Способ крепления скважины направлением в разрезе многолетнемерзлых пород с высокой льдистостью

Изобретение относится к строительству скважин и может быть использовано при оборудовании скважин направлением в многолетнемерзлых породах (ММП) с высокой льдистостью, а также в обычных породах.

Известен способ цементирования обсадной колонны газовой скважины в условиях многолетнемерзлых пород, включающий спуск обсадной колонны, оборудованной обратным клапаном типа ЦКОД (цементировочный клапан обратный дроссельный) без запорного элемента-шара, ниже зоны ММП, закачивание в обсадную колонну буферной жидкости, первой порции цементного раствора, удаление бурового раствора из заколонного пространства путем продавливания первой порции цементного раствора через башмак обсадной колонны до устья скважины, закачивание второй порции цементного раствора, контроль давления в колонном пространстве на устье скважины, оставление скважины на период ожидания затвердевания цемента (патент РФ №2342517, Е21В 33/14, опубл. 27.12.2008).

Недостатками этого способа является присутствие влияния тепла на мерзлые породы в процессе бурения и крепления скважины, также невозможность обеспечить полное замещение тампонажным раствором технологических жидкостей в заколонном пространстве, низкое качество цементирования из-за наличия корки и пленки бурового раствора на стенке скважины и на обсадной колонне.

Известен способ крепления скважины, включающий спуск обсадной колонны в скважину, закачку тампонажного раствора в обсадную колонну, продавку в заколонное пространство тампонажного раствора до появления его на устье скважины, последующую закачку вышедшего на устье из заколонного пространства тампонажного раствора обратно в обсадную колонну с созданием прямой или обратной круговой циркуляцией, контроль и регулирование на устье скважины свойств тампонажного раствора и ожидание затвердевания цемента в затрубном пространстве скважины. Круговую циркуляцию тампонажного раствора осуществляют через установленную на устье скважины осреднительную емкость. При этом тампонажный раствор в осреднительной емкости подогревают. Круговую циркуляцию тампонажного раствора ведут непрерывно до начала его загустевания, а контроль и регулирование свойств тампонажного раствора ведут во время его подогрева в осреднительной емкости (патент РФ №2083802, Е21В 33/14, опубл. 1997).

Недостатками этого способа являются: невозможность формирования сплошного и герметичного цементного кольца в заколонном пространстве по всему интервалу цементирования, значительное увеличение времени цементирования за счет прокачивания подогретого цементного раствора в режиме круговой циркуляции до начала загустевания тампонажного раствора, что приводит к растеплению стенок скважины в зоне ММП.

Известен способ оборудования скважин направлением при их строительстве в многолетнемерзлых породах, включающий бурение ствола под направление с заглублением его в устойчивые породы, теплоизоляцию направления, цементирование направления тампонажными материалами для мерзлых пород, определяют глубину залегания мерзлых пород со стабильной отрицательной температурой (патент РФ №2097530, Е21В 36/00, опубл. 27.11.1997).

Недостатками этого способа является то, что в период бурения и крепления скважины оказывается тепловое воздействие на многолетнемерзлые породы, а также невозможность обеспечить полное замещение тампонажным раствором технологических жидкостей в заколонном пространстве и невозможность обеспечения качественного сцепления цементного камня со стенкой скважины и обсадной колонной из-за наличия корки и пленки бурового раствора.

Известен способ цементирования колонны, сущность которого заключается в раздельной подаче тампонажного состава и ускоряющей добавки с последующим турбулентным смешением их в затрубном пространстве.

Техника осуществления способа производится следующим образом.

В пробуренную через толщу многолетней мерзлоты скважину спускают обсадную колонну с отверстиями в стандартном башмачном патрубке или же направляющие пробки, а также и с перфорационными отверстиями в теле обсадной колонны, причем эти отверстия приурочены к подошвенной части кавернозной области.

Внутрь обсадной колонны спускают бурильные или другие трубы с пакером, устанавливаемым ниже отверстий. Цементный раствор закачивают по трубам, а по кольцевому пространству - ускоритель сроков схватывания цементного раствора, причем поток цементного раствора поступает в затрубное пространство через башмак обсадной колонны и имеет вертикальное (аксиальное) направление снизу вверх, а поток ускорителя схватывания - радиальное, что обеспечивает смешение этих потоков в затрубном пространстве при их поперечном пересечении (И.Ю. Быков, Т.В. Бобылева. Термозащита конструкций скважин в мерзлых породах. Ухта, 2007).

