Способ ступенчатого цементирования обсадных колонн в скважинах Советский патент 1987 года по МПК E21B33/14 

Изобретение относится к бурению скважин, в частности к способам ступенчатого цементирования обсалных колонн.

Целью изобретения является повышение эффективности цементирования об- .садных колонн за счет упрощения их технологической оснастки.

Способ осуществляют следующим образом.

Обсадную колонну, спущенную ниже зоны поглощения, цементируют в нижне части через ее внутреннее сечение. Затем осуществляют гидроразрыв и производят цементирование верхней части обсадной колонны через ее за- колонное пространство выше зоны поглощения.

При этом цементирование нижней части колонны осуществляют с подъемом цементного раствора в зону поглощения, а гидроразрыв осуществляют с подъемом давления в течение времени Z , определяемого из выражения:

при этом

Jt1211 1)

4DV,

iHokc

.,ti.,

V,uAt, - Vz Ли t

где об - расчетный коэффициент, определяемый из соотношения плотностей водоцементного отношения в исходном цементном растворе, цементном уплотнении в скважине и пр. (об 0,15- 0,68) D - диаметр скважины, Mj d - диаметр обсадной колонны, м , v - скорость движения фильтрата, м/с; Ргр, и Ргр - давление гидроразрыва на глубине Z, и Z соответственно, МПа , р - плотность жидкости в сква30 туры пород. Эта разность температу может быть обеспечена на выбранной глубине, с использованием этого эф фекта еще более повышается надежно гидроразрыва на заданной глубине, данном случае в нижней части второ ступени цементирования. Задача зак чается в том, чтобы своевременно в пользоваться эффектом, так как пос окончания циркуляции температурное

4Q поле вокруг ствола скважины восста ливается и через некоторое время г роразрыв в запланированном интерва уже маловероятен.

Пример. Для того, чтобы со

35

жине, кг/м В ускорение силы тя- 45 Дать перепад давления в цементном

жести, кг-м/с ; (, и - термоупругость горной породы на глубинах Z( и Zj, соответственно, МПа/град; tц и ut - нагрев цементного раствора на глубинах Z, и Z соответственно, -град; bit, и uut - скорость восстановления температуры горных пород на глубинах Z, и Z соответственно, град/ч.

С подъемом цементного раствора в зону поглощения создают условия обезвоживания первой партии цементного раствора и его загущения. В этом случае создаются условия для подъерастворе вблизи верхней границы пе вой ступени и пласте (особенно в с чае, если давление в пласте не мен гидростатического), на устье, в за

50 трубном пространстве, создают избы точное давление, которое по мере о фильтровывания воды из цементного створа и роста структурной прочнос цементного уплотнения в районе выс

55 .копроницаемого пласта повыщают до ления гидроразрыва пласта, залегаю го в нижней части второй ступени.

Вычислим, в течение какого врем необходимо повышать давление в зама давления, необходимого для создания гидроразрыва.

Чтобы предотвратить гидроразрыв в интервале нижней части обсадной колонны давление гидроразрыва необходимо создавать в течение определенного времени (не менее некой величины ) , за которое избыточная вода

из цементного раствора должна отфильт- роваться в пласт.

После этого образующееся цементное уплотнение предотвращает передачу давления на нижнюю часть скважины.

При этом время создания давления гидроразрыва не должно превышать время которое создается возможность неиспользования теплового поля, формирующегося в приствольной зоне в

горных породах вследствие переноса тепла с глубины циркулирующей при цементировании жидкостью. При определенном термонапряженном состоянии породы увеличивается возможность гидроразрыва пород. Величина термоупругих напряжений больше там, где выше термоупругость пород и выие разность температуры, наведенной от циркуляции жидкостей и естественной температуры пород. Эта разность температур может быть обеспечена на выбранной глубине, с использованием этого эффекта еще более повышается надежность гидроразрыва на заданной глубине, в данном случае в нижней части второй ступени цементирования. Задача заключается в том, чтобы своевременно воспользоваться эффектом, так как после окончания циркуляции температурное

поле вокруг ствола скважины восстанавливается и через некоторое время гидроразрыв в запланированном интервале уже маловероятен.

Пример. Для того, чтобы соз

растворе вблизи верхней границы пер- вой ступени и пласте (особенно в случае, если давление в пласте не меньше гидростатического), на устье, в за50 трубном пространстве, создают избыточное давление, которое по мере от- фильтровывания воды из цементного раствора и роста структурной прочности цементного уплотнения в районе высо55 .копроницаемого пласта повыщают до дав ления гидроразрыва пласта, залегающего в нижней части второй ступени.

