Гидродинамический способ проверки надежности изоляции зон поглощения, проводимый перед цементированием обсадных колонн Российский патент 2024 года по МПК E21B47/06 E21B33/138 

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к технологии заканчивания скважин.

Известно, что поглощения тампонажных растворов вызываются в основном ростом давлений в затрубном пространстве, возникающих по причинам значительного превышения, в большинстве случаев, плотности тампонажного раствора над плотностью бурового раствора.

Гидростатическое давление на поглощающий пласт возрастает в сравнении с давлением столба бурового раствора на величину, обусловленную разностью плотностей тампонажного и глинистого растворов. Следовательно, для успешного цементирования и подъема цемента на заданную высоту, необходимо проводить испытание проницаемых горизонтов на их способность выдерживать расчетное давление цементирования, то есть проводить опрессовку. Опрессовка открытой части ствола скважины перед спуском и цементированием обсадных колонн производится для уточнения степени кольмотации поглощающих каналов с целью предупреждения поглощения тампонажного раствора в процессе крепления скважины.

Если проводятся работы по установке цементных мостов, то надежность изоляции зоны поглощения также проверяют опрессовкой тем давлением, которое будет действовать на нее в конце цементирования очередной обсадной колонны. В качестве опрессовочной используют буровой раствор, часто с наполнителем. Из источника информации Соловьев Е. М. Задачник по заканчиванию скважин. - М.: Недра, 1997. — с. 165-273 [1] известно, что давление на устье при опрессовке должно быть

где р_пц - ожидаемое наибольшее давление на подошву рассматриваемой зоны на глубине z_п в конце цементирования, Па;

g - ускорение свободного падения, 9,8 м/с²;

z_п - глубина зоны подошвы рассматриваемой зоны поглощения;

ρ_оп - плотность опрессовочной жидкости (обычно бурового раствора), кг/м³.

Если проверяется на герметичность продуктивный горизонт на забое скважины и в качестве опрессовочной жидкости используется буровой раствор, то давление опрессовки совпадает с давлением в конце цементирования (конца продавки).

Технология опрессовки открытого ствола, как и способ проверки надежности изоляции зоны поглощения, известная из источника информации [1], имеет следующие недостатки. Опрессовка открытого ствола по существу должна имитировать возрастание давления при цементировании обсадных колонн. Однако имитация по вышеописанной технологии не является корректной, поскольку не учитывает влияние движения жидкостей на поглощающую способность проницаемых пород, которая может приводить к размыву глинистой кольматационной корки. В связи с этим, как показывает опыт бурения скважин, иногда при цементировании происходит поглощение тампонажного раствора, несмотря на то, что по результатам опрессовки ствол скважины был признан герметичным.

В настоящем изобретении предлагается новый гидродинамический способ опрессовки открытого ствола скважины с целью определения надежности изоляции зон поглощения при бурении.

Техническим результатом, на достижение которого направлен заявленный способ, является повышение качества цементирования и его эффективности за счет сокращения затрат нa строительство скважины путем предупреждения возникновения осложнений и затрат на их ликвидацию.

Указанный технический результат достигается за счет того, что вместо существующего статического способа опрессовки применяется гидродинамический способ проверки надежности изоляции зон поглощения, проводимый перед цементированием обсадных колонн, заключающийся в том, что спускают свободный конец бурильной колонны на забой скважины, соединяют ее с емкостью с опрессовочной жидкостью, герметизируют заколонное пространство превентором, закачивают опрессовочную жидкость в бурильную колонну, с помощью задвижки на блоке дросселирования ступенчато создают избыточное давление Δр в кольцевом пространстве скважины до расчётного давления опрессовки, при этом избыточное давление формируют в процессе промывки скважины опрессовочной жидкостью с подачей, обеспечивающей скорость ее движения, равную предполагаемой скорости движения тампонажного и бурового растворов в кольцевом пространстве скважины при цементировании, также при каждом значении величины избыточного давления фиксируют наличие или отсутствие поглощения путем сопоставления количества закачанной и выходящей из скважины опрессовочной жидкости, а конечное давление опрессовки определяют по формуле:

где η₁ и η₂ - структурная вязкость соответственно бурового и цементного растворов, Пуаз;

р_пц - ожидаемое наибольшее давление на подошву рассматриваемой зоны на глубине z_п в конце цементирования, Па;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

z_п - глубина зоны подошвы рассматриваемой зоны поглощения;

ρ_оп - плотность опрессовочной жидкости (обычно бурового раствора), кг/м³.