Недостатками этого способа являются сложность его осуществления из-за необходимости спуска внутрь обсадной колонны бурильных труб с пакером для закачки тампонажного раствора, кроме этого, способ предусмотрен для скважины, заполненной буровым раствором, и, как следствие, при цементировании появляются негативные факторы, влияющие на качество, а именно необходимость подготовки ствола скважины к цементированию, замещения бурового раствора из заколонного пространства, устранения влияния корки и пленки бурового раствора на контактные зоны: стенки скважины - цементного камня - обсадной колонны.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в разработке способа крепления скважины направлением в разрезе многолетнемерзлых пород с высокой льдистостью, устраняющего причины возникновения оттаивания многолетнемерзлых пород в период строительства скважины, обеспечивающего полное заполнение заколонного пространства направления тампонажным раствором, создающего условия формирования сплошного герметичного цементного кольца с теплоизолирующей способностью, а также сохраняющего окружающую среду от загрязнения технологическими жидкостями в процессе бурения и крепления ствола скважины.

При осуществлении заявляемого технического решения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении качества крепления скважины и обеспечении ее эксплуатационной надежности в разрезе многолетнемерзлых пород с высокой льдистостью.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что способ крепления скважины направлением в разрезе многолетнемерзлых пород с высокой льдистостью, заключающийся в том, что бурят ствол скважины до устойчивых пород, бурение осуществляют без промывки скважины буровым раствором, спускают направление, состоящее из обсадных труб с теплоизолирующей оболочкой, направление оснащают центрирующими элементами, колонным башмаком и каналом для мониторинга температуры по всей длине направления, цементируют образовавшееся заколонное пространство тампонажным раствором, образующим при твердении теплоизоляционный камень, отличается тем, что заколонное пространство заполняют тампонажным раствором снизу вверх от забоя до устья через трубы малого диаметра, которые размещают с внешней стороны направления, одновременно с этим внутриколонное пространство заполняют незамерзающей жидкостью.

Совершенствование способа цементирования направления обеспечивается за счет изменения схемы подачи тампонажного раствора в заколонное пространство. Существующие способы цементирования скважин отличаются друг от друга методом подачи цементного (тампонажного) раствора в заколонное пространство, а также особенностями используемых для этого приспособлений. Для осуществления сплошного одноступенчатого способа цементирования обсадных колонн существует две схемы подачи тампонажного раствора в скважину:

- прямая схема, которая подразумевает закачку раствора внутрь обсадной колонны с дальнейшим его прохождением до башмака и последующим поступлением в заколонное пространство, заполняющимся снизу вверх;

- обратная схема подразумевает подачу тампонажного раствора с поверхности в заколонное пространство, при этом закачиваемая смесь перемещается сверху вниз.

Заявленное техническое решение предусматривает автономную схему подачи тампонажного раствора в заколонное пространство снизу вверх от забоя до устья по автономному каналу, в качестве которого используют трубы малого диаметра, размещенные с внешней стороны направления.

При строительстве скважин чаще всего применяется способ цементирования, осуществляемый по прямой схеме, который включает следующие этапы: закачивание в скважину последовательно буферных жидкостей, тампонажного раствора, продавочной жидкости, пуск разделительных пробок, отделяющих тампонажный раствор при его движении в колонне от других технологических жидкостей.

Предлагаемая схема подачи тампонажного раствора в затрубное пространство в сравнении с прямой схемой исключает технологические операции, связанные с использованием буферных жидкостей, продавочной жидкости и разделительных пробок, а также необходимость соблюдения гидравлических режимов цементирования. В связи с этим требуюется меньше оборудования, технических средств и материалов для цементирования.

Преимущество автономной схемы от обратной схемы подачи тампонажного раствора в заколонное пространство, в рассматриваемом варианте бурения ствола скважины без промывки, заключается в равномерном полном заполнении заколонного пространства снизу вверх от забоя до устья тампонажным раствором, без образования пустот, что при обратной схеме перемещении закачиваемой тампонажной смеси сверху вниз исключить невозможно.

В свою очередь полное заполнение заколонного пространства тампонажным раствором обеспечит формирование сплошного цементного камня во всем интервале цементирования с хорошими показателями сцепления со стенкой скважины и с поверхностью обсадной колонны.

Надежность, качество крепления скважины и экологическая безопасность достигаются за счет того, что бурение ствола скважины осуществляют без промывки и циркуляции технологических жидкостей (бурового раствора, буферных жидкостей, тампонажного раствора) при цементировании, вследствие этого не происходит растепление пород от воздействия технологических жидкостей и не требуется подготовка ствола скважины к цементированию. Направление, состоящее из теплоизолированных труб, цементируют через автономный канал - трубы малого диаметра, при этом заколонное пространство заполняют от забоя до устья тампонажным раствором. В дальнейшем скважина, обсаженная направлением, оборудуется замкнутой системой циркуляции, также исключающей попадание технологических жидкостей в окружающую среду.

