Способ выбора тампонажного материала для крепления скважин

 

Изобретение относится к креплению сквгжин, в частности к способам выбора тампонажного материала (ТМ) с необходимыми деформационными характеристиками (ДХ), позволяющими предотвратить разрушение цементного кольца (ЦК) при избыточном внутреннем давлении. Цель изобретения - повы. шение надежности крепления скважин за счет учета совместной работы элементов крепи скважины. Выбор ТМ для крепления скважин осуществляют путем экспериментального определения в качестве его ДХ относительной деформации ТМ при заданном внутреннем давлении в колонке и толщине тампонажного кольца и определения ДХ крепи скважины по следующей зависимости: Ј {2АРд b(1-jli2) + c2(1+|U2) a где га Е, (Ь2 - а2) Ьг(1- (Кг) + +с2(1 + |U2) + E2 (c2-b2) Ьг(1-|П,) + +аг (1 + Ц1,)Д; Ј - относительная деформация ЦК; АР PI-PZ ; р и рг соответственно внутреннее и наружное давление; а и Ъ - внутренний и наружный радиусы обсадных труб; с - радиус скважины; E и Е - модуль упругости материалов соответственно обсадных труб и ЦК; /U и 2 коэффициенты Пуассона материалов обсадных труб и ЦК. В качестве ТМ используют материал, ДХ которого больше или равны ДХ крепи. скважины. Способ позволяет предотвратить разрушение ЦК в затрубном пространстве и увеличить межремонтный период работы скважины (Л 05 N3 СО 4 00 К1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1

„„SU„; 629487 (51)5 E. 21 B 33/14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ тиками, предотвращающими разрушение тампонажного кольца прц избыточном внутреннем давлении в колонне.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

Il0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 44669 25/03 (22) 29. 07 ..88 (46) 23.02.91. Бюл. М - 7 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт по креплению скважин и буровым растворам (72) Л.Б. Измайлов, В.В. Гольдштейн и И.Я ° Данилов (53) 622.245.4 (088.8) (56) Справочник по креплению нефтяных и газовых скважин./Под ред.

А.И. Булатова. — M.: Недра. 198 1, с. 52.

Чередниченко В.Г. и др. О деформациях и напряжениях, возникающих в цементном кольце. — В кн.: Техника и технология промывки и крепления скважин, Труды ВНИИКРнефть» Краснодар, 1982, с. 143-150.

Руцкий А.M. Предельная деформация разрушения — показатель неразрушимости тампонажного камня в скважине. — В кн.: Тампонажные растворы и технология крепления скважин, Труды ВНИИКРнефть» вып.13, 1977, с. 37 -40. (54) СПОСОБ ВЫБОРА ТАМПОНАЖНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН (57) Изобретение относится к креплению скважин, в частности к способам выбора тампонажного материала (ТМ) с необходимыми деформационными характеристиками (ДХ), позволяющими преИзобретение относится к области крепления скважин, в частности к выбору тампонажного материала с необходимыми деформациоиными характерис2 дотвратить разрушение цементного кольца (ЦК) при избыточном внутреннем давлении. Цель изобретения — ловы

Г) шение надежности крепления скважин за счет учета совместной работы элементов крепи скважины. Выбор ТМ для крепления скважин осуществляют путем экспериментального определения в качестве его ДХ относительной деформации TM при .заданном внутреннем давлении в колонке и толщине тампонажного кольца и определения ДХ крепи скважины по следующей зависимости:

Е»= (2ДРд (Ь ()-Pz)+ c ()+P )J% m где ш = Е (Ь вЂ” а ) b (1-p )+

2 2 Г 2.

+с (1 + )Цг))+ Е (с -Ь ) (Ь (1- ) 1,)+

+а (1+/,) ; - относительная дефор- у L мация ЦК» Ь Р = Р1-Pg; Р, и Рг соответственно внутреннее и наружное давление; а и b — внутренний и наруж- а ный радиусы обсадных труб; с - радиус. скважины; Е и Е - модуль упругос- фиь ти материалов соответственно обсадных ф труб и ЦК; 1, и (11 — коэффициенты К)

Пуассона материалов обсадных труб и

ЦК. В качестве ТМ используют материал>

ДХ которого больше или равны ДХ крепи скважины. Способ позволяет предот. вратить разрушение ЦК в затрубном пространстве и увеличить межремонтный период работы скважины.

