Способ крепления стенок скважин

 

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, к способам крепления неустойчивых стенок скважин и может быть использовано при бурении нефтяных и газовых скважин. Способ крепления стенок скважин включает закачку в скважину крепящего раствора коагулирующего реагента и источника коагулирующих ионов, причем в качестве коагулирующего реагента используют латекс, а в качестве источника коагулирующих ионов - раствор хлорида натрия в концентрации 1,0-2,5 мас. %, при этом компоненты берут в соотношении 1:0,5- 1:3,5 соответственно, а перед и после крепящего раствора в скважину подают пресную воду. Технический результат - сохранение высокой проникающей способности крепящего раствора в течение длительного времени, образование прочного коагулюма в поровом пространстве пласта приствольной зоны скважины. 6 табл.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к бурению скважин в неустойчивых отложениях, и может быть использовано для упрочения разбуриваемых пород.

Известен тампонажный раствор для изоляции зон поглощения, включающий синтетический малоконцентрированный латекс, водный раствор КМЦ, наполнитель и коагулянт, в качестве которого используется концентрированный раствор сильного электролита [1].

Недостатком данного изобретения является мгновенная коагуляция латекса концентрированным водным раствором сильного электролита еще на поверхности. При этом образующийся коагулюм превращается в инертный наполнитель, не обеспечивая крепления стенок скважины.

Наиболее близким к заявляемому по назначению и совокупности существенных признаков является способ крепления стенок скважин в процессе бурения путем закачки в скважину раствора коагулирующего реагента и регулятора коагулирующих ионов, одноименных иону пластовой воды, с их концентрацией на 10-30% меньше порога коагуляции реагента [2].

В известном изобретении указанный интервал концентрации ввода коагулирующих ионов обусловлен скоростью коагуляции, зависящей от концентрации коагулирующих ионов в пластовой воде. Перед применением известного способа осуществляют анализ степени минерализации пластовой воды, фильтрата бурового раствора, керна породы, слагающего стенки скважины, и в зависимости от этих данных определяют тип коагулирующего реагента, состав регулятора коагулирующих ионов и его концентрацию в буровом растворе. В качестве коагулирующих реагентов согласно известному изобретению используют гидролизованный полиакрилонитрил (реагент К-4), карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ-250), гуматные реагенты. В качестве регулятора коагулирующих ионов используют реагенты, поставляющие в раствор ионы кальция, например известь.

Недостатками известного способа является его сложность, связанная с необходимостью проведения предварительных анализов поровой и пластовой воды, керна породы, слагающего стенки скважины, и фильтрата бурового раствора, а также невысокое качество крепления стенок скважины из-за низкой пластической прочности обработанных поверхностей, обусловленной механическими свойствами коагулюма.

Заявляемое изобретение решает задачу упрощения способа и повышения качества крепления стенок скважины за счет управления процессом коагуляции, обеспечения оптимальной продолжительности индукционного периода коагуляции и повышения пластической прочности обработанных поверхностей.

Для решения поставленной задачи согласно предлагаемому способу крепления стенок скважины путем закачки в скважину крепящего раствора коагулирующего реагента и источника коагулирующих ионов в качестве коагулирующего реагента используют латекс, а в качестве источника коагулирующих ионов - раствор хлорида натрия в концентрации 1,0-2,5 мас.%, причем компоненты берут в соотношении 1:0,5 - 1:3,5 соответственно, а перед и после крепящего раствора в скважину подают пресную воду.

Технический результат, получаемый за счет применения латекса в качестве коагулирующего реагента и хлорида натрия в качестве источника коагулирующих ионов в заявляемых концентрациях и соотношении, состоит в обеспечении возможности управления продолжительностью индукционного периода коагуляции и сохранении вязкостной характеристики, а значит и высокой проникающей способности крепящего раствора, а также в повышении пластической прочности получаемого коагулюма, а значит, и обработанной поверхности.

Технический результат, получаемый за счет применения буферной жидкости - пресной воды, заключается в предотвращении смешивания крепящего раствора с пластовой водой, буровым раствором, что повлекло бы за собой изменение его минерализации и, следовательно, уменьшение продолжительности индукционного периода коагуляции.

Таким образом, управляемость процесса коагуляции, сохранение высокой проникающей способности крепящего раствора в течение длительного времени, образование прочного коагулюма в поровом пространстве пласта приствольной зоны скважины позволяют повысить качество крепления стенок скважины. Заранее заданная, строго определенная концентрация компонентов крепящего раствора, предотвращение изменения его минерализации в процессе закачки в пласт путем использования буферной жидкости - пресной воды, позволяют сократить до минимума объем предварительных геологических исследований, ограничившись определением температурных условий скважины, что упрощает способ.

Известно применение латекса и коагулянта (источника коагулирующих ионов) для изоляции зон поглощения [1].

