Способ крепления скважин

 

Использование: при креплении скважин большого диаметра Упрощает технологический процесс и повышает надежность за счет саморегулирования давления в гидравлической системе цементировочный став - обсадная колонна. Осуществляют спуск обсадной колонны в скважину, спуск в обсадную колонну цементировочного става, герметизацию затрубного пространства и цементирование путем закачки тампонажной смеси и продавочной жидкости. В начальный период цементирования создают гидравлическую связь цементировочный став - обсадная колонна - затрубное пространство , при этом в цементировочном ставе используют продавочную жидкость с большим удельным весом, чем промывочной , и меньшим, чем средний удельный вес жидкости и тампонэжной смеси за обсадной колонной. 4 ил. (Л

СОВЕТСКИХ сОцидлистических

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 21 В 33/13

ГОСУДЛРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Г 170 3;2

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4735771/03 (22) 08.09.89 (46) 07.07.92. Бюл. N. 25 (71)-Всесоюзный научно-исследовательский и .проектно-конструкторский институт по. осушению месторождений полезных ископаемых, специальным горным работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу (72) В. П. Петриченко и М. Л, Баев (53) 622.245(088.8) (56) Завацкий M. А. Крепление нефтяных скважин, Азнефтеиздат, 1948, с. 168-174.

Luhiz R. Hobtoavoid cosing collapce

during inner string cementing. Drilling, 1987,, Vol, 48. Nz-Р, 30-33, (54) СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН (57) Использование: при креплении скважин большого диаметра. Упрощает технологичеИзобретение относится к горному делу, в частности к креплению скважин большого диаметра, и может быть использовано в нефтяной промышленности, геологоразведочных, строительных работах.

Известен способ крепления скважин (Завацкий М. А. Крепление нефтяных скважин. Азнефтеиэдат. 1948, с. 168 †1), согласно которому в скважину опускают обсадную колонну, затем в нее опускают став труб, герметизируют межтрубное пространство,. эакачивают через внутренний став труб тампонажную смесь за обсадную колонну, затем иэ внутреннего става труб вытесняют тампонажную смесь закачкой продавочной жидкости, которой заполнена скважина, При наличии обратного клапана

„„HJ„„1 745885 А1 ский процесс и повышает надежность за счет саморегулирования давления в гидравлической системе цементировочныи став— обсадная колонна; Осуществляют спуск обсадной колонны в скважину, спуск в обсадную колонну цементировочного става, герметизацию затрубного пространства и цементирование путем закачки тампонажной смеси и продавочной жидкости. В начальный период цементирования создают гидравлическую связь цементировочный став — обсадная колонна — затрубное пространство, при этом в цементировочном ставе используют продавочную жидкость с большим удельным весом, чем промывочной, и меньшим, чем средний удельный вес. жидкости и тампонажной смеси за обсадной колонной. 4 ил, в нижней части обсадной колонны гидравлическая связь с затрубным пространством прерывается и обсадная колонна испытывает разность гидростатических давлений столбов жидкости за колонной и внутри нее.

Она может прерываться и при отсутствии такого клапана. При схватывании тампонажной смеси за обсадной колонной гидравлическая связь между внутренней полостью обсадной колонны и затрубным пространством (за обсадной колонной) прерывается вследствие ряда проходящих процессов. Причем эта связь прерывается при схватившейся в нижней части обсадной колонны тампонажной.смеси и находящейся в текучем состоянии выше. При этом давление внутри обсадной колонны падает до

1745885

25

55 гидростатического давления столба жидкости, заполняющей ее. Давление за обсадной колонной равной давлению столбов жидкостей, заполняющих затрубное пространство. Оно всегда больше внутреннего давления в колонне. Разность этих давле. ний воспринимает обсадная колонна.

Недостатком этого способа является то, чта он имеет ограниченное применение. Он приемлем для крепления. скважин трубами, которые могут воспринимать разность давлений за колонной и внутри нее.