В качестве опрессовочной жидкости используют фактический буровой раствор, применяемый для промывки скважины. Свободный конец бурильной колонны спускают на глубину подошвы проницаемого пласта, где возможно возникновение поглощения при цементировании. К бурильной колонне через стояк и нагнетательную линию обвязывают цементировочные агрегаты в количестве не менее одного. Устье скважины герметизируется превентором, открывается задвижка на рабочей выкидной линии, к блоку задвижек для сбора выходящего из скважины бурового раствора присоединяют цементировочные агрегаты ЦА=320 в количестве не менее одного. В мерные емкости цементировочных агрегатов набирают буровой раствор. С помощью цементировочного агрегата, обвязанного с бурильной колонной, начинают промывку скважины с производительностью, обеспечивающей скорость движения опрессовочной жидкости в кольцевом пространстве скважины равной предполагаемой максимальной скорости движения тампонажного и бурового растворов в кольцевом пространстве скважины при цементировании, определяемой по формуле (2):

где ν - скорость движения растворов в кольцевом пространстве, м/с,

Q - подача (производительность) цементировочного агрегата, м³/с,

R - радиус скважины, м,

r - наружный радиус обсадной колонны, м.

После одного цикла промывки, с помощью дроссельной задвижки на блоке начинают ступенчато создавать избыточное давление в кольцевом пространстве скважины: 1,0 МПа, 2 МПа и т. д. При каждом значении величины избыточного давления фиксируют наличие или отсутствие поглощения, путем сопоставления количества закачанного и выходящего из скважины бурового раствора. Контроль осуществляют с помощью фиксирования объемов бурового раствора в мерниках цементировочных агрегатов на входе и выходе.

Если эти объемы не совпадают, т.е. скважина поглощает буровой раствор, фиксируют давление, при котором началось поглощение, и при этом давлении проводят циркуляцию бурового раствора, в который, в зависимости от степени герметичности ствола скважины, вводят наполнители различных типоразмеров (от 0,1 мм до 5 мм) в количестве, находящемся в зависимости от степени негерметичности ствола. Циркуляцию с наполнителем осуществляют до тех пор, пока не прекратится поглощение. В такой последовательности постепенно доводят величину избыточного давления в скважине до величины расчетного давления опрессовки. После чего наполнитель из раствора удаляют, и процесс опрессовки повторяют. Таким образом, имитируют процесс цементирования скважины в динамике, и проверяют надежность изоляции зон поглощения, то есть способность их выдержать повышение гидравлического давления в скважине при цементировании.

Однако приемистость пластом цементного и бурового раствора различна, в связи с этим давление опрессовки необходимо корректировать с учетом разницы в реологии тампонажного и бурового раствора.

Авторами теоретически доказано, что поглощающая способность пласта по отношению к цементному раствору будет во столько раз меньше, во сколько раз структурная вязкость цементного раствора больше структурной вязкости бурового раствора. Тогда формула (1) примет следующий вид:

где η₁ и η₂ - структурная вязкость соответственно бурового и цементного растворов, Пуаз (в системе единиц СГС).

Таким образом, если при бурении были вскрыты зоны поглощения, которые были ликвидированы кольматацией или установкой цементных мостов, перед спуском обсадной колонны для обеспечения подъема цементного раствора на требуемую высоту необходимо проверять надежность изоляционных работ способом гидродинамической опрессовки открытого ствол скважины на расчетное давление по формуле (3). Если при опрессовке открытый ствол скважины выдерживает расчетное давление, он признается герметичным и готовым к проведению работ по цементированию. В противном случае вводятся коррективы в гидравлическую программу цементирования (снижение плотности тампонажного раствора, ограничение скоростей движения жидкостей и т. д.), после чего проводится повторная проверка герметичности.

Пример осуществления способа.

Планировался спуск эксплуатационной колонны диаметром 168 мм на глубину 2176 метров в ствол скважины диаметром 215,9 мм. Бурение осуществлялось с промывкой буровым раствором плотностью 1220 кг/м³ и структурной вязкостью η₁= 0,182 пуаз. В соответствии с проектом и планом работ на крепление планировалось затворить и закачать цементный раствор в обсадную колонну с его вытеснением в заколонное пространство со скоростью в кольцевом пространстве 0,7 м/с и подъемом до устья. Цементный раствор должен быть плотностью 1860 кг/м³ и структурной вязкостью η₂ = 0,394 пуаз. Перед спуском обсадной колонны необходимо было опрессовать открытый ствол скважины на расчетное давление опрессовки в соответствии с формулой:

