Способ цементирования обсадной колонны в наклонно- направленных скважинах

 

Изобретение относится к бурению скважин, в частности к способам цементирования обсадной колонны в наклонно-направленных и горизонтальных скважинах. Обеспечивает повышение качества цементажа и предотвращение аварий при его выполнении путем предотвращения разрывов столба цементного раствора под действием гидростатического давления в процессе закачки цементного раствора в обсадную колонну на основе математического описания физического процесса перетока цементного раствора в затрубное пространство под действием перепада давления и количественной оценки интенсивности перетока, которая, в свою очередь, определяет необходимую величину объемного расхода закачки цементного раствора при цементаже. Сущность изобретения: способ включает спуск обсадной колонны, закачку цементного раствора в обсадную колонну, сброс разделительной пробки, закачку промывочной жидкости и продавливание цементного раствора в затрубное пространство. Согласно изобретению перед закачкой цементного раствора определяют по аналитическому выражению минимальную величину объемного расхода закачки цементного раствора в обсадную колонну с учетом кривизны ствола скважины и выбирают производительность закачки цементного раствора больше этой величины. 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к области бурения скважин, в частности к способам цементирования обсадных колонн в наклонно-направленных скважинах.

Известен способ цементирования обсадных колонн, включающий спуск и цементирование обсадной колонны, при этом задаются значения скоростей подъема цементного раствора в затрубном пространстве, а объемный расход закачки продавочной жидкости определяют с учетом заданных величин скоростей подъема цементного раствора в кольцевом пространстве (1).

Однако данный способ не учитывает возможность разрыва столба цементного раствора в процессе его закачки и как следствие этого самопроизвольное увеличение объемного расхода при движении столба цементного раствора в обсадной колонне, что может привести к разрыву столба цементного раствора, а следовательно, к некачественному цементированию.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ цементирования обсадной колонны, включающий спуск обсадной колонны, закачивание цементного раствора в обсадную колонну, сброс разделительной пробки, закачивание цементного раствора в затрубное пространство (пат. РФ 2095545) (2).

Однако известный способ не предотвращает возможность разрыва столба цементного раствора в процессе его закачивания в обсадную колонну, а так же самопроизвольное увеличение объемного расхода закачки цементного раствора в обсадную колонну, что приводит к некачественному цементированию и авариям.

Целью настоящего изобретения является повышение качества цементажа и предотвращение аварий при его выполнении путем предотвращения разрывов столба цементного раствора под действием гидростатического давления в процессе закачки цементного раствора в обсадную колонну на основе математического описания физического процесса перетока цементного раствора в затрубное пространство под действием перепада давления и количественной оценки интенсивности перетока, которая в свою очередь определяет необходимую величину объемного расхода закачки цементного раствора при цементаже.

Поставленная цель достигается тем, что перед процессом закачки цементного раствора определяют минимальную величину объемного расхода закачки цементного раствора в обсадную колонну, которую рассчитывают по формуле: где ρ_c, ρ_p - плотность цементного и бурового растворов, кг/м³; h₁ - высота столба цементного раствора, закаченного в обсадную колонну, по вертикали, м; L - общая длина обсадной колонны, м; d - наружный диаметр обсадной колонны, м; D - диаметр ствола скважины, в который спущена обсадная колонна, м; D_v - внутренний диаметр обсадной колонны, м; d_c - внутренний диаметр обратного клапана, м; D_b - диаметр башмака обсадной колонны, м,
и выбирают объемный расход закачки цементного раствора в обсадную колонну больше расчетной величины Q₁(h_x).

Сущность изобретения заключается в следующем.

Во время закачки более тяжелого цементного раствора в обсадную колонну, по мере увеличения высоты его столба создается перепад давления ΔP(h_x), определяемый в наклонно-направленной скважине следующей формулой:

где ρ_c, ρ_p - плотность цементного и бурового раствора, кг/м³;
h_x - глубина уровня цементного раствора в обсадной колонне по вертикали, м;
α₁, α₂ - начальный и конечный зенитный угол ствола скважины, град;
R - радиус кривизны ствола скважины, м;
L_v - вертикальный участок ствола скважины, м;
ΔP(h_x) - перепад давления в обсадной колонне скважины, возникающий за счет разности плотностей жидкостей в колонне и затрубном пространстве.

Высоту столба цементного раствора в наклонном стволе определяют по формуле:
L_s = (L_v-h_x)+R•(sinα₂-sinα₁) (2)
где L_v - вертикальный участок ствола скважины, м;
α₁, α₂ - начальный и конечный зенитный угол ствола скважины, град.

Давление закачки в это время снижается на величину создаваемого перепада.

Величиной перепада определяется интенсивность перетока раствора из трубного пространства в затрубное.

Во время промывки, при движении в скважине с определенным расходом гидросопротивления ΣΔP определяются следующим образом:
ΣΔP = ΔP_t+ΔP_z,
где ΔP_t - гидросопротивления в трубах;
ΔP_z - гидросопротивления в затрубном пространстве.

