СПОСОБ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН И КОМПЛЕКТ ОСНАСТКИ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано при цементировании обсадных колонн в нефтяных и газовых скважинах в три и более ступеней.

Известен способ двухступенчатого цементирования скважин, включающий спуск обсадной колонны до заданной глубины, закачку тампонажного раствора первой ступени цементирования, пуск разделительной пробки, поэтапную закачку порций продавочной жидкости (бурового раствора), сброс самопогружающейся пробки-бомбы в обсадную колонну для открытия циркуляционных отверстий и восстановление циркуляции жидкости за колонной выше циркуляционных отверстий, вымывание из скважины тампонажного раствора, поднятого выше циркуляционных отверстий цементирования (см. авторское свидетельство СССР №1578314, МПК E21B 33/14, опубл. 15.07.90 г.).

Известный способ не исключает возможность возникновения заколонных газонефтеводопроявлений во время загустевания и схватывания тампонажного раствора, так как по мере увеличения за колонной объема и высоты столба технической воды в процессе вымыва тампонажного раствора из скважины снижается величина гидростатического давления этого столба на пласты в интервале первой ступени цементирования. При этом в случае превышения пластового давления над пороговым давлением в столбе тампонажного раствора начинается переток пластовых флюидов в скважину с образованием и развитием переточных каналов в столбе тампонажного раствора. Кроме этого, при последующем переходе с технической воды на буровой раствор (с целью предотвращения дальнейшего снижения гидростатического давления на столб тампонажного раствора первой ступени) начавшиеся процессы перетока пластовых флюидов в скважину продолжаются, так как из-за образования малопроницаемой перемычки между столбами бурового и тампонажного растворов и зависания последнего на стенках скважины и обсадной колонны рост гидростатического давления не передается сверху вниз вдоль столба начинающего загустевать и схватываться тампонажного раствора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ ступенчатого цементирования скважин, включающий закачивание в обсадную колонну тампонажного раствора первой ступени и продавливание его в скважину через башмак колонны, открытие боковых цементировочных отверстий в колонне и вымывание из скважины лишней порции тампонажного раствора закачивание в затрубное пространство через боковые цементировочные отверстия сначала технической воды в объеме, большем половины объема ее смеси с тампонажным раствором, а затем бурового раствора, цементирование второй ступени и закрытие боковых цементировочных отверстий, причем после закачивания в затрубное пространство технической воды поток жидкости на выходе из скважины дросселируют, а после окончания вымывания лишней порции тампонажного раствора закачивают в затрубное пространство через боковые цементировочные отверстия дополнительную порцию технической воды в объеме, превышающем половину объема ее смеси с буровым раствором в затрубном пространстве, при этом вначале закачки дополнительной порции технической воды дросселирование потока жидкости на устье временно прекращают до полного падения давления на устье, а после закачки дополнительной порции технической воды затрубное пространство на устье герметизируют, создают в колонне избыточное давление закачиванием в нее с устья жидкости и поддерживают это давление до окончания срока схватывания тампонажного раствора первой ступени (патент РФ №2038462, МПК E21B 33/13, опубл. 27.06.1995 г.).

Известный способ обеспечивает предотвращение заколонных газонефтеводопроявлений во время загустевания и схватывания тампонажного раствора первой ступени. Недостаток способа (независимо от количества ступеней) заключается в необходимости поддерживания избыточного давления до окончания срока схватывания тампонажного раствора первой ступени, что негативно сказывается на качестве цементного камня и его контакте с обсадной колонной. Кроме этого, в случае превышения этим давлением величины давления гидроразрыва пласта возникает большая вероятность разрушения целостности продуктивного пласта, поглощения им части тампонажного раствора из заколонного пространства и ухудшение тем самым коллекторских свойств самого пласта. Описание известного способа не содержит упоминания о закрытии боковых цементировочных окон и цементировании второй ступени. Таким образом, все описанное там относится только к первой ступени, а возможность использования изобретения на второй, третьей и т.д. ступенях цементирования не раскрыта.

Известно устройство для ступенчатого цементирования скважины, содержащее корпус с боковыми цементировочными отверстиями, кожух, расположенный снаружи корпуса и образующий с последним полость, клапанный узел, включающий седло с конической опорной поверхностью, и запорный элемент, верхнюю и нижнюю продавочные пробки, включающие стержень и эластичную манжету (патент РФ №2029066, МПК E21B 33/13, опубл. 15.07.95 г.).

