СОДЕРЖАЩАЯ ЧАСТИЦЫ ПРОМЫВОЧНАЯ СРЕДА ДЛЯ ОЧИСТКИ СКВАЖИНЫ Российский патент 2015 года по МПК C09K8/52 E21B37/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к промывочным текучим средам, удаляющим отложения со стенки подземной буровой скважины. В частности, изобретение относится к таким промывочным текучим средам, какие используют для очистки скважин перед операциями цементирования или заканчивания скважины, такими как проводимые в нефте- и газодобывающей промышленности.

Уровень техники

Во время строительства скважин, таких как нефтяные или газовые скважины, обычной практикой является облицовка всей скважины или ее части обсадной трубой (типично стальной), которая удерживается на своем месте с помощью цемента. Хорошее сцепление между затвердевшим цементом и обсадной трубой и между затвердевшим цементом и пластом является важным для эффективной изоляции горизонтов. Плохое сцепление может ограничивать добычу и снижать эффективность работ по стимуляции скважины.

В операции цементирования в скважину опускают обсадную трубу, и цементный раствор нагнетают вниз по скважине и обеспечивают возможность возвращаться по кольцевому затрубному пространству между обсадной трубой и стенкой буровой скважины, где его оставляют затвердевать. В идеальной ситуации поверхность обсадной трубы и стенки буровой скважины являются совершенно чистыми и обеспечивают хорошее сцепление с цементом. Однако во время процесса бурения является обычным зарастание стенки буровой скважины осаждениями из бурильного раствора, либо в форме глинистой корки или фильтрационного осадка, которые образуются, когда твердые частицы в буровом растворе накапливаются по мере протекания флюида в пласт, либо в виде гелеобразных отложений, где течение бурового раствора недостаточно для поддержания бурового средства в прокачиваемой форме. Если позволить им оставаться, они могут препятствовать формированию хорошего цементного уплотнения на стенке буровой скважины и в конечном итоге образовывать протоки с сообщением по текучей среде, что нарушает эффективность изоляции горизонтов.

Для удаления таких отложений был предложен ряд способов.

Один путь избавления от мягких глинистых корок состоит во введении химических добавок в промывочные жидкости, которые нагнетают перед цементом для преобразования мягкой глинистой корки в твердую глинистую корку до размещения цемента. При таком способе глинистые отложения остаются на своем месте (патентный документ US6390197).

Альтернативно мягкую глинистую корку можно удалить (вычистить) из кольцевого затрубного пространства нефтяной скважины перед цементированием. Иногда используют химические средства, которые основываются на окислении или растворении компонентов глинистой корки и которые применяются во время операций заканчивания, а также механические инструменты, которые включают проволоки или щетки, закрепленные на обсадной трубе. В частности, механические инструменты удаляют любой мягкий материал, такой как огеленный буровой раствор и глинистая корка, присутствующий на стенке буровой скважины, например, путем соскабливания (патентные документы US6148918, US5564500).

Еще один путь удаления мягкой глинистой корки включает применение комбинации механических инструментов и текучих сред. Например, бурильная труба или свернутый в бухту трубопровод могут быть оснащены наконечником с соплами, которые направляют струю текучей среды на стенки буровой скважины. Это является эффективным для удаления отложений (то есть органических или неорганических твердых осадков) с поверхности обсадной трубы или гравийных фильтров.

Патентный документ US7143827 представляет текучие среды для удаления глинистых корок с использованием вспененного или невспененного заполнителя, содержащего волокна. Базовая текучая среда включает полимерные загустители и разнообразные прочие добавки, в частности абразивные частицы, предпочтительно частицы оксида кремния. Не приведено никаких упоминаний о предпочтительных размерах частиц, и не упоминается эффективность применения частиц с меньшей плотностью. Параметры производительности очистки, приписываемые этим текучим средам, очень плохие: 0% и 4% удаления, соответственно.