где Q - расход жидкости при прокачке, м³/с;
ρ - плотность жидкости, кг/м³;
L - длина колонны обсадных труб, м;
D_v - внутренний диаметр обсадных труб, м;

где D - диаметр скважины, м;
d - наружный диаметр обсадных труб, м.

Суммарные гидросопротивления будут равны:

Следовательно, при прокачке жидкости в скважине с заданным объемным расходом Q мы будем иметь определенные гидросопротивления ΣΔP.

Или, говоря иначе, чтобы прокачать жидкость через скважину с заданным расходом Q, необходимо создать давление равное ΣΔP.

Исходя из этого, задаваясь давлением ΣΔP из формулы (5), определим объемный расход закачки цементного раствора

Переходя к нашим условиям задачи, имеем
ΣΔP=ΔP - перепад давления из-за разницы плотностей растворов в трубном и затрубном пространствах.

где ρ_ср - средняя плотность жидкости в трубах, кг/м³.

где h_c - высота столба цементного раствора в трубах, м,

Подставляя ρ_ср из формулы (8) в (7) и сокращая L, получаем:
для затрубного пространства:

при условии, что цементный раствор не вышел в затрубное пространство:

Отсюда находим интенсивность перетока (обозначив ее Q₁) при известном перепаде ΔP:

Подставляя выражение ΔP из формулы (1) с учетом потерь давления в обратном клапане, получим основную рабочую формулу для определения количественной оценки интенсивности перетока:

где D_c - внутренний диаметр обратного клапана, м.

Если интенсивность перетока Q₁ станет больше объемного расхода закачки Q и произойдет разрыв столба цементного раствора, или после остановки циркуляции, например, во время сброса пробки - в трубах возникает опорожненная часть внутритрубного пространства при самопроизвольном движении раствора вниз. Обозначим эту величину h_x.

По мере увеличения h_x перепад давления будет закономерно уменьшаться за счет снижения гидростатики в трубном до равновесия давлений в трубном и затрубном пространстве.

С учетом величины h_x выражение для определения Q₁ примет вид:

Ниже приведен пример расчета интенсивности перетока для реальных условий цементирования эксплуатационной колонны скважины в зависимости от продолжительности остановки циркуляции и глубины уровня цементного раствора.

На фиг. 1 представлен график зависимости объемного расхода перетока цементного раствора от глубины его уровня; на фиг.2 - зависимость во времени объемного расхода перетока цементного раствора; на фиг.3 - зависимость глубины уровня во времени, а именно с увеличением глубины уровня цементного раствора увеличивается время его закачки до равенства давлений в трубном и затрубном пространстве; на фиг.4 - начальные и конечные углы границ пачки цементного раствора.

Полученные расчетные результаты (Q₁=27,6 л/с) позволяют сделать однозначный вывод о том, что не учитывать данный фактор при расчете цементажей просто недопустимо.

Объемный расход закачки цементного раствора и его продавки в затрубное пространство должен быть всегда больше интенсивности перетока.

Использование предлагаемого изобретения позволит повысить качество цементажа наклонно-направленных и горизонтальных скважин и предотвратить аварии при его выполнении.

Данный способ предотвращает разрыв столба цементного раствора в наклонно-направленных и горизонтальных скважинах.

Предлагаемый способ позволяет математически описать физический процесс перетока цементного раствора в затрубное пространство под действием перепада давления и дать количественную оценку интенсивности этого перетока, которая определяет необходимую величину объемного расхода закачки цементного раствора при цементаже наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Источники информации:
1. K.B. Иогансен. Спутник буровика - М.: Недра, 1990, с.176.

2. Патент РФ 2095545, 6 Е 21 В 33/14, опубл. 10. 11. 1997 г.

Формула изобретения

Способ цементирования обсадной колонны в наклонно-направленных скважинах, включающий закачку цементного раствора в обсадную колонну, сброс разделительной пробки, закачку промывочной жидкости и продавливание цементного раствора в затрубное пространство, отличающийся тем, что перед процессом закачки цементного раствора рассчитывают минимальную величину объемного расхода закачки цементного раствора (Q₁) с учетом кривизны ствола скважины, которую определяют из выражения

где ρ_c, ρ_p - плотность цементного и бурового растворов, кг/м³;
h₁ - высота столба цементного раствора, закачанного в обсадную колонну, по вертикали, м;
L - общая длина обсадной колонны, м;
d - наружный диаметр обсадной колонны, м;
D - диаметр ствола скважины, в который спущена обсадная колонна, м;
D_v - внутренний диаметр обсадной колонны, м;
h_x - глубина уровня цементного раствора в обсадной колонне по вертикали, м;
d_c - внутренний диаметр обратного клапана, м;
D_b - диаметр башмака обсадной колонны, м,
и выбирают объемный расход закачки цементного раствора в обсадную колонну больше расчетной величины Q₁.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7