СПОСОБ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ КОНДУКТОРА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СКВАЖИН Российский патент 2017 года по МПК E21B33/14 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к способу для цементирования кондуктора в стволе скважины с обратной циркуляцией цементного раствора.

Уровень техники

Существует методика прямого цементирования, в которой для подготовки ствола скважины к спуску кондуктора спускают в скважину колонну бурильных труб до кровли крепких пород нижнепермского отдела (согласно утвержденному плану работ).

Наворачивают на верхнюю бурильную трубу устьевой герметизатор и ведущую трубу. Герметизируют межтрубное пространство между направлением и колонной бурильных труб путем посадки резинового элемента герметизатора на верхнюю кромку направления.

Проводят гидравлическое исследование ствола скважины буровым насосом на избыточное устьевое давление, не превышающее давление, допустимое при испытании ствола скважины в интервале башмака предыдущей колонны (направления).

Давление фиксируют по манометру, установленному на манифольде нагнетательной линии буровых насосов. При отсутствии устьевого герметизатора работы проводят до спуска в скважину колонны бурильных труб через цементировочную головку направления.

В случае недостижения на устье пробного давления разгерметизируют межтрубное пространство, закачивают в скважину через бурильные трубы с использованием технологической емкости до 1,5 объема скважины глинистого раствора с добавлением инертного наполнителя (кордное волокно, резиновая крошка, опил, сломель до 10% от объема глинистого раствора) до выхода раствора на устье скважины. Герметизируют межтрубное пространство, проводят задавливание раствора в зону поглощения до получения избыточного давления на устье путем закачивания в скважину 4-8 м³ глинистого раствора.

В случае недостижения на устье пробного давления после выполнения работ, а также в случае, если при бурении под кондуктор была вскрыта зона интенсивного поглощения, сопровождаемая: неполным выходом циркуляции (менее 50%), вскрытием более одной зоны осложнения или полным отсутствием циркуляции, наличием осадка на забое более 5 м, работы по подготовке ствола скважины, спуску и цементированию кондуктора проводят по отдельному плану работ, составленному после получения фактических данных по скважине.

Однако эта известная из уровня техники методика приводит к значительным временным и материальным затратам, связанным с ликвидацией поглощений.

Также из уровня техники известны и методики обратного цементирования скважины.

Под обратным цементированием понимается процесс, при котором цементировочный раствор закачивается в затрубное пространство, а находящийся в скважине буровой раствор выходит через колонну цементируемых обсадных труб.

Этот способ обычно применяют, когда в разрезе скважины имеются непрочные пласты, подверженные гидроразрыву при небольших давлениях, или как ремонтно-восстановительный при обнаружении течи в эксплуатационных обсадных колоннах.

Способ имеет ряд преимуществ:

1) значительно снижается гидравлическое давление на пласты, что предотвращает гидроразрыв и поглощение;

2) сокращается время операции в связи с отсутствием этапа продавливания цементного раствора;

3) при подаче тампонажного раствора непосредственно в затрубное пространство отпадает необходимость обрабатывать реагентами весь объем раствора;

4) возможна подача тампонажного раствора в турбулентном режиме, что очень важно для полного вытеснения бурового раствора тампонажным.

Способ обратного цементирования известен давно, но широкого применения не получил из-за присущих ему недостатков:

1) отсутствует надежный контроль за движением тампонажного раствора в затрубном пространстве;

2) трудно определить конец операции;

3) продуктивные горизонты перекрываются загрязненным тампонажным раствором, в колонне образуется завышенный цементный стакан.

Из перечисленных недостатков основным является трудность определения конца операции, т.е. момента, когда цементировочный раствор входит в башмак.

Для осуществления обратного цементирования затрубное пространство герметизируют превентором. Превентор относится к устьевому оборудованию и устанавливается на последней колонне кондуктора. Корпус превентора состоит из плашек с отверстиями под бурильные или обсадные трубы с резиновыми уплотнениями и механизма для управления передвижением плашек. Нагнетательные линии цементировочных агрегатов обвязываются с затрубным пространством через крестовину превентора. Выходящий из труб пространства буровой раствор направляется через бросные отводы в желоб.

