Способ обратного цементирования обсадной колонны Советский патент 1992 года по МПК E21B33/14 

Изобретение относится к горной промышленности, а точнее к бурению скважин и процессу их крепления, в частности к способам цементирования обсадных колонн в скважинах, характеризующихся наличием поглощающих горизонтов.

Известен способ обратного цементирования обсадной колонны, включающий обратную закачку тампонажного раствора в затрубное пространство в объеме, необходимом для заполнения интервала цементирования, цементного стакана и

дополнительного столба, с выпуском промывочной жидкости из обсадной колонны на устье и перекрытием последнего после поступления дополнительной порции тампонажного раствора в нижнюю часть обсадной колонны, затем прямую продавку тампонажного раствора в заколонное пространство до увеличения давления.

Известный способ решает задачу лишь оставления определенной плотности столба тамлонажного раствора в обсадной колонне, но при наличии зон поглощения в

Јь

Ю

Јь Јь

СП

цессе продвижения тампонажного раствора ниже этих зон в пласты уходит часть тампонажного раствора, а поскольку тампо- нажный раствор закачивают строго определенного объема и после закрытия трубного пространства на устье не производят проверку и контроль уровня последнего в об- еадной ко/юнне по окончании первого этапа - обратной продавки, внутрь обсадной колонны может поступить недостаточное количество тампонажного раствора и. возможно не поступит совсем, тогда будет иметь место оголение башмака. В процессе прямой продавки кольцевое пространство устья скважины не перекрывается, тем самым не используется возможность дополнительной кольматэции и изоляции поглощающего горизонта. А в процессе ожидания затвердевания цементного раствора (ОЗЦ) в течение времени до схватывания или загустевания произойдет поглощение еще не успевшего схватиться и затвердеть тампонажного раствора над зоной поглощения - падаетуровень последнего в затрубном пространстве, но тампонажный раствор, из-за малой сжимаемости промывочной жидкости и перекрытого внутриколонного пространства, ниже поглощающего горизонта все же не поступит. Вследствие постоянного движения (перетока в поглощающий горизонт) замедляется скорость роста структурных показателей тампонажного раствооа, находящегося над зоной поглощения, и его затвердевание, поэтому продолжительность периода поглощения и падения уровня в затрубном пространстве увеличивается. По изложенным причинам потребуется проведение повторного цементирования для исправления некачественного первичного цементирования и невысокой степени локализации зон осложнений.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ обратного цементирования обсадной колонны, включающий закачку тампонажного раствора в затрубное пространство с выпуском промывочной жидкости из обсадной колонны на устье, крнтроль положения тампонажного раствора по окончании обратной закачки - первого этапа цементирования, перекрытие затрубного пространства устья и прямую закачку - второго этапа цементирования, через трубное пространство в поглощающие пласты с расходом, обеспечивающим давление закачки продавочной жидкости на глубине поглощающих пластов, по меньшей мере равное разнице гидростатических давлений столбов тзмпонажного раствора в затрубном и

промывочной жидкости в трубном пространствах в течение времени до схватыва-. ния тампонажного раствора.

Недостатком этого способа является то,

что он решает задачу оставления тампонажного раствора в межколонном пространстве в необходимом интервале без снижения верхнего уровня тампонажного раствора и изменения положения последнего внизу об0 садной колонны лишь при отсутствии негерметичности предыдущей обсадной колонны и гидравлической связи с ззколонным пространством последней. Поскольку возможен гидроразрЈ1в пластов и поглощение

5 тампонажного раствора при прямой закачке воды после поглощения тампонажного раствора, находящегося ниже зоны негерметичности, в поглощающий горизонт будет поступать и вода, что приводит к промыву,

0 межколонным и заколонным перетокам, некачественному цементированию башмака обсадной колонны. Для устранения негерметичности и локализации зон осложнений требуется выполнение ремонтно-изоляци5 онных работ (РИР), связанных с повторным цементированием.

Цель изобретения - повышение качества цементирования и надежности локализации зон осложнений.

