Способ обратного цементирования обсадных колонн
METHOD OF INVERSE CEMENTING OF CASING COLUMNS

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано при цементировании обсадных колонн в скважинах различного назначения.
Наиболее распространенным способом цементирования обсадных колонн является способ прямого одноступенчатого цементирования, заключающийся в том, что через цементировочную головку, расположенную на обсадной колонне, внутрь обсадной колонны последовательно закачиваются буферная жидкость и цементный раствор, которые затем через башмак обсадной колонны продавливаются в затрубное пространство, и поднимаются в затрубном пространстве на необходимую высоту [Заканчивание скважин. Овчинников В.П., Аксенова Н.А., Агзамов Ф.А., Нагарев О.В., Учебное пособие для вузов / Тюмень, 2010, стр. 206, 207].
Недостатком данного способа является большая продолжительность операции цементирования, необходимость применения большого количества химических реагентов для регулирования прокачиваемости цементного раствора, большие давления на пласты и большие давления на цементировочных агрегатах, высокая степень загрязнения продуктивного пласта и др.
Указанных недостатков лишен способ обратного цементирования, по патенту «Способ и система для цементирования обсадной колонны в стволе скважины с обратной циркуляцией цементного раствора» [RU 2351746 C2, 13.05.2004]. Сущность способа включает установку инструмента, имеющего множество сквозных отверстий, в нижней секции обсадной колонны; подачу насосом через кольцевое пространство между обсадной колонной и стенкой ствола множества пробок, выполненных с возможностью ввода их в контакт со стенками отверстий инструмента для удерживания цементного раствора в кольцевом пространстве, пока цементный раствор не затвердеет.
Недостатками аналога являются слабый контроль процесса цементирования, образование зон смешения цемента с буферной, а также промывочной жидкостью, языковое течение цементного раствора в наклонно направленных скважинах.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является способ обратного одноступенчатого цементирования, заключающийся в том, что в затрубное пространство скважины последовательно закачивают буферную жидкость и цементный раствор, а жидкость, находящаяся в скважине, выходит на устье скважины через обсадную колонну и цементировочную головку. Когда объем жидкости, вышедший из скважины, становится равным объему затрубного пространства скважины, закачку цементного раствора прекращают, краны на цементировочной головке закрывают, тем самым останавливая процесс цементирования. Цементный раствор при этом должен остановиться (зависнуть) в затрубном пространстве [Соловьев Е.М. «Заканчивание скважин», М., Недра, 1979, 219-220 стр.].
Недостатком указанного способа обратного одноступенчатого цементирования является большая скорость течения цементного раствора вниз по затрубному пространству скважины, «языковое» течение цементного раствора, образование больших зон смешения цементного раствора, с промывочной и буферной жидкостями, попадание больших объемов цементного раствора внутрь обсадной колонны (оставление большого цементного «стакана»), а также сложность фиксирования момента дохождения цементного раствора до башмака обсадной колонны.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и повышение эффективности способа обратного одноступенчатого цементирования.
Указанная цель достигается тем, что в способе обратного цементирования обсадных колонн путем спуска обсадной колонны в скважину, последовательной закачки в затрубное пространство буферной жидкости и тампонажного раствора, последующее удержание тампонажного раствора в затрубном пространстве на период ожидания затвердевания цементного раствора (ОЗЦ), согласно изобретению используют буферную жидкость, содержащую ферромагнитный наполнитель, а внутри обсадной колонны размещают магнит, перемещающийся вниз по колонне, и удерживающий против себя в затрубном пространстве буферную жидкость с ферромагнитным наполнителем и размещенный над буферной жидкостью тампонажный раствор.
При этом скорость перемещения магнита вниз по обсадной колонне синхронизируется со скоростью закачки тампонажного раствора в затрубное пространство и скоростью выхода промывочной жидкости через цементировочную головку, а магнит спускается внутрь обсадной колонны на каротажном кабеле или на гибких трубах. При этом может использоваться постоянный магнит или электрический магнит, снабженный устройствами, обеспечивающими центрирование магнита внутри обсадной колонны и свободу его перемещения внутри обсадной колонны. На выкидной линии, идущей от цементировочной головки, устанавливается штуцер, для контроля расхода жидкости выходящей из скважины.
Возможно использование компоновки из нескольких (более одного) разделенных между собой последовательно установленных магнитов, перемещающихся вниз по колонне и удерживающих против себя буферную жидкости с ферромагнитным наполнителем поверх которой размещен тампонажный раствор.
Для исключения залипания магнита внутри обсадной колонны к ее стенке в предполагаемом изобретении магнит снабжен устройством, центрирующим его в трубном пространстве, например, роликами в количестве от 4 до 6 расположенными равномерно по окружности магнита. Также в дополнение магнит может быть покрыт жидкостью из ферромагнитных нанометровых частиц, снижающей трение. Магнит оснащают грузом, облегчающим процесс спуска магнита с ферромагнитной буферной жидкостью к забою скважины.
Сущность изобретения и схема реализации способа приведена на фигуре 1.
