Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ ЗАПОЛНЕННОГО РАССОЛОМ ПОДЗЕМНОГО РЕЗЕРВУАРА, СОЗДАВАЕМОГО ЧЕРЕЗ СКВАЖИНУ В РАСТВОРИМЫХ ПОРОДАХ

Изобретение относится к испытаниям на герметичность подземных резервуаров, создаваемых в растворимых формациях подземным растворением пород через буровые скважины для хранения жидких и газообразных продуктов.

Известен способ испытания подземного резервуара на герметичность, включающий закачку в него испытательного флюида до достижения испытательного давления, выдержку под испытательным давлением с наблюдением за изменением давления на устье. О герметичности подземного резервуара судят по изменению давления в течение последних 12 ч выдержки [1].

Недостатком данного способа является лишь качественная характеристика герметичности подземного резервуара.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ испытания подземного резервуара на герметичность, включающий оборудование его обсадной и подвесной колоннами труб, закачку испытательного флюида в межтрубное пространство в интервале крепления скважины на глубину обсадной колонны труб, замер его объема, наложение испытательного давления и выдержку подземного резервуара под испытательным давлением с определением уровня границы раздела испытательный флюид-рассол посредством радиоактивного каротажа в начале и в конце испытаний при испытательном давлении (2).

Недостатком данного способа является то, что изменение уровня границы раздела испытательный флюид-рассол, замеряемого с помощью радиоактивного каротажа, происходит не только вследствие утечки испытательного флюида, но и в результате до насыщения солью рассола, находящегося в подземной выработке изменения температуры испытательного флюида и рассола, влияния конвергенции за период испытания на герметичность. Без учета этих факторов может быть дана лишь приближенная оценка герметичности подземного резервуара, создаваемого в растворимых породах.

Техническая задача заключается в разработке способа, позволяющего с высокой степенью точности определять герметичность подземного резервуара по величине утечки испытательного флюида из подземного резервуара в процессе испытаний.

В результате решения указанной задачи разработан способ, позволяющий определять утечки в подземных резервуарах от 20 л/сут для жидкостей и от 50 кг/сут для газов.

Решение указанной задачи достигается при осуществлении способа испытания подземного резервуара на герметичность, предусматривающего оборудование его обсадной и подвесной колоннами труб, закачку испытательного флюида в межтрубное пространство в интервале крепления скважины на глубину обсадной колонны труб с замером его объема, наложение испытательного давления и выдержку подземного резервуара под этим давлением с определением уровня границы раздела испытательный флюид-рассол до и после выдержки. Согласно предлагаемому способу перед наложением испытательного давления измеряют температуру, концентрацию и плотность рассола внутри подземного резервуара, общий объем подземного резервуара, затем при повышении давления рассола на устье скважины до 4-5 МПа и его снижении до атмосферного определяют коэффициенты сжимаемости подземного резервуара, в начале наложения испытательного давления и по окончании выдержки подземного резервуара под испытательным давлением измеряют температуру рассола в подвесной колонне труб в интервале от устья до забоя скважины, а по окончании выдержки подземного резервуара под испытательным давлением измеряют величину падения давления испытательного флюида на устье скважины, затем рассчитывают величины смещения уровня границы раздела испытательный флюид-рассол, вызванного изменением концентрации и температуры рассола в подземном резервуаре, температуры испытательного флюида и конвергенцией подземного резервуара в период испытаний, а его герметичность оценивают по величине утечки испытательного флюида, определяемой из выражения

где ΔG - потеря массы испытательного флюида в процессе испытаний подземного резервуара на герметичность, кг/сут;

ΔР - величина снижения давления испытательного флюида на устье скважины по окончании выдержки подземного резервуара под испытательным давлением, МПа/сут;

V - объем испытательного флюида, закачанного в подземный резервуар м³;

β - коэффициент сжимаемости испытательного флюида, МПа^-1;

F - площадь горизонтального сечения подземного резервуара на уровне границы раздела испытательный флюид-рассол, м²;

X₁ - величина изменения уровня границы раздела испытательный флюид-рассол, вызванного донасыщением рассола по окончании выдержки подземного резервуара под испытательным давлением, м/сут;

Х₂ - величина изменения уровня границы раздела испытательный флюид-рассол, вызванного увеличением температуры рассола, находящегося в подземном резервуаре по окончании выдержки его под испытательным давлением, м/сут;