0 Поставленная цель достигается тем, что закачивают дополнительную порцию тампонажного раствора в объеме поглощения, равную объему поглощения тампонажного раствора в период его продвижения ниже

5 зоны поглощения при обратной продавке и объема дополнительного столба тампонажного раствора в обсадной колонне выше цементного стакана, высоту которого определяют дважды, предварительно перед

0 обратной закачкой из выражения

H--4K2QRPfQl KiQSfPKUcx-t3-tS6p-tg6P:)

di(Qi-KiQSFp + K2dnP)

где Н - расчетная высота дополнительного 5 столба тампонажного раствора в обсадной колонне выше планируемого уровня цементного стакана по окончании первого этапа цементирования - обратной закачки, м;

Ki, Ka - переводные коэффициенты при- 0 емистости пластами тампонажного раствора в отношении к промывочной жидкости cooTBeTCTBCHHoj мывках (

Qniобр - приемистость пласта на различ- 5 ных режимах при обратной промывке, м3/с;

Qni пр - приемистость пласта при прямой продавке на поглощение, м3/с;

QI-производительность цементировочгственно при прямой и обратной про- ; (Ki QTp°6p/Qn K обр, KaHV /Q™ пр);

ных насосов на I-скорости, м/с:

tHcx - срок начала схватывания первой порции тампонажного раствора, с;

ta - время, пошедшее на затворение тампонажного раствора, с;

tn обр - время обратной закачки и про- давки тампонажного раствора до поглощающего пласта, с;

tc °6p - время обратной продавки в интервале от поглощающего пласта до уровня цементного стакана, с;

de - внутренний диаметр обсадной колонны, м;

и уточняют при контроле положения тампонажного раствора по окончании обратной закачки для определения объема продавочной жидкости второго этапа цементирования - прямой закачки, а последнюю порцию тампонажного раствора в объеме интервала заколонного пространства до поглощающего пласта закачивают с меньшими сроками схватывания, чем предыдущие порции тампонажного раствора, но больше времени первого этапа цементирования - обратной закачки.

На фиг.1 изображена операция закачки тампонажного раствора путем обратной циркуляции; на фиг.2 - операция контроля положения тампонажного раствора по окончании обратной закачки; на фиг.З - окончание операции закачки продавочной жидкости в обсадную колонну и прямого продавливания тампонажного раствора в поглощающий горизонт.

Способ осуществляют следующим образом.

Первоначально в скважину 1 опускают, например, кондуктор 2. Эксплуатационную обсадную колонну 3 с башмаком 4 спускают одной секцией до забоя скважины 1 с поглощающим пластом 5. После спуска обсадной колонны 3 на нее наворачивают цементировочную головку 6 с краном 7 высокого давления и манометром 8, закрывают превентор 9, открывают кран 10 отвода 11 превентора 9 с манометром 12, подсоединяют цементировочные агрегаты и производят профилактическую промывку в режимах, моделирующих процесс цементирования, при этом определяют приемистость поглощающего горизонта 5.

Вначале моделируют первый этап цементирования путем обратной циркуляции, причем в трубном пространстве устья создают противодавление, фиксируемое манометром 8, равное разности давлений, создаваемых столбами тампонажного раствора 13 и промывочной жидкости 14 с учетом гидродинамической составляющей, а подачу создают равную той. на которой будет идти процесс цементирования при прохождении тампонажного раствора 13 ниже зоны 5 поглощения. Время обратной продавки от поглощающего горизонта 5 в за- трубье до уровня цементного стакана 15 в обсадной колонне 3 составляет

t°БРУс (Df-dSUL-jnH-flTdg h

K1 О

4 (Q i - К iQ nl

io5pl

где Vc - объем цементного стакана и затруб- ного пространства обсадной колонны ниже зоны поглощения, м3;

Овых2 обр - количество промывочной жидкости на выходе трубного пространства скважины при обратной промывке, м 3/с;

DC - диаметр скважины, м;

dH, dB - соответственно наружный и внутренний диаметр обсадной колонны, м;

L - длина обсадной колонны, м;

In - расстояние от устья скважины до зоны поглощения, м;

hc - высота цементного стакана, м.

А время обратной продавки в период подъема тампонажного раствора 13 внутри обсадной колонны 3 на высоту дополнительного столба 16 составляет

обр VH t н к - -- ,с„ -

jrdfcH

KtQgggi .4(Q,-KiQSFp)

где VH - объем дополнительного столба тампонажного раствора в обсадной колонне по окончании первого этапа цементирования, м3.

