Способ ликвидации зоны поглощения в скважине (варианты) Российский патент 2004 года по МПК E21B33/13 

Изобретение относится к области бурения скважин в осложненных условиях, а именно к способам ликвидации зон поглощений любых видов, в том числе и катастрофических, и может быть использовано в условиях наличия в разрезе пород различной прочности, независимо от конфигурации ствола скважины.

Известен способ цементирования обсадной колонны труб в скважине с катастрофическим поглощением, согласно которому производят цементирование нижней части обсадной колонны цементным раствором до зоны поглощения и последующее цементирование верхней части обсадной колонны над зоной поглощения путем подачи тампонажного материала в заколонное пространство с устья, причем в качестве указанного тампонажного материала применяют сухой порошкообразный тампонажный цемент, а его подачу осуществляют с помощью сжатого воздуха с одновременным воздействием на обсадную колонну колебаниями с частотой 2-5 Гц (см. з-ку на выдачу патента РФ №95112370, кл. Е 21 В 33/14, от 1995 г.).

Недостатком указанного известного способа является то, что при наличии двух или нескольких зон поглощений неизбежно будет усложняться конструкция скважины.

Также известен способ цементирования в поглощающих скважинах, сущность которого заключается в последовательной закачке в скважину тампонирующей смеси и двухкомпонентной системы в виде жидкости и газа, продавке смеси в пласт, в последующем стравливании газа на устье из условия получения давления в скважине не более пластового давления и повторении цикла продавки - стравливания (см. патент РФ №2010949, кл. Е 21 В 33/14, от 1990 г.).

Однако указанный известный способ не обеспечивает качественную ликвидацию зон поглощений, так как обязательным условием для его применения является наличие условий для надежной пакеровки, что не всегда обеспечивается по геологическим причинам (низкая прочность пород, кавернообразование и т.п.).

Кроме того, сам пакер является относительно сложным техническим устройством, при работе с которым возникают отказы.

Известен способ тампонирования скважин пенопластом, включающий нагнетание и последующее продавливание продавочной жидкостью в зону тампонирования отверждающейся газожидкостной смеси на основе карбамидоформальдегидной смолы, причем эти операции заканчивают перед началом интенсивного отверждения и деформационного разупрочнения тампонирующей смеси, и вместе с этим отверждающуюся газожидкостную смесь в зоне тампонирования подвергают воздействию сжимающими нагрузками в интервале максимума восстановления ее объема, определяемом по кривой кинетики ее упругости, и пропитывают раствором эластичного полимера при помощи столба продавочной жидкости, нижняя часть которого состоит из водного раствора полимера, причем сжатие смеси производят до уменьшения ее объема на 30-80%, а после приложения нагрузки смесь выдерживают до максимального восстановления ее первоначального объема, предшествующего сжатию, путем удаления части продавочной жидкости из скважины (см. авт. свид. СССР №1244290, кл. Е 21 В 33/13, от 1984 г.).

Недостатком указанного известного способа является сложный химический состав и технология применения. Обязательньм условием для применения известного способа является герметичность ствола скважины при давлении сжатия смеси для уменьшения ее объема на 30-80%, что требует применения сложного технологического оборудования. При этом известный способ невозможно использовать в скважинах с неустойчивыми породами малой прочности.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по назначению является способ тампонирования скважины отверждающимися газожидкостньми смесями, согласно которому производят нагнетание в скважину газожидкостной смеси, содержащей смолу, пенообразователь, воду и воздух, и отвердителя с последующим их продавливанием до начала интенсивного отверждения и деформационного разупрочнения газожидкостной смеси, при этом нагнетание газа и отвердителя осуществляют с учетом прироста температуры от адиабатического сжатия воздушной фазы при давлении нагнетания и продавливания (см. авт. свид. СССР №1402661, кл. Е 21 В 33/13, от 1986г.).

Технологически осуществление известного способа производится следующим образом.

Отверждаемый тампонирующий состав на основе смолы смешивают с воздухом путем их раздельно-одновременной подачи в зону смешивания - емкость, связанную с колонной скважинных труб, нижний конец которой размещен в интервале зоны поглощения. Далее полученную смесь закачивают в скважину через колонну бурильных труб, на конце которой обязательно должен быть смонтирован пакер. Последующей продавкой эту смесь из бурильных труб размещают в зоне поглощения. Затем производят разгерметизацию затрубного пространства путем открытия пакера.

Однако указанный известный способ не обеспечивает высокое качество тампонирования зон поглощений, особенно катастрофических, так как в данном случае образование газотампонирующей смеси происходит в нерегулируемых адиабатических условиях, и есть вероятность, что этот состав может быть доставлен в зону поглощения расслоенным или неоднородньм с газовыми пробками, что приводит к образованию некачественных участков тампонажа в зоне поглощения. Это, в свою очередь, может вновь привести к осложнению при последующем бурении.