1б 29487

Цель изобретения - повышение надежности крепления скважин за счет учета совместной работы элементов крепи скважины, Способ выбора тампонажного материала для крепления скважин из условия превышения деформацией цементного кольца деформации обсадных труб под действием избыточного внутреннего давления заключается в сравнении экспериментально определяемой относительной деформации цементного кольца на контакте его с обсадными трубами и расчетной, которую определя-. 15 ют,с учетом диаметра скважины по фо )муле. Способ выбора тампонажного материала.для крепления скважин включает. экспериментальное определение в ка- 20 честве деформационной характеристики тампонажного материала его относительной деформации при заданном внутреннем давлении и толщине тампонажного кольца и определение деформа- 25 ционной характеристики крепи скважины по следующей зависимости: с 2!)Ра (Ь (1 -gz)+c (1 а а)) (10 гце m=E((b2 a2 ) fb2 (" (2 + c 1+(О ))+

Е (с -Ь ) (Ъ (1 — fll, )+а ((+f(l,)j относительная деформация цементного камня; (Р=Р -P

35 г и Р— соответственно внутреннее и наружное давление в систеЕ

40 а иЬ вЂ” внутренний и наружйый радиусы обсадной трубы; с — радиус скважины;

Ее и Š— модуль УпРУгости материа- 4 лов соответственно обсадной трубы и тампонажного кольца;

° и Ф - коэффициент Пуассона матеР риала трубы и цементного

- кольца, и в качестве тампонажного материала испопьзуют материал, деформационные характеристики которого больше или равны деформационным характеристикам крепи скважины.

Для определения в лабораторных условиях деформации растяжения контакта колонна - камень создают модель скважины. Модель представляет собой две трубы разного диаметра, . вставленные одна B другую. Диаметр первой трубы равен диаметру колонны, а диаметр второй трубы - диаметру скважины. Внутреннюю поверхность наружной трубы смазывают графитом ипокрывают несколькими слоями непроницаемой кальки для обеспечения извлечения наружной трубы в процессе исследования. Затем межтрубное пространство заливают испытуемым тампонажным.материалом. После ОЗЦ модель крепи скважины освобождают от внешней трубы для моделирования наличия глинистой корки в условиях скважины и испытывают модель крепи на внутреннее давление. Для этого торцы модели крепи закупоривают заглушками с резиновыми прокладками, связанными между собой штоком, на торец модели в месте контакта колонны и цементного камня наносят контрольную рис ку и с оздают необходимое давление, Применение такой схемы исключает возникновение краевого эффекта. После создания давления измеряют тангенциальную деформацию контакта колонна — камень по контрольной риске, после чего определяют относительную деформацию тампонажного камня при определенном внутреннем давлении и толщине тампонажного кольца по соотношению

L<

Š= — ) (2)

) 2 где L, — начальная длина контрольной риски; конечная длина контрольчой

2 риски.

С помощью ка в ер н омер а опр ед еляют действительный радиус скважины. Подставляя полученные величины и известные ранее (избыточное внутреннее давление в скважине, внутренний и наружный диаметры обсадной трубы и деформативные характеристики металла труб) в формулу (1), получают требуемую величину относительной деформации там понажного материала. Затем сравнивают величину относительной деформации, полученную экспериментальным путем.

Еслибы, (F, то тампонажный материал, нельзя применять в данных условиях, так как цементный камень, получаемый из этого материала растрескивается.

Если 4è Я, то тампонажный материал. можно применять в данной скважине.

162948 7 6 кой. Затем в межтрубное пространство заливают испытуемый цементно расто вор, После ОЗЦ модель крепи скважины освобождают от наружной трубы, торцы модели крепи закупоривают заглушками с резиновыми прокладками, связанными между собой штоком, в месте контакта поверхности колонны и цементного кольца наносят контрольную риску, испытывают модель на внутреннее давление 100 атм. После этого иэмеряПример 1. Испытуемый материал — тампонажный цемент ППЩС-120, Расчет проводят для следующих усл вий:

Диаметр скважины, см 21,6

Наружный диаметр обсадной трубы, см 14,6

Толщина стенок трубы, см

Модуль упругости материала, использованного для изготовления труб, кг/см 2,1 ° 10

К оэффи ци ент.

