Способ цементирования скважины

Изобретение относится к области бурения, а именно к повышению качества цементирования обсадных колонн, технике и технологии заканчивания и эксплуатации скважин. Технический результат – повышение эффективности цементирования за счет улучшения структуры и однородности цементного раствора, обеспечивающих повышение качества цементирования скважин при одновременном упрощении технической реализации процесса заканчивания и эксплуатации скважин. Способ цементирования включает подготовку скважины, спуск в нее обсадной колонны, обвязку устья скважины цементировочной головкой, промывку скважины, закачку тампонажного раствора. К цементировочной головке присоединяют устройство импульсно-волнового воздействия. Оно включает буровой рукав с установленной на нем задвижкой, излучатель силовых волн, гидромолот, трубопроводы для подачи и сброса масла и воздуха, компрессор, насосную станцию и устройство управления. С помощью устройства управления обеспечивают изменение режима импульсно-волнового воздействия с учетом реологических условий процесса цементирования. Сразу после начала продавки тампонажного раствора в обсадные трубы задвижку открывают. Запускают устройство управления, насосную станцию и компрессор. Тампонажный раствор подвергают импульсно-волновому воздействию. После окончания продавки тампонажного раствора и достижения им заданного уровня в заколонном пространстве производят дополнительное импульсно-волновое воздействие на тампонажный раствор, находящийся в обсадной колонне и заколонном пространстве. После окончания импульсно-волнового воздействия выполняют дальнейшие работы согласно программе цементажа. 1 ил.

 

Изобретение относится к области бурения, а именно к повышению качества цементирования обсадных колонн, технике и технологии заканчивания и эксплуатации скважин.

Основной причиной снижения качества работ при заканчивании и эксплуатации скважин является активная гидравлическая связь вскрытых бурением флюидонасыщенных пластов со стволом скважины. Поэтому разработка технологий и технических средств, обеспечивающих эффективную изоляцию проницаемых пластов от ствола скважины, является актуальной проблемой.

Одним из эффективных методов заканчивания и эксплуатации скважин является их цементирование.

Качество цементирования определяется сцеплением цементного камня с обсадной колонной и стенками скважины, обеспечением однородности состава тампонажного раствора, отсутствием объемных дефектов и микротрещин цементного камня.

При этом условием отсутствия межпластовых перетоков является надежная герметизация контакта цементного камня со стволом скважины, что обеспечивается свойствами цементного (тампонажного) раствора, методами его подачи в затрубное пространство, а также особенностями используемых для этого приспособлений.

Известен гидродинамический вибратор (RU №1764345), включающий полый цилиндрический корпус с перепускными окнами, рабочую камеру с входным и выходным отверстиями, золотник, подпружиненный относительно корпуса и установленный с возможностью перекрытия перепускных окон корпуса, и ротор с осью, установленные внутри рабочей камеры, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы путем снижения пускового и рабочего давлений и изменения амплитуды колебаний генерируемого давления, он снабжен эксцентриковым кулачком-толкателем, фиксатором оси ротора и дросселем с регулируемым отверстием, при этом корпус выполнен с диаметрально противоположными углублениями, в которых размещен фиксатор оси ротора, ротор в виде турбины, лопасти которой выгнуты навстречу потоку жидкости, а золотник - с боковыми овальными отверстиями против углублений корпуса, эксцентриковый кулачковый толкатель жестко соединен с осью ротора, а входное и выходное отверстия рабочей камеры смещены относительно оси корпуса. Установка гидроинамического вибратора в нижней части обсадной колонны между обратным клапаном и башмаком требует проведения дополнительных спуско-подъемных операций для его монтажа. Циркуляция раствора через устройство приводит к его быстрому износу и быстрому выходу из строя. Кроме того, работа вибратора происходит только при прокачке жидкости и невозможна после прокачки цементного раствора, регулирование работы вибратора, происходит за счет изменения режима цементирования, причем изменить частоту вибраций в процессе работы невозможно.

