Вид РИД
Изобретение
Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, а более конкретно к области цементирования обсадных колонн.
В применяемом в настоящее время способе цементирования обсадных колонн используется технологические процессы закачки тампонажного раствора (облегченный цементный раствор, цементный раствор) внутрь обсадной колонны и продавка - замещение бурового раствора из кольцевого пространства скважины тампонажным раствором (далее в тексте цементный раствор).
Применяемый способ не обеспечивает выполнение требуемого качественного сцепления цементного камня со стенкой скважины и обсадной колонны, полного заполнения кольцевого пространства цементным раствором.
Это происходит вследствие того, что в процессе закачки тампонажного раствора возникает отрицательное давление - в условиях создаваемого вакуума в обсадной колонне. Отрицательное давление возникает вследствие того, что плотность цементного раствора в колонне превышает величину плотности бурового раствора в кольцевом пространстве скважины, таким образом, создается гидростатический перепад давления, происходит уменьшение давления в Рца до нуля и ниже - и как следствие разрыв сплошности струи потока, отрыв части столба цементного раствора от общего потока и его ускоренное течение в кольцевое пространство скважины (см. книгу Р.И. Щишенко «Гидравлика глинистых растворов», Азнефтьиздат, 1951, С. 123-127) [1].
Возникающее вакуумное пространство заполняется парами, водой, легкой фракцией от частей потока цементного раствора и это структурно несвязанная масса жидкости поступает в кольцевое пространство скважины, оказывая отрицательное влияние на формирование цементного камня, на качество цементирования скважины. Решению этой важной научно-технической проблемы посвящено значительное количество исследований, разработок.
Известна формула для определения давления Рца в гидравлической системе скважины при закачке цементного раствора (см.: «Справочник по бурению» т. 1, под ред. В.И. Мищевича, Н.А. Сидорова, М: Недра, 1973, С 485) [2], (см.: Е.М. Соловьев.
Закачивание скважин. М: Недра, 1979, С. 254) [3], представляемая в виде:
где Рг/до/к, Рг/дк/п, Рг/сто/к, Рг/стк/п - гидродинамическое и гидростатическое давление (Па, МПа) в обсадной колонне, кольцевом пространстве скважины.
Однако, авторы [1], [2], [3] ограничивались выявлением факта падения давления при закачке до минимального значения, не дают оценки влияния данного факта на качество цементирования, отсутствует решение задачи управления процессом цементирования с предотвращением разрыва струи потока цементного раствора.
Целью настоящего изобретения является повышение качества цементирования обсадных колонн, проведения процесса закачки цементного раствора при положительном давлении в циркуляционной системе скважины, исключение возможности возникновения вакуума и разрыва струи цементного раствора.
Поставленная цель достигается тем, что в зависимости от горногеологических условий скважины, процесс закачки тампонажного (цементного) раствора внутрь колонны производится при подаче (расходе) ∑Qца превышающей величину критической подачи Qкр, при которой возникает вакуум; и путем применения специального устройства - дросселя, устанавливаемого над башмаком обсадной колонны, в котором создается гидродинамическое давление Рдрг/д, направленное на уменьшение величины гидростатического давления столба цементного раствора в колонне Рг/сто/к. В изобретении представлены оба варианта решения проблемы повышения качества цементирования обсадных колонн нефтегазовых скважин, в которых обеспечивается условие предупреждения возникновения вакуума. На основе формулы (1) условие предупреждения возникновения вакуума представляется в виде:
где Рца - давление в гидравлической системе скважины в процессе закачки тампонажного раствора в обсадную колонну (МПа, кг/см2).
Расчетные формулы для определения давления в системе (см. "Инструкция по составлению гидравлической программы скважины" РД39-0147009-516-86, С. 17) следующие:
Формула для определения Рг/ддр представлена в примере 2.
где ρжо/к, ρжк/п - плотность тампонажного (цементного) раствора в обсадной колонне, плотность бурового раствора в затрубном пространстве скважины, кг/м3 (г/см3);
Н (м) - глубина спуска обсадной колонны по вертикали;
L (м) - глубина спуска колонны по длине ствола наклонной скважины;
dскв, dо/к, dвн/ок (мм, м) - соответственно диаметры - скважины, наружный, внутренний обсадной трубы;
0,024, 0,04 - коэффициенты сопротивления движения жидкости в обсадной трубе, в затрубном пространстве скважины;
g - ускорение силы тяжести (9,8 Н/кг) в системе "СИ".
Анализ формул 1,2,3 показывает, что при цементировании обсадных колонн в конкретных горно-геологических и технолого-технологических условиях Рг/схо/к, Рг/стк/п являются постоянными величинами. Управляемыми факторами в процессе являются Рг/до/к, Рг/дк/п и Рг/ддр. Путем регулирования величинами параметров входящие в формулы Рг/д обеспечивается достижение условия предупреждения возникновения вакуума. Решение задачи представлено на примерах 1, 2.