Х₃ - величина изменения уровня границы раздела испытательный флюид-рассол, вызванного конвергенцией подземного резервуара по окончании выдержки его под испытательным давлением, м/сут;

Х₄ - величина изменения уровня границы раздела испытательный флюид-рассол, вызванного повышением температуры испытательного флюида по окончании выдержки подземного резервуара под испытательным давлением, м/сут;

ΔV₄ - величина изменения объема испытательного флюида при повышении его температуры по окончании выдержки подземного резервуара под испытательным давлением, м/сут;

ρ - средняя плотность испытательного флюида, кг/м³;

a′ - суммарная величина сил упругости испытательного флюида, подземного резервуара, заполненного рассолом, и сил тяжести рассола и испытательного флюида при снижении давления на устье скважины, МПа/м;

Величина изменения уровня границы раздела испытательный флюид-рассол, вызванного донасыщением рассола солью по окончании выдержки подземного резервуара под испытательным давлением (х₁), вычисляется по формуле

где ΔV₁ определяется из выражения

ΔV₁ - разность части объема подземного резервуара, заполненного рассолом, и объема рассола в нем после донасыщения солью за период последних суток испытаний на герметичность, м³/сут;

V_b - часть объема подземного резервуара, заполненная рассолом, м³;

β'_b- коэффициент сжимаемости подземного резервуара, заполненного рассолом, при снижении давления на устье скважины, МПа^-1;

C₁ - концентрация рассола в начале наложения испытательного давления, кг/м³;

ρ₁ - плотность рассола в начале испытания подземного резервуара на герметичность, кг/м³;

С₂ - концентрация рассола по окончании испытания подземного резервуара на герметичность, кг/м³;

ρ₂ - плотность рассола по окончании испытания подземного резервуара на герметичность, кг/м³;

ρ_с плотность растворимой породы, кг/м³;

Величина а определяется из выражения

где ρ_b - плотность рассола в подземном резервуаре, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

10^-6 - множитель перевода давления, МПа.

Коэффициент сжимаемости подземного резервуара, заполненного рассолом, при понижении давления на устье скважины до атмосферного (β_b), определяется по формуле:

где М - количество циклов отбора рассола из подземного резервуара, при снижении давления на устье скважины от 4-5 МПа до атмосферного, величина безразмерная;

ΔV" - объем порции рассола, отобранной из подземного резервуара при снижении давления от 4-5 МПа до атмосферного за один цикл отбора рассола, м³,

ΔР" - величина снижения давления при отборе порции рассола из подземного резервуара за один цикл отбора рассола, МПа.

Концентрация рассола в подземном резервуаре в заданный момент времени его испытания на герметичность рассчитывается, исходя из средней концентрации рассола в подземном резервуаре по следующей формуле:

где - средняя расчетная концентрация рассола в подземном резервуаре в заданный момент времени его испытания на герметичность, кг/м³;

С_H - предельная концентрация рассола в подземном резервуаре, кг/м³;

С₀ - средняя концентрация рассола в подземном резервуаре в момент прекращения подачи растворителя к породному массиву (момент окончания строительства подземного резервуара), кг/м³;

τ₁ - время испытания подземного резервуара на герметичность, ч;

- средняя измеренная концентрация рассола в подземном резервуаре, измеренная с помощью звуколокатора, кг/м³;

τ - время, прошедшее от начала испытания подземного резервуара на герметичность, при котором определена ч;

Средняя концентрация рассола в подземном резервуаре в момент прекращения подачи растворителя к породному массиву (С_о) определяется из выражения

где С_к - концентрация рассола, выдаваемого из подземного резервуара на поверхность в момент окончания его строительства, кг/м;

Величина (х₂) изменения уровня границы раздела испытательный флюид-рассол, вызванного увеличением температуры рассола, находящегося в подземном резервуаре по окончании его выдержки под испытательным давлением, определяется из выражения

где - коэффициент температурного объемного расширения рассола в подземном резервуаре, 1/К;

, - температура рассола в подземном резервуаре в начале и по окончании испытаний на герметичность, соответственно, К (определяется по термограммам, полученным в начале и конце испытаний);

а - суммарная величина сил упругости испытательного флюида, подземного резервуара, заполненного рассолом, и сил тяжести рассола и испытательного флюида при повышении давления на устье скважины, МПа/м.