Известен устьевой механический вибратор (RU №2250982) содержащий корпус с подводящим и отводящим каналами, ротор с крыльчаткой, опирающийся на подшипник, отличающийся тем, что в корпусе установлен золотник, выполненный с щелевыми прорезями и днищем с отверстиями в его средней части, установленный в корпусе на резьбе с возможностью осевого перемещения, ротор с крыльчаткой и отверстиями в днище установлен на подшипнике в осевом канале золотника, щелевые прорези которого выполнены ниже места установки ротора, для подачи жидкости в скважину, минуя золотник, и выше расположения ротора, с возможностью подачи жидкости в золотник на крыльчатку ротора после его осевого перемещения, при этом осевой канал золотника перекрыт крышкой со штоком, имеющим возможность его ввода в осевой канал ротора, а ход золотника в корпусе ограничен снизу переходником. В данном устройстве частота генерируемых импульсов определяется расходом и реологическими параметрами прокачиваемой жидкости, и изменение частоты генерируемых гидроимпульсных колебаний возможно только за счет изменения скорости потока.

Известен скважинный электромеханический вибратор (RU №169384) содержащий корпус, соединенный с грузонесущим геофизическим кабелем, электрические жилы питания которого присоединены к электродвигателю, вал ротора которого, установленный в подшипнике, через кулачковую муфту, шпиндель в подшипнике, упругую муфту и бегунок связан с сердечником-дебалансом, опирающимся на подшипник, отличающийся тем, что вибратор дополнительно содержит муфту предельного момента, расположенную в разрыве шпинделя, и верхний и нижний центраторы, предназначенные для взаимодействия со стенками скважины. Необходимость использования геофизического кабеля для помещения вибратора в скважине требует проведение дополнительного спуско-подъемного оборудования и снижает надежность электромеханического вибратора.

Вышеперечисленные недостатки приводят к повышению сложности использования известных вибрационных устройств, снижению технологичности процесса и качества цементирования скважин.

Известен (SU 1523653) способ цементирования обсадной колонны в буровых скважинах путем подачи тампонажного раствора в затрубное пространство и воздействия на раствор гидроударными импульсами с частотой 20-150 Гц, генерируемыми синхронизированными устьевым и забойным источниками. Недостатками данного способа являются использование двух гидравлических вибраторов и необходимость синхронизации их частоты, а также зависимость частоты гидроударных импульсов от скорости потока тампонажного раствора.

Известны способ и устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине (RU №2157446), включающий помещение в колонну труб с жидкостью ударника на гибкой подвеске и возбуждение его радиальных периодических колебаний с передачей на колонну поперечных ударов и устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине, включающее колонну труб, частично или полностью заполненную жидкостью, ударник, помещенный в колонне, и ограничитель осевого перемещения ударника, выполненный в виде гибкой подвески, один конец которой связан с ударником, а другой конец гибкой подвески закреплен на устье. К недостаткам вышеуказанного способа и устройства следует отнести необходимость проведения спуско-подъемных операций для помещения в колонну труб с жидкостью ударника или ударников на гибкой подвеске и использование для этих целей дополнительного вспомогательного оборудования. Кроме того, для регулирования силы ударов необходимо и частоты колебаний необходимо залить в колонну жидкость с другой вязкостью изменить размещение груза ниже ударника на гибкой подвеске и зазор между колонной и ударником.

Прототипом заявленного изобретения является способ цементирования нефтяных и газовых скважин отличающийся тем, что обсадную колонну подвергают вибрационному воздействию с частотой, равной или кратной резонансной частоте обсадной колонны, на этапах удаления бурового раствора из затрубного пространства и замещения его буферной жидкостью, заполнения ствола скважины тампонажным раствором с последующим его продавливанием в затрубное пространство и на этапе схватывания тампонажного раствора и устройство для реализации указанного способа, содержащее смонтированный на надземную часть обсадной колонны вибровозбудитель состоящий из двух дебалансных электромеханических вибраторов, выполненных с параллельными с возможностью противоположного вращения валами, смонтированных на надземную часть обсадной колонны непосредственно под цементировочной головкой с помощью вертикально расположенных опорных плит, охватывающих обсадную трубу и задающий генератор для управления частотным преобразователем для питания вибровозбудителя (RU №2291948). В данном способе цементирования осуществляется воздействие вибровозбудителя не на тампонажный раствор, а на стенки обсадной колонны с формированием в ней резонансных колебаний. При этом структура и однородность тампонажного раствора изменяются не значительно, что снижает качество процесса цементирования.

Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является создание способа обработки тампонажного раствора, улучшающего его структуру и однородность и обеспечивающего повышение качества цементирования скважин при одновременном упрощении технической реализации процесса заканчивания и эксплуатации скважин. Заявленный технический результат достигается тем что предлагается способ цементирования включающий подготовку скважины, спуск в нее обсадной колонны, обвязку устья скважины цементировочной головкой, промывку скважины, закачку тампонажного раствора отличающийся тем что к цементировочной головке присоединяется устройство импульсно-волнового воздействия, включающее буровой рукав, излучатель силовых волн, гидромолот, трубопроводы для подачи и сброса масла и воздуха, компрессор, насосную станцию и устройство управления, обеспечивающее изменение режима импульсно-волнового воздействия с учетом реологических условий процесса цементирования, сразу после начала продавки тампонажного раствора в обсадные трубы задвижка открывается, устройство управления запускает насосную станцию и компрессор и тампонажный раствор подвергается импульсно-волновому воздействию, причем после окончания продавки тампонажного раствора и достижения им заданного уровня в заколонном пространстве производится дополнительное импульсно-волновое воздействие на тампонажный раствор, находящийся в обсадной колонне и заколонном пространстве, а после окончания импульсно-волнового воздействия, дальнейшие работы выполняются согласно программы цементажа.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Фиг. 1 - схема размещения оборудования при выполнении работ, где

1 - цементировочная головка,

2 - буровой рукав,

3 - задвижка,

4 - излучатель силовых волн,

5 - гидромолот,

6, 7 - трубопроводы для подачи и сброса масла и воздуха,

8 - компрессор,

9 - насосная станция,

10, 11, 12 - вентили подачи рабочего агента от цементировочного агрегата.

13 - место присоединения устройства импульсно-волнового воздействия для дополнительного воздействия на тампонажный раствор.

Предлагаемый способ цементирования осуществляется следующим образом.

Через вентили подачи рабочего агента 10, 11, 12 цементировочной головки 1 в скважину поступает тампонажный раствор (рабочий агент). Сразу после начала продавки тампонажного раствора через вентиль 10 устройство управления (не показано) открывает задвижку 3 на буровом рукаве 2, включает насосную станцию 9 и компрессор 8 и генерирует мощные импульсы давления, которые через трубопроводы 6 и 7 передаются гидромолоту 5 и излучателю 4 силовых волн. Тампонажный раствор в зоне действия импульса приходит в движение, так как элементы микроструктуры тампонажного раствора имеют размеры одного порядка с импульсами давления. Силовая волна, продвигаясь по пласту вместе с тампонажным раствором, отслаивает продукты загрязнения из призабойной зоны и с внутренней поверхности обсадной колонны. Удары гидромолота 5 вызывают также упругую деформацию обсадной колонны, переходящую в ее затухающие колебания. Устройство управления позволяет изменять режим импульсно - волнового воздействия с учетом реологических условий процесса цементирования скважины. После окончания продавки тампонажного раствора и достижения им заданного уровня в заколонном пространстве задвижка 3 закрывается, устройство импульсно-волнового воздействия присоединяется к 13 и осуществляется дополнительное воздействие на тампонажный раствор. После окончания импульсно-волнового воздействия, дальнейшие работы выполняются согласно программы цементажа.

Механическое перемешивание на стадии подготовки тампонажного раствора не обеспечивает полной однородности смеси. Остаточная неоднородность в дальнейшем развивается и нередко становится причиной различных наблюдаемых на практике негативных последствий, например, образование конгломератов частиц цемента (коагуляции) с высокой локальной плотностью, что приводит к разрушению структуры раствора посредством седиментации этих конгломератов частиц. Другим опасным следствием исходной неоднородности раствора является контракция - появление крупных фрагментов связанной воды, что ведет в дальнейшем к возникновению каналов фильтрации в цементном камне.

