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

Изобретение относится к горному делу, в частности к креплению скважин большого диаметра, и может быть использовано в нефтяной промышленности, геологоразведочных, строительных работах.

Известен способ крепления скважин (Завацкий М. А. Крепление нефтяных скважин, Азнефтеиздат, 1948, с. 168-174), согласно которому в скважину опускают обсадную колонну, затем в нее опускают став труб, герметизируют межтрубное пространство, закачивают через внутренний став труб тампонажную смесь за обсадную колонну, затем из внутреннего става труб вытесняют тампонажную смесь закачкой продавочной жидкости, которой заполнена скважина. При наличии обратного клапана

в нижней части обсадной колонны гидравлическая связь с затрубным пространством прерывается и обсадная колонна испытывает разность гидростатических давлений столбов жидкости за колонной и внутри нее. Она может прерываться и при отсутствии такого клапана. При схватывании тампо- нажной смеси за обсадной колонной гидравлическая связь между внутренней полостью обсадной колонны и затрубным пространством (за обсадной колонной) прерывается вследствие ряда проходящих процессов. Причем эта связь прерывается при схватившейся в нижней части обсадной колонны тампонажной смеси и находящейся в текучем состоянии выше. При этом давление внутри обсадной колонны падает до

XI

4 СП 00 00 СП

гидростатического давления столба жидкости, заполняющей ее. Давление за обсадной колонной равной давлению столбов жидкостей, заполняющих затрубное пространство, Оно всегда больше внутреннего давления в колонне. Разность этих давлений воспринимает обсадная колонна.

Недостатком этого способа является то, что он имеет ограниченное применение. Он приемлем для крепления скважин трубами, которые могут воспринимать разность давлений за колонной и внутри нее.

Обсадные колонны скважин большого диаметра рассчитаны на низкие допустимые внешние давления, и такой спо- соб в тех случаях, когда эта разность превышает допустимое внешнее давление на трубы, неприемлем.

Известен способ предупреждения смятия обсадной колонны при цементировании через бурильную колонну (см. Lubiz R. Hobtoavoid cosing collapce during inner string cementing. Drilling, 1987, Vol.48, №Z-, P, 30-33). принятый за прототип, сущность которого заключается в следующем. В сква- жине опускают обсадную колонну и внутрь ее - став труб для закачки тампонажной смеси Кольцевое пространство между обсадной колонной и внутренним ставом труб изолируют при помощи пакера. В это про- странстве создают давление, при котором трубы испытывают нулевое или допустимое положительное или отрицательное внешнее давление весь период твердения тампонажной смеси за обсадной колонной до потери смесью текучести и исчезания гидростатического давления за обсадной колонной.

Недостатком этого способа является сложность технологической оснастки (паке- ров) и самого процесса поддержания задан- ного расчетного давления в межтрубном пространстве в течение нескольких (одних, двух) суток При этом используется специальная техника и производственный персонал для поддержания и контроля процесса.

Целью изобретения является упрощение технологического процесса и повышение его надежности за счет саморегулирования давления в гидравлической системе цементировочный став - об- садная колонна.

Эта цель достигается тем, что в известном способе крепления скважин, включающем спуск обсадной колонны в скважину, спуск в обсадную колонну става цементиро- вочных труб, герметизацию кольцевого межтрубного пространства на устье, закачку тампонажной смеси и продавочной жидкости через цементировочный став, в начальный период цементирования сообщают полости цементировочного става, межтрубного и затрубного пространства, а в качестве продавочной жидкости закачивают жидкость с удельным весом, определяемым по зависимости

YRllLiJkJ1 v (УЦ-УР)И- Ра

гц-fh Yn гцЧ-h р

где ур , уц , уп - удельные веса соответственно промывочной жидкости, заполняющей скважину, тампо нажной смеси и продавочной жидкости; hi, h - соответственно высота столбов промывочной жидкости, заполняющей скважину и тампонэжной смеси за обсадной колонной: Рд - допустимое внешнее давление на обсадную колонну.

Физический смысл технологического процесса заключается в том. что в зависимости от величины удельного веса жидкости в ставе цементировочных труб внутри обсадной колонны будет создаваться избыточное давление по всей длине колонны, не зависящее от наличия связи между внутренней полостью обсадной колонны и затруб- ным пространством, т.е. будет происходить саморегулирование давления в гидравлической системе цементировочный став - обсадная колонна.

Поскольку в источниках информации не обнаружена совокупность признаков, отличающая предложенное техническое решение от прототипа, то предлагаемый способ крепления скважин удовлетворяет критерию Существенные отличия.

