Способ цементирования скважин

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

< >832062

f©t

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61 ) Дополнительное к авт. сеид-.ву(22) Заявлено 12.0977 (21) 2521639/22-03 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет

Опубликовано 230581. Бюллетень М 19

Дата опубликования описания 230581 (5!)м. клз

Е 21 В 33/14

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий (53) УДК 622.245 (088.8) (72) Автор изобретения

1 с

В.С. Сапелкин т ! (71) Заявитель (54) СПОСОБ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН

Однако введение химических реагентов ухудшает физико-механические и химические свойства тампонажного раствора, требуются дополнительные меры по обеспечению стабильности свойств раствора, предотвращению взаимодействия химических реагентов с материалами труб и насосно-компрессорного

10 оборудования

Цель изобретения — повыаения качества цементирования и обеспечения воэможности управления процессом твердения тампонажной смеси.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве добавок используют плавкие материалы, размещенные в герметичных капсулах и имеющие температуру плавления в диапазоне забойной температуры, причем подачу тампонажной смеси в затрубное пространство ведут в течение времени кристаллизации добавок.

При этом используется свойство материалов .при .плавлении поглощать не25 которое количество тепла, а при твер денни отдавать в окружающее пространство ранее пОглощенное тепло. В зависимости от геотермического градиента и температуры горной породы в интервале цементиронания, могут быть использоваИзобретение относится к горнодобывающей и нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при цементировании скважин.

Известен способ цементирования скважин, заключающийся в том, что в спущенные в скважину обсадные тру.бы через цементировочную головку заканчивают цементный раствор, который вытесняет находящийся в трубах глинистых раствор, поднимается в затрубном пространстве на заданную высоту (j.

Недостатком этого способа является то, что обычно при цементировании скважин обсадные колонны полностью разгружают на забой и цементируют на весу, при этом, если колонна прихвачена, качество цементирования снижается.

Наиболее близким техническим решением является способ цементирования скважин путем подачи тампонажной: смеси с добавками в затрубное пространство.

В качестве добавок используют хиАические реагенты, ускоряющие или замедляющие процесс твердения цемента (2 ).

832062 ны материалы с температурами плавления от десятков до сотен градусов.

Например, в диапазоне температур до

100 С наиболее подходящими являются некоторые кристаллогидраты:. кристаллогидрат фосфорнокислого натрия, кристаллогидрат азотнокислого никеля (с температурой плавления около 85 ф

Также могут быть использованы следующие материалы: ТаС1 (tzÄ, =216 С, тепl лота плавления Í- 46,4 - --, NbF 10

=318 С, < Н=23 мол ), A!Ñ1> (t na о кй,ж

=304С, ЬН 43,1 -- „--), нафталин о („,. =80 С, ОН=19 —;„„-,„--), дифенил коплавкие славяно-свинцовые припои и т.п. материалы. Практически до 20

-300 ОС, т. е. до температуры в скважинах глубиной 5-7 км может быть подобрано тепло ак кумулирующее вещество или группа веществ с высокими значениями теплоты плавления, с помощью которых возможно создание равномерного температурного поля в затрубном пространстве по высоте скважины. Эффект выравнивания температурного поля достигается за счет того, что теплоаккумулирующее вещество, находящееся под оболочкой капсулы, расплавляется в нижней части скважины, поглощает при этом часть тепла.из горной породЫ и затем, при затвердении, в верхней части скважины зто поглощенное тепло выделяется в окружающее пространство т.е. в объем цементного раствора . В нижней части скважины, где более высокое значение температуры, количество капсул может быть минимальным 1или их вообще не вводят в порцию цемента для забойной части), а в верхней части скважины — максимально допустимое. Таким образом при затнерденании цементного раствора по 4 высоте скважины, в нем обеспечивается тепловыделение из капсул в результате того, что при затвердевании теплоаккумулирующего вещества из него выделяется теплота кристаллизации g0 равная теплоте плавления. Поэтому обеспечивается равномерное тепловыделение и прогрев цементного раствора по высоте цементирования, так как забойной части теплота кристаллизации минимальная, а вдоль по высоте скважины количество теплоты кристаллизации увеличйвается, так как количество капсул возрастает обратно пропорционально уменьшению температуры в скважине от забоя к поверхности. Щ Такой же эффект может быть достигнут и на счет того, что в верхней части скважины располаГаются более крупные капсулы и, следовательно, обеспечивающее большее выделение тепла, чем мелкие капсулы, расположенные в нижней части скважины. Аналогично и при размещении металлотеплопровод1ных капсул в верхней части скважины они обеспечцвают тепловыделение более длительно, чем высокотеплопроводные капсулы, размещенные. в нижней части скважины и тем самым затвердение цемента происходит при более изотермических условиях по глубине .скважины. Поэтому цементный раствор застывает более равномерно по всей глубине скважины и более одновременно. Поэтому растягивающие напряжения в колонне минимальные.