Величина а определяется из выражения

где ρ_b - средняя плотность рассола в подземном резервуаре;

β_b - коэффициент сжимаемости подземного резервуара, заполненного рассолом при повышении давления на устье скважины, МПа^-1.

Величина β_b определяется по формуле

где N - количество циклов закачки рассола в подземный резервуар при повышении давления до 4-5 МПа, величина безразмерная;

ΔV¹ - объем рассола, закачанного в подземный резервуар при повышении давления за один цикл закачки, м³;

ΔP¹ - величина повышения давления в подземном резервуаре за один цикл закачки рассола, МПа.

Величина изменения уровня границы раздела испытательный флюид-рассол, вызванного конвергенцией подземного резервуара по окончании его выдержки под испытательным давлением (х₃), определяется по формуле

Величина изменения уровня границы раздела испытательный флюид-рассол, вызванного повышением температуры испытательного флюида по окончании выдержки подземного резервуара под испытательным давлением (Х₄), определяется по формуле

где α_t - коэффициент температурного объемного расширения испытательного флюида, 1/К;

Т₁, Т₂ - температура испытательного флюида в подземном резервуаре в начале и по окончании испытаний его на герметичность, соответственно, К (определяется по термограммам, полученным в начале и конце испытаний).

Рассматривая подземный резервуар, заполненный испытательным флюидом и рассолом, как сжимаемую систему, получены вышеуказанные зависимости изменения положения границы раздела испытательный флюид-рассол под воздействием следующих факторов, возникающих в процессе испытаний на герметичность:

- утечка испытательного флюида из подземного резервуара;

- донасыщение рассола растворимой породой (солью) внутри подземного резервуара;

- изменение температуры рассола в подземном резервуаре;

- конвергенция подземного резервуара;

- изменение температуры испытательного флюида.

Приведенные зависимости изменения давления испытательного флюида отражают совокупное воздействие перечисленных факторов на заполненный рассолом подземный резервуар. Установленные зависимости позволили вывести расчетную формулу для определения потерь массы испытательного флюида (ΔG) от величины падения давления на устье скважины подземного резервуара в процессе его испытания на герметичность.На чертеже, представлена принципиальная схема осуществления способа испытания на герметичность подземного резервуара 1, заполненного рассолом 2, в соответствии с которой в подземном резервуаре 1, созданном в растворимых породах 3 с кровлей 4, закрепленной обсадными колоннами 5 и 6 с пакером 7 в скважине 8, пробуренной в растворимой породе 3. Температура рассола 9 от устья до забоя скважины 8 определяется скважинным термометром ТЭГ-36 совместно с серийной каротажной станцией, а объем подземного резервуара 1 - звуколокатором (не показаны). Подземный резервуар 1 оснащен подвесной колонной труб 9 устьевым оборудованием с запорной арматурой 10, наземными металлическими резервуарами 11 и 12 для хранения рассола 2. Коэффициенты сжимаемости подземного резервуара 1, заполненного рассолом 2, определяются при повышении давления на устье скважины 8 до 4-5 МПа путем закачки цементировочным агрегатом (ЦА-320) рассола 2 из наземного резервуара 11 в подвесную колонну труб 9. Повышение давления рассола 2 до 4-5 МПа на устье скважины 8 осуществляется за несколько циклов закачки рассола 2 с записью объема закачанного рассола 2 и давления на устье скважины 8. По окончании каждого цикла закачки определяется коэффициент сжимаемости подземного резервуара 1 при снижении давления рассола 2 на устье скважины 8 от 4-5 МПа до атмосферного. Снижение давления осуществляется путем выпуска рассола 2 из подземного резервуар 1 в наземный металлический резервуар 11 за несколько циклов закачки рассола 2 с записью объема отобранного рассола 2 по окончании каждого цикла. По трубопроводу 13 в требуемом объеме испытательный флюид 14 закачивают в межтрубное пространство обсадной 6 и подвесной 9 колонн труб до уровня границы раздела 15 испытательный флюид-рассол, расположенного ниже башмака обсадной колонны труб 6 с вытеснением рассола 2 из подземного резервуара 1 в наземный резервуар 11. Увеличение давления испытательного флюида 14 на устье скважины 8 до величины испытательного давления осуществляется цементировочным агрегатом ЦА-320 закачкой насыщенного рассола, отбираемого из наземного резервуара 11 в подвесную эксплуатационную колонну труб 9, выдерживают подземный резервуар 1 под испытательным давлением в течение четырех суток с записью величины давления испытательного флюида через каждый час, замеряют температуру рассола 2 и по подвесной колонне труб 9 через лубрикатор от устья до забоя скважины 8, например скважинным термометром ТЭГ-36 совместно с серийной каротажной станцией в начале и по окончании выдержки подземного резервуара 1 под испытательным давлением.