Обсадные колонны скважин большого диаметра рассчитаны на низкие допустимые внешние давления, и такой способ в тех случаях, когда зта разность превышает допустимое внешнее давление на трубы, неприемлем.

Известен способ предупреждения смятия обсадной колонны при цементировании через бурильную колонну (см. Lubiz R, Hobtoavoid cosing coIlapce during inner

string cementing, Drilling, 1987, Vol. 48, ¹ Z-, P, 30-33), принятый за прототип, сущность которого заключается в следующем. В сква>кине опускают обсадную колонну и внутрь ее —. став труб для закачки тампонажной смеси, Кольцевое пространство между обсадной колонной и внутренним ставом труб изолируют при помощи пакера. В это пространстве создают давление, при котором трубы испытывают нулевое или допустимое положительное или отрицательное внешнее. давление весь период твердения тампанажной смеси за обсадной колонной до потери смесью. текучести и исчезания гидростатического давления за обсадной колонной.

Недостатком этого способа является сложность технологической оснастки (пакеров) и самого процесса поддержания заданного расчетного давления в межтрубном пространстве в течение нескольких (одних, двух) суток. При этом используется специальная техника и производственный персонал для поддержания и контроля процесса.

Целью изобретения является упрощение технологического процесса и повышение его надежности за счет саморегулирования давления в гидравлической системе цементировочный став — обсадная колонна.

Эта цель достигается тем, что в известном способе крепления скважин, включающем спуск обсадной колонны в скважину, спуск в обсадную колонну става цементироеочных труб, герметизацию кольцевого межтрубного пространства на устье, закачку тампонажной смеси и продавочной жидкости через цементировочный став, в начальный период цементирования соабщают полости цементировочного става, межтрубного и затрубного пространства, а в качестве прадавочной жидкости закачивают жидкость с удельным весом, определяемым по зависимости р ht + aп ч -др3 : g +, +ь ) п ь +ь + р где ур, уц, ул — удельные веса соответственно промывочной жидкости, заполняющей скважину, тампонажной смеси и продавочной жидкости; ht, h — соответственно высота столбов промывочной жидкости, заполняющей скважину и тампонажной смеси за обсадной колонной: Рд — допустимое внешнее давление на обсадную колонну, Физический смысл технологического. процесса заключается е том, что в зависимости от величины удельного веса жидкости в стеве цементировочных труб внутри обсадной колонны будет создаваться избыточное давление по всей длине колонны, не зависящее от наличия связи между внутренней полостью обсадной колонны и затрубным пространством, т.е, будет происходить саморегулирование давления в гидравлической системе цементировочный став — обсадная колонна.

Поскольку в источниках информации не обнаружена совокупность признаков, отличающая предложенное техническое решение от прототипа, то предлагаемый способ крепления скважин удовлетворяет критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 изображена скважина в процессе реализации предлагаемого способа, вертикальный разрез (фаза спуска в скважину обсадной колонны и цементировочного става); на фиг, 2 — то же, фаза закачки тампанажной смеси через цементировочный став; на фиг, 3 — та же, фаза окончания продавки тампонажной смеси из цементировочного става эа обсадную колонну; на фиг. 4 — график, показывающий действие гидростатических давлений е скважине при разрыве гидравлической связи внутренней полости колонны с затрубным пространством:

АО1 — линия. соответствующая внешнему давлению на обсадную. колонну промывочной жидкости, заполняющей скважину и тампонажной смеси за обсадной колонной;

Б 01 — линия, соответствующая давле1 нию в обсадной колонне за счет столба жидкости, заполняющей скважину;

EOt — линия, соответствующая давлению столба продавочной жидкости;

1745885

ББ1 — линия, соответствующая дополнительному внутреннему давлению в обсадной колонне;

6101 — сечение линий давлений на устье скважины; 5

- БА — то же, на забое скважины.

Сущность способа крепления скважин заключается в следующем.

