Способ степанова цементирования обсадной колонны и устройство для осуществления

Изобретение относится к области бурения скважин. Обеспечивает повышение качества крепления стенок скважины. По способу спускают обсадную колонну в скважину и цементируют в подвешенном положении и натянутом состоянии. При этом растягивающую нагрузку создают на нижний конец обсадной колонны в момент окончания ее цементирования за счет перепада давления между внутриколонным и заколонным пространствами на глубине расположения стоп-кольца и последующим заякориванием обсадной колонны ниже зоны перфорации, на уровне расположения стоп-кольца и выше зоны перфорации за стенки скважины при помощи гидромеханических центраторов-якорей. Устройство содержит башмак, башмачный патрубок, обратный клапан, стоп-кольцо, сигнальное кольцо, обсадную колонну с установленными на ней турбулизаторами, пружинными или жесткими центраторами, цементировочную головку с установленной цементировочной пробкой. При этом устройство снабжено не менее двумя гидромеханическими центраторами-якорями, нижний из которых расположен ниже зоны перфорации, на уровне обратного клапана, а следующие гидромеханические центраторы-якоря установлены выше зоны перфорации обсадной колонны. Величина перепада давления срабатывания гидромеханических центраторов-якорей больше величины перепада давления между внутриколонной и заколонной полостями на глубине расположения стоп-кольца в момент давления «стоп». 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области бурения скважин, а именно - для крепления стенок скважины.

Известны способ цементирования обсадной колонны и устройство [1], включающее обсадную колонну с элементами технологической оснастки: башмак, башмачный патрубок, обратный клапан, стоп-кольцо, сигнальное кольцо, жесткие или пружинные центраторы, турбулизаторы, скребки, цементировочная головка с установленной цементировочной пробкой.

После подготовки ствола скважины спускают обсадную колонну с элементами технологической оснастки (башмак, башмачный патрубок, обратный клапан, стоп-кольцо, сигнальное кольцо, жесткие или пружинные центраторы, турбулизаторы, скребки). На верхней трубе обсадной колонны монтируют цементировочную головку с установленной цементировочной пробкой и ствол скважины промывают. После промывки скважины в обсадную колонну закачивают необходимое количество цементного раствора и сбрасывают цементировочную пробку. Вслед за цементировочной пробкой закачивают продавочную жидкость (чаще всего буровой раствор), которой продавливают цементный раствор в затрубное пространство. Подсчитывают количество продавочной жидкости, закачиваемой в скважину.

Когда остается 1...2 м³ продавочной жидкости, интенсивность ее закачки снижают. Процесс ведут до посадки цементировочной пробки на стоп-кольцо. Этот момент характеризуется резким повышением давления. Величина начала резкого повышения давления называется давлением «стоп». После чего величину давления повышают выше давления «стоп» с учетом прочностных характеристик обсадной колонны и оставляют ее под избыточным давлением на определенное время. При этом следят за показанием манометра на устье. Если величина давления за это время на устье не изменяется, то колонна считается герметичной. Избыточное давление в герметичной колонне стравливается и обсадная колонна остается в таком состоянии до образования цементного камня.

После образования кольца цементного камня проводят перфорацию обсадной колонны, цементного камня и породы для создания гидродинамической связи скважины с пластом.

В случае применения буферной жидкости последняя транспортируется перед тампонажным раствором и вслед за ним. Она предназначается для предупреждения смешения бурового и тампонажного растворов, для очистки ствола и стенки скважины.

При цементировании длинных обсадных колонн сигнал об остановке цементировочной пробки приходит на поверхность и фиксируется манометром на устье с запозданием на несколько секунд [2]. Это опасно, так как жидкость продолжает закачиваться и давление растет, вследствие чего могут быть разрушены цементировочная пробка, стоп-кольцо и обсадная колонна. Поэтому выше на некоторое расстояние от стоп-кольца устанавливают сигнальное кольцо. Его укрепляют в колонне при помощи тарированных шпилек. Как только цементировочная пробка сядет на сигнальное кольцо, давление в колонне, в которую продолжается нагнетание жидкости, резко возрастает. Этот скачок давления фиксируется на поверхности, и своевременно будет прекращена закачка продавочной жидкости. После срезания шпилек цементировочная пробка с сигнальным кольцом продолжает движение до посадки на стоп-кольцо.

