СПОСОБ РЕМОНТА СКВАЖИН ПОДЗЕМНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ
METHOD OF REPAIRING WELLS OF UNDERGROUND RESERVOIRS

Изобретение относится к эксплуатации подземных резервуаров, созданных в каменной соли, и предназначено для восстановления герметичности эксплуатационной колонны.
Известен способ ремонта эксплуатационной скважины, включающий установку искусственного забоя из вязкоупругого состава и подачу цементного раствора по колонне труб (см. п РФ №2121559 от 27.03.98 по кл. Е21В 33/13, опубл. 10.11.98, ОБ №31). Вязкоупругий раствор устанавливают в интервале ниже нижней границы негерметичности эксплуатационной колонны, при этом высоту определяют из условия обеспечения равновесия гидростатического давления столба жидкости в скважине и пластового давления.
Недостатками способа является некачественное восстановление герметичности эксплуатационной колонны скважин подземных резервуаров, созданных в каменной соли. Искусственный забой из ВУС не позволяет создать прочного цементного камня в башмаке эксплуатационной колонны, т.к. прочностные свойства ВУС не обеспечат установку цементного раствора большого объема в заданном интервале. При подаче цементного раствора одной порцией может произойти нарушение сплошности ВУС и, как следствие, утечка цементного раствора. Утечка последнего может также происходить на контакте ВУС с породой резервуара, т.к. ВУС не является инертным к каменной соли и не обеспечит качественное сцепление с ней. Способом не предусматривается спуск дополнительной обсадной колонны, а в случае спуска последней искусственный забой не позволит создать качественное цементное кольцо между эксплуатационной и дополнительной обсадной колоннами, поскольку нагрузки, возникающие в процессе выполнения операции, могут вызвать частичное разрушение или его сползание из-за отсутствия адгезии используемого цементного раствора к каменной соли.
Известен способ ремонта скважин подземных резервуаров, включающий перфорирование нижней части эксплуатационной колонны, установку искусственного забоя, тампонирование нижней части эксплуатационной колонны, спуск дополнительной обсадной колонны и ее цементирование до устья скважины (см. п РФ №2211300 от 27.12.2001, по кл Е21В 29/00, опубл. 27.08.2003, ОБ №24). В качестве искусственного забоя устанавливают пакер. Тампонирование нижней части эксплуатационной колонны ведут закачкой в скважину нагретого до 60-90°С рассола.
Недостатком способа является некачественное восстановление герметичности эксплуатационной колонны скважин подземных резервуаров, созданных в каменной соли. Подземные резервуары чаще всего имеют большие диаметры и применение в этих случаях пакеров невозможно. Используемый пакер, перекрывая пространство между эксплуатационной колонной (основной) и дополнительной обсадной колонной, не позволяет производить изоляцию цементным раствором нормальной плотности в интервале башмака и создать прочный и непроницаемый цементный камень за эксплуатационной колонной, где могут быть каверны, образованные при размыве в солях подземного резервуара. Использование концентрированного рассола, например раствора NaCl, нагретого до температуры выше температуры пород (60-90°С), не обеспечит качественное восстановление герметичности эксплуатационной колонны, так как при остывании в скважине из рассола выкристаллизовываются кристаллы соли, которые способны закупорить только мелкие трещины, но не способны закупорить крупные, а тем более каверны. Ремонт скважин подземных резервуаров, созданных в каменной соли, с использованием указанного раствора может производиться только при наличии в заколонном пространстве вязкопластичных глин, которые в период кристаллизации соли из рассола проникают в зону трещинообразований в заколонном цементном кольце. А если таких глин нет, то достичь качественного ремонта невозможно.
Технический результат заключается в повышении качества восстановления герметичности эксплуатационной колонны за счет создания прочного и непроницаемого цементного камня в интервале башмака эксплуатационной колонны из-за возможности использования цементного раствора нормальной плотности, обеспечения доставки его в зону ниже башмака колонны, исключения взаимодействия с жидкостью в скважине и возможности дополнительной герметизации.
