СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ Российский патент 1998 года по МПК E21B33/14 

Изобретение относится к строительству нефтяных и газовых скважин и может быть использовано при креплении скважин для повышеничя качества и надежности крепи.

Известен способ крепления скважинн путем спуска в нее обсадной колонны и закачки в затрубное пространство цементного раствора и ожидание затвердевания его [1].

Известен другой способ крепления скважины путем спуска в нее обсадной колонны, закачки в затрубное пространство цементного раствора, создания в обсадной колонне избыточного давления и ожидания затвердевания цементного раствора (ОЗЦ) [2].

Данный способ имеет следующие недостатки:
1. Так как после получения давления - стоп внутри обсадной колонны давление сбрасывают до "нуля", то после этого на нижний конец обсадной колонны начинает воздействовать сжимающая сила, равная:

где H - глубина спуска обсадной колонны, м;
d - внутренний диаметр обсадной колонны, м;
γ_ц - удельный вес цементного раствора, кг/м³,
γ_пр.ж - удельный вес продавочной жидкости, кг/м³.

Под воздействием этой силы нижняя часть изгибается и в таком состоянии находится в процессе формирования цементного камня.

2. По мере формирования каркаса цементного камня и седиментации твердой фазы из цементного раствора удельный вес жидкой части становится равным единице (т. е. уд. вес.воды). А так как удельный вес продавочной жидкости, заполняющей обсадную колонну, превышает эту величину, то сжимающая сила переходит в растягивающую, которую можно определить по формуле.

где γ_в - удельный вес жидкости затворения (воды), кг/м³.

3. Кроме этого, в процессе ОЗЦ происходит интенсивный теплообмен. В первые 3 ч температура может повыситься на 20-30^oC. Это приведет к возникновению дополнительной растягивающей нагрузки, определяемой по формуле
Q_t = Δt•α•E•F, (3)
где Δt - изменение температуры нагрева обсадной колонны, ^oC,
α - коэффициент линейного расширения, ^oC^-1,
E - модель Юнга материала обсадных труб, Па,
F - площадь поперечного сечения труб, м².

Учитывая, что изменение осевых усилий, приложенных к нижней части обсадной колонны, происходит в период ОЗЦ, т.е. когда формируется цементный камень, это приводит к разрушению образующегося камня и ухудшению качества цементирования обсадной колонны.

Названные недостатки обусловлены подвижностью нижнего конца обсадной колонны за счет изменения осевых усилий, приложенных к нему в период ОЗЦ.

Задачей настоящего изобретения является усовершенствование известного способа крепления скважин путем обеспечения неподвижности нижнего конца обсадной колонны в период ОЗЦ за счет приложения растягивающей нагрузки к нижнему концу обсадной колонны, компенсирующей возникающие сжимающие нагрузки в этот период.

Такая задача решается за счет того, что в известном способе крепления скважин путем спуска в нее обсадной колонны, закачки в затрубное пространство цементного раствора, создания в обсадной колонне избыточного давления и ожидания затвердевания цементного раствора (ОЗЦ) после посадки разделительной пробки на упорное кольцо и получения давления-стоп избыточное давление в обсадной колонне снижают до величины не меньше разности гидростатических давлений на забое скважины столбов цементного раствора и продавочной жидкости и под избыточным давлением выдерживают период не меньше времени начала схватывания, но не более 2/3 периода схватывания цементного раствора.

Такой способ крепления скважины обеспечивает неподвижность нижнего конца обсадной колонны весь период ОЗЦ, предотвращает возможность его движений весь период формирования цементного камня. А это сохраняет монолитность цементного кольца в затрубном пространстве, что является основой качественного крепления скважины.

В основу способа положены следующие моменты:
1. После окончания цементирования обсадной колонны и закрытия обратного клапана, установленного в ее нижней части, обсадная колонна (в т.ч. и ее нижняя часть) превращается в закрытый сосуд, работающий под давлением. Естественно, что на стенки такого сосуда, в том числе и в торец нижней части обсадной колонны, воздействует избыточное давление, равное разнице гидростатических давлений столбов жидкости, находящихся внутри и снаружи. Это можно записать в виде формулы
P = 0,1•H•(γ_ц-γ_пр.ж), (4)
где P - избыточное давление, воздействующее в нижний торец обсадной колонны, кгс/см²;
H - глубина спуска и цементирования обсадной колонны, м,
γ_ц - удельный вес цементного раствора, г/см³,
γ_пр.ж - удельный вес продавочной жидкости, г/см³.

