колонн с обработкой результатов замера температур на основе термометрического метода (ТМ), своевременно выявляют размыв пространства за направлением в процессе бурения, цементирования кондуктора по скачкам температуры, контролируют промерзание затрубного пространства по снижению температуры до 0^oC и ниже при простоях. Замеры температур в КТТ позволяют также оценить теплоизолирующую способность направления, конструкции скважины на основе контроля теплопередачи в зоне конструкции скважины. Оценка теплоизолирующей способности направления производится следующим образом. При расположении КТТ на разных радиусах вокруг скважины в зоне ее конструкции, при установившемся квазистационарном тепловом режиме, т.е. равенстве тепловых потоков q₁ q₂, используется соотношение

где t₁, t₂, t₃ температуры, соответственно, замеренные одновременно в КТТ₁, КТТ₂ и КТТ₃ на исследуемой глубине, ^oC;
Δt₁, Δt₂ перепады температур, соответственно, в первой и второй исследуемых зонах, ^oC;
K₁, K₂ линейные коэффициенты теплопередачи в первой и второй исследуемых зонах, соответственно, Вт/м•^oC;
U₁, U₂ термические сопротивления первой и второй исследуемых зон, м•^oC/Вт.

При расположении трех КТТ (КТТ₁, КТТ₂, КТТ₃) соответственно за кондуктором, за теплоизолирующей трубой направления и в расширенной чисти вблизи пород используют для определения K₁ и K₂


где r₁, r₂, r₃, r_и3 радиусы, на которых за колоннами располагаются, соответственно, КТТ₁, КТТ₂ и КТТ₃ и наружный радиус теплоизоляции на трубе направления, м;
U_и12, K_и12 суммарное термическое сопротивление и линейный коэффициент теплопередачи двух зон, соответственно, м•^oC/Вт и Вт/м;
λ_цк, λ_экв коэффициенты теплопроводности, соответственно, цементного кольца за кондуктором и эквивалентной (средней) второй исследуемой зоны, Вт/м•^oC.

Остальные обозначения в выражениях (3-5) те же, что и в (1,2).

Суммарная теплоизолирующая способность направления исследуемой зоны конструкции скважины оценивается исходя из полученных величин U_н12 и K_н12.

В случае интенсивного оттаивания мерзлых пород за направлением и их провала предусматривается перевод КТТ в сезонодействующие охлаждающие устройства (СОУ), а вблизи расширенной части могут быть пробурены скважины малого диаметра без растепления ММП на глубину, превышающую ГКТ, в которых располагаются дополнительные КТТ-СОУ.

На фиг. 1 и 2 показаны варианты оборудования скважины направлением при осуществлении данного способа. На фиг. 1 представлен способ оборудования скважины однотрубным направлением; на фиг.2 то же, двухтрубным направлением, спускаемым в ступенчатый ствол.

Для осуществления способа бурят ступенчатый ствол с расположением ступеньки 1 ниже границы ГКТ (позиция 2, фиг.1 и 2). Спускают в ствол трубу 3 направления, которая покрыта теплоизоляцией 4. Низ теплоизолирующей оболочки 4 на трубе 3 располагают ниже ступеньки 1. При спуске в скважину трубы 3 направления она центрируется в стволе с помощью установленного на нижнем конце ее, опирающемся на забой, башмака 5, а также с помощью теплоизоляции 4 и КТТ (позиции 6 и 7, фиг.1 и 2), расположенных на них ТЦЭ (позиции 8 и 9). Наружный радиус ТЦЭ (позиция 9) на КТТ может превышать толщину зазора между теплоизоляцией 4 и стекой пород. Коммуникация 6 в этом случае спускается до спуска трубы 3 направления или одновременно с ним. Однотрубное направление цементируется в одну ступень, а двухтрубное с наружной трубой 10, в одну или две ступени в зависимости от принятой технологии с использованием или без использования межтрудного герметизирующего центрирующего элемента (ГЦЭ). Первая порция цемента 12 поднимается с некоторым перекрытием ступеньки, а вторая порция цемента 13 за наружной трубой направления поднимается до устья. Для улучшения качества цементирования ствол скважины предварительно освобождается от бурового раствора.

КТТ в расширенной части ствола (позиции 14 и 15) с ТЦЭ (позиция 8) спускаются в ствол до или после закачки цемента 12 и 13. Для контроля за температурой ММП за направлением, предотвращения интенсивного протаивания и просадок мерзлых пород в процессе эксплуатации скважины за направлением бурятся скважины малого диаметра, в которых располагают КТТ-СОУ (позиция 16).