Технический результат достигается тем, что в способе ремонта скважин подземных резервуаров, включающего перфорирование нижней части эксплуатационной колонны, установку искусственного забоя, тампонирование нижней части эксплуатационной колонны, спуск дополнительной обсадной колонны и ее цементирование до устья скважины.
3
По заявляемому способу скважину предварительно заполняют насыщенным водным раствором поваренной соли плотностью 1180-1200 кг/м до подошвы искусственного забоя.
Перфорирование нижней части эксплуатационной обсадной колонны осуществляют выполнением четырех диаметрально расположенных отверстий диаметром 20 мм.
3
Искусственный забой устанавливают путем закачивания в скважину обратной эмульсии с содержанием наполнителя - полипропиленового волокна, в количестве 0,03-0,05 мас.% от объема обратной эмульсии, и цементного раствора плотностью 900-1000 кг/м, затворенного на минерализованной воде, в объемах обеспечивающих создание ими в открытом стволе скважины столбов по 10 м каждый, и выдержки скважины на период ОЗЦ.
Перед закачиванием указанного цементного раствора в средней части интервала его расположения выполняют три кольцевые проточки глубиной 15 см на расстоянии 1 м друг от друга.
После выдержки скважины на период ОЗЦ расширяют ствол скважины, увеличивая его диаметр в интервале от кровли искусственного забоя до башмака эксплуатационной колонны.
3
Тампонирование нижней части эксплуатационной колонны осуществляют путем подачи цементного раствора плотностью 1840-1900 кг/м, затворенного на минерализованной воде, в объеме, рассчитываемом по формуле:
1
1
в
2
2
2
V=0,785*(K*D)*h+0,785*D *h,
К - коэффициент расширения ствола скважины;
D - номинальный (первоначальный до расширения) диаметр ствола скважины, м;
в
D - внутренний диаметр эксплуатационной колонны, м;
1
1
h - расстояние между кровлей искусственного забоя и башмаком эксплуатационной колонны, h≥10 м;
2
h - высота цементного стакана, м,
и выдержки скважины на период ОЗЦ с последующим разбуриванием цементного стакана на глубину, обеспечивающую установку башмака дополнительной обсадной колонны ниже башмака эксплуатационной колонны.
В качестве обратной эмульсии используют следующий состав, мас.%:
Углеводородная жидкость
20-25
Водный раствор хлорида
кальция плотностью 1120 кг/м<sup>3</sup>
74-78,5
Катионный эмульгатор
1,0-1,5
Таким образом, данное техническое решение соответствует условию новизны.
Скважины подземных резервуаров, созданные в каменной соли, чаще всего предназначались для хранения жидких углеводородов, поэтому особых требований к герметичности эксплуатационной обсадной колонны не предъявлялось. При переводе построенных подземных резервуаров на подземное хранение газа требования по герметичности резко возросли.
Причиной негерметичности эксплуатационной колонны является низкое качество сцепления цементного камня с обсадной колонной и горной породой, особенно в интервале залегания солей. По трещинам и каналам заколонного пространства газ может просачиваться на поверхность. Во многих случаях при размыве солей в подземном резервуаре башмак эксплуатационной колонны оказывается оголенным, незацементированным, с кавернами. Другой причиной могут быть нарушения эксплуатационной колонны.
3
3
Перед проведением ремонтных работ скважину подземного резервуара предварительно заполняют насыщенным водным раствором поваренной соли плотностью 1180-1200 кг/м до подошвы искусственного забоя. Это требуется для того, чтобы установить на поверхности водного раствора поваренной соли искусственный забой, включающий закачивание обратной эмульсии с наполнителем и цементного раствора плотностью 900-1000 кг/м. Плотности водного раствора поваренной соли, обратной эмульсии и тампонажного раствора выбирают из условия
ж
э
р
ρ>ρ>ρ,
ж
3
где ρ - плотность насыщенного водного раствора поваренной соли, кг/м;
э
3
ρ - плотность обратной эмульсии с наполнителем, закачиваемой в скважину, кг/м;
р
3
ρ - плотность цементного раствора, затворенного на минерализованной воде, кг/м.