Затем моделируют второй этап прямой продавки в поглощающий горизонт 5. при этом кран 10 на отводе 11 превентора 9 закрывают, а в трубное пространство закачивают промывочную жидкость 14 при режимах, когда на устье затрубного пространства поддерживается избыточное давление, фиксируемое манометром 12. также равное разности давлений, создаваемых столбами тампонажного раствора 13 и промывочной жидкости 14 с учетом гидродинамических составляющих. Время прямой продавки тампонажного раствора 13 на поглощение составляет

ПР rtdJH н 4K2QRP

Процесс цементирования планируют закончить в момент начала схватывания или загустевания первой порции тампонажного раствора 13;

1нсх-1 3+tn °6p+tc °6p+tH o6p+tH P,

подставим значения tH р и tM np

IHCX- t 3+tn °6p + tc °бр +

+ JTdb2H jrdjJH 4Qt-KiQSfp) 4K2QRP

откуда получим расчетный объем дополнительного столба тампонажного раствора в обсадной колонне выше цементного стакана:

4K|08P(Qf(Qi-KiQ hft « --t3-tno6 -tg p) wdJ(Qi-KiQSpP + K2QSP)

причем для режима продавки когда на устье трубного пространства поддерживается давление равное атмосферному.

Далее определяют дополнительную порцию тампонажного раствора 13 вобьеме поглощения на первом этапе цементирований:

Vi«B..|t1o fol K affPfr(D dSKl-)+3tdЈhc) VI- MUST.«(Q.-KTOXF)

lQoj5cto o- KlQSf diH T4(Qi-KiQSf)

где Vc обр - объем поглощения тампонажно- го раствора в период продвижения ниже зоны поглощения до уровня цементного стакана, м3;

VH p - объем поглощения тампонажного раствора при образовании дополнитель- ного столба раствора в обсадной колонне,

м

Складывая последнее (Vc obp+VH оьр) с

объемом дополнительного столба тампонажного раствора (,785dB2Hpac4) пол- учают полный объем поглощения (Vnom).

В процессе цементирования в затруб- ное пространство обсадной колонны закачивают тампонажный раствор в объеме кольцевого пространства скважины, цемен- тного стакана и дополнительную порцию в объеме поглощения. При этом последнюю порцию 17тампонажного раствора в объеме интервала эаколонного пространства до поглощающего пласта 5 закачивают с мень- шим сроком схватывания, чем предыдущая порция, но со сроком схватывания, превышающим продолжительность первого этапа цементирования -обратной продавки:

Jt(Dl - d g) IK + лг(Р с - d и) (In - Ik)

V

ПСХ

Ц

где Vncx - объем последней порции тампонажного раствора, заполняющего затруб- CQ ное пространство верха обсадной колонны до поглощающего горизонта, м3;

DK - внутренний диаметр обсадных труб кондуктора, м;

IK - глубина спуска кондуктора, м. ее Тампонажный раствор 13 при движении ниже поглощающего горизонта 5 частично (Vc°6p+VH обр) уходит в последний и через башмак 4 поступает в обсадную колонну 3, а вытесняемую промывочную жидкость 14

перепускают через открытое устье обсадной колонны 3 в циркуляционную систему буровой. После закачки всего объема тампонажного раствора 13 он займет уровень, равный сумме высот цементного стакана 15 (hc) и дополнительного столба 16(Н). Цементировочные насосы останавливают, краны отвода 7 и 10 превентора 9 и цементировочной головки 6 закрывают. Поскольку гидрав- лическая связь внутриколонного и заколонного пространства через отверстия в башмаке 4 сохраняется, манометром 8 цементировочной головки 6 фиксируют избыточное давление (фиг,2) по которому уточняют объем продавочной жидкости (может служить промывочная жидкость 14) для второго этапа цементирования:

Jtdl Пб1(1 -Рн)

VnP- -5- HyT04H - 4g&p-/ где Нуточн - уточненный объем дополнительного столба тампонажного раствора в обсадной колонне выше цементного стакана по окончании первого этапа цементирования;

Рст, Рн - давление в кольцевом пространстве устья скважины, соответственно планируемое по окончании прямой закачки и фиксируемое по окончании обратной закачки, Па;

с| - ускорение свободного падения, м/с ;

ртр.рмж - соответственно плотность первой порции тампонажного раствора и промывочной жидкости, кг/м .

В идеальном случае величины VH и Vnp должны совпадать.

