Способ ступенчатого цементирования обсадных колонн в скважинах

 

Изобретение относится к бурению скважин. Цель изобретения - повьппение 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН щи| а1 (SO 4 E 21 В 33 14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (2 1) 3920350/22-03 (22) 02.07,86 (46) 23.10.87. Бюл. У 39 (71) Сибирский научно-исследовательский институт нефтяной промышленности (72) А,В.Колотов, В.Г,Добрянский и P.Ï.Ñêîðíÿêîâà (53) 622.245.42(088,8) (56) Соловьев Е.М. Закачивание скважины. — M.: Недра, 1979, с, 215.

Авторское свидетельство СССР

И 829876, кл. Е21 В 33/14,,1980. (54) СПОСОБ СТУПЕНЧАТОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН В СКВАЖИНАХ (57) Изобретение относится к бурению скважин. Цель изобретения — повышение 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 f,îïðåäåëÿåìîãî из выражения где м — расчетный коэффициент, определяемый из соотношения плотностей водоцементного отношения в исходном цементном растворе, цементном уплотнении в скважине и пр. (a = О, 15

068), D d диаметр обсадной колонны, м, Ч скорость движения фильтрата, м/с;

Р, и Р, — давление гидроразрыва на глубийе Z u Z соответственно

МПа, p — плотность жидкости в скважине, кг/м, g — ускорение силы тяжести, кгм/с, (,>, и < — термоупругость горной породы на глубинах Z и 7., соответственно, МПа/град, dt„

Ц и d t — нагрев цементного раст4z вора на глубинах Z и Zz, град, d d t, и 6 btz — скорость восстановления т-ры горных пород, град/ч. При этом цементируют верхнюю часть колонны через ее заколонное пространство выше зоны поглощения. 1 табл. 10

20

/ мин макс при этом

< (D -d ) С 1 м 44 4у

1 13467

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

Целью из обре те н ия является повьш е— ние эффективности цементирования об.садных колонн эа счет упрощения их технологической оснастки.

Способ осуществляют следующим образом.

Обсадную колонну, спущенную ниже зоны поглощения, цементируют в нижней части через ее внутреннее сечение.

Затем осуществляют гидрораэрыв и производят цементирование верхней части обсадной колонны через ее заколонное пространство выше зоны поглощения.

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

Р, -Р, +gg(Zg-Е()+,ьс, — q, Л t ььг, — ьь t где ю6 — расчетный коэффициент, определяемый иэ соотношения плотностей 35 водоцементного отношения в исходном цементном растворе, цементном уплотнении в скважине и пр. (с4 = О, 150,68), D — диаметр скважины, м, d диаметр обсадной колонны, м, 1 — 40 скорость движения фильтрата, м/с;

Р, и Р,, — давление гидроразрыва на глубине 7., и Z соответственно, МПа, р — плотность жидкости в скважине, кгlм, 8 — ускорение силы тя- 45 жести кг м/c ; q, и 4 — термоупругость горной породы на глубинах К, и Z соответственно, MIIa/ãðàä, dt<

4 и h t> — нагрев цементного раствора на глубинах Z, и Zz соответственно, 50 .град, Ь ht, и aht — скорость восстановления температуры горных пород на глубинах Z < и 7. 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 подъе67 2 ма давления, необходимого для создания г идрораз рыв а.

Чтобы предотвратить гидроразрыв в интервале нижней части обсадной колонны давление гидрораэрыва необходимо создавать в течение определенного времени (не менее некой величины 7„„„ ), эа которое избыточная вода иэ цементного раствора должна отфильтроваться в пласт.

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

При этом время создания давления гидроразрыва не должно превышать время

/ „,/, за которое создается воэможность 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 выше 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 гидрораэрыв в запланированном интервале уже маловероятен.

Пример. Для того, чтобы создать перепад давления в цементном растворе вблизи верхней границы первой ступени и пласте (особенно в случае, если давление в пласте не меньше гидростатического), на устье, в затрубном пространстве, создают избыточное давление, которое по мере отфильтровывания воды из цементного раствора и роста структурной прочности цементного уплотнения в районе высо.копроницаемого пласта повышают до давления гидрораэрыва пласта, залегающего в нижней части второй ступени.

Вычислим, в течение какого времени необходимо повышать давление в за1346767 трубном пространстве, с тем, чтобы не вызвать гидрораэрыва пластов внизу первой ступени.

Водоотдача цементного раствора в реальной скважине (через глинистую

5 корку, кольматационный слой) не превышает водоотдачу исходного бурового раствора. Поскольку это так, то можно определить скорость фильтрата раство- 10 ра в стенку ствола реальной скважины.

Приравняв скорость фильтрата бурового раствора скорости фильтрата цементного раствора, получаем

15 (1) Ч = Ч

2 (2) Ре Ve

= m, (4)

p„v, > где рЧ и Ч„- плотность цементного порошка и его объем в объеме Ч О

P 1ОЬ и V — плотность воды и ее объем в объеме Ч pP — плотность цементного раствора (pp = 1830 кг/м ); m— водоцементный фактор.

Из формул (3) и (4) получаем

mPV (5) е р(1+,)

55 где V, — скорость фильтрата бурового раствора при комнатной температуре t = 20 С и перепаде давлений ьР, 0,1 МПа; Ч вЂ” скорость фильтрата цементного раствора в забойных (на глубине примерно 800-1000 м) условиях, где t = 30 С, ЬР = 4 МПа (средний между нулем и предполагаемым дав- 25 лением гидроразрыва);, и, — вязкость фильтрата соответственно бурового раствора при t = 20 С и цементного раствора при г = 30 С, О, 1,005 МПа с, р, = 0,8007 МПа с.

