Способ цементирования нефтяных и газовых скважин и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области добычи нефти и газа. Обеспечивает повышение качества цементирования. Согласно способу подготавливают скважину, спускают в нее обсадную колонну, удаляют буровой раствор из затрубного пространства путем замещения его буферной жидкостью с последующим замещением буферной жидкости путем закачки тампонажного раствора в трубную полость и последующего его продавливания в затрубное пространство скважины с герметизацией кольцевого пространства между обсадной колонной и стенками ствола скважины. При этом обсадную колонну подвергают вибрационному воздействию с частотой, равной или кратной резонансной частоте обсадной колонны на этапах удаления бурового раствора из затрубного пространства и замещения его буферной жидкостью, заполнения ствола скважины тампонажным раствором с последующим его продавливанием в затрубное пространство и на этапе схватывания тампонажного раствора. Для ускоренного нарастания прочности и быстрого восстановления структурных связей в тампонажном растворе на последнем этапе уменьшают интенсивность вибрационного воздействия. Устройство содержит смонтированный на надземную часть обсадной колонны вибровозбудитель, частотный преобразователь для питания вибровозбудителя и задающий генератор для управления частотным преобразователем. Вибровозбудитель состоит из двух дебалансных электромеханических вибраторов, выполненных с параллельными с возможностью противоположного вращения валами, смонтированных на надземную часть обсадной колонны, непосредственно под цементировочной головкой с помощью вертикально расположенных опорных плит, охватывающих обсадную трубу. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области добычи нефти и газа, а более точно к технике и технологии цементирования скважин с целью предотвращения заколонных перетоков флюидов и выбросов газа на устье.
Накопление нефти и газа в недрах земли происходит в осадочном чехле в хорошо проницаемых пористых структурах кристаллического каркаса коллектора, служащих природными резервуарами для флюидов. В естественных условиях природные резервуары ограничены по кровле и подошве непроницаемыми породами, препятствующими межпластовым перетокам флюидов.
Продуктивные пласты, разрабатываемые в настоящее время, залегают на глубинах от нескольких сотен до трех тысяч метров и более. Отмечается устойчивая тенденция по освоению все более глубоких горизонтов. Средние глубины нефтяных скважин Западной Сибири составляют 2500-3000 метров. Принятая в настоящее время стратегия освоения месторождения предусматривает бурение на самый глубокий продуктивный объект (пласт). Естественно, что при этом скважиной вскрываются все промежуточные коллекторские толщи с различным флюидным заполнением.
В процессе бурения межпластовые перетоки и фонтанирование флюидов исключаются применением утяжеленных буровых растворов. После завершения бурения и спуска колонны обсадных труб осуществляется крепление и цементирование скважины. В настоящее время цементирование считается основным и наилучшим способом тампонажа скважины. Тампонажный раствор должен иметь надежный контакт и плотно заполнять все промежутки между стенками скважины и обсадными трубами. При этом одновременно решается три задачи:
- повышается прочность скважины, уменьшается возможность смятия, излома или искривления обсадных труб;
- устраняются заколонные каналы сообщения пластов, межпластовые перетоки флюидов по кольцевому заколонному пространству, газопроявления на устье, возникновение «вторичных» нефтегазовых залежей;
- проникновение флюида через башмак внутрь скважины, создание надежного основания под башмак в слабых породах.
Известен способ цементирования скважин, в основу которого положена закачка тампонажного раствора в обсадные трубы с последующим продавливанием его в затрубное пространство, разработанный Эрлом Халлибартоном и впервые примененный им в 1919 г. в Оклахоме.
Принципиально было разработано два способа цементирования скважин:
1. Способ Перкинса - с двумя пробками, отделяющими тампонажный состав при его движении по обсадным трубам от других жидкостей (промывочной - с помощью нижней пробки и продавочной - с помощью верхней пробки).
2. Цементировка без разделительных пробок.
Способ Перкинса достаточно быстро получил признание у специалистов-нефтянников и в 1924 г. уже применялся даже на Бакинских нефтепромыслах в СССР (см., например, Справочник по нефтяному делу. Часть 1. Под ред. И.М.Губкина. Научно-издательское бюро Совета Нефтяной Промышленности. М., 1925. С.948).
Способ Перкинса оказался удивительно жизнеспособным и с некоторыми непринципиальными вариациями используется до настоящего времени (см. А.И.Булатов Технология цементирования нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 1973, с.297).
