СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ СКВАЖИНЫ
PROCEDURE FOR HOLE CASING AND HEAT INSULATION

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к креплению и теплоизоляции скважин в грифоноопасном разрезе, в том числе для скважин нефтегазовых и паронагнетательных, в том числе в многолетнемерзлых породах (ММП).
Способ предназначен для крепления и теплоизоляции затрубного пространства обсадных колонн (ЗПОК) в интервалах горных пород, где существуют знакопеременные по направлению массопереносы вещества ЗПОК, в том числе, при межфазовых превращениях, например, при сильном нагревании или при замораживаниях-размораживаниях, в том числе для крепления паронагнетательных скважин в ММП. Особенностью этого изобретения является наличие в неотвердевающем тампонаже сферических пустот, которые равномерно распределены по всей его глубине, пустот, стремящихся к одинаковым размерам независимо от гидростатического давления, пустот, которые могут сжиматься и разжиматься.
7
Известны неаэрированные неотвердевающие тампонажные составы, например, содержащие глинопорошок и воду (Пат. 2234592 РФ, МПК E21B 33/138, опубл. 20.08.2004, бюл. №23).
Их недостаток заключается в том, что они не содержат пустот, которые могут быть не только теплоизоляцией, но и компенсаторами массопереносов конденсированного вещества ЗПОК при межфазовых превращениях, в том числе при сильном нагревании с парообразованием или при замораживаниях-размораживаниях с образованием «ледяных бомб», деформирующих обсадные колонны.
Причем пустоты в процессе своего существования должны автоматически стремиться именно к сферической форме (вследствие поверхностного натяжения), чтобы не образовывалась трещиноватость соответствующего тампона и возможные грифоны.
Известны облегченные цементные растворы пониженной плотности с известными облегчающими наполнителями [Быков И.Ю. Термозащита конструкций скважин в мерзлых породах [Текст]: учеб. пособие / И.Ю.Быков, Т.В.Бобылева. - Ухта: УГТУ, 2007. - 131 с.: ил., стр.105], такими как вспученный перлит, вспученный вермикулит, керамзит и другими. Эти наполнители являются пористыми сферами, которые могут разрушаться при большом давлении в скважине, то есть могут компенсировать образующиеся излишки конденсированного вещества при тепловых и межфазовых превращениях. Однако они применяются для образования пустот в отвердевающих растворах, и эти пустоты в полученном камне или не могут служить компенсаторами образующихся излишков конденсированного вещества при тепловых и межфазовых превращениях, или при этом происходит растрескивание каменного тампона, его разгерметизация и даже вероятное разрушение обсадной колоны. Более того, потенциальная возможность разрушения вспученных наполнителей считается недостатком и, в настоящее время, в бурении широкое применение получили прочные и дорогие стеклянные микросферы, не предназначенные для деформации.
Известны из классификации промывочных жидкостей [Середа Н.Г. Бурение нефтяных и газовых скважин [Текст]: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп./ Н.Г. Середа, Е.М. Соловьев. - М.: Недра, 1988. - 360 с.: ил., стр.135.] глинистые суспензии (на основе глинопорошка и воды) с полимерными и иными добавками, газожидкостные смеси, и явно следующие из классификации, аэрированные глинистые суспензии. Если их применять для тампонажа ЗПОК, то они, деформируясь, могут компенсировать и образующиеся излишки, и образующиеся недостатки объема конденсированного вещества ЗПОК.
Однако размеры и равномерность распределения пустот в аэрированной глинистой суспензии подчиняются экспоненциальной зависимости от гидростатического давления, что не обеспечивает равномерной теплоизоляции и компенсации массопереносов вещества ЗПОК при тепловых расширениях-сжатиях и межфазовых превращениях. Более того, вследствие наличия геотермического градиента обратное промерзание происходит сверху вниз, а внизу соответствующие пустоты из-за большего гидростатического давления наименьшие по своим размерам, то есть наименее технологичны как по способности компенсации образующихся излишков объема, так и по способности теплоизоляции.
