СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ ПОДЗЕМНОГО РЕЗЕРВУАРА, СОЗДАННОГО В РАСТВОРИМЫХ ПОРОДАХ ЧЕРЕЗ БУРОВУЮ СКВАЖИНУ
METHOD OF TIGHTNESS TESTING FOR UNDERGROUND RESERVOIR ARRANGED IN SOLUBLE ROCKS THROUGH DRILL WELL

Предлагаемый способ относится к горному делу, а именно к способам определения герметичности подземных резервуаров, создаваемых в отложениях каменной соли через буровые скважины для хранения жидких и газообразных углеводородов.
Известен способ испытания на герметичность скважины и выработки-емкости подземного резервуара, включающий закачку испытательного флюида в кольцевое пространство между обсадной и внешней подвесной колоннами труб скважины в объеме, превышающем объем этого пространства, с доведением уровня испытательного флюида до отметки кровли емкости при одновременном вытеснении рассола по центральной колонне, повышение давления на устье скважины до величины испытательного давления закачкой рассола в центральную колонну и выдержку скважины и выработки-емкости под испытательным давлением в течение заданного промежутка времени. Герметичность системы определяют сравнением закачанного и отобранного количества испытательного флюида с поправкой на температуру [1].
Недостатком данного способа является невозможность определения места и величины утечки, а также невысокая степень точности.
Известен способ испытания на герметичность технологической скважины и подземной емкости, включающий закачку испытательного флюида в скважину при одновременном вытеснении рассола или воды из подземной емкости, повышение давления до величины испытательного и выдержку скважины и выработки-емкости под испытательным давлением. При этом производят поинтервальную закачку испытательного флюида одновременно в межтрубное пространство обсадной и внешней подвесной колонн труб и в трубное пространство центральной подвесной колонны скважины, контролируют перепад давлений между этими трубными пространствами в период выдержки скважины и выработки-емкости под испытательным давлением, после чего измеряют объем выпущенного из скважины испытательного флюида, соответствующего изменению перепада давления, и определяют величину утечки по объему выпущенного испытательного флюида и по продолжительности выдержки [2].
Недостатком данного способа является необходимость применения двух подвесных колонн труб и заполнения испытательным флюидом межтрубного пространства обсадной и внешней подвесной колонн труб и трубного пространства центральной подвесной колонны, а также достаточно сложная компоновка обвязки устья скважины с большим количеством задвижек.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ испытания подземного резервуара на герметичность, предусматривающий оборудование подземного резервуара, заполненного рассолом, обсадной и подвесной колоннами труб, выделение интервалов испытания, поинтервальную закачку испытательного флюида в межтрубное пространство обсадной и подвесной колонн труб до достижения границей раздела «испытательный флюид - рассол» нижней отметки интервала испытания с одновременным вытеснением рассола на дневную поверхность, наложение испытательного давления и выдержку во времени каждого выделенного интервала испытания под испытательным давлением с определением темпа его падения, повторное наложение испытательного давления с дозакачкой испытательного флюида, определение величины и интенсивности утечки по объему дозакачанного флюида [3].
Недостатком данного способа является трудоемкость операций, связанных с многократным спуском рабочей подвесной колонны труб в скважину, и достаточно высокая погрешность определения величины утечки.
Решаемая задача заключается в повышении надежности испытания подземного резервуара на герметичность за счет увеличения точности определения места утечки испытательного флюида.
В результате повышается достоверность определения места и величины утечки, сокращаются трудоемкость и время, затрачиваемое на проведение испытаний.