Как известно, процесс цементирования обсадных колонн включает в себя две стадии: закачку тампонажного раствора в трубную полость и последующую его продавку в затрубное пространство скважины. При этом между закачкой и продавкой неизбежно возникает разрыв во времени, связанный с необходимостью раскрепления цементировочной пробки, отмывки и подключения гидроагрегатов на закачку продавочной жидкости.
Качество цементирования определяется сцеплением цементного камня с обсадной колонной и стенками скважины, обеспечением однородности состава тампонажного раствора, отсутствием объемных дефектов и микротрещин цементного камня.
Для повышения качества цементирования традиционно применяется расхаживание и вращение обсадных колонн (см. А.И.Булатов. Технология цементирования нефтяных и газовых скважин. Недра. М.: 1973, с.297., Арт Боннет, Демос Пафитис Миграция газа - взгляд вглубь проблемы./Нефтегазовое обозрение. Шлюмберже. Весна. 1998. С.18-33). Расхаживание представляет собой периодические подъемы и спуски колонны, заполненной тампонажным раствором с амплитудой 5-10 метров. Известно, что расхаживание и вращение способствуют разрушению статического напряжения сдвига бурового раствора, облегчая его удаление. Разрушение структуры защемленного глинистого раствора в сочетании с наличием скребков на наружной поверхности обсадной колонны обеспечивают очистку стенок скважины и контакт тампонажного раствора с породами.
Однако расхаживание помимо технических проблем его осуществления порождает ряд принципиальных проблем. Подъем колонны, заполненной тампонажным раствором или вытесняющей жидкостью, приводит к поршневому декомпрессионному эффекту, сопровождающемуся образованием дегазационных пузырей и, в последующем, объемных дефектов в цементном камне. При спуске обсадной колонны возникает повышенное (даже по сравнению с давлением продавливания) давление на забое и в заколонном пространстве, которое может при определенных условиях приводить к гидроразрыву пласта и поглощению буровых и тампонажных растворов. Вращение обсадных колонн не применимо для наклонных скважин (см. Килан Адамсон и др. Строительство скважин при высоких забойных давлениях и температурах./Нефтегазовое обозрение. Шлюмберже. Осень, 1999. Стр.42-57).
Основными видами осложнений при цементировании обсадных колонн в глубоких скважинах являются:
- недоподъем тампонажного раствора;
- гидроразрыв пласта;
- затрубные газоводонефтепроявления;
- поглощения буровых и тампонажных растворов.
Все указанные осложнения обычно происходят из-за преждевременного загустевания и схватывания тампонажного раствора.
Принципиально новыми подходами для повышения качества цементирования являются обеспечение режима круговой циркуляции тампонажного раствора (Пат. РФ 2235860, Е 21 В 33/14) и способ воздействия на тампонажный раствор ультразвуковыми колебаниями с помощью внутрискважинного погружного источника (Пат. РФ 2166063, Е 21 В 33/14, 27.04.01).
Практически все рассмотренные способы основаны на использовании явления тиксотропии - способности технологических жидкостей обратимо разжижаться при достаточно интенсивных механических воздействиях.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ цементирования обсадной трубы в скважине путем подачи тампонажного раствора в затрубное пространство и воздействия на раствор гидроударными импульсами с частотой 20-150 Гц, генерируемыми синхронизированными устьевым и забойным источниками (SU 1523653 А1, «Способ цементирования обсадной колонны в буровых скважинах». Авт. Р.Ш.Рахимкулов).
Недостатками известного способа являются:
- использование двух гидравлических вибраторов, в том числе забойного;
- зависимость частоты гидроударных импульсов от скорости потока тампонажного раствора;
- необходимость синхронизации частоты устьевого и забойного гидравлических вибраторов.
Задачей изобретения является создание способа, значительно повышающего качество цементирования при одновременном упрощении его технической реализации.
Решение указанной задачи достигается при использовании следующих физических закономерностей.
Практически все основные технологические жидкости, применяемые при бурении и цементировании скважин, представляют собой суспензии или коллоидные растворы (т.е. взвесь мелких твердых частиц в жидкой среде), которые принципиально отличаются от классических (ньютоновских) жидкостей. Основное их отличие заключается в том, что эти растворы обладают способностью сохранять в статическом состоянии касательные напряжения, что характерно для твердых тел. Это свойство приводит к тому, например, что свободная поверхность тампонажного раствора может иметь уклон, не находясь в движении, в нем может находиться во взвешенном состоянии твердое тело, имеющее большую плотность, чем раствор, раствор не вытекает из трубки со свободными концами, поставленной вертикально.