Вычислим, в течение какого времени необходимо повышать давление в

трубном пространстве, с тем, чтобы не вызвать гидроразрыва пластов внизу первой ступени.

Водоотдача цементного раствора в реальной скважине (через глинистую корку, кольматационный слой) не превышает водоотдачу исходного бурового раствора. Поскольку это так, то можно определить скорость фильтрата раство- pa в стенку ствола реальной скважины. Приравняв скорость фильтрата бурового раствора скорости фильтрата цементного раствора, получаем

PL.. (1) IAP,- t,.,u,

где V, - скорость фильтрата бурового раствора при комнатной температуре /t, 20 С и перепаде давлений лР, 0,1 МПа; V - скорость фильтрата цементного раствора в забойных (на глубине примерно 800-1000 м) условиях, где Cj , iP 4 Ша (средний между нулем и предполагаемым дав- лением гидроразрыва); /ц,я ju - вязкость фильтрата соответственно бурового раствора при t, 20°С и цементного раствора при tj /К, 1,005 МПа-с; Ц) 0,8007 ffla-c.

Примем, что , 2,8 (соответствует водоотдаче глинистого раствора в 10 см до 0,5 ч), тогда по формуле (1) Vj 24,4..

Объем тампонажного раствора в за- трубном пространстве

VP |(KD2-dO Н , (2)

где К - коэффициент каверзности (в

среднем К 1,32); D - номинальный диаметр ствола

скважины (D 21,59 см); d - диаметр обсадной колонны

(d 14,6 см);

высота проницаемого пласта.

Н - Составим равенство

+ Pe-Ve РР

V

р ;

(3)

m

(4)

где РЦ и Vц - плотность цементного порошка и его объем в объеме ., р и Vj - плотность воды и ее объем в объеме V. j Pf плотность цементног раствора (рр 1830 кг/м ); m - водоцементный фактор.

Из формул (3) и (4) получаем

Va

. . p(Hm)

Для того, чтобы в кольцевом пространстве получилось прочное цементное уплотнение из цементного раствора необходимо отобрать 50% имеющейся в нем воды, т.е., если в нормальных условиях m 0,5, то должен стать m 0,25. Тогда по формулам (2) и (5)

- Q . V.

2о - 25 о

т

4|- X - ().H. (6) 1,25-pj 4

Площадь фильтрующей поверхности в скважине определяется зависимостью S iriFD H,(7)

Тогда время, за которое избыточная вода отфильтровывается в пласт, определяется выражением

Ye , „, рр

SV

Подставив числовые значения, получают

t 607 с 10 мин .

Таким образом, минимальное время, в течение которого можно давление на устье в затрубном пространстве поднять до нуля, до давления гидроразрыва, составляет 10 мин.

Если увеличивать давление в затрубном пространстве не 10 мин, а боГР () д.

-рТ ТГв у -

30 лее длительный период, то надежность и прочность цементного уплотнения в области проницаемого пласта будет выше. Однако большой разрыв во времени между окончанием цементирования пер35 вой ступени и проведением гидроразрыва может привести к тому, что гидроразрыв пласта произойдет не в нижней части второй ступени, а в верхней (под башмаком предыдущей колон О ны - кондуктора) . Причина - снижение градиента давления жидкости с глубиной при создании избыточного давления на устье.

Af- Задача состоит в том, чтобы повысить давление гидроразрыва пластов в верхней части скважины. Это достигается тем, что гидроразрыв пластов при цементировании верхней части скважины производится с минимальным разрывом во времени. При этом используется напряженное состояние горных пород в приствольной зоне, сформированное в результате переноса тепла из глубинных слоев земли к верхним циркулирующей жидкостью и возникновения термоупругих напряжений .

В таблице приведена термоупругая характеристика горных пород.

50

55

Из таблицы видно, что наиболее чувствительны к изменению температуры гипсы и ангидриды, наименее чувствительны песчаники и сланщ,. Например, глинистый сланец при изменении его температуры на 1°С изме-няет свое напряженное состояние на 0,36 МПа.

Для того, чтобы гидроразрыв пластов под башмаком кондуктора не проис- IQ повышения зффективности цементироваходил, давление гидроразрыва там необходимо повысить на 5,0 МПа. Поскольку верхняя часть разреза представлена преимущественно глинистыми отложениями, то делением цифры 5,0 на 0,36 получаем на сколько необходимо нагреть горные породы, чтобы давление гидроразрыва повысилось на 5,0 МПа. Получаем ut 14°С.