При использовании двухтрубного направления (фиг.2) в свободном от цемента межтрубном пространстве 17 осуществляется вынужденная циркуляция хладагента (специальной жидкости 18, воздуха 19) с использованием патрубков 20 и коммуникации 21, которых может быть несколько. Циркуляция воздуха осуществляется за счет естественной конвекции. Вместо прокачки хладагента (активная теплоизоляция) межтрубное пространство может заполняться парожидкостной смесью, льдом, другой пассивной теплоизоляцией, а также оборудоваться для работы в режиме СОУ.

Наружная труба 10 направления может частично или полностью опираться на ступеньку 1. Первая порция цемента 12 захватывает нижнюю часть наружной трубы 10 направления, и, таким образом, снизу двухтрубное направление объединяется в единую конструкцию. Для закачки второй порции цемента 13 в пространство за трубой 10 спускается труба малого диаметра с открытым снизу концом. После закачки второй порции цемента 13 трубка, через которую закачивался цемент, извлекается. Если за наружной трубой 10 перед закачкой цемента жидкости нет, то заливка цемента второй порции в затрубное пространство может вестись через рукав на устье. При цементировании направления в две и более ступени для цементирования используются быстросхватывающиеся тампонажные растворы, позволяющие осуществлять закачку следующей порции цемента не позднее, чем через 4,0-8,0 ч после закачки предыдущей порции.

Сверху межтрубное пространство герметизируется крышкой 22, которая объединяет двухтрубное направление в единое целое сверху.

Преимущества предложенного способа по сравнению с известными заключаются в следующем.

Увеличивается надежность крепления устья скважины направлением в зонах ММП за счет повышения сопротивления размыву затрубного пространства за направлением при бурении под кондуктор, повышения качества цементирования направления, возможности осуществлять контроль за качеством крепления устьевой зоны направлением термометрическими методами в результате замера температур в КТТ.

Упрощается оборудование устья скважин специальными направлениями разных конструкций (однотрубным, двухтрубным, теплоизолированными) в зависимости от изменяющихся мерзлотных условий и условий эксплуатации скважин, в том числе значительно упрощается сборка и использование на скважинах двухтрубных направлений.

Появляется возможность контроля за тепловым взаимодействием скважины с ММП в процессе ее строительства, эксплуатации, простоев в результате замера температур в КТТ как за направлением, так и за кондуктором. Особенно это важно для оценки качества их цементирования, предотвращения смятия труб, разрушения конструкции скважины при обратном промерзании при простоях, для выбора эффективных тепловых режимов эксплуатации скважин в интервалах мерзлых и низкотемпературных пород.

По сравнению с прототипом упрощается сборка двухтрубного направления, его центрирование, так как наружная труба направления может устанавливаться непосредственно на ступеньку, а центрирование труб производится за счет башмака-раструба и теплоизолирующих элементов, расположенных на внутренней трубе направления и КТТ. При этом повышается качество цементирования направления и его гидроизолирующая, герметизирующая способность, в том числе от пластовых флюидов.

\ \ 1 Использование: в строительстве скважин и при оборудовании скважин направлением в многолетнемерзлых породах (ММП), а также в обычных породах. Изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в упрощении оборудования устья скважины направлением, обладающим повышенной теплоизолирующей и гидроизолирующей способностью. Сущность изобретения заключается в том, что ствол под направление в верхней части расширяют на глубину, превышающую глубину, на которой отмечают сезонные годовые колебания температуры с образованием ступеньки, формируют устойчивый ступенчатый ствол под направление, центрируют в стволе направление и размещают в зазорах между направлением и породами коммуникации - термометрические трубки (КТТ), производят частичное или полное опорожнение ствола от бурового раствора перед цементированием или после закачки и твердения первой порции цемента, спускают в КТТ с заглушенными снизу концами термометрические устройства и контролируют по температурам, замеряемым в КТТ качество цементирования, крепления скважины направлением, кондуктором, герметичность затрубного пространства за направлением в процессе бурения под кондуктор, теплоизолирующую способность направления, конструкции скважины, тепловое взаимодействие скважины с ММП в процессе ее строительства, эксплуатации, простоев. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ оборудования скважин направлением при их строительстве в многолетнемерзлых породах (ММП), включающий бурение ствола под направление с заглублением его в устойчивые породы, теплоизоляцию направления, цементирование направления тампонажными материалами для мерзлых пород, отличающийся тем, что определяют глубину залегания мерзлых пород со стабильной отрицательной температурой, на которой не сказываются годовые колебания температуры (ГКТ) воздуха на поверхности, годовые колебания температуры ММП на этой глубине не должны превышать ± 0,1 ± 0,2^oС, определяют глубины залегания ниже ГКТ пропластков устойчивых пород, производят расширение ствола под направление породоразрушающим инструментом диаметром больше номинального на глубину, превышающую ГКТ с заглублением в устойчивые породы, но на глубину меньшую, чем глубина расположения забоя направления, формируют устойчивый ступенчатый ствол под направление, производят спуск направления и за направлением коммуникаций термометрических трубок (КТТ) до забоя и на уровень ступеньки, а за кондуктором КТТ спускают на глубину, превышающую глубину спуска направления, центрируют в стволе направление с размещением в зазорах ККТ, цементируют направление с обеспечением полного заполнения им затрубного пространства и с вытеснением из затрубья бурового раствора и шлама, спускают в заглушенные снизу КТТ термометрические устройства, замеряют температуры в КТТ и контролируют по их изменениям качество цементирования, крепления скважины, герметичность затрубного пространства за направлением в процессе бурения под кондуктор, теплоизолирующую способность конструкции скважины, тепловое взаимодействие скважины с ММП в процессе ее строительства, эксплуатации, простоев. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ствол в расширяемой верхней части до ступеньки бурится породоразрушающим инструментом большего диаметра, чем диаметр оттаивающих мерзлых пород за направлением ниже ступеньки в процессе бурения под кондуктор из-под направления, при этом произведение времени бурения, промывки под кондуктор на среднюю температуру бурового раствора не должно превышать значения, определяемого из выражения



