Способ цементирования обсадных колонн Российский патент 2020 года по МПК E21B33/14 

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, а более конкретно к области цементирования обсадных колонн.

В применяемом в настоящее время способе цементирования обсадных колонн используется технологические процессы закачки тампонажного раствора (облегченный цементный раствор, цементный раствор) внутрь обсадной колонны и продавка - замещение бурового раствора из кольцевого пространства скважины тампонажным раствором (далее в тексте цементный раствор).

Применяемый способ не обеспечивает выполнение требуемого качественного сцепления цементного камня со стенкой скважины и обсадной колонны, полного заполнения кольцевого пространства цементным раствором.

Это происходит вследствие того, что в процессе закачки тампонажного раствора возникает отрицательное давление - в условиях создаваемого вакуума в обсадной колонне. Отрицательное давление возникает вследствие того, что плотность цементного раствора в колонне превышает величину плотности бурового раствора в кольцевом пространстве скважины, таким образом, создается гидростатический перепад давления, происходит уменьшение давления в Р_ца до нуля и ниже - и как следствие разрыв сплошности струи потока, отрыв части столба цементного раствора от общего потока и его ускоренное течение в кольцевое пространство скважины (см. книгу Р.И. Щишенко «Гидравлика глинистых растворов», Азнефтьиздат, 1951, С. 123-127) [1].

Возникающее вакуумное пространство заполняется парами, водой, легкой фракцией от частей потока цементного раствора и это структурно несвязанная масса жидкости поступает в кольцевое пространство скважины, оказывая отрицательное влияние на формирование цементного камня, на качество цементирования скважины. Решению этой важной научно-технической проблемы посвящено значительное количество исследований, разработок.

Известна формула для определения давления Р_ца в гидравлической системе скважины при закачке цементного раствора (см.: «Справочник по бурению» т. 1, под ред. В.И. Мищевича, Н.А. Сидорова, М: Недра, 1973, С 485) [2], (см.: Е.М. Соловьев.

Закачивание скважин. М: Недра, 1979, С. 254) [3], представляемая в виде:

где Р_г/д^о/к, Р_г/д^к/п, Р_г/ст^о/к, Р_г/ст^к/п - гидродинамическое и гидростатическое давление (Па, МПа) в обсадной колонне, кольцевом пространстве скважины.

Однако, авторы [1], [2], [3] ограничивались выявлением факта падения давления при закачке до минимального значения, не дают оценки влияния данного факта на качество цементирования, отсутствует решение задачи управления процессом цементирования с предотвращением разрыва струи потока цементного раствора.

Целью настоящего изобретения является повышение качества цементирования обсадных колонн, проведения процесса закачки цементного раствора при положительном давлении в циркуляционной системе скважины, исключение возможности возникновения вакуума и разрыва струи цементного раствора.

Поставленная цель достигается тем, что в зависимости от горногеологических условий скважины, процесс закачки тампонажного (цементного) раствора внутрь колонны производится при подаче (расходе) ∑Q_ца превышающей величину критической подачи Q_кр, при которой возникает вакуум; и путем применения специального устройства - дросселя, устанавливаемого над башмаком обсадной колонны, в котором создается гидродинамическое давление Р^др_г/д, направленное на уменьшение величины гидростатического давления столба цементного раствора в колонне Р_г/ст^о/к. В изобретении представлены оба варианта решения проблемы повышения качества цементирования обсадных колонн нефтегазовых скважин, в которых обеспечивается условие предупреждения возникновения вакуума. На основе формулы (1) условие предупреждения возникновения вакуума представляется в виде:

где Р_ца - давление в гидравлической системе скважины в процессе закачки тампонажного раствора в обсадную колонну (МПа, кг/см²).

Расчетные формулы для определения давления в системе (см. "Инструкция по составлению гидравлической программы скважины" РД39-0147009-516-86, С. 17) следующие:

Формула для определения Р_г/д^др представлена в примере 2.