Помимо перечисленных аномальных механических свойств коллоидные растворы обладают уникальной особенностью, получившей в физической литературе термин «тиксотропия». Первое упоминание о тиксотропии было сделано Куне, а детально этот эффект был рассмотрен Бэрусом в 1893 году, обнаружившим более быстрое падение стальных шариков в желатиновом растворе после перемешивания. В настоящее время в результате углубленного изучения упруго-вязко-пластичных свойств структурированных дисперсных систем тиксотропия определяется как способность некоторых дисперсных систем обратимо разжижаться при достаточно интенсивных механических воздействиях. Несколько позднее было обнаружено явление реопексии, которое заключается в нарастании прочности и структурировании дисперсных систем при малых скоростях деформирования. Таким образом механическое воздействие является высокоэффективным средством оперативного обратимого управления эффективной вязкостью структурированных дисперсных систем каковыми являются буровые и тампонажные растворы и промывочные жидкости.
Вибрационное воздействие как метод уплотнения и формования бетонных смесей повсеместно применяется в промышленности строительных материалов (0.3 млрд. м3 бетона в год). Метод прекрасно изучен и обеспечивает хорошее заполнение форм, эффективное уплотнение и повышение прочностных характеристик (Савинов О.А., Лавринович Е.В. Вибрационная техника уплотнения и формования бетонных смесей. - Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние. 1986).
Предложен способ цементирования нефтяных и газовых скважин, включающий подготовку скважины, спуск в нее обсадной колонны, удаление бурового раствора из затрубного пространства путем замещения его буферной жидкостью с последующим замещением буферной жидкости путем закачки тампонажного раствора в трубную полость и последующего его продавливания в затрубное пространство скважины с герметизацией кольцевого пространства между обсадной колонной и стенками ствола скважины, на этапах удаления бурового раствора из затрубья и замещения его буферной жидкостью, заполнения ствола скважины тампонажным раствором, последующим его продавливанием в затрубное пространство скважины и на этапе схватывания тампонажного раствора обсадную колонну подвергают вибрационному воздействию.
В процессе цементирования на этапах:
- удаления бурового раствора из затрубного пространства и замещения его буферной жидкостью;
- заполнения ствола скважины тампонажным раствором;
- продавливания тампонажного раствора из скважины в затрубное пространство, вибровоздействие на обсадную колонну осуществляют в режиме разрушения структурных связей технологических жидкостей, а на этапе схватывания тампонажного раствора уменьшают интенсивность вибрационного воздействия для достижения режима реопексии, что способствует ускоренному нарастанию прочности и быстрому восстановлению структурных связей в тампонажном растворе.
С целью увеличения амплитуды колебаний обсадной колонны частоту вибрационного воздействия устанавливают равной или кратной резонансной частоте обсадной колонны.
За счет резонансных колебаний вибрационным источником, передающим энергию колебаний технологическим жидкостям, является вся внутренняя и наружная поверхность обсадной колонны.
Предложено устройство для цементирования нефтяных и газовых скважин, которое содержит вибровозбудитель и частотный преобразователь, при этом вибровозбудитель состоит из двух дебалансных электромеханических вибраторов, смонтированных на надземную часть обсадной колонны непосредственно под цементировочной головкой с помощью вертикально расположенных опорных плит, охватывающих обсадную трубу.
Для реализации способа осуществляют подготовку скважины, спуск в нее обсадной колонны, удаление бурового раствора из затрубья путем замещения его буферной жидкостью и замещение буферной жидкости тампонажным раствором с герметизацией кольцевого пространства между обсадной колонной и стенками ствола скважины, отличающийся тем, что на этапах закачки тампонажного раствора в трубную полость и последующей его продавки в затрубное пространство скважины колонна обсадных труб подвергается вибрационному воздействию.
Новым является то, что вибрационное воздействие на тампонажный раствор, находящийся как в стволе обсадной колонны, так и в затрубном пространстве передается всей внутренней и наружной поверхностью обсадной колонны, в которой возбуждаются резонансные колебания. Для возбуждения колебаний обсадной колонны на дневной поверхности непосредственно под устьевой тампонажной головкой на наружной поверхности обсадной трубы крепятся два дебалансных электромеханических вибровозбудителя. Для увеличения амплитуды колебаний обсадной трубы и уменьшения потребляемой мощности с помощью частотно управляемого привода осуществляют изменение частоты питания электромеханических вибровозбудителей, добиваясь резонансной настройки.