Кроме того, технологическая необходимость установки пакера при осуществлении известного способа делает возможным его использование лишь в скважинах, сложенных устойчивыми породами. Если же в разрезе присутствуют неустойчивые породы и конфигурация сечения ствола скважины существенно отличается от формы окружности, то установка пакера в этих условиях неэффективна, а значит и невозможно произвести тампонирование зон поглощений в таких скважинах указанным известным способом.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении качества тампонирования любых видов поглощений, в том числе и катастрофических, в условиях наличия в разрезе пород различной прочности, независимо от конфигурации (формы) ствола скважины за счет обеспечения однородности доставляемой в интервал поглощения газотампонирующей смеси путем транспортировки ее в заданных адиабатических условиях и последующего восстановления ее объема в зоне поглощения до максимально возможного в данных термобарических условиях суммарного первоначального объема смешиваемых компонентов.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в известном способе ликвидации зоны поглощения в скважине, включающем размещение в скважине трубы, нижний конец которой установлен в интервале зоны поглощения, раздельно-одновременную подачу отверждаемого тампонирующего состава и газа в зону смешивания, связанную с верхним концом трубы, последующую закачку в скважину через трубу полученной газотампонирующей смеси и размещение этой смеси в зоне поглощения, предлагается по первому варианту при давлении в интервале расположения зоны поглощения, находящемся в одном порядке с атмосферным, закачку газотампонирующей смеси в скважину осуществлять через трубу, нижний и верхний концы которой имеют уменьшенное проходное сечение, для растворения газа в тампонирующем составе, доставки в однородном состоянии газотампонирующей смеси к зоне поглощения и увеличения объема этой смеси в зоне поглощения; по второму варианту при давлении в интервале расположения зоны поглощения, соизмеримом с давлением в этой трубе при закачке, т.е. в десятки и более раз превышающем атмосферное, закачку газотампонирующей смеси в скважину осуществлять через трубу, верхний конец которой имеет уменьшенное проходное сечение, для растворения газа в тампонирующем составе, доставки в однородном состоянии газотампонирующей смеси к зоне поглощения и увеличения объема этой смеси в зоне поглощения.

При реализации заявленного технического решения по обоим вариантам в качестве отверждаемого тампонирующего состава может быть использован любой состав, смесь которого с газом способна отверждаться. Это могут быть, например, цементные растворы; составы на основе смол, полиуретанов и другие отверждаемые пенообразующие составы.

Указанный выше технический результат достигается благодаря следующему. Расчетное количество отверждаемого тампонирующего состава и расчетное количество газа раздельно и одновременно подают в зону смешивания, например в герметичную емкость, где происходит их смешивание при расчетном давлении. Герметичная емкость связана с верхним концом размещенной в скважине трубы, нижний конец которой установлен в интервале зоны поглощения. Полученную в результате смешивания газотампонирующую смесь закачивают в скважину через трубу (бурильные или насосно-компрессорные трубы - НКТ), которая на входе и выходе имеет уменьшенное проходное сечение (например, на обоих концах установлены штуцирующие элементы расчетного сечения или дроссели). Благодаря этому закачиваемая газотампонирующая смесь из зоны смешивания попадает в своеобразную камеру-трубу, в которой изобарические условия способствуют более интенсивному растворению газа в смеси, которая в таком однородном состоянии доставляется к месту тампонирования. При выходе смеси из труб давление снижается до определенной величины, определяемой величиной давления в зоне поглощения, при этом происходит интенсивное расширение газовых пузырьков и соответственно увеличение объема газотампонирующей смеси до первоначального объема, которая впоследствии отверждается и образует непроницаемый экран.

При заполнении зоны поглощения газотампонирующей отверждаемой смесью давление в зоне поглощения снижается по сравнению с давлением в камере-трубе, в результате чего происходит расширение пузырьков газа и, соответственно увеличение всего объема смеси. Причем конечный объем газотампонирующей смеси в зоне поглощения после расширения пузырьков с достаточной для практики точностью поддается расчету при известных условиях образования смеси (V₁, P₁, T₁) в камере-трубе и условиях в месте установки газотампонирующего состава (V₂, P₂, Т₂) в зоне поглощения из уравнения основного газового закона:

P₁V₁/T₁Z₁=P₂V₂/T₂Z₂,

где Р - давление;

V - объем;

Т - температура;

Z - коэффициент сжимаемости.

