Способ цементирования обсадных колонн

Изобретение относится к области строительства нефтегазовых скважин, а именно к цементированию обсадных колонн. Технический результат – повышение качества цементирования обсадных колонн. В соответствии со способом цементирование обсадной колонны осуществляют в различных геологических условиях. Для этого осуществляют закачку тампонажного раствора внутрь обсадной колонны и его продавку в затрубное пространство скважины. Цементирование обеспечивают при повышенном расходе тампонажного раствора, ограниченном давлением гидроразрыва пласта. При этом закачку тампонажного раствора внутрь обсадной колонны проводят при расходе, превышающем величину критического расхода, при котором возникает вакуум в разрыве струи тампонажного раствора. Для этого над башмаком обсадной колонны устанавливают дроссель с насадкой заданного сечения. С помощью этого дросселя создают при заданном расходе тампонажного раствора необходимое гидродинамическое давление, направленное на уменьшение величины гидростатического давления столба тампонажного раствора в обсадной колонне. 2 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, а более конкретно к области цементирования обсадных колонн.

В применяемом в настоящее время способе цементирования обсадных колонн используется технологические процессы закачки тампонажного раствора (облегченный цементный раствор, цементный раствор) внутрь обсадной колонны и продавка - замещение бурового раствора из кольцевого пространства скважины тампонажным раствором (далее в тексте цементный раствор).

Применяемый способ не обеспечивает выполнение требуемого качественного сцепления цементного камня со стенкой скважины и обсадной колонны, полного заполнения кольцевого пространства цементным раствором.

Это происходит вследствие того, что в процессе закачки тампонажного раствора возникает отрицательное давление - в условиях создаваемого вакуума в обсадной колонне. Отрицательное давление возникает вследствие того, что плотность цементного раствора в колонне превышает величину плотности бурового раствора в кольцевом пространстве скважины, таким образом, создается гидростатический перепад давления, происходит уменьшение давления в Рца до нуля и ниже - и как следствие разрыв сплошности струи потока, отрыв части столба цементного раствора от общего потока и его ускоренное течение в кольцевое пространство скважины (см. книгу Р.И. Щишенко «Гидравлика глинистых растворов», Азнефтьиздат, 1951, С. 123-127) [1].

Возникающее вакуумное пространство заполняется парами, водой, легкой фракцией от частей потока цементного раствора и это структурно несвязанная масса жидкости поступает в кольцевое пространство скважины, оказывая отрицательное влияние на формирование цементного камня, на качество цементирования скважины. Решению этой важной научно-технической проблемы посвящено значительное количество исследований, разработок.

Известна формула для определения давления Рца в гидравлической системе скважины при закачке цементного раствора (см.: «Справочник по бурению» т. 1, под ред. В.И. Мищевича, Н.А. Сидорова, М: Недра, 1973, С 485) [2], (см.: Е.М. Соловьев.

Закачивание скважин. М: Недра, 1979, С. 254) [3], представляемая в виде:

где Рг/до/к, Рг/дк/п, Рг/сто/к, Рг/стк/п - гидродинамическое и гидростатическое давление (Па, МПа) в обсадной колонне, кольцевом пространстве скважины.

Однако, авторы [1], [2], [3] ограничивались выявлением факта падения давления при закачке до минимального значения, не дают оценки влияния данного факта на качество цементирования, отсутствует решение задачи управления процессом цементирования с предотвращением разрыва струи потока цементного раствора.

Целью настоящего изобретения является повышение качества цементирования обсадных колонн, проведения процесса закачки цементного раствора при положительном давлении в циркуляционной системе скважины, исключение возможности возникновения вакуума и разрыва струи цементного раствора.

Поставленная цель достигается тем, что в зависимости от горногеологических условий скважины, процесс закачки тампонажного (цементного) раствора внутрь колонны производится при подаче (расходе) ∑Qца превышающей величину критической подачи Qкр, при которой возникает вакуум; и путем применения специального устройства - дросселя, устанавливаемого над башмаком обсадной колонны, в котором создается гидродинамическое давление Рдрг/д, направленное на уменьшение величины гидростатического давления столба цементного раствора в колонне Рг/сто/к. В изобретении представлены оба варианта решения проблемы повышения качества цементирования обсадных колонн нефтегазовых скважин, в которых обеспечивается условие предупреждения возникновения вакуума. На основе формулы (1) условие предупреждения возникновения вакуума представляется в виде:

где Рца - давление в гидравлической системе скважины в процессе закачки тампонажного раствора в обсадную колонну (МПа, кг/см2).