где ожидаемое наибольшее давление на подошву рассматриваемой зоны на глубине z_п=2176 м в конце цементирования р_пц:

р_пц=1860*9,8*2176*10^-6=39,66 МПа

Для опрессовки спустили свободный конец бурильной колонны диаметром 127 мм на забой скважины 2176 м, загерметизировали затрубное пространство скважины с помощью превентора; открыли задвижку на блок дросселирования; соединили два цементировочных агрегата ЦА-320 с бурильной колонной посредством тампонажной нагнетательной линии, а выход из блока дросселирования соединили с помощью бурового шланга с мерными емкостями агрегатов. То есть создали замкнутую циркуляцию через скважину с закрытым превентором и цементировочные агрегаты. В мерные емкости ЦА-320 набрали буровой раствор, используемый в качестве опрессовочной жидкости. Начали промывку скважины с помощью ЦА-320 с подачей их насосов 17 л/с (0,017 м³/с), что обеспечило скорость восходящего потока 0,7 м/с. При этом контролировали уровень бурового раствора в мерных емкостях (контроль поглощения). После цикла циркуляции, путем закрытия задвижки на блоке, создали избыточное давление 1,0 МПа; через полцикла циркуляции (30-35 мин) повысили избыточное давление до 2,0 МПа и т. д. до 6,28 МПа, имитируя процесс цементирования. Поглощение не было отмечено - уровень в мерных емкостях не изменился. Открытый ствол был признан герметичным. После этого открыли превентор, извлекли бурильную колонну и приступили к спуску обсадной колонны, цементирование которой прошло без поглощения с подъемом цементного раствора до устья.

Предлагаемый способ проверки надежности изоляции зон поглощения цементирования путем опрессовки предполагаемой зоны поглощения позволяет избежать поглощений в процессе цементирования обсадных колонн и, как следствие, затрат времени на проведение исправительного цементирования.

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к технологии заканчивания скважин. Техническим результатом является повышение эффективности и качества заканчивания скважин, за счет предупреждения осложнений при их цементировании, а именно поглощение тампонажного раствора, что исключает проведение исправительного цементирования и связанные с ним затраты времени и материалов. Заявлен гидродинамический способ проверки надежности изоляции зон поглощения, проводимый перед цементированием обсадных колонн. Спускают свободный конец бурильной колонны на забой скважины, соединяют ее с емкостью с опрессовочной жидкостью, герметизируют заколонное пространство превентором, закачивают опрессовочную жидкость в бурильную колонну, с помощью дроссельной задвижки на блоке ступенчато создают избыточное давление в кольцевом пространстве скважины до расчётного давления опрессовки. Избыточное давление формируют в процессе промывки опрессовочной жидкостю с подачей, обеспечивающей скорость ее движения, равную предполагаемой скорости движения тампонажного и бурового растворов в кольцевом пространстве скважины при цементировании. При каждом значении величины избыточного давления фиксируют наличие или отсутствие поглощения путем сопоставления количества закачанной и выходящей из скважины опрессовочной жидкости. Конечное давление опрессовки определяют по формуле: Если при опрессовке открытый ствол скважины выдерживает расчетное давление, он признается герметичным и готовым к проведению работ по цементированию.

Гидродинамический способ проверки надежности изоляции зон поглощения, проводимый перед цементированием обсадных колонн, заключающийся в том, что спускают свободный конец бурильной колонны на забой скважины, соединяют ее с емкостью с опрессовочной жидкостью, герметизируют заколонное пространство превентором, закачивают опрессовочную жидкость в бурильную колонну, с помощью задвижки на блоке дросселирования ступенчато создают избыточное давление Δр в кольцевом пространстве скважины до расчетного давления опрессовки, отличающийся тем, что избыточное давление формируют в процессе промывки скважины опрессовочной жидкостью с подачей, обеспечивающей скорость ее движения, равную предполагаемой скорости движения тампонажного и бурового растворов в кольцевом пространстве скважины при цементировании, также при каждом значении величины избыточного давления фиксируют наличие или отсутствие поглощения путем сопоставления количества закачанной и выходящей из скважины опрессовочной жидкости, а конечное давление опрессовки определяют по формуле:

где η₁ и η₂ - структурная вязкость соответственно бурового и цементного растворов, Пуаз;

р_пц - ожидаемое наибольшее давление на подошву рассматриваемой зоны на глубине z_п в конце цементирования, Па;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

z_п - глубина зоны подошвы рассматриваемой зоны поглощения;

ρ_оп - плотность опрессовочной жидкости (обычно бурового раствора), кг/м³.