исп
исп
исп
исп
Сущность способа испытания на герметичность подземного резервуара, созданного в растворимых породах через буровую скважину, заключается в оборудовании подземного резервуара, заполненного рассолом, обсадной и подвесной колоннами труб, выделении интервалов испытания, поинтервальной закачке испытательного флюида в межтрубное пространство обсадной и подвесной колонн труб до достижения границей раздела «испытательный флюид - рассол» нижней отметки интервала испытания с одновременным вытеснением рассола на дневную поверхность, наложение испытательного давления и выдержку во времени каждого выделенного интервала испытания под испытательным давлением с определением темпа падения давления, повторное наложение испытательного давления с дозакачкой испытательного флюида, определение величины и интенсивности утечки по темпу падения давления и объему дозакачанного испытательного флюида. Согласно предлагаемому техническому решению перед наложением испытательного давления башмак подвесной колонны труб устанавливают под башмаком обсадной колонны, нижнюю отметку исследуемого интервала определяют по объему вытесненного из подземного резервуара рассола и по величинам давлений испытательного флюида и рассола, измеренных на устье скважины в период выдержки подземного резервуара под давлением, наложение испытательного давления осуществляют поэтапно путем повышения его в следующей последовательности: 0,5 Р, 0,75 Р, Р, где Р - испытательное давление, с поэтапной выдержкой подземного резервуара во времени под указанными давлениями до выравнивания температурного фона закачанного испытательного флюида, рассола и вмещающей подземный резервуар горной породы, определение темпа падения давления производят на каждом этапе выдержки подземного резервуара во времени под налагаемым давлением, а величину и интенсивность утечки в пределах выделенного интервала испытания устанавливают по усредненной величине объема дозакачанного испытательного флюида в период поэтапного наложения давления до величины испытательного.
На представленном чертеже изображена схема испытания на герметичность подземного резервуара, созданного в растворимых породах через буровую скважину.
На схеме показан подземный резервуар, состоящий из выработки-емкости 1, созданной в растворимых породах через буровую скважину 2, оснащенную обсадной 3 и подвесной 4 колоннами труб. Выработка-емкость 1 заполнена рассолом.
Для проведения предусмотренных работ по определению герметичности подземного резервуара выделены интервалы испытания I, II, III, IV. Первый интервал испытания I расположен от устья скважины 2 до его нижней отметки, находящейся под уровнем земной поверхности. Второй интервал испытания II расположен от устья скважины 2 до середины длины обсадной колонны труб 3. Третий интервал испытания III расположен от устья скважины 2 до его нижней отметки, находящейся над башмаком обсадной колонны труб 3. В результате исследования интервалов I-III устанавливают степень герметичности обсадной колонны труб 3 технологической скважины 2. Протяженность четвертого интервала испытаний IV располагается от устья технологической скважины 2 до его нижней отметки, находящейся под башмаком обсадной колонны труб 3. В результате исследования интервала IV устанавливают степень герметичности выработки-емкости 1 подземного резервуара.
Подвесная колонна труб 4 технологической скважины 2 обвязана с насосом 5 цементировочного агрегата 6 и мерным баком 7.
К устью скважины 2 подведена линия трубопровода 8 для подачи рассола с установленными на ней манометром 9, термометром 10 и задвижками 11, 12.
Линия трубопровода 13 служит для подачи испытательного флюида, она обвязана с межтрубным пространством подвесной 4 и обсадной 3 колонн труб. На линии трубопровода 13 установлены манометр 14, термометр 15, расходомер 16 и задвижки 17, 18.
Мерный бак 7 трубопровода соединен с линией трубопровода 8 и рассолопроводом 19, снабженным задвижкой 20.
Способ осуществляется следующим образом.
Перед началом проведения испытания на герметичность подземного резервуара, заполненного рассолом, в скважину 2, оборудованную обсадной колонной труб 3, спускают подвесную 4 колонну труб. Башмак этой колонны устанавливают под башмаком обсадной колонны труб 3 и выделяют интервалы испытания I, II, III, IV на герметичность, расположенных в пределах от устья скважины 2 до кровли выработки-емкости 1. По результатам последовательного исследования на герметичность выделенных интервалов испытаний I, II, III, IV оценивают техническое состояние подземного резервуара в целом.
Перед проведением испытания первого интервала I подвесную колонну труб 4 технологической скважины 2 обвязывают с насосом 5 цементировочного агрегата 6 и мерным баком 7. На линии трубопровода 8, снабженной задвижками 11 и 12, устанавливают манометр 9 и термометр 10.