В скважину 1 спускают обсадную колонну 2, оборудованную сверху цементировочной головкой 3, с которой соединена выкидная линия, направленная в емкость 4 для сбора жидкости, выходящей из скважины. На выкидной линии устанавливают штуцер 5, который позволяет обеспечивать регулирование скорости выхода жидкости из скважины. В скважину на каротажном кабеле (или на гибких трубах) 6 спускают электрический или постоянный магнит 7, который перемещается вниз по колонне. В начале операции после спуска магнита на заданную глубину, в затрубное пространство закачивают буферную жидкость 8 с ферромагнитным наполнителем, которая зависает напротив магнита 7. Поверх буферной жидкости 8 с ферромагнитным наполнителем закачивают цементный раствор 9. По мере спуска магнита 7 вниз внутри обсадной колонны 2 буферная жидкость 8 и цементный раствор 9 перемещаются вниз по затрубному пространству, равномерно вытесняя промывочную жидкость 10 через обсадную колонну в мерную емкость 4. Скорость выхода жидкости из обсадной колонны регулируется штуцером 5. Для того чтобы магнит 7 находился концентрично внутри обсадной колонны и не прилипал к внутренней стенке обсадных труб, он оборудуется центрирующим устройством (например роликами 11, расположенными равномерно по окружности магнита). По мере закачки цементного раствора 9, магнит 7 доходит до башмака обсадной колонны 2. После этого кран 12 на выкидной линии закрывают, подача цемента останавливают, магнит может быть извлечен из скважины. Для того чтобы цементный раствор дошел до забоя скважины после извлечения магнита кран 12 открывают, из обсадной колонны 2 выпускают расчетный объем жидкости с тем, чтобы вся буферная жидкость вошла внутрь обсадной колонны, а в затрубном пространстве остался цементный раствор. Для облегчения спуска магнита с ферромагнитной буферной жидкостью к забою скважины магнит оснащают грузом 13.
Применение активированного магнитным полем буфера с ферромагнитной жидкостью позволяет исключить языковое неравномерное течение тампонажного раствора в затрубном пространстве, проваливание цементного раствора внутрь буферной жидкости, внутрь промывочной жидкости, не позволяет образовывать большие зоны смешения, то есть обеспечивает пробковое постепенное равномерное вытеснение промывочной жидкости цементным раствором. При этом происходит полное заполнение затрубного пространства тампонажным раствором, что должно повысить качество цементирования. Поскольку скорость закачки цементного раствора и скорость выхода жидкости из затрубного пространства должны быть синхронизированы - они контролируются штуцером 5, и одновременно с этим синхронизируется скорость спуска магнита 7 обсадной колонны. Это не позволяет зависать цементному раствору в затрубном пространстве до дохождения его до забоя.
Таким образом, в предложенном изобретении имеется совокупность отличительных признаков, позволяющая сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна».
В научно-технической литературе известно применение некоторых технических решений для повышения качества цементирования. В частности, известно применение буферных жидкостей для повышения качества цементирования [Заканчивание скважин. Овчинников В.П., Аксенова Н.А., Агзамов Ф.А., Нагарев О.В., Учебное пособие для вузов / Тюмень, 2010, стр. 225, 226]. Однако, нигде не упомянуто применение буферных жидкостей, содержащих ферромагнитный наполнитель, который активируется под действием магнитного поля, упрочняется, приобретает свойства вязко-пластичного тела, которое в состоянии удержать цементный раствор.
Из литературы неизвестно использование электрических или постоянных магнитов внутри металлических либо неметаллических обсадных труб. Из литературы известно, что магниты, постоянные или электрические, прилипают к металлической поверхности. Для исключения залипания магнита внутри обсадной колонны к ее стенке в предполагаемом изобретении магнит снабжен устройством, центрирующим его в трубном пространстве, также в дополнение может быть покрыт жидкостью из ферромагнитных нанометровых частиц, снижающей трение.
В литературе известно использование штуцеров и кранов для регулирования скорости выхода жидкости из трубного пространства, однако неизвестна операция выпуска небольшой порции промывочной жидкости из затрубного пространства для доведения цементного раствора до башмака обсадной колонны после поднятия магнита.
Таким образом, для реализации этого изобретения необходим комплекс технологических приемов, который позволяет обеспечивать не достигавшийся ранее эффект повышения качества цементирования. Это указывает на соответствие предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень».
Реализация данного технического решения была проведена на лабораторной установке. Внутрь прозрачной пластиковой трубы длинной 3 метра, диаметром 50 мм, толщиной стенки 1,5 мм с установленным в ее нижней части краном, регулирующим скорость спуска жидкости, заливалась при закрытом кране промывочная жидкость, спускалась непрозрачная пластиковая труба длиной 2 метра, диаметром 32 мм, толщиной стенки 1 мм. В непрозрачную трубу сверху на кабеле ниже уровня воды на глубину 150 мм спускали постоянный неодимовый магнит диаметром 25 мм, высотой 8 мм. В кольцевое пространство между трубами заливали буферную ферромагнитную жидкость, содержащую стальные опилки. Высота столба буферной жидкости составила 80-90 мм. Сверху ферромагнитной буферной жидкости в затрубное пространство закачивали цементный раствор. При этом открывали кран в кольцевом пространстве и, одновременно с этим, осуществляли равномерный спуск магнита внутри колонны, который синхронно перемещался с ферромагнитной буферной жидкостью в кольцевом пространстве, которая удерживала цементный раствор и предотвращала образование зон смешения.
После окончания операции была проверена плотность буферной жидкости и цементного раствора, которые соответствовали сходным, до начала операции, что свидетельствовало об отсутствии смешения между буферной жидкостью и цементным раствором.
Пример реализации этого способа доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию «промышленная применимость».
Дополнительные эксперименты показали, что магнит способен активировать ферромагнитную буферную жидкость, находящуюся в затрубном пространстве, даже через металлическую оболочку.
Учитывая факт некоторого глушения магнитного поля стальными стенками обсадной колонны, находящийся в зависимости от их толщины, наибольший интерес применения данного изобретения может представлять процесс обратного цементирования промежуточных и эксплуатационных обсадных труб, выполненных из неметаллического материала (в частности, из стеклопластика).