Способ цементирования обсадных колонн
CASING STRING CEMENTING METHOD

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.
ца
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 Р 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.
ца
Известна формула для определения давления Р 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:
г/д
г/д
г/ст
г/ст
о/к
к/п
о/к
к/п
где Р, Р, Р, Р - 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.
ца
кр
г/д
г/ст
др
о/к
Поставленная цель достигается тем, что в зависимости от горногеологических условий скважины, процесс закачки тампонажного (цементного) раствора внутрь колонны производится при подаче (расходе) ∑Q превышающей величину критической подачи Q, при которой возникает вакуум; и путем применения специального устройства - дросселя, устанавливаемого над башмаком обсадной колонны, в котором создается гидродинамическое давление Р, направленное на уменьшение величины гидростатического давления столба цементного раствора в колонне Р. 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:
ца
2
где Р - давление в гидравлической системе скважины в процессе закачки тампонажного раствора в обсадную колонну (МПа, кг/см).
Расчетные формулы для определения давления в системе (см. "Инструкция по составлению гидравлической программы скважины" РД39-0147009-516-86, С. 17) следующие:
г/д
др
Формула для определения Р представлена в примере 2.
ж
ж
о/к
к/п
3
3
где ρ, ρ - плотность тампонажного (цементного) раствора в обсадной колонне, плотность бурового раствора в затрубном пространстве скважины, кг/м(г/см);
Н (м) - глубина спуска обсадной колонны по вертикали;
L (м) - глубина спуска колонны по длине ствола наклонной скважины;
скв
о/к
вн/ок
d, d, d (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".
г/сх
г/ст
г/д
г/д
г/д
г/д
о/к
к/п
о/к
к/п
др
Анализ формул 1,2,3 показывает, что при цементировании обсадных колонн в конкретных горно-геологических и технолого-технологических условиях Р, Р являются постоянными величинами. Управляемыми факторами в процессе являются Р, Р и Р. Путем регулирования величинами параметров входящие в формулы Р обеспечивается достижение условия предупреждения возникновения вакуума. Решение задачи представлено на примерах 1, 2.
эк
Пример 1. Исходные данные: скважина вертикальная Н=3200 м, диаметр эксплуатационной колонны d=168, 3 мм (0, 1683 м),
цр
оцр
высота подъема цементного раствора за колонной h=2740 м (включая высоту подъема облегченного цементного раствора h=2484 м),
оцр
3
плотность ρ=1450 кг/м,
цр
высота подъема цементного раствора h=256 м,
цр
3
плотность ρ=1890 кг/м,
к/п
3
объем кольцевого пространства скважины W=63,48 м,
вн
эк
внутренний диаметр эксплуатационной колонны d/=0,1471 м,
буферная жидкость не используется,
скв
д
диаметр ствола скважины с учетом уширений d=0,2315 м (диаметр долота d=0,2159 м)
т/р
оцр
о/к
о/к
высота столба тампонажного раствора внутри колонны h состоит из столба облегченного цементного раствора h=2900 м,
цр
о/к
столб цементного раствора h=300 м,
б/р
3
плотность бурового раствора ρ=1250 кг/м,
о/к
3
внутренний объем колонны W=54,35 м.
г/р
2
градиент давления гидроразрыва пласта на глубине Н=3200 м: Г =0,018 МПа/м (0,18 кг/смм)
оцр
цр
ср
ж
о/к
3
3
Рассматривается заключительный этап закачки цементного раствора в колонну, когда внутри колонны снизу вверх h=2900 м; h=300 м. Средняя плотность тампонажного раствора в колонне ρ/)=1491 кг/м (1,491 г/см)
г/д
кp
кp
кр
кp
о/к
3
3
2
5
6
2
-5
6
2
2
Р=0,024⋅1,491⋅10⋅3,2⋅10Q/0,1471=0,114509⋅10Q/6,887528⋅10=1662,55⋅10Q(Па)=1662,55⋅Q (МПа)
г/д
кp
кp
кp
кp
к/п
3
3
2
3
2
6
2
-5
6
2
2
Р=0,04⋅1,250⋅10⋅3,2⋅10Q/(0,2315-0,1683)(0,2315+0,1683)=0,16⋅10Q/4,0348⋅10=3966,59⋅10Q(Па)=3966,59⋅Q (МПа)
г/ст
3
3
6
ΔР=(1,491-1,250)⋅10⋅9,8⋅3,2⋅10=7,558⋅10 (Па)
г/ст
о/к
6
Р=46,758⋅10 (Па)
г/ст
к/п
6
Р=39,2⋅10 (Па)
г/д
кp
кp
6
2
6
2
∑Р=(1662,55+3966,59)⋅10Q=5629,14⋅10Q (Па)
2
2
кp
кp
7,558=(3966,59+1662,55)⋅Q=5629,14Q
2
-3
кp
Q=7,558/5629,14=1,3426⋅10
кp
3
Q=0,0366 (м/c)=36,6 (л/с)
кp
кp
Полученное значение Q для принятых условий расчета является предельной величиной, обеспечивающей проведение цементирования эксплуатационной колонны без возникновения вакуума. Результаты расчета Qпри различных значениях столба тампонажного раствора в обсадной колонне представлены в таблице 1, на рис. 1.
