Способ крепления скважины в осложнённых условиях и устройство для его осуществления Российский патент 2022 года по МПК E21B33/14 E21B28/00 

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к способам крепления скважины и может быть использовано для повышения качества цементирования обсадных колонн в осложнённых условиях и снижения аварийности работ.

Известен способ крепления скважины в осложнённых условиях, включающий измерение технологических параметров, подготовку ствола скважины, спуск обсадной колонны до забоя, обвязку устья входными линиями в обсадную колонну для закачки буферной жидкости, тампонажного (цементного) раствора и продавочной жидкости, выходной линией технологических жидкостей с возможностью их дросселирования при закрытом превентором затрубном пространстве, промывку и цементирование скважины по прямой схеме при избыточном давлении на устье, приготовление при этом тампонажного раствора соответствующей рецептуры с равномерно затворяемым и закачиваемым его объёмом через осреднительную ёмкость, блок манифольдов и цементировочную головку, продавку продавочной жидкостью тампонажного раствора в затрубное пространство, замещение при этом бурового раствора тампонажным раствором с удалением глинистой корки со стенки скважины, ожидание затвердевания цемента (ОЗЦ). В этом способе обсадную колонну цементируют под управляемым забойным давлением, создаваемым дросселирующим элементом в выходной линии при закрытом превентором затрубном пространстве. Для конкретной скважины подбирают буферную и продавочную жидкость, тампонажный материал, рецептуру и свойства тампонажного раствора, определяют режим его закачки и продавки, суммарную продолжительность работ, соответствующую времени образования (загустевания и схватывания раствора) в затрубном пространстве цементного камня. Способ основан на использовании дополнительного параметра при цементировании обсадной колонны, а именно избыточного давления (противодавления) на устьевом дросселирующем элементе для оперативного регулирования давления в скважине в случае возникновения нештатных ситуаций связанных, например с газонефтеводопроявлением (ГНВП), поглощением флюида, гидроразрывом пласта (ГРП), потерей устойчивости ствола, неравномерностью закачки растворов, нарушением сплошности циркулирующих потоков. При необходимости создаваемое начальное избыточное давление на дросселирующем элементе компенсируют соответствующим уменьшением эквивалентной циркуляционной плотности (ЭЦП), а именно “гидростатической” плотности или/и реологических параметров закачиваемых растворов без изменения заданной (отвечающей за турбулентный режим в затрубном пространстве) производительности насосов. Тогда при цементировании обсадной колонны в процессе циркуляции технологических жидкостей появляется возможность в довольно широких пределах оперативно восстанавливать оптимальные условия в скважине путём простого открытия-закрытия дросселирующего элемента и изменения давления на устье, что существенно снижает аварийность работ и повышает качество крепления скважины в осложнённых условиях. При этом способ допускает цементирование при вращении обсадной колонны (в случае вращающегося превентора), а также использование обратной схемы промывки скважины с расположением дросселирующего элемента на цементировочной головке. [См. Цибульский М. А. и др. Цементирование скважин под управляемым давлением. Журнал Бурение и нефть, март, 2019].

Известно устройство для крепления скважины в осложнённых условиях, содержащее измерительные датчики параметров крепления, входную линию для закачки тампонажного раствора через осреднительную ёмкость, блок манифольдов и цементировочную головку в обсадную колонну, входную линию для закачки буферной и продавочной жидкости в обсадную колонну через цементировочную головку, превентор для герметизации затрубного пространства обсадной колонны и выходную линию с дросселирующим элементом [см. Цибульский М. А. и др. Цементирование скважин под управляемым давлением. Журнал Бурение и нефть, март, 2019].

