Способ крепления скважин Шадрина Л.Н. Советский патент 1992 года по МПК E21B33/13 E21B36/00 E21B17/00 

Изобретение относится к бурению скважин и может быть использовано, в частности, при спуске и цементировании обсадных колонн.

Известен способ крепления скважины, включающий спуск в нее обсадной колонны, формирование на ее поверхности средства повышения плавучести с последующим цементированием обсадной колонны и удалением указанного средства для восстановления объема внутриколонного пространства, необходимого для выполнения последующих работ по бурению и закачиванию скважины.

Этот способ реализуется с помощью устройства для крепления скважин, включающего секции обсадной колонны с закрепленным на их внутренней поверхности элементом из материала, плотность которого меньше плотности бурового

раствора, заполняющего скважину Между торцами секций устанавливают кольцевую прокладку, изготовленную из того же материала, что и названный облегчающий элемент. В результате целенаправленно снижается приведенная плотности компоновки обсадной колонны и повыигется ее плавучесть.

После цементирования обсадной колонны и формирования цементного кольца в затрубном (заколонном) пространстве сксз- жины облегчающий элемент при необходимости удаляют с внутренней поверхности секций, например, при помощи бурового долота, либо растворением химикалиями, инертными по отношению к метал/у обсадных труб.

Для изготовления облегчающего элемента можно использовать большуо гамму материалов - отверждаемых, гидратируеVI

сь ел со

CN

ю

мых или термоспекаемых смесей, имеющих низкую плотность (например, в 1,5-2 раза ниже плотности воды), способных сохранять этот показатель при воздействии большого гидростатического давления. К числу легких ингредиентов таких смесей относятся полые стеклянные, керамические, углеродные и полимерные микросферические наполнители пластмасс, имеющие контролируемые размеры (25-75 мкм) и низкую плотность (100-700 кг/м3). На основе смесей этих наполнителей с полиэфирными и эпоксидными смолами, а также с полиурета- новыми композициями за рубежом получают так называемые синтактические пенопласты, которые значительно прочнее обычных пенопластов и находят широкое применение в производстве глубоководных аппаратов. Они могут выдерживать гидростатическое давление до 1000 кгс/см2.

Отечественные аналоги синтактических пенопластов - сферопластики пока что очень дороги (12,8-15,9 руб/кг). Это препятствует использованию названных компози- ционных материалов в конструкции облегчающего элемента устройства для крепления скважин. В этом можно убедиться на следующем примере. Допустим, что для устранения возникшего при спуске обсадной колонны дефицита грузоподъемности буровой вышки, равного 1 т, применили обсадные трубы с внутренним покрытием из сферопластика ЭДС-7А, имеющего плотность 680 кг/м3 и оптовую цену 14 руб/кг. Для ликвидации этого дефицита при спуске обсадной колонны в скважину, выполненную буровым раствором плотностью 1300 кг/м , суммарный объем и масса такого облегчающего внутреннего покрытия обсадных труб достигнут соответственно 1,613 м3 и 1,097 т. Для приобретения такой массы композиционного материала потребовалось бы заплатить поставщику 15355руб.

В реальной практике крепления скважин цельными обсадными колоннами (в том числе кондукторами и промежуточными обсадными колоннами большого диаметра и веса) дефициты грузоподъемности буровой вышки (вышечно-лебедочного комплекса), либо несущей способности самой обсадной колонны (по критериям предельно допустимых растягивающей и страгивающей нагру- зок), зачастую достигают ста и более тонн. Цля покрытия такого дефицита за счет применения на обсадных трубах внутреннего покрытия- из сферопластика типа ЭДС-7А потребовалось бы закупить его, как минимум (при дефиците, равном 100 т) на 1535500 руб, что, естественно, неприемлемо по экономическим соображениям. Поэтому возникла необходимость изыскать и использовать для создания временного внутреннего покрытия обсадных труб недефицитные местные материалы, которые, в частности, можно использовать при указанных специфических геотермальных условиях крепления низкотемпературных скважин.

0 Речь идет о креплении стволов скважин кондуктором или промежуточной обсадной колонной при осуществлении буровых работ в районах распространения многолетних криолитозон (занимающих около

5 половины территории СССР), где верхний слой земной коры, характеризующийся устойчивой в течение многих лет отрицательной или нулевой температурой, обеспечивающей круглогодичнре и длительное (не

0 менее двух лет подряд) сохранение подземного льда.

Многолетняя криолитозона включает (сверху) вниз многолетне-мерзлые горные породы, подземные ледяные тела, образу5 ющие в совокупности так называемую мерзлую зону литосферы, и нижнюю зону, к которой приурочены морозные горные породы и непромерзающие горизонты сильно минерализованных подземных вод.