При импульсно-волновой обработке эти явления исключены, так как возникающие при прохождении импульсов вихревые акустические течения активируют процессы массообмена в тампонажном растворе на микроуровне, что приводит к более однородному распределению дисперсной фазы и жидкости затворения в объеме раствора. За период обработки (≈20 мин) в каждой точке заколонного пространства происходит около 6000 элементарных актов импульсно-волнового воздействия. Колебания обсадной колонны создают дополнительное акустическое поле в тампонажном растворе. Дополнительное акустическое давление составляет внутри обсадной трубы в рабочем агенте ≈ 0,1 МПа, в заколонном пространстве в тампонажном растворе ≈ 0,045 МПа.

Продольные импульсы давления которые генерируются с периодом ≈ 2 с, распространяются в рабочем агенте внутри обсадной колонны и передают энергию на ее стенку, формируя поперечные импульсы колебаний. Стоит отметить, что на элементы технологической оснастки колонны импульсы давления влияния не оказывают в силу их кратковременности и локальности (малой протяженности). Крупные объекты оснастки «прозрачны» для них. С другой стороны характерные элементы микроструктуры тампонажного раствора, имеют размеры одного порядка с импульсами давления, поэтому тампонажный раствор в зоне действия импульса также приходит в движение.

Сольватные оболочки частиц цемента при импульсно-волновом воздействии деформируются таким образом, что в зоне контакта с металлом она становится тоньше, что обеспечивает ускорение и увеличивает частоту элементарных актов образования химических связей. Образование прочного однородного промежуточного слоя на границе металл-раствор, в котором частицы раствора и стенки обсадной трубы химически связаны повышает прочность и герметичность контактной зоны цементного камня, снижает риск вертикальных перемещений колонны под действием собственного веса в период эксплуатации скважины, что является важным показателем качества крепи.

Надежную герметизацию контакта цементного камня со стволом скважины обеспечивает также отсутствие межпластовых перетоков.

Предложенный импульсно-волновой способ обработки тампонажного раствора позволяет значительно снизить риск возникновения межколонных давлений за счет более полного вытеснения бурового раствора и промывочной жидкости из околоскважинной зоны повышенной проводимости.

Вибрации раствора под действием импульсов давления приводят к разрушению глинистой корки, а дополнительное давление вытесняет остатки технологических жидкостей вглубь породы с замещением освободившихся пор, трещин и каверн тампонажным раствором, улучшая кольматацию.

Устройство управления позволяет без дополнительных технологических операций изменять параметры импульсно-волнового воздействия для обеспечения оптимального режима обработки с учетом состава, вязкости, скорости подачи тампонажного раствора и других реологических условий цементирования скважины, что значительно повышает технологичность процесса заканчивания и эксплуатации скважины.

Таким образом, предлагаемый способ цементирования, включающий осуществляемое с учетом реологических условий цементирования скважины импульсно-волновое воздействие на тампонажный раствор, обеспечивает совокупность физико-механических и физико-химических процессов в объеме тампонажного раствора, а также на границах со стенками колонны и ствола скважины, которые сокращают сроки схватывания тампонажного раствора, улучшают структуру, прочностные и эксплуатационные характеристики цементного камня, и в конечном итоге повышает технологичность и качество процесса цементирования.

Способ цементирования скважины, включающий подготовку скважины, спуск в нее обсадной колонны, обвязку устья скважины цементировочной головкой, промывку скважины, закачку тампонажного раствора, отличающийся тем, что к цементировочной головке присоединяют устройство импульсно-волнового воздействия, включающее буровой рукав с установленной на нем задвижкой, излучатель силовых волн, гидромолот, трубопроводы для подачи и сброса масла и воздуха, компрессор, насосную станцию и устройство управления, с помощью которого обеспечивают изменение режима импульсно-волнового воздействия с учетом реологических условий процесса цементирования, сразу после начала продавки тампонажного раствора в обсадные трубы открывают задвижку, с помощью устройства управления запускают насосную станцию и компрессор, а тампонажный раствор подвергают импульсно-волновому воздействию, причем после окончания продавки тампонажного раствора и достижения им заданного уровня в заколонном пространстве производят дополнительное импульсно-волновое воздействие на тампонажный раствор, находящийся в обсадной колонне и заколонном пространстве, а после окончания импульсно-волнового воздействия выполняют дальнейшие работы согласно программе цементажа.