Недостатком способа и обеспечивающего его реализацию устройства является невозможность их использования в благоприятном режиме гидроимпульсного воздействия на тампонажный раствор, продавливаемый в затрубное пространство. Это ведёт к неполному замещению бурового раствора, плохому удалению глинистой корки со стенки скважины и в конечном итоге к снижению качества процесса цементирования.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ крепления скважины в осложнённых условиях, включающий измерение технологических параметров, подготовку ствола скважины, спуск обсадной колонны до забоя, обвязку устья входной линией для закачки в обсадную колонну тампонажного раствора, входной линией для закачки в обсадную колонну буферной и продавочной жидкости, выходной линией технологических жидкостей из затрубного пространства, промывку скважины, приготовление на устье технологических жидкостей и цементирование скважины по прямой схеме, использование при этом тампонажного раствора согласно рецептуре конкретной скважины с равномерно затворяемым и закачиваемым в обсадную колонну определённым его объёмом через осреднительную ёмкость, блок манифольдов и цементировочную головку, продавку тампонажного раствора продавочной жидкостью в затрубное пространство при гидроимпульсном воздействии на устье с помощью гидромолота, установленного во входной линии закачки тампонажного раствора до цементировочной головки, замещение при этом бурового раствора тампонажным раствором с удалением глинистой корки со стенки скважины, ожидание затвердевания цемента и продолжение гидроимпульсного воздействия гидромолотом на тампонажный раствор до конца его схватывания, но уже через затрубное пространство на устье в выходной линии. Этот способ основан на использовании мощных периодических импульсов давления большой амплитуды для повышения эффективности замещения бурового раствора и удаления глинистой корки в затрубном пространстве, что способствует качественному цементированию скважины [патент на изобретение RU 2 736 429].

Известно устройство для крепления скважины в осложнённых условиях, содержащее измерительные датчики параметров крепления, входную линию для закачки тампонажного раствора через осреднительную ёмкость, блок манифольдов и цементировочную головку в обсадную колонну, входную линию для закачки буферной и продавочной жидкости в обсадную колонну через цементировочную головку, выходную линию технологических жидкостей и гидромолот, подключаемый либо к входной линии закачки тампонажного раствора и цементировочной головке, либо к выходной линии тампонажного раствора и затрубному пространству, при этом гидромолот содержит буровой рукав, задвижку, излучатель силовых волн, трубопроводы для подачи и сброса масла и воздуха, компрессор, насосную станцию и устройство управления [патент на изобретение RU 2 736 429].

Недостатком способа и обеспечивающего его реализацию устройства – гидромолота является то, в сложных термобарических условиях глубокой скважины отсутствует возможность регулируемого опережающего от забоя к устью последовательного схватывания столба тампонажного раствора в затрубном пространстве, что снижает качество цементирования, ведёт к заколонным проявлениям, межколонным давлениям (МКД) и другим осложнениям. Кроме того не учитываются отрицательные последствия удаления глинистой корки, связанные с проникновением тампонажного раствора в пласт, его обезвоживанием и преждевременным схватыванием на уровне высокопроницаемых интервалов, что также снижает качество цементирования обсадных колонн. Сам гидромолот представляет собой довольно сложное устройство с большим рассеиванием энергии на устье и низким К.П.Д. В случае подключения гидромолота к входной линии гидроимпульсы через толстую стенку обсадной колонны практически не передаются и не воздействуют на тампонажный раствор в затрубном пространстве. Необходимое воздействие происходит только после выхода гидроимпульсов из башмака обсадной колонны, но уже с меньшей амплитудой вследствие затухания сигнала. Аналогично при подключении гидромолота к выходной линии гидроимпульсы не передаются внутрь обсадной колонны, а распространяются только по затрубному пространству. Отмеченные явления также снижают качество и технологичность цементирования скважины. Кроме того использование при креплении скважины мощных периодических импульсов давления (гидроимпульсов) большой амплитуды приводит к вынужденному раскачиванию обсадной колонны. В глубоких скважинах при резонансных явлениях тяжёлой обсадной колонны это ведёт к разгерметизации соединений, нарушению целостности колонны вплоть до её разрушения и падения.

Задача изобретения – расширение функциональных возможностей способа, повышение эффективности работы устройства в сложных геолого-технологических условиях.

Техническим результатом изобретения является повышение качества цементирования обсадных колонн при снижении аварийности работ, а также упрощение устройства и повышение надёжности его работы.

