Способ крепления скважин в пластичных породах Советский патент 1992 года по МПК E21B33/13 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для предупреждения смятия обсадных колонн при явлениях текучести пластичных пород.

Известен способ тампонажа скважин под давлением, включающий в себя закачку цементного раствора непрерывно следующими друг за другом порциями с различными характеристиками по времени схватывания, причем порцию цемента с кратчайшим сроком схватывания нагнетают в затрубное пространство на высоту зоны, лежащей над подлежащим тампонажу под давлением горизонтом, после истечения срока схватывания этой порции продолжают нагнетать под давлением остальной цементный раствор, т.е. при использовании

данного технического решения поле напряжения восстанавливается непосредственно в процессе цементирования нагнетанием избыточного давления в затрубное пространство, в зону залегания пластичных пород.

Недостатком данного технического решения является то, что при нагнетании там- понажного раствора в зону, подлежащую тампонажу под давлением, возможно возникновение гидроразрыва и последующего поглощения в интервалах, расположенных ниже тампонажа под давлением, т.е., не восстанавливается первоначальное поле напряжений и, следовательно, в последующем возможно смятие обсадной колонны. При сбросе внутреннего давления после окончаХ|

00

ю

со

00

ния продавки тампонажного раствора на обсадную колонну в зоне залегания текучих пород, происходит перераспределение давлений, при которых возникают дополнительные избыточные давления, приводящие к смятию обсадных колонн.

Наиболее близок к предлагаемому способ крепления скважин, предусматривающий закачку цементного раствора как в затрубное, так и в трубное пространство с целью создания противодавления на трубы образовавшимся в них цементным мостом. Причем цементный мост внутри обсадной колонны устанавливают одновременно с цементированием обсадной колонны.

Недостатком данного технического решения является то.что в зацементированной зоне невозможно определить время полного охвата труб пластичными породами и выравнивания давления горных пород на обсадную колонну, т.е. время восстановления первоначального поля напряжения и перевод предельной области в область упругих деформаций горных пород. Кроме того, преждевременная разбурка цементного моста (до восстановления поля напряжения) приводит к деформации (смятию) обсадной колонны.

Цель изобретения - предотвращение сжатия обсадной колонны в интервале зале- гания пластичных пород за счет восстановления при цементировании первоначального поля напряжения горных пород.

Поставленная цель достигается тем, что в способе крепления скважин в пластичных породах, включающем предварительное бурение в интервале пластичных пород, спуск обсадной колонны, закачку материала с различными свойствами, создание цементной перемычки в затрубном пространстве под и над интервалом залегания пластичных пород, при бурении определяют скорость де- формации первоначального поля напряжения горных пород, цементную перемычку в затрубном пространстве в интер- вале залегания пластичных пород устанавливают из расширяющегося при твердении тампонажного раствора, а его рецептуру и объем определяют с учетом коэффициента расширения, определяюще- гося по формуле

1,7J-SZ V.ftlftetexp&Z l.t/

vjtl7Д о т

Гаг-а2т)).п

КМ+

где К - минимально необходимый коэффициент увеличения объема тампонажного расширяющегося раствора при ОЗЦ, расположенного в интервале залегания пластичных пород;

5

10 15

0 5

0

5 0 5 0

5

а, Зт, ам, - радиусы соответственно ствола скважины (с учетом коэффициента кавер- нозности), наружный радиус обсадной трубы по гладкой части и наружный радиус. муфтовых соединений обсадных труб, м;

(ft - предел текучести горной породы при одноосном сжатии, кг/м2;

у- пластическая вязкость горной порокг/с

ды при одноосном сжатии, -к

te время бурения и крепления рассматриваемого интервала пластичных пород, с;

Н - расстояние от поверхности до середины рассматриваемого интервала, склонного к пластической подвижке, м;

h - мощность интервала пластичных пород, м;

IT, IM - длина гладкой части обсадных труб и длина муфтового соединения обсадных труб, расположенных в интервале залегания пластичных пород, соответственно, м;

п - количество муфтовых соединений обсадных труб в интервале залегания пластичных пород;

рп, Рр плотности соответственно горной породы и промывочной жидкости, используемой при бурении интервала пластичных пород, кг/м3.

