Способ цементирования скважин

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к способу цементирования нефтяных, газовых и водяных скважин. Способ включает спуск в скважину обсадной колонны, закачивание в обсадную колонну тампонажного раствора, продавку, размещение его в заколонном пространстве и оставление на время ожидания затвердения цемента. При продавке столб тампонажного раствора в заколонном пространстве многократно расхаживают вниз-вверх, для чего продавку периодически прекращают, давление над разделительной пробкой в обсадной колонне снижают, часть тампонажного раствора выпускают обратно в обсадную колонну, затем вновь продавливают в заколонное пространство. Цикл расхаживания столба тампонажного раствора в заколонном пространстве повторяют многократно и завершают продавкой всего тампонажного раствора в заколонное пространство. Столб тампонажного раствора расхаживают на различную высоту, с различной скоростью, перед началом загустевания тампонажного раствора высоту и скорость расхаживания столба тампонажного раствора в заколонном пространстве снижают до минимального уровня, а продавку всего тампонажного раствора в заколонное пространство осуществляют до начала его загустевания. Обеспечивает повышение качества цементирования скважин за счет расхаживания тампонажного раствора в заколонном пространстве в процессе цементирования обсадной колонны, удаления со стенок скважины обсадных труб и каверн остатков бурового раствора, исключения усадочных деформаций твердеющего цементного раствора, сокращения промежутка времени от момента окончания движения тампонажного раствора до начала его твердения в затрубном пространстве.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при цементировании скважин, пробуренных на нефть, газ, воду и другие полезные ископаемые.

Известен способ цементирования скважин, согласно которому в скважину спускают обсадную колонну, закачивают в колонну тампонажный раствор, продавливают его в заколонное пространство, размещают за обсадной колонной и оставляют в покое на время ожидания затвердения цемента (ОЗЦ) [1].

Известный способ не обеспечивает необходимого качества крепления скважин и разобщения пластов, т.к. из-за неполного вытеснения промывочной жидкости и недостаточного удаления фильтрационной корки со стенок скважин и обсадной колонны возникают каналы межпластовых перетоков.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ цементирования скважин, включающий спуск обсадной колонны в скважину, закачку тампонажного раствора в обсадную колонну, продавку в затрубное пространство до появления его на устье скважины, последующую закачку вышедшего на устье из затрубного пространства тампонажного раствора обратно в обсадную колонну с созданием прямой или обратной круговой циркуляции, контроль и регулирование на устье свойств тампонажного раствора с использованием осреднительной емкости, ожидание затвердения цемента в затрубном пространстве [2].

Недостатками этого способа являются недостаточно качественное крепление скважин и разобщение пластов низкой эффективности удаления фильтрационной корки со стенок скважины, очищение каверн, труб и элементов оснастки обсадных колонн от остатков бурового раствора и шлама. Кроме этого, способ сложен, трудоемок в исполнении, требует использования дополнительного оборудования, труб, расхода цемента, энергозатрат.

Техническая задача, решаемая предлагаемым способом, заключается в повышении качества крепления скважин и разобщения пластов, экономии энергозатрат и материалов.

Указанная техническая задача решается способом цементирования скважины, включающем спуск в скважину обсадной колонны, закачивание в обсадную колонну тампонажного раствора, продавку, размещение его в заколонном пространстве и оставление на время ожидания затвердения цемента, при этом при продавке столб тампонажного раствора в заколонном пространстве многократно расхаживают вниз-вверх, для чего продавку периодически прекращают, давление над разделительной пробкой в обсадной колонне снижают, часть тампонажного раствора выпускают обратно в обсадную колонну, затем вновь продавливают в обсадную колонну, затем вновь продавливают в заколонное пространство, цикл расхаживания столба тампонажного раствора в заколонном пространстве повторяют многократно и завершают продавкой всего тампонажного раствора в заколонное пространство, при этом столб тампонажного раствора расхаживают на различную высоту, с различной скоростью, перед началом загустевания тампонажного раствора высоту и скорость расхаживания столба тампонажного раствора в заколонном пространстве снижают до минимального уровня, а продавку всего тампонажного раствора в заколонное пространство осуществляют до начала его загустевания.