Для достижения этого технического результата в способе крепления скважины в осложнённых условиях, включающем измерение технологических параметров, подготовку ствола скважины, спуск обсадной колонны до забоя, обвязку устья входной линией для закачки в обсадную колонну тампонажного раствора, входной линией для закачки в обсадную колонну буферной и продавочной жидкости, превентором для герметизации затрубного пространства обсадной колонны, выходной линией технологических жидкостей с возможностью их дросселирования, промывку скважины, приготовление на устье технологических жидкостей и цементирование скважины по прямой схеме при избыточном давлении на устье, приготовление при этом тампонажного раствора согласно рецептуре конкретной скважины с равномерно затворяемым и закачиваемым в обсадную колонну определённым его объёмом через осреднительную ёмкость, блок манифольдов и цементировочную головку, продавку тампонажного раствора продавочной жидкостью в затрубное пространство с гидроимпульсным воздействием на устье, замещение при этом бурового раствора тампонажным раствором с удалением глинистой корки со стенки скважины, ожидание затвердевания цемента и продолжение гидроимпульсного воздействия на тампонажный раствор до конца его схватывания в затрубном пространстве, при этом согласно изобретению равномерно затворяемый на устье объём тампонажного раствора разбивают на 5 ÷ 10 равных порций, которые последовательно закачивают в обсадную колонну с нарастающей активацией путём их ультразвуковой обработки, при этом в каждой закачиваемой порции раствора пропорционально повышают мощность ультразвукового на них воздействия для создания в затрубном пространстве опережающего от забоя к устью последовательного схватывания указанных порций столба тампонажного раствора, а гидроимпульсное воздействие на устье проводят одновременно в низкочастотном и высокочастотном диапазоне с использованием двух дросселирующих элементов, причём продавку тампонажного раствора в затрубное пространство проводят при ускоренном замещении удаляемой глинистой корки цементной коркой, которую интенсивно наращивают на стенке скважины из дополнительной пачки водно-цементной суспензии продавливаемой перед тампонажным раствором в режиме одновременного высокочастотного и низкочастотного гидроимпульсного воздействия, а по окончании продавки тампонажного раствора в затрубное пространство переходят на поверхностную циркуляцию продавочной жидкости и продолжают гидроимпульсное воздействие как внутри, так и с наружи обсадной колонны, при этом гидроимпульсы высокой частоты используют для дополнительного замедления схватывания столба тампонажного раствора в верхней его части, а гидроимпульсы низкой частоты для дополнительного ускорения схватывания столба в нижней его части, при этом контролируют воздействие гидроимпульсов на резонансно-силовые параметры обсадной колонны путём прямого измерения её веса и при нарастании колебаний веса колонны изменяют параметры гидроимпульсного воздействия, например, фазу, частоту или амплитуду гидроимпульсов на дросселирующем элементе, исключая наступление резонанса и нарушение обсадной колонны.

Для достижения технического результата в устройстве крепления скважины в осложнённых условиях, содержащем входную линию для закачки тампонажного раствора в обсадную колонну через осреднительную ёмкость, блок манифольда и цементировочную головку, ультразвуковой активатор тампонажного раствора, входную линию для закачки буферной и продавочной жидкости в обсадную колонну через цементировочную головку, превентор для герметизации затрубного пространства обсадной колонны, первую выходную линию с первым дросселирующим элементом, измерительные датчики параметров крепления скважины, при этом согласно изобретению устройство содержит вторую выходную линию со вторым дросселирующим элементом и дополнительную входную линию с краном для поверхностной циркуляции продавочной жидкости одновременно через первый и второй дросселирующие элементы и затрубное пространство, при этом вход дополнительной входной линии связан с цементировочной головкой, а её выход со второй выходной линией до второго дросселирующего элемента по ходу потока продавочной жидкости, причём каждый дросселирующий элемент выполнен в виде шарового затвора, открытием-закрытием которого управляет свой независимый вентильный двигатель через блок контроля, электрически связанный также с датчиком веса обсадной колонны, расходомером закачки тампонажного раствора и регулируемым по мощности воздействия ультразвуковым активатором, установленным в осреднительной ёмкости.

В отличие от известного способа и реализующего его устройства, предлагаемое изобретение позволяет уменьшить отрицательные последствия (уход тампонажного раствора в пласт, его обезвоживание и преждевременное неравномерное схватывание) удаления глинистой корки путём ускоренного замещения её цементной коркой. Для этого гидроимпульсное воздействие проводят одновременно в низкочастотном и высокочастотном диапазоне в процессе наращивания цементной корки из дополнительной пачки водно-цементной суспензии продавливаемой перед основным тампонажным раствором. При этом использование шаровых затворов с вентильными двигателями в выходных подпревенторных линиях позволяет максимально просто и надёжно создавать в скважине гидроимпульсы необходимой амплитуды и частоты. Кроме того при закачке имеется возможность нарастающей активации – регулируемой ультразвуковой обработки тампонажного раствора для создания в затрубном пространстве опережающего от забоя к устью схватывания раствора. При этом одновременное использование в период ОЗЦ гидроимпульсов низкой и высокой частоты позволяет дополнительно регулировать и улучшать схватывание столба тампонажного раствора в затрубном пространстве. Кроме того прямой контроль воздействия гидроимпульсов большой амплитуды на резонансно-силовые параметры тяжёлой обсадной колонны позволяет избежать аварийных ситуаций и нарушений колонны.

