СПОСОБ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR CASING CEMENTING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к строительству нефтяных и газовых скважин, в частности к способам цементирования обсадных колонн, и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности.
Известен способ цементирования скважин с помощью цементной тампонажной композиции [1], содержащей в своем составе цемент - 100 весовых единиц, оксиэтилцеллюлоза 0,3-0,5 ед., меламиносодержащий продукт - 0,5-1,0 ед., вода - 40-50 ед.
Недостатками этого метода является то, что проявляется усадка отвержденного камня, имеет место низкая адгезия к поверхности обсадной колонны и к стенкам скважины, недостаточная прочность на изгиб и др. В совокупности образуются каналы для протекания по ним флюидов.
Известен способ цементирования скважин с использованием полимерцементного тампонажного раствора [2].
Недостатками этого способа являются следующие: при температурах эксплуатации в интервале 20-55°C отверждение композиции происходит с усадкой 2,5-3,5%, что снижает изолирующие свойства тампонажного раствора; время начала схватывания тампонажного раствора составляет более 8 часов, что не соответствует ГОСТу 26798.1-96.
Известен способ вибрационного цементирования обсадных труб в скважинах [3]. Этот способ включает нанесение на наружную поверхность обсадных труб слоя редкоземельного элемента с магнитострикционными свойствами. Спускают обсадные трубы в скважину. Затем закачивают в обсадные трубы цементный раствор и продавливают его в затрубное пространство. На слой редкоземельного элемента передают напряжение с частотой, равной частоте собственных колебаний колонны. При этом цементный раствор нагревают до температуры 40-50°C. Частоту собственных колебаний колонны согласуют с частотой собственных колебаний цементного раствора. Возбуждение колебаний обсадной колонны осуществляют в течение времени, при котором прочность камня в затрубном пространстве на основе цементного раствора достигает 0,5 его нормативной прочности.
Недостатками данного способа являются сложность его исполнения и удорожание подготовительных работ без видимых преимуществ по сравнению с традиционными методами.
Наиболее близким к предлагаемому является способ цементирования скважин [4] цементным раствором, приготовленным на электрохимически активированном католите пресной воды.
Недостатками этого способа является, как и в традиционных методах, недостаточно плотное прилегание цементного камня к внешней поверхности обсадной трубы и поверхности скважины, что приводит к наличию каналов, по которым протекают флюиды.
Задачей изобретения является устранение недостатков, указанных в отмеченных выше способах, в том числе и в прототипе.
Технической задачей изобретения является разработка способа цементирования скважин, обеспечивающих хорошую герметизацию межтрубного пространства и, тем самым, отсутствие межколонного давления газа, что уменьшит утечку газа из скважины и увеличит безопасность ее эксплуатации.
3
Практика показывает [5], что значительное количество газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин на месторождениях и подземных хранилищах газа (ПХГ) в России и за рубежом имеют межколонные давления (МКД) и межпластовые перетоки (МПП). Так 30-50% скважин (на некоторых месторождениях до 80%) эксплуатируются с МКД различной величины. Эксплуатация скважин с МКД сопровождается потерями природного газа, которые ориентировочно составляют до 2 млд м метана в год. Основной причиной появления МКД является слабый контакт цементного камня с поверхностью обсадных труб и образование в этих местах фильтрационных каналов. Поэтому улучшение контакта между цементным камнем, внешней поверхностью обсадной трубы и поверхностью скважины обеспечит лучшую герметизацию межколонного пространства.
Сущность изобретения заключается в том, что, с целью увеличения сцепления цементного камня с внешней поверхностью обсадных труб и горной породой, в тампонажный раствор, при его приготовлении, добавляют моноэлектрет с плюсовым или минусовым знаком заряда или биполярный электрет в измельченном, до дисперсного состояния, виде массой до 1%, тщательно перемешивают и продавливают в затрубное пространство, после чего обсадную колонну, на устье скважины, подсоединяют к «отрицательной» (противоположной знаку заряда электрета) клемме источника постоянного электрического тока напряжением от 10 до 24 В и удерживают ее под напряжением до момента затвердевания цементного камня.
Электреты - это диэлектрики, способные длительное время находиться в наэлектризованном состоянии после снятия внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию [6]. Кроме обычных электретов, обладающих противоположными знаками зарядов с разных сторон (биполярные электреты), известны так называемые моноэлектреты, представляющие собой, например, полимерные пленки (пластинки) с зарядом одного знака с обеих сторон. Стабильность зарядов электретов может достигать десятков лет.
Первоначально электретный материал измельчают до дисперсного состояния, а затем его электризуют, превращая в электрет (моноэлектрет или биполярный электрет). И уже в этом состоянии его добавляют в тампонажный раствор при его приготовлении.