Недостатками устройства являются:

- большие габариты, обусловленные тем, что клапанный узел находится внутри полости между корпусом и кожухом;

- малый условный проход для цементного раствора через устройство;

- устройство состоит из нескольких секций, и отказ в работе одной из них приведет к отказу в работе всего устройства;

- запорный элемент клапанного узла выполнен из упругодеформируемого материала, что приводит к трудностям в управлении им, большой зависимости от температуры в зоне установки устройства и не обеспечивает надлежащей герметизацией устройства после закачки цементного раствора второй ступени.

Известно устройство для ступенчатого цементирования скважины, содержащее корпус с боковыми цементированными отверстиями, кожух, расположенный снаружи корпуса и образующий с последним полость, клапанный узел, включающий седло с конической опорной поверхностью и запорный элемент, верхнюю и нижнюю продавочные пробки, включающие стержень и эластичную манжету, причем полость между корпусом и кожухом образована по всему их периметру, а запорный элемент клапанного узла выполнен в виде телескопически соединенных между собой и корпусом втулок, расположенных по периметру корпуса и упирающихся верхними торцами в пружины, а последние - в упор, установленный жестко на корпусе, нижние торцы втулок выполнены коническими под седло, при этом устройство снабжено дополнительным клапаном в виде кольцевой втулки, расположенным между кожухом и корпусом, и подвижной втулкой, установленной внутри корпуса, причем упомянутые клапан и втулка находятся выше цементировочных отверстий и соединены с корпусом срезными элементами (патент РФ №2223389, МПК E21B 33/14, опубл. 10.02.2004 г.).

Предлагаемое устройство обеспечивает высокую пропускную способность при закачке цементного раствора второй ступени и высокую надежность в работе благодаря применению клапанного узла с двойным подпружиненным кольцевым запорным элементом. При этом достигается очень высокая степень герметизации устройства. Недостаток устройства в его сложности изготовления и увеличенных по сравнению с аналогами габаритах по диаметру (толщине стенки). Двойная степень защиты требует пространства для размещения деталей. Если уменьшать внутренний диаметр изделия, то ухудшаются технические характеристики при эксплуатации. Если увеличивать наружный диаметр, то ухудшаются технические характеристики при спуске в скважину и цементировании.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому комплекту оснастки является оснастка для двухступенчатого цементирования скважины с применением инертных жидкостей и растворов, содержащая цементировочную муфту с набором пробок к ней, состоящим из нижней и верхней пробок и пробки-бомбы (см. авторское свидетельство СССР №1578314, МПК E21B 33/14, опубл. 15.07.90 г. - прототип).

Недостаток известной оснастки заключается в сложности применения инертных жидкостей и растворов для цементирования только двух ступеней в нефтяных и газовых скважинах, что бывает недостаточным в практических случаях предотвращения заколонных газонефтеводопроявлений слабых пластов.

Технический результат изобретения способа заключается в трехступенчатом цементировании с простым и оперативным предотвращением заколонных газонефтеводопроявлений слабых пластов.

Технический результат изобретения комплекта оснастки заключается в высокой эксплуатационной надежности и обеспечении гарантированной успешности проведения операции по закачке цементного раствора на трех ступенях цементирования для предотвращения заколонных газонефтеводопроявлений.

Технический результат изобретения способа достигается тем, что в способ многоступенчатого цементирования скважин, выполненный с применением комплекта оснастки, имеющего первую цементировочную муфту и набор пробок к ней, в том числе нижнюю и разделительную пробки и пробку-бомбу, и включающий спуск обсадной колонны до заданной глубины с проведением промежуточных промывок, закачку расчетного объема цементного раствора первой ступени цементирования, пуск нижней пробки, продавку нижней пробки до посадки в «Стоп-патрубок» обсадной колонны, пуск первой пробки-бомбы, выполненной с возможностью свободного падения, до посадки в нижнее седло нижней цементировочной муфты, создание в трубном пространстве избыточного давления до заданной величины для открытия технологических окон нижней цементировочной муфты, срезку излишков цементного раствора первой ступени и паузу в ожидании схватывания цементного раствора первой ступени, закачку расчетного объема цементного раствора второй ступени цементирования, пуск разделительной пробки, продавку разделительной пробки до посадки в верхнее седло первой цементировочной муфты, создание в трубном пространстве избыточного давления до заданной величины для закрытия цементировочных окон первой цементировочной муфты, введена третья ступень цементирования, для осуществления которой комплект оснастки дополнен верхней цементировочной муфтой и набором пробок к ней, включающим вторую пробку-бомбу для посадки в нижнее седло указанной муфты и верхнюю пробку, при этом после закрытия цементировочных окон первой цементировочной муфты осуществляют пуск второй пробки-бомбы до ее посадки в нижнее седло второй цементировочной муфты, создают в трубном пространстве избыточное давление до заданной величины для открытия цементировочных окон второй цементировочной муфты, производят срезку излишков цементного раствора второй ступени и делают паузу в ожидании схватывания цементного раствора второй ступени, затем производят закачку расчетного объема цементного раствора третьей ступени, осуществляют пуск верхней пробки и ее продавку до посадки в верхнее седло второй цементировочной муфты, создают в трубном пространстве избыточное давление до заданной величины для закрытия цементировочных окон второй цементировочной муфты и делают паузу в ожидании схватывания цементного раствора третьей ступени.