Предлагаемый способ крепления скважины в осложнённых условиях и устройство для его осуществления поясняются чертежами, представленными фиг.1- 4.

На фиг. 1 дана схема устройства для крепления скважины в осложнённых условиях, начало продавки тампонажного раствора в затрубное пространство; на фиг. 2 – то же, окончание продавки тампонажного раствора в затрубное пространство и переход на поверхностную циркуляцию продавочной жидкости; на фиг. 3 – часть приствольной зоны А на фиг. 1, увеличенный масштаб; на фиг. 4 – диаграмма колебаний веса обсадной колонны на устье скважины под воздействием периодических гидроимпульсов.

Устройство для крепления ствола 1 скважины в осложнённых условиях (фиг.1, 2) содержит входную линию 2 для закачки тампонажного раствора 3 через осреднительную ёмкость 4, блок манифольдов 5 и цементировочную головку 6 в обсадную колонну 7. Кроме того устройство содержит входную линию 8 для закачки в скважину через цементировочную головку 6 буферной жидкости 9, пачки 10 водно-цементной суспензии и продавочной жидкости 11, а также превентор 12 для герметизации затрубного пространства 13. В затрубном пространстве 13 обсадной колонны 7 под превентором 12 установлены первая 14 и вторая 15 выходные линии с первым 16 и вторым 17 дросселирующими элементами, что позволяет прокачивать через скважину технологические жидкости, в том числе буровой раствор 18 при избыточном давлении на устье. Кроме того, устройство содержит дополнительную входную линию 19 с краном 20 для поверхностной циркуляции продавочной жидкости 11 одновременно через первый 16 и второй 17 дросселирующие элементы и затрубное пространство 13. При этом вход дополнительной входной линии 19 связан с входной линией 8 и цементировочной головкой 6, а её выход со второй выходной линией 15 до второго 17 дросселирующего элемента по ходу потока технологической жидкости. Первый 16 и второй 17 дросселирующие элементы выполнены в виде однотипных шаровых затворов 21, 22. Открытием-закрытием каждого шарового затвора 21, 22 управляет свой вентильный двигатель 23, 24 через блок контроля 25. При работе цементировочных агрегатов (не показано) использование шаровых затворов 21, 22 с вентильными двигателями 23, 24 в выходных подпревенторных линиях 14, 15 позволяет одновременно и максимально просто создавать в скважине гидроимпульсы необходимой амплитуды и разной частоты. Первый дросселирующий элемент 16 по команде блока контроля 25 работает в области низких частот с относительно большим временем закрытия шарового затвора 21. Высокоамплитудные гидроимпульсы низкой частоты дросселирующего элемента 16 используются (по прототипу) при замещении бурового раствора 18 тампонажным раствором 3 и удалении глинистой корки (не показано) со стенки ствола 1 скважины. Для улучшения удаления глинистой корки в качестве буферной жидкости 9 может быть использован, например раствор HimDestra (разглинизатор по ТУ 2458-146-14023401-2016). Малоамплитудные гидроимпульсы низкой частоты дросселирующего элемента 16 с малым затуханием и большой глубиной распространения используются при поверхностной циркуляции продавочной жидкости 11 (фиг. 2) на стадии твердения тампонажного раствора 3 для ускорения схватывания (эффект реопексии) в нижней его забойной части. Второй дросселирующий элемент 17 по команде блока контроля 25 работает в области высоких частот с относительно малым временем закрытия шарового затвора 22. При продавке (фиг. 1) гидроимпульсы высокой частоты дросселирующего элемента 17 используются для оперативного наращивания на проницаемом пласте 26 цементной корки 27 (фиг. 3) взамен удаляемой глинистой корки. Цементная корка 27 интенсивно наращивается в режиме высокочастотного воздействия на дополнительную пачку 10 водно-цементной суспензии объёмом 3 ÷ 5м³ (устанавливается практическим путём) продавливаемым перед основным тампонажным раствором 3. Пачка 10 водно-цементной суспензии большой водоотдачи в отличие от тампонажного раствора 3 содержит более грубый помол преобладающей фракции цементного порошка (>30÷50 мкм) способствующий в высокочастотном гидроимпульсном поле быстрому формированию цементной корки 27 на проницаемом пласте 26. При этом высокочастотное гидроимпульсное воздействие также способствует качественной кольматации 28 проницаемого пласта 26 мелкой фракцией порошка пачки 10 водно-цементной суспензии, что в дальнейшем ограничивает отрицательный приток пластового флюида, особенно в зонах АВПД. Относительно высокоамплитудные гидроимпульсы высокой частоты дросселирующего элемента 17 с большим затуханием и небольшой глубиной распространения используются при поверхностной циркуляции продавочной жидкости 11 (фиг. 2) на стадии твердения тампонажного раствора 3 для замедления схватывания (эффект тиксотропии) в верхней его части. Блок контроля 25 также электрически связан с датчиком веса 29 обсадной колонны 7, расходомером 30 закачки тампонажного раствора 3 и регулируемым по мощности воздействия ультразвуковым активатором 31, установленным в осреднительной ёмкости 4. Известно, что обработки тампонажного раствора ультразвуком в течение всего нескольких минут значительно сокращают время его схватывания до 165 мин и более в зависимости от мощности воздействия. [См. 1. Пименов А. И. и др. Влияние ультразвуковой обработки цементного теста на физико-механические свойства цементных композиций. Научно-технический и производственный журнал. Строительные материалы, октябрь, 2015. С. 82-85. 2. Кузнецов О. Л., Ефимова С. А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. М. Недра. 1983. С. 116-117]. Ультразвуковой активатор 31 в зависимости от радиуса действия включает несколько элементов, которые равномерно располагают в осреднительной ёмкости 4 и используют для последовательного повышения активации каждой очередной порции 32 (фиг. 1) порядка 10 м³ тампонажного раствора 3, прокачиваемой в течение нескольких минут через осреднительную ёмкость 4 (объёмом 10 м³). При обработке очередной порции 32 тампонажного раствора 3 повышение мощности ультразвукового активатора 31 задаётся блоком контроля 25 на определённую величину исходя из опыта работ и свойств данного раствора. Как показывают расчёты, в зависимости от глубины скважины весь закачиваемый объём тампонажного раствора 3 при ультразвуковой обработке достаточно разбить на 5 ÷ 10 равных порций 32 для получения необходимых условий опережающего схватывания столба раствора в затрубном пространстве 13. При этом минимальное число (5) порций 32 достаточно для необходимой дифференциации процесса схватывания столба раствора в затрубном пространстве 13, а максимальное число (10) порций 32 избыточно и ведёт к усложнению. На входных линиях 2, 8 установлены вспомогательные краны 33 и 34. Диаграмма колебаний веса 35 обсадной колонны 7 в процессе продавки тампонажного раствора 3 и действии периодических гидроимпульсов (фиг. 4) содержит аномалию 36, выходящую за установленный порог 37 при приближении к опасному разрушающему резонансу. Датчик 29 веса обсадной колонны 7 установлен, например, между цементировочной головкой 6 и ротором 38.