Размеры капсул выбираются в зависимости от геологических и физических характеристик ствола скважины (градиент температуры, диаметр, вязкость и плотность раствора и т.п.), а также определяются пропускной способностью насосного оборудонания и арматуры.

Например, если ствол скважины характеризуется сильными поглощениями и сложен пористыми породами, то размер капсул может быть увеличен. Практически капсулы могут иметь размеры в диапазоне 0,1-10 мм. Геометрические формы капсул могут быть различные в виде цилиндрических стержней, сфер, гранул, нитевидных волокон, порошка и т.п. Планкие ядра могут быть получены различными методами, например методами порошковой металлургии,(помолом в мельницах) или плазменной технологии (когда в струю газа подают материал где он оплавляется, капли принимают округлую форму, а затем охлаждаются и получаются Гранулы>. Покрытия на гранулы могут быть нанесены также самыми различными методами. Например, помещают гранулы н раствор электролита и гальваническим путем наносят на гранулы металлическую оболочку, оболочка в этом случае может быть полу чена из никеля, меди алюминия и других металлов . Такой процесс весьма прост и производителен. Также оболочка может быть нанесена путем осаждения на ядро материала из парогазовой фазы. Кроме того, оболочка может быть получена путем осаждения на ядро слоев н печах кипящего слоя или, например н мешалках содержащих материал оболочки н виде растнора или суспензии. Оболочка, а зависимости от материала планкога ядра, может быть выполнена иэ металлов, пластмасс, смол (например, кремнийорганических), резины и других материалов. Толщина оболочки определяется прочностью и теплопроводностью капсулы и может составлять от десятков микрон до нескольких миллиметров. В качестве примера можно рассмотреть процесс изготовления капсул содержащих в качестве материала планкого ядра ГеС1 (t =304 С). Грануля из ГеС! полу832062

Таким образом, недостаток тепла горных пород в верхней части скважины восполняется теплом отобранйым иэ забойной части скважины и транспортируелым вверх с помощью теплоаккумулирующих капсул. Для того, чтобы создать еще более изотермические условия для затвердевания цементного раствора, выравнивание температуры по высоте кольцевого пространства осуществляют путем введения капсул с геометрическими размерами, уменьшакщимися от устья к забою. Самае большие, а следовательно, и самые теплоемкие капсулы вводят в верхние интервалы, где самая низкая температура. При этом эа счет большей теплоемкости эти капсулы обеспечивают перенос тепла на большее расстояние, чем мелкие капсулы и тем салым обеспечивается более равномерный прогрев цемент ного раствора по всей высоте скважины. Также, с целью обеспечения повышенной иэотермичности по высоте в кольцевом пространстве, капсулы могут быть изготовлены иэ материалов с различной теплопроводностью и теплоаккумулирующей способностью. Так, в верхнюю часть скважины могут быть закачены капсулы с оболочкой выполненной из какого-либо теплоизоляциончают в шаровой мельнице . Затем, пос ле очистки поверхности гранул, их помещают в раствор содержащий соль, ни келя (в раствор хлористого никеля), гипофосфит натрия и уксуснокислый натрий, осуществляют процесс химического восстановления и получают покрытия из никеля на гранулах из FeClg.

Такие капсулы могут быть применены при цементировании скважин с высокой забойной температурой (310ОС и более)

На фиг. 1 изображена зацементированная скважина, продольное сечение, на. фиг. 2 — графики зависимости распределения геотермической температуры в скважине, количества капсул по высоте кольцевого пространства и тем- 15 пературы цементного раствора по высоте кольцевого пространства.

Продавочной жидкостью 1 заполняется обсадная колонка 2,. которая сни- зу ограничена цементировочной проб- 20 кой 3. В кольцевое пространство, заполненное цементным раствором, вводятся капсулы 4.