На фиг. 1 изображена скважина в процессе реализации предлагаемого способа, вертикальный разрез (фаза спуска в скважину обсадной колонны и цементировочного става); на фиг. 2 - то же, фаза закачки тампонажной смеси через цементировочный став: на фиг. 3 - то же, фаза окончания продэвки тампонажной смеси из цементировочного става за обсадную колонну; на фиг. 4 - график, показывающий действие гидростатических давлений в скважине при разрыве гидравлической связи внутренней полости колонны с зэтрубным пространством:

AOt - линия, соответствующая внешнему давлению на обсадную, колонну промывочной жидкости, заполняющей скважину и тампонажной смеси за обсадной колонной;

510i - линия, соответствующая давлению в обсадной колонне за счет столба жидкости, заполняющей скважину:

BOi - линия, соответствующая давлению столба продавочной жидкости:

ББт -линия, соответствующая дополнительному внутреннему давлению в обсадной колонне;

Bid -сечение линий давлений на устье скважины;

БА - то же, на забое скважины.

Сущность способа крепления скважин заключается в следующем.

В скважину 1 (фиг. 1), заполненную жидкостью 2 с удельным весом ур опускают обсадную колонну 3 и став цементировочных труб 4. Межтрубное пространство герметизирует, например, цементировочной головкой 5 с сальником для цементировочного става труб.

Через став труб 4 (фиг. 2) в затруо ное пространство закачивают тампонажную смесь 6 с удельным весом уц, которая заполняет затрубное пространство на высоту h в конце продавки (стрелки на чертеже показывают направление закачивания смеси). После чего в став цементировочных труб закачивают продавочную жидкость 7 (фиг. 3) с удельным весом уп, которая вытесняет из него тампонажную смесь (стрелка показывает направление движения продавочной жидкости). За обсадной колонной на высоте hi остается столб промывочной жидкости с удельным весом ур. На этом технологический процесс закачки жидкостей закончен и система остается в покое до полного схватывания тампонажной смеси за колонной. При этом полости цементировочного става межтрубного и затрубного пространств сообщаются.

В случае прекращения гидравлической связи внутренней полости колонны с за- трубным пространством вступает во взаимодействие система цементировочный став - обсадная колонна. В ней создается дополнительное внутреннее давление, обусловленное разностью удельных весов продавочной жидкости и промывочной жидкости в обсадной колонне, как в сообщающихся сосудах. Происходящее при этом распределение давлений поясняет график, приведенный на фиг. 4.

Величину удельного веса продавочной жидкости определяют исходя из следующего.

Гидростатическое давление жидкостей (линия AOi на графике, фиг. 4) за обсадной колонной в конце цементирования определяется выражением

и

P-h yphi + yuh .55

Гидростатическое давление столба жидкости внутри обсадной колонны РВ (ли

ния Б СН натрафике) определяется выражением

(гм +h).

Избыточное внешнее давление Ри, которое будет воспринимать обсадная колонна в случае разрыва гидравлической связи внутренней полости с затрубным простран- ством, составит

Ри Рн -Pa XPhi + уцг. - -yp(hi + h)(yu-yp)h.

Превышение избыточного внешнего давления на обсадную колонну над допустимым Рд составит

АРи(Уц-Ур)Ь-Рд.

Для предотвращения смятия обсадной колонны внешним гидростатическим давлением A PU должно быть компенсировано созданием дополнительного внутреннего давления А Рв к давлению Рв. выраженного на графике фиг. 4 отрезком Б-Б1.

Так как две полости - внутренняя обсад ной колонны и внутренняя цементировочного става, гидравлически связаны в нижней части, а межтрубье в верхней части изолировано, то столб жидкости в цементировочном ставе с удельным весом уп Ур будет создавать внутреннее дополнительное дав- ление А Рв в обсадной колонне по всей длине ее.

Гидростатическое давление столба продавочной жидкости Рп. которому соответствует линия БО1 на графике, в цементировочном ставе определяется выражением

55

45

50

(hi+h).

Так как в момент окончания продавки тампонажной смеси внутренняя полость цементировочного става и затрубное пространство обсадной колонны между собой связаны и чтобы не происходило выталкивания тампонажной смеси из затрубного пространства столбом продавочной жидкости, необходимо, чтобы Рп было меньше Рн, т.е.

Уп (hi + h) ур hi + уц h , откуда

v + ) uh Уп hTTF-Внутреннее дополнительное давление в колонне Л Рв, создаваемое столбом про- давочной жидкости, определяется на графике ББ OiBi и выражается формулой

(п1 + h)-yp(hi + h).