Расчетные формулы для определения давления в системе (см. "Инструкция по составлению гидравлической программы скважины" РД39-0147009-516-86, С. 17) следующие:

Формула для определения Рг/ддр представлена в примере 2.

где ρжо/к, ρжк/п - плотность тампонажного (цементного) раствора в обсадной колонне, плотность бурового раствора в затрубном пространстве скважины, кг/м3 (г/см3);

Н (м) - глубина спуска обсадной колонны по вертикали;

L (м) - глубина спуска колонны по длине ствола наклонной скважины;

dскв, dо/к, dвн/ок (мм, м) - соответственно диаметры - скважины, наружный, внутренний обсадной трубы;

0,024, 0,04 - коэффициенты сопротивления движения жидкости в обсадной трубе, в затрубном пространстве скважины;

g - ускорение силы тяжести (9,8 Н/кг) в системе "СИ".

Анализ формул 1,2,3 показывает, что при цементировании обсадных колонн в конкретных горно-геологических и технолого-технологических условиях Рг/схо/к, Рг/стк/п являются постоянными величинами. Управляемыми факторами в процессе являются Рг/до/к, Рг/дк/п и Рг/ддр. Путем регулирования величинами параметров входящие в формулы Рг/д обеспечивается достижение условия предупреждения возникновения вакуума. Решение задачи представлено на примерах 1, 2.

Пример 1. Исходные данные: скважина вертикальная Н=3200 м, диаметр эксплуатационной колонны dэк=168, 3 мм (0, 1683 м),

высота подъема цементного раствора за колонной hцр=2740 м (включая высоту подъема облегченного цементного раствора hоцр=2484 м),

плотность ρоцр=1450 кг/м3,

высота подъема цементного раствора hцр=256 м,

плотность ρцр=1890 кг/м3,

объем кольцевого пространства скважины Wк/п=63,48 м3,

внутренний диаметр эксплуатационной колонны dвн/эк=0,1471 м,

буферная жидкость не используется,

диаметр ствола скважины с учетом уширений dскв=0,2315 м (диаметр долота dд=0,2159 м)

высота столба тампонажного раствора внутри колонны hт/ро/к состоит из столба облегченного цементного раствора hоцро/к=2900 м,

столб цементного раствора hцро/к=300 м,

плотность бурового раствора ρб/р=1250 кг/м3,

внутренний объем колонны Wо/к=54,35 м3.

градиент давления гидроразрыва пласта на глубине Н=3200 м: Г г/р=0,018 МПа/м (0,18 кг/см2м)

Рассматривается заключительный этап закачки цементного раствора в колонну, когда внутри колонны снизу вверх hоцр=2900 м; hцр=300 м. Средняя плотность тампонажного раствора в колонне ρср/жо/к)=1491 кг/м3 (1,491 г/см3)

Рг/до/к=0,024⋅1,491⋅103⋅3,2⋅103Q2кp/0,14715=0,114509⋅106Q2кp/6,887528⋅10-5=1662,55⋅106Q2кр(Па)=1662,55⋅Q2кp (МПа)

Рг/дк/п=0,04⋅1,250⋅103⋅3,2⋅103Q2кp/(0,2315-0,1683)3(0,2315+0,1683)2=0,16⋅106Q2кp/4,0348⋅10-5=3966,59⋅106Q2кp(Па)=3966,59⋅Q2кp (МПа)

ΔРг/ст=(1,491-1,250)⋅103⋅9,8⋅3,2⋅103=7,558⋅106 (Па)

Рг/сто/к=46,758⋅106 (Па)

Рг/стк/п=39,2⋅106 (Па)

∑Рг/д=(1662,55+3966,59)⋅106Q2кp=5629,14⋅106Q2кp (Па)

7,558=(3966,59+1662,55)⋅Q2кp=5629,14Q2кp

Q2кp=7,558/5629,14=1,3426⋅10-3

Qкp=0,0366 (м3/c)=36,6 (л/с)

Полученное значение Qкp для принятых условий расчета является предельной величиной, обеспечивающей проведение цементирования эксплуатационной колонны без возникновения вакуума. Результаты расчета Qкp при различных значениях столба тампонажного раствора в обсадной колонне представлены в таблице 1, на рис. 1.

На основе полученного значения Qкp=0,0366 м3/с (соответствующее максимальному значению Qкpмах) определяется:

- условие предупреждения гидроразрыва пласта Рг/рк/п на проектной глубине скважины Н=3200 м с учетом коэффициента безопасности гидроразрыва равного Кб=1,10

Кб/фактг/рк/п/∑Рплк/пб/Н,

Рг/рк/пгр⋅Н=0,018⋅3200=57,6 МПа; где Ггр=0,018 МПа/м (градиент гидроразрыва пласта)

Рг/стк/п=39,2 Мпа.