Количество закачиваемого цементировочного раствора контролируют или по расчету, или по приборам гамма-каротажа. Прибор опускают в башмак колонны и с первой порцией цементного раствора вводят ампулу с радиоактивным изотопом, что дает возможность четко контролировать границу между буровым и тампонажным раствором. При появлении активированного изотопом цементного раствора башмака колонны, что отмечается прибором гамма-каротаж, процесс цементирования считается оконченным (см. http://fomen.ru/materialy/texnologiya-bureniya/cementirovanie/obratnoe/).

Однако в данном способе требуется сложное оборудование для определения завершения цементирования.

Из уровня техники известен выбранный в качестве прототипа способ обратного цементирования обсадной колонны в скважине (RU 2086752, опубл. 10.08.1997), включающий подготовку скважины, спуск в нее обсадной колонны с управляемым подпружиненным обратным клапаном тарельчатого типа в ее нижней части, выполненным с возможностью его открытия от воздействия вертикального осевого усилия сверху вниз, например от воздействия колонны промывочных труб, спуск последних в скважину, оборудование их на устье выкидной линией, заполнение межтрубного пространства в обсадной колонне и колонны промывочных труб жидкостью, опускание колонны промывочных труб на обратный клапан до его полного открытия, закачку тампонажного раствора в затрубье скважины и установление момента его окончания. Для открытия обратного клапана свободный нижний конец колонны промывочных труб вставляют в отверстие "стоп-кольца", которым оборудуют обсадную колонну над обратным клапаном. При открытом обратном клапане осуществляют закачку в затрубье скважины первой буферной жидкости, затем бурового раствора и второго буфера в объеме, равном внутреннему объему колонны промывочных труб, после чего производят закачку тампонажного раствора, момент окончания которой устанавливают по окончанию выхода на устье скважины первой буферной жидкости, после чего колонну промывочных труб приподнимают, обратный клапан закрывается.

Однако в данном способе требуется сложное оборудование для осуществления способа.

Раскрытие изобретения

В одном аспекте изобретения раскрыт способ цементирования кондуктора при строительстве скважин, содержащий этапы, на которых:

- устанавливают в ствол скважины кондуктор;

- присоединяют к кондуктору последовательно манометр, расходомер и поворотный кран;

- полностью открывают поворотный кран;

- подают тампонажный раствор в пространство между кондуктором и стволом скважины, причем объем подаваемого раствора задается равным предварительно вычисленному объему пространства между стволом скважины и кондуктором;

- отслеживают расход воздуха в верхней части кондуктора с помощью расходомера;

- при превышении объема воздуха, вытесненного тампонажным раствором, объема пространства между стволом скважины и кондуктором закрывают поворотный кран наполовину;

- отслеживают давление в верхней части кондуктора с помощью манометра;

- при превышении давления на манометре предварительно заданной величины полностью закрывают поворотный кран;

- доливают тампонажный раствор при необходимости.

В другом аспекте изобретения раскрыт способ, в котором перед началом подачи цементного раствора осуществляют этапы, на которых:

устанавливают на устье скважины емкость, сообщающуюся с затрубным пространством кондуктора,

причем подача цементного раствора осуществляется в емкость.

Основной задачей, решаемой заявленным изобретением, является осуществление простого и эффективного способа обратного цементирования кондуктора.

Сущность изобретения заключается в том, что цементирование осуществляют посредством подачи тампонажного раствора из устья непосредственно в затрубное пространство кондуктора, контролируют выход воздуха из кондуктора и перекрывают кондуктор наполовину в момент расчетного достижения тампонажным раствором нижней части кондуктора, затем отслеживают рост давления в кондукторе и перекрывают его полностью при достижении давлением предварительно заданной величины. Благодаря такому техническому решению не требуется спуска дополнительных колонн, не требуется установки обратного клапана или иных устройств, препятствующих поднятию тампонажного раствора внутри ствола кондуктора, все оборудование, необходимое для контроля процесса, устанавливается на устье скважины. Также обеспечивается более эффективное прохождение зон поглощения, так как зоны поглощения подвергаются меньшему давлению от тампонажного раствора.