На чертеже показана схема осуществления способа крепления скважины направлением в разрезе многолетнемерзлых пород с высокой льдистостью.

Для осуществления способа бурят ствол скважины до устойчивых пород.

Для формирования устойчивого ствола скважины и создания благоприятных условий для процесса цементирования бурение осуществляют «всухую» без промывки с использованием шнеков или специальных буров.

В скважину спускают направление 1 (чертеж), состоящее из обсадных труб 2 с теплоизолирующей оболочкой 3, оснащенное центрирующими элементами 4, колонным башмаком 5 и каналом для мониторинга температуры 6 по всей длине направления 1.

Цементируют образовавшееся заколонное пространство 7 тампонажным раствором, образующим при твердении теплоизоляционный камень.

Заколонное пространство 7 заполняют тампонажным раствором от забоя до устья через трубы малого диаметра 8. Трубы малого диаметра 8 используют в качестве автономного канала для равномерного полного заполнения заколонного пространства 7 тампонажным раствором. Одновременно с этим, для компенсации гидравлического равновесия направления, внутриколонное пространство 9 заполняют незамерзающей жидкостью.

Скважину оставляют на период ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ).

В период ОЗЦ направления 1 и при дальнейшем строительстве скважины по замерам температур, во всем интервале цементирования, контролируют качество цементирования обсадных колонн и устанавливают теплоизолирующую способность конструкции скважины для определения необходимости оснащения скважины дополнительными средствами теплоизоляции в период эксплуатации типа СОУ (сезонно охлаждающих установок), ТЛТ (теплоизолирующих лифтовых труб) или их сочетание.

Пример осуществления способа

В интервале расположения многолетнемерзлых пород с высокой льдистостью бурят ствол скважины диаметром 812 мм до устойчивых пород глубиной 50 м. Для формирования устойчивого ствола скважины и создания благоприятных условий для процесса цементирования бурение осуществляют всухую без промывки с использованием шнеков или специальных буров, например ковшовых.

В скважину спускают направление, состоящее из обсадных труб диаметром 426 мм с теплоизолирующей оболочкой диаметром 630 мм. Направление оснащено центрирующими элементами упругого типа для центрирования колонны и жесткого типа диаметром 760 мм для обеспечения целостности теплоизоляции обсадных труб и каналов для мониторинга и закачки тампонажного раствора. Также направление снабжено колонным башмаком диаметром 450 мм, каналом для мониторинга температуры. При спуске направления в скважину с внешней стороны направления хомутами закрепляют полиэтиленовые трубы либо насосно-компрессорные трубы диаметром до 60 мм, которые образуют автономный канал для закачивания тампонажного раствора в заколонное пространство скважины. Диаметр труб определяется размером кольцевого пространства за направлением. Цементируют образовавшееся заколонное пространство от забоя до устья через трубы малого диаметра тампонажным раствором для мерзлых пород типа ЦТРО АРМ с теплоизолирующими добавками, образующим при твердении теплоизоляционный камень. Одновременно с этим для компенсации гидравлического равновесия направления внутриколонное пространство заполняют незамерзающей жидкостью в случае консервации скважины или буровым раствором со свойствами для бурения под следующую обсадную колонну. Скважину оставляют на период ожидания затвердевания цемента. В период ОЗЦ производится мониторинг температуры от реакции гидратации и оценивается степень ее воздействия на ММП. Если значение температуры от реакции гидратации превышает допустимые значения, производится корректировка рецептуры тампонажного раствора с целью уменьшения скорости реакции при креплении следующих соседних скважин.

Контроль теплового обмена на границе от породы к скважине и от скважины к породе в разные этапы ее «жизни» позволяет повысить эксплуатационную надежность конструкции.

Реализации этого способа позволяет получить следующие преимущества по сравнению с традиционно используемой технологией крепления скважины направлением в разрезе многолетнемерзлых пород с высокой льдистостью:

- устранить причины возникновения оттаивания многолетнемерзлых пород в период строительства скважины;

- формировать устойчивый ствол скважины для создания благоприятных условий для цементирования;

- исключить операцию по замещению технологических жидкостей из заколонного пространства тампонажным раствором;

- создать условия для формирования сплошного герметичного цементного кольца с теплоизолирующей и гидроизолирующей способностью;

- определять теплоизолирующую способность конструкции скважины для оценки необходимости оснащения скважины дополнительными средствами теплоизоляции в период ее эксплуатации.

Простота технологии крепления скважины направлением в разрезе многолетнемерзлых пород с высокой льдистостью позволяет производить операции для реализации способа с мобильных буровых установок, заранее, до начала основных работ по строительству скважин, а также оптимизировать затраты по теплоизоляции на этапе строительства скважин для дальнейшей эксплуатации.