По предлагаемому способу тампонажный раствор выпускают обратно в обсадную колонну до выравнивания давлений в заколонном пространстве и в обсадной колонне.

Процесс расхаживания тампонажного раствора в заколонном пространстве контролируют по росту давления продавки на устье и завершают до достижения давления в заколонном пространстве давления гидроразрыва пласта.

Количество циклов и продолжительность расхаживания столба тампонажного раствора в заколонном пространстве регулируют, увеличивая или сокращая сроки загустевания тампонажного раствора при его приготовлении.

Скорость и высоту движения столба тампонажного раствора в заколонном пространстве «вниз» контролируют и регулируют по скорости и объему продавочной жидкости, выходящей из колонны на устье скважины.

Скорость и высоту движения столба тампонажного раствора в заколонном пространстве «вверх» регулируют по скорости и объему продавочной жидкости, закачиваемой в обсадную колонну на устье скважины.

Скорость, высоту и давления при расхаживании столба тампонажного раствора в заколонном пространстве регулируют, используя продавочную жидкость низкой или высокой плотности.

Запорный элемент - шар обратного клапана, установленного в обсадной колонне, перемещают в колонне вместе с продавочной пробкой, приводят в рабочее положение в обратном клапане после окончания расхаживания и продавки всего тампонажного раствора в заколонное пространство при посадке пробки на стоп-кольцо обратного клапана.

Разработанный способ основан на том, что тампонажные растворы обладают абразивными коркоудаляющими и вытесняющими буровой раствор свойствами. При традиционном способе прямого цементирования скорость и время воздействия тампонажного раствора на стенки скважин и труб недостаточны для эффективной очистки ствола от остатков бурового раствора. По данному способу из-за многократного расхаживания столба скорость и длительность воздействия тампонажного раствора на стенки скважины и труб многократно возрастают, соответственно, возрастают эффективность удаления фильтрационной корки, очистки стенок скважины и труб от остатков бурового раствора. Возможность расхаживания столба тампонажного раствора в затрубном пространстве основана на том, что после продавки части тампонажного раствора гидростатическое давление в заколонном пространстве возрастает и становится больше гидростатического давления в колонне. Поэтому при прекращении продавки, стравливании давления в колонне, отсутствии запорного элемента в обратном клапане и открытых трубных коммуникациях обвязки на устье за счет разности давлений часть тампонажного раствора будет самопроизвольно поступать обратно в колонну и выдавливать продавочную жидкость из колонны на устье скважины в цементировочные агрегаты. При возобновлении продавки тампонажный раствор будет вновь поступать в затрубное пространство. Процесс можно повторять многократно.

Новизна способа заключается в том, что:

- в процессе продавки столб тампонажного раствора в затрубном пространстве расхаживают вверх-вниз;

- цикл расхаживания столба тампонажного раствора в заколонном пространстве и в колонне повторяют многократно;

- столб тампонажного раствора расхаживают на различную высоту, с различной скоростью, в течение времени, допустимого по срокам загустевания тампонажного раствора;

- высоту, скорость и давление расхаживания столба тампонажного раствора контролируют и регулируют на устье;

- запорный элемент обратного клапана - шар вводят в рабочее положение в обратном клапане после окончания расхаживания и продавки всего объема тампонажного раствора в заколонное пространство.

Совокупность операций при осуществлении заявленного способа обеспечивает высокое качество крепления скважин и разобщения пластов, экономию затрат за счет следующих факторов:

- обеспечивается возможность движения тампонажного раствора в затрубном пространстве вниз и вверх в глубоких скважинах без круговой циркуляции, использования и спускоподъемных операций с бурильными трубами, расхода лишнего цемента, химреагентов, энергозатрат;

- продолжительность расхаживания, скорость воздействия движущегося тампонажного раствора на стенки скважины и трубы увеличиваются, соответственно, возрастает эффективность вытеснения остатков бурового раствора, снижается вероятность возникновения каналов межпластовых перетоков как в твердеющем цементном камне, так и на его контактах с колонной и породой;

- тампонажный раствор обладает абразивными свойствами, поэтому при расхаживании тампонажного раствора в затрубном пространстве за счет эрозии из ствола более эффективно удаляются корка со стенок скважин, с труб, элементов оснастки обсадной колонны, очищаются каверны от глины и шлама, глина и шлам смешиваются с цементным раствором, вследствие чего повышается сцепление цемента и герметичность его контактов с породой и колонной;

