Способ цементирования скважины в условиях аномально низких пластовых давлений Российский патент 2022 года по МПК E21B33/14 C09K8/42 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано при цементировании обсадных колонн в скважинах различного назначения.

Известен способ цементирования скважины в условиях аномально низкого пластового давления (патент на ИЗ 2471962, МПК E21B 33/13, опубл. 10.01.2013 г., бюл. №1), включающий закачку в скважину безусадочного пенного цементного раствора с коэффициентом тампонирующей способности не менее 5,6 и величиной расширения 0,5-1,0%, для чего из условия предотвращения поглощения пенного цементного раствора наиболее слабым пластом рассчитывают плотность этого раствора на пластовые условия по выражению

где ρ_ц - плотность исходного цементного раствора, кг/м3;

ρ_{г . о .} - плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³ (ρг . о .=1,2,9 кг/м³);

Р₀; Т₀ - стандартное давление и температура, атм, К;

Р; Т - пластовые давление и температура, атм, К;

α - степень аэрации или газирования;

α=Q_{г . o .}/Q_ж,

где Q_{г . o .} - расход газа при стандартном давлении и температуре, л/с;

Q_ж - расход жидкости, л/с,

затем смешивают в сухом виде базовый цемент «ПЦТ Д0-400», цемент «Gorkal-70»,

резиновую крошку и фиброволокно полипропиленовое в следующих соотношениях,

вес.% на 1 т сухой смеси:

базовый цемент «ПЦТ Д0-400» 89,9-91,7

цемент «Gorkal-70» 3,6-4,4

резиновая крошка фракции до 0,5 мм 4,5-5,5

фиброволокно полипропиленовое фракции до 12 мм 0,18-0,22,

полученную сухую смесь смешивают с пресной водой, исходя из отношения этой воды к полученной сухой смеси 0,5-0,65, а объем такого цементного раствора принимают из расчета 1-3 м3 на 1 м вскрытой мощности пласта, затем в полученный раствор в расчете на 1 м3 добавляют пенообразователь в количестве 0,5-1,5 кг и пропускают этот раствор через смеситель на устье скважины, где его смешивают с газом или воздухом до получения расчетной плотности цементного раствора, после чего пенный цементный раствор подвергают обработке магнитным полем напряженностью 0,8-1,2 килоэрстед.

Недостатком изобретения является то, что требуется дополнительная обработка цементного раствора магнитным полем напряженностью, что делает процесс экономически невыгодной и сложной, в связи с необходимостью применения дорогостоящего оборудования.

Известен способ изоляции продуктивного пласта при цементировании обсадной колонны (патент на ИЗ № 2189431, МПК E21B 33/14, опубл. 20.90.2001, бюл. №26), включающий спуск в скважину обсадной колонны, оборудованной устройством для изоляции продуктивного пласта, закачку цементного раствора в затрубное пространство обсадной колонны и разобщение затрубного пространства скважины, отличающийся тем, что разобщение затрубного пространства скважины производят путем закачки в интервал продуктивного пласта гидрофобного раствора плотностью, равной плотности цементного раствора, при этом закачивают сначала цементный раствор, устанавливают разделительную пробку, затем гидрофобный раствор, устанавливают разделительную пробку, затем продавочную жидкость, причем в качестве устройства для изоляции продуктивного пласта используют обратные клапаны, расположенные на уровне подошвы продуктивного пласта, а закачку продавочной жидкости производят до перекрытия обратных клапанов разделительной пробкой, установленной поверх гидрофобного раствора.

Недостатком изобретения является сложность технологии, большая вероятность аварийных ситуаций на скважине, невозможность использования на высокоприемистых пластах.

Наиболее близким является способ ступенчатого цементирования в условиях аномально низких пластовых давлений в зоне поглощения (патент на ИЗ № 2188302, МПК E21B 33/14, опубл. 27.08.2002, бюл. №24), включающий установку муфты ступенчатого цементирования над кровлей поглощающего пласта, закачку буферной жидкости, порции неаэрированного цементного раствора, продавливание цементного раствора продавочной жидкостью, причем при продавливании цементного раствора закачивают в заколонное пространство флюид пониженной плотности, причем после установки муфты ступенчатого цементирования монтируют цементировочную головку с нижней и верхней разделительными пробками и запорным элементом, после закачки буферной жидкости цементируют нижнюю часть эксплуатационной обсадной колонны выше зоны поглощения путем спуска нижней разделительной пробки, цементный раствор продавливают продавочной жидкостью с верхней разделительной пробкой, после чего сбрасывают запорный элемент с последующим вымыванием излишков цементного раствора и после его затвердевания цементируют верхнюю часть эксплуатационной колонны через муфту ступенчатого цементирования, причем порцию неаэрированного цементного раствора закачивают в объеме, обеспечивающем заполнение заколонного пространства в интервале от подошвы поглощающего пласта до муфты ступенчатого цементирования, последующую дополнительную порцию цементного раствора в объеме, обеспечивающем заполнение заколонного пространства от башмака эксплуатационной обсадной колонны до подошвы поглощающего пласта, аэрируют в период закачивания, повышая степень аэрации в пределе, рассчитываемом по формулам