В заявляемом техническом решении совместное применение латекса и хлорида натрия в заявляемой концентрации и соотношении компонентов в крепящем растворе позволяет решить новую техническую задачу: управление процессом коагуляции путем обеспечения оптимальной для условий конкретной скважины продолжительности индукционного периода коагуляции, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательный уровень".

Предлагаемый способ крепления стенок скважины осуществляют следующим образом.

Вначале готовят крепящий состав, например, с помощью цементировочного агрегата. В одном из мерников агрегата готовят водный раствор хлорида натрия, в другом - латекса и затем тщательно перемешивают между собой. Заготовленный таким образом крепящий состав закачивают в скважину в зону неустойчивых отложений. При закачке обеспечивают надежное разделение крепящего состава и пластовой воды, бурового раствора буферной жидкостью, в качестве которой используют пресную воду: в буровую скважину подают сначала буферную жидкость, затем необходимое количество крепящего состава, затем снова буферную жидкость. Продавив крепящий состав в приствольную зону, оставляют скважину под избыточным давлением на реакции на определенное время, необходимое для образования коагулюма в конкретных условиях скважины.

Проводили лабораторные исследования с целью определения оптимальных концентрации раствора хлорида натрия и соотношения компонентов крепящего раствора.

В качестве источника коагулирующих ионов использовали соль одновалентного металла - хлорид натрия. Применение солей поливалентных металлов (хлоридов кальция, алюминия и пр.) хотя и возможно, но неудобно на практике. Это связано с тем, что при использовании солей поливалентных металлов концентрация их для получения выраженного индукционного эффекта должна быть очень мала, т.к. согласно правилу Шульца-Гарди порог коагуляции зависит от валентности коагулирующего иона, и количественное выражение этой зависимости по формуле Дерягина-Ландау таково:.

В качестве латекса использовали латекс марки СКС-65ГПС.

Вначале количество составляющих в смеси меняли от 1 до 9, например латекс - 1 объемная часть, хлорид натрия - 9 объемных частей, затем латекс - 2 части, хлорид натрия - 8 частей и т.д. Меняли также и концентрацию раствора хлорида натрия.

Работу проводили при температуре 20^oC. Полученные данные представлены в таблице 1.

Из данных таблицы видно, что на увеличение индукционного периода влияют и соотношение в смеси, и концентрация раствора хлорида натрия, причем наблюдается выраженная зависимость между концентрацией раствора хлорида натрия и оптимальным соотношением компонентов в смеси: при низкой концентрации хлорида натрия оптимальное соотношение в смеси "латекс:хлорид натрия" равно примерно 1: 2 (см. пример 3, соотношение 3:7), а при повышении концентрации оптимальное соотношение смещается вниз до 1,5:1 ( см. пример 6, соотношение 6:4).

Для уточнения полученных результатов и исследования влияния температуры на коагуляцию использовали смесь "латекс-хлорид натрия" при соотношении компонентов 1:0,5; 1:0,6; 1:0,7; 1:0,8; 1:1; 1:1,5; 1:2; 1:2,5; 1:3; 1:3,5 и 1: 4, концентрации хлорида натрия 2,5; 2,0; 1,5; 1,3 и 1,0 мас.% и температуре 20^o, 50^o и 80^oC.

Подученные данные приведены в таблицах 2-4.

Как видно из таблиц, изменение температуры - еще один фактор, оказывающий существенное влияние на выбор оптимального соотношения компонентов в смеси. Вcе вместе позволяет гибко осуществлять подбор рецептур для крепления стенок скважин, исходя из конкретных горно-геологических условий. Например, для крепления стенок скважины на небольшой глубине (500-800 м), где пластовая температура около 20^oC, лучше использовать раствор хлорида натрия с концентрацией 2,5 мас. % при соотношении компонентов 1:0,7, при этом время индукционного периода составит около трех часов, что будет достаточно для проведения работ (см. табл.2). На средних глубинах (3000-4000 м), при пластовой температуре около 50^oC возможен более широкий выбор соотношений и концентраций (см. табл. 3), хотя и более предпочтительна рецептура, когда разбавление латекса не велико и соотношение компонентов не более чем 1:3,5, т. к. в противном случае резко снижаются крепящие свойства состава из-за малого содержания в нем коагулюма. На больших глубинах (5000 м и более), при пластовой температуре 80^oC и выше хлорид натрия лучше брать с концентрацией 1-2 мас. %, а соотношение компонентов должно быть в пределах от 1:0,5 до 1: 1,5 (см. табл. 4).

Таким образом, заявляемый способ крепления стенок скважин позволяет учитывать конкретные горно-геологические условия (пластовую температуру и продолжительность времени, необходимого на проведение операции), что позволит более успешно проводить операции по креплению неустойчивых отложений.

