СПОСОБ СОЗДАНИЯ МЕЖПЛАСТОВЫХ ИЗОЛЯЦИОННЫХ ПЕРЕМЫЧЕК В ЗАКОЛОННОМ ПРОСТРАНСТВЕ СКВАЖИН Российский патент 2003 года по МПК E21B33/13 

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам воздействия на техническое состояние тампонажного раствора в заколонном пространстве скважины.

Известен способ крепления нефтегазовой скважины путем обработки термоакустическим полем тампонажного раствора, закачанного в заколонное пространство (за колонну обсадных труб) [1].

В данном способе в заколонное пространство скважины закачивают тампонажный раствор с добавками, повышающими его упругопластичные свойства, с учетом фильтрационно-емкостных характеристик пластов. В интервале глинистых перемычек между газоносными и водоносными пластами тампонажный раствор через обсадную колонну локально обрабатывают термоакустическим полем в диапазоне частот 10-100 кГц с интенсивностью 0,2-0,5 Вт/см². Для этого вместе с цементировочной пробкой в скважину спускают глубинный термоакустический преобразователь, который, после окончания прокачки тампонажного раствора, устанавливают в необходимом интервале пласта и задают режим обработки. Применение способа позволяет улучшить межпластовую изоляцию путем создания перемычки из твердеющего тампонажного раствора, когда основная масса остается в жидком состоянии.

Данный способ имеет ряд недостатков. Так как обработка акустическим полем производится локально, применение специальных добавок к тампонажному раствору может отрицательно влиять на его сроки схватывания и набор прочности в интервалах заколонного пространства, не подвергаемых вышеописанной обработке. Ухудшаются их изоляционные свойства, при этом не контролируется соответствие по глубинам фактически обработанных интервалов заданным.

Основным недостатком способа акустической обработки является невозможность достижения достаточно высокой температуры тампонажного раствора в обрабатываемом интервале заколонного пространства, обеспечивающей сокращение сроков твердения и набора прочности, а следовательно, и создания непроницаемой перемычки.

Известен способ повышения проницаемости пласта за счет образования трещин путем создания давления и температуры при прогреве скважины сжиганием пороховых генераторов в заданном интервале дискретно в течение малого промежутка времени (1-30 с) [2].

Недостатком данного способа является то, что преследуется цель разрушения пласта, а не создание перемычки, а дискретность периодов колебаний предлагаемого способа 1-30 с не обеспечивает равномерного прогрева тампонажного раствора течение 2-3 часов. При разрушении цементного камня и породы не будет герметичной перемычки и появятся перетоки между пластами.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ предотвращения газоводонефтепроявлений и межпластовых перетоков в заколонном пространстве скважины [3], принятый за прототип.

В известном способе, в заколонном пространстве тампонажный раствор подвергается прогреву при повышении фоновых значений температуры для данных глубин на 30-60^oС, при пульсирующем давлении, затухающем во времени, частоте и амплитуде. Образование изоляционной перемычки контролируется по результатам термоакустических измерений в период ОЗЦ.

Недостатками известного способа является:
- во-первых, то, что величина нагрева тампонажного раствора с превышением на 30-60^oС над фоновой не достаточна при использовании шлаковых цементов типа ШПЦС, УШЦ и т.п. Для этих типов цементов превышение может составлять 150-200^oС и более, в то время, как в условиях низких температур, близких к отрицательным, например, многолетнемерзлым породам (ММП) достаточно для создания изоляционной перемычки обеспечить превышение на 10-20^oС;
- во-вторых, время сгорания твердотопливного генератора, необходимое для обеспечения заданной температуры незначительно и составляет всего несколько десятков секунд. При этом, с достаточным для инженерных расчетов приближением, можно считать, что внутри колонны при сгорании полученное количество тепла выделяется почти мгновенно. Нагрев цементной массы в поперечном сечении скважины в интервале формирования изоляционной перемычки происходит неравномерно;
- в третьих, в известном способе не регламентируется время начала нагрева.

Максимальный нагрев будет в зоне размещения тампонажного раствора, близко расположенного к трубам, а минимальный - на границе тампонажного раствора с породой. Повышение температуры в наиболее удаленной от колонны труб части тампонажного раствора может оказаться недостаточным для ускоренного формирования изоляционной перемычки. Данный способ не учитывает процесс неравномерного нагрева затрубного пространства.