где α_цpmin - минимальная степень аэрации закачиваемого цементного раствора на устье скважины;

α_цpmax - максимальная степень аэрации закачиваемого цементного раствора на устье скважины;

ρ_цр - плотность неаэрированного цементного раствора, кг/м3;

ρ₀ - минимально необходимая плотность аэрированного цементного раствора в скважине, кг/м3, определяемая по формуле

где Р_пл - пластовое давление, МПа;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

ρ_p - плотность промывочной жидкости за эксплуатационной обсадной колонной выше муфты ступенчатого цементирования, кг/м³;

Н - глубина установки муфты ступенчатого цементирования, м;

Н_п - уровень подошвы поглощающего пласта, м;

L - глубина спуска цементируемой эксплуатационной обсадной колонны, м;

К - коэффициент растворимости воздуха в жидкости при атмосферном давлении;

Р₀ - атмосферное давление, МПа;

Z, Z₀ - коэффициенты сверхсжимаемости газа в интервале от башмака эксплуатационной обсадной колонны до подошвы поглощающего пласта и при атмосферном давлении соответственно;

Т, Т₀ - максимальная температура в интервале от башмака эксплуатационной обсадной колонны до подошвы поглощающего пласта и на устье скважины соответственно. К;

ρв - плотность воздуха при атмосферном давлении, кг/м3,

обеспечивая постоянство минимально необходимой плотности, а при продавливании цементного раствора фиксируют момент его выхода в заколонное пространство, причем в качестве флюида пониженной плотности используют двухфазную пену со степенью аэрации, рассчитываемой по формуле

где α_п - степень аэрации двухфазной пены;

ρ_пож - плотность пенообразующей жидкости, кг/м3;

ρ_п - плотность двухфазной пены, кг/м3, определяемая по формуле

где Р_ж - гидростатическое давление сборного столба технологических жидкостей над поглощающим пластом, МПа;

Р_у- устьевое давление, поддерживаемое в процессе продавливания всего объема цементного раствора, МПа,

и расходом, определяемым из неравенства

где Q_n - расход двухфазной пены, м³/с;

V_пож - объем пенообразующей жидкости, обеспечивающий после аэрации заполнение заколонного пространства от подошвы поглощающего пласта до устья скважины, м³;

V_np - объем продавочной жидкости, обеспечивающий заполнение заколонного пространства цементным раствором в интервале от подошвы поглощающего пласта до забоя скважины, м³;

Q_ц - расход цементного раствора, обеспечиваемый суммарной подачей насосов цементировочных агрегатов при продавливании цементного раствора за эксплуатационную обсадную колонну, м³/с.

Недостатком изобретения является сложность технологии, требующего дополнительного оборудования, что приводит к дороговизне и увеличению времени на выполнение процесса цементирования, при незначительном нарушении технологии приготовления тампонажной жидкости возможно получение брака при цементировании, что может привести к межпластовым перетокам.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа цементирования скважины в условиях аномально низких пластовых давлений, эффективным и надежным за счёт более качественного заполнения затрубного пространства обсадной колонны цементным раствором, при этом экономически эффективным.

Техническая задача решается способом цементирования скважины в условиях аномально низких пластовых давлений, включающим спуск в скважину обсадной колонны с башмаком и муфтой, устанавливаемой над кровлей поглощающего пласта, продавливание цементного раствора продавочной жидкостью, причем при продавливании цементного раствора закачивают в заколонное пространство через забой скважины цементный раствор пониженной плотности цементированием нижней части эксплуатационной обсадной колонны с перекрытием зоны поглощения – до муфты и последующей закачкой утяжеленного цементного раствора для перекрытия нижней части обсадной колонны, далее закачивают в заколонное пространство верхнюю часть эксплуатационной колонны выше муфты до устья скважины, причем цементирование обсадной колонны ведут цементными растворами разной плотности.