Поскольку температуры, при которых происходит образование газотампонирующей смеси и расширение последней в зоне поглощения до конечного объема, являются сопоставимыми, а коэффициент сжимаемости Z приобретает существенное значение при давлениях, на два порядка превышающих атмосферные, с достаточной для практики точностью, конечный объем газотампонирующей смеси можно определить из выражения P₁V₁=P₂V₂, что и позволит закачать в зону поглощения точно определенное, заранее заданное количество газотампонирующей смеси.

Предлагаемый способ реализуется в промысловых условиях следующим образом.

Пример 1. При бурении одной из скважины Аптугайского месторождения Пермского Прикамья возник неконтролируемый уход бурового раствора. Исследования показали, что в интервале 97-100 м присутствует зона катастрофического поглощения.

Скважинный интервал над этой зоной представлен разупрочненными глинами. Уровень жидкости в скважине отсутствует. При этом давление и температура в зоне поглощения незначительно отличаются от условий на дневной поверхности. Расчетным путем было установлено, что для ликвидации этой зоны катастрофического поглощения требуется 21,2 м³ отверждаемого тампонирующего состава, состоящего из 8,4 м³ цементного раствора с добавками поверхностно-активного вещества и ускорителя схватывания CaCl₂, и 12,8 н.м³ воздуха (где “н” указывает, что этот объем имеет место быть при нормальных условиях) и с качеством пены, равным 0,6.

Цементный раствор и воздух раздельно-одновременно подаются в зону смешивания - емкость, представляющую собой закрытый объем, связанную с колонной бурильных труб. Нижний конец бурильных труб установлен в интервале зоны поглощения и оборудован штуцером с отверстием расчетного диаметра. Верхний конец бурильных труб, связанный с емкостью, также оборудован штуцером с отверстием такого же диаметра. В результате сформирована своеобразная камера-труба, ограниченная с двух сторон штуцерами.

Смесь цементного раствора и воздуха попадает в эту смесительную камеру-трубу, ограниченную с двух сторон штуцерами, расчетные диаметры которых таковы, что давление в этой камере создается порядка 20 атм при скорости закачки цементного состава 0,98 м³/мин и при интенсивности закачки воздуха 0,720 н.м³/мин для обеспечения качества пены 0,6. При этом общий объем смеси цементного раствора с воздухом в смесительной камере-трубе при 20 атм (при условии несжимаемости цементного раствора) составит V_ж+V_г, где V_ж - объем цементного раствора; V_г - объем воздуха, и V_г находится из уравнения P₁V₁=P_гV_г, откуда V_г=P₁V₁/ Р_г=1×12,8/20=0,64 м³, а, учитывая, что V_ж=8,4 м³, общий объем в камере-трубе при 20 атм составит 9,4 м³.

Таким образом, при закачке образовавшейся газотампонирующей смеси через камеру-трубу происходит уменьшение ее первоначального объема (с 21,2 м³ до 9,4 м³), что способствует более качественному смешению воздуха с цементным раствором и приданию однородности этой смеси. Далее эта смесь попадает в зону поглощения, в которой давление находится в одном порядке с атмосферным, а именно приблизительно равно атмосферному вследствие малой глубины залегания зоны и открытому затрубному пространству скважины. После закачки расчетного количества смеси цементного раствора и воздуха эту смесь продавливают водой или газом из бурильных труб в зону поглощения. При этом из сжатого состояния, в котором находилась газотампонирующая смесь в бурильных трубах, она попадает в зону, где давление значительно ниже, чем в камере-трубе, благодаря чему она увеличивает свой объем до возможного в данных термобарических условиях суммарного первоначального объема смешиваемых компонентов смеси, в данном случае до ~ 21,2 м³, которого достаточно для тампонирования указанной зоны катастрофического поглощения. Далее осуществляют выдержку газотампонирующей смеси для окончательного отверждения ее и формирования структуры. После чего осуществляют дальнейшие буровые работы на скважине. Зона катастрофического поглощения ликвидирована.

Пример 2. Производят тампонирование зоны поглощения в бурящейся скважине, характеризующейся следующими показателями:

- глубина скважины Н=100 м;

- в стволе скважины находится уровень жидкости на глубине 50 м (плотность жидкости составляет ρ≈1 г/см³);

- давление на глубине 100 м (в интервале зоны поглощения) составляет 5 атм; (Р=ρgH, где Р - давление; ρ - плотность; Н - глубина скважины; g - ускорение свободного падения);

- расчетный объем отверждаемого тампонирующего состава при качестве пены 0,6 для ликвидации зоны поглощения составляет 21,2 м³, состоящего из 8,4 м³ цементного состава и 60 н.м³ воздуха (при давлении в зоне поглощения 5 атм) для обеспечения качества пены 0,6, следовательно, интенсивность закачки воздуха для создания этого качества пены составляет 3,428 н.м³/мин при интенсивности закачки цементного раствора 0,48 м³/мин.