Межтрубное пространство подвесной 4 и обсадной 3 колонн труб обвязывают с трубопроводом 13 для подачи испытательного флюида. На линии трубопровода 13, снабженной задвижками 17 и 18, устанавливают манометр 14, термометр 15 и расходомер 16.
При открытых задвижках 17 и 18 по трубопроводу 13 в межтрубное пространство обсадной 3 и подвесной 4 колонн труб закачивают испытательный флюид до достижения границей раздела «испытательный флюид - рассол» нижней отметки интервала испытания I и замеряют объем закачанного испытательного флюида расходомером 16. Одновременно с этим по подвесной колонне труб 4 и трубопроводу 8 при открытых задвижках 11 и 12 из подземной выработки-емкости 1 вытесняют на дневную поверхность рассол, замеряя его объем в мерном баке 7 и перекачивая при открытой задвижке 20 в рассолопровод 19.
Нижнюю отметку интервала испытаний I подземного резервуара вначале определяют по величине объема рассола, вытесненного в мерные баки 7, рассчитывая ее по формуле (1)
где Н - нижняя отметка интервала испытания I, м;
ð
V - объем вытесненного рассола, м;
R - внутренний радиус обсадной колонны труб, м;
r - внешний радиус подвесной колонны труб, м;
исп
исп
исп
исп
После этого при закрытых задвижках 11 и 12 на трубопроводе 8 приступают к поэтапному повышению давления в межтрубном пространстве подвесной 4 и обсадной 3 колонн труб. Наложение давления в пределах интервала испытания I осуществляют поэтапно, путем повышения давления в следующей последовательности: 0,5 Р, 0,75 Р, Р, где Р - испытательное давление.
исп
На первом этапе испытания герметичности интервала I подземного резервуара давление в межтрубном пространстве подвесной 4 и обсадной 3 колонн труб поднимают до уровня 0,5 Р, выдерживают скважину 2 во времени до выравнивания температурного фона испытательного флюида, рассола и вмещающей подземный резервуар горной породы, при этом оставляют испытываемую систему на время выдержки под давлением при закрытых задвижках на линиях 8, 13 и 19 с периодическими его замерами манометром 9 и замерами температуры термометром 10 на устье скважины 2.
Установившееся положение границы раздела сред «испытательный флюид - рассол» на нижней отметке интервала испытания I также контролируют по величинам давлений испытательного флюида и рассола, измеренных на устье скважины 2 в период выдержки под налагаемым давлением, исходя из выражения (2):
ÈÔ
где Đ - давление испытательного флюида на устье скважины, Па;
ð
Ð - давление рассола на устье скважины, Па;
ð
3
ρ - плотность рассола, кг/м;
ÈÔ
3
ρ - плотность испытательного флюида, кг/м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с.
исп
Величину утечки в исследуемом интервале устанавливают по темпу падения давления в межтрубном пространстве скважины 2 за время выдержки подземного резервуара под промежуточным давлением, равным 0,5 Р. При этом величину утечки испытательного флюида за время выдержки интервала испытания I определяют путем замера объема дозакачанного в межтрубное пространство испытательного флюида при помощи расходомера 16 с наложением промежуточного давления.
исп
исп
исп
После выдержки подземного резервуара под промежуточным испытательным давлением, равным 0,5 Р, в течение не менее 1 часа открывают задвижки 17, 18 на линии трубопровода 13 и приступают к дозакачке испытательного флюида в межтрубное пространство обсадной 3 и подвесной 4 колонн труб с доведением давления на устье скважины 2 последовательно до величины давления, равного 0,75 Р, а затем Р, соблюдая последовательность операций аналогично описанной для первого этапа испытания интервала I. По истечении времени выдержки на последнем (третьем) этапе испытания интервала I давление дважды поднимают до уровня испытательного, а скважину 2 снова выдерживают под испытательным давлением.
исп
исп
исп
Время выдержки интервала испытания I подземного резервуара под промежуточными давлениями 0,5 Р и 0,75 Р должно быть не менее 1 часа для каждого из этих давлений. После наложения испытательного давления (Р) в интервале испытания I выдержка под этим давлением составляет не менее 24 часов.
