Способ тампонирования обсадной колонны в скважине Российский патент 2004 года по МПК E21B33/13 

Изобретение относится к области скважинной разработки месторождений пластовых флюидов и может быть использовано при сооружении скважин.

Известен способ тампонирования обсадной колонны в скважине, включающий спуск обсадной колонны в скважину после бурения ее до проектной глубины и замену бурового раствора в заколонном пространстве на цементный раствор путем прокачки его через низ обсадной колонны с последующей выдержкой времени на затвердевание цементного раствора (1).

Недостатком этого способа является невозможность его использования при тампонировании обсадных колонн с подъемом цементного раствора на большую высоту, поскольку это может привести к гидроразрыву пластов из-за создаваемых больших забойных давлений в процессе тампонирования обсадных колонн.

Известен способ герметизации обсадных колонн, при реализации которого в качестве тампонирующего материала используется глинистый раствор с гранулами глины с водозащитными свойствами на время заполнения заколонного пространства тампонирующим материалом (2).

Однако данный способ тампонирования обсадных колонн не может быть использован при тампонировании глубоких скважин, поскольку при задавливании глинистого раствора с гранулами глины в затрубное пространство могут возникнуть технологические осложднения, например, в результате скопления гранул глины на забое скважины, кроме того, даже в случае успешного закачивания тампонажного материала в заколонное пространство может произойти скопление гранул глины главным образом в нижней части заколонного пространства, в результате чего будет производится тампонирование обсадной колонны только в нижней ее части, а в верхней части в заколонном пространстве может оказаться глинистый раствор с содержанием глины, недостаточным для надежного тампонирования вскрываемых пластов горных пород.

Наиболее близким к описываемому способу является так называемый способ ступенчатого тампонирования обсадной колонны, заключающийся в спуске обсадной колонны с установленной на ней муфтой ступенчатого цементирования (МСЦ), тампонировании заколонного пространства первоначально от низа обсадной колонны до МСЦ, затем, после интервала времени, необходимого для затвердевания первой порции цементного раствора, тампонировании заколонного пространства выше места установки МСЦ путем продавливания через ее отверстия второй порции цементного раствора. При этом после продавливания второй порции цементного раствора отверстия МСЦ закрывают, а для изоляции колонного пространства от заколонного пространства в нижней части обсадной колонны используют иногда заколонные пакеры (3).

Однако этот способ тампонирования, как и другие способы, использующие цементные растворы в качестве тампонажного вещества, не обеспечивает герметичности заколонного пространства в процессе эксплуатации скважины, поскольку в результате подвижек обсадной колонны и окружающих горных пород относительно друг друга, которые неизбежны из-за техногенных процессов, происходит растрескивание цементного камня.

Задачей данного изобретения является повышение надежности тампонирования обсадной колонны в скважине.

Поставленная задача достигается тем, что при реализации способа тампонирования обсадной колонны в скважине, включающего спуск в скважину обсадной колонны с установленными на ней запорно-перепускными устройствами (ЗПУ), последовательное закачивание и продавливание в заколонное пространство первой порции тампонажного вещества через низ обсадной колонны и последующих порций с интервалом времени через отверстия ЗПУ, начиная с нижнего ЗПУ, изоляцию колонного пространства от заколонного в нижней части обсадной колонны и закрытие отверстий ЗПУ после продавливания через них порций тампонажного вещества в заколонное пространство, согласно изобретению в качестве тампонажного вещества используют глинистый раствор, интервал времени между процессами закачивания порций тампонажного вещества принимают равным времени седиментации глины из тампонажного глинистого раствора в заколонном пространстве каждой предыдущей порции, а глубину установки ЗПУ определяют в зависимости от допустимых давлений в заколонном пространстве и концентрации выбранного тампонажного глинистого раствора. Кроме того, через верхнее ЗПУ закачивают в заколонное пространство до устья скважины цементный раствор, а в тампонажный глинистый раствор добавляют деструктурообразователь и в гранулах с водозащитными свойствами пептизаторы, причем время действия водозащитных свойств гранул создают не менее времени закачивания порций тампонажного глинистого раствора в скважину, продавливания его в заколонное пространство и седиментации из него глины с гранулами.