На графике (фиг. 2 ) показаны распределения геотермической темпера- gc туры 5, количества капсул б и температуры цементного раствора 7, содержащего капсулы.

Способ осуществляется следукщим образом.

Перед приготовлением тампонажной смеси, как обычно, определяют глубину скважины, забойную и устьевую статические температуры, проектную высоту подъема тампона>хного раствора, номер партии и тип цемента, удельный вес промывочной жидкости и т.п.

Забойная температура составляет

330 С. Затворяют цементную смесь, которая должна располагаться в верхней. 40 части всей высоты подъема. В эту порцию вводят капсулы, содержащие ядро из FeClg, а оболочку из никеля (или любого другого материала с температурой плавления и прочностью обеспечивающих целосность капсулы в условиях забойной температуры и давления). Количество капсул (а следовательно и количество тепла, которое поглощается ядрами капсул при их 50 плавлении на забое и выделено при их плавлении на забое и .выделено при их эатвердевании в верхней части затрубного пространства ) определяется расчетным путем по эамеренным температурам в скважине. Количество аккумулированного тепла может быть определено по формуле:

Оси к +0 пл где с - теплоемкость вещества капсу-. лы и оболочки; 60

t — забойная температура, устьев ая температура, количество тепла аккумулиройл ванное за счет скрытой теплоты плавления материалаядер 5

Исходя из гидравлических размеров в арматуре скважины, заранее выбирают размеры капсул. Например, выбирают капсулы диаметром 1 см. Опре, деляют количество теплоты которое может аккумулировать одна капсула.

Затем общее количество теплоты, необходимое для прогрева массы цементного раствора в. кольцевом пространстве, делят на количество теплоты, аккумулируемое одной капсулой и определяют количество капсул. Зная градиент температуры в направлении от забоя к устью скважины, в каждую порцию цементного раствора вводят необходимое количество капсул так, чтобы их количество от забоя к устью скважины Возрастало. Например, в порцию раствора предназначенную для цементирования самого верхнего интервала колонны, вводят гранулы из расчета 1000 шт. на пог.м, а затем ближе к забою, количество вводимых капсул все уменьшают. В забойной части порция раствора вообще может не содержать капсул. Таким образом, в верхнем интервале цементирования при эатвердевании цементирования при эатвердевании цемент-ного раствора выделяется наибольшее >количество тепла,так как там наибольра кристаллиэуются и выделяют тепло, а в нижней части скважины, где капсул нет, затвердевание цементного раствора происходит под действием тепла горных пород, то есть без дополни" тельного введения тепла в самом растворе.

832062

urm

Составитель Е. Молчанова

Редактор A. Шандор Техред М. Рейвес КорректорМ. Шароши

Заказ 3026/20 Тираж 627 Подписное.ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 ного материала, например из температуростойкой пластмассы. A в ниж, них частях кольцевого пространства

1 могут быть закачены капсулы с оболочкой иэ материалов с высокой теплопроводностью, например из алюминия или меди. В этом случае операция цементирования может быть осуществлена с выдержкой первых порций цементного раствора, содержащих теплоизолированные капсулы, на забое в течение времени необходимом для прогрева этих капсул и расплавления их ядер.

Затем осуществляют быструю прокачку первых. порций так, чтобы теплота поглощенная ядрами на забое транспортировалась при жидком состоянии ядер, 15 а кристаллизация их происходила после прокачки всей массы раствора ..в кольцевое пространство. При этом обеспечивается равномерный по высоте кольцевого пространства погрев Щ всего столба цементного раствора.

Формула изобретения

Способ цементирования скважин, путем подачи тампонажной смеси с добавнами в затрубное пространство, о т

1 л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения качества цементирования и обеспечения возможности управления процессом твердения тампонажной смеси, в качестве добавок используют плавкие материалы, размещенные в герметичных капсулах и имеющие температуру плавления в диапазоне забойной температуры, причем подачу тампонажной смеси в затрубное пространство ведут в течение времени кристаллизации добавок.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Мицевич A.È. Справочник инженера по бурению. М., "Недра", 1973, т. 1, с. 395.

2. Каморин В.М. Зависимость качества и успешности цементирования тампонажной суспензии. "Нефтяное хозяйство", 1967, 9 6, с. 28-32.