В скважину 1 (фиг. 1), заполненную жидкостью 2 с удельным весом ур опускают 10 обсадную колонну 3 и став цементировочных труб 4, Межтрубное пространство герметизирует, например, цементировочной головкой 5 с сальником для цементировочного става труб. 15

Через став труб 4 (фиг. 2) в затрубное пространство закачивают тампонажную . смесь б с удельным весом уц, которая заполняет затрубное пространство на высоту

h в конце продавки (стрелки на чертеже по- 20 казывают направление закачивания.смеси).

После чего в став цементировочных труб закачивают продавочную жидкость 7 (фиг, 3) с удельным весом 1, которая вытесняет иэ него тампонажную смесь (стрелка показывает направление движения продавочной жидкости). За обсадной колонной на высоте

h1 остается столб промывочной жидкости с ,удельным весом ур. На этом технологический процесс закачки жидкостей закончен и система остается е покое до полного схватывания тампона>кной смеси за колонной.

При этом полости цементировочного става межтрубного и затрубного пространств сообщаются, 35

В случае прекращения гидравлической связи внутренней полости колонны с затрубным пространством вступает во взаимодействие система цементироеочный став — обсадная колонна. В ней создается допол- 40 нительное внутреннее давление, обусловленное разностью удельных весов продавочной жидкости и промывочной жидкости в обсадной колонне, как в сообщающихся сосудах. Происходящее при этом 45 распределение давлений поясняет график, приведенный на фиг. 4.

Величину удельного веса продавочной жидкости определяют исходя иэ следующего.

Гидрастатическое давление жидкостей 50 (линия АО1 на графике, фиг. 4) эа обсадной колонной е конце цементирования определяется выражением

РЬ = yp h1 + Уц h

Гидростатическое давление столба жидкости внутри обсадной колонны Рв (линия Б 01 натрафике) определяется еыражеI нием

Р. = y, (h1 + Ь) .

Избыточное внешнее давление Р«, которое будет воспринимать обсадная колонна в случае разрыва гидравлической связи внутренней полости с затрубным пространством, составит

Ри =Рн Рв =yp "1+ "г цh— —,y,(hi + h) =(y« — yp) h.

Превышение избыточного внешнего давления на обсадную колонну над допустимым Pg составит

Л Р« = (y« — yp ) Ь вЂ” Pg

Для предотвращения смятия обсадной колонны внешним гидростатическим давлением Л Р«должно быть компенсировано созданием дополнительного внутреннего давления Л Рв к давлению Рв, выраженного на графике фиг. 4 отрезком Б-Б .

Так как две полости — внутренняя обсадной колонны и внутренняя цементировочнаго става, гидравлически связаны в нижней части, а межтрубье в верхней части изолировано, то столб жидкости в цементировочном ставе с удельным весом уц ) yp будет, создавать внутреннее дополнительное давление Л Рв в обсадной колонне по всей . длине ее.

Гидростатическое давление столба продавочной жидкости Рп. которому соответствует линия БО1 на графике. в. цементировочном ставе определяется выражением

Рл = yn (h1 + h) .

Так как в момент окончания продавки тампонажной смеси внутренняя полость цементировочного става и затрубное пространство обсадной колонны между собой связаны и чтобы не происходило выталкивания тампонажной смеси из затрубного пространства столбом продавочной жидкости, необходима, чтобы Рл было меньше Рн, т.е, Ул(hl + h) <Ур п1+Уц h откУДа

y ni+y, и

h1+h

1745885

= 1,56 10" Н/мз — 1 10

y„(h1 + h) y> (h1+ h) > (уц ур) h Рд "0

00 + 300

25 Рн =1,2 10 200+1.83 10 300=

=78 10 Па

Превышение избыточного давления над

40 допустимым

Приняв оп=1,5 10 Нlм, получают до4 3

45 полнительное внутреннее давление в обсадной колонне

Рп-Рв=1,5 10 . (200+300)-6 10 =1,5 10. Па, 50 т.е, при превышении внешнего давления на колонну над критическим в 0,8 106 Па столб продавочной жидкости в цементировочном стане будет создавать противодавление внутри обсадной колонны 1,5 10 Па и колонна будет испытывать внешнее давление