где ρ_ж^о/к, ρ_ж^к/п - плотность тампонажного (цементного) раствора в обсадной колонне, плотность бурового раствора в затрубном пространстве скважины, кг/м³ (г/см³);

Н (м) - глубина спуска обсадной колонны по вертикали;

L (м) - глубина спуска колонны по длине ствола наклонной скважины;

d_скв, d_о/к, d_вн/ок (мм, м) - соответственно диаметры - скважины, наружный, внутренний обсадной трубы;

0,024, 0,04 - коэффициенты сопротивления движения жидкости в обсадной трубе, в затрубном пространстве скважины;

g - ускорение силы тяжести (9,8 Н/кг) в системе "СИ".

Анализ формул 1,2,3 показывает, что при цементировании обсадных колонн в конкретных горно-геологических и технолого-технологических условиях Р_г/сх^о/к, Р_г/ст^к/п являются постоянными величинами. Управляемыми факторами в процессе являются Р_г/д^о/к, Р_г/д^к/п и Р_г/д^др. Путем регулирования величинами параметров входящие в формулы Р_г/д обеспечивается достижение условия предупреждения возникновения вакуума. Решение задачи представлено на примерах 1, 2.

Пример 1. Исходные данные: скважина вертикальная Н=3200 м, диаметр эксплуатационной колонны d_эк=168, 3 мм (0, 1683 м),

высота подъема цементного раствора за колонной h_цр=2740 м (включая высоту подъема облегченного цементного раствора h_оцр=2484 м),

плотность ρ_оцр=1450 кг/м³,

высота подъема цементного раствора h_цр=256 м,

плотность ρ_цр=1890 кг/м³,

объем кольцевого пространства скважины W_к/п=63,48 м³,

внутренний диаметр эксплуатационной колонны d_вн/_эк=0,1471 м,

буферная жидкость не используется,

диаметр ствола скважины с учетом уширений d_скв=0,2315 м (диаметр долота d_д=0,2159 м)

высота столба тампонажного раствора внутри колонны h_т/р^о/к состоит из столба облегченного цементного раствора h_оцр^о/к=2900 м,

столб цементного раствора h_цр^о/к=300 м,

плотность бурового раствора ρ_б/р=1250 кг/м³,

внутренний объем колонны W_о/к=54,35 м³.

градиент давления гидроразрыва пласта на глубине Н=3200 м: Г _г/р=0,018 МПа/м (0,18 кг/см²м)

Рассматривается заключительный этап закачки цементного раствора в колонну, когда внутри колонны снизу вверх h_оцр=2900 м; h_цр=300 м. Средняя плотность тампонажного раствора в колонне ρ_ср/_ж^о/к)=1491 кг/м³ (1,491 г/см³)

Р_г/д^о/к=0,024⋅1,491⋅10³⋅3,2⋅10³Q²_кp/0,1471⁵=0,114509⋅10⁶Q²_кp/6,887528⋅10^-5=1662,55⋅10⁶Q²_кр(Па)=1662,55⋅Q²_кp (МПа)

Р_г/д^к/п=0,04⋅1,250⋅10³⋅3,2⋅10³Q²_кp/(0,2315-0,1683)³(0,2315+0,1683)²=0,16⋅10⁶Q²_кp/4,0348⋅10^-5=3966,59⋅10⁶Q²_кp(Па)=3966,59⋅Q²_кp (МПа)

ΔР_г/ст=(1,491-1,250)⋅10³⋅9,8⋅3,2⋅10³=7,558⋅10⁶ (Па)

Р_г/ст^о/к=46,758⋅10⁶ (Па)

Р_г/ст^к/п=39,2⋅10⁶ (Па)

∑Р_г/д=(1662,55+3966,59)⋅10⁶Q²_кp=5629,14⋅10⁶Q²_кp (Па)

7,558=(3966,59+1662,55)⋅Q²_кp=5629,14Q²_кp

Q²_кp=7,558/5629,14=1,3426⋅10^-3

Q_кp=0,0366 (м³/c)=36,6 (л/с)

Полученное значение Q_кp для принятых условий расчета является предельной величиной, обеспечивающей проведение цементирования эксплуатационной колонны без возникновения вакуума. Результаты расчета Q_кp при различных значениях столба тампонажного раствора в обсадной колонне представлены в таблице 1, на рис. 1.