Суммируя результаты экспериментов, можно сделать вывод, что оптимальный диапазон концентрации хлорида натрия в растворе составляет 1,0 - 2,5% мас. при соотношении "латекс - хлорид натрия" 1:0,5 - 1:3,5 соответственно.

Исследование пластической прочности образцов, обработанных по предлагаемому и известному способам, проводили по методу конического пластометра, разработанному акад. П.А.Ребиндором [3] с помощью модернизированного В.Д.Городновым прибора [4].

Образцы для исследования готовили следующим образом. Керн из зоны осложнений в интервале 5792-5812 м скв. N 1 Нагумановской площади, представленный рыхлыми, слабосцементированными карбонатными отложениями девона, измельчали до размеров частиц 0,1-0,5 мм, помещали в круглые металлические формы диаметром 30 мм и высотой 10 мм с перфорированным дном и уплотняли. Затем пропитывали образцы раствором коагулирующего реагента по прототипу или по заявляемому способу и выдерживали сутки при комнатной температуре (20^oC) или два часа при температуре 80^oC. После чего замеряли по методу Ребиндора пластическую прочность трех подготовленных образцов и среднее арифметическое использовали для расчетов.

Величину пластической прочности P_m рассчитывали по формуле: P_m = K_a(F/h_m²), где P_m - пластическая прочность, гс/см²; F - сила, действующая на конус, гс; h_m - глубина погружения конуса, см; К_a - коэффициент, зависящий от угла при вершине конуса и имеющий значение для угла 60^o K₆₀=0,413.

В данном случае наиболее информативным оказался конус с углом при вершине, равном 60^o, поэтому все работы проводились именно с этим конусом, при этом сила, действующая на конус (F), равна 2803 гс.

Полученные данные представлены в таблице 5.

Как видно из таблицы, даже образцы с низким содержанием коагулюма, обработанные раствором латекса и хлорида натрия, (см. примеры 7 и 8), характеризуются более высокими показателями, чем образцы, обработанные по способу-прототипу (примеры 1 и 2). Другие же образцы, обработанные по заявляемому способу крепящим раствором с оптимальным соотношением компонентов, характеризуются значительно более высокой пластической прочностью (почти в два раза выше), чем образцы, обработанные в соответствии с прототипом (примеры 3-6), причем увеличение пластической прочности от примера 6 к примеру 3 можно объяснить увеличением в составе крепящей смеси количества коагулюма.

Исследование устойчивости образцов к размыву, обработанных по прототипу и заявляемому способу, проводили следующим образом. Образцы для исследования получали аналогично вышеприведенному примеру. После этого образцы извлекали из форм, взвешивали и закрепляли в емкости с водой, которую перемешивали лабораторной мешалкой со скоростью 300 об/мин в течение 6 часов. Затем, исследуемые образцы извлекали из воды, вновь взвешивали и по потере массы определяли коэффициент устойчивости.

Полученные данные представлены в таблице 6.

Как видно из таблицы, даже образец с низким содержанием коагулюма (см. пример 4) дает результаты выше, чем образцы, обработанные в соответствии со способом-прототипом. Устойчивость же образцов, обработанных по заявляемому способу оптимальными коагулирующими смесями, значительно выше, чем у прототипа, причем увеличение устойчивости от примера 5 до примера 10 можно объяснить увеличением в составе крепящей смеси количества коагулюма.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществить эффективное крепление рыхлых, слабосцементированных пород за счет управления процессом коагуляции и максимального увеличения ее индукционного периода. Кроме того, способ более прост, т.к. не требует проведения продолжительных исследований скважины, ограничиваясь только определением температурных условий интервала зоны осложнения.

Источники информации 1. Авт. св. СССР N 595489, 5 МКИ E 21 B 33/138, опубл. 28.02.78., БИ N 8 1978.

2. Авт. св. СССР N 1002523, 5 МКИ E 21 B 33/138, опубл. 07.03.83., БИ N 9 1980 (прототип).

3. Ямпольский Б.Я. и Ребиндер П.А. Исследование структурно-механических свойств металлических дисперсных систем методом конического пластометра. - "Коллоидный журнал", 1948, т. 6, с.466-469.

4. В. Д. Городнов. Физико-химические методы предупреждения осложнений в бурении. М., "Недра", 1977, с. 37-38.

Формула изобретения

Способ крепления стенок скважин путем закачки в скважину крепящего раствора коагулирующего реагента и источника коагулирующих ионов, отличающийся тем, что в качестве коагулирующего реагента используют латекс, а в качестве источника коагулирующих ионов - раствор хлорида натрия в концентрации 1,0 - 2,5 мас.%, причем компоненты берут в соотношении 1 : 0,5 - 1 : 3,5 соответственно, а перед и после крепящего раствора в скважину подают пресную воду.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5