В отраслях промышленности, не имеющих отношения к цементированию скважин, в течение многих десятилетий использовали абразивную очистку в качестве стандартного способа очистки трубчатых устройств, например, теплообменников. Абразивная очистка основана на циркуляции содержащих частицы текучих сред в очищаемых деталях или вокруг них. Например, патентные документы US6663919 и US6585569 раскрывают системы, используемые для удаления затвердевших или полутвердых отложений с внутренних частей, например, машин, включающие фазу текучей среды (воздух) и фазу из дисперсных твердых частиц. Патентный документ US5743790 сообщает, что такая очистка может быть улучшена дополнительным воздействием вибрации или ультразвука.

Патентный документ US5904208 представляет применение содержащей частицы химической промывочной системы, которое включает использование трех отдельных партий жидкости для прочистки кольцевых пространств в нефтяных скважинах перед цементированием. Каждая жидкость дополнительно включает растворитель на основе углеводорода или на водной основе, либо по отдельности, либо с твердыми частицами. В теории роль этих твердых частиц ограничивается регулированием плотности жидкости.

Патентный документ GB2382363 А раскрывает еще одну систему, используемую в нефтяных скважинах, которая также включает жидкость; эта жидкость дополнительно включает твердые частицы в жидкости. Для предотвращения седиментации применяют частицы с малыми размерами (менее 5 микрон (5 мкм)). Как в патентных документах US5904208 или US2006/0254770, частицы также используют для регулирования плотности жидкости. В отличие от жидкостей в патентном документе US5904208, жидкость в патентном документе GB2382363 также включает полимерный гель.

Цель изобретения состоит в представлении промывочной системы, которая устраняет некоторые или все из проблем, связанных с предшествующими системами. В настоящем изобретении отложения удаляют без необходимости в полимерных загустителях, утяжелителях и диспергаторах и т.д. и основываются на понимании того, что содержащие частицы текучие среды могут удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к промывочной текучей среде.

Сущность изобретения

Первый аспект изобретения представляет промывочную текучую среду для удаления отложений со стенки подземной буровой скважины, включающую:

- жидкий носитель, имеющий вязкость, близкую к вязкости воды, и способный к перекачиванию по стенке буровой скважины в режиме турбулентного течения; и

- дисперсный компонент, диспергированный в жидком носителе и включающий частицы, имеющие размер по меньшей мере 100 микрон (100 мкм).

Дисперсный компонент имеет гранулометрический состав частиц в диапазоне 100-1000 микрон (100-1000 мкм) и плотность, варьирующую между 0,1 и 2 г/см³, предпочтительно от 0,1 до 1,3 г/см³, более предпочтительно от 0,6 до 1,3 г/см³ и наиболее предпочтительно от 0,8 до 1,3 г/см³. Частицы предпочтительно включают пустотелые неорганические сферы, такие как полые керамические микросферы (ценосферы) или синтетические полые стеклянные сферы, и обычные органические полимеры, такие как полипропилен, полиэтилен, полиамиды, сложные полиэфиры, каучук.

Текучая среда также может включать мелкие волокна, чтобы способствовать предотвращению возможного отстаивания или осаждения частиц, (примеры таких волокон можно найти в патентных документах US7275596, US6599863). Такие волокна оказывают малозаметное влияние на реологические характеристики текучей среды, так что режим течения остается турбулентным.

Также могут быть использованы диспергаторы, которые оказывают химическое действие. Они ослабляют твердые отложения и способствуют удержанию их во взвешенном состоянии.

Другие типы добавок включают антикоагулянты глин (например, 1%-ный KCl или органические добавки) или соль.

Концентрация дисперсного компонента типично составляет 1-10% по объему от текучей среды.

Жидкий носитель включает пресную воду, морскую воду или рассолы. Рассолы, которые могут быть использованы, типично представляют собой рассолы, применяемые в нефтедобывающей промышленности и имеющие плотность менее 2 г/см³, предпочтительно от 1,3 до 2 г/см³. В предпочтительном варианте исполнения жидкий носитель выбирают из группы, состоящей из пресной воды или морской воды, и их смесей.

Второй аспект изобретения представляет способ удаления отложений со стенки подземной буровой скважины, включающий стадию, в которой нагнетают текучую среду согласно первому аспекту изобретения поверх стенки буровой скважины так, чтобы создавать турбулентное течение, по меньшей мере в области отложений.

Этот способ может быть исполнен перед размещением в скважине цемента или раствора для заканчивания скважины.