На основе полученного значения Q_кp=0,0366 м³/с (соответствующее максимальному значению Q_кp^мах) определяется:

- условие предупреждения гидроразрыва пласта Р_г/р^к/п на проектной глубине скважины Н=3200 м с учетом коэффициента безопасности гидроразрыва равного К_б=1,10

К_б/факт=Р_г/р^к/п/∑Р_пл^к/п=К_б/Н,

Р_г/р^к/п=Г_гр⋅Н=0,018⋅3200=57,6 МПа; где Г_гр=0,018 МПа/м (градиент гидроразрыва пласта)

Р_г/ст^к/п=39,2 Мпа.

Р_г/д^к/п=3966,59⋅10⁶⋅0,0366²=5,319⋅10⁶⋅Па=5,313 МПа

∑P_пл^к/п=39,2+5,313=44,51 Мпа.

Расчетная величина коэффициента безопасности равна:

К_б/факт=57,6/44,51=1,29

Требуемое условие выполняется: К_б/факт=1,29>К_б/Н=1,10.

- Скорость восходящего потока бурового раствора в кольцевом пространстве скважины V_б/р^к/п в процессе закачки тампонажного раствора внутрь обсадной колонны.

V_б/р^к/п=Q_кp/F_кп=0,0366/0,0198=1,85 м/с; площадь сечения кольцевого пространства скважины F_кп=0,785(0,2315²-0,1683²)=0,0198 м²

При этом значении V_б/р^к/п обеспечивается турбулентный режим течения (проектное значение V_пр^к/п 1,5 м/с), что требуется для очистки кольцевого пространства перед поступлением цементного раствора.

По данным табл. 1, рис. 1 представляется возможность определить момент времени «t_в» возникновения вакуума по формуле:

t_в=W_о/к/Qкp…,

где W_о/к - объем обсадной колонны при расчетной величине столба цементного раствора в колонне, м³.

W_о/к=0,785⋅d²_вн/ок⋅h_ца^о/к

^{Например, при h_цао/к=1000 м, Q_кp=0,0239 м3/с; W_o/к=0,785⋅0,14712⋅1600=21,18 м3}

Расчетное t_в=21,98/0,0239=1137 с=18,95 мин.

Фактическое время предупреждения возникновения вакуума t_cp≤t_в является временем перехода на продолжение процесса закачки при увеличенном значении ∑Q_ца, в данном примере на Q_ца=0,0303 м³/с (30,3 л/с), (см. табл. 1).

Пример 2. Расчет величины Q_кp при использовании в составе компоновки низа обсадной колонны дросселя с насадкой. Исходные данные приведены в Примере 1.

Расчетная формула для определения давления Р_г/д^др создаваемого в дросселе имеет вид:

Где: μ=0,9 - коэффициент гидравлического сопротивления насадки 2μ²=1,62;

ρ_цр=1491 кг/м³

ƒ - площадь сечения насадки, м².

Примем d_др=0,03 м (30 мм); ƒ_др=0,785⋅0,03²=7,065⋅10^-4 м²

ƒ²=4,991⋅10^-7 (м⁴)

Р_г/д^др=1,491⋅Q_кp²⋅10⁷/1,62⋅4,991=1844,15⋅10⁶Q_кp² (Па)

Суммарное гидродинамическое давление в системе составит:

∑P_г/д=(5629,14+1844,15)⋅10⁶Q_кp=7473,29⋅10⁶Q_кp²

Из условия ΔР_г/ст≤∑P_г/д, имеем:

7,558⋅10⁶=7473,29⋅10⁶Q_кp²

откуда Q_Kp²=7,558/7473,29=1,01⋅10^-3; Q_Kp=0,0318 м³/с=31,8 л/с

численное значение давления в дросселе равно:

Р_г/д^др=1844,15⋅10⁶⋅1,01⋅10^-3=1,86 (Па)=18,6 кг/см³

По данным табл. 2 задаваясь величиной Р_г/д^др и d_др определяется режим закачки цементного раствора Q_ца при использовании которого обеспечивается предупреждение возникновения вакуума.