0

Верхняя граница многолетней криоли- тозоны проходит по поверхности раздела лед - горные породы (в субгляциальных условиях) либо по подошве сезонно-талого

5 или прогретого выше 0°С слоя пород.

Нижняя граница названной зоны проходит по нулевой геоизотерме (0°С), глубина залегания которой от поверхности земли колеблется от нескольких метров в умерен0 ных широтах (на границах областей распространения многолетнемерзлых или охлажденных горных пород) до нескольких километров в высоких широтах (до 1,5 км в субарктических районах).

5 Особенность крепления ствола скважины, пересекающего криолитозону и примыкающую к ней снизу часть низкотемпературного разреза состоит в том, что во время спуска и цементирования обсадной

0 колонны, так же как и во время ожидания затвердения цемента (03Ц), в заколонном пространстве скважины длительное время поддерживается стабильно низкая положительная температура (до плюс 5 - плюс

5 10°С). При таких условиях существенно замедляется теплообмен между внутрисква- жинной средой (в том числе элементами конструкций обсадной колонны) и вскрытыми скважиной холодными окружающими породами.

Целью изобретения является повышение эффективности крепления скважины, пробуренной в районах распространения многолетних криолитозон. Под повышением эффективности этих работ понимается целая система позитивных результатов: достижение высокого качества, в том числе, цельности и конструкционной прочности крепи, герметичности разобщения пластов при цементировании цельной обсадной ко- лонны, сокращение расходов материальных ресурсов, затрат календарного времени, трудозатрат и денежных средств.

Поставленная цель достигается тем, что при использовании способа крепления скважин в районах распространения многолетних криолитозон, включающего спуск в нее крепи, во время которого осуществляется формирование средства повышения плавучести обсадной колонны, путем намо- раживания на внутренней поверхности каждой наращиваемой секции ее равномерного ледяного покрытия.

При этом в состав совокупности существенных отличительных признаков входят следующие предложенные процедуры намораживания на внутренней поверхности наращиваемой секции обсадной колонны равномерного ледяного покрытия: намораживание производят путем заполнения во- дои неподвижной герметично закрытой обсадной колонны, и последующего удаления из нее избыточного количества воды в объеме, равном объему промывочного канала; намораживание производят перед спу- ском наращиваемой секции обсадной колонны в скважину путем заполнения герметично закрытой секции водой в заданном объеме с последующим вращением и охлаждением ее; намораживание производят пу- тем размещения в наращиваемой секции обсадной колонны ледяных трубчатых вкладышей с последующим заполнением зазоров между ними и стенкой колонны водой и продувкой через нее охлажденного воздуха.

На фиг.1 изображена наращиваемая секция обсадной колонны 1 с муфтой 2 со сплошным равномерным внутренним ледяным покрытием 3; на фиг.2 - компоновка обсадной колонны из секций 1 с ледяным покрытием 3, снабженная направляющим башмаком 4 и промывочной головкой 6. Колонна спущена в скважину, заполненную буровым раствором 5; на фиг.З - та же обсадная колонна в позиции после затверде- ния цементного камня 8 в затрубном пространстве. Через промывочную колонну 7, собранную из насосно-компрессорных труб, во врутриколонное пространство подается теплоноситель (техническая вода, буровой раствор) для ускорения освобождения обсадных труб от внутреннего ледяного покрытия; на фиг.4-6 - схема осуществления намораживания слоя льда на внутренней поверхности наращиваемой секции обсадной колонны с таким расчетом, что в центре этой трубной секции остается сквозной промывочный канал; на фиг.4 - наращиваемая секция 1 обсадной колонны в позиции, когда она закрыта сверху проточной муфтовой пробкой 9 с краном 10, а снизу - проточной ниппельной пробкой 11 с краном 12; внутритрубное пространство заполнено водой 13; на фиг.5 -наращиваемая секция 1 с муфтой 2 в позиции, когда после формирования слоя льда 3 заданной толщины открытием кранов 10 и 12 осуществляется слив расчетного объема воды, оставшейся в коаксиальном центре трубной секции, благодаря чему образуется сплошной промывочный канал; на фиг.6 - наращиваемая секция 1 с муфтой 2, футерованная слоем льда 3 после отвинчивания пробок; на фиг.7-9 - стадии процесса намораживания ледяной внутренней футеровки из залитого во внутритрубное пространство расчетного объема воды при вращении горизонтально размещенной герметично закрытой наращиваемой секции обсадной колонны; наращиваемая секция 1 с муфтой 2 в позиции перед вращением ее, когда вода 13 залита во внутритрубное пространство, пробка 9 ввернута, пробка 11 навернута до упора, а краны 10 и 12 закрыты; на фиг.8 - нараш%- ваемая секция 1 с муфтой 2 в позиции по окончанию вращения с одновременным охлаждением ее, вся залитая в трубную секцию вода наморозилась на ее внутреннюю стенку в виде равномерного ледяного слоя 3; на фиг.9 - наращиваемая секций 1.с муфтой 2, футерованная ледяным сло15м 3 после отвинчивания пробок; на фиг.10-12 - стадии процесса изготовления /единой внутренней футеровки посредством вмораживания в наращиваемую секцию обсадной колонны ледяных вкладышей 14 и 15; на фиг.10 - наращиваемая секция 1 с иуфтой 2 в позиции, когда в трубу, частично заполненную ледяными вкладышами 14, вводится очередной, например, последний вкладыш 15; на фиг.11 - наращиваемая секция 1 с муфтой 2 в позиции, когда после ввода ледяных вкладышей 14 и 15, гари закрытом кране 12, внутоитрубное пространство заполняется водой; на фиг.12 - наращиваемая секция 1 с муфтой i в позиции, когда при открытом кране 12 охлажденная вода сливается из внутритрубного пространства; на фиг.13 - наращиваемая секция 1 с муфтой 2 в позиции, когда

