Способ предупреждения смятия обсадных колонн труб скважины при сооружении подземных резервуаров в хемогенных отложениях

 

Изобретение относится к горному делу и может использоваться при строительстве скважин в хемогенных отложениях и при эксплуатации и сооружении подземных хранилищ. Способ предупреждения смятия обсадных колонн труб скважины при сооружении подземных резервуаров в хемогенных отложениях предусматривает герметизацию резервуаров в кровле и подошве, сброс избыточного давления с наружной поверхности труб путем осуществления гидродинамической связи затрубного пространства и внутренней поверхности труб через образуемые в них в виде отверстий протоки. Создание последних производят перед монтажом и спуском колонны в скважину и перекрывают их системой разгрузочных клапанов, посредством которой снижение давления в указанном пространстве осуществляют в автоматическом режиме в момент увеличения его вблизи наружной поверхности обсадной колонны труб до величины, близкой или равной 2/3 допустимого давления смятия. Создание протоков можно производить в соединительных элементах труб обсадной колонны. В результате создаются условия, при которых исключается смятие загерметизированной в подземном резервуаре обсадной колонны. 1 з. п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам крепления обсадных колонн при строительстве скважин в хемогенных отложениях, и может быть использовано в нефтегазовой промышленности при эксплуатации и сооружении подземных хранилищ.

Смятие обсадных колонн в хемогенных отложениях является довольно распространенным и самым сложным видом аварий при строительстве скважин. Оно приурочено, как правило, к интервалам залегания текучих солевых пород, склонных также к кавернообразованию, вследствие их высокой растворимости. Особенно большие каверны образуются при бурении бишофита и карналита.

Известен способ предупреждения смятия колонн в солях /1/, заключающийся в бурении скважины, спуске обсадной колонны труб и последующем ее цементировании. Вначале цементируют нижнюю часть обсадной колонны до подошвы текучих соляных пород, затем производят натяжение свободной части колонны и цементируют ее. После этого создают гидравлическую связь трубного и затрубного пространств в интервале залегания текучих соляных пород.

В способе из другого источника информации /2/ в целях предупреждения смятия обсадных колонн используют также трубы большой толщины с повышенной прочностью металла. Так, в скважине N 32 (Машевская) в интервале залегания бишофитного пласта 2625-2653 м были установлены трубы из стали марки P-110 с толщиной стенки 12,7 мм и пределом текучести 91,9 МПа. Гидростатическое допустимое сминающее давление для этих труб равно 62,0 МПа. С учетом внутреннего противодавления около 40,0 МПа обсадная колонна могла выдержать наружное гидростатическое давление около 102,0 МПа, т.е. в 1,64 раза больше, чем геостатическое давление горных пород. Тем не менее через 98 часов после цементирования обсадной колонны при первом спуске бурильного инструмента на глубине 2627 м произошла его посадка. С помощью профилемера было установлено, что колонна смята в интервале 2627-2630 м с уменьшением внутреннего диаметра труб на 20 мм.

Известен способ предупреждения смятия обсадных колонн скважин в зоне пластической деформации солей /3/, предусматривающий селективную установку дополнительных колонн-хвостовиков в зонах с характерной особенностью проявления пластической деформации пород. Данный способ сложен в осуществлении, т. к. предполагает постоянный контроль за состоянием пластового флюида в скважине и составление прогноза.

Известен также способ предупреждения смятия колонн путем герметизации подземного резервуара и создания замкнутой системы "соляная порода - обсадная труба" с последующей, при необходимости, перфорацией обсадной колонны /4/. Сущность метода заключается в герметизации резервуара путем ступенчатого цементирования до подошвы и выше кровли. В интервале резервуара устанавливают трубы, способные выдержать геостатическое давление. При этом осуществляют контроль за положением стенок скважины методом радиокаротажа и сопоставления диаграмм после каждого замера. При приближении породы к обсадной колонне на 8-10 см и росте давления выше геостатического производят перфорацию обсадной колонны и сброс избыточного давления.

К недостаткам способа относятся непрогнозируемый рост давления и установление момента создания перфорации обсадной колонны, разгерметизация колонны и вследствие этого возникновение неуправляемой гидравлической связи затрубного пространства с внутренней полостью, что делает невозможным проведение дальнейших работ в случае нефтегазопроявления, а также является источником возникновения заколонных проявлений, препятствующих дальнейшему использованию скважины в качестве эксплуатационного объекта.

Решаемая задача при разработке предлагаемого способа заключается в создании условий, при которых исключается смятие загерметизированной в подземном резервуаре обсадной колонны под воздействием избыточного давления, превышающего геостатическое, в условиях текучести соляных пород, сохраняя при этом внутреннюю герметичность колонны.