Результаты расчета Q_ца≥Q_кp при различных значениях диаметра насадки дросселя и гидродинамического давления в дросселе представлены в таблице 2.

На рисунке 2 представлен общий вид внутренней технологической оснастки обсадной колонны при цементировании, включающий 1 - башмак обсадной колонны, с направляющей пробкой - 2; 3 - переводник, к ниппельному концу которого присоединяется 4 - дроссель с насадкой - 5. На переводник (3) устанавливается обсадная труба - 6 длиной 12, 0; 24, 0 м (одна, две трубы), в муфту - 7 ввинчивается дифференциальный обратный клапан - 8. Обратный клапан включает элементы запорного устройства - ограничитель - 9, шар - 10, дроссель -11, резиновую диафрагму - 12. В муфту обратного клапана (8) вставляется упорное кольцо (стоп-кольцо) - 13. Дроссель (11) создает ограниченное гидравлическое сопротивление поступлению промывочной жидкости из скважины внутри обсадной колонны (см.: Е.М. Соловьев. Закачивание скважины, М.: Недра, 1979. С. 179).

Варианты применения предлагаемого способа цементирования могут быть как отдельно, так и совместно, в зависимости от конкретных условий скважины. Например, при возникновении риска гидроразрыва пласта, применение дросселя обеспечит, за счет уменьшения количества закачиваемого тампонажного раствора, уменьшение давления на пласт в заколонном пространстве скважины, при одновременном увеличении противодавления внутри обсадной колонны, тем самым обеспечив предупреждение возникновения вакуума.

Предлагаемый способ цементирования обсадной колонны предусматривает его использование на практике в широком диапазоне изменения горногеологических условий скважины.

Использование предлагаемого изобретения в практике строительства нефтегазовых скважин повысит качество цементирования обсадных колонн, обеспечит большой экономический эффект.

Изобретение относится к области строительства нефтегазовых скважин, а именно к цементированию обсадных колонн. Технический результат – повышение качества цементирования обсадных колонн. В соответствии со способом цементирование обсадной колонны осуществляют в различных геологических условиях. Для этого осуществляют закачку тампонажного раствора внутрь обсадной колонны и его продавку в затрубное пространство скважины. Цементирование обеспечивают при повышенном расходе тампонажного раствора, ограниченном давлением гидроразрыва пласта. При этом закачку тампонажного раствора внутрь обсадной колонны проводят при расходе, превышающем величину критического расхода, при котором возникает вакуум в разрыве струи тампонажного раствора. Для этого над башмаком обсадной колонны устанавливают дроссель с насадкой заданного сечения. С помощью этого дросселя создают при заданном расходе тампонажного раствора необходимое гидродинамическое давление, направленное на уменьшение величины гидростатического давления столба тампонажного раствора в обсадной колонне. 2 табл., 2 ил.

Способ цементирования обсадной колонны нефтегазовой скважины, включающий закачку тампонажного раствора внутрь обсадной колонны и его продавку в затрубное пространство скважины, отличающийся тем, что цементирование обеспечивают в различных геологических условиях и при расходе тампонажного раствора, ограниченном давлением гидроразрыва пласта, при этом закачку тампонажного раствора внутрь обсадной колонны проводят при расходе, превышающем величину критического расхода, при котором возникает вакуум в разрыве струи тампонажного раствора, в условиях возможного поглощения раствора в пласт над башмаком обсадной колонны устанавливают дроссель с насадкой заданного сечения, с помощью которого создают при расчетном расходе тампонажного раствора необходимое гидродинамическое давление, направленное на уменьшение величины гидростатического давления столба тампонажного раствора в обсадной колонне.