Смешивание цементного раствора и воздуха производится в емкости с закрытым объемом, выход емкости связан через штуцирующий узел с трубой, нижний конец которой установлен в интервале зоны поглощения и также оборудован штуцером.

Дальнейшие операции являются аналогичными операциям примера 1.

Пример 3. В случае, если давление в зоне поглощения в десятки и более раз превышает атмосферное, т.е. давление в интервале зоны поглощения соизмеримо с давлением в трубе при закачке, то для создания камеры-трубы с обеспечением повышенного в ней давления достаточно уменьшить проходное сечение трубы, например, штуцером или дросселем лишь на ее входе, а функцию штуцера на выходе трубы, расположенном в интервале зоны поглощения, выполняет высокое давление зоны поглощения.

Все операции и расчеты в этом случае идентичны операциям и расчетам примера 1.

Таким образом, благодаря техническим преимуществам предлагаемого способа, по сравнению с известными, будет обеспечено:

- ликвидация зоны поглощения, даже катастрофического, в один прием, вместо установки нескольких цементных мостов (как делается в настоящее время) с использованием наполнителей; время на ликвидацию осложнений по предлагаемому способу снизится в 3-5 раз;

- более полное замещение газотампонирующей смесью пустот и каналов в результате расширения, благодаря чему повысится качество тампонирования, а значит будут исключены последующие аварийные ситуации в этом интервале скважины.

Изобретение относится к области бурения скважин в осложненных условиях, а именно к ликвидации зон поглощений любых видов. Обеспечивает повышение качества тампонирования любых видов поглощений. Сущность изобретения: размещают в скважине трубу. Нижний конец трубы устанавливают в интервале зоны поглощения. Подают раздельно-одновременно отверждаемый тампонирующий состав и газ в зону смешивания, связанную с верхним концом трубы. Закачивают в скважину через трубу полученную газотампонирующую смесь. Эту смесь размещают в зоне поглощения. Согласно изобретению, по первому варианту при давлении в интервале расположения зоны поглощения, находящемся в одном порядке с атмосферным, закачку газотампонирующей смеси в скважину осуществляют через трубу, нижний и верхний концы которой имеют уменьшенное проходное сечение. Газотампонирующую смесь доставляют к зоне поглощения в однородном состоянии с растворенным в ней газом. В зоне поглощения смесь увеличивается в объеме. Сущность изобретения по второму варианту: при давлении в интервале расположения зоны поглощения, соизмеримом с давлением в этой трубе при закачке, т.е. в десятки и более раз превышающем атмосферное, закачку газотампонирующей смеси в скважину осуществляют через трубу, верхний конец которой имеет уменьшенное проходное сечение. Газотампонирующую смесь доставляют к зоне поглощения в однородном состоянии с растворенным в ней газом. В зоне поглощения смесь увеличивается в объеме. 2 с.п.ф-лы.

1. Способ ликвидации зоны поглощения в скважине, включающий размещение в скважине трубы, нижний конец которой установлен в интервале зоны поглощения, раздельно-одновременную подачу отверждаемого тампонирующего состава и газа в зону смешивания, связанную с верхним концом трубы, последующую закачку в скважину через трубу полученной газотампонирующей смеси и размещение этой смеси в зоне поглощения, отличающийся тем, что при давлении в интервале расположения зоны поглощения, находящемся в одном порядке с атмосферным, закачку газотампонирующей смеси в скважину осуществляют через трубу, нижний и верхний концы которой имеют уменьшенное проходное сечение, для растворения газа в тампонирующем составе, доставки в однородном состоянии газотампонирующей смеси к зоне поглощения и увеличения объема этой смеси в зоне поглощения.2. Способ ликвидации зоны поглощения в скважине, включающий размещение в скважине трубы, нижний конец которой установлен в интервале зоны поглощения, раздельно-одновременную подачу отверждаемого тампонирующего состава и газа в зону смешивания, связанную с верхним концом трубы, последующую закачку в скважину через трубу полученной газотампонирующей смеси и размещение этой смеси в зоне поглощения, отличающийся тем, что при давлении в интервале расположения зоны поглощения, соизмеримым с давлением в этой трубе при закачке, т.е. в десятки и более раз превышающем атмосферное, закачку газотампонирующей смеси в скважину осуществляют через трубу, верхний конец которой имеет уменьшенное проходное сечение, для растворения газа в тампонирующем составе, доставки в однородном состоянии газотампонирующей смеси к зоне поглощения и увеличения объема этой смеси в зоне поглощения.