В зависимости от направления воздействия этого давления (на торец обсадной колонны) появляется или сжимающее или растягивающее усилие в ее нижней части. Общая величина этого усилия подсчитывается по следующей формуле
Q_{сж(раст.)}= ΔP•S, (5)
где S - площадь поперечного сечения канала обсадной колонны.

Площадью воздействия этого давления является только свободное сечение ее.

2. Относительно выбора времени выдержки обсадной колонны под избыточным давлением руководствуются особенностями цементного раствора в период его схватывания (при ОЗЦ). До начала схватывания цементного раствора в нем отсутствует свой "каркас". При сбрасывании давления в этот период сжимающее усилие, воздействующее на нижний конец обсадной колонны, изогнет ее. В результате не будет достигнут полезный эффект от этого мероприятия. При снижении избыточного давления в период схватывания (т.е. после наступления начала схватывания) сжимающее усилие на колонну еще продолжает действовать. Однако возможность подвижек нижнего конца уже исключена. Это объясняется следующим.

В цементном растворе в этот период уже есть свой "каркас", который за счет сил сцепления с наружной поверхностью обсадных труб прочно удерживает обсадную колонну на месте неподвижно. Но так как в цементном растворе в этот момент еще есть жидкая фаза, то она заполняет кольцевой канал, образующийся после сбрасывания давления между эксплуатационной колонной и цементным кольцом. Экспериментально установлено, что по прошествии 2/3 периода схватывания в цементном растворе жидкой фазы остается незначительное количество, которого может не хватить для заполнения кольцевого канала.

Способ крепления скважин осуществляют следующим образом.

С учетом данных по креплению скважины: глубина спуска и цементирования обсадной колонны, удельные веса цементного раствора и продавочной жидкости, температуры возможного прогрева цементного раствора на начало его схватывания производят следующие расчеты:
1. Определяют перепад давлений от столбцов цементного раствора и продавочной жидкости по формуле (4).

2. Определяют растягивающую нагрузку от температурного воздействия по формуле (3).

3. Определяют растягивающую нагрузку в период схватывания цементного раствора за счет разницы давлений от столбов продавочной жидкости и жидкости затворения по формуле (2).

4. Определяют растягивающую нагрузку от избыточного внутреннего давления по формуле (5). Эта нагрузка должна удовлетворять следующему условию

Если это неравенство не удовлетворяется, то избыточное давление следует несколько увеличить. Таких случаев в практике может быть крайне мало. Например, при температурных аномалиях (бурение в районе наличия гейзеров и т.д. ).

Сделав названные расчеты, в скважину спускают обсадную колонну и закачивают в затрубное пространство цементный раствор, создают в обсадной колонне избыточное давление. Затем ожидают затвердевание цементного раствора (ОЗЦ). После посадки разделительной пробки на упорное кольцо и получения давления-стоп избыточное давление снижают до величины не меньше разности гидростатических давлений на забое скважины столбов цементного раствора и продавочной жидкости P в соответствии с формулами (4) и (6) и под избыточным давлением выдерживают обсадную колонну период не меньше времени начала схватывания, но не больше 2/3 периода схватывания цементного раствора.

Пример. Способ применяют при строительстве газовой скважины 2000 м. Данные по скважине: глубина спуска и цементирования эксплуатационной колонны ⊘ 146 мм 2000м. Продавочная жидкость - глинистый раствор удельного веса 1,2 г/см³. Цементирование производят чистым портланд-цементом. Цементный раствор удельного веса 1,83 г/см³, начало схватывания 1 ч 40 мин, конец схватывания - 2 ч 30 мин. Толщина стенки обсадных труб 10 мм.

Обсадную колонну оборудуют обратным клапаном. До начала спуска обсадной колонны производят необходимые расчеты.

1. Перепад давлений от столбов цементного раствора и продавочной жидкости определяют в соответствии с формулой (4):
P = 0,1•H•(γ_ц-γ_пр.ж.) = 0,1•2000•0,63 = 123 кгс/см².

2. Растягивающую нагрузку от температурного воздействия на обсадную колонну во время ОЗЦ определяют по формуле (3). Предварительно определяют площадь поперечного сечения обсадной колонны. S = 0,785•(D²-d²) = 0,785•(14,6²-12,6²)= 42,7 см². В соответствии с практическими данными повышение температуры нагрева нижней части обсадной колонны не превысит 10^oC. Поставив все данные в формулу (3), получим
Q_t= Δt•α•E•F = 10•12•10^-6•2,1•10⁶•42,7 = 10760 кгс.

