Способ крепления скважин и устройство для его осуществления

 

Использование: при бурении и освоении скважин и предназначено в нефтедобывающей горной отраслевой промышленности. Способ обеспечивает надежное разобщение пластов, вскрытых скважиной, без уменьшения их коэффициента продуктивности. Сущность изобретения: способ крепления скважин включает в себя заполнение затрубного пространства нетвердеющей вязкопластичной тампонажной смесью с необходимой прочностью структуры, определяемой расчетным путем. После окончания эксплуатационных работ обсадные трубы извлекают из скважины. Устройство для реализации способа включает две концентричные трубы. Они радиально соединены металлическими втулками. Внутри них завернуты пробки из легкорастворимого в кислоте материала. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к бурению и освоению скважин и предназначено для нефтедобывающей, горной отраслей промышленности.

Известен способ крепления пластов, вскрытых скважиной, заполнением затрубного пространства цементным раствором [1] Недостатком способа является постепенное ухудшение структуры цементного камня, начиная с момента закачки, твердения и в процессе нахождения цементного раствора в статическом состоянии во времени.

Известны способы крепления скважин [2,3,4] в которых процесс закупорки каналов проницаемой среды продуктивного пласта происходит в результате проникновения твердых частей раствора в каналы пласта, а также фильтрата бурового и тампонажного растворов, с последующим процессом уплотнения их за счет перепада между забойным и пластовым давлениями.

Недостатком этих способов является уменьшение коэффициента продуктивности коллектора, которое происходит в процессе крепления скважин в результате несоответствия качественных параметров, химических свойств раствора и технологических процессов геологическим условиям строительства скважин.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ крепления скважин, включающий спуск обсадных труб, и заполнение затрубного пространства гелеобразной тампонажной смесью [5] Гелеобразующий раствор, приготовленный из карбоксилатсодержащего полимера, который сшивается комплексом, состоящего из хромового компонента и карбоксилатных групп, при контакте с проницаемой средой (нефтеносным пластом) также не исключает возникновения в пласт при определенном перепаде давления.

В процессе закачки цементного раствора происходит смешивание его с буферным и буровым растворами. Во время ожидания затвердения цемента в результате снижения давления, осмотических и капиллярных явлений происходит проникновение и фильтрация пластового флюида через формирующийся цементный камень. В результате действия температур и разных значений коэффициентов расширений обсадных колонн и цементного камня, последний испытывает давление, изменяющееся по величине и по знаку. Большое влияние на поведение камня вплоть до разрушения его целостности оказывают перфорационные работы. Применяемые цементные растворы исключают возможность исправления некачественного разобщения пластов без перфорации обсадных колонн и извлечение обсадных колонн после окончания комплекса гидродинамических исследований и работ по эксплуатации скважин.

Известно устройство для крепления скважин, содержащее две концентрично с зазором расположенные трубы с пакерующими узлами по концам и приводом раскрытия пакерующих узлов [6] Недостатком устройства является технологическая и конструктивная сложность применения, так как устройство изготавливается определенной длины в заводских условиях без учета особенностей геологических условий залегания коллектора продуктивного пласта (каверны, наличие водоносных пластов и др.).

Задачей предлагаемого технического решения является надежное разобщение пластов, вскрытых скважиной, без уменьшения их коэффициента продуктивности.

Поставленная задача достигается следующим образом. Способ крепления скважин включает в себя заполнение затрубного пространства нетвердеющей вязкопластичной тампонажной смесью, прочность структуры которой удовлетворяет условию: Θ_f(t)≥ P_пл.max-P 10⁶, мг/см² где Θ_f(t) прочность структуры нетвердеющей вязко-пластичной тампонажной смеси изменяющейся по величине до определенного времени, мг/см²; Р_пл.max-Р_пл.min приведенные к одной глубине Н пластовые давления двух горизонтов, имеющих разные градиенты давления и залегающие на глубинах Н_х и Н_у, кгс/см²; h x_x-x_y расстояние между пластами, имеющими аномальные градиенты давления, см; D диаметр скважины, см; d наружный диаметр обсадных труб, см;
k коэффициент проницаемости пористой среды, куда возможно поглощение тампонажной смеси;
α- безразмерный коэффициент для глинистых и цементных растворов;
( α= (2,8-4,5) х 10^-5);
D_в диаметр глубины проникновения нетвердеющей вязкопластичной жидкости, см;
Кроме того, технический результат достигается тем, что устройство для селективной изоляции пласта содержит две концентрично с зазором расположенные трубы с пакерующими узлами на концах. Устройство снабжено полыми втулками, соединяющими трубы друг с другом и сообщающими через их полость внутренней трубы с внешним пространством, при этом полые втулки выполнены с пробками из легкорастворимого в кислоте материала, перекрывающими полость втулок.