Дополнительные аспекты изобретения будут очевидными из нижеследующего описания.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 показывает секцию цементируемой скважины;

фиг.2 представляет схематический вид экспериментальной проточной кюветы;

фиг.3 представляет фотографию глинистой корки, которая была подвергнута воздействию текущей воды;

фиг.4 представляет фотографию глинистой корки, подвергнутой воздействию потока текучей среды согласно варианту осуществления изобретения; и

фиг.5 показывает график изменения скорости фильтрации относительно величины расхода тангенциального потока для воды и текучих сред согласно изобретению.

Вариант(-ы) исполнения изобретения

Фиг.1 показывает схематический вид скважины, такой как нефтяная или газовая скважина, перед проведением операции цементирования. Стальную обсадную трубу 10 опустили в скважину 12, которая проходит через проницаемый слой 14. Во время процесса бурения на стенках скважины в проницаемом слое 14 образовалась глинистая корка 16 вследствие фильтрации дисперсных материалов из бурового раствора по мере его прохождения в проницаемый пласт. Кроме того, на нижней секции скважины образовалось гелеобразное глинистое отложение 18, где форма и размер буровой скважины создали предпосылки для того, чтобы условия течения являлись ненадлежащими для обеспечения сдвигового усилия, достаточного для разрушения геля. Важно удалить глинистую корку 16 и гелеобразное отложение 18 настолько эффективно, насколько возможно, если нужно получить хорошее сцепление цемента. Промывочные текучие среды типично закачивают через скважины перед цементом для удаления таких отложений.

Промывочные среды согласно изобретению включают жидкости, содержащие частицы. Такие промывочные текучие среды могут эффективно разрушать глинистые корки. Добавление к маловязкой текучей среде частиц с конкретным размером оказывает резко выраженное действие на гелеобразный глинистый осадок и глинистую корку, осажденные на пористую поверхность. Низкая вязкость позволяет текучей среде протекать в условиях турбулентного потока, когда ее прокачивают по скважине.

Фиг.2 показывает экспериментальную проточную кювету. Пористый пустотелый цилиндр 20 используют для формирования глинистой корки 22 созданием разности давлений между кольцевым пространством 24 и внутренней полостью 26. Через кольцевое пространство 24 могут циркулировать разнообразные текучие среды, такие как буровые растворы или промывочные жидкости. Состояние глинистой корки 22 отслеживают измерением скорости 28 фильтрации текучих сред, проходящих через цилиндр и в полость 26. Прозрачная стенка 30 кюветы позволяет визуально следить за глинистой коркой 22.

Глинистую корку создают в проточной кювете из фиг.2 пропусканием суспензии бентонита с концентрацией 60 г/л через пористую породу при разности давлений 6 бар (0,6 МПа). Скорость динамической фильтрации типично составляет 0,5 мл/мин для площади поверхности фильтрации 100 см². Суспензию бентонита заменяют водой, поддерживая такую же разность давлений; скорость фильтрации отслеживают как функцию величины расхода потока воды. Для равномерного течения воды не наблюдали ни значительной вариации скорости фильтрации (линия Х в фиг.5), ни изменения внешнего вида глинистой корки (фиг.3).

Эксперимент повторяют, но смешивают с водой твердые частицы (с широким гранулометрическим составом, 0,1-1 мм, плотность около 0,9 г/см³), при концентрации 5% по объему. Суспензию частиц в воде доводят до однородности надлежащим перемешиванием. Из практических соображений предпочтительно применение частиц с плотностью, близкой к плотности воды (или жидкого носителя), чтобы ограничить седиментацию или расслоение. Когда эта суспензия частиц в воде протекает над глинистой коркой, через прозрачную стенку кюветы наблюдается быстрое разрушение глинистой корки (фиг.4). Параллельно повышается скорость фильтрации (линия Y в фиг.5). Другие жидкости, которые могут быть использованы, включают маловязкие углеводороды или смеси воды и других компонентов. Вязкость текучих сред предпочтительно является низкой, чтобы поддерживать высокое значение числа Рейнольдса в нормальных условиях течения, ведущее к турбулентному потоку.