3. Растягивающую нагрузку в период схватывания от изменения характера воздействия жидкой фазы цементного образования определяют по формуле (2)
= 0,1 • 0,785 • 12,6² • 2000 • (1,2 - 1) = 4984 кгс.

4. Растягивающую нагрузку Q_раст от избыточного внутреннего давления, определенного по формуле (4), определяют по формуле (5)
Q_раст= ΔP • S = 0,1 • 0,785 • 12,6² • (1,83-1,2) = 15700 кгс
Проверяют выполнение условия (6).

Q_раст=Q+Q_p. После подставки получают Q_раст = 15700 кгс.

Q+Q_p = 10760 + 4984 = 15744 кгс. Таким образом, названное выше условие не выполняется. Следует увеличить избыточное давление. Например, на 10 кгс/см².

Определяют изменение величины нагрузки растяжения Q_раст. После подстановки в формулу (5) получают Q_раст = 136•124,6 = 16945 кгс, что больше Q+Q_p = 15744 кгс.

После выбора величины избыточного давления, под которым будет выдерживаться обсадная колонна в период ОЗЦ, определяются со временем такой выдержки.

1. Определение времени выдержки под избыточным давлением. Это время определяют по следующей формуле (7).

T = T_н.схв + 2/3 • (T_к.схв-T_н.схв) (7)
где T общее время выдержки под избыточным давлением, начиная от начала затворения цемента;
T_н.схв. - время начала схватывания цементного раствора;
T_к.схв - время конца схватывания цементного раствора.

Подставив все данные в формулу (7), получают 1 ч 40 мин + 2/3 (2 ч 30 мин - 1 ч 40 мин) = 2 ч 13 мин. Учитывая возможность отклонений показателей цементного раствора от попадания в него продавочной жидкости и пр., принимают T = 2 ч.

После выполнения названных расчетов в скважину спускают и цементируют эксплуатационную колонну. Давление-стоп получают при 180 кгс/см². Давление снижают до 136 кгс/см² и это давление поддерживают 2 ч от момента затворения. Учитывая, что от затворения цемента прошло до получения давления-стоп 1 ч 29 мин, под избыточным давлением выдерживают всего 2 ч - 1 ч 29 мин = 31 мин.

В этот же период производят опрессовку эксплуатационной колонны на давление 220 кгс/см².

После выдержки эксплуатационной колонны под давлением в течение 2 ч давление стравливают до "нуля", оборудуют устье скважин. С помощью пакера производят опрессовку установленного на устьи оборудования и скважину вводят в эксплуатацию.

Достоинства предложенного способа:
1. Предотвращается изгиб нижнего конца обсадной колонны и возможность его подвижек в процессе ОЗЦ. Это повышает качество крепления скважины в ее нижней части. Для эксплуатационной колонны это наиболее ответственный участок (здесь находятся продуктивные отложения).

2. Простота способа. Для его осуществления не требуется ни дополнительной техники, ни времени. Все делается в период ОЗЦ.

3. Способ позволяет сократить время ОЗЦ. Так, в примере ОЗЦ равно 2 ч 30 мин. По предлагаемому способу ОЗЦ равно 2 ч и после этого можно проводить другие работы: оборудование устья и т.д.

Способ принят для внедрения в нефтегазоразведочных экспедициях предприятия "Полтаванефтегазгеология".

Использование: при креплении скважин и может найти применение в нефтегазодобывающей промышленности. Сущность изобретения: после посадки разделительной пробки на упорное кольцо и получения давления-стоп при окончании продавки цементного раствора в затрубное пространство давление в обсадной колонне снижают. Его снижают до величины не меньше разности гидростатических давлений на забое скважины столбов цементного раствора и продавочной жидкости. Под избыточным давлением обсадную колонну выдерживают не меньше времени начала схватывания, но не больше 2/3 периода схватывания цементного раствора. Это предотвращает изгиб нижней части обсадной колонны во время ожидания затвердевания цемента и улучшает качество крепления скважин.

Способ крепления скважины путем спуска в нее обсадной колонны, закачки в затрубное пространство цементного раствора, создания в обсадной колонне избыточного давления и ожидания затвердевания цементного раствора (ОЗЦ), отличающийся тем, что после посадки разделительной пробки на упорное кольцо и получения давления-стоп избыточное давление в обсадной колонне снижают до величины не меньше разности гидростатических давлений на забое скважины столбов цементного раствора и продавочной жидкости, и под избыточным давлением обсадную колонну выдерживают период не меньше времени начала схватывания, но не больше 2/3 периода схватывания цементного раствора.