Технический результат, достигаемый решением, заключается в уменьшении временных и материальных затрат, связанных с цементированием скважины, а также повышении эффективности прохождения зон поглощения при цементировании кондуктора.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображен ствол скважины с указанием зон поглощения.

На фиг. 2 изображено размещаемое на устье оборудование для контроля процесса цементирования.

Осуществление изобретения

Преимущества способа обратного цементирования раскрыты выше, для преодоления сложностей, возникающих при таком способе цементирования, авторами была предложена следующая методика.

Основная сложность, возникающая при обратном цементировании, - корректное определение завершения процесса. Было предложено определять достижение тампонажным раствором забоя, используя расходомер. Объем пробуренной скважины можно достаточно точно вычислить как произведение длины скважины и площади поперечного сечения скважины. Это сечение представляет собой круг известного диаметра, в целом, равного диаметру бура, которым бурилась скважина.

Объем затрубного пространства примерно с той же точностью определяется как разность объема пробуренной скважины и объема занимаемого кондуктором (который равен произведению длины кондуктора на площадь его поперечного сечения).

На фигуре 1 показан ствол скважины с зонами поглощения, которые не берутся в расчет при определении объема пробуренной скважины.

Зная этот объем и контролируя при помощи расходомера объем вытесненного из кондуктора воздуха, можно с достаточно высокой точностью сделать вывод о достижении тампонажным раствором забоя в момент вытеснения объема воздуха, равного объему затрубного пространства.

Пока тампонажный раствор движется вниз, не встречая сопротивления сжимаемого воздуха, он по существу не входит в зоны поглощения благодаря действию силы тяжести. Поэтому такая оценка достижения тампонажным раствором забоя дает достаточно высокую точность.

Далее согласно способу на устье перекрывается наполовину поворотный кран, что приводит к значительному увеличению сопротивления движению тампонажного раствора вниз. Весь тампонажный раствор продолжает движение вниз под давлением вышележащих слоев, формируя более равномерную массу, часть тампонажного раствора при этом входит в башмак скважины, который в дальнейшем необходимо будет разбурить для дальнейшей эксплуатации скважины.

Для повышения качества цементирования поворотный кран не перекрывается полностью сразу, так как в таком случае велика вероятность формирования плохого цементного стакана вблизи забоя, что связано с неравномерностью движения тампонажного раствора в скважине.

Кроме того, неполное перекрытие клапана обеспечивает плавное нарастание давления тампонажного раствора на зоны поглощения, что уменьшает вероятность их вскрытия, то есть повышается эффективность способа в отношении прохождения зон поглощения.

Критерием для полного перекрытия поворотного крана служит повышение давления на манометре до предварительно определенного уровня. В общем случае предварительно определенный уровень составляет 10-12 атмосфер, но он может быть установлен как более высоким, так и более низким в зависимости от параметров зон поглощения. Очевидно, что при большом количестве зон поглощения и их высокой приемистости предварительно определенный уровень должен быть ниже, чем при слабой приемистости зон поглощений, что делается для экономии тампонажного раствора. Как вариант этот уровень может быть определен эмпирически для того или иного типа грунтов, того или иного строения грунта, той или иной области.

Конкретный вариант осуществления способа описан ниже.

Для проведения операции по цементированию кондуктора необходим ящик размером 1×1 м высотой 0,3-1,0 м, который устанавливается на устье (ящик должен герметично стыковаться с поверхностью земли). Подготавливается переходник 3 с резьбы ОТТМ 245 на резьбу 3-147 (для соединения обсадной колонны с ведущей бурильной трубой). К переходнику сбоку устанавливается патрубок 4 диаметром 73 мм, манометр 1 до 4 МПа и воздушный расходомер 2 с поворотным краном 5 (см. фиг. 2). Подают тампонажный раствор ρ=1800 /м³ в ящик одним цементировочным агрегатом ЦА-320М и одной цементосмесительной машиной СМН-20 по расчетному объему кольцевого пространства за 245 мм кондуктором. Открывают поворотный кран - полностью. Наблюдают за уровнем цементного раствора в ящике и следят за выходом воздуха при помощи воздушного расходомера. По мере приближения первых кубометров цементного раствора к башмаку кондуктора прикрывают поворотный кран на 50% и следят за показаниями манометра. При росте давления на манометре на ≈10-12 атм делают вывод о входе цементного раствора в кондуктор и росте цементного стакана.