Предлагаемый способ крепления скважин и устройство для его реализации не требуют проведение цементирования твердеющими тампонажными растворами (цементом), так как заполнение затрубного пространства производят нетвердеющей вязкопластичной тампонажной смесью (НВТС) с расчетной прочностью структуры обеспечивающей разобщение пластов вскрытых скважиной, даже при наличие разности градиентов давления между пластами, например, глинонефтеэмульсионными смесями.

После обработки скважины кислотой, пробка из легкорастворимого металла растворяется и открывается сообщение внутритрубного пространства колонны с продуктивным пластом. При этом затрубное пространство колонны, заполнено нетвердеющей вязкопластичной тампонажной смесью остается герметичной по отношению к внутритрубному пространству колонны за счет соединения металлическими втулками двух концентрично расположенных труб устройства. Это исключает затекание тампонажной смеси в колонну при снижении давления в колонне до требуемого технологического значения при освоении и эксплуатации скважины.

На фиг.1 представлено устройство для крепления скважин; на фиг.2 компановка низа обсадной колонны при применении и элементы устройства в рабочем положении; на фиг.3 принципиальная схема временного крепления скважин одновременным перекрытием двух продуктивных пластов с применением устройства: а) заключительное положение после продавки тампонажной смеси в затрубное пространство; б) положение при освоении и исследовании первого объекта; в) положение при освоении и исследовании второго объекта.

Устройство для реализации способа (фиг.1) состоит из набора секций с пробками, ввернутыми в металлические втулки 1, пакерующих элементов 2, взаимодействующих с клином 3, поршень 4 помещен между обсадной колонной 5 мс циркуляционными отверстиями 6 и цилиндром 7, предохранительных винтов 8, седла 9 запорного клапана, шара 10, соединительных муфт обсадных труб 11, кожуха 12, шайбы-ловителя 13.

Полная сборка устройства заключается в соединении верхней и нижней секций, имеющих муфты 11, посредством трубы 5 и кожуха 12. Соединение сопрягаемых торцов кожуха 12 с верхней и нижней секциями производится сваркой.

Применение набора труб позволяет собирать устройство любой расчетной длины между пакерующими элементами, т.е. перекрывать любой толщины продуктивный пласт.

Способ крепления скважин включает перекрытие продуктивного пласта 14 (фиг. 3) с применением устройства 15, центраторов 16, нетвердеющей вязкопластичной тампонажной смеси 17, разделительного моста 18.

Пример реализации способа: рассмотрена скважина диаметром 215,9 мм со спущенной колонной диаметром 146 мм. Проектная глубина скважины 1550 м, продуктивные пласты с градиентом давления 1,15 кг/см² на 10 м глубины залегают в интервалах 1510-1500 и 1350-1345 м, водоносные пласты с градиентами давления 0,85 кг/см² на 10 м залегают на глубине 1100 м с толщиной пласта 15 м. Коэффициент проницаемости водоносного пласта, залегающего на глубине 1100 метров равен 0,5 дарси.

Устройства вместе с обсадными трубами спускают в скважину и устанавливают в интервалах 1510-1500 м и 1350-1345 м с точной привязкой по радиоактивному каротажу.

Далее в колонну обсадных труб сбрасывают шар 10 и восстанавливают круговую циркуляцию бурового раствора в скважине. При посадке шара 10 на седло 9 поднимают давление, и при его значении 4,5-5 МПа происходит разрыв предохранительных винтов 8 в пакерующих узлах, поршни 4 с клиньями 3, перемещаясь в осевом направлении, конусными концами раздвигают пакерующие элементы 2 до упора на стенки скважины, герметизируя тем самым кровлю и подошву продуктивного пласта. При дальнейшем повышении давления до 9 МПа происходит срез шпилек седла 20 максимального давления, шар 10 с седлом 9 падает на шайбу-ловитель 13 (фиг. 1 компановка низа обсадной колонны) и происходит восстановление циркуляции в скважине через кольцевое пространство между корпусом УСИП и обсадной колонной.

