Способ обратного цементирования обсадной колонны в скважине

 

Использование: изобретение относится к области горного дела и более конкретно к цементированию обсадных колонн в скважинах. Обеспечивает повышение качества цементирования при наличии высокопроницаемых пластов с различными характеристиками за счет обеспечения полного замещения промывочной жидкости тампонажным раствором (ТР), исключения разбавления ТР пластовыми флюидами во время его закачки в заколонное пространство скважины (ЗПС) и обеспечения проектной высоты подъема ТР в ЗПС. Сущность изобретения: по способу производят перекрытие устья скважины. Затем через ЗПС ведут закачку ТР и нагнетание находящейся в стволе скважины промывочной жидкости и вслед за ней закачиваемого ТР в высокопроницаемые пласты. Величину избыточного давления на устье скважины в ЗПС определяют из эмпирической зависимости. При этом нагнетание ТР в эти пласты осуществляют до достижения давления (Р_к) на устье скважины, определяемого из выражения Р_к=0,3·Р_гст (где Р_гст - гидростатическое давление, создаваемое столбом ТР в ЗПС на высокопроницаемые пласты, МПа), при объемной скорости закачки ТР, равной 0,003 м³/с. После этого колонное пространство на устье скважины временно открывают до достижения ТР нижнего конца обсадной трубы.

Изобретение относится к горному делу, а именно к строительству скважин, в частности к технологии цементирования обсадных колонн в скважинах, и предназначается для использования при наличии в стволе скважины высокопроницаемых пластов с различными характеристиками, т.е. в условиях интенсивного поглощения промывочной жидкости и проявления пластовых вод.

Известен способ обратного цементирования обсадной колонны в скважине (авт. св. СССР N 1420139, кл. Е 21 В 33/14, 1986 [1]), включающий закачку тампонажного раствора в затрубное пространство скважины в объеме, необходимом для заполнения интервала цементирования, образования цементного стакана и дополнительного объема тампонажного раствора, с вытеснением промывочной жидкости из обсадной колонны на устье скважины и перекрытие устья скважины после поступления дополнительной порции тампонажного раствора в нижнюю часть обсадной колонны, затем прямую продавку тампонажного раствора в заколонное пространство до увеличения давления.

Однако, указанный способ обратного цементирования не обеспечивает достижение проектной высоты подъема тампонажного раствора за обсадными трубами при наличии в стволе скважины высокопроницаемых пластов.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности является способ обратного цементирования обсадной колонны в скважине по авт. св. СССР N 1749445, кл. Е 21 В 33/14, 1989 [2] согласно которому в затрубное пространство закачивают тампонажный раствор с одновременным выходом промывочной жидкости из обсадной колонны на устье. После чего определяют положение тампонажного раствора, перекрывают затрубное пространство на устье и осуществляют прямую закачку в поглощающие пласты в течение времени до схватывания тампонажного раствора. Закачивают дополнительную порцию тампонажного раствора в объеме поглощения. Высоту дополнительного цементного стакана в обсадной колонне определяют дважды: перед обратной закачкой тампонажного раствора из эмпирической зависимости и уточняют при контроле положения тампонажного раствора в объеме интервала заколонного пространства до поглощающего пласта. Последнюю порцию тампонажного раствора закачивают с меньшими сроками схватывания, чем предыдущие порции, но больше времени первого этапа цементирования обратной закачки.

Однако, указанный известный способ не обеспечивает качественное цементирование обсадной колонны в скважине при наличии в ней высокопроницаемых пластов.