Рг/дк/п=3966,59⋅106⋅0,03662=5,319⋅106⋅Па=5,313 МПа

∑Pплк/п=39,2+5,313=44,51 Мпа.

Расчетная величина коэффициента безопасности равна:

Кб/факт=57,6/44,51=1,29

Требуемое условие выполняется: Кб/факт=1,29>Кб/Н=1,10.

- Скорость восходящего потока бурового раствора в кольцевом пространстве скважины Vб/рк/п в процессе закачки тампонажного раствора внутрь обсадной колонны.

Vб/рк/п=Qкp/Fкп=0,0366/0,0198=1,85 м/с; площадь сечения кольцевого пространства скважины Fкп=0,785(0,23152-0,16832)=0,0198 м2

При этом значении Vб/рк/п обеспечивается турбулентный режим течения (проектное значение Vпрк/п 1,5 м/с), что требуется для очистки кольцевого пространства перед поступлением цементного раствора.

По данным табл. 1, рис. 1 представляется возможность определить момент времени «tв» возникновения вакуума по формуле:

tв=Wо/к/Qкp…,

где Wо/к - объем обсадной колонны при расчетной величине столба цементного раствора в колонне, м3.

Wо/к=0,785⋅d2вн/ок⋅hцао/к

Например, при hцао/к=1000 м, Qкp=0,0239 м3/с; Wo/к=0,785⋅0,14712⋅1600=21,18 м3

Расчетное tв=21,98/0,0239=1137 с=18,95 мин.

Фактическое время предупреждения возникновения вакуума tcp≤tв является временем перехода на продолжение процесса закачки при увеличенном значении ∑Qца, в данном примере на Qца=0,0303 м3/с (30,3 л/с), (см. табл. 1).

Пример 2. Расчет величины Qкp при использовании в составе компоновки низа обсадной колонны дросселя с насадкой. Исходные данные приведены в Примере 1.

Расчетная формула для определения давления Рг/ддр создаваемого в дросселе имеет вид:

Где: μ=0,9 - коэффициент гидравлического сопротивления насадки 2μ2=1,62;

ρцр=1491 кг/м3

ƒ - площадь сечения насадки, м2.

Примем dдр=0,03 м (30 мм); ƒдр=0,785⋅0,032=7,065⋅10-4 м2

ƒ2=4,991⋅10-74)

Рг/ддр=1,491⋅Qкp2⋅107/1,62⋅4,991=1844,15⋅106Qкp2 (Па)

Суммарное гидродинамическое давление в системе составит:

∑Pг/д=(5629,14+1844,15)⋅106Qкp=7473,29⋅106Qкp2

Из условия ΔРг/ст≤∑Pг/д, имеем:

7,558⋅106=7473,29⋅106Qкp2

откуда QKp2=7,558/7473,29=1,01⋅10-3; QKp=0,0318 м3/с=31,8 л/с

численное значение давления в дросселе равно:

Рг/ддр=1844,15⋅106⋅1,01⋅10-3=1,86 (Па)=18,6 кг/см3

По данным табл. 2 задаваясь величиной Рг/ддр и dдр определяется режим закачки цементного раствора Qца при использовании которого обеспечивается предупреждение возникновения вакуума.

Результаты расчета Qца≥Qкp при различных значениях диаметра насадки дросселя и гидродинамического давления в дросселе представлены в таблице 2.

На рисунке 2 представлен общий вид внутренней технологической оснастки обсадной колонны при цементировании, включающий 1 - башмак обсадной колонны, с направляющей пробкой - 2; 3 - переводник, к ниппельному концу которого присоединяется 4 - дроссель с насадкой - 5. На переводник (3) устанавливается обсадная труба - 6 длиной 12, 0; 24, 0 м (одна, две трубы), в муфту - 7 ввинчивается дифференциальный обратный клапан - 8. Обратный клапан включает элементы запорного устройства - ограничитель - 9, шар - 10, дроссель -11, резиновую диафрагму - 12. В муфту обратного клапана (8) вставляется упорное кольцо (стоп-кольцо) - 13. Дроссель (11) создает ограниченное гидравлическое сопротивление поступлению промывочной жидкости из скважины внутри обсадной колонны (см.: Е.М. Соловьев. Закачивание скважины, М.: Недра, 1979. С. 179).