где d_p диаметр породоразрушающего инструмента для расширения ствола, м;
ρ,r_вн,r_н,r_из,r_ц - радиусы соответственно протаивания пород за направлением, внутренний, наружный радиусы трубы направления, теплоизоляции на ней, наружный радиус цементного кольца за направлением (контакт цемент порода) ниже глубины залегания ступеньки, м;
τ_б - суммарное время теплового воздействия на породы за направлением при бурении, промывке под кондуктор, с;
t_ж средняя температура в восходящем потоке бурового раствора внутри направления ниже ступеньки, ^oС;
m_s количество льда в породе ниже ступеньки, который протаивает при определенной температуре фазового перехода, принимаемой равной 0^oС/кг • м³;
i удельное тепло фазового перехода лед вода, равное 333,7 кДж/кг;
K_н, U_н коэффициенты теплопередачи, термического сопротивления направления соответственно, Вт/м^oС, м • ч • ^oС/Вт;
λ_тр, λ_из, λ_ц, λ_т - коэффициенты теплопроводности соответственно трубы направления, теплоизоляции за направлением, цементного кольца, талых пород, Вт/м ^oС. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что центрирование спускаемого в скважину направления и размещение в зазорах КТТ осуществляется с помощью теплоизолирующих центрирующих элементов (ТЦЭ) расположенных на них, а направления также с помощью КТТ. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что цементирование однотрубного направления, спускаемого в ступенчатый ствол, производится в одну ступень после частичного или полного освобождения ствола от бурового раствора, а цементирование двухтрубного направления в две или три ступени с опорожнением ствола от бурового раствора и шлама после закачки первой порции цемента и его схватывания. 5. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что цементирование однотрубного направления производится в одну ступень, но с использованием двух порций цемента с закачкой в расширенную часть цемента с повышенной теплоизолирующей способностью, а в нижнюю часть ствола с небольшим перекрытием ступеньки напрягающего цемента. 6. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что в межтрубном пространстве двухтрубного направления над ступенькой, но не ближе, чем 0,5 0,6 м от нее, устанавливается герметизирующий центрирующий элемент (ГЦЭ), цементирование направления производится в одну ступень с подъемом цемента за наружной трубой направления до устья, а излишний цемент, проникший выше ГЦЭ, размывается и выносится из межтрубного пространства с помощью специальной коммуникации, спущенной до уровня или несколько выше ГЦЭ. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что герметичность затрубного пространства за направлением, поступление жидкости, раствора в затрубье, размыв пород, цемента за направлением контролируются по повышению температур в КТТ, а по снижению температур в КТТ до 0^oC и ниже отмечаются моменты обратного промерзания пород вокруг скважины и промерзания зоны конструкции скважины. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при наличии провалов при оттаивании мерзлых пород за цементным кольцом направления КТТ, расположенные вблизи проваливающихся, обваливающихся пород в расширенной части ствола в зимний период, переводятся в сезоннодействующие охлаждающие устройства (СОУ) для восстановления отрицательных температур в породах, а за расширенной частью направления в местах оседания, провалов пород за направлением бурятся скважины малого диаметра без растепления ММП, в которых располагаются дополнительные КТТ-СОУ.