В результате решения этой задачи нейтрализуется источник давления, вызывающий смятие колонны, более простым способом, обеспечивающим герметичность колонны, экологическую безопасность, длительную и устойчивую ее работу в качестве крепи скважины и эксплуатационного оборудования. При этом в процессе сооружения подземной емкости создается саморегулируемый режим, препятствующий смятию обсадной колонны скважины в условиях текучести соляной породы.

Сущность предлагаемого способа заключается в использовании технологии, предусматривающей герметизацию подземной емкости в кровле и подошве закачкой цемента, сброс избыточного давления с наружной поверхности труб за счет осуществления гидродинамической связи между затрубным пространством и внутренней поверхностью труб через создаваемые в них протоки, согласно предлагаемому способу последние выполняют перед монтажом и спуском колонны в скважину. При этом протоки перекрывают системой разгрузочных клапанов, посредством которых автоматически снижают давление в указанном пространстве в момент его повышения вблизи наружной поверхности до величины, близкой или равной 2/3 допустимого давления смятия.

Отличие способа заключается также в том, что протоки создают в соединительных элементах труб, в том числе в муфтах труб.

Предлагаемый способ поясняется схемами на фиг. 1, 2, 3, 4.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема осуществления способа предупреждения смятия обсадных колонн труб скважины при сооружении подземных резервуаров в хемогенных отложениях.

На фиг. 2, 3, 4 показаны варианты фрагмента схемы на фиг. 1, иллюстрирующие возможности образования гидродинамической связи затрубного пространства с внутренней поверхностью обсадной колонны труб.

На фиг. 2 изображено создание перекрываемого протока в соединительных элементах труб обсадной колонны.

На фиг. 3 - создание перекрываемого протока в муфтах труб обсадной колонны.

На фиг. 4 - создание перекрываемого протока непосредственно в самих трубах обсадной колонны.

На фиг. 1 изображен подземный резервуар 1, сооружаемый в соляном массиве 2 через буровую скважину 3. В последнюю спущена обсадная колонна 4, состоящая из системы труб, снабженных муфтами 5. Трубы скреплены между собой соединительными элементами 6. В элементах 6 созданы протоки в виде отверстий, перекрываемых системой разгрузочных клапанов 7, имеющих чувствительные пружины 8. Затрубное пространство в подошве и кровле подземного резервуара 1 загерметизировано верхним 9 и нижним 10 цементными кольцами. Полость, образуемая в подземном резервуаре 1 между соляным массивом 2 и затрубным пространством обсадной колонны 4, заполнена буровым раствором 11. Под влиянием текучести солей массива 2 возможно смещение контура подземного резервуара 1 в положение 12.

Способ осуществляется следующим образом. При монтаже обсадной колонны 4 труб перед спуском ее в скважину 3 выбирают участки труб или их элементов, в которых создают отверстия для образования протоков. Отверстия перекрывают разгрузочными клапанами 7, после чего спускают обсадную колонну 4 в скважину 3, затем цементируют колонну 4 с образованием таким образом герметичного пространства внутри подземного резервуара 1, заполняемого буровым раствором 11. В процессе эксплуатации скважины 3 в случае возникновения избыточного давления вблизи наружной поверхности труб обсадной колонны 4, величина которого приближается или становится равной 2/3 допустимого давления смятия труб, сброс его осуществляют в автоматическом режиме посредством системы разгрузочных клапанов 7.

Пример 1.

В соответствии с представленной на фиг. 1 схемой реализации способа после пробуривания скважины 3 в соляном массиве 2, состоящем из бишофита, в целях сооружения подземного резервуара 1 путем выщелачивания породы водой монтируют обсадную колонну 4, состоящую из труб с муфтами 5. В процессе монтажа обсадной колонны 4 используют соединительные элементы 6, представляющие собой самостоятельные переводники с верхней муфтовой резьбой под коническую резьбу труб обсадной колонны 4 и нижней конической резьбой под муфты 5 (фиг. 2).

Для образования протоков в трубах обсадной колонны 4, через которые, при необходимости, возможно перепускание рабочей жидкости, создание отверстий осуществляют в соединительных элементах 6. Последние перекрывают системой разгрузочных клапанов 7 с пружинами 8. Количество соединительных элементов 6 определяют в зависимости от высоты сооружаемой каверны 1, исходя из расчета по крайней мере один соединительный элемент 6 на каждые 10 м длины обсадной колонны 4. Усилие смятия пружин 8 рассчитывают на величину давления, равную 2/3 давления смятия труб обсадной колонны 4. Устанавливают соединительные элементы 6 путем ввинчивания их в муфты 5 труб, предварительно спущенных в скважину 3. После этого в муфтовую коническую резьбу соединительных элементов 6 ввинчивают очередное количество труб обсадной колонны 4. Таким образом, соединительные элементы 6 спускают в скважину 3 вместе с трубами, на которых они закреплены.