сразу же после слива воды из внутритрубно- го пространства в наго подается охлажденный воздух, благодаря чему происходит вмораживание ледяных вкладышей с образованием сплошного внутреннего ледяного слоя 3; на фиг. 14 - наращиваемая секция 1 с муфтой 2, футерованная ледяным слоем 3, после отвинчивания муфтовой и ниппельной профок.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Согласно изобретению формирование средства повышения плавучести обсадной колонны осуществляют путем намораживания на внутренней поверхности каждой наращиваемой секции ее равномерного ледяного покрытия. При интенсивном отводе тепла (например, при поддержании температуры окружающей среды порядка минус 10 - минус 20°С) из воды, залитой в полость наращиваемой секции обсадной колонны, на ее внутренней поверхности - охлаждаемой подложке сформируется сплошной слой льда плотностью около 920 кг/м3,

Внутренний диаметр ледяного покрытия, равный по требному диаметру промывочного канала внутри футерованной описанным способом наращиваемой секции обсадной колонны, контролируется в процессе намораживания льда интенсивностью и продолжительностью процесса отвода тепла от трубной секции,

По истечении установочного времени намораживания внутреннего ледяного покрытия зода, не застывшая в средней части наращиваемой секции обсадной колонны, сливается. В результате это го в наращиваемой секции создается сквозной канал для прокачки через нее технологических жидкостей, используемых при промывке и цементировании скважины, а также для спуска внутри футерованной льдом обсадной колонны трубных колонн меньшего диаметра, скважинных инструментов и приборов.

Согласно предложенному альтернативному способу намораживание ледяного покрытия производят перед спуском наращиваемой секции обсадной колонны в скважину путем заполнения герметично закрытой секции водой в заданном расчетном объеме с последующим вращением и охлаждением ее. Вся залитая в трубную секцию вода намораживается на ее внутреннюю стенку в виде равномерного ледяного покрытия, причем в центральной части секции остается сквозной промывочный канал заданного диаметра.

Наконец, согласно другому предложенному способу намораживание проводят путем размещения в наращиваемой секции

обсадной колонны ледяных трубчатых вкладышей длиной 1-3 м. Наружный диаметр вкладыша на 1-2 мм меньше внутреннего диаметра подлежащих футеровке труб.

Внутренний диаметр вкладыша равен потребному диаметру сквозного канала во внутренней футеровке наращиваемой секции обсадной колонны.

В охлажденную сухую трубную сек0 цию вводят ледяные вкладыши один за другим до заполнения ими секции на всю ее длину-от свободного нижнего конца ниппеля до конца верхнего ниппеля, ввернутого в муфту. Вслед за этим торцы ледяных

5 вкладышей фиксируются с помощью муфтовой пробки (ввинченной в муфту) и ниппельной пробки (навинченной на ниппель наращиваемой секции).

Муфтовая и ниппельная пробки проточ0 ные, снабжены быстросьемными крепежными устройствами для соединения с циркуляционной системой, по которой можно попеременно прокачивать воду и воздух. Сначала через наполненную ледяными

5 вкладышами наращиваемую секцию прокачивается вода, имеющая температуру, близкую к 0°С. Вода заполняет все радиальные зазоры, оставшиеся между внутренней стенкой трубной секции и ледяными вкла0 дышами, а также и зазоры между торцами вкладышей. Поскольку и вкладыши и сама наращиваемая секция изначально имеют отрицательную температуру, вода в упомянутых узких зазорах почти мгновенно за5 мерзает.