Налив цементного раствора прекращают и одновременно закрывают на 100% поворотный кран. Отслеживают уровень цементного раствора за кондуктором. Производят долив несколько раз по мере наполнения кольцевого пространства. Отсоединяют переходник через ОЗЦ (ожидание затвердевания цемента) через 4 часа.

Понятно, что размеры резьб и конкретные марки используемого оборудования не являются существенными в рамках заявленного способа, сущность которого заключается в отслеживании момента, когда прикрыть поворотный кран и когда закрыть его полностью.

Этапы способа могут быть полностью или частично автоматизированы, используя соответствующее оборудование.

Таким образом, подробная последовательность действий следующая:

1. Интервал кондуктора пробурить с промывкой водой без проведения изоляционных, тампонажных работ.

2. Установить на устье трубу (а) или ящик без дна (б).

Труба или ящик должны герметично стыковаться с поверхностью земли, чтобы исключить разлив жидкого цементного раствора по территории.

3. Подготовить переходник с резьбы ОТТМ 245 на резьбу 3-147 (для соединения обсадной колонны с квадратом). К переходнику сбоку установить патрубок 73 мм, манометр с диапазоном измерений 0-4 МПа, поворотный кран и воздушный расходомер.

4. Подготовить башмак-муфту для 245 мм обсадной колонны.

5. Провести спуск 245 мм кондуктора с посадкой (разгрузкой) на забой.

6. Подать тампонажный раствор ρ=1800 /м³ в трубу (ящик) одним ЦА-320М + одним СМН-20.

7. Открыть поворотный кран на переходнике на 100%.

8. Наблюдать за уровнем цементного раствора в трубе (ящике) и следить за выходом воздуха при помощи воздушного расходомера.

9. Продолжить налив цементного раствора по расчетному объему кольцевого пространства за 245 мм кондуктором.

10. По мере приближения первых кубометров цементного раствора к башмаку-муфте (ориентировочно при заполнении 90% затрубного пространства) прикрыть поворотный кран на 50% и следить за показаниями манометра. При росте давления на манометре на ≈10-12 атм можно судить о входе цементного раствора в кондуктор и росте цементного стакана.

Налив цементного раствора можно прекратить, одновременно закрыть на 100% поворотный кран.

11. Следить за уровнем цементного раствора за кондуктором, направив луч фонаря. Произвести долив несколько раз по мере наполнения кольцевого пространства.

12. Отсоединить квадрат от кондуктора, застраховав переходник стальным канатом.

13. Отсоединить переходник после завершения схватывания цементного раствора (см. контрольную пробу цементного раствора) ≈через 4 часа.

Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.

Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.

Способы, раскрытые здесь, содержат один или несколько этапов или действий для достижения описанного способа. Этапы и/или действия способа могут заменять друг друга, не выходя за пределы объема формулы изобретения. Другими словами, если не определен конкретный порядок этапов или действий, порядок и/или использование конкретных этапов и/или действий может изменяться, не выходя за пределы объема формулы изобретения.

В заявке не указано конкретное программное и аппаратное обеспечение для реализации блоков на чертежах, но специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность изобретения не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления изобретения могут быть использованы любые программные и аппаратные средства, известные в уровне техники. Так, аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютер либо комбинации вышеозначенного.

Хотя отдельно не упомянуто, но очевидно, что, когда речь идет о хранении данных, программ и т.п., подразумевается наличие машиночитаемого носителя данных, примеры машиночитаемых носителей данных включают в себя постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, регистр, кэш-память, полупроводниковые запоминающие устройства, магнитные носители, такие как внутренние жесткие диски и съемные диски, магнитооптические носители и оптические носители, такие как диски CD-ROM и цифровые универсальные диски (DVD), а также любые другие известные в уровне техники носители данных.

Несмотря на то что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.

Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также реализации, раскрытые в различных частях описания, могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.

В приведенном выше описании примеров термины направления (такие как "над", "верх", "ниже", "низ", "верхний", "нижний" и т.д.) используются для удобства ссылки на прилагаемые чертежи. В общем, "над", "верхний", "вверх" и аналогичные термины связаны с направлением к земной поверхности вдоль ствола скважины и "ниже", "нижний", "вниз" и аналогичные термины связаны с направлением от земной поверхности вдоль ствола скважины, причем ствол скважин может быть горизонтальным, вертикальным, наклонным, наклонно-направленным и т.д.

Любые числовые значения, изложенные в материалах настоящего описания или на фигурах, предназначены для включения всех значений от нижнего значения до верхнего значения приращениями в один единичный элемент, при условии что есть интервал по меньшей мере в два единичных элемента между любым нижним значением и любым верхним значением. В качестве примера, если изложено, что величина составляющей или значения технологического параметра, например, такого как температура, давление, время и тому подобное, например, имеет значение от 1 до 90, предпочтительно от 20 до 80, более предпочтительно от 30 до 70, подразумевается, что значения, такие как от 15 до 85, от 22 до 68, от 43 до 51, от 30 до 32 и т.д., в прямой форме перечислены в этом описании изобретения. Что касается значений, которые являются меньшими, чем единица, при необходимости, один единичный элемент считается имеющим значение 0,0001, 0,001, 0,01 или 0,1. Таковые являются всего лишь примерами того, что определенно подразумевается, и все возможные комбинации многочисленных значений между перечисленными самым низким значением и самым высоким значением должны считаться изложенными в прямой форме в этой заявке подобным образом. Как может быть видно, указание величин, выраженных в материалах настоящего описания в качестве «весовых долей», также предполагает такие же диапазоны, выраженные в показателях процентного отношения по массе. Таким образом, выражение в подробном описании изобретения диапазона в показателях «`x` весовых долей результирующего состава смеси полимеров» также предполагает указание диапазонов такой же изложенной величины «`x` в процентном отношении по массе результирующего состава смеси полимеров».

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к цементированию обсадной колонны в стволе скважины с обратной циркуляцией цементного раствора. Технический результат – повышение эффективности способа за счет уменьшения временных и материальных затрат, связанных с цементированием скважины. По способу устанавливают в ствол скважины кондуктор. Присоединяют к кондуктору последовательно манометр, расходомер и поворотный кран. Полностью открывают поворотный кран. Подают тампонажный раствор в пространство между кондуктором и стволом скважины. Объем подаваемого раствора задают равным предварительно вычисленному объему пространства между стволом скважины и кондуктором. Отслеживают расход воздуха в верхней части кондуктора с помощью расходомера. При превышении объема воздуха, вытесненного тампонажным раствором, объема пространства между стволом скважины и кондуктором закрывают поворотный кран наполовину. Отслеживают давление в верхней части кондуктора с помощью манометра. При превышении давления на манометре предварительно заданной величины полностью закрывают поворотный кран. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ цементирования кондуктора при строительстве скважин, содержащий этапы, на которых:

устанавливают в ствол скважины кондуктор;

присоединяют к кондуктору последовательно манометр, расходомер и поворотный кран;

полностью открывают поворотный кран;

подают тампонажный раствор в пространство между кондуктором и стволом скважины, причем объем подаваемого раствора задают равным предварительно вычисленному объему пространства между стволом скважины и кондуктором;

отслеживают расход воздуха в верхней части кондуктора с помощью расходомера;

при превышении объема воздуха, вытесненного тампонажным раствором, объема пространства между стволом скважины и кондуктором закрывают поворотный кран наполовину;

отслеживают давление в верхней части кондуктора с помощью манометра;

при превышении давления на манометре предварительно заданной величины полностью закрывают поворотный кран;

доливают тампонажный раствор при необходимости.

2. Способ по п. 1, в котором перед началом подачи тампонажного раствора осуществляют этапы, на которых:

устанавливают на устье скважины емкость, сообщенную с пространством между кондуктором и стволом скважины;

осуществляют подачу тампонажного раствора в емкость.