Интенсивность утечки интервала испытания I определяют по усредненной величине объемов дозакачанного флюида на каждом из указанных этапов наложения давления.
При обнаружении утечки в интервале испытания I его разделяют на 2 равных подынтервала. Для этого по завершении времени выдержки системы под испытательным давлением открывают задвижки 11 и 12 и производят закачку рассола в подвесную колонну труб 4 с доведением границы раздела «испытательный флюид - рассол» снизу вверх до средней отметки интервала испытания I. При этом излишнее количество испытательного флюида из межтрубного пространства стравливают открыванием задвижек 17 и 18. Проведение испытаний на герметичность в указанных подынтервалах осуществляют аналогично описанным выше.
При обнаружении утечки в подынтервале испытания его также разделяют на 2 других равных по величине подынтервала с целью локализации фактического месторасположения утечки.
По завершении испытаний интервала I приступают к аналогичному исследованию интервалов испытаниям II, III и IV по приведенной схеме.
исп
исп
исп
Время выдержки интервала IV под промежуточными испытательными давлениями 0,5 Р и 0,75 Р составляет не менее 12 часов, а после двукратного доведения давления в испытуемом интервале IV до величины Р выдержка составляет не менее 72 часов.
Герметичность подземного резервуара в целом оценивают по темпу падения давления в соответствии с нормативными документами [4, 5], позволяющими устанавливать, что подземный резервуар может быть признан герметичным, когда ежечасовой темп падения давления за последние 12 часов выдержки подземного резервуара под давлением не превышает 0,05% от величины испытательного давления, а допустимая величина утечки составляет не более 20 л/сут для жидкого испытательного флюида и 50 кг/сут для газообразного.
Пример 1
Проведение испытаний на герметичность подземного резервуара №1 с выработкой-емкостью 1, созданной в растворимых породах через буровую скважину 2, схематически представлено на приведенном чертеже. Башмак обсадной колонны труб 3 устанавливают на глубине 1000 м. Диаметр обсадной колонны труб 3 составляет 299 мм. Диаметр подвесной колонны труб 4 равен 219 мм. Башмак этой колонны труб устанавливают под башмаком обсадной колонны 3 на отметке 1003 м. Подвесную колонну труб 4 технологической скважины 2 обвязывают с насосом 5 цементировочного агрегата 6 и мерным баком 7. На линии трубопровода 8, снабженной задвижками 11 и 12, устанавливают манометр 9 и термометр 10. Межтрубное пространство подвесной 4 и обсадной 3 колонн труб обвязывают с трубопроводом 13 для подачи испытательного флюида. На линии трубопровода 13, снабженной задвижками 17 и 18, устанавливают манометр 14, термометр 15 и расходомер 16.
В качестве испытательного флюида используют природный газ. Выделяют интервалы испытания I, II, III, IV на герметичность подземного резервуара №1.
Испытания на герметичность буровой скважины 2 и подземной выработки-емкости 1 подземного резервуара №1 производят посредством поинтервальной закачки испытательного флюида с поэтапным последовательным наложением испытательного давления в выделенных интервалах испытания I, II, III, IV.
3
Исследования первого интервала испытания I на герметичность, расположенного от устья скважины 2 до его нижней отметки, осуществляют посредством закачки природного газа по линии трубопровода 13 при открытых задвижках 17, 18 в межтрубное пространство обсадной 3 и подвесной 4 колонн труб до достижения границей раздела «газ - рассол» нижней отметки интервала испытания I при одновременном вытеснении рассола из подземной выработки-емкости 1 по подвесной колонне труб 4 при открытых задвижках 11 и 12 в линию трубопровода 8 с замером в мерных баках 7 количества вытесняемого рассола, составившего 1 м, и последующим перекачиванием вытесненного рассола при открытой задвижке 20 в рассолопровод 19.
исп
исп
исп
После этого задвижки 11, 12 на линии трубопровода 8 и задвижки 17, 18 на линии трубопровода 13 закрывают, а давление газа на устье скважины 2 поэтапно поднимают: вначале до 0,5 Р, равного 6,3 МПа, затем до 0,75 Р, равного 9,4 МПа, а после - до Р, составившего 12,5 МПа.