Примем, что sr, = 2,8 ° 10 м/с (соответствует водоотдаче глинистого раствора в 10 см до 0,5 ч), тогда по формуле (1) Ч = 24,4 ° 10 м/с °

Объем тампонажного раствора в эатрубном пространстве

35 — (кв -d ) н

P 4 где К вЂ” коэффициент каверзности (в среднем К = 1, 32);

А0

D — номинальный диаметр ствола скважины (D = 21,59 см);

d — - диаметр обсадной колонны (d = 14,6 см);

Н вЂ” высота проницаемого пласта.

Составим равенство

Pq Ч„+ Р> Ч,= Р, Vp (3) Для того, чтобы в кольцевом пространстве получилось прочное цементное уплотнение иэ цементного раствора необходимо отобрать 502 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)

Ч = - — - - - х -"- (КП -сР) ° Н (6) в 1.,25 рь 4

Площадь фильтрующей поверхности в скважине определяется зависимостью

s =",.1к и н, (7)

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

Чв Рр (KD2 -d2 )

= 0,05 — — — — — ° (8)

SV Pa 1K D V

Подставив числовые значения, получают

607 с = 10 мин °

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

Если увеличивать давление в затрубном пространстве не 10 мин, а более длительный период, то надежность и прочность цементного уплотнения в области проницаемого пласта будет выше. Однако большой разрыв во времени между окончанием цементирования первой ступени и проведением гидроразрыва может привести к тому, что гидроразрыв пласта произойдет не в нижней части второй ступени, а в верхней (под башмаком предыдущей колонны — кондуктора). Причина — снижение градиента давления жидкости с глубиной при создании избыточного давления на устье.

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

В таблице приведена термоупругая характеристик а горных пород.

5 13467

Из таблицы видно, что наиболее чувствительны к изменению температуры гипсы и ангидриды, наименее чувствительны песчаники и сланцы. Напри5 мер, глинистый сланец при изменении его температуры на 1 С изменяет свое напряженное состояние на 0,36 МПа.

Для того, чтобы гцпроразрыв пластов под башмаком кондуктора не проис- !0 ходил, давление гидроразрыва там необходимо повысить íà 5 0 МПа. Поскольку верхняя часть разреза представлена преимущественно глинистыми отложениями, то делением цифры 5,0 !5 на 0,36 получаем на сколько необходимо нагреть горные породы, чтобы давление гидроразрыва повысилось на

5,0 МПа. Получаем дс = 14 С.

Естественная температура горных пород на глубине 400 м примерно рав0 на 0 С. В процессе циркуляции жидкостей во время цементирования верхняя часть разреза прогревается за счет тепла, принесенного жидкостью снизу. р5

Наблюдения показали, что на выходе температура в зависимости от глубины нефтяной скважины колеблется в пределах 24-57 С. Этой температуры вполо не достаточно, чтобы повысить давление гидроразрыва до необходимой величины. Необходимо своевременно воспользоваться этой температурой, так как сразу после окончания циркуляции температурное поле вокруг ствола сква-35 жины восстанавливается. Причем темп восстановления мало зависит от теплопроводности горных пород и составляет

3-5 С в час. Отсюда видно, что через несколько часов ОЗЦ температура почти 40 полностью восстановится и желаемого эффекта не получится.

Принимая во внимание наибольший о темп охлаждения (5 С в час), минимальный нагрев (24 r) и необходимый на- 45 о грев (дс = 14 С), находим, что время повышения давления на устье в затрубном пространстве перед гидроразрывом пластов и цементированием второйстепени не должно превышать 50

120 мин. (D2 — d2 ) 2

4DVä миц 1 г Д Д 2 расчетный коэффициент, определяемый из соотношения плотностей водоцементного отношения в исходном цементном растворе, цементном уплотнении в скважине и пр. (а = О, 15

0,68); диаметр скважины, м; диаметр обсадной колонны, м; скорость движения фильтрата, м/с; где сь

d

Р,р, и Р, Рz давление гидроразрыва на глубине 7., и Zz соответственно, МПа, плотность жидкости в скважине, кг/м, ускорение силы тяжести; кгм/с2; — термоупругость горной породы на глубинах Z u Z соответственно, MIIa/град, ,и<р дс,, и ч — нагрев цементного раствора на глубинах 7., и Z2 соответственно, град;

67 в 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, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности цементирования эа 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 о, определяемого из выражения б

МИН 0ÊÑ 2 при этом ддс, и ддС

Формула изобретения

Способ ступенчатого цементирования обсаднь|х колонн в скважинах,вклюскорость восстановления температуры горных пород на глубинах 7., и Zz соответственно, град/ч.

1346767

Е 10, МПа, МПа с

МПа/град м,10, 1/град

Породы

2,35

0,25

1,0

0,31

Песчаник

7,48

0,27

0,8

Известняк

0,82

8,00

0,25

0,7

Доломит

0 75

3,80

0,30

1,9

1,03

Гипс

3,80

0,30

1,9

1,03

Ангидрид

Глин ис тый сланец

3,60

0,40

0,6

0,36

Составитель В. Гришанов

Техред М.Ходанич КоРректор С.Черни

Редактор Н.Лазаренко

Заказ 5 103/3 1

Тирам 532 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г,умгород, ул.Проектная, 4