Рик.

h1+ h

200 + 300

Внутреннее дополнительное давление в колонне h PB, создаваемое столбом продавочной жидкости, определяется на графике ББ =-01Б1 и выражается формулой

A Ре = г и (11 + h) ) р (h1 + h) Оно должно быть больше АРи, т.е

Таким образом получаем, что удельный вес и родавочной жидкости должен удовлетворять условию ур h1 +yu h Щ1 — ур) Ь Р9

+ ) п + +) р

Пример, При сооружении технологической скважины глубиной 700 м с конечным дИаметром обсадной колонны 426 мм предусматривают крепление ее промежуточной. колонной диаметром 530 мм при глубине спуска до 500 м, Требуемая высота подъема тампонажной смеси за колонной

300 м и более, Толщина стенки труб по требованиям технологии бурения удовлетворяет 7-8 мм. При цент рировании тако.й колонны по технологии. описанной в прототипе, возможно действие избыточного внешнегодавления на нее вышедопустимого. Для предотвращения этого применяют трубы с.толщиной стенки 12 мм повышенного качества: Это увеличивает расход металла и стоимость крепления скважины, При использовании предлагаемого способа могут быть применены трубы с уменьшенной толщиной стенки, что подтверждается следующими расчетами, Принимают условие.

Удельный вес промывочной жидкости (глинистый раствор) в скважине 1 р=1,2 10

H/м, удельный вес тампонажной смеси (церлентный раствор) бац=1,83 10 Н/м . Высота подъема тампонажной смеси за трубами при длине колонны 500 м 300 м (h1=200 м, h==300 м). Трубы с толщиной степени 8 мм с допустимым. давлением Ря=-1 10 Па. Опреб деляют удельный вес продавочной жидкости (утяжеленный глинистый раствор) y„.

1,2 10 200 + 1,83 104 300

+12 10 =1.38 10 H/M

Принимают уп =1,5 10 Нlм

1,56 10" ) 1,5 . 10" > 1,38 104

При этом внешнее давление на обсадную колонну (у забоя) Внутреннее давление столба раствора в колонне

Ре = 1.2 10 (200 + ЗОО) = 6 106 Па

Избыточное внешнее давление

Pu=P -Рв=7.8 10 -6 10 =1.8 10 fla

Л Ро=1,8 10 -1 10 =0,3 10 Па

Рик=Рн — Рп — Рв=1,8 10 — 1.5 10 =0,3 10 Па.

1745885

Формула изобретения

Способ крепления скважин, включающий спуск обсадной колонны в скважину, спуск в обсадную колонну става цементировочных труб, герметизацию затрубного про- 5 странства на устье, закачку тампонажной смеси и продавочной жидкости через цементирЬвочный став, отличающийся тем, .что, с целью упрощения технологического процесса и повышения его надежно- 10 сти за счет саморегулирования давления в гидравлической системе цементировочный став — обсадная колонна, в начальный период цементирования сообщают полости цементировочного става, межтрубного и 15 затрубного пространства, а в качестве продавочной жидкости закачивают жидкость с удельным весом, определяемым по зависимости

У, 1+У, и (yu yp) Ь вЂ” Р, h +h h>+h где р, уц . у — удельные веса соответственно промывочной жидкости, заполняющей скважины, тампонажной смеси и

3. продавочной жидкОсти, н/м;

h> и h — соответственно высота, м; столбов промывочной жидкости, заполняющей скважину и тампонажной смеси за обсадной кОлОнкОй;

Рв — допустимое внешнее давление на обсадную колонну, МПа.

ОМа

Составитель B,Ïåòðè÷åíêo

Редактор С.Патрушева Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Л.Лукач

Заказ 2371 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101