Пример 1. Исходные данные: скважина вертикальная Н=3200 м, диаметр эксплуатационной колонны dэк=168, 3 мм (0, 1683 м),
высота подъема цементного раствора за колонной hцр=2740 м (включая высоту подъема облегченного цементного раствора hоцр=2484 м),
плотность ρоцр=1450 кг/м3,
высота подъема цементного раствора hцр=256 м,
плотность ρцр=1890 кг/м3,
объем кольцевого пространства скважины Wк/п=63,48 м3,
внутренний диаметр эксплуатационной колонны dвн/эк=0,1471 м,
буферная жидкость не используется,
диаметр ствола скважины с учетом уширений dскв=0,2315 м (диаметр долота dд=0,2159 м)
высота столба тампонажного раствора внутри колонны hт/ро/к состоит из столба облегченного цементного раствора hоцро/к=2900 м,
столб цементного раствора hцро/к=300 м,
плотность бурового раствора ρб/р=1250 кг/м3,
внутренний объем колонны Wо/к=54,35 м3.
градиент давления гидроразрыва пласта на глубине Н=3200 м: Г г/р=0,018 МПа/м (0,18 кг/см2м)
Рассматривается заключительный этап закачки цементного раствора в колонну, когда внутри колонны снизу вверх hоцр=2900 м; hцр=300 м. Средняя плотность тампонажного раствора в колонне ρср/жо/к)=1491 кг/м3 (1,491 г/см3)
Рг/до/к=0,024⋅1,491⋅103⋅3,2⋅103Q2кp/0,14715=0,114509⋅106Q2кp/6,887528⋅10-5=1662,55⋅106Q2кр(Па)=1662,55⋅Q2кp (МПа)
Рг/дк/п=0,04⋅1,250⋅103⋅3,2⋅103Q2кp/(0,2315-0,1683)3(0,2315+0,1683)2=0,16⋅106Q2кp/4,0348⋅10-5=3966,59⋅106Q2кp(Па)=3966,59⋅Q2кp (МПа)
ΔРг/ст=(1,491-1,250)⋅103⋅9,8⋅3,2⋅103=7,558⋅106 (Па)
Рг/сто/к=46,758⋅106 (Па)
Рг/стк/п=39,2⋅106 (Па)
∑Рг/д=(1662,55+3966,59)⋅106Q2кp=5629,14⋅106Q2кp (Па)
7,558=(3966,59+1662,55)⋅Q2кp=5629,14Q2кp
Q2кp=7,558/5629,14=1,3426⋅10-3
Qкp=0,0366 (м3/c)=36,6 (л/с)
Полученное значение Qкp для принятых условий расчета является предельной величиной, обеспечивающей проведение цементирования эксплуатационной колонны без возникновения вакуума. Результаты расчета Qкp при различных значениях столба тампонажного раствора в обсадной колонне представлены в таблице 1, на рис. 1.
На основе полученного значения Qкp=0,0366 м3/с (соответствующее максимальному значению Qкpмах) определяется:
- условие предупреждения гидроразрыва пласта Рг/рк/п на проектной глубине скважины Н=3200 м с учетом коэффициента безопасности гидроразрыва равного Кб=1,10
Кб/факт=Рг/рк/п/∑Рплк/п=Кб/Н,
Рг/рк/п=Ггр⋅Н=0,018⋅3200=57,6 МПа; где Ггр=0,018 МПа/м (градиент гидроразрыва пласта)
Рг/стк/п=39,2 Мпа.
Рг/дк/п=3966,59⋅106⋅0,03662=5,319⋅106⋅Па=5,313 МПа
∑Pплк/п=39,2+5,313=44,51 Мпа.
Расчетная величина коэффициента безопасности равна:
Кб/факт=57,6/44,51=1,29
Требуемое условие выполняется: Кб/факт=1,29>Кб/Н=1,10.
- Скорость восходящего потока бурового раствора в кольцевом пространстве скважины Vб/рк/п в процессе закачки тампонажного раствора внутрь обсадной колонны.
Vб/рк/п=Qкp/Fкп=0,0366/0,0198=1,85 м/с; площадь сечения кольцевого пространства скважины Fкп=0,785(0,23152-0,16832)=0,0198 м2
При этом значении Vб/рк/п обеспечивается турбулентный режим течения (проектное значение Vпрк/п 1,5 м/с), что требуется для очистки кольцевого пространства перед поступлением цементного раствора.
По данным табл. 1, рис. 1 представляется возможность определить момент времени «tв» возникновения вакуума по формуле:
tв=Wо/к/Qкp…,
где Wо/к - объем обсадной колонны при расчетной величине столба цементного раствора в колонне, м3.