Предлагаемое устройство (Фиг.1) для цементирования нефтяных и газовых скважин состоит из двух дебалансных электромеханических вибровозбудителей (1), которые монтируются на надземную часть обсадной колонны (3) непосредственно под цементировочной головкой с помощью вертикально расположенных опорных плит (2), соединенных стяжными шпильками (4) и образующими ярмо (Фиг.2). Каждая из опорных плит (1) представляет собой отрезок швеллера стандартного профиля, имеющего специальные V-образные вырезы в полках, охватывающих обсадную трубу. Конструкция позволяет легко устанавливать вибровозбудитель на обсадные трубы различного диаметра. Вибровозбудитель (1) представляет собой серийно выпускаемое изделие, состоящее из двух асинхронных электродвигателей с установленными на концах вала ротора дебалансами. Дебалансы, вращаясь с валом ротора, создают центробежную (вынуждающую) силу. Для формирования направленных колебаний вибровозбудитель состоит из двух однотипных вибраторов с параллельными противоположно вращающимися валами. Питание вибровозбудителя осуществляют от частотного преобразователя (Фиг.3). Для увеличения амплитуды вынужденных колебаний обсадной колонны осуществляют резонансную настройку вибровозбудителя. Для этого частотный преобразователь включают в режим медленного линейного увеличения частоты и фиксируют минимум потребляемого тока. Эта частота соответствует резонансным условиям и ее выставляют в настройке частотного преобразователя. Достижение резонанса даже при маломощном вибровоздудителе хорошо фиксируется осязательно и визуально.
В процессе цементирования вибровоздействие на резонансной частоте обсадной колонны осуществляют на следующих этапах:
- на этапе удаления бурового раствора из затрубья и замещения его буферной жидкостью - с целью разрушения глинистой корки на горных породах, образующих стенки скважины, удаление глинистого раствора из каверн;
- на этапе заполнения ствола скважины тампонажным раствором - для снижения эффективной вязкости и гидравлического сопротивления;
- на этапе продавливания тампонажного раствора из скважины в заколонное пространство - для снижения эффективной вязкости, гидравлического сопротивления, создание надежного контакта с породой и наружной стенкой обсадной колонны, виброуплотнения тампонажного раствора.
На этих этапах интенсивность вибровоздействия обеспечивает достижение тиксотропии в соответствующих технологических жидкостях.
На этапе схватывания тампонажного раствора уменьшают интенсивность вибровоздействия для достижения режима реопексии, что способствует ускоренному нарастанию прочности и быстрому восстановлению структурных связей в тампонажном растворе.
Благодаря вибрационному воздействию на обсадную колонну обеспечивается значительное повышение качества цементирования, так как при этом достигается очистка стенок скважины от глинистой корки, удаление глинистого раствора из каверн, создание надежного контакта тампонажного раствора с породой и наружной стенкой обсадной колонны, виброуплотнение тампонажного раствора.
Все эти факторы способствуют достижению высокой герметичности заколонного пространства, что в конечном счете позволит снизить объем ремонтно-изоляционных работ, снизить вероятность возникновения межпластовых перетоков и обеспечить охрану недр и окружающей среды.
Способ упрощает технологию цементирования, повышает его качество, исключает вероятность возникновения гидроразрывов, позволяет эффективно управлять вязкостью тампонажного раствора без использования специальных химических реактивов.
1. Способ цементирования нефтяных и газовых скважин, включающий подготовку скважины, спуск в нее обсадной колонны, удаление бурового раствора из затрубного пространства путем замещения его буферной жидкостью с последующим замещением буферной жидкости путем закачки тампонажного раствора в трубную полость и последующего его продавливания в затрубное пространство скважины с герметизацией кольцевого пространства между обсадной колонной и стенками ствола скважины, отличающийся тем, что обсадную колонну подвергают вибрационному воздействию с частотой, равной или кратной резонансной частоте обсадной колонны, на этапах удаления бурового раствора из затрубного пространства и замещения его буферной жидкостью, заполнения ствола скважины тампонажным раствором с последующим его продавливанием в затрубное пространство и на этапе схватывания тампонажного раствора, при этом для ускоренного нарастания прочности и быстрого восстановления структурных связей в тампонажном растворе на последнем этапе уменьшают интенсивность вибрационного воздействия.
2. Устройство для цементирования нефтяных и газовых скважин, содержащее смонтированный на надземную часть обсадной колонны вибровозбудитель, отличающееся тем, что оно содержит частотный преобразователь для питания вибровозбудителя и задающий генератор для управления частотным преобразователем, вибровозбудитель состоит из двух дебалансных электромеханических вибраторов, выполненных с параллельными с возможностью противоположного вращения валами, смонтированных на надземную часть обсадной колонны непосредственно под цементировочной головкой с помощью вертикально расположенных опорных плит, охватывающих обсадную трубу.