Способ реализуется в следующей последовательности.

При сооружении подземного резервуара 1 пробуренную в растворимой породе 3 (каменной соли) скважину 8 оборудуют обсадными колоннами труб 5, 6, пакером 7, подвесной колонной труб 9 и устьевым оборудованием с запорной арматурой 10. По окончании сооружения подземного резервуара 1 часть его внутреннего пространства заполняется образовавшимся при растворении породы 3 рассолом 2. Перед определением герметичности подземного резервуара 1 в нем измеряют температуру рассола 2 от устья до забоя скважины 8 с помощью скважинного термометра ТЭГ-36 и серийной каротажной станции. Затем определяют общий объем подземного резервуара 1, концентрацию и плотность рассола 2 внутри подземного резервуара 1 с помощью звуколокатора. Устанавливают металлические наземные резервуары 11, 12, связанные соответствующими трубопроводами и запорной арматурой 10 со скважиной 8. Наземный резервуар 11 заполняют насыщенным рассолом 2, после чего из этого резервуара в подземный резервуар 1 с помощью цементировочного агрегата ЦА-320 подают насыщенный рассол 2 до установления на устье скважины 8 давления величиной 4-5 МПа и определяют коэффициенты сжимаемости (β_b) подземного резервуара 1 вначале при повышении давления, затем при понижении давления от 4-5 МПа до атмосферного путем стравливания рассола 2 из подземного резервуара 1 в наземный металлический резервуар 12. С целью определения герметичности подземного резервуара 1 по трубопроводу 13 испытательный флюид 14 закачивают в межтрубное пространство обсадной 6 и подвесной 9 колонн труб в интервале крепления скважины 8 на глубину обсадной колонны труб 6 с определением объема закачанного флюида 14. Вытесняемый рассол 2 из подземного резервуара 1 по подвесной колонне 9 направляют в наземный металлический резервуар 11. После этого при закрытой задвижке запорной арматуры 10 на трубопроводе между обсадной 6 и подвесной 9 колоннами труб из наземного металлического резервуара 11 рассол 2 цементировочным агрегатом подают под давлением в подвесную колонну труб 9 до достижения давления флюида 14 до величины испытательного. Далее с помощью скважинного термометра ТЭГ-36 и серийной каротажной станции определяют температуру рассола 2 в подвесной колонне труб 9 в интервале от устья до забоя скважины 8 в начальный момент выдержки подземного резервуара 1 под испытательным давлением и по ее окончании. Продолжительность выдержки под испытательным давлением составляет 4 суток с фиксированием испытательного давления через каждый час выдержки. По данным изменения испытательного давления определяют величину падения давления испытательного флюида 14 на устье скважины 8 за последние сутки выдержки подземного резервуара 1 под этим давлением. По полученным данным рассчитывают величины смещения уровня границы раздела испытательный флюид-рассол, вызванного изменением концентрации (x₁) и температуры (Х₂) рассола 2 в подземном резервуаре 1, температуры испытательного флюида 14 (Х₄) и конвергенцией (Х₃) подземного резервуара 1 за время проведения испытания. Герметичность подземного резервуара 1 оценивают по величине утечки испытательного флюида 14 за последние сутки испытаний (ΔG), которую рассчитывают по вышеприведенной формуле (1).

Резервуар признан герметичным, так как потеря массы испытательного флюида-дизельного топлива оказалась меньше допустимой в соответствии с СП 34-106-98, где суточная утечка допускается равной 20 л/сут [1, 2].

Подземный резервуар 1 признан негерметичным, так как суточная утечка метана 14 превысила допустимую СП 34-106-98 норму утечки, равную 50 кг/сут [1, 2].

Источники информации

1. СП 34-106-98. Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки. ОАО «Газпром».

2. SMRI №95-0001 - S. Fritz Crotogino. SMRI Reference for External Well Mechanical Integrity Testing-Rerformance, Data Evalnation and Assessment.