Фиг.3, 4 и 5 иллюстрируют то, что присутствие частиц в кольцевом потоке текучей среды ведет как к резкому повышению скорости фильтрации (более чем десятикратному увеличению), так и к полному удалению наружной глинистой корки всего после нескольких минут течения.

Различные изменения могут быть сделаны, в то же время оставаясь в пределах области изобретения. Например, количество, материал и размер дисперсного компонента могут варьировать для соответствия конкретным условиям. Кроме того, варианты практического применения промывочных текучих сред могут содержать другие добавки, обычные для этой области, такие как диспергаторы, которые могут ослаблять и затем удерживать во взвешенном состоянии любое твердое отложение, или антикоагулянты глин, такие как органические добавки или соль.

Еще одну вариацию представляет применение мелких волокон, чтобы способствовать предотвращению возможного отстаивания или осаждения частиц в текучей среде. Патентные документы US7275596, US6599863 описывают подходящие фигуры. Такие волокна оказывают малозаметное влияние на реологические характеристики текучей среды, так что режим течения остается турбулентным.

В то время как вышеприведенный пример представлен в отношении операций цементирования, такие промывочные среды могут быть использованы для очистки скважин перед нагнетанием другой текучей среды для заканчивания.

Группа изобретений относится к нефтегазодобывающей промышленности. Технический результат - улучшение очистки затрубного пространства перед размещением цементных растворов или во время фазы заканчивания, абразивная очистка всего мягкого материала, присутствующего в затрубном пространстве, в частности, гелеобразной глинистой массы и глинистой корки, без применения дополнительного оборудования и без повреждения металлических деталей. Промывочная текучая среда для удаления отложений со стенки подземной буровой скважины включает жидкий носитель, имеющий вязкость, близкую к вязкости воды, и способный к перекачиванию по стенке буровой скважины в режиме турбулентного течения, и дисперсный компонент, диспергированный в жидком носителе и включающий сферические частицы, имеющие размер по меньшей мере 100 микрон и плотность, варьирующую от 0,8 до 1,3 г/см³, причем дисперсный компонент составляет 1-10% по объему от текучей среды. Способ удаления отложений со стенки подземной буровой скважины включает стадию, в которой нагнетают указанную выше текучую среду над стенкой буровой скважины так, чтобы создавать турбулентное течение, по меньшей мере, в области отложений. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Промывочная текучая среда для удаления отложений со стенки подземной буровой скважины, включающая:
- жидкий носитель, имеющий вязкость, близкую к вязкости воды, и способный к перекачиванию по стенке буровой скважины в режиме турбулентного течения; и
- дисперсный компонент, диспергированный в жидком носителе и включающий сферические частицы, имеющие размер по меньшей мере 100 микрон (100 мкм) и плотность, варьирующую от 0,8 до 1,3 г/см³, в которой дисперсный компонент составляет 1-10% по объему от текучей среды.

2. Промывочная текучая среда по п.1, в которой дисперсный компонент имеет гранулометрический состав частиц в диапазоне 100-1000 микрон (100-1000 мкм).

3. Промывочная текучая среда по п.1, в которой частицы включают пустотелые неорганические сферы и органические полимеры.

4. Промывочная текучая среда по п.3, в которой частицы включают синтетические полые стеклянные сферы, полипропилен, полиэтилен, полиамиды, сложные полиэфиры или каучук.

5. Промывочная текучая среда по п.1, в которой жидкий носитель включает пресную воду, морскую воду или рассолы.

6. Промывочная текучая среда по п.1, дополнительно включающая волокнистый компонент в качестве добавки против осаждения или для стабилизации суспензий.

7. Промывочная текучая среда по п.1, дополнительно включающая диспергаторы, антикоагулянты глин, соли и другие добавки, которые не обусловливают значительного изменения реологических характеристик текучей среды.

8. Способ удаления отложений со стенки подземной буровой скважины, включающий стадию, в которой нагнетают текучую среду по любому из пп.1-7 над стенкой буровой скважины так, чтобы создавать турбулентное течение, по меньшей мере, в области отложений.

9. Способ по п.8, который исполняют перед размещением цемента в буровой скважине.

10. Способ по п.8, который исполняют перед размещением текучей среды для заканчивания в буровой скважине.