Способ крепления скважин

 

Использование: крепления скважин в интервале залегания горных пород, склонных к значительным пластическим деформациям. Способ обеспечивает повышение надежности крепления скважин в условиях пластичных горных пород с обеспечением равномерной прочности крепи по отношению к гидростатическому и неравномерному давлению. Сущность изобретения: согласно способу крепления скважин спускают в скважину, проходящую пластичные породы, обсадные колонны. Затем закачивают в межтрубное и затрубное пространство цементный раствор. Цементный раствор в межтрубное пространство закачивают от забоя скважины до подошвы пластичных пород и от кровли пластичных пород до устья скважины. В интервал от подошвы до кровли пластичных пород закачивают вязко-упругую жидкость. При этом вязко-упругую жидкость выбирают с коэффициентом сжимаемости β. Его определяют из соотношения, приведенного в тексте. Прочностные характеристики обсадных колонн выбирают из условия P_нар > W_у; P_вн > P_геост, где - P_нар - критическое давление разрыва наружной колонны, МПа; P_вн - критическое давление снятия внутренней колонны, МПа; W_у - контактное давление пластичной породы на наружную обсадную колонну, МПа; P_геост - геостатическое давление в подошве пластичной породы, МПа. Использование способа крепления повышает надежность крепления скважин в условиях текучести пород без дополнительных затрат на увеличение толщин стенок обсадных труб и учета категорий их прочности. 2 ил.

Изобретение относится к креплению нефтяных и газовых скважин в интервале залегания горных пород, склонных к значительным пластическим деформациям.

Известен способ крепления скважин в интервале залегания горных пород, склонных к пластическим деформациям [1] заключающийся в спуске обсадных колонн, закачке цементного раствора в затрубное пространство и создании противодавления на трубы путем установки цементного моста внутри колонны обсадных труб. При этом разбуривание моста производят после выравнивания давления горных пород на обсадную колонну.

Однако, при осуществлении способа возможны ошибки во времени удаления моста из колонны. Кроме того, зачастую скорость течения пластичной породы настолько мала, что не фиксируется стандартными геофизическими приборами и время, на которое нужно устанавливать цементный мост, определить достаточно сложно, а разбуривание цементного моста в колонне может привести к нарушению ее герметичности.

Известен также способ крепления скважин в текучих породах [2] заключающийся в том, что обсадную колонну опускают после того, как пластичная порода заполнит ствол скважины. Низ обсадной колонны оборудуют торцовым фрезером и, разбурив пластичное ядро породы, вращают до тех пор, пока не произойдет впайка колонны в массив породы.

Однако, этот способ возможно использовать в основном в калийно-магниевых отложениях, скорость течения которых велика. Кроме того он не технологичен, так как приходится использовать обсадную колонну в качестве бурильной, что может привести к аварийной ситуации. Возникают сложности с процессом цементирования и разбуривания башмака колонны.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ крепления скважин [3] включающий спуск в скважину двух и более обсадных колонн и закачку в межтрубное и затрубное пространства цементного раствора. При этом межтрубное пространство герметизируют и создают в нем избыточное давление на период затвердевания цемента.

Таким образом, в скважине образуется составная крепь из двух обсадных колонн и цементного камня между ними с повышенной сопротивляемостью гидравлическому сминающему давлению.

Однако в условиях неравномерного нагружения составной крепи горными поро- дами из-за преобладающего влияния изгибающего момента и слабой сопротивляемости цементного камня этому виду нагружения эффект обоюдного поддерживающего влияния обсадных колонн в такой конструкции значительно снижается по сравнению с гидравлической схемой нагружения, при которой этот эффект максимальный, и составляет всего 30-50% Технический результат повышение надежности крепления скважин в условиях наличия в разрезе пластичных горных пород путем обеспечения равномерной прочности крепи по отношению к гидравлическому и неравномерному давлению.

Технический результат достигается тем, что, в способе крепления скважин в пластичных породах, включающем спуск в скважину обсадных колонн и закачку в межтрубное и затрубное пространство цементного раствора, во время закачки цементного раствора в межтрубное пространство дополнительно закачивают вязкоупругую жидкость с коэффициентом сжимаемости , определяемым из соотношения β где ΔV изменение объема межтрубного пространства при деформации обсадных колонн, м³; V_o первоначальный объем межтрубного пространства, м³; g давление в межтрубном пространстве, МПа; при этом вязкоупругую жидкость помещают против интервала пластичных пород, а обсадные колонны в этом интервале выбирают из условия P_нар > W_у Р_вн. > Р_геост, где Р_нар критическое давление разрыва наружной колонны, МПа; Р_вн. критическое давление смятия внутренней колонны, МПа; W_y контактное давление пластичной породы на наружную обсадную колонну, МПа; Р_геост. геостатическое давление в подошве пластичной породы, МПа.

На фиг.1 представлена скважина, общий вид; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1.

Приняты следующие обозначения: 1 наружная обсадная колонна, 4 внутренняя обсадная колонна, 3 цементный раствор, 2 пластичная порода, 5 вязкоупругая жидкость.