Вода, не успевшая замерзнуть в коакси- ально средней части наращиваемой секции (в ее сквозном промывочном канале), сливается, и в трубную секцию немедленно пода0 ется поток холодного воздуха, имеющего температуру минус 10 - минус 20°С. В результате снижения температуры ледяные вкладыши окончательно вмораживаются в наращиваемую секцию обсадной колонны.

5 Рассмотрим практический пример расчета подвески обсадной колонны, опущенной в скважину, заполненную буровым раствором, на основе предложенного способа крепления скважин,

0 Для устранения дефицита прочности обсадной колонны на растяжение или страгивающую нагрузку резьбовых соединений верхних труб либо дефицита несущей способности какого-либо из элементов грузоне5 сущей системы наземного оборудования и спускового инструмента (буровой вышки, кронблока, талевого блока, крюка, штропов, элеваторов), равного 1 т при спуске обсадной колонны в скважину, заполненную буровым раствором плотностью 1300 кг/м ,

объем и масса внутреннего ледяного покрытия обсадных труб достигнут соответственно 2,63 м3 и 2,42 т.

Допустим, что при строительстве разведочной скважины (либо горной выработки иного назначения) в криолитозоне, простирающейся до отметки 1450 м, требуется спустить на эту глубину и зацементировать промежуточную обсадную колонну, собранную из труб диаметром 508 мм с толщиной стенки 11 мм, изготовленных из стали марки Д (для краткости, из труб 508x11 Д).

Благодаря подбору плотностей бурового раствора, цементного раствора и прода- вочной жидкости, а также оптимизации режимов их закачки и продавки, фактические снимающие нагрузки, действующие на обсадные трубы во время операции цементирования и в течение последующей работы обсадной колонны в конструкции скважины, не превысят предельно допустимые показатели.

Теоретическая масса 1 м обсадной колонны 508x11 Д в воздухе равна 139,2 кг. Вес 1 м этой колонны с учетом облегчения в буровом растворе плотностью 1300 кг/м равна 116,15 кг.

Страгивающая нагрузка резьбового соединения этих обсадных труб (ГОСТ 632-64), рассчитанная по формуле Яковле- ва-Шумилова (для труб с нормальной резьбой) равна 355,87 т.

Для спуска названной обсадной колонны в скважину при указанных геолого-технических условиях используется буровая установка Уралмащ 4Э-76, включающая вышку ВБ-53-320 (грузоподъемностью 320 т), оснащенную кронблоком УКБ-Б-270 (грузоподъемностью 270 т) и талевым блоком УТБК-225 (грузоподъемностью 225 т).

В качестве спускового инструмента используются штропы грузоподъемностью 200 т и элеваторы грузоподъемностью 125т.

Допустимая страгивающая нагрузка резьбовых соединений обсадных труб 508 х х 11 Д с учетом коэффициента запаса прочности 1,75, регламентированного общепринятой методикой расчета обсадных колонн, равна 203,4 т.

Вес в воздухе 1450 м обсадной колонны, собранной из труб 508 х 11 Д, равен 139,2 х х 1450 201,8 т.

Запас прочности обсадной колонны по критерию страгивающей нагрузки резьбовых соединений (без учета облегчения ее в

ОЦС

буровом растворе) равен 1,76.

iUI ,о

Это означает, что по данному критерию промежуточную обсадную колонну 508 х 11 Д длиной 1450 м можно спустить в ствол

скважины и зацементировать целиком. Однако технически выполнить эту операцию все же невозможно из-за ограниченности грузоподъемности самого слабого элемента приведенной грузонесущей системы - элеватора, рассчитанного на максимальную нагрузку 125т.

Исходя из этой нагрузки и коэффициента запаса прочности элеватора 1,25, максимальная длина 508-мм обсадной колонны, которая может быть спущена в скважину в один прием составит

125000

1,25 139,2

718,4м.

Количество секций, на которые следует разделить 508-мм обсадную колонну, равно

1450 718,2

2,02 «2 секции.

Дефицит грузонесущей системы по критерию грузоподъемности элеватора составит

а)без учета влияния облегчения обсадной колонны в буровом растворе

201,8- -т|т 101 8т

б)с учетом влияния облегчения обсадной колонны в буровом растворе

20,, 8(1 --т 1-41- 68,4 т

7850

1,25

Для устранения дефицита грузоподъемности элеватора при спуске цельной 508-мм обсадной колонны в один прием необходимо разместить на внутренней поверхности обсадных труб ледяное покрытие суммарным объемом

2,63x68,4 179,9м3

Масса такого покрытия составит

179-9х-Ш г165 5т

1. Рассмотрим вариант равномерного распределения объема льда на всей длине обсадной колонны.