Целью изобретения является повышение качества цементирования обсадной колонны в скважине при наличии высокопроницаемых пластов с различными характеристиками за счет обеспечения полного замещения промывочной жидкости тампонажным раствором, исключения разбавления тампонажного раствора пластовыми флюидами во время его закачки в заколонное пространство скважины и обеспечения проектной высоты подъема тампонажного раствора в заколонном пространстве скважины.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе обратного цементирования обсадной колонны в скважине, включающем закачку через заколонное пространство скважины тампонажного раствора с вытеснением из него промывочной жидкости и перекрытием колонного пространства на устье скважины, при наличии в скважине высокопроницаемых пластов, перекрытие колонного пространства на устье скважины осуществляют перед закачкой тампонажного раствора в заколонное пространство, а закачку тампонажного раствора осуществляют с вытеснением промывочной жидкости и вслед за ней закачиваемого тампонажного раствора в высокопроницаемые пласты под избыточным давлением (Р₃), определяемым из выражения: где Р_п потери давления на гидравлическое сопротивление при движении промывочной жидкости или тампонажного раствора, МПа; Р_гдп потери давления на гидравлическое сопротивление промывочной жидкости или тампонажного раствора при движении их в заколонном пространстве скважины, МПа; ΔPР разность гидростатических движений столбов жидкостей в колонном и заколонном пространствах скважины, МПа; Р_пл пластовое давление во флюидопроявляющих пластах, МПа; Р_грп давление гидроразрыва пластов, МПа; Р_cм давление смятия обсадной колонны от наружного давления, МПа, при этом закачку тампонажного раствора осуществляют до достижения давления (P_к) на устье скважины, определяемого из выражения: Р_к 0,3·Р_гст, где Р_гст - гидростатическое давление, создаваемое столбом тампонажного раствора в заколонном пространстве на высокопроницаемые пласты, МПа, при объемной скорости закачки тампонажного раствора 0,003 м³/с, после чего колонное пространство на устье временно открывают до достижения тампонажным раствором нижнего конца обсадной трубы.

При осуществлении предлагаемого способа цементирования при наличии в стволе скважины высокопроницаемых пластов обеспечивается полное замещение промывочной жидкости тампонажным раствором, которое достигается за счет обеспечения управляемого режима доставки тампонажного раствора в заколонное пространство при закрытом устье скважины.

При этом контроль за соблюдением такого режима производится по избыточному давлению в заколонном пространстве на устье скважины, а регулирование этого давления производится путем изменения объемной скорости закачки тампонажного раствора.

Благодаря созданной возможности осуществлять управляемый режим доставки тампонажного раствора в заколонное пространство согласно предлагаемому способу, создается возможность получить максимальное замещение промывочной жидкости тампонажным раствором, т.к. в этом случае происходит фронтальное вытеснение тампонажного раствора по всему кольцевому сечению заколонного пространства скважины и исключается вероятность так называемого "языкового" цементирования, когда в заколонном пространстве остаются участки с незамещенной промывочной жидкостью.

Обеспечение проектной высоты подъема тампонажного раствора в заколонном пространстве скважины при осуществлении предлагаемого способа достигается за счет созданной возможности в процессе цементирования управлять режимом изоляции проницаемых (поглощающих и/или проявляющих) пластов. Такое регулирование процесса изоляции проницаемых пластов при цементировании по заявляемому способу осуществляется следующим образом. Одновременно с закачкой тампонажного раствора для цементирования заколонного пространства закачивается и расчетный дополнительный объем тампонажного раствора для изоляции проницаемых пластов. Благодаря совокупности предложенных операций в заявляемом способе, благодаря предложенной последовательности их проведения при предложенных режимах их осуществления, впервые создается возможность в процессе цементирования в зависимости от конкретных условий при изоляции корректировать объем закачиваемой дополнительной порции тампонажного раствора и достичь необходимый перепад давления на изолируемые проницаемые пласты и тем самым обеспечить их полную изоляцию, а также обеспечить проектную высоту подъема тампонажного раствора в заколонном пространстве скважины.

Создание указанного избыточного давления на проницаемые пласты позволяет произвести их дополнительную кольматацию тампонажным раствором, что исключит возможность фильтрации последнего в проницаемые пласты при снятии избыточного перепада давления на них в период ОЗЦ.