Wо/к=0,785⋅d2вн/ок⋅hцао/к
Например, при hцао/к=1000 м, Qкp=0,0239 м3/с; Wo/к=0,785⋅0,14712⋅1600=21,18 м3
Расчетное tв=21,98/0,0239=1137 с=18,95 мин.
Фактическое время предупреждения возникновения вакуума tcp≤tв является временем перехода на продолжение процесса закачки при увеличенном значении ∑Qца, в данном примере на Qца=0,0303 м3/с (30,3 л/с), (см. табл. 1).
Пример 2. Расчет величины Qкp при использовании в составе компоновки низа обсадной колонны дросселя с насадкой. Исходные данные приведены в Примере 1.
Расчетная формула для определения давления Рг/ддр создаваемого в дросселе имеет вид:
Где: μ=0,9 - коэффициент гидравлического сопротивления насадки 2μ2=1,62;
ρцр=1491 кг/м3
ƒ - площадь сечения насадки, м2.
Примем dдр=0,03 м (30 мм); ƒдр=0,785⋅0,032=7,065⋅10-4 м2
ƒ2=4,991⋅10-7 (м4)
Рг/ддр=1,491⋅Qкp2⋅107/1,62⋅4,991=1844,15⋅106Qкp2 (Па)
Суммарное гидродинамическое давление в системе составит:
∑Pг/д=(5629,14+1844,15)⋅106Qкp=7473,29⋅106Qкp2
Из условия ΔРг/ст≤∑Pг/д, имеем:
7,558⋅106=7473,29⋅106Qкp2
откуда QKp2=7,558/7473,29=1,01⋅10-3; QKp=0,0318 м3/с=31,8 л/с
численное значение давления в дросселе равно:
Рг/ддр=1844,15⋅106⋅1,01⋅10-3=1,86 (Па)=18,6 кг/см3
По данным табл. 2 задаваясь величиной Рг/ддр и dдр определяется режим закачки цементного раствора Qца при использовании которого обеспечивается предупреждение возникновения вакуума.
Результаты расчета Qца≥Qкp при различных значениях диаметра насадки дросселя и гидродинамического давления в дросселе представлены в таблице 2.
На рисунке 2 представлен общий вид внутренней технологической оснастки обсадной колонны при цементировании, включающий 1 - башмак обсадной колонны, с направляющей пробкой - 2; 3 - переводник, к ниппельному концу которого присоединяется 4 - дроссель с насадкой - 5. На переводник (3) устанавливается обсадная труба - 6 длиной 12, 0; 24, 0 м (одна, две трубы), в муфту - 7 ввинчивается дифференциальный обратный клапан - 8. Обратный клапан включает элементы запорного устройства - ограничитель - 9, шар - 10, дроссель -11, резиновую диафрагму - 12. В муфту обратного клапана (8) вставляется упорное кольцо (стоп-кольцо) - 13. Дроссель (11) создает ограниченное гидравлическое сопротивление поступлению промывочной жидкости из скважины внутри обсадной колонны (см.: Е.М. Соловьев. Закачивание скважины, М.: Недра, 1979. С. 179).
Варианты применения предлагаемого способа цементирования могут быть как отдельно, так и совместно, в зависимости от конкретных условий скважины. Например, при возникновении риска гидроразрыва пласта, применение дросселя обеспечит, за счет уменьшения количества закачиваемого тампонажного раствора, уменьшение давления на пласт в заколонном пространстве скважины, при одновременном увеличении противодавления внутри обсадной колонны, тем самым обеспечив предупреждение возникновения вакуума.
Предлагаемый способ цементирования обсадной колонны предусматривает его использование на практике в широком диапазоне изменения горногеологических условий скважины.
Использование предлагаемого изобретения в практике строительства нефтегазовых скважин повысит качество цементирования обсадных колонн, обеспечит большой экономический эффект.
Способ цементирования обсадной колонны нефтегазовой скважины, включающий закачку тампонажного раствора внутрь обсадной колонны и его продавку в затрубное пространство скважины, отличающийся тем, что цементирование обеспечивают в различных геологических условиях и при расходе тампонажного раствора, ограниченном давлением гидроразрыва пласта, при этом закачку тампонажного раствора внутрь обсадной колонны проводят при расходе, превышающем величину критического расхода, при котором возникает вакуум в разрыве струи тампонажного раствора, в условиях возможного поглощения раствора в пласт над башмаком обсадной колонны устанавливают дроссель с насадкой заданного сечения, с помощью которого создают при расчетном расходе тампонажного раствора необходимое гидродинамическое давление, направленное на уменьшение величины гидростатического давления столба тампонажного раствора в обсадной колонне.