Предпочтительно вторую цементировочную муфту выполнить с каналом, обеспечивающим возможность свободного падения в нем нижней пробки, первой пробки-бомбы и разделительной пробки.

Целесообразно первую и вторую цементировочные муфты устанавливать в обсадной колонне на расстоянии, соответствующем расстоянию между выявленными до цементирования аномальными зонами в пласте.

Технический результат изобретения комплекта оснастки достигается тем, что в комплект оснастки для многоступенчатого цементирования скважин, включающий первую цементировочную муфту с набором пробок к ней, состоящим из нижней пробки, первой пробки-бомбы и разделительной пробки, выполненных с возможностью цементирования обсадной колонны в скважине на первой и второй ступенях, дополнительно введена вторая цементировочная муфта с набором пробок к ней, состоящим из второй пробки-бомбы и верхней пробки, выполненных с возможностью цементирования обсадной колонны в скважине на третьей ступени, причем вторая цементировочная муфта имеет канал для свободного падения в нем нижней пробки, первой пробки-бомбы и разделительной пробки.

Целесообразно выполнить диаметр проходного канала второй цементировочной муфты больше диаметра проходного канала первой цементировочной муфты.

Целесообразно выполнить максимальный наружный диаметр первой пробки-бомбы меньше максимального наружного диаметра второй пробки-бомбы.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, следовательно, предложенное решение соответствует критерию "новизна". Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена обсадная колонна с первой и второй цементировочными муфтами (в исходном положении).

На фиг. 2 изображена обсадная колонна после завершения цементирования первой ступени (нижняя пробка в седле стоп-патрубка).

На фиг. 3 представлена обсадная колонна после посадки первой пробки-бомбы и открытии цементировочных окон первой муфты.

На фиг. 4 показана обсадная колонна после завершения цементирования второй ступени и закрытии цементировочных окон первой (нижней) цементировочной муфты.

На фиг. 5 изображена обсадная колонна после посадки второй пробки-бомбы и открытии цементировочных окон второй муфты.

На фиг. 6 показана обсадная колонна после завершения цементирования третьей ступени и закрытии цементировочных окон второй (верхней) цементировочной муфты.

На фиг. 7 показана первая (нижняя) цементировочная муфта.

На фиг. 8 показана первая пробка-бомба.

На фиг. 9 показана вторая (верхняя) цементировочная муфта.

На фиг. 10 показана вторая пробка-бомба.

На фиг. 1-6 приняты следующие обозначения:

1 - первая (нижняя) цементировочная муфта;

2 - вторая (верхняя) цементировочная муфта;

3 - нижняя пробка;

4 - первая пробка-бомба;

5 - разделительная пробка;

6 - вторая пробка-бомба;

7 - верхняя пробка;

8 - цементировочные окна в первой цементировочной муфте 1;

9 - цементировочные окна во второй цементировочной муфте 1;

10 - обсадная колонна;

11 - башмак;

12 - клапан обратного действия (ЦКОД);

13 - стоп-патрубок;

14 - буровой раствор (промывочная жидкость);

15 - цементный раствор;

16 - затрубное пространство;

D₁ - диаметр проходного канала первой цементировочной муфты;

D₂ - диаметр проходного канала второй цементировочной муфты;

d₁ - максимальный наружный диаметр первой пробки-бомбы;

d₂ - максимальный наружный диаметр второй пробки-бомбы.