Естественная температура горных пород на глубине 400 м примерно равна 0°С. В процессе циркуляции жидкостей во время цементирования верхняя часть разреза прогревается за счет тепла, принесенного жидкостью снизу. Наблюдения показали, что на выходе температура в зависимости от глубины нефтяной скважины колеблется в пределах 24-57 с. Этой температуры вполне достаточно, чтобы повысить давле- ние гидроразрыва до необходимой величины. Необходимо своевременно воспользоваться этой температурой, так как сразу после окончания циркуляции температурное поле вокруг ствола скв жины восстанавливается. Причем темп восстановления мало зависит от теплопроводности горных пород и составляе 3-5 С в час. Отсюда видно, что через несколько часов ОЗЦ температура почт полностью восстановится и желаемого эффекта не получится.

Принимая во внимание наибольший темп охлаждения (5 С в час), минимало

ный нагрев (24 С) и необходимый нагрев (ut 14°С), находим, что время повышения давления на устье в затруб ном пространстве перед гидроразрыво пластов и цементированием второй степени не должно превышать 120 мин.

Формула изобретения

Способ ступенчатого цементирования обсадных колонн в скважинах,вклю

чающий спуск обсадной колонны ниже зоны поглощения, цементирование нижней части обсадной колонны через ее внутреннее сечение, гидроразрыв и цементирование верхней части обсадной . колонны через ее заколенное пространство вьппе зоны поглощения, отличающийся тем, что, с целью

и Р

ния за счет упрощения технологической оснастки обсадных колонн, цементирование нижней части обсадной колонны осуществляют с подъемом цементного раствора в зону поглощения, а гидроразрыв осуществляют с подъемом давления в течение времени , определяемого из выражения

- жим - -мal(c J при ЭТОМ

- . )

4DVr

и Р

Sl5ll5Llllf .5.EiuIil ;.Lli Viuit,- Vz iAt,

MOJC

Р

е ot - расчетный коэффициент, определяемый из соотношения плотностей водоцементного отношения в исходном цементном растворе, цементном уплотнении в скважине и пр. (об 0,15 - 0,68);

D - диаметр скважины, м;

d - диаметр обсадной колонны, м;

V - скорость движения фильтрата, м/с;

и Р

Рг

- давление гидроразрыва на глуZ.

и

Zj соответственно.

бине МПа;

-плотность жидкости в скважине, кг/м ;

-ускорение силы тяжecтиi кгм/с ;

ц, и 0 - термоупругость горной породы на глубинах Z, и Z2 соответственно, МПа/град{

at

4(

44

U it,

U At,

нагрев цементного раствора на глубинах Z, и Zj соответственно, град;

скорость восстановления температуры горных пород на глубинах Z, и Z соответственно, град/ч.

1Е

13-46767° /it, МПа-с oi.io 1/град (f, МПа/град

0,251,00,31

0,270,80,82

0,250,70,75

0,301,91,03

0,301,91,03

Породы

МПа

Песчаник

Известняк

Доломит

Гипс

Ангидрид

Глинистый сланец

2,35 7,48 8,00 3,80 3,80

3,60

0,40

0,6

0,36

Редактор Н.Лазаренко Заказ 5103/31

Составитель В.Гришанов

Техред М.ХоданичКорректор С.Черни

Тираж 532Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. А/5

Производственно-полиграфическое п-редприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

0,40

0,6

0,36

Изобретение относится к бурению скважин. Цель изобретения - повьппе- ние эффективности цементирования за счет упрощения технологической оснастки обсадных колонн. Спускают обсадную колонну ниже зоны поглощения. Цементируют нижнюю часть обсадной колонны через ее внутреннее сечение с подъемом цементного раствора в зону поглощения. Затем проводят гидроразрыв с подъемом давления в течение времени t,определяемого из выражения м„„ г 1:„,,,, i (пг-d) /4nv,; Мо.кс - Ргр, - РГР, - pg(Zi - Z, ) + + V, utu,, « Viuty /(V,4A t, -VjAAtj , где ei - расчетный коэффициент, определяемый из соотношения плотностей водоцементного отношения в исходном цементном растворе, цементном уплотнении в скважине и пр. (вб 0,15 - 0,68); D - диаметр скважины, м; d - диаметр обсадной колонны, м; V - скорость движения фильтрата, м/с; Ргр и Ррр - давление гидроразрыва на глубине Z, и Z соответственно МПа; р - плотность жидкости в скважине, кг/м 8 ускорение силы тяжести, кгм/с ; V, и (f - термоупругость горной породы на глубинах Z, и Z соответственно, МПа/град; йtц и л Гц - нагрев цементного раствора на глубинах Z, и Z, град; Aut, и Дutj - скорость восстановления т-ры горных пород, град/ч. При этом цементируют верхнюю часть колонны через ее заколонное пространство выше зоны поглощения. 1 табл. i (Л со 4 а 05