На фиг. 1, 2 представлены результаты исследований при использовании глинистого раствора в качестве тампонажного вещества: фиг. 1 - зависимость пластической вязкости (η), динамического напряжения сдвига (τ) и перепада давления (ΔР), необходимого для прокачивания тампонажного глинистого раствора в кольцевом пространстве от концентрации глины (К) в растворе; фиг. 2 - зависимость максимального давления в кольцевом пространстве (G) от высоты подъема тампонажного глинистого раствора (h) при глубине его подачи в кольцевое пространство L= 2000 м.

Сущность изобретения заключается в следующем.

После бурения скважины до проектной глубины и проведения необходимых подготовительных работ со стволом скважины в последнюю спускают обсадную колонну, оснащенную необходимым числом и на расчетных расстояниях ЗПУ. После спуска обсадной колонны приступают к тампонированию ее заколонного пространства. Первоначально через низ колонии в затрубное пространство прокачивают первую порцию тампонажного глинистого раствора, после чего изолируют трубное пространство от затрубного путем приведения в рабочее состояние заколонного пакера, установленного на колонне в нижней части, или путем прокачки вслед за порцией тампонажного глинистого раствора цементного раствора с расчетом подъема его в заколонном пространстве примерно на высоту одной трубы (прибашмачное цементирование). В случае тампонирования обсадной колонны, спускаемой до подошвы продуктивного пласта, цементный раствор в затрубном пространстве поднимают до уровня кровли продуктивного пласта.

По истечении интервала времени, необходимого для седиментации глины из закаченной порции тампонажного глинистого раствора, производится закачка в скважину и продавливание в заколонное пространство следующей порции тампонажного глинистого раствора через отверстия ЗПУ, устанавливаемого на расстоянии от низа колонны, равном высоте осадка глины из первой порции тампонажного глинистого раствора. После подачи в заколонное пространство второй порции тампонажного глинистого раствора отверстия ЗПУ закрывают и выдерживают время, необходимое для седиментации глины из данной порции тампонажного глинистого раствора. Далее в такой же последовательности производится замещение бурового раствора и водного отстоя из предыдущей порции тампонажного глинистого раствора в заколонном пространстве на следующую порцию тампонажного глинистого раствора через отверстия выше расположенного ЗПУ. При этом компоновка обсадной колонны выполняется таким образом, чтобы расстояния между i-ым и i+1-ым ЗПУ были равны величине осадка глины из i-той порции тампонажного глинистого раствора.

Для определения расстояний между ЗПУ проводят следующие предварительные исследования.

Известно, что при увеличении содержания глины в глинистом растворе растет его вязкость, а значит и необходимое давление для его продавливания в заколонное пространство при использовании в качестве тампонирующего вещества. Поэтому проводят исследования зависимости реологических свойств, используемого для тампонирования глинистого раствора от концентрации в нем глины, по которьм определяют необходимые перепады давления для прокачивания таких растворов в заколонное пространство. Исходя из технических возможностей (мощность насосных агрегатов, пределы прочности труб) и геологических условий (давление гидроразрыва пластов, наличие высокопроницаемых пластов в интервале горных пород, обсаживаемых колонной и др.) выбирают приемлемую концентрацию глины для каждой порции тампонажного глинистого раствора, по которой определяют высоту седиментационного осадка глины и расстояния между ЗПУ по формуле

где Li - глубина установки i-того ЗПУ (начиная с низа), м;

Н - длина обсадной колонны, м;

hoc.i - высота осадка глины из тампонажного глинистого раствора i-той порции в заколонном пространстве, м.