W_y контактное давление пластичной породы на наружную обсадную колонну,
Р_м межтрубное давление,
Р_в гидростатическое давление во внутренней обсадной колонне,
Р_н гидростатическое давление в затрубном пространстве,
ϕ- угол охвата труб породой.

Способ осуществляют следующим образом.

В скважине, вскрывшей текучие породы (соли, пластичные глины и т.д.) существующими методами выделяют интервал, наиболее склонный к пластическому течению.

Затем выполняют спуск обсадной колонны 1 таким образом, чтобы ее башмак находился на 150-200 м ниже подошвы интервала текучих пород 2. Цементирование колонны выполняют обычным способом с закачкой в затрубное пространство цементного раствора 3.

После затвердевания цемента в этот же интервал спускается вторая обсадная колонна 4 и цементируется таким образом, чтобы в наиболее опасном интервале находилась вязкоупругая жидкость 5, а выше и ниже ее цементный раствор.

Вязкоупругую жидкость выбирают следующим образом: сжимаемость жидкости связана с изменением объема кольцевого пространства при деформации наружной колонны зависимостью:
β·q _→, тогда β ·
β коэффициент сжимаемости вязко-упругой жидкости,
ΔV изменение объема межтрубного пространства при деформации обсадных колонн,
V_o первоначальный объем кольцевого межтрубного пространства,
q давление в межтрубном пространстве.

Из этого соотношения рассчитывается коэффициент сжимаемости жидкости для конкретных размеров труб в реальных ситуациях в зависимости от определенных действующих усилий.

Таким образом для увеличения сопротивляемости всей конструкции обсадных колонн необходимо выбирать коэффициент сжимаемости вязкоупругой жидкости
β ≥ ·
Состав вязкоупругой жидкости подбирается таким, чтобы прокачиваемость она теряла через 30-40 мин после закачки в опасный интервал. Нашими экспериментами доказано, что вязкоупругая жидкость в отличие от бурового раствора не фильтруется через цементный камень при реальных перепадах давления.

Заполнение межтрубного пространства одновременно с цементным раствором вязкоупругой жидкостью обеспечивает за счет ее ограниченной сжимаемости такую податливость наружной колонны, при которой в концевом межтрубном пространстве разовьется гидравлическое давление, не превышающее расчетное критическое смятие для внутренней колонны и разрыв наружной.

Прочностные характеристики обсадных колонн определяют до начала бурения. Для этого определяют глубину залегания пластичных пород, по которой рассчитывают максимальное геостатическое давление в подошве пластичных пород
P_геост (1) где Р средневзвешенная плотность вышележащих пород;
Н глубина залегания подошвы пластичных пород.

Сопротивляемость всей конструкции геостатическому давлению определяется прочностными характеристиками внутренней обсадной колонны. Поэтому внутреннюю обсадную колонну выбирают исходя из условия
Р_вн > Р_геост.

Минимальную прочность наружной обсадной колонны, необходимую для выдерживания неравномерной контактной нагрузки определяют по соотношению
Р_нар (2) где К коэффициент стенности колонны,
ρ- толщина стенки колонны,
D_c средний диаметр колонны,
σ_т- предел текучести стали,
ρ_н,ρ_в- соответственно наружное и внутреннее гидравлическое давление.

В случае несоответствия прочности наружной колонны контактному давлению W_y, т.е. в случае Р_нар ≅W_y произойдет деформация наружной колонны.

Величину контактного давления пластичных пород на обсадную колонну определяют по формуле:
W_y (3) где η* эффективная вязкость породы,
V скорость ее течения,
d диаметр трубы,
ϕ- угол контакта породы с тубой.

Поскольку величина η^* η^*γ τ представляет собой напряжение сдвига, соответствующее среднему значению градиента скорости течения породы и ее средней эффективной вязкости, формулу (1) для практического использования целесообразно представить в виде:
W_y 5 τ (1-cos ϕ) (4)
Деформация (податливость) наружной колонны и сжимаемость вязкоупругой жидкости в кольцевом межтрубном пространстве будут определять величину гидравлического давления (Р_в) в этом пространстве и уравновесят постепенно неравномерное контактное давление пластичной породы по мере охвата ею всего периметра наружной колонны. Собственная сопротивляемость наружной колонны сжатию без гидравлической поддержки (Р_в) практического значения иметь не может и будет выполнять роль герметичной оболочки. Прочность всей конструкции будет определяться только прочностью внутренней колонны на смятие гидравлическим давлением, возникающем в кольцевом пространстве Р_в и прочностью на разрыв этим же давлением Р_в наружной колонны.

При полном стягивании контура скважины (каверны) и охвате наружной колонны пластичной породой давление на нее постепенно (во времени, сопоставимом со временем релаксации напряжений в массиве пород, точному расчету не поддается) поднимется до геостатического. Следовательно, и на внутреннюю колонну, разделенную с наружной вязкоупругой жидкостью, полностью будет передаваться геостатическое давление.

Таким образом, на всех этапах взаимодействия предлагаемой крепи с окружающими пластичными породами внутренняя обсадная труба будет защищена от воздействия неравномерного давления породы и нагружена гидравлическим давлением по наиболее благоприятной для их сопротивляемости схеме.