Оно должно быть больше Д Ри, т.е. у„ (hr + h) -ур (hi + h) (уц - ур) h - Pg

,

Таким образом получаем, что удельный вес продавочной жидкости должен удовлетворять условию

),p

+

1,56

Ч№ЈЬ(1.83 -1,2) 104 -300-1 106 200 + 300

+ 1,2 104 1.38 104Н/м3. Принимают

Уп 1,5 , 1,56 104 1,5 104 1,38 104

Использование: при креплении скважин большого диаметра Упрощает технологический процесс и повышает надежность за счет саморегулирования давления в гидравлической системе цементировочный став - обсадная колонна. Осуществляют спуск обсадной колонны в скважину, спуск в обсадную колонну цементировочного става, герметизацию затрубного пространства и цементирование путем закачки тампонаж- ной смеси и продавочной жидкости. В начальный период цементирования создают гидравлическую связь цементировочный став - обсадная колонна - затрубное пространство, при этом в цементировочном ставе используют продавочную жидкость с большим удельным весом, чем промывочной, и меньшим, чем средний удельный вес жидкости и тампонэжной смеси за обсадной колонной. 4 ил. (Л

Пример. При сооружении технологической скважины глубиной 700 м с конечным диаметром обсадной колонны 426 мм предусматривают крепление ее промежу- точной-колонной диаметром 530 мм при глубине спуска до 500 м. Требуемая высота подъема тампонажной смеси за колонной 300 м и более. Толщина стенки труб по требованиям технологии бурения удовлетворяет 7-8 мм. При центрировании такой колонны по технологии, описанной в прототипе, возможно действие избыточного внешнего давления на нее выше допустимого. Для предотвращения этого применяют трубы с толщиной стенки 12 мм повышенного качества. Это увеличивает расход металла и стоимость крепления скважины.

При использовании предлагаемого способа могут быть применены трубы с умень- шенной толщиной стенки, что подтверждается следующими расчетами.

Принимают условие.

Удельный вес промывочной жидкости (глинистый раствор) в скважине ,2104 Н/м .удельный вес тампонажной смеси (це- ,ментный раствор) .ВЗ-103 Н/м3. Высота подьема тампонажной смеси за трубами при длине колонны 500 м 300 м ( м, м). Трубы с толщиной степени 8 мм с допустимым.давлением Рд 1-106Па. Определяют удельный вес продавочной жидкости (утяжеленный глинистый раствор) уп.

yri iiLhJj:J5 J}

Ynh, +h

200 + 1.83 IP4 300 200 + 300

5

0

5

50

55

При этом внешнее давление на обсад- ную колонну (у забоя)

Рн 1,2 104 200 + 1,83 10 300

7,8 106Па

Внутреннее давление столба раствора в колонне

Рв 1.2 104 (200 + 300) 6 106 Па Избыточное внешнее давление Ри Рн-Рв 7.8-106-6-106 1,8-106Па

Превышение избыточного давления над допустимым

Д ,8 106-1 .3 106 Па

Приняв ,5-104 Н/м3, получают дополнительное внутреннее давление в обсадной колонне

Рп-Рв 1,5 104 -(200+300)-б ,5 106 Па,

т.е. при превышении внешнего давления на колонну над критическим в 0,8 10.6 Па столб продавочной жидкости в це.ментировочном ставе будет создавать противодавление внутри обсадной колонны 1,5-10 Па и колонна будет испытывать внешнее давление РИК.

Рик Рн-Рп-Рв 1,8-106-1,5-106 0,3-106Па.

Формула изобретения Способ крепления скважин, включающий спуск обсадной колонны в скважину, спуск в обсадную колонну става цементировочных труб, герметизацию затрубного пространства на устье, закачку тампонажной смеси и продавочной жидкости через цементировочный став, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологического процесса и повышения его надежности за счет саморегулирования давления в гидравлической системе цементировочный став - обсадная колонна, в начальный период цементирования сообщают полости цементировочного става, межтрубного и затрубного пространства, а в качестве продавочной жидкости закачивают жидкость с

Фиг.1

удельным весом, определяемым по зависимости

hi +Уц h v )h - Pg Уп hi + h

+ Pгде ур ,уц ,/л - удельные веса соответственно промывочной жидкости, заполняющей скважины, тампонажной смеси и продавочной жидкости, н/м3;

hi и h - соответственно высота, м; столбов промывочной жидкости, заполняющей скважину и тампонажной смеси за обсадной колонкой;

Pg - допустимое внешнее давление на обсадную колонну, МПа.

Фиг. г

//

Ф(Ј5

Б,

РАМа

,М

Р.МПа