Так как заряд частиц электрета - положительный (взяли для примера моноэлектрет), а обсадная колонна имеет отрицательный заряд (подсоединена к «отрицательной» клемме источника постоянного электрического тока), то частицы электрета (положительные) будут перемещаться к поверхности обсадных труб (отрицательной). Это движение обусловлено малой величиной частиц моноэлектрета в тампонажном растворе (возможностью перемещения). Обсадная колонна не имеет возможности перемещаться, так как ее масса огромна по сравнению с частицами электрета (подобно притяжению предмета к Земле, а не наоборот). При своем перемещении частички электрета будут увлекать за собой и частички раствора. Приблизившись к поверхности обсадной колонны, частички электрета прочно прилипают к ней (нейтрализоваться частичке не дает изоляционный слой, образованный тампонажным раствором между частичкой и поверхностью обсадной трубы) под действием электрических кулоновских сил. Эти силы будут действовать на частички электрета в течение времени подключения обсадной колонны к источнику постоянного электрического тока, т.е. до затвердевания цементного камня. В процессе затвердевания частички электрета не будут удаляться от поверхности обсадных труб при усадке цементного камня, а будут оставаться прилипшими к этой поверхности под действием электрических сил. Это и будет обеспечивать герметичность соединения цементного раствора с внешней поверхностью обсадной колонны. То же самое будет происходить на поверхности горной породы - на поверхности скважины. Так как Земля имеет отрицательный электрический заряд [7], то между поверхностью скважины и частичками электрета, расположенными вблизи от нее, будут действовать силы притяжения (частички положительно заряжены, а поверхность скважины - отрицательно заряжена). Поверхность скважины перемещаться не имеет возможности, а будут к ней перемещаться частички электрета, которые прочно прилипнут к ней, обеспечивая герметичность соединения цементного камня с поверхностью обсадной колонны и поверхностью скважины.
При использовании обычного электрета (биполярного электрета) эффект прилипания частиц электрета к поверхности обсадной колонны и поверхности скважины будет меньше, по сравнению с моноэлектретом, так как частицам необходимо поворачиваться вокруг своего центра масс так, чтобы сторона с электрическим зарядом противоположного обсадной колонне и поверхности скважины знака (положительным зарядом) была направлена к ним. Это сделать смогут не все частички из-за вязкости раствора и из-за неопределенности заряда в центральной части пространства между обсадной колонной и стенкой скважины.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, являются:
1. Использование электретов для добавки в тампонажный раствор в качестве электрических зарядов.
2. Использование электрических зарядов в цементном растворе и на обсадной колонне противоположного знака для образования силы притяжения между ними и перемещения зарядов в цементном растворе к внешней поверхности обсадной колонны.
3. Использование электрических зарядов в цементном растворе и в горной породе противоположного знака для образования силы притяжения между ними и перемещения зарядов в цементном растворе к поверхности скважины.
4. Использование прилипших к внешней поверхности обсадной колонны и к поверхности скважины заряженных частиц для образования герметичного соединения между цементным камнем, обсадной колонной и горной породой.
Существенными отличительными признаками по устройству являются:
- наличие источника постоянного электрического тока;
- присоединение источника постоянного электрического тока к обсадной колонне у ее устья;
- наличие электретов в тампонажном растворе;
- наличие размельчителя электретного материала;
- наличие электризатора - изготовителя электрета.
Использование новых признаков обеспечивает достижение технического результата изобретения, а именно: повышение прочности сцепления цементного камня с внешней поверхностью обсадной колонны и с поверхностью скважины и, тем самым, обеспечение лучшей герметичности заколонного пространства.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлен продольный разрез обсадной колонны и скважины в момент ее цементирования. На фиг.2 приведены составляющие устройства для цементирования обсадных колонн предлагаемым способом.