На каждом этапе испытаний подземного резервуара на герметичность положение границы раздела «газ - рассол» определяют по объему вытесненного рассола по формуле (1), а также по формуле (2) с учетом величин давлений испытательного флюида и рассола, измеренных на устье скважины 2 в период выдержки подземного резервуара №1 под давлением.
Выдержку скважины 2 до стабилизации теплообмена испытательного флюида с рассолом и массивом горных пород, вмещающих подземный резервуар №1, каждый этап исследования интервала испытания I ведут после закрытия всех задвижек на трубопроводных линиях 8, 13, 19. Затем оставляют систему на время выдержки под давлением с периодическими замерами давления и температуры на устье скважины 2. Производят дозакачку флюида до установления величины испытательного давления. А интенсивность утечки исследуемого интервала I определяют по усредненной величине объемов дозакачанного флюида на каждом из указанных этапов наложения давления.
исп
исп
исп
За время выдержки устья скважины 2 в течение 1 часа под давлениями: вначале при 0,5 Р=6,3 МПа; 0,75 Р=9,4 МПа, затем в течение 24 часов при Р=12,5 МПа падения давления в системе не наблюдалось, следовательно, утечка испытательного флюида отсутствует, что позволяет сделать заключение о полной герметичности интервала испытания I.
3
исп
исп
исп
Исследование на герметичность второго интервала испытания II, расположенного от устья скважины 2 до середины длины обсадной колонны труб 3, осуществляют путем закачки природного газа в межтрубное пространство обсадной 3 и подвесной 4 колонн труб до нижней отметки интервала II с одновременным вытеснением рассола по подвесной колонне труб 4 при открытых задвижках 11, 12 на линии трубопровода 8. В результате объем вытесненного рассола составил 16 м. Затем задвижки 11, 12 закрывают, а давление газа на устье скважины 2 поэтапно поднимают: до 0,5 Р=6,3 МПа; 0,75 Р=9,4 МПа; Р=12,5 МПа при последовательных выдержках системы под поэтапными давлениями до выравнивания температурного фона.
исп
исп
исп
За время выдержки скважины в течение 1 часа под поэтапными давлениями: 0,5 Р=6,3 МПа; 0,75 Р=9,4 МПа и в течение 24 часов при Р=12,5 МПа падения давления не наблюдалось. В результате исследования интервал испытания II признан герметичным.
3
исп
исп
исп
Исследование третьего интервала испытания III производят путем закачки природного газа по линии трубопровода 13 при открытых задвижках 17, 18 в межтрубное пространство обсадной 3 и подвесной 4 колонн труб скважины 2 до достижения границей раздела «газ - рассол» нижней отметки интервала испытания III, расположенного над башмаком обсадной колонны труб 3. В период закачки газа одновременно вытесняют рассол из подземной выработки-емкости 1 по подвесной колонне труб 4 в линию трубопровода 8 при открытых задвижках 11 и 12 с замером в мерных баках 7 объема вытесняемого рассола, составившего 32,7 м. После этого задвижки 11, 12 на линии трубопровода 8 и задвижки 17, 18 на линии трубопровода 13 закрывают, а давление газа на устье скважины 2 поэтапно поднимают: вначале до величины давления 0,5 Р, равного 6,3 МПа, затем до 0,75 Р, равного 9,4 МПа, и Р, составившего 12,5 МПа.
За время последовательной выдержки скважины 2 в течение 1 часа под давлениями 6,3 МПа и 9,4 МПа, и в течение 24 часов под давлением 12,5 МПа падения давления в системе также не наблюдалось. Интервал III испытания подземного резервуара признан герметичным.