Такое соотношение плотностей водного раствора поваренной соли, обратной эмульсии и цементного раствора выбраны для того, чтобы при закачивании в скважину обеспечить их седиментационную устойчивость и сохранить последовательное размещение в скважине, исключающее замещение друг другом.
Перфорирование нижней части эксплуатационной колонны осуществляют выполнением четырех диаметрально расположенных отверстий диаметром 20 мм на расстоянии 10 м выше башмака этой колонны. Выбранный диаметр и равномерное расположение отверстий по окружности обеспечивают сообщение между заколонным и колонным пространством скважины, необходимое для пропуска флюида из заколонного пространства. Выполнение отверстий диаметром более 20 мм вызовет изменение скорости потока, что ухудшит качество заполнения тампонажным раствором каналов. Выполнение отверстий диаметром, меньшим выбранного, не обеспечит снижение сопротивления при цементировании нижней части эксплуатационной колонны.
3
3
При установке искусственного забоя перед закачиванием цементного раствора плотностью 900-1000 кг/м, затворенного на минерализованной воде, выполнение трех кольцевых проточек в средней части интервала его расположения глубиной 15 см на расстоянии 1 м друг от друга необходимо для повышения несущей способности искусственного забоя и предотвращения его перемещения на контакте с горной породой (каменной солью) после затвердевания цементного раствора. Созданный таким образом искусственный забой выдерживает дополнительное нагружение цементным раствором плотностью 1840-1900 кг/м, обеспечения доставку его в зону ниже башмака колонны.
3
3
3
Высота искусственного забоя зависит от прочности при изгибе цементного камня на основе цементного раствора плотностью 900-1000 кг/м и площади поверхности искусственного забоя (диаметра ствола скважины). Чем больше прочность цементного камня и меньше площадь поверхности искусственного забоя, тем требуется меньшая высота интервала расположения искусственного забоя. Прочность при изгибе цементного камня на основе цементного раствора плотностью 900-1000 кг/м через двое суток твердения при температуре 20°С составляет не более 1,0 МПа, поэтому высоту интервала расположения указанного цементного раствора принимают равной 10 м. Высота обратной эмульсии с наполнителем должна быть не менее высоты цементного раствора плотностью 900-1000 кг/м для предотвращения их взаимного замещения в процессе закачки. Поэтому высоту столба обратной эмульсии с наполнителем принимают равной 10 м.
3
3
3
Цементный раствор плотностью 900-1000 кг/м для установки искусственного забоя и цементный раствор плотностью 1840-1900 кг/м для цементирования нижней части эксплуатационной колонны затворяют минерализованной водой (NaCl) плотностью 1050-1100 кг/м для предупреждения растворения каменной соли породы на контакте с цементным раствором и образования каналов для пропуска газа из скважины.
1
Тампонирование нижней части эксплуатационной колонны обеспечивает герметизацию заколонного пространства в интервале башмака колонны при наличии незацементированных каналов или каверн и создает изоляционный герметичный цементный экран ниже башмака эксплуатационной колонны. Высоту этого изоляционного экрана, составляющую расстояние между башмаком эксплуатационной колонны и кровлей искусственного забоя, h, необходимо принимать не менее 10 м, что связано с обеспечением гарантированной изоляции нижней части эксплуатационной колонны от прорыва из скважины газа, а также с качеством цементного камня по газопроницаемости и качеством контакта цементного камня с горной породой - галитом (каменной солью).