Новым является то, устье скважины оборудуют как минимум двумя дыхательными трубками – трубками, установленными сбоку на кондукторе для сообщения с затрубным пространством обсадной колонны скважины, в качестве муфты используют муфту с затрубным самоуплотняющимся пакером, попускающим снизу-вверх, – корзиной, в качестве цементного раствора пониженной плотности используют тампонажный раствор с удельным весом γ=1,55-1,80 г/см³, в качестве утяжеленного цементного раствора – тампонажный раствор с удельным весом γ=1,81-1,92 г/см³, а для цементирования верхней части эксплуатационной обсадной колонны – тампонажный раствор с удельным весом γ=1,3-1,55 г/см³, причем для цементирования верхней части закачку цементного раствора ведут через дыхательные трубки - трубки установленные сбоку на кондукторе, сверху вниз с давлением не выше допустимого давления на пласты, а закачку цементного раствора снизу-вверх и сверху-вниз ведут после предварительного подъема обсадной колонны от забоя на 0,2 – 1,0 м с вращением обсадной колонны, контролируя вес обсадной колонны и крутящий момент для исключения всплытия обсадной колоны и нарушения целостности её резьбовых соединений соответственно.

Так же новым является то, цементирование затрубного пространства осуществляют встречным потоком одновременно с цементированием нижней части обсадной колонны.

Способ осуществляется в следующей последовательности.

При бурении разведывательных скважины отбирают керны с привязкой к интервалам первичного вскрытия. Полученные керны направляют для исследования в соответствующие лаборатории, где определяют свойства вскрытых пластов и интервалы их расположения. Исходя из свойств пласта, являющегося продуктивным коллектором (водоносным или нефтеносным) и глубины их залегания определяют предельно допустимые значения давлений для каждого пластов и интервалы их расположения относительно устья скважины (для упрощения работы буровых бригад). Также определяют интервалы пластов с аномально низкими пластовыми давлеными и критическими поглощениями.

После разбуривания ствола скважины в нее спускают обсадной колонны с цементировочным башмаком и муфтой, устанавливаемой над кровлей поглощающего пласта. Причем в качестве муфты применяют муфту с затрубным самоуплотняющимся пакером (цементировочной корзиной), попускающим снизу-вверх. Устье скважины оборудуют как минимум двумя дыхательными трубками – трубками, установленными сбоку на кондукторе (например, кондуктор оборудуют двумя 73 мм боковыми трубками) для сообщения с затрубным пространством обсадной колонны скважины. Производят подъем обсадной колонны от забоя на 0,2 – 1,0 м и вращение обсадной колонны. При этом производят закачку (например, при помощи цементировочного агрегата ЦА-320) цементного раствора пониженной плотности с удельным весом γ=1,55-1,80 г/см³ в объеме достаточном для поднятия до цементировочной корзины и продавливания в принимающий пласт, после чего закачивают утяжеленный цементный тампонажный раствор с удельным весом γ=1,81-1,92 г/см³ для заполнения от затрубного пространства обсадной колонны от забоя до цементировочной корзины, после чего скважину изнутри промывают продавочной жидкостью от излишков тампонажного раствора.. Через дыхательные трубки - трубки, установленные сбоку на кондукторе сверху-вниз с давлением не выше допустимого давления на пласты, цементируют (например, при помощи цементировочного агрегата ЦА-320) верхнюю часть эксплуатационной обсадной колонны тампонажным раствором с удельным весом γ=1,3-1,55 г/см³ также с вращением обсадной колонны. В качестве утяжеленного тампонажного раствора (патенты RU №№ 2169252, 2481374, 2683448 или т.п.) применяют раствор плотностью ρ _у = 1810 – 1920 кг/м³, в качестве облегченного тампонажного раствора (патенты RU №№ 2184211, 2325420, 2523588 или т.п.) – раствор плотностью ρ_о = 1300 – 1550 кг/м³, а в качестве тампонажного раствора средней плотности раствора (патенты RU №№ 2386660, 2471846, 2601878 или т.п.) без большого количества добавок увеличивающих или уменьшающих плотность раствора – раствор плотностью 1555 – 1800 кг/м³. Пределы плотности цементных растворов определены эмпирическим путем. На состав тампонажного раствора авторы не претендуют. При чем закачку ведут с контролем веса обсадной колонны (устьевым индикатором веса) и крутящего момента (динамометрическим датчиком на роторе, вращающим обсадную колонну) для исключения всплытия обсадной колоны и нарушения целостности её резьбовых соединений соответственно. Для месторождений Республики Татарстан (РТ) вес обсадной колонны не должен уменьшаться (всплывать в цементном растворе) более чем на 25 %, а крутящий момент не должен превышать для 146 мм обсадной колонны более 2440 Н⋅м (см. ГОСТ Р 56175-2014). Для ускорения цементирования затрубного пространства обсадной колонны осуществляют закачку цементного раствора по затрубью встречным потоком одновременно с цементированием нижней части обсадной колонны. При этом цементировочная корзина удерживает столб цементного раствора выше интервала поглощающего пласта, не позволяя повышать давление и увеличить поглощения цементного раствора данным пластом. Вращение обсадной колонны после цементирования останавливают и оставляют цементный раствор на технологическую выдержку (ожидание затвердения цемента – ОЗЦ) для получения цементного камня. Вращение обсадной колонны обеспечивает равномерное и полное заполнение затрубного пространства обсадной колонны цементным раствором, исключая образования в цементном камне по всей длине обсадной колонны воздушных и водяных «линз», ухудшающих качество цементирования.