- расхаживание тампонажного раствора на высоту нескольких метров перед окончательной продавкой его в затрубное пространство максимально сокращает промежуток времени от момента окончания движения до начала загустевания, схватывания и твердения тампонажного раствора в затрубном пространстве;

- при расхаживании в затрубном пространстве и в колонне тампонажный раствор сохраняет высокую седиментационную устойчивость, проходит стадию наиболее интенсивной гидратации и усадочных деформаций, что снижает вероятность образования каналов в камне, по которым возможны межпластовые перетоки;

- возможность управлять на устье продолжительностью, скоростью, высотой и количеством циклов расхаживания столба тампонажного раствора в затрубном пространстве позволяет максимально сократить промежуток времени от окончания расхаживания до твердения цемента, уменьшить вероятность возникновения осложнений.

Из существующего уровня техники не известен способ, включающий совокупность указанных выше действий, обеспечивающей достижение поставленной цели, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

Способ осуществляют следующим образом.

В спущенную в скважину обсадную колонну труб, оснащенную обратным клапаном типа ЦКОД без запорного элемента - шара, закачивают буферную жидкость, расчетный объем тампонажного раствора, вводят разделительную пробку и перед ней запорный элемент - шар обратного клапана, закачивают продавочную жидкость, вытесняют (продавливают) буферную жидкость и тампонажный раствор в затрубное пространство. При продавке до получения давления (сигнала) «стоп» закачивание продавочной жидкости останавливают, давление в колонне над разделительной пробкой стравливают. При этом, поскольку давление в затрубном пространстве значительно превышает давление в колонне, а запорный элемент - шар в обратном клапане отсутствует, тампонажный раствор поступает снова в обсадную колонну, разделительная цементировочная пробка, шар и продавочная жидкость движутся по колонне вверх. На устье продавочная жидкость поступает в емкость цементировочного агрегата. Столб тампонажного раствора в затрубном пространстве при этом движется вниз. Движение тампонажного раствора в колонне и затрубном пространстве может продолжаться до выравнивания давлений, при этом столб тампонажного раствора в затрубном пространстве может опуститься на несколько сот десятков и сот метров. Скорость движения и высота столба тампонажного раствора в затрубном пространстве контролируются и регулируются по количеству и скорости поступления продавочной жидкости в бункер цементировочного агрегата. До или после выравнивания давлений в колонне и затрубном пространстве тампонажный раствор из колонны снова продавливают в затрубное пространство, закачивая продавочную жидкость в колонну цементировочным агрегатом. При этом тампонажный раствор в затрубном пространстве движется вверх до тех пор, пока цементировочный агрегат закачивает в колонну продавочную жидкость. Таким образом, один цикл расхаживания тампонажного раствора в затрубном пространстве вниз-вверх завершается. Такой цикл может быть повторен многократно, но со значительно меньшей амплитудой расхаживания до начала загустевания тампонажного раствора. Количество циклов расхаживания столба тампонажного раствора в затрубном пространстве может быть увеличено за счет уменьшения амплитуды расхаживания до нескольких метров. Для этого при продавке тампонажного раствора до достижения давления «стоп» из затрубного пространства в колонну выпускают и вновь продавливают (закачивают) в затрубное пространство минимальное (или требуемое по расчету в зависимости от амплитуды расхаживания) количество тампонажного раствора. В период расхаживания тампонажный раствор разрушает фильтрационную корку на стенках скважины, очищает каверны, обсадную колонну, центраторы, турбулизаторы, скребки от остатков бурового раствора и шлама, смешивается с этими остатками, замещает их и заполняет каверны, проходит стадию усадочных деформаций, сохраняет седиментационную устойчивость. Минимальная амплитуда расхаживания столба тампонажного раствора в затрубном пространстве (до 10-50 м от «стоп» кольца в колонне) позволяет сократить максимально промежуток времени от начала загустевания (схватывания) до начала твердения тампонажного раствора. Количество и продолжительность циклов расхаживания столба тампонажного раствора в затрубном пространстве можно регулировать, увеличивая или сокращая сроки загустевания его добавками химреагентов при приготовлении на устье. После завершения расхаживания тампонажный раствор окончательно вытесняют в затрубное пространство. Запорный элемент - шар вводится в обратный клапан ЦКОД при посадке продавочной пробки на стоп-кольцо и получении давления «стоп». Давление в обсадной колонне снижают до гидростатического, при этом срабатывает обратный клапан, который прекращает поступление жидкости в колонну.