Способ осуществляется следующим образом.

При креплении скважины в осложнённых условиях проводят подготовку её ствола 1 (фиг. 1) к цементированию и спускают обсадную колонну 7 до забоя. Обвязывают устье скважины осреднительной ёмкостью 4, блоком манифольдов 5, цементировочной головкой 6, входными линиями 2 и 8. В затрубном пространстве 13 под превентором 12 дополнительно к первой 14 устанавливают вторую 15 выходную линию соответственно с первым 16 и вторым 17 дросселирующими элементами в виде шаровых затворов 21, 22 и вентильных двигателей 23, 24, которые подключают к блоку контроля 25. К блоку контроля 25 также подключают датчик веса 29 обсадной колонны 7, расходомер 30 закачки тампонажного раствора 3 и регулируемый по мощности воздействия ультразвуковой активатор 31 в виде нескольких элементов, установленных в осреднительной ёмкости 4. Для возможности поверхностной циркуляции продавочной жидкости через дросселирующие элементы 16, 17 и затрубное пространство 13 монтируют дополнительную входную линию 19 с краном 20. Далее промывают ствол 1, приготавливают технологические жидкости согласно заданной рецептуре конкретной скважины и по прямой схеме проводят цементирование обсадной колонны 7. В цементировочную головку 6 по входным линиям 2, 8 (манипулируют кранами 33, 34; кран 20 дополнительной входной линии 19 закрыт) цементировочными агрегатами закачивают буферную жидкость 9, пачку водно-цементной суспензии 10 и тампонажный раствор 3. На выходе из скважины технологические жидкости прокачиваются с избыточным давлением на устье через дросселирующие элементы 16, 17 выходных линий 14, 15 (при закрытом положении превентора 12). При этом равномерно затворяют и закачивают в обсадную колонну 7 определённый объёмом тампонажного раствора 3 через осреднительную ёмкость 4, блок манифольдов 5 и цементировочную головку 6. При закачке весь объём тампонажного раствора 3 с помощью расходомера 30 разбивают на 5 ÷ 10 равных порций 32. Эти, например шесть порций 32 тампонажного раствора 3 последовательно закачивают в обсадную колонну 7 с нарастающей их активацией путём ультразвуковой обработки в течение нескольких минут нахождения каждой порции 32 в осреднительной ёмкости 4. Для этого используют регулируемый по мощности воздействия ультразвуковой активатор 31 представленный несколькими элементами, равномерно рассредоточенными в осреднительной ёмкости 4. По сигналу расходомера 30 после закачки в обсадную колонну 7 очередной порции 32 порядка 10 м³ блок контроля 25 ступенчато на определённую величину повышает мощность ультразвукового активатора 31, который в новом более мощном режиме в течение нескольких минут воздействует на следующую прокачиваемую через осреднительную ёмкость 4 порцию 32 тампонажного раствора 3. Таким образом, после закачки и продавки всего объёма тампонажного раствора 3 в затрубном пространстве 13 образуется столб из шести порций 32 с опережающим от забоя к устью их последовательным схватыванием. Продавку тампонажного раствора 3 в затрубное пространство 13 проводят при гидроимпульсном воздействии на устье одновременно в низкочастотном и высокочастотном диапазоне, используя два дросселирующих элемента 16, 17. При этом с помощью блока контроля 25 и вентильных двигателей 23, 24 периодически закрывают-открывают шаровые затворы 21, 22 на двух разных частотах и в затрубном пространстве 13 создают гидроимпульсы низкой (на дросселирующем элементе 16) и гидроимпульсы высокой (на дросселирующем элементе 17) частоты. При этом буровой раствор 18 замещают тампонажным раствором 3, а удаляемую глинистую корку – цементной коркой 27 (фиг. 3), которую интенсивно наращивают за счёт дополнительного высокочастотного воздействия дросселирующим элементом 17 на пачку 10 водно-цементной суспензии продавливаемой перед тампонажным раствором 3. Оперативно создаваемая цементная корка 27 препятствует уходу в проницаемый пласт 26 тампонажного раствора 3, его обезвоживанию и неравномерному по глубине схватыванию. Высокочастотное гидроимпульсное воздействие дросселирующим элементом 17 также способствует качественной кольматации 28 проницаемого пласта 26 мелкой фракцией порошка пачки 10 водно-цементной суспензии. По окончании продавки тампонажного раствора 3 (фиг. 2) открывают кран 20 дополнительной входной линии 19, закрывают кран 33 и переходят на поверхностную циркуляцию продавочной жидкости 11 в течение времени ОЗЦ через первый 16 и второй 17 дросселирующие элементы и затрубное пространство 13. При этом с помощью блока контроля 25, вентильных двигателей 23, 24 и шаровых затворов 21, 22 продолжают гидроимпульсное воздействие одновременно в низкочастотном и высокочастотном диапазоне на тампонажный раствор 3. Причём это воздействие осуществляют как внутри (через входные линии 19, 8 и цементировочную головку 6), так и с наружи обсадной колонны 7 по затрубному пространству 13. При этом гидроимпульсы высокой частоты с большим затуханием, посылаемые дросселирующим элементом 17 достаточно большой амплитуды, нарушают структурирование и дополнительно замедляют схватывание (эффект тиксотропии) только верхней части столба раствора. Одновременно гидроимпульсы низкой частоты малого затухания, посылаемые дросселирующим элементом 16 пониженной амплитуды, доходят до забоя и дополнительно ускоряют схватывание столба раствора (эффект реопексии) в нижней его части. В процессе продавки тампонажного раствора 3 с помощью датчика 29 и блока контроля 25 непосредственно измеряют колебания веса 35 обсадной колонны 7 под воздействием мощных периодических импульсов давления – гидроимпульсов (фиг. 4). В случае приближения к резонансным явлениям и выходе аномалии 36 веса колонны за установленный порог 37 сразу же через блок контроля 25, вентильные двигатели 23, 24 и шаровые затворы 21, 22 изменяют параметры гидроимпульсного воздействия, например, частоту или фазу посылки гидроимпульсов. Это позволяет оперативно избежать опасный разрушающий обсадную колонну 7 резонанс без прекращения процесса цементирования в прежнем режиме.