Исследованиями Ю. С. Малинина, Лерча, Пауэрса и др. подтверждается, что происходит замедление процессов гидратации и химических реакций при взаимодействии цемента с водой. Для портландцемента это происходит во 2-ой - 4-ый час после затворения. Этот период называют индукционным, или при делении времени начального твердения цементного раствора на четыре периода, относят ко второму периоду [6].

Повышение температуры тампонажного раствора с помощью внешнего источника, осуществленное в начале индукционного периода, сокращает продолжительность этого периода, уменьшая вероятность прорыва флюидов через твердеющую массу тампонажного раствора.

Нагрев тампонажного раствора, осуществленный в более ранний срок, например, в первой стадии - в течение 1-2 часов от начала затворения - ускорит наступление индукционного периода, но не сократит его, а в более поздний, третий период, характеризующийся ростом прочности системы, могут произойти процессы образования каналов и межпластовых перетоков.

Время начала - конца второго периода начального твердения тампонажного раствора определяется в лабораторных условиях по кривой тепловыделения. Характерна также кривая, иллюстрирующая рост предельного напряжения сдвига, измеряемая коническим пластометром либо консистометром [6].

Целью изобретения является повышение эффективности изоляции межколонного пространства за счет ускоренного формирования изолирующих перемычек из тампонажного раствора по всему поперечному сечению затрубного пространства в индукционный период до начала твердения основной массы тампонажного раствора.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе создания межпластовых изоляционных перемычек в заколонном пространстве скважин, включающем закачку в заколонное пространство тампонажного раствора, его обработку пульсирующим давлением и температурой при дискретном сжигании пороховых генераторов, согласно изобретению сжигание пороховых генераторов осуществляют с разрывом во времени 15 минут, нагревание осуществляют в начале индукционного периода твердения тампонажного раствора с превышением фоновых значений на 10-230^oС.

При этом время начала нагрева определяют по интенсивности тепловыделения при подборе рецептуры тампонажного раствора.

Время прогрева должно удовлетворять и условию прогрева тампонажного раствора, как у стенки обсадной трубы, так и у стенки скважины.

Изменение температуры тампонажного раствора во времени в зависимости от расстояния до оси скважины можно получить из уравнения теплопроводности для плоскорадиального случая (1) [4].

где ΔT - изменение температуры относительно фоновой, ^oС;
Т₀ - температура среды (фоновая), ^oС;
Т - конечная температура нагрева, ^oС;
Q₀ - выделенное количество тепла при сгорании пороховых генераторов, Дж;
t - время распространения тепла для прогрева, с;
r - расстояние фронта прогрева до оси, м;
λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м•град;
χ - коэффициент температуропроводности, м²/с;
h - интервал воздействия порохового генератора, внутри которого можно пренебречь концевыми эффектами и переносом тепла вдоль оси, м.

где d_скв.; D_т.н.; D_т.вн. - диаметры скважины и обсадной трубы (наружный и внутренний), м;
λ; λ_ст; λ_ц.р - коэффициенты теплопроводности оболочки, стали и тампонажного раствора;
χ; χ_ст; χ_ц.р - коэффициенты температуропроводности оболочки, стали и тампонажного раствора.

Оболочка двухслойная: из стали (обсадная труба) и тампонажного раствора.

Пример. В скважине на глубине 1260 м (кровля) находится водяной горизонт с пластовым давлением Р_пл. ^в=14,5•10⁶ Па.

В интервале 1220-1255 м находится газовый горизонт с пластовым давлением Р_пл. ^г= 8•10⁶ Па. При цементировании колонны, в т.ч. и с применением пакеров, нередко происходит прорыв воды из водяного горизонта, имеющего аномально высокое давление (АВПД) в газовый, имеющий аномально низкое давление (АНПД), т. к. градиент перепада давления между этими пластами составляет 1,3•10⁶ Па/м.

Динамическая температура в скважине на глубине 1260 м составляет 25^oС во время цементирования.

Анализом тампонажного раствора в лаборатории определено, что индукционный период твердения раствора находится в пределах от 4 до 7 часов от времени начала затворения.

При повышении температуры на 100^oС за счет интенсивного нагрева активный набор прочности начнется через 1 час 10 мин.

Интервал между кровлей водяного и подошвой газового горизонта, в котором следует создать изоляционную перемычку, составляет 5 м (1255-1260 м).

Диаметр скважины Д_скв.=0,220 м, наружный диаметр труб Д_н=0,168 м, используется пороховой генератор, например АДС-200У, выделяющий при сгорании 4,186•10⁶Дж/кг или 1000 ккал/кг [5].