Пример осуществления способа.

В скважину диаметром 216 мм, заполненную буровым раствором плотностью 1150 кг/м³, на глубину 2500 м спустили обсадную колонну диаметром 146 мм с обратным клапаном ЦКОД без запорного элемента - шара. Приготовили и закачали в обсадную колонну 42 м³ облегченного гельцементного раствора плотностью 1500 кг/м³ и 8 м³ цементного раствора плотностью 1800 кг/м³. Пустили в колонну продавочную пробку вместе с шаром обратного клапана. Весь объем гельцементного раствора продавили в затрубное пространство, закачав в колонну 26,2 м³ продавочной жидкости. При этом гельцементный раствор поднялся в затрубном пространстве на высоту 2100 м и давление в затрубном пространстве стало равным Р_зп = 36,1 МПа, а давление в трубном пространстве стало равным Р_тр = 29,7 МПа. Остановили продавку, давление в колонне снизили до гидростатического, разгерметизировали устье. Столб тампонажного раствора в затрубном пространстве снизился на 320 м из-за перетока части раствора в колонну, 6,4 м³ продавочной жидкости вышло на устье в агрегаты. Гидростатические давления в заколонном и трубном пространствах сравнялось и стало равным 31,3 МПа. Возобновили продавку, вновь закачали 6,4 м³ воды, столб гельцементного раствора вновь поднялся на высоту 2100 м в затрубном пространстве. Цикл расхаживания гельцементного раствора вниз-вверх на высоту 320 м повторили еще раз. В оставшийся один час до начала загустевания продавили в затрубное пространство цементный раствор. Последние 0,4 м³ этого раствора трижды перепускали в колонну и обратно, расхаживая его столб в затрубном пространстве вверх-вниз на высоту 20 м. Перед началом загустевания весь остаток тампонажного раствора продавили из колонны в затрубное пространство. При посадке продавочной пробки на стоп-кольцо запорный элемент - шар вошел в обратный клапан и занял рабочее положение. После чего давление в колонне снизили до гидростатического.

По сравнению с прототипом способ имеет следующие преимущества. Он может использоваться в скважинах большой глубины с меньшим расходом цемента и химреагентов, без использования дополнительной колонны труб, с меньшей трудоемкостью. Процесс расхаживания контролируется с устья и может быть завершен, когда это целесообразно. Контролируемое продолжительное расхаживание позволяет более эффективно вытеснять буровой раствор.

Способ обеспечивает высокое качество крепления скважин и разобщения пластов за счет указанной выше совокупности операций.

Источники информации

1. Булатов А.И. и др. Теория и практика закачивания скважин. - М.: Недра, 1998 г., т.4, с.78-92.

2. Патент РФ №2083802, кл. Е21В 33/14, опубликован 10.07.1997 г.

Способ цементирования скважины, включающий спуск в скважину обсадной колонны, закачивание в обсадную колонну тампонажного раствора, продавку, размещение его в заколонном пространстве и оставление на время ожидания затвердения цемента, при этом при продавке столб тампонажного раствора в заколонном пространстве многократно расхаживают «вниз-вверх», для чего продавку периодически прекращают, давление над разделительной пробкой в обсадной колонне снижают, часть тампонажного раствора выпускают обратно в обсадную колонну, затем вновь продавливают в заколонное пространство, цикл расхаживания столба тампонажного раствора в заколонном пространстве повторяют многократно и завершают продавкой всего тампонажного раствора в заколонное пространство, отличающийся тем, что столб тампонажного раствора расхаживают на различную высоту, с различной скоростью, перед началом загустевания тампонажного раствора высоту и скорость расхаживания столба тампонажного раствора в заколонном пространстве снижают до минимального уровня, а продавку всего тампонажного раствора в заколонное пространство осуществляют до начала его загустевания.