После этого осуществляют нагнетание расчетного объема 42,2 м³нетвердеющей вязкопластичной тампонажной смеси в обсадную колонну 5 (фиг. 1), которая, проходя через башмак обсадной колонны, отверстия в нижнем пакерующем элементе 2 (Вход на фиг.1), кольцевое пространство между концентричными трубами и отверстия (Выход на фиг.1) в верхнем пакерующем элементе 2, попадает в пространство между стенками скважины и обсадной колонной 5, минуя продуктивный пласт.

По мере увеличения столба нетвердеющей вязкопластичной тампонажной смеси резиновые элементы еще более самоуплотняются, тем самым полностью защищая продуктивный пласт от контакта его с тампонажной смесью. Процесс тампонирования скважины заканчивается посадкой продавочной пробки на седло ЦКОД, служащей кольцом "стоп" из-за наличия аномального значения градиентов пластового давления на различных глубинах, с учетом глубины проникновения нетвердеющей вязкопластичной тампонажной смеси в водоносный пласт определяют значение величины прочности структуры тампонажной смеси по формуле 1, которая составляет 2357 мг/см² без учета проникновения смеси в водоносный пласт. С учетом проник- новения смеси в проницаемую среду, Д_в 30 см, прочность структуры смеси составит Θ 377 кг/см². После определения расчетной величины структурной прочности тампонажной смеси необходимо обратить внимание на то, чтобы предупредить обвалы пород стенок скважин, значение Θ должно быть не менее 1500 мг/см².

После ожидания расчетного времени набора прочности структуры тампонажной смеси (примерно 24 ч), в скважину спускают насосно-компрессорные трубы ниже интервала установки УСИП (первый объект) на 15 м, т.е. на глубину 1525 м. Закачивают соляную кислоту расчетного объема равного 1 м³ для разрушения пробки из легко растворимого в кислоте металла, ввернутой в металлические втулки, с целью открытия каналов сообщения между внутритрубным пространством колонны с продуктивным пластом.

После окончания освоения, проведения гидродинамических исследований и работ по эксплуатации скважин при необходимости производят извлечение обсадных труб из скважины. Затем скважины ликвидируют или консервируют согласно действующим инструкциям по охране окружающей среды при строительстве скважин.

Формула изобретения

1. Способ крепления скважин, включающий спуск обсадных труб, заполнение затрубного пространства гелеобразной тампонажной смесью, отличающийся тем, что в качестве тампонажной смеси применяют нетвердеющую вязкопластичную тампонажную смесь, прочность структуры которой должна удовлетворять условию


где Θ_f(t) прочность структуры нетвердеющей вязкопластичной тампонажной смеси, изменяющейся по величине до определенного времени t, мГр/см²,
P_пл.max - P_пл.min приведенные к одной глубине H пластовые давления двух горизонтов, имеющих разные градиенты пластового давления и залегающие на глубинах H_x и H_y, кгс/см²;
h x_x x_y расстояние между пластами, имеющими аномальные градиенты давления, см;
D диаметр скважины, см;
d наружный диаметр обсадных труб, см;
K коэффициент проницаемости пористой среды, поглощающей тампонажную смесь, дарси;
α безразмерный коэффициент для глинистых и цементных растворов (α = (2,8-4,5)·10^-5);
D_в диаметр глубины проникновения нетвердеющей вязкопластичной жидкости, см.

2. Устройство для крепления скважин, содержащее две концентрично с зазорами расположенные трубы с пакерующими узлами по концам и приводом раскрытия пакерующих узлов, отличающееся тем, что устройство снабжено полыми втулками, соединяющими трубы друг с другом и сообщающими через их полость полость внутренней трубы с внешним пространством, при этом полые втулки выполнены с пробками из легкорастворимого в кислоте материала, перекрывающими полость втулок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3