Пуассона для металла трубы 0,3

1,0

На модели крепи скважины подбирают первую трубу с наружным диаметром

14,6.см и вторую трубу с внутренним диаметром 22,0 см. Внутреннюю поверхность второи трубы смазывают графитом и покрывают непроницаемой кальр 2 «100 бд8 -(7 3 (1-0 3 + 10д8 1+ОдЗД

3846, 29 10

= 4,54 10

Так как экспериментально полученная относительная деформация меньше требуемой то этот цементный раствор нельзя применять для крепления скважин при данных условиях. Это доказыва- 35 ет и эксперимент: при относительной .деформации, равной 4,Оба 10 4, при внутреннем давлении 100 атм цементное

45

55

0,3 кольцо начинает растрескиваться.

Пример 2. Диаметр скважины изменен по отношению к примеру 1.

Расчет производят для следующих условий:

Диаметр скважины, см 27,0

Наружный диаметр обсадной трубы, см 14,6

Толщина стенки трубы, см 1,0

Модуль упругости материала, использованного для изготовления труб» кг /см 2, 1 с 10

Коэффициент Пуассона для материала трубы ют тангенциальную деформацию контакта до начала растрескивания цементного кольца и вычисляют относительную деформацию цементного кольца по соотношению (2) . Для данного примера

Я ц= 4,06 10 4.

На стандартном оборудовании по известной методике определяют для данного цементного камня величину модуля упругости и его коэффициент Пуассона °

Модуль упругости равен 1,7 ° 10 кг/см, коэффициент Пуассона 0,3....

Затем известные и полученные величины подставляют в формулу (1):

На модели крепи скважины подбирают первую трубу с наружным диамет° ром 14,6 см и вторую трубу с внутренним диаметром 28,1 см. Внутреннюю поверхность второй трубы смазывают графитом и покрывают непроницаемой калькой. Затем в межтрубное прост-; ранство заливают испытуемьш цементный раствор. После ГЗЦ моцель крепи скважины освобожцамт от наружной трубы, торцы модели крепи закупоривают заглушками с резиновыми прокладками, связанными между собой штоком, в месте контакта поверхностей колонны и цементного кольца наносят контрольную риску, испытывают модель крепи на внутреннее давление 100 атм. После этого измеря ют тангенциальную деформацию контакта колонна — цементное кольцо и вычисляют относительную деформацию цементного кольца по соотношению (2).

Для данного примера „= 4, 10 10

-4

2 100.6д8 (7,3 ° 0,7+13д50 1д3)

6195,56 106

= 4,09 ° 10

Так как экспериментально полученная относительная деформация (Р ц=

162948 7 элементов крепи скважины, в качестве деформационной характеристики тампонажного материала определяют его относительную деформацию при заданном внутреннем давлении и толщине тампонажного кольца, а деформационнуюхарактеристику крепи определяют по следующей зависимости:

Ed= -, 2dPa (b (1-(Ц )+с (1+Pa)), 20 внутренний и наружный радиусы обсадной трубы соответственно; радиус скважины; .

25 с

Е и Е модуль упруго,сти материалов. трубы и тампонажного кольца соответственно;, и P — коэффициент Пуассона металла трубы и тампонажного кольца соответственно.

Составитель Л. Бестужева

Редактор В. Петраш Техред А.Кравчук Корректор Т. Малец

Заказ 418 .Тираж 35G Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям н открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул .. Гагарина, 101 4,10 10 <) больше требу-ем й, то этот цементный раствор можно применять для крепления скважин при указанных условиях, Путем подбора деформативных харак5 теристик колонны и тампонажного камня выбирают оптимальное значение диаметра скважины, тип и рецептуру тампонажного раствора. 10

При существующих способах определения деформативных характеристик тампонажного материала .цементное кольцо разрушается от воздействия избыточного„внутреннего Давления в колонне. При- 15 менение данного способа подбора тампонажного материала позволяет повысить каi чество крепления за счет сохранения целостности цементного кольца.

Формула изобр етения

Способ выбора тампонажного матери- ,ала для крепления скважин путем экспериментального опр еделения деформационных характеристик тампонажного материала и деформационной характеристики крепи скважины в условиях заданного избыточного внутреннего давления в колонне, а в качестве тампонажного материала используют материал, деформационные характеристики которого не меньше деформационных характеристик крепи скважины, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности крепления скважин за счет учета совместной работы 35 г гг где m = Е1(Ь -à ) Lb (1-jfA) + с (1 +

+pz)J + Е,(с -d )(bd(1-pl;)+

+ а (1+/М,))р — относительная деформация тампонажного кольца;

ЬР =Р -P, Р и

Р - внутреннее и наружное давление в системе соответственно;