Для реализации способа в промысловых условиях осуществляют следующие операции в нижеуказанной последовательности: перекрывают устье скважины; производят закачку через заколонное пространство скважины тампонажного раствора с одновременным нагнетанием находящейся в стволе скважины промывочной жидкости, а вслед за ней закачиваемого тампонажного раствора в высокопроницаемые пласты при величине над избыточным давлением (Р₃), определяемым из выражения:
где P_п потери давления на гидравлическое сопротивление при движении промывочной жидкости или тампонажного раствора, МПа;
P_гдп потери давления на гидравлическое сопротивление промывочной жидкости или тампонажного раствора при движении их в заколонном пространстве скважины, МПа;
ΔPР разность гидростатических давлений столбов жидкостей в колонном и заколонном пространствах скважины, МПа;
Р_пл пластовое давление во флюидопроявляющих пластах, МПа; Р_грп давление гидроразрыва пластов, МПа; P_cм давление смятия обсадной колонны от наружного давления, МПа;
закачку тампонажного раствора в высокопроницаемые пласты ведут до достижения давления (Р_к) на устье скважины, определяемого из выражения: Р_к 0,3 Р_гст,
где Р_гст гидростатическое давление, создаваемое столбом тампонажного раствора в заколонном пространстве на высокопроницаемые пласты, МПа, при объемной скорости закачки Q 0,003 м³/с;
далее, не останавливая закачки на устье скважины тампонажного раствора, открывают трубное пространство колонны;
прокачивают тампонажный раствор до достижения им нижнего конца обсадной колонны;
перекрывают трубное пространство обсадной колонны на устье скважины;
скважину оставляют на ОЗЦ.

Предлагаемый способ был испытан в промысловых условиях.

При осуществлении способа в промысловых условиях были использованы следующие материалы и оборудование:
тампонажный раствор следующего состава: портландцемент тампонажный для низких и нормальных температур 100 мас.ч. оксиэтилцеллюлоза (ОЭЦ) 0,3 мас.ч. хлорид кальция 2 мас.ч. и вода техническая 50 мас.ч.

цементировочный агрегат ЦА-320 м 6 шт;
цементосмесительная машина СМН-20 3 шт;
блок манифольдов БМ-700 1 шт;
станция контроля цементирования СКС-2 1 шт.

Промысловые испытания способа были осуществлены на скважине 2116, имеющей окончательный забой 1108 м. При бурении скважины использовался безглинистый буровой раствор на основе пластовой воды с добавками полиакриламида и сернокислого алюминия, имеющий плотность 1080 кг/м³, условную вязкость 16 с и фильтратоотдачу 10 см³/30 мин по "Бароиду".

Перед спуском обсадной колонны были произведены гидродинамические испытания ствола скважины на приемистость при помощи гидравлико-механического пакера (ГМП) по системе "снизу вверх". На основании исследований было определено, что высокопроницаемый пласт расположен в интервале глубин 1008-1029 м.

Затем был рассчитан объем дополнительной порции тампонажного раствора (плотность 1800 кг/м³) для изоляции этого пласта, который составил 9,8 м³.

В интервале 312-338 м был обнаружен низкопроницаемый пласт с коэффициентом приемистости ,
где Q подача цементировочных агрегатов, м³/ч;
Р давление, получаемое на устье скважины при этой подаче, МПа;
для изоляции которого был рассчитан дополнительный объем тампонажного раствора с плотностью 1800 кг/м³. Коэффициент аномальности для этого пласта (К_a) составил 1,35, т.е. пластовое давление в этом пласте составляет:
P_пл=(ρ_пр·g·h_пл)·k_a
Р_пл (1080·9,81·332)·1,35 4,7·10⁶ Па.

Объем цементного раствора, необходимый для цементирования заколонного пространства скважины (V_c), был определен по общепринятой методике и составил V_c 25,6 м³.

Общий объем тампонажного раствора для цементирования этой конкретной скважины и изоляции проницаемых (проявляющих и поглощающих) пластов определяли из выражения:
,
а с учетом коэффициента запаса, равного 1,2, этот объем составил 43,1 м³.

Наиболее слабый пласт находился на глубине 925-940 м. Индекс гидроразрыва пород этого пласта составил i_грп 2,8, т.е. давление гидроразрыва равняется:

Наибольшее наружное избыточное давление для обсадных труб 146х7,7 мм составляло 24,3 МПа.

Перед началом закачки тампонажного раствора перекрыли заколонное пространство скважины при помощи трубных плашек превентора. На верхний конец обсадной колонны навернули заливочную головку, посредством которой перекрыли трубное пространство скважины.