кp
кp
3
мах
На основе полученного значения Q=0,0366 м/с (соответствующее максимальному значению Q) определяется:
г/р
б
к/п
- условие предупреждения гидроразрыва пласта Р на проектной глубине скважины Н=3200 м с учетом коэффициента безопасности гидроразрыва равного К=1,10
б/факт
г/р
пл
б/Н
к/п
к/п
К=Р/∑Р=К,
г/р
гр
гр
к/п
Р=Г⋅Н=0,018⋅3200=57,6 МПа; где Г=0,018 МПа/м (градиент гидроразрыва пласта)
г/ст
к/п
Р=39,2 Мпа.
г/д
к/п
6
2
6
Р=3966,59⋅10⋅0,0366=5,319⋅10⋅Па=5,313 МПа
пл
к/п
∑P=39,2+5,313=44,51 Мпа.
Расчетная величина коэффициента безопасности равна:
б/факт
К=57,6/44,51=1,29
б/факт
б/Н
Требуемое условие выполняется: К=1,29>К=1,10.
б/р
к/п
- Скорость восходящего потока бурового раствора в кольцевом пространстве скважины V в процессе закачки тампонажного раствора внутрь обсадной колонны.
б/р
кp
кп
кп
к/п
2
2
2
V=Q/F=0,0366/0,0198=1,85 м/с; площадь сечения кольцевого пространства скважины F=0,785(0,2315-0,1683)=0,0198 м
б/р
пр
к/п
к/п
При этом значении V обеспечивается турбулентный режим течения (проектное значение V 1,5 м/с), что требуется для очистки кольцевого пространства перед поступлением цементного раствора.
в
По данным табл. 1, рис. 1 представляется возможность определить момент времени «t» возникновения вакуума по формуле:
в
о/к
t=W/Qкp…,
о/к
3
где W - объем обсадной колонны при расчетной величине столба цементного раствора в колонне, м.
о/к
вн/ок
ца
2
о/к
W=0,785⋅d⋅h
о/к
3
2
3
ца
кp
o/к
Например, при h=1000 м, Q=0,0239 м/с; W=0,785⋅0,1471⋅1600=21,18 м
в
Расчетное t=21,98/0,0239=1137 с=18,95 мин.
cp
в
ца
ца
3
Фактическое время предупреждения возникновения вакуума t≤t является временем перехода на продолжение процесса закачки при увеличенном значении ∑Q, в данном примере на Q=0,0303 м/с (30,3 л/с), (см. табл. 1).
кp
Пример 2. Расчет величины Q при использовании в составе компоновки низа обсадной колонны дросселя с насадкой. Исходные данные приведены в Примере 1.
г/д
др
Расчетная формула для определения давления Р создаваемого в дросселе имеет вид:
2
Где: μ=0,9 - коэффициент гидравлического сопротивления насадки 2μ=1,62;
цр
3
ρ=1491 кг/м
2
ƒ - площадь сечения насадки, м.
др
др
2
-4
2
Примем d=0,03 м (30 мм); ƒ=0,785⋅0,03=7,065⋅10 м
2
-7
4
ƒ=4,991⋅10 (м)
г/д
кp
кp
др
2
7
6
2
Р=1,491⋅Q⋅10/1,62⋅4,991=1844,15⋅10Q (Па)
Суммарное гидродинамическое давление в системе составит:
г/д
кp
кp
6
6
2
∑P=(5629,14+1844,15)⋅10Q=7473,29⋅10Q
г/ст
г/д
Из условия ΔР≤∑P, имеем:
6
6
2
кp
7,558⋅10=7473,29⋅10Q
Kp
Kp
2
-3
3
откуда Q=7,558/7473,29=1,01⋅10; Q=0,0318 м/с=31,8 л/с
численное значение давления в дросселе равно:
г/д
др
6
-3
3
Р=1844,15⋅10⋅1,01⋅10=1,86 (Па)=18,6 кг/см
г/д
др
ца
др
По данным табл. 2 задаваясь величиной Р и d определяется режим закачки цементного раствора Q при использовании которого обеспечивается предупреждение возникновения вакуума.
ца
кp
Результаты расчета Q≥Q 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.