Использование предлагаемого способа и устройства позволяет уменьшить отрицательные последствия (уход тампонажного раствора в пласт, его обезвоживание и преждевременное неравномерное схватывание) удаления глинистой корки путём ускоренного замещения её цементной коркой, обладающей хорошим сцеплением с основным раствором. Для повышения трещиностойкости крепи скважины в условиях жестких динамических нагрузок цементная корка, формируемая из дополнительной пачки водно-цементной суспензии, может дополнительно включать армирующее, например базальтовое волокно. Использование шаровых затворов с вентильными двигателями в выходных подпревенторных линиях возможно разного проходного сечения позволяет одновременно и максимально просто создавать в скважине гидроимпульсы необходимой амплитуды и различной частоты. Регулируемая ультразвуковая обработка закачиваемых отдельных порций тампонажного раствора позволяет точно без дополнительной химии получить необходимое в затрубном пространстве опережающее от забоя к устью схватывание раствора. Использование в период ОЗЦ гидроимпульсов одновременно низкой и высокой частоты позволяет дополнительно регулировать и улучшать схватывание столба тампонажного раствора в затрубном пространстве. Кроме того прямой контроль воздействия гидроимпульсов большой амплитуды на резонансно-силовые параметры тяжёлой обсадной колонны способствует снижению аварийных ситуаций при креплении глубоких скважин в осложнённых условиях, в том числе зонах АВПД, многолетнемерзлых породах (ММП) многолетнемерзлых породах (ММП) и других. Использование предлагаемого способа и устройства также возможно при обратной схеме цементирования (с установкой дросселирующих элементов на цементировочной головке), креплении горизонтальных окончаний скважин, а также непосредственно в процессе углубления скважины в открытом стволе, например для улучшения тампонирования поглощающих интервалов цементным раствором, вязкоупругими смесями (ВУСами) и другими агентами.