На продольном разрезе скважины, фиг.1, показано, что в момент цементирования предлагаемым способом обсадная колонна 1 находится в положении, когда осуществляется продавка тампонажного раствора 3 в затрубное пространство между внешней поверхностью 4 обсадной колонны и поверхностью скважины 8. Заранее приготовленный тампонажный раствор, включающий в своем составе и электреты положительного знака (на чертеже показаны моноэлектреты), по внутренней полости обсадной колонны под давлением, через торец обсадной колонны выдавливается в затрубное пространство 9, заполняя его. Обсадная колонна 1 подсоединена в это время к «отрицательной» клемме источника постоянного электрического тока 2, в результате чего обсадная колонна находится под напряжением отрицательного знака. Земля также имеет отрицательный заряд, следовательно, стенка скважины несет на своей поверхности электрический заряд отрицательного знака. В тампонажном растворе имеются частички электрета 5, заряженные положительно (в качестве примера показаны на чертеже). Под действием электрических (кулоновских) сил эти частички концентрируются на поверхности обсадной колонны и на поверхности скважины, образуя, соответственно, более плотные и герметичные слои 6 и 7. Обсадная колонна 1 может быть соединена с «положительной» клеммой источника постоянного электрического тока. Но тогда частички электрета 5 должны быть заряжены отрицательно. На фиг.2 представлены составные элементы устройства для цементирования обсадных колонн предлагаемым способом. В их состав входят: размельчитель электретного материала 10, который измельчает этот материал до дисперсного состояния. И чем мельче будет измельчение, тем подвижнее будут частички электрета, тем лучшая герметизация заколонного пространства будет обеспечиваться; электризатор 11 - изготовитель электрета. Электризатор, воздействуя своими электромагнитными полями на электретный материал, находящийся в измельченном, но диэлектрическом состоянии, превращает его в электрет, т.е. делает частички заряженными (или одинаково - моноэлектрет, или с противоположными знаками - биполярный электрет); смеситель 12 приготовитель тампонажного раствора, который, после подбора определенных составляющих, в том числе и электрета, тщательно перемешивает его, доводя до состояния, пригодного для продавливания в заколонное пространство; устройства для продавки тампонажного раствора 13 в затрубное пространство. Здесь используются традиционные устройства, использование оригинальных устройств не предполагается; источник постоянного электрического тока, который подсоединяется своей «отрицательной» (как показано на чертеже) или «положительной» клеммой на устье скважины к обсадной колонне.
Цементирование предлагаемым способом включает в себя следующее.
Перед приготовлением тампонажного раствора готовится электрет. Для этого осуществляется размельчение электретного материала размельчителем до дисперсного состояния. Затем измельченный материал электризуется (превращается в электрет). Знак электризации определяется заранее.
Электрет может к скважине доставляться уже в готовом виде, т.е. не обязательно измельчать и электризовать электретный материал около скважины.
После этого готовится тампонажный раствор, когда все его компоненты, в том числе и электрет, вместе с растворителем тщательно перемешиваются смесителем и доводятся до состояния, пригодного для продавливания в затрубное пространство.
Далее известными устройствами осуществляется продавливание приготовленного тампонажного раствора в затрубное пространство. После этого включается в рабочее состояние источник постоянного электрического тока, подсоединенный своей клеммой (на чертеже для примера взята «отрицательная» клемма) к обсадной колонне на ее устье. И остается источник тока 2 включенным до отверждения цементного камня 3. При этом обсадная колонна, имея на себе отрицательный заряд, притягивает из тампонажного раствора положительно заряженные частички электрета. Так как эти частички покрыты слоем цементного раствора, то между внешней поверхностью обсадной колонны и частичками электрета существует изоляционный слой, который не позволяет переходить электронам с обсадной трубы на эти частички и их нейтрализовывать. Поэтому частички электрета приближаются к внешней поверхности обсадной колонны 1, концентрируются около этой поверхности, удерживаемые электрическими (кулоновскими) силами, образуя прилегающий к внешней поверхности обсадных труб слой 6, более плотный и обладающий, за счет сил притяжения, лучшей сцепляемостью с поверхностью обсадной колонны. В зависимости от напряжения, подаваемого на обсадную колонну, будет зависеть и степень сцепляемости. Но, с точки зрения безопасности обслуживающего персонала, поднимать напряжение выше 24 В не целесообразно. Слишком низкое напряжение, ниже 10 В, не даст желаемого эффекта.
То же самое будет происходить на поверхности скважины. Однако т.к. электрический заряд Земли значительно меньше, чем подаваемый на обсадную колонну, то и эффект образования слоя 7 около поверхности скважины будет слабее, чем у поверхности обсадных труб. Но, тем не менее, сцепление цементного камня с породой скважины будет сильнее, чем без использования электрета. Когда цементный камень затвердеет, источник постоянного электрического тока выключается.
Предлагаемый способ цементирования обсадных колонн позволяет значительно повысить герметичность цементируемого заколонного пространства, чем уменьшить проявления межколонных давлений и утечки газа.
Источники информации
1. Патент РФ №2149981, «Тампонажный раствор».
2. Патент РФ №2319722, «Полимерцементный тампонажный раствор».
3. Патент РФ «Способ вибрационного цементирования обсадных труб в скважинах». Регистрац. номер заявки - 92012958. Номер публикации патента - 2094590.
4. Авторское свидетельство СССР №1134699, «Способ цементирования скважин».
5. Рубан Г.Н., Нифантов В.И. и др. «Оценка технического состояния скважин ПХГ и требования к технологии их строительства». Материалы совещания «Обеспечение промышленной безопасности объектов подземного хранения газа ОАО «Газпром». Результаты работы в 2009 г. и ход выполнения работ в 2010 г. П. Красная Поляна, март 2010 г. - М.: Газпром. - С.34-39.
6. Электреты / Под ред. Сесслера Г. - М: Мир, 1983. - 487 с.
7. Электрический заряд Земли, www.p-energy.ru/node/212.