Если время осадки глины из тампонажного глинистого раствора значительно, то для ускорения этого процесса в раствор могут быть добавлены деструктурообразователи (коагулянты) - соли двух- и трехвалентных металлов (Са²⁺ , Mg²⁺ , Fe³⁺ и др.), в присутствии которых возникает электромагнитная коагуляция частичек глины. А при возникновении повышенных требований к изоляционньм свойствам глинистого осадка в тампонажный глинистый раствор добавляют в гранулах (ампулах) с водозащитными свойствами вещества с диспергирующими катионами, которые способствуют пептизации глины, за счет чего возрастает пластичность, липкость, набухание глины, снижается ее водопроницаемость. В качестве пептизаторов могут быть использованы щелочи (NaOH, KaOH, NH ОН и др.). При этом время действия водозащитных свойств гранул создают (например, путем покрытия их пленками трудно растворимых в воде веществ) не менее времени закачивания порций тампонажного глинистого раствора в скважину, продавливания его в заколонное пространство и седиментации из него глины с гранулами.

Для повышения устойчивости приустьевой части обсадной колонны верхняя ее часть через последнее (верхнее) ЗПУ может быть затампонирована цементным раствором.

Пример реализации способа.

Необходимо затампонировать обсадную колонну с внешним диаметром d_h= 0,168 м, длиной L = 2000 м в скважине диаметром d_c = 0,214 м. В качестве тампонирующего вещества используем глинистый раствор, приготовленный из глины, предварительно высушенной и измельченной.

Были проведены исследования реологических свойств глинистого раствора с различными концентрациями в нем глины. В результате исследований получены зависимости пластической вязкости (η), динамического напряжения сдвига (τ) и перепада давления (ΔР), необходимого для прокачивания глинистого раствора в кольцевом пространстве скважины на высоту 1 м, в зависимости от концентрации глины в растворе (К) (фиг.1). Перепад давления рассчитывался по известной формуле

где р - безразмерное напряжение сдвига, определяемое по графической зависимости от параметра Сен-Венана (S), который в свою очередь определяется по формуле

где Fк = π(Dc²-Dк²)/4,

Q - темп прокачки раствора, м³/с;

η - пластическая вязкость раствора, Па·с.

В расчетах принималось Q = 0,002 м³/с.

Для упрощения расчетов пренебрегаем потерями давления на движение бурового раствора в кольцевом затрубном пространстве выше тампонажного глинистого раствора и в трубном пространстве (буровой раствор используется для продавки порций тампонажного глинистого раствора в кольцевое пространство).

По геологическим причинам давление в затрубном (заколонном) пространстве по всему разрезу скважины не должно превышать 3-х гидростатических давлений. Это условие можно записать в виде следующего уравнения:

где ρ_гл.р., ρ_б.р. - относительный удельный вес (по отношению к воде) тампонажного глинистого раствора и бурового раствора, соответственно;

L - глубина подачи тампонажного глинистого раствора в затрубное пространство;

h - высота подъема тампонажного глинистого раствора в затрубном пространстве;

ΔР - перепад давления, определяемый по формуле (2);

100 - переводной коэффициент.

На фиг. 2 представлены результаты расчетов максимальных давлений (G), создаваемых в кольцевом пространстве при продавливании тампонажного глинистого раствора в зависимости от высоты его подъема в кольцевом пространстве (h) для концентраций глины в растворе 50% (ρ_гл.р.⁼ 1,8), 60%(ρ_гл.р. = 1,96) и 70% (ρ_гл.р.⁼ 2,12), при этом принимали ρ_б.р. = 1,1, а ΔР определяли по графику на фиг.1. Расчет G проведен по видоизмененной формуле (4)

Из результатов проведенных расчетов видно, что для исследованной глины для наших условий наиболее приемлемой является концентрация 50 мас.%, при этом допустимый подъем тампонажного глинистого раствора (первой порции) в заколонном пространстве составляет 1000 м.

Исследования показали, что седиментация глины из раствора с такой концентрацией происходит в течение суток и высота осадка глины составляет 70% от первоначального объема раствора. Значит глубина установки 1-го ЗПУ составит L₁= 2000 - 0,7 . 1000 = 1300 м.