Заявлена группа изобретений: способ крепления скважины в осложнённых условиях и устройство для его осуществления. Техническим результатом является повышение качества цементирования обсадных колонн при снижении аварийности работ, упрощение устройства и повышение надёжности его работы. Способ включает подготовку ствола скважины. Также способ включает спуск обсадной колонны до забоя, обвязку устья входной линией для закачки в обсадную колонну тампонажного раствора. Также способ включает обвязку входной линией для закачки в обсадную колонну буферной и продавочной жидкости, обвязку превентором для герметизации затрубного пространства обсадной колонны, обвязку выходной линией технологических жидкостей с возможностью их дросселирования. Также способ включает промывку скважины, приготовление на устье технологических жидкостей и цементирование скважины по прямой схеме при избыточном давлении на устье. Также способ включает приготовление тампонажного раствора согласно рецептуре конкретной скважины с равномерно затворяемым и закачиваемым в обсадную колонну определённым его объёмом через осреднительную ёмкость, блок манифольдов и цементировочную головку. Также способ включает продавку тампонажного раствора продавочной жидкостью в затрубное пространство с гидроимпульсным воздействием на устье, замещение бурового раствора тампонажным раствором с удалением глинистой корки со стенки скважины, ожидание затвердевания цемента и продолжение гидроимпульсного воздействия на тампонажный раствор до конца его схватывания в затрубном пространстве. Равномерно затворяемый на устье объём тампонажного раствора разбивают на 510 равных порций, которые последовательно закачивают в обсадную колонну с нарастающей активацией путём их ультразвуковой обработки. В каждой закачиваемой порции раствора пропорционально повышают мощность ультразвукового на них воздействия для создания в затрубном пространстве опережающего от забоя к устью последовательного схватывания указанных порций столба тампонажного раствора Гидроимпульсное воздействие на устье проводят одновременно в низкочастотном и высокочастотном диапазоне с использованием двух дросселирующих элементов. Продавку тампонажного раствора в затрубное пространство проводят при ускоренном замещении удаляемой глинистой корки цементной коркой, которую интенсивно наращивают на стенке скважины из дополнительной пачки водно-цементной суспензии продавливаемой перед тампонажным раствором в режиме одновременного высокочастотного и низкочастотного гидроимпульсного воздействия. По окончании продавки тампонажного раствора в затрубное пространство переходят на поверхностную циркуляцию продавочной жидкости и продолжают гидроимпульсное воздействие как внутри, так и с наружи обсадной колонны. Гидроимпульсы высокой частоты используют для дополнительного замедления схватывания столба тампонажного раствора в верхней его части, а гидроимпульсы низкой частоты для дополнительного ускорения схватывания столба в нижней его части. Также контролируют воздействие гидроимпульсов на резонансно-силовые параметры обсадной колонны путём прямого измерения её веса и при нарастании колебаний веса колонны изменяют параметры гидроимпульсного воздействия. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ крепления скважины в осложнённых условиях, включающий подготовку ствола скважины, спуск обсадной колонны до забоя, обвязку устья входной линией для закачки в обсадную колонну тампонажного раствора, входной линией для закачки в обсадную колонну буферной и продавочной жидкости, превентором для герметизации затрубного пространства обсадной колонны, выходной линией технологических жидкостей с возможностью их дросселирования, промывку скважины, приготовление на устье технологических жидкостей и цементирование скважины по прямой схеме при избыточном давлении на устье, приготовление тампонажного раствора согласно рецептуре конкретной скважины с равномерно затворяемым и закачиваемым в обсадную колонну определённым его объёмом через