Объем ледяного покрытия, отнесенной на 1 м трубы

0.124 „3

Теоретическая масса 1 м колонны 508 х х 11 Д с ледяным покрытием в воздухе

qc+д 139,2 + 0,124 х 920 253,3 кг

Теоретический объем 1 м колонны 508 х х 11 Д с ледяным покрытием в воздухе.

. +0,124м3- /Нои

0,1417м3(141,7л/м)

Приведенная плотность обсадной трубы 508 х 11 Д, футерованной ледяным покрытием,

253,3 х 100Q 141,7

1787,6 кг/м3

Проверка. Определим длину подвески обсадной колонны 508 х 11 Д, футерованной равномерным внутренним ледяным покрытием, .

125000

1,25 -253,3(1 )

1450м

Определим диаметр промывочного канала (с1Вл) в обсадной трубе 508 х 11 Д, футерованной ледяным покрытием:

Ьвл

0.4862 0,124

0,785 1,0

0,28м

где dur - внутренний диаметр обсадной трубы;

Ул - объем ледяного покрытия, отнесенный на 1 м трубы;

I - длина трубы, равна 1 м.

Толщина ледяного покрытия равна 0,486-0,28 0103м

Приведенный расчет демонстрирует технологическую эффективность предложенного способа крепления низкотемпературных скважин, состоящую в том, что обеспечивается возможность спуска и цементирования цельной промежуточной обсадной колонны при дефиците грузоподъемности применяемого бурового оборудования. Аналогичную схему расчета обсадной колонны, футерованной ледяным покрытием, можно применить при дефиците прочности на растяжение используемых обсадных труб.

Применение способа крепления скважин в обширных районах распространения

криолитозон в нашей стране и за рубежом не потребует больших затрат, так как предложенный материал пониженной плотности всюду имеется в избытке, а энерго- и трудозатраты, связанные с футеровкой наращиваемых секций обсадной колонны внутренним ледяным покрытием, относительно невелики.

Формула изобретения 1. Способ крепления скважин, включающий спуск в нее секционной обсадной колонны, формирование на ее поверхности средства повышения плавучести с последующим цементированием обсадной колон- ны, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа крепления скважин, пробуренных в районах распространения многолетних криолитозон, формирование средств повышения плавуче- сти обсадной колонны, осуществляют путем намораживания на внутренней поверхности каждой наращиваемой секции ее равномерного ледяного покрытия.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что намораживание производят путем

заполнения водой неподвижной герметично закрытой наращиваемой секции обсадной колонны и последующего удаления из нее избыточного количества воды в объеме, равном объему промывочного канала,

3.Способ по п.1,отличающийся тем, что намораживание производят перед спуском наращиваемой секции обсадной колонны в скважину путем заполнения герметично закрытой секции водой в заданном объеме с последующим вращением и охлаждением ее.

4.Способ по п. 1,отличающийся тем, что намораживание производят путем

размещения в наращиваемой секции обсадной колонны ледяных трубчатых вкладышей с последующим заполнением зазоров между ними и стенкой колонны водой и продувкой через нее охлажденного воздуха.

H

V

CM «О

со in

СО

гХ/5&С0& /Ы/УЗЈЖП//Х0

ч

о irr

ю ю

сч

D СО Ю «О ГЈЬ//зм&ен#&й

бездух

Изобретение может быть эффективно использовано на скважинах, пробуренных в районах распространения многолетних кри- олитозон. Способ предусматривает спуск в скважину секционной обсадной колонны и перед цементированием формирование на ее поверхности средства повышения плавучести. Эти операции осуществляют путем намораживания на внутренней поверхности каждой наращиваемой секции равномерного ледяного покрытия. Последнее можно намораживать путем заполнения водой неподвижной герметично закрытой наращиваемой секции обсадной колонны с последующим удалением из нее избо точного количества воды в объеме, равном объему промывочного канала. Намораживание можно производить также перед спуском наращиваемой секции колонны путем заполнения герметично закрытой секции водой в заданном объеме с последующим вращением и охлаждением ее. Кроме того, ледяное покрытие можно получить путем размещения в секциях колонны ледяныл трубчатых вкладышей с последующим заполнением зазоров между ними и стенкой колонны водой и продувкой через нее охлажденного воздуха. 3 з.п. ф-лы, 14 ил. (Л С