Для осуществления предлагаемого способа многоступенчатого цементирования скважин применяют комплект оснастки, включающий первую и вторую цементировочные муфты 1, 2 (фиг. 1) с соответствующими наборами пробок к ним. Набор пробок первой цементировочной муфты 1 состоит из нижней пробки 3, первой пробки-бомбы 4 и разделительной пробки 5 (фиг. 4), выполненных с возможностью цементировании обсадной колонны в скважине на первой и второй ступенях. Набор пробок второй цементировочной муфты 2 состоит из второй пробки-бомбы 6 и верхней пробки 7 (фиг. 6), выполненных с возможностью цементирования обсадной колонны в скважине на третьей ступени. Вторая цементировочная муфта 2 имеет канал для свободного падения в нем нижней пробки 3, первой пробки-бомбы 4 и разделительной пробки 5. Диаметр D₂ проходного канала второй цементировочной муфты 2 при этом больше диаметра D₁ проходного канала первой цементировочной муфты 1, а максимальный наружный диаметр d₁ первой пробки-бомбы 4 меньше максимального наружного диаметра второй пробки-бомбы 6. Первая и вторая цементировочные муфты 1, 2 выполнены с соответствующими цементировочными отверстиями 8, 9.

Способ многоступенчатого цементирования скважины, например в три ступени, осуществляют следующим образом. На башмаке 11 монтируется клапан 12 обратного действия (например, ЦКОД) со стоп-патрубком 13, первая (нижняя) и вторая (верхняя) цементировочные муфты 1, 2 (фиг. 1). В зависимости от геологических условий между стоп-патрубком 13 и первой (нижней) цементировочной муфтой 1, между первой (нижней) и второй (верхней) цементировочными муфтами 1, 2, а также над второй (верхней) цементировочной муфтой 2 монтируется одна или несколько обсадных труб (при необходимости). Изображения на фиг. 2-6 иллюстрируют трехступенчатую схему цементирования обсадной колонны.

На первой ступени цементирования выполняют следующие действия:

- производят спуск компоновки по стандартной технологии до заданной глубины с проведением промежуточных промывок (фиг. 1);

- закачивают расчетный объем цементного (тампонажного) раствора первой ступени и осуществляют пуск нижней пробки 2 (фиг. 2) из комплекта оснастки и ее продавку до посадки в стоп-патрубок 13;

- производят пуск первой пробки-бомбы 3, которая под собственным весом опускается до посадки в нижнее седло первой цементировочной муфты 1 (фиг. 3);

- создают в трубном пространстве избыточное давление до заданной величины, при этом открываются технологические окна 8 первой цементировочной муфты 1 и производят срезку излишков цементного раствора первой ступени;

- делают паузу в ожидании схватывания цементного раствора первой ступени.

На второй ступени цементирования выполняют следующие действия:

- производят закачку расчетного объема цементного (тампонажного) раствора второй ступени и осуществляют пуск разделительной пробки 5 из набора первой цементировочной муфты 1 и ее продавку до посадки в верхнее седло первой цементировочной муфты 1;

- создают в трубном пространстве избыточное давление до заданной величины, при этом закрываются технологические окна 8 первой цементировочной муфты 1 (фиг. 4);

- производят пуск второй пробки-бомбы 6 из набора пробок второй цементировочной муфты 2, которая под собственным весом опускается до посадки в нижнее седло второй цементировочной муфты 2;

- создают в трубном пространстве избыточное давление до заданной величины, при котором открываются цементировочные окна 9 второй цементировочной муфты 2, и производят срезку излишков цементного раствора второй ступени (фиг. 5);

- делают паузу в ожидании схватывания цементного раствора второй ступени.

На третьей ступени цементирования выполняют следующие действия;

- производят закачку расчетного объема цементного (тампонажного) раствора третьей ступени и осуществляют пуск верхней пробки 7 из набора пробок второй цементировочной муфты 2 и ее продавку до посадки в верхнее седло второй цементировочной муфты 2;

- создают в трубном пространстве избыточное давление до заданной величины, при котором закрываются цементировочные окна 9 второй цементировочной муфты 2 (фиг. 6);

- делают паузу в ожидании схватывания цементного раствора третьей ступени.

Предлагаемый комплект оснастки имеет небольшую номенклатуру однотипных муфт и пробок, различных только в размерах проходных каналов указанных муфт и максимальных наружных диаметрах первой и второй пробок-бомб. Способ трехступенчатого цементирования и комплект оснастки отличаются простотой для оперативного цементирования сложных скважин.