Недостатками данного способа цементирования обсадной колонны и устройства для его осуществления является то, что после стравливания избыточного давления в колонне нижняя часть ее находится в сжатом состоянии под действием силы Архимеда из-за разностей плотностей внутриколонной продавочной жидкости и заколонного цементного раствора, тем самым ухудшаются условия для центрирования сжатой части колонны относительно оси скважины и получения равномерного по толщине кольца цементного камня в интервале сжатого участка колонны.

При перфорации обсадной колонны ударная энергия распространяется по обсадной колонне, скважинной жидкости и цементному камню. Однако степень затухания ударной энергии в цементном камне и скважинной жидкости выше, чем по колонне. Поэтому большая часть ударной энергии передается по обсадной колонне, что способствует разрушению кольца цементного камня, то есть образованию микротрещин в цементном камне.

Вышеперечисленные недостатки снижают качество крепления стенок скважины, что, в свою очередь, увеличивает вероятность перетока флюидов с продуктивного пласта в поглощающие пласты или на дневную поверхность между стенкой скважины и обсадной колонной.

Изобретение направлено на получение технического результата, выражающегося в том, что использование изобретения позволяет получить более равномерное образование по толщине цементного камня по всей длине обсадной колонны и уменьшить степень разрушения кольца цементного камня за зоной перфорации обсадной колонны, то есть повысить качество крепления стенок скважины.

Технический результат достигается тем, что цементирование обсадной колонны производится в подвешенном положении и натянутом ее состоянии, путем создания растягивающей нагрузки на нижний конец обсадной колонны за счет перепада давления между внутриколонным и заколонным пространствами на глубине расположения стоп-кольца и последующим заякориванием обсадной колонны на уровне расположения стоп-кольца за стенки скважины при помощи гидромеханического центратора-якоря, что позволит исключить отрицательное влияние выталкивающей силы Архимеда на нижнюю часть обсадной колонны и обеспечить более качественную центровку обсадной колонны относительно оси скважины.

Заякоривание обсадной колонны ниже и выше зоны перфорации за стенки скважины гидромеханическими центраторами-якорями обеспечит отвод части ударной энергии в горную породу при перфорации обсадной колонны, что уменьшит степень разрушения цементного камня за зоной перфорации.

Величина перепада давления срабатывания гидромеханических центраторов-якорей должна быть больше перепада давления между внутриколонной и заколонной полостями на глубине расположения стоп-кольца в момент давления «стоп» с учетом прочностных характеристик обсадной колонны. Такая величина перепада давления срабатывания гидромеханических центраторов-якорей дает возможность в создании дополнительного растягивающего усилия обсадной колонны и, в то же время, позволит заякорить обсадную колонну за стенки скважины. В свою очередь заякоривание обсадной колонны обеспечит натянутое состояние и более качественное центрирование ее относительно оси скважины.

При подвешенной обсадной колонне в условиях скважины для обеспечения натянутого ее состояния по всей длине и сохранения целостности цементного камня за зоной перфорации необходимо устанавливать не менее двух гидромеханических центраторов-якорей на колонне. Это создаст дополнительные каналы, выполненные в виде рычагов центратора-якоря из металла, для отвода части ударной энергии в горную породу при перфорации обсадной колонны, что позволит уменьшить степень разрушения цементного камня.

Таким образом, качественное центрирование обсадной колонны относительно оси скважины и уменьшение степени разрушения цементного камня за зоной перфорации обсадной колонны обеспечит более качественное крепление стенок скважины.

Устройство для осуществления способа цементирования обсадной колонны содержит башмак, башмачный патрубок, обратный клапан, стоп-кольцо, сигнальное кольцо, цементировочную головку с цементировочной пробкой, обсадную колонну с установленными на ней турбулизаторами, скребками, пружинными или жесткими центраторами и не менее двух гидромеханических центраторов-якорей, расположенных ниже и выше зоны перфорации обсадной колонны, причем нижний гидромеханический центратор-якорь установлен на уровне обратного клапана.

На фиг.1 показано устройство в транспортном положении в условиях скважины (продольный разрез); на фиг.2 показано устройство в рабочем состоянии.

Устройство содержит башмак 1, башмачный патрубок 2, обратный клапан 3, стоп-кольцо 4, гидромеханические центраторы-якоря 5, обсадную колонну 6, пружинные центраторы 7, цементировочную головку 8 с установленной цементировочной пробкой 9.

Устройство для осуществления цементирования обсадной колонны работает следующим образом.