Варианты применения предлагаемого способа цементирования могут быть как отдельно, так и совместно, в зависимости от конкретных условий скважины. Например, при возникновении риска гидроразрыва пласта, применение дросселя обеспечит, за счет уменьшения количества закачиваемого тампонажного раствора, уменьшение давления на пласт в заколонном пространстве скважины, при одновременном увеличении противодавления внутри обсадной колонны, тем самым обеспечив предупреждение возникновения вакуума.

Предлагаемый способ цементирования обсадной колонны предусматривает его использование на практике в широком диапазоне изменения горногеологических условий скважины.

Использование предлагаемого изобретения в практике строительства нефтегазовых скважин повысит качество цементирования обсадных колонн, обеспечит большой экономический эффект.

Способ цементирования обсадной колонны нефтегазовой скважины, включающий закачку тампонажного раствора внутрь обсадной колонны и его продавку в затрубное пространство скважины, отличающийся тем, что цементирование обеспечивают в различных геологических условиях и при расходе тампонажного раствора, ограниченном давлением гидроразрыва пласта, при этом закачку тампонажного раствора внутрь обсадной колонны проводят при расходе, превышающем величину критического расхода, при котором возникает вакуум в разрыве струи тампонажного раствора, в условиях возможного поглощения раствора в пласт над башмаком обсадной колонны устанавливают дроссель с насадкой заданного сечения, с помощью которого создают при расчетном расходе тампонажного раствора необходимое гидродинамическое давление, направленное на уменьшение величины гидростатического давления столба тампонажного раствора в обсадной колонне.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области буровой техники, а именно к оборудованию для низа обсадной колонны с целью защиты элементов, входящих в компоновку колонны, от повреждений при спуске, направления ее по стволу скважины с возможностью проработки проблемных участков ствола и дальнейшего разбуривания породоразрушающим инструментом после цементирования.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано при цементировании обсадных колонн обратным способом в скважинах различного назначения.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для ремонтно-изоляционных работ в скважинах для ликвидации межпластовых перетоков флюидов, ограничения водопритоков и повышения эффективности работы скважин.

Группа изобретений относится к пакеру-подвеске хвостовика гидромеханической цементируемой, узлу якоря пакера-подвески хвостовика, муфте якоря пакера-подвески хвостовика, якорному элементу пакера-подвески хвостовика.

Группа изобретений относится к пакеру-подвеске хвостовика гидромеханической цементируемой, гидравлическому приводу якоря пакера-подвески хвостовика, поршню гидравлического привода якоря пакера-подвески хвостовика, узлу гидравлического привода якоря пакера-подвески хвостовика.

Группа изобретений относится к области направленного бурения при разработке нефтяных месторождений и, в частности, к направленному бурению хвостовиком и его цементированию с использованием извлекаемой компоновки низа бурильной колонны.

Группа изобретений относится к области строительства скважин и, в частности, к обеспечению целостности ствола скважины в сложных геологических условиях с вращением обсадной колонны/хвостовика во время бурения, а также других устройств и приемов, обеспечивающих улучшения цементирования обсадных колонн или хвостовиков в скважине в соединении с буровым долотом.

Изобретение относится к строительству скважин и может быть использовано при оборудовании скважин направлением в многолетнемерзлых породах с высокой льдистостью. Технический результат – повышение качества крепления скважины и обеспечение ее эксплуатационной надежности.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к области строительства нефтяных и газовых скважин, к устройствам для спуска, крепления и цементирования потайных колонн в боковых стволах многозабойных скважин, с одновременной эксплуатацией двух или более стволов.

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, в частности к ремонту нагнетательной скважины путем спуска дополнительной колонны труб и ее последующего цементирования.

Изобретение относится к области строительства нефтегазовых скважин, а именно к цементированию обсадных колонн. Технический результат – повышение качества цементирования обсадных колонн. В соответствии со способом цементирование обсадной колонны осуществляют в различных геологических условиях. Для этого осуществляют закачку тампонажного раствора внутрь обсадной колонны и его продавку в затрубное пространство скважины. Цементирование обеспечивают при повышенном расходе тампонажного раствора, ограниченном давлением гидроразрыва пласта. При этом закачку тампонажного раствора внутрь обсадной колонны проводят при расходе, превышающем величину критического расхода, при котором возникает вакуум в разрыве струи тампонажного раствора. Для этого над башмаком обсадной колонны устанавливают дроссель с насадкой заданного сечения. С помощью этого дросселя создают при заданном расходе тампонажного раствора необходимое гидродинамическое давление, направленное на уменьшение величины гидростатического давления столба тампонажного раствора в обсадной колонне. 2 табл., 2 ил.

Наверх