Кран 7 цементировочной головки 6 открывают и закачивают уточненную порцию продавочной жидкости 14. При этом давление на глубине поглощающих пластов 5 под- держивают, по меньшей мере равным разнице гидростатических давлений столбов тампонажного раствора в затрубном и промывочной жидкости в трубном пространстве, а дополнительный столб 16 тампонажного раствора методом прямой продавки вытесняют из обсадной колонны 3 через башмак 4 в затрубное пространство, далее в поглощающий горизонт 5. Общее время цементирования рассчитывают таким образом, что момент, когда тампонажный раствор 13 в обсадной колонне 1 займет положение цементного стакана 15, соответствует времени начала схватывания или загустения тампонажного раствора 13. Поэтому из-за непредусмотренных технологических остановок или изменений приемистости пласта в процессе проведения операции цементирования вносятся коррективы (ускоренная, на повышенных давлениях закачка согласно индикаторных кривых ДР-Q). По окончании закачки кран 7 цементировочной головки 6 закрывают. Так как последняя порция 17тампонажного раствора, находящаяся над зоной 5 поглощения, имеет срок схватывания меньше общей продолжительности цементирования (обратной и прямой закачки), к тому же при операции прямой закачки неподвижна, процессы структурообразования в ней ускоряются и поэтому после окончания цементирования загустевший тампонаж- ный раствор, вероятнее всего, поглощаться не будет. Перед оставлением скважины на ОЗЦ превентор 9 открывают.

Пример. Необходимо определить общий объем приготавливаемого тампо- нажного раствора для обеспечения качественного цементирования. м, м. In-2300 м, м, ,220 м, ,225 м, ,168 м, ,150M, кг/м3.

Из опыта бурения и после крепления нескольких скважин на конкретном месторождении с конкретными буровыми и там- понажными растворами установили, что Ни К2 1. В процессе профилактических промывок перед цементированием средняя интенсивность поглощения в процессе обратной закачки с общей производительностью цементировочных насосов равной ,014 м3/с при продвижении тампонажного раствора ниже поглощающего горизонта до уровня цементного стакана в обсадной колонне Qnc°6p 0,002 м3/с, а средняя интенсивность поглощения при создании дополнительного столба тампонаж- ного раствора Опн ,003 м3/с. Средняя интенсивность поглощения при прямой продавке на поглощение Qni ,004 м3/с (при этом производительность одного цементировочного агрегата также равна 0,004 м3/с).

Первую порцию тампонажного раствора закачивают плотностью кг/м3, водоцементным отношением ,5 и сроком начала схватывания ч 50 мин (или с) при температуре, соответствующей забойной .

Объем тампонажного раствора в за- трубном пространстве обсадной колонны и цементного стакана составляет 41,36 м3. А объем поглощения при продвижении тампонажного раствора ниже зоны поглощения до уровня планируемого цементного стакана.

Расчетное время цементирования до заполнения обсадной колонны тампонаж- ным раствором соответствующего уровню

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

цементного стакана составляет t3+tn °6p+tc с. Тогда высоту дополнительного столба тампонажного раствора в обсадной колонне выше цементного стакана (при работе двух цементировочных агрегатов с общей производительностью насосов в процессе обратной продавки в этом интервале равной ,014 и прямой продавки Qni ,004м3/с)определяют следующим образом.

Если величина Н будет превышать м, то первую порцию тампонажного раствора выбирают с меньшим сроком начаяа схватывания. Объем поглощения в процессе обратной закачки при создании дополнительного столба тампонажного раствора составляет

VH ,08 м3.

Объем последней порции тампонажного раствора, заполняющего зэтрубноо пространство верха обсадной колонны до поглощающего горизонта ,30 м3. Так как расчетная продолжительность второго этапа цементирования - прямой закачки Тн с, последнюю порцию тампонажного раствора подбирают, чтобы срок начала схватывания в забойных условиях был меньше 6600 с, но больше 4692 с, например 5160 с (1 ч 26 мин), чему соответствует тампонажный раствор плотностью кг/мЗ с водоцементным отношением ,4. Регулировать сроки схватывания последней порции можно также обработкой ускорителями схватывания. ,1 МПа, а избыточное давление, которое покажет манометр на цементировочной головке по окончании обратной закачки Рн -16,0 МПа. Объем продавочной жидкости для прямой закачки Vnp 7,63 м3. Дополнительная порция тампонажного раствора в объеме поглощения: Vnon,Vco6p+VHo6p+Vnp 10,39. Тогда необходимый полный объем тампонажного раствора составляет 51,75 м3.