На фиг.1 показана динамика изменения температуры во времени при дискретном и одноразовом сжигании порохового генератора в сечении r=0,084 или на границе обсадная труба - тампонажный раствор. Кривые 1,2,3 - дискретные нагревы мощностью по 7000 ккал каждый, произведенные один за другим через 15 минут в заданном интервале 1260-1255 м. Расчет выполнен с помощью уравнений, приведенных выше[3]. Кривая 4 - суммарная температура, полученная от сжигания 3-х генераторов общей мощностью 21000 ккaл (21x4,186x10⁶Дж). Кривая 5 - изменение температуры в скважине при сжигании генератора мощностью 21000 ккал в один прием.

Как видно из фиг. 1, при сжигании пороховых генераторов дискретно на одной и той же глубине температура повысилась максимально на 103^oС, а при одноразовом сжигании генератора той же мощности лишь на 51^oС за счет того, что при одноразовом сжигании выделяющиеся при сгорании пороховые газы размещаются в большем по мощности интервале внутри колонны обсадных труб, т.е. объемная плотность теплового потока существенно уменьшается.

На фиг.2 показано изменение температуры в скважине в поперечных сечениях от обсадной трубы (r=0,084 м) до границы раствора со скважиной (r=0,1075 м) через 3 часа после дискретной работы генератора мощностью 7000 ккал + 7000 ккал + 7000 ккал=21000 ккал (1) и при сжигании 21000 ккал одноразово (2).

При дискретной работе порохового генератора через 3 часа после сжигания температура на границе с обсадной трубой увеличилась на 86^oС, на границе с породой (r= 0,1075 м) - 82^oС, в то время, как при одноразовой работе порохового генератора соответственно - на 40^oС и 29^oС.

При необходимости за счет дискретного использования порохового генератора стабильно высокую температуру можно поддерживать продолжительное время (фиг.3).

Таким образом, в результате проведения анализа тампонажного раствора в лаборатории при подборе рецептуры определяется необходимое повышение температуры для опережающего формирования прочной изоляционной перемычки. Используя приведенные расчеты или графики, определяется мощность порохового генератора с разделением его на части с необходимым разрывом во времени при использовании (сжигании) каждой части генератора, обеспечивается наиболее эффективный режим создания изоляционных перемычек.

Использование предлагаемого изобретения позволит создать изоляционные перемычки до твердения основной массы тампонажной смеси в заколонном пространстве скважин, обеспечить набор прочности изоляционных перемычек в интервалах заколонного пространства и предупредить межпластовые перетоки.

Источники информации
1. А.с. 5743523, класс Е 21 В 33/14, опубликованное 25.09.1977.

2. Патент РФ 17115116, класс Е 21 В 43/25, опубликованный 27.08.1995.

3. Патент РФ 2061169, класс Е 21 В 33/13, опубликованный 27.05.1996.

4. Тихонов А.Н. и др. Уравнения математической физики, М.: Наука, Физматподготовка, 1958 г.

5. Инструкция по применению пороховых генераторов ПГД-БК в скважинах, Москва, ВИЭМС, 1989 г.

6. Волженский А.В. и др. Минеральные вяжущие вещества, М.: Стройиздат, 1979 г.

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам воздействия на техническое состояние тампонажного раствора в заколонном пространстве скважины. Обеспечивает повышение эффективности изоляции межколонного пространства за счет ускоренного формирования изолирующих перемычек из тампонажного раствора по всему поперечному сечению затрубного пространства в индукционный период до начала твердения основной массы тампонажного раствора. Сущность изобретения: закачивают в заколонное пространство тампонажный раствор. Его обрабатывают пульсирующим давлением и температурой при дискретном сжигании пороховых генераторов. Пороховые генераторы сжигают с разрывом во времени 15 мин. Нагревание осуществляют в начале индукционного периода твердения тампонажного раствора с превышением фоновых значений на 10-230^o. Время нагрева определяют по интенсивности тепловыделения при подборе рецептуры тампонажного раствора. 3 ил.

Способ создания межпластовых изоляционных перемычек в заколонном пространстве скважин, включающий закачку в заколонное пространство тампонажного раствора, его обработку пульсирующим давлением и температурой при дискретном сжигании пороховых генераторов, отличающийся тем, что сжигание пороховых генераторов осуществляют с разрывом во времени 15 мин, нагревание осуществляют в начале индукционного периода твердения тампонажного раствора с превышением фоновых значений на 10-230^oС, время нагрева определяют по интенсивности тепловыделения при подборе рецептуры тампонажного раствора.