На фиг. 1 представлена схема расположения порций тампонажного раствора при цементировании обсадной колонны; на фиг.2 - схема расположения цементного камня после ОЗЦ. На схемах обозначены: 1 - обсадная колонна; 2,3 - выше- и нижележащие части разреза скважин, представленные непластичными породами; 4 - интервал залегания пластичных пород; 5 - первая порция тампонажного раствора, расположенная выше интервала, залегания пластичных пород; 6 - вторая порция, расположенная в интервале залегания пластичных пород; 7 - третья порция, расположенная ниже интервала залегания пластичных пород; 8 - четвертая, расположенная внутри обсадной колонны в интервале залегания пластичных пород; 9 - предельная область (область неупругих деформаций горных пород); 10 - продавочная жидкость.

На фиг. 2 поз 6. обозначено увеличение объема второй порции после ОЗЦ, переход предельной области в область упругих деформаций.

Способ иллюстрируется следующим примером. Цементировали техническую колонну 0245 мм, спущенную на глубину 3600 м и перекрывающую пластичные породы в интервале 3010-3390 м (Н 3200).

Интервал пластичных пород бурили при использовании раствора плотностью (р) 1640 кг/м . При этом не было случаев посадок и затяжек инструмента. Во время бурения отбирали керны и выполняли геофизические исследования. По данным исследований плотность породы/Эп, слагающей интервал пластичных пород, составила 2300 кг/м , скорость v смещения стенок скважины (по замерам каверно-профиле- метрии при первоначальном вскрытии пластичных пород и перед спуском 245-мм обсадной колонны) составила 5, м/с, максимальная температура в стволе 118°С. Обсадная колонна 245 мм скомпонована из труб толщиной стенки 12 мм. Предпоследняя обсадная колон на 0 324 мм спущена на глубину 2500 м и скомпонована трубами с толщиной стенки 11 мм. Ствол скважины под 245-мм колонну бурили долотом диаметром 295 мм. По данным кавернометрии ствол скважины близок к номиналу и в среднем равен 298 мм (а 0,149 м). Для определения объема порций и коэффициента расширения тампонажного раствора рассчитали цементирование и определили предел текучести От 3,7 «106 кг/м3

и

пластическую вязкость г) 6,31 -10 кг-с/м2;

Общее время t бурения интервала 3010- 3600 м и последующего крепления скважины 245 мм обсадной колонны составило 30 суток, или 2,6-106 с. Мощность интервала пластичных пород h с учетом перекрытия на 30 м выше и ниже интервала пластичных пород, составляет 440 м, радиус тела обсадной трубы ат равен 0,122 м, а наружный радиус муфтового соединения ам равен 0,135 м и количество муфтовых соединений п в рассматриваемом интервале равно 40 шт. Тогда необходимый коэффициент увеличения объема расширяющегося тампонажного раствора будет равен 1,05,

Следовательно, для восстановления естественного поля напряжения объем расширяющегося тампонажного раствора при ОЗЦ должен увеличиться на 5%. Таким требованиям отвечает шлако-песчаный цемент ШПЦС-120 с 20%-ной добавкой хроматного шлама, измельченного до удельной поверхности 320 м2/кг. Согласно предлагаемому способу для цементирования необходимо использовать четыре порции тэмпонажного раствора. В соответствии с приведенной выше геометрией ствола скважины объемы порций составляют: V-i 72 м3 - для заполнения заколонного пространства от кровли интервала пластичных пород до устья скважины; V2 10 м - объем кольцевого про

странства в интервале залегания пластичных пород; Va 5 м3 - объем кольцевого пространства ниже интервала залегания пластичных пород, с учетом цементного ста5 кана в башмаке 245-мм обсадной колонны; VA 17 м3 - объем цементного моста внутри 245-мм обсадной колонны в интервале залегания пластичных пород. Объем продавоч- ной жидкости, располагаемой ниже

10 интервала залегания пластичных пород, по расчету равны: Vni 6 м3; Vn2 114 м3. Для проведения технологических операций необходимо, чтобы каждая порция тампонажного раствора имела свои сроки

15 схватывания. Для обеспечения заданных сроков схватывания тампонажного раствора использовали добавки замедлителя КМЦ-700 в процентных отношениях, необходимых для получения следующих сроков