Закачку тампонажного раствора в заколонное пространство начали с объемной скоростью закачки Q 29 м³/ч. Давление закачки на устье скважины при этом составило Р₃=2,5 МПа. Объем тампонажного раствора, закаченный при этом режиме, составил V_тр 9,5 м³.

После откачки этого объема увеличили подачу тампонажного раствора в заколонное пространство до 58 м³/ч. Давление закачки на устье скважины составило при этом Р₃= 3,7 МПа. Объем тампонажного раствора, закачиваемый на этом режиме, составил 13,5 ³.

В дальнейшем закачку тампонажного раствора производили при объемной скорости закачки Q 116 м³/ч, при этом давление на устье скважины при переходе на этот режим составило Р₃=3,7 МПа. На этом режиме было закачано 2,8 м³ тампонажного раствора, после чего произошел рост давления закачки на устье до 4,5 МПа. Подачу на устье после этого снизили до 58 м³/ч. На таком режиме закачали 5,1 м³ тампонажного раствора до давления закачки на устье 5 МПа. После этого снизили производительность цементировочных агрегатов при закачке до 29 м³/ч и получили давление закачки Р₃=3 МПа, и закачали на этом режиме 3,2 м³ тампонажного раствора. После этого снизили подачу цементировочных агрегатов до 10,8 м³/ч и закачали еще 1,1 м³ тампонажного раствора до достижения давления на устье до 6 МПа. Далее, не останавливая закачки тампонажного раствора в заколонное пространство скважины, открыли трубное пространство обсадной колонны и закачали в заколонное пространство скважины еще 2 м³ тампонажного раствора, после чего колонное пространство скважины перекрыли и скважину оставили на ОЗЦ.

Анализ качества цементирования обсадной колонны скважины 2116 производили на основе данных акустического цементомера (комплекс ИS ВА-21), полученных через 24 ч после окончания цементирования.

Коэффициент качества цементирования указанной скважины составил 8,13% что превышает требуемый показатель, составляющий 70%
Предлагаемый способ обратного цементирования обсадной колонны в скважине обеспечивает гарантированно высокое качество цементирования даже в условиях скважин со сложными гидрогеологическими условиями (при наличии высокопроницаемых пластов), что позволяет повысить долговечность скважины как сооружения и в конечном итоге ведет к дополнительной добыче нефти.

Кроме того, при реализации предлагаемого способа снижается объем ремонтно-изоляционных работ в скважине.

Формула изобретения

Способ обратного цементирования обсадной колонны в скважине, включающий закачку через заколонное пространство скважины тампонажного раствора с вытеснением из него промывочной жидкости и перекрытие колонного пространства на устье скважины, отличающийся тем, что при наличии в скважине высокопроницаемых пластов перекрытие колонного пространства на устье скважины осуществляют перед закачкой тампонажного раствора в заколонное пространство, а закачку тампонажного раствора осуществляют с вытеснением промывочной жидкости и вслед за ней закачиваемого тампонажного раствора в высокопроницаемые пласты под избыточным давлением P_з, определяемым из выражения

где Р_п потери давления на гидравлическое сопротивление при движении промывочной жидкости или тампонажного раствора, МПа;
P_гдп потери давления на гидравлическое сопротивление промывочной жидкости или тампонажного раствора при движении их в заколонном пространстве скважины, МПа;
ΔP разность гидростатических давлений столбов жидкостей в колонном и заколонном пространстве скважины, МПа;
P_пл пластовое давление во флюидопроявляющих пластах, МПа;
P_грп давление гидроразрыва пластов, МПа;
P_см давление смятия обсадной колонны от наружного давления, МПа,
при этом нагнетание тампонажного раствора осуществляют по достижении давления P_к на устье скважины, определяемом из выражения
P_к 0,3 P_гст,
где P_гст гидростатическое давление, создаваемое столбом тампонажного раствора в заколонном пространстве на высокопроницаемые пласты, МПа;
при объемной скорости закачки тампонажного раствора 0,003 м³/с, после чего колонное пространство на устье временно открывают до достижения тампонажным раствором нижнего конца обсадной трубы.