После подготовки ствола скважины спускают обсадную колонну с элементами ее технологической оснастки. На верхней трубе обсадной колонны 6 монтируют цементировочную головку 8 с установленной цементировочной пробкой 9 и ствол скважины промывают. После промывки скважины в обсадную колонну 6 закачивают необходимое количество цементного раствора и сбрасывают цементировочную пробку 9. Вслед за цементировочной пробкой 9 закачивают продавочную жидкость (чаще всего буровой раствор), которой продавливают цементный раствор в затрубное пространство. Подсчитывают количество продавочной жидкости закачиваемой в скважину.

Когда остается 1...2 м³ продавочной жидкости, интенсивность ее закачки снижают. Процесс ведут до посадки цементировочной пробки 9 на стоп-кольцо 4. Этот момент характеризуется резким повышением давления. Величина начала резкого повышения давления называется давлением «стоп».

После чего величину давления в колонне повышают выше давления «стоп» или до давления опрессовки обсадной колонны с учетом прочностных характеристик обсадной колонны и оставляют обсадную колонну под избыточным давлением на определенное время. При этом под действием перепада давления на стоп-кольце 4 создается растягивающее усилие, которое превосходит по величине выталкивающую силу Архимеда, что способствует удлинению обсадной колонны. В то же время при возникновении определенной величины перепада давления между внутриколонной и заколонной полостями последовательно сверху вниз срабатывают гидромеханические центраторы-якоря, жестко заякоривая обсадную колонну за стенки скважины.

Через определенное время избыточное давление в обсадной колонне стравливают. При этом на нижний конец обсадной колонны действуют выталкивающая сила Архимеда, воспринимаемая стенками скважины через нижний гидромеханический центратор-якорь, и сила упругости обсадной колонны от ее удлинения, воспринимаемая стенками скважины через все гидромеханические центраторы-якоря, расположенные на обсадной колонне, то есть обсадная колонна находится в натянутом состоянии по всей длине. Такое состояние обсадной колонны обеспечивает более качественное центрирование ее относительно оси скважины, что в свою очередь ведет к более равномерному образованию по толщине кольца цементного камня по всей длине обсадной колонны.

После образования кольца цементного камня проводят перфорацию обсадной колонны, цементного камня и породы для создания гидродинамической связи скважины с пластом. При этом часть ударной энергии поглощается стенками скважины через рычаги гидромеханических центраторов-якорей, установленных за зоной перфорации. Такое расположение центраторов-якорей уменьшает степень разрушения цементного камня за зоной перфорации.

Образование более равномерного по толщине кольца цементного камня по всей длине обсадной колонны и уменьшение степени разрушения цементного камня за зоной перфорации обсадной колонны дает возможность повысить качество крепления стенок скважины.

Источники информации

1. Булатов А.И. Тампонажные материалы и технология цементирования скважины: Учеб. для техникумов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1991. - 336 с. ил.

2. Подгорнов Ю.М. Эксплуатационное и разведочное бурение на нефть и газ: Учеб. пособие для рабочих на производстве. - М.: Недра, 1988. - 325 с. ил.

1. Способ цементирования обсадной колонны, включающий спуск обсадной колонны в скважину и ее цементирование в подвешенном положении и натянутом состоянии, отличающийся тем, что растягивающую нагрузку создают на нижний конец обсадной колонны в момент окончания ее цементирования за счет перепада давления между внутриколонным и заколонным пространствами на глубине расположения стоп-кольца и последующим заякориванием обсадной колонны ниже зоны перфорации, на уровне расположения стоп-кольца и выше зоны перфорации за стенки скважины при помощи гидромеханических центраторов-якорей.

2. Устройство для цементирования обсадной колонны, содержащее башмак, башмачный патрубок, обратный клапан, стоп-кольцо, сигнальное кольцо, обсадную колонну с установленными на ней турбулизаторами, пружинными или жесткими центраторами, цементировочную головку с установленной цементировочной пробкой, отличающееся тем, что оно снабжено не менее двумя гидромеханическими центраторами-якорями, нижний из которых расположен ниже зоны перфорации, на уровне обратного клапана, а следующие гидромеханические центраторы-якоря установлены выше зоны перфорации обсадной колонны, при этом величина перепада давления срабатывания гидромеханических центраторов-якорей больше величины перепада давления между внутриколонной и заколонной полостями на глубине расположения стоп-кольца в момент давления «стоп».