Решаем уравнение (4) относительно h и определяем допустимую высоту подъема второй порции тампонажного глинистого раствора (с такими же свойствами, как у первой порции) в затрубном пространстве

Принимаем h = 650 м, тогда глубина установки второго ЗПУ составит

Аналогично определяем глубины установки остальных ЗПУ

Объемы порций тампонажного глинистого раствора (Vi) определяются умножением площади кольцевого затрубного пространства (fk) на высоту подъема раствора (h):

В нашем примере V₁ = 13,8 м³, V₂ = 9,1 м³, V₃ = 6 м³, V₄ = 5,2 м³, V₅= 2 м³, V₆=1,3 м³, V₇=0,53 м³.

Концентрация создаваемого глинистого седиментационного осадка в затрубном пространстве в нашем примере составит около 70% массовых. Для такой концентрации перепад давления, необходимый для прокачивания раствора в кольцевом пространстве на высоту 1 м, составляет около 0,5 МПа/м (см. фиг.1), при глубине спуска обсадной колонны 2000 м общий перепад давления составит 1000 МПа. Такова тампонирующая способность создаваемого в затрубном пространстве осадка глины из глинистого раствора.

Описываемое техническое решение позволяет при помощи известных технологических операций и средств осуществлять надежное тампонирование обсадной колонны, поскольку при проявлении техногенных процессов во время эксплуатации скважины не нарушается герметичность заколонного пространства, т.к. у тампонирующего материала нет жесткой связи с окружающими горными породами и обсадными трубами, в нем не могут образовываться флюидопроводящие трещины, а обсадная колонна и окружающие горные породы могут совершать некоторые относительные перемещения.

Литература

1. Середа Н.Г., Соловьев Е.М. Бурение нефтяных и газовых скважин. - М.: Недра, 1981, с.264-268.

2. Патент РФ N 2046926 "Способ герметизации обсадных колонн в скважинах", приоритет от 29.04.1991 г.

3. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению. Т.2. - М.: Недра, 1973, с.52-55.

Изобретение относится к области скважинной разработки месторождений пластовых флюидов и может быть использовано при сооружении скважин. Обеспечивает повышение надежности тампонирования обсадной колонны в скважине. Сущность изобретения: спускают в скважину обсадную колонну с установленными на ней запорно-перепускными устройствами – ЗПУ. Последовательно закачивают в скважину и продавливают в заколонное пространство первую порцию тампонажного вещества через низ обсадной колонны и последующие порции с интервалом времени через отверстия ЗПУ, начиная с нижнего ЗПУ. Изолируют колонное пространство от заколонного в нижней части обсадной колонны. Закрывают отверстия ЗПУ после продавливания через них порций тампонажного вещества в заколонное пространство. Согласно изобретению в качестве тампонажного вещества используют глинистый раствор. Интервал времени между процессами закачивания порций глинистого раствора принимают равным времени седиментации глины из ее раствора в заколонном пространстве каждой предыдущей порции. Глубину установки каждого ЗПУ определяют по верхней границе седиментационного осадка глины из соответствующей порции глинистого раствора в заколонном пространстве. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ тампонирования обсадной колонны в скважине, включающий спуск в скважину обсадной колонны с установленными на ней запорно-перепускными устройствами - ЗПУ, последовательное закачивание в скважину и продавливание в заколонное пространство первой порции тампонажного вещества через низ обсадной колонны и последующих порций с интервалом времени через отверстия ЗПУ, начиная с нижнего ЗПУ, изоляцию колонного пространства от заколонного в нижней части обсадной колонны и закрытие отверстий ЗПУ после продавливания через них порций тампонажного вещества в заколонное пространство,отличающийся тем, что в качестве тампонажного вещества используют глинистый раствор, интервал времени между процессами закачивания порций глинистого раствора принимают равным времени седиментации глины из ее раствора в заколонном пространстве каждой предыдущей порции, а глубину установки каждого ЗПУ определяют по верхней границе седиментационного осадка глины из соответствующей порции глинистого раствора в заколонном пространстве.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что через верхнее ЗПУ закачивают в заколонное пространство до устья скважины цементный раствор.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в глинистый раствор добавляют деструктурообразователь.4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что в глинистый раствор добавляют в гранулах с водозащитными свойствами пептизаторы, причем время действия водозащитных свойств создают не менее времени закачивания порций глинистого раствора в скважину, продавливания его в заколонное пространство и седиментации из него глины с гранулами.