Равномерно распределенные по объему пустоты можно получить путем специального ввода в неотвердевающий тампонажную композицию закрытопористых сферических матриц, наподобие вышеописанных вспученных сфер, сминающихся при образовании излишков объемов крепи. При этом их недостаток становится преимуществом.
7
Известен незамерзающий тампон для низкотемпературных скважин [Пат. 2167268 Российская Федерация, МПК E21B 33/138, опубл. 20.05.2001, бюл. №14], содержащий углеводородную жидкость и вспученный вермикулитовый песок, который может быть использован по другому назначению - для компенсации сминающих давлений, возникающих при обратном промерзании водосодержащих масс. Однако незамерзающие тампоны с углеводородными жидкостями загрязняют грунтовые питьевые воды. Кроме того, здесь не продуман механизм компенсации уменьшения объемов конденсированного веществам ЗПОК, при котором может произойти растрескивание и нарушена герметичность пастообразного тампона.
Задачи изобретения:
1. Создание экологически чистой неотвердевающей тампонажной композиции.
2. Создание равномерной по высоте теплоизоляции.
3. Компенсация массопереносов, в том числе, при межфазовых превращениях.
Поставленные задачи решают следующим способом: скважину крепят с использованием экологически чистого неотвердевающего тампона, в котором устраивают равномерно распределенные по объему сферические полости.
Равномерно распределенные по объему сферические полости устраивают посредством затворения в неотвердевающий тампон механических матриц, которые собою вытесняют в его объеме пустоты и служат для них каркасами, которые несколько сминаются при сжатии объема тампона и способствуют равномерному расширению полостей при расширении объема тампона.
Эти матрицы состоят из двух частей. Первая часть - внутренняя, с закрытой пористостью, для компенсации возникающих излишков объемов конденсированного вещества. Она выдерживает гидростатическое давление, но сминается при образовании излишков объема крепи, за счет чего не повреждаются обсадные трубы, по крайней мере, при нескольких циклах сжатия (замерзания). Вторая часть - внешняя, с открытой пористостью, для газовой компенсации уменьшения объема конденсированного вещества ЗПОК. В этой пористости пузырьки газа будут сохраняться и после ввода матриц в тампонажную композицию. Поэтому при уменьшении объема конденсированной фазы крепи эти пузырьки будут служить центрами газо- и парообразования, и соответственно увеличиваться в размерах. В результате дополнительные пустоты будут образовываться вокруг матриц, в виде увеличивающихся сфер, а не трещин. Соответственно, тампон останется непроницаемым.
Пример
В интервале ММП необходимо закрепить кондуктор и предупредить возникновение грифонов, карстового озера вокруг устья скважины и предупредить смятие обсадных труб при обратном промерзании. Для этого применяют неотвердевающую тампонажную композицию с механическими матрицами, например, из пеностекла, из условия, что максимальная глубина закачивания композиции и прочность на смятие закрытопористых сферических матриц связаны по формуле
гс
σ=P=ρgh,
где σ - прочность на смятии шариков из пеностекла;
гс
Р - гидростатическое давление в затрубном пространстве скважины;
ρ - плотность тампонажной композиции;
g - ускорение свободного падения;
h - максимальная глубина закачивания композиции.
3
Если ММП толщиной 160 м и с нормальным пластовым давлением, то допустимо применение тампонажной композиции плотностью 1000 кг/м, где закрытопористые сферические матрицы выполнены в виде шариков из пеностекла с прочностью на смятие 1,6 МПа, которые по сертификату имеют наружную открытую пористость 2%, что позволяет тампонажной композиции компенсировать расширения-сжатия.
Химический состав неотвердевающего тампона подбирают в лаборатории буровых промывочных и тампонажных жидкостей, в зависимости от конкретных условий строительства и эксплуатации скважины.