3
исп
исп
исп
Исследование четвертого интервала испытания IV, распространяющегося на верхнюю часть выработки-емкости 1 и прибашмачную зону обсадной колонны труб 3, производят путем закачки природного газа в межтрубное пространство колонн труб 3 и 4 до достижения границей раздела «газ - рассол» нижней отметки интервала испытания IV, расположенной под башмаком обсадной колонны труб 3. Одновременно с этим из выработки-емкости 1 вытесняют рассол по подвесной колонне труб 4 в линию трубопровода 8 при открытых задвижках 11, 12 с измерением его объема мерными баками 7. В период закачки природного газа вытеснено 60 м рассола. По окончании закачки природного газа закрывают задвижки 11, 12 на линии трубопровода 8 и 17, 18, на линии трубопровода 13. После этого давление газа на устье скважины поэтапно поднимают: вначале до величины давления 0,5 Р=6,3 МПа, затем до 0,75 Р=9,4 МПа и Р=12,5 МПа при соответствующих выдержках системы под указанными давлениями до выравнивания температурного фона.
За время выдержки выработки-емкости 1 в течение 12 часов под давлениями 6,3 МПа, затем 9,4 МПа и в течение 72 часов после двукратного доведения давления в интервале испытания IV до 12,5 МПа наблюдалось падение давления. Величины темпов падения давления, измеренного на устье скважины 2, при исследовании интервала испытания IV представлены в таблице 1.
Таблица 1
Изменение давления природного газа на устье скважины 2 при исследовании на герметичность подземного резервуара №1.
Давление, МПа
Темп падения давления, МПа/ч
За 12 часов выдержки
6,3
0,002
9,4
0,003
За 72 часа выдержки
12,5
0,003
Герметичность подземной выработки-емкости 1 оценивают по темпу падения давления в соответствии с действующим нормативными документами [5, 6], согласно которым подземный резервуар №1 признан герметичным, т.к. ежечасный темп падения давления за последние 12 часов выдержки подземного резервуара №1 под давлением не превысил 0,05% от испытательного давления (0,006 МПа).
В процессе проведенных испытаний усредненная интенсивность утечки природного газа, взятого в качестве испытательного флюида, составила 40 кг/сут, что меньше допустимой величины утечки по газообразному флюиду, равной 50 кг/сут. На основании полученных данных подземный резервуар №1 признан герметичным.
Пример 2
Проведение испытаний на герметичность подземного резервуара №2, созданного в каменной соли, через буровую скважину 2 с образованием выработки-емкости 1 также показано на приведенном чертеже. Установленное для его исследования на герметичность оборудование и последовательность проводимых операций аналогичны описанным в примере 1. Результаты испытаний выработки-емкости 1 под промежуточными давлениями 6,3 и 9,4 МПа в течение 12 часов и под испытательным давлением 12,5 МПа в течение 72 часов представлены в таблице 2.
Таблица 2
Изменение давления испытательного флюида на устье скважины 2 при исследовании на герметичность подземного резервуара №2.
Давление, МПа
Темп падения давления, МПа/ч
За 12 часов выдержки
6,3
0,002
9,4
0,006
За 72 часа выдержки
12,5
0,008
Герметичность подземного резервуара оценивают по темпу падения давления. В соответствии с нормативными документами [4, 5], если ежечасовой темп падения давления в течение последних 12 часов выдержки под испытательным давлением превышает допустимое значение падения давления (0,0063 МПа), подземный резервуар считается негерметичным. Средняя интенсивность утечки испытательного флюида в процессе испытаний составила 80 кг/сут, что выше допустимой нормы. Исходя из полученных данных, подземный резервуар №2 признан негерметичным.
Источники информации
1. Временные указания по проектированию и строительству подземных хранилищ в отложениях каменной соли СН-320-65. М., 1965, с.31.
2. Авторское свидетельство СССР №969892, МПК Е21В 43/28,1981.
3. Авторское свидетельство СССР №1440821, МПК В65G 5/00, Е21В 47/10, 1988.
4. СП 34-106-98. Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки. Издание официальное. ОАО «Газпром». М.: 1998 г.
5. СТО Газпром РД 1.9-095-2004. Инструкция по испытанию на герметичность подземных резервуаров в каменной соли. Издание официальное. ОАО «Газпром». М.: 2004 г.