3
В интервале от кровли искусственного забоя до башмака эксплуатационной колонны ствол скважины расширяют механическим расширителем, увеличивая его диаметр. Этот диаметр лимитируется характеристикой самого механического расширителя. Для выполнения этой операции можно использовать гидромонитор, однако использование стандартного гидромонитора не обеспечит равномерное разрушения каменной соли. Расширение ствола требуется для предупреждения растрескивания цементного камня при разбуривании цементного стакана перед спуском дополнительной обсадной колонны. Более толстая стенка цементного стакана обеспечивает более высокую прочность и устойчивость от растрескивания. В формулу для подсчета объема цементного раствора плотность 1840-1900 кг/м, затворенного на минерализованной воде, вводят коэффициент расширения ствола скважины К, который определяется как соотношение между максимально возможным расширенным диаметром скважины, полученным с помощью механического расширителя, и номинальным диаметром скважины в интервале выполнения расширения.
При установке искусственного забоя на поверхность насыщенного водного раствора поваренной соли в скважину закачивают обратную эмульсию с содержанием наполнителя - полипропиленового волокна в количестве 0,03-0,05 мас.% от объема обратной эмульсии. Обратная эмульсия выполняет роль разделительной жидкости между водным раствором поваренной соли и цементным раствором. Благодаря гидрофобности, обратная эмульсия не смешивается с этими жидкостями.
Обратная эмульсия обладает структурирующими свойствами и в качестве наполнителя содержит полипропиленовое волокно. Этот наполнитель в предлагаемых соотношениях практически не влияет на пластическую вязкость, но существенно повышает предельное динамическое напряжение сдвига и коэффициент тиксотропии, что обеспечивает формирование структуры в короткие сроки после закачивания в скважину. При использовании полипропиленового волокна в количестве менее 0,03% невозможно получить описанные свойства. Использование в количестве более 0,05% нецелесообразно, поскольку с увеличением его количества свойства эмульсии существенно не изменяются.
Цементный раствор не разбавляется скважинной жидкостью, благодаря чему обеспечивается хорошее качество цементного камня, в первую очередь по прочности.
При использовании в составе углеводородной жидкости в количестве менее 20 мас.% эмульсия не обладает достаточной седиментационной устойчивостью, а добавка ее более 25 мас.% не обеспечивает достаточной вязкости для удержания наполнителя во взвешенном состоянии.
Добавка водного раствора хлорида кальция менее 74 мас.% не позволяет получить состав обладающий достаточной вязкостью, а добавка более 78,5 мас.% не обеспечит седиментационной устойчивости эмульсии.
Применение катионного эмульгатора в количестве менее 1 мас.% не позволяет получить состав с достаточной седиментационной устойчивостью, а более 1,5 не целесообразно, поскольку свойства эмульсии не изменяются.
Спуск дополнительной обсадной колонны ниже башмака эксплуатационной колонны обеспечивает дополнительную герметизацию заколонного пространства, что гарантирует ее качество. А цементирование дополнительной колонны до устья обеспечивает устранение нарушений (трещины, коррозионные повреждения, износ) в эксплуатационной колонне.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает создание прочного и непроницаемого цементного камня в интервале башмака эксплуатационной колонны, что характеризует высокое качество восстановления герметичности эксплуатационной колонны. Из научно-технической и патентной литературы нами не выявлены источники информации, содержащие признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Техническое решение не следует для специалиста явным образом из уровня техники, следовательно имеет изобретательский уровень.
Сущность заявляемого способа поясняется следующим примером.
Исходные данные:
Диаметр эксплуатационной колонны, D, мм
324
Глубина спуска эксплуатационной колонны, L, м
803
Диаметр открытого ствола
скважины в интервале 803-850 м, м
0,50-0,60
Диаметр открытого ствола скважины
в интервале 850-880 м, м
0,40-0,48
Глубина подземного резервуара, м
1196
Плотность насыщенного
водного раствора поваренной
соли, заполняющего скважину, кг/м<sup>3</sup>
1200
По данным АКЦ за эксплуатационной колонной каверны отсутствуют, но качество контакта цементного камня с колонной и стенками скважины неудовлетворительное. Подземный резервуар строился для хранения углеводородных жидкостей. В настоящее время поставлена задача перевода этого подземного резервуара на хранение газа. Для этого необходимо проведение ремонтных работ с целью повышения герметичности крепи (эксплуатационной обсадной колонны) скважины.