Экономическая эффективность от применения предлагаемого способа обеспечивается за счет повышения качества цементирования обсадной колонны в скважинах, характеризующихся наличием поглощающих горизонтов, поскольку позволяет сохранить уровень тампонажного раствора в заколонном пространстве верха обсадной колонны и недопустить оголение башмака и заколонные перетоки. Кроме того, предусмотренный столб тампонажного раствора в обсадной колонна после обратной закачки и, в зависимости от величины избыточного давления на устье обсадной колонны, объем продзвочной жидкости прямой закачки до момента времени

ачала схватывания или загустения тампо- ажного раствора повышают надежность окализации зон осложнений, что исключат проведение ремонтно-изоляционных раот повторного цементирования.5 Формула изобретения Способ обратного цементирования обадной колонны, включающий закачку там- понажного раствора в затрубное пространство с запуском промывочной жид- 10 кости из обсадной колонны на устье, контроль положения тампонажного раствора по окончании обратной закачки - первого этапа цементирования,перекрытие затрубного пространства устья и прямую закачку - вто- 15 рого этапа цементирования через трубное пространство в поглощающие пласты с расходом, обеспечивающим давление закачки продавочной жидкости на глубине поглощающих пластов, по меньшей мере равное 20 разнице гидростатических давлений столбов тампонажного раствора в затрубном и промывочной жидкости в трубном пространствах в течение времени до схватывания тампонажного раствора, о т л и ч а ю щ- 25 и и с я тем, что, с целью повышения каче- ства цементирования и надежности локализации зон осложнений, закачивают дополнительную порцию тампонажного раствора в объеме поглощения, равную объ- 30 ему поглощения тампонажного раствора в период его продвижения ниже зоны поглощения при обратной продавке и объема дополнительного столба тампонажного раствора в обсадной колонне выше цемент- 35 ного стакана, высоту которого определяют дважды, предварительно перед обратной закачкой из выражения

н . г Q P (Q I (Q i - 1Q &) ft и сх - ц -1 -1 t)40

,tfdl(cii-K,QSfp-t-K2a :p)

где Н - расчетная высота дополнительного столба тампонажного раствора в ббсадной колонне выше планируемого уровня цементного стакана по окончании первого этапа цементирования - обратной закачки, м;

KI, K2 - переводные коэффициенты приемистости пластами тампонажного раствора в отношении к промывочной жидкости соответственно при прямой и обратной промывках

Qo6p,-. пр

тр „ U Т|5 ч.

(К1 Н «9

(1 аЯГ QRU

Qni° p - приемистость пласта на разных режимах при обратной промывке, м/с;

Qninp- приемистость пласта при прямой продавке на поглощение, м3/с;

QI - производительность цементировочных насосов на i скорости, мэ/с;

t нсх - срок начала схватывания первой порции тампонажного раствора, с;

t3 - время, пошедшее на затворение тампонажного раствора, с;

tn° р - время обратной закачки и про- давки тампонажного раствора до поглощающего пласта, с;

tc p - время обратной продавки в интервале от поглощающего пласта до уровня цементного стакана, с;

de - внутренний диаметр обсадной колонны, м,

и уточняют при контроле положения тампонажного раствора по окончании обратной закачки для определения объема продавочной жидкости второго этапа цементирования - прямой закачки, а последнюю порцию тампонажного раствора в объеме интервала заколонного пространства до поглощающего пласта закачивают с меньшими сроками схватывания, чем предыдущие порции тампонажного раствора, но больше времени первого этапа цементирования - обратной закачки.

ЬхП

V:

Использование: при цементировании скважин с наличием поглощающих пластов, что повышает качество цементирования и надежность локализации зон осложнений. Сущность изобретения в том, что в затруб- ное пространство закачивают тампонажный раствор с одновременным выпуском промывочной жидкости из обсадной колонны на устье. После чего определяют положение тампонажного раствора, перекрывают за- трубное пространство на устье и осуществляют прямую закачку в поглощающие пласты в течение времени до схватывания тампонажного раствора на устье. Закачивают дополнительную порцию тампонажного раствора в объеме поглощения. Высоту дополнительного цементного стакана в обсадной колонне определяют дважды: перед обратной закачкой тампонажного раствора из эмпирической зависимости и уточняют при контроле положения тампонажного раствора в объеме интервала заколонного пространства до поглощающего пласта закачивают с меньшими строками схватывания, чем предыдущие порции, но больше времени первого этапа цементирования обратной закачки.3 ил. ел С

Iff

13

Фиг. 1

w

Фаг. 2

ЗКСК