Наружная труба и вязкоупругая жидкость в кольцевом пространстве играют роль трансформатора преобразователя неравномерного горного давления в равномерное гидравлическое.

Обсадные колонны нефтяного сортамента, используемые обычно для крепления интервалов скважин, осложненных течением пластичных пород, по своим прочностным характеристикам при соответствующем внутреннем давлении выдерживают геостатическое давление этих пород, если оно приложено к трубам по гидравлической схеме.

П р и м е р. В скважину глубиной 2400 м спускают обсадную колонну диаметром- 244,2 мм. На глубине скважины 2203-2219 вскрыты калийно-магниевые соли. При температуре пласта 50^о и плотности бурового раствора 1200-1360 кг/м³ при бурении скважины проявлялось пластическое течение этой соли, диаметр каверны в этом интервале достигал 80 см. Обсадная колонна для перекрытия соли составлена из высокопрочных импортных труб Р-110 с толщиной стенок 11,19 мм из расчета достаточной их сопротивляемости равномерному геостатическому давлению (с учетом внутреннего давления бурового раствора) максимальная величина которого на глубине 2219 м могла достигать ≈ 500 кг/см².

Максимальная величина неравномерного контактного давления на обсадные колонны в рассматриваемом интервале по формуле (3) при ϕ= 50^о(как самом опасном угле охвата труб породой) W_у= 120 кг/см²
Максимальную прочность труб на сопротивляемость неравномерному контактному давлению, подсчитаем по формуле (2) (без учета разницы (Р_в-Р_н) из-за ее малости)
P_нар= ≈ 56 кг/см²
Очевидно, что без "поддержки" обсадных труб в этом интервале не выдержит неравномерное давление пластичных пород, т.к.

Р_нар << W_y
Учитывая, что после спуска и цементирования первой промежуточной обсадной колонны диаметром 244,5 мм на проектную глубину (2400 м) в скважину, после ее некоторого углубления, будет спущена следующая промежуточная или эксплуатационная колонна, которая в случае деформации неравномерным давлением первой колонны в интервале пластичных пород также не сможет сопротивляться контактному давлению (что доказывается аналогичным с предыдущим расчетом), используется крепление скважины по рассматриваемому способу.

При этом, первую промежуточную колонну-1 цементируют по стандартной технологии от ее башмака (2400 м) до подошвы интервала залегания пластичных пород (2219 м), оставляя их открытыми.

Последующую вторую промежуточную (или эксплуатационную) колонну цементируют с таким расчетом, чтобы в кольцевом межтрубном пространстве против интервала залегания пластичных пород находилась вязкоупругая жидкость (ВУР), а ниже и выше ее обычный цементный камень. Параметры ВУРа подбираются таким образом, чтобы он обретал необходимые вязкоупругие свойства и терял прокачиваемость приблизительно через 30-40 мин после того, как попадает в расчетный интервал. Нашими экспериментами доказано, что ВУР в отличие от бурового раствора не фильтруется через цементный камень при реальных перепадах давления и обеспечивает совместную работу составной крепи по рассматриваемой выше схеме.

Теперь при наличии ВУРа в кольцевом межтрубном пространстве при деформации (податливости) наружной трубы под действием неравномерного давления W_y (которое достигает 120 кг/см²) будет происходить повышение давления, которое со временем достигнет горного ≈ 500 кг/см². Внутренняя колонна (следующая промежуточная или эксплуатационная), рассчитанная на это давление, будет его нормально воспринимать в течение всего срока эксплуатации. Наружная труба (Р11 244,5 мм Ж11,99), не выдержавшая неравномерного контактного давления, с достаточным запасом сопротивляется на разрыв внутренним давлением Р_в 500 кг/см²(по справочным данным предельное давление разрыва таких труб составляет ≈ 650 кг/см²).

Расчетным параметром крепа является предельная податливость наружной трубы, определяемая в каждом конкретном случае реальными размерами кольцевого пространства, и сжимаемость ВУРа.

Таким образом, использование предлагаемого способа крепления повышает надежность крепления скважин в рассматриваемых сложных условиях без дополнительных затрат средств на увеличение толщин стенок обсадных труб и учете категорий их прочности.

Формула изобретения

СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН в пластичных породах, включающий спуск в скважину обсадных колонн и закачку в межтрубное пространство цементного раствора, отличающийся тем, что во время закачки цементного раствора в межтрубное пространство дополнительно закачивают вязкоупругую жидкость с коэффициентом сжимаемости определяемым из соотношения

где ΔV изменение объема межтрубного пространства при деформации обсадных колонн, м³;
V_о первоначальный объем межтрубного пространства, м³;
q давление в межтрубном пространстве, МПа,
при этом вязкоупругую жидкость помещают против интервала пластичных пород, а обсадные колонны в этом интервале выбирают из условий
P_нар > W_у;
P_вн > P_геост,
P_нар критическое давление разрыва наружной колонны, МПа;
P_вн критическое давление смятия внутренней колонны, МПа;
W_у контактное давление пластичной породы на наружную обсадную колонну, МПа;
P_геост геостатическое давление в подошве пластичной породы, МПа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2