3
2
2
3
1
Готовят технологические жидкости, для чего рассчитывают необходимые объемы. Для тампонирования нижней части эксплуатационной колонны используют цементный раствор, затворенный на минерализованной воде, плотностью 1900 кг/м, объемом V=0,785*(2,67*0,6)*10+0,785*0,3*10=20,8 м, при этом расстояние между кровлей искусственного забоя и башмаком эксплуатационной колонны принимаем равной минимально возможному значению, 10м, а коэффициент расширения ствола скважины 2,67 (максимально возможный размер расширенного ствола скважины при использовании механического расширителя составляет 1,60 м).
лр
2
3
Диаметр ствола скважины в зоне расположения цементного раствора плотностью 1000 кг/м, затворенного на минерализованной воде, и обратной эмульсии с полипропиленовым волокном одинаков, поэтому объем, необходимый для создания столба, высотой 10 м составляет V=0,785*0,6*10=2,83 м.
Обратная эмульсия имеет следующий состав, мас.%:
Дизельное топливо
25
Водный раствор хлорида кальция
74
Эмультал
1
Дизельное топливо по ГОСТ 305-82, хлорид кальция по ГОСТ 4460-87, эмультал по ТУ 6-14-1035-79.
3
3
3
В одной емкости готовят 2,123 м водного раствора хлорида кальция плотностью 1120 кг/м (332,7 кг безводного хлорида кальция), в другой емкости растворяют 43 кг эмультала в 0,707 м дизельного топлива. Оба раствора откачивают через тройник и диспергатор в отдельную емкость и диспергируют до получения однородной эмульсии (2-3 цикла). В готовую эмульсию вводят 1,42 кг полипропиленового волокна, что составляет 0,05 мас.% от объема эмульсии, и равномерно перемешивают до получения однородной массы.
3
2
3
Исходя из вышеприведенных расчетов определяют необходимый уровень насыщенного водного раствора поваренной соли. Уровень должен составлять 833 м. Эхолотом в скважине определяют уровень раствора поваренной соли, заполняющего скважину, и доливают до требуемой отметки. Отметка уровня жидкости в скважине составляет 835,4 м. Заполняют скважину насыщенным водным раствором поваренной соли плотностью 1200 кг/м, объемом V=0,785*0,6*2,4=1,13 м. Для приготовления этого объема раствора требуется 351,7 кг кристаллической соли.
3
3
3
3
2
2
2
3
2
Эксплуатационную колонну перфорируют в интервале 10 м от башмака, создавая четыре диаметрально расположенных отверстия. Диаметр каждого отверстия равен 20 мм. Через НКТ закачивают рассчитанный объем обратной эмульсии с наполнителем. С помощью механического расширителя на глубине 817 м,818 м и 819 м выполняют кольцевые проточки глубиной 15 см, после чего закачивают цементный раствор плотностью 1000 кг/м, затворенный на минерализованной воде. Выдерживают скважину в течение 48 часов, после чего расширяют вышележащий интервал ствола скважины до башмака эксплуатационной колонны, увеличивая диаметр на 1,0 м. Подают 20,8 м тампонажного раствора, затворенного на минерализованной воде, плотностью 1900 кг/м. Выдерживают скважину 24 часа. Разбуривают цементный стакан, углубляясь ниже башмака эксплуатационной колонны на 10 м. Спускают дополнительную обсадную колонну и цементируют ее до устья, закачивая в скважину цементный раствор плотностью 1900 кг/м в объеме V=0,785*(0,304-0,245)*803+0,785*0,225*10=20,42+0,4=20,82 м.
Через 24 час, составляющих время ожидания затвердевания цемента, проводят испытания дополнительной обсадной колонны на герметичность. Испытания были проведены успешно, что характеризует высокое качество восстановления герметичности и промышленную применимость изобретения. Изобретение имеет изобретательский уровень, является новым и промышленно применимым, следовательно, соответствует условию патентоспособности.