Предлагаемый способ цементирования скважины в условиях аномально низких пластовых давлений позволяет произвести эффективно и надежно за счёт более качественного заполнения затрубного пространства обсадной колонны цементным раствором, при этом для экономической эффективности исключить повышенное поглощение цементного раствора при помощи цементировочной корзины.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано при цементировании обсадных колонн в скважинах различного назначения. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности заполнения затрубного пространства обсадной колонны цементным раствором. Способ цементирования скважины в условиях аномально низких пластовых давлений, включает спуск в скважину обсадной колонны с башмаком и муфтой, устанавливаемой над кровлей поглощающего пласта. Также способ включает продавливание цементного раствора продавочной жидкостью. При продавливании цементного раствора закачивают в заколонное пространство через забой скважины цементный раствор пониженной плотности цементированием нижней части эксплуатационной обсадной колонны с перекрытием зоны поглощения – до муфты и последующей закачкой утяжеленного цементного раствора для перекрытия нижней части обсадной колонны. Далее закачивают в заколонное пространство верхнюю часть эксплуатационной колонны выше муфты до устья скважины. Цементирование обсадной колонны ведут цементными растворами разной плотности. Устье скважины оборудуют как минимум двумя дыхательными трубками – трубками, установленными сбоку на кондукторе, для сообщения с затрубным пространством обсадной колонны скважины. В качестве муфты используют муфту с затрубным самоуплотняющимся пакером, попускающим снизу вверх, – корзиной. В качестве цементного раствора пониженной плотности используют тампонажный раствор с удельным весом =1,55-1,80 г/см³. В качестве утяжеленного цементного раствора – тампонажный раствор с удельным весом =1,81-1,92 г/см³. Для цементирования верхней части эксплуатационной обсадной колонны – тампонажный раствор с удельным весом =1,3-1,55 г/см³. Для цементирования верхней части закачку цементного раствора ведут через дыхательные трубки, сверху вниз с давлением не выше допустимого давления на пласты. Закачку цементного раствора снизу вверх и сверху вниз ведут после предварительного подъема обсадной колонны от забоя на 0,2-1,0 м с вращением обсадной колонны, контролируя вес обсадной колонны и крутящий момент для исключения всплытия обсадной колоны и нарушения целостности её резьбовых соединений соответственно. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ цементирования скважины в условиях аномально низких пластовых давлений, включающий спуск в скважину обсадной колонны с башмаком и муфтой, устанавливаемой над кровлей поглощающего пласта, продавливание цементного раствора продавочной жидкостью, причем при продавливании цементного раствора закачивают в заколонное пространство через забой скважины цементный раствор пониженной плотности цементированием нижней части эксплуатационной обсадной колонны с перекрытием зоны поглощения – до муфты и последующей закачкой утяжеленного цементного раствора для перекрытия нижней части обсадной колонны, далее закачивают в заколонное пространство верхнюю часть эксплуатационной колонны выше муфты до устья скважины, причем цементирование обсадной колонны ведут цементными растворами разной плотности, отличающийся тем, что устье скважины оборудуют как минимум двумя дыхательными трубками – трубками, установленными сбоку на кондукторе, для сообщения с затрубным пространством обсадной колонны скважины, в качестве муфты используют муфту с затрубным самоуплотняющимся пакером, попускающим снизу вверх, – корзиной, в качестве цементного раствора пониженной плотности используют тампонажный раствор с удельным весом =1,55-1,80 г/см³, в качестве утяжеленного цементного раствора – тампонажный раствор с удельным весом =1,81-1,92 г/см³, а для цементирования верхней части эксплуатационной обсадной колонны – тампонажный раствор с удельным весом =1,3-1,55 г/см³, причем для цементирования верхней части закачку цементного раствора ведут через дыхательные трубки – трубки, установленные сбоку на кондукторе, сверху вниз с давлением не выше допустимого давления на пласты, а закачку цементного раствора снизу вверх и сверху вниз ведут после предварительного подъема обсадной колонны от забоя на 0,2-1,0 м с вращением обсадной колонны, контролируя вес обсадной колонны и крутящий момент для исключения всплытия обсадной колоны и нарушения целостности её резьбовых соединений соответственно.

2. Способ цементирования скважины по п.1, отличающийся тем, что цементирование затрубного пространства осуществляют встречным потоком одновременно с цементированием нижней части обсадной колонны.