Необходимое количество разгрузочных клапанов 7 в системе при монтаже колонны определяют из расчета по меньшей мере три клапана 7 на каждый соединительный элемент 6. Наращивание труб колонны 4 по высоте скважины 3 прекращают по достижении необходимой высоты этой колонны. После монтажа и спуска колонны 4 ее крепление в скважине 3 осуществляют ступенчато. В первой ступени тампонажный раствор поднимают до подошвы подземного резервуара 1, образуя нижнее герметичное цементное кольцо 10. Во второй - через специально предназначенную заливочную муфту заполняют затрубное пространство выше кровли подземного резервуара 1, образуя верхнее герметичное цементное кольцо 9. Таким образом, между соляным массивом 2 и обсадной колонной 4 труб создают герметичную полость, заполняемую буровым раствором 11 и разобщенную цементным камнем от ствола скважины 3 в подошве и кровле подземного резервуара 1.

В процессе эксплуатации скважины 3 изменяется геотермодинамическое состояние породного массива солей 2, что вызывает их текучесть и приводит к смещению контура подземного резервуара 1 в положение 12 и возникновению вблизи наружной поверхности труб обсадной колонны 4 избыточного давления, способного превысить сопротивление труб смятию. В этом случае производят автоматический сброс давления посредством системы разгрузочных клапанов 7, воспринимающих избыточное наружное давление в момент, когда его величина достигнет значения, близкого или равного 2/3 допустимого давления смятия труб колонны 4. При срабатывании клапанов 7, реагирующих на превышение усилия сжатия их пружин 8, автоматически открывают отверстия в соединительных элементах 6 и, таким образом, перепускают скопившуюся избыточную жидкость 11 во внутреннюю полость труб обсадной колонны 4, тем самым снижают наружное затрубное давление, предупреждая смятие труб обсадной колонны 4. После устранения избыточного давления, т.е. по достижении состояния, при котором величина затрубного давления в соляном массиве 2 становится ниже 2/3 давления смятия труб, посредством клапанов 7 снова перекрывают образовавшиеся через отверстия протоки, герметизируя тем самым внутренние полости труб обсадной колонны 4.

Пример 2.

Способ предупреждения смятия труб обсадной колонны 4, поясняемый изображением на фиг. 3, осуществляют аналогично описанному в примере 1. Отличие состоит в том, что в качестве соединительных элементов труб обсадной колонны 4 используют их муфты 5, в которых создают отверстия для образования протоков жидкости 11. В гнезда рядом с этими отверстиями устанавливают разгрузочные клапаны 7, поджатые изнутри пружинами 8. Усилие сжатия пружин 8 также должно составлять 2/3 давления смятия труб обсадной колонны 4. При монтаже колонны 4 на трубы навинчивают муфты 5, к которым подсоединяют дополнительные трубы, наращивая таким образом по высоте колонну 4, после чего производят спуск ее в скважину 3.

Пример 3.

Способ осуществляют аналогично описанному в примере 1. Особенность его, показанная на фиг. 4, состоит в том, что систему разгрузочных клапанов 7 устанавливают над отверстиями, создающими протоки жидкости 11 непосредственно через поверхность труб обсадной колонны 4. При этом для создания отверстий предпочтительно используют участки труб, расположенные под муфтами 5.

Источники информации 1. А.с. СССР N 1803536, МКИ E 21 B 33/14, 1993. Способ бурения и крепления скважин в текучих соляных породах.

2. Н.П. Гребенников "О повреждении обсадных колонн в интервале залегания соленосных отложений", РНТС "Бурение", 1972 г., N 4 0-24-26.

3. А. с. СССР N 1224400, МКИ E 21 B 47/00, 1986. Способ предупреждения смятия обсадных колонн скважин в зоне пластической деформации солей.

4. "Бурение и крепление скважин в хемогенных отложениях"/ А.А. Ананьев и др. Тем. НТО обз. Серия "Бурение". - М.: ВНИИОЭНГ, 1972, с. 124.

Формула изобретения

1. Способ предупреждения смятия обсадных колонн труб скважины при сооружении подземных резервуаров в хемогенных отложениях, предусматривающий герметизацию резервуаров в кровле и подошве, сброс избыточного давления с наружной поверхности труб путем осуществления гидродинамической связи затрубного пространства и внутренней поверхности труб через образуемые в них в виде отверстий протоки, отличающийся тем, что создание последних производят перед монтажом и спуском колонны в скважину и перекрывают их системой разгрузочных клапанов, посредством которой снижение давления в указанном пространстве осуществляют в автоматическом режиме в момент увеличения его вблизи наружной поверхности обсадной колонны труб до величины, близкой или равной 2/3 допустимого давления смятия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что создание протоков производят в соединительных элементах труб обсадной колонны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4