20 начала схватывания по каждой порции: Vi - Зч 10 мин; V2 - Зч 30 мин; Vs - 1ч 45 мин; V4 - 1 ч 25 мин. Технологический процесс цементирования осуществлялся по следующей схеме. В течение 1 ч затворяли и подавали в

25 скважину первую порцию тампонажного раствора объемом 72 м3. Следом в течение 25 мин затворяли и подавали в скважину вторую порцию расширяющегося тампонажного раствора объемом 10 м3, далее за30 творяли в течение 10 мин и подавали в скважину третью порцию объемом 5 м . После этого закачивали в скважину в течение 10 мин порцию продавочной жидкости 6 м3, далее затворяли в течение 15 мин и подава35 ли в скважину четвертую порцию тампонажного раствора 17 м3. Вслед за четвертой порцией производили продавку всей системы в заколонное пространство в течение 1 ч 10 мин, объем продавочной жидкости при

40 этом составил 110 м3. После получения на устье скважины давления стоп скважину оставили на ОЗЦ на время требуемое для получения цементного моста заданной прочности.

45 Использование предлагаемого способа позволяет предупредить возможные смятия обсадных колонн в интервалах залегания пластичных пород и тем самым снизить затраты, связанные с ликвидацией или пре50 дупреждением такого рода осложнений. Ориентировочная экономическая эффективность от внедрения предлагаемого способа на одной скважине 180-240 тыс. руб. Формула изобретения

55 Способ крепления скважин в пластичных породах, включающий предварительное бурение в интервале пластичных пород, спуск обсадной колонны, закачку материала с различными свойствами, создание цементной перемычки в затрубном пространстве

над и под интервалом залегания пластичных пород и в трубах в интервале залегания пластичных пород, отличающийся тем, что, с целью предотвращения сжатия обсадной колонны в интервале залегания пластичных пород за счет восстановления при цементировании первоначального поля напряжения горных пород, при бурении определяют скорость деформации пластичных пород, цементную перемычку в затрубном пространстве в интервале залегания пластичных пород устанавливают из расширяющегося при твердении тампонажного раствора, а его рецептуру и объем определяют с учетом коэффициента расширения, определяемого по формуле

1,73-%T-aM r..6fexp PP -1J (

где К - минимально необходимый коэффициент увеличения объема тампонажного расширяющегося раствора при ОЗЦ, расположенного в интервале залегания пластичных пород;

а, ат, ам - соответственно радиус ствола скважины (с учетом коэффициента кавернозности), наружный радиус обсадной трубы по гладкой части и наружный радиус муфтовых соединений обсадных труб, в м;

От - предел текучести горной породы при одноосном сжатии, кг/м2;

т/ - пластическая вязкость горной породы при одноосном сжатии, кг-с /м2;

t6 - время бурения и крепления рассмат- 0 риваемого интервала пластичных пород, с; Н - расстояние от поверхности до середины рассматриваемого интервала склонно к пластичной подвижке, м;

h - мощность интервала пластичных по- 5 род, м;

IT, IM - длина гладкой части обсадных труб и длина муфтового соединения обсадных труб, расположенных в интервале залегания пластичных пород, соответственно, м; 0 п - количество муфтовых соединений обсадных труб в интервале залегания пластичных пород;

РП, рр - плотность соответственно горной породы и промывочной жидкости, ис- 5 пользуемой при бурении интервала пластичных пород, кг/м3.

Способ крепления скважин в пластичных породах. Предназначено для предупреждения смятия обсадных колонн в интервале залегания пластичных пород, за счет восстановления при цементировании первоначального поля напряжения горных пород. Способ включает предварительное бурение в интервале пластичных пород, спуск обсадной колонны, закачку материала с различным свойствами, создание цементной перемычки в затрубном пространстве под и над интервалом залегания пластичных пород. При бурении определяют скорость деформации первоначального слоя напряжения горных пород. Цементную перемычку в затрубном пространстве в интервале залегания пластичных пород устанавливают из расширяющегося при твердении тампонаж- ного раствора, а его рецептуру и объем оп- ределяют с учетом коэффициента расширения. 2 ил. (Л С

Фиг. i

Фиг, 2.