осреднительную ёмкость, блок манифольдов и цементировочную головку, продавку тампонажного раствора продавочной жидкостью в затрубное пространство с гидроимпульсным воздействием на устье, замещение бурового раствора тампонажным раствором с удалением глинистой корки со стенки скважины, ожидание затвердевания цемента и продолжение гидроимпульсного воздействия на тампонажный раствор до конца его схватывания в затрубном пространстве, отличающийся тем, что равномерно затворяемый на устье объём тампонажного раствора разбивают на 510 равных порций, которые последовательно закачивают в обсадную колонну с нарастающей активацией путём их ультразвуковой обработки, при этом в каждой закачиваемой порции раствора пропорционально повышают мощность ультразвукового на них воздействия для создания в затрубном пространстве опережающего от забоя к устью последовательного схватывания указанных порций столба тампонажного раствора, а гидроимпульсное воздействие на устье проводят одновременно в низкочастотном и высокочастотном диапазоне с использованием двух дросселирующих элементов, причём продавку тампонажного раствора в затрубное пространство проводят при ускоренном замещении удаляемой глинистой корки цементной коркой, которую интенсивно наращивают на стенке скважины из дополнительной пачки водно-цементной суспензии продавливаемой перед тампонажным раствором в режиме одновременного высокочастотного и низкочастотного гидроимпульсного воздействия, а по окончании продавки тампонажного раствора в затрубное пространство переходят на поверхностную циркуляцию продавочной жидкости и продолжают гидроимпульсное воздействие как внутри, так и с наружи обсадной колонны, при этом гидроимпульсы высокой частоты используют для дополнительного замедления схватывания столба тампонажного раствора в верхней его части, а гидроимпульсы низкой частоты для дополнительного ускорения схватывания столба в нижней его части, при этом контролируют воздействие гидроимпульсов на резонансно-силовые параметры обсадной колонны путём прямого измерения её веса и при нарастании колебаний веса колонны изменяют параметры гидроимпульсного воздействия, например фазу, частоту или амплитуду гидроимпульсов на дросселирующем элементе, исключая наступление резонанса и нарушение обсадной колонны.

2. Устройство для крепления скважины в осложнённых условиях, содержащее входную линию для закачки тампонажного раствора в обсадную колонну через осреднительную ёмкость, блок манифольда и цементировочную головку, ультразвуковой активатор тампонажного раствора, входную линию для закачки буферной и продавочной жидкости в обсадную колонну через цементировочную головку, превентор для герметизации затрубного пространства обсадной колонны, первую выходную линию с первым дросселирующим элементом, измерительные датчики параметров крепления скважины, отличающееся тем, что устройство содержит вторую выходную линию со вторым дросселирующим элементом, первая и вторая выходные линии с первым и вторым дросселирующими элементами установлены под превентором, устройство также содержит дополнительную входную линию с краном для поверхностной циркуляции продавочной жидкости одновременно через первый и второй дросселирующие элементы и затрубное пространство, при этом вход дополнительной входной линии связан с цементировочной головкой и с входной линией для закачки буферной и продавочной жидкости, а её выход со второй выходной линией до второго дросселирующего элемента по ходу потока продавочной жидкости, первый дросселирующий элемент работает в области низких частот, второй дросселирующий элемент работает в области высоких частот, причём каждый дросселирующий элемент выполнен в виде шарового затвора, открытием-закрытием которого управляет свой независимый вентильный двигатель через блок контроля, электрически связанный также с датчиком веса обсадной колонны, расходомером закачки тампонажного раствора и регулируемым по мощности воздействия ультразвуковым активатором, установленным в осреднительной ёмкости.