способ крепления нефтегазовой скважины

Формула изобретения

1. Способ крепления нефтегазовой скважины, включающий закачивание тампонажного раствора в затрубное пространство скважины с последующей его обработкой акустическим полем с частотной характеристикой, близкой к частоте собственных колебаний обсадной колонны, создаваемым источником воздействия, перемещающимся в обсадной колонне, отличающийся тем, что акустическое поле в тампонажном растворе создают приложением одиночных импульсов давления, генерируемых источником, с возможностью создания в растворе затухающих колебаний с начальной амплитудой давления 0,8 - 2,0 МПа, а обработку раствора начинают при спуске источника воздействия от устья скважины к забою, при этом время достижения источником забоя равно времени снижения давления столба тампонажного раствора до пластового, затем при движении источника от забоя обработку раствора осуществляют ступенчато, в две стадии, при этом на первой стадии задают скорость движения источника, при которой время приложения воздействия к раствору близко или равно к оптимальному времени акустической обработки и ее поддерживают до отметки, выше которой раствор набирает прочность структуры, снижающую давление столба до пластового, а на второй стадии скорость движения источника увеличивают до величины, в пределах которой воздействие осуществляют полное разрушение структуры раствора, при этом интервал движения источника на этой стадии определяют отметкой, выше которой снижение давления столба раствора до пластового по времени достаточно для возвращения источника с этой же скоростью к исходной отметке и выполнения первой стадии следующей ступени, после этого стадии последовательно повторяют до полной обработки интервала расположения раствора за колонной.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника акустического воздействия используют электрогидроимпульсное устройство.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, а, именно к нефтегазодобывающей и предназначено для крепления нефтегазовых скважин.

Известен способ крепления нефтегазовых скважин, включающий закачивание тампонажной смеси с добавками в затрубное пространство и последующую обработку ее термоакустическим полем в диапазоне частот 10 - 100 кГц с интенсивностью (0,2-0,5) 10 Вт/м (а.с. 574523, кл. E 21 B 33/14, 1974).

К недостаткам способа следует отнести следующее: не обеспечивается устранение "зависания" тампонажного раствора, а значит, и поддержание давления столба раствора на уровне выше пластового; не учитывается согласование амплитудно-частотной характеристики акустического сигнала воздействия с собственной частотой колебаний цилиндрической оболочки (обсадной трубы), что значительно снижает коэффициент передачи акустического сигнала от источника к тампонажному раствору; локальная обработка тампонажного раствора позволяет получить высокое качество цементирования только на отдельном участке скважины; не учитывается предельное время обработки и оптимальное время приложения акустического воздействия к тампонажному раствору, которые позволяют наиболее эффективно использовать акустическое воздействие; использование в качестве воздействия акустического сигнала гармонического типа, который по эффективности устранения "зависания" тампонажного раствора в период ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) уступает импульсному воздействию.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ цементирования (патент США N 4658897, кл. E 21 B 33/14, 1987), заключающийся в закачивании тампонажного раствора в затрубное пространство с последующей его обработкой акустическим полем, с частотной характеристикой близкой к частоте собственных колебаний обсадной колонны, создаваемым источником действия перемещающимся в обсадной колонне.

Однако применение этого способа не обеспечивает поддержание давления столба тампонажного раствора выше пластового. Как и в предыдущем случае, способ не учитывает предельное время обработки и оптимальное время приложения акустического воздействия, которое имеет гармоническую форму сигнала.

Целью настоящего изобретения является исключение нефтегазопроявлений и повышение качества цементирования скважин путем поддержания давления столба тампонажного раствора выше пластового давления и выполнения обработки в пределах близких к оптимальному времени приложения воздействия.

Поставленная цель достигается способом, включающим закачивание тампонажного раствора в затрубное пространство скважины с последующей обработкой акустическим полем, с частотной характеристикой близкой к частоте собственных колебаний обсадной колонны, создаваемым источником воздействия перемещающимся в обсадной колонне, в котором согласно предлагаемого изобретения акустическое поле в тампонажном растворе создают приложением одиночных импульсов давлений генерируемых источником с возможностью создания в растворе затухающих колебаний с начальной амплитудой давления (0,8 - 2,0) МПа, а обработку раствора начинают при спуске источника воздействия от устья скважины к забою, при этом время достижения источником забоя равно времени снижения давления столба тампонажного раствора для пластового, затем при движении источника от забоя обработку раствора осуществляют ступенчато, в две стадии. На первой стадии задают скорость движения источника, при которой время приложения воздействия к раствору близко или равно оптимальному времени акустической обработки, и ее поддерживают до отметки, выше которой раствор набирает прочность структуры снижающую давление столба до пластового. На второй стадии скорость движения источника увеличивают до величины, в пределах которой воздействие осуществляет полное разрешение структуры раствора, при этом интервал движения источника на этой стадии определяют отметкой, выше которой снижение давления столба раствора до пластового по времени достаточно для возвращения с этой же скоростью к исходной отметке и выполнения первой стадии следующей ступени. После этого стадии последовательно повторяют до полной обработки интервала расположения раствора за колонной. В качестве источника акустического воздействия используют электрогидроимпульсное устройство.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что данный способ отличается наличием новых операций, режимов их выполнения, совокупностью и последовательностью операций.

Таким образом, данный способ соответствует критерию новизны изобретения. Сравнение предложенного решения с другими техническими решениями показывает, что операции описываемые в способе известны.

Однако использование их в указанных совокупности, последовательности и режимах их выполнения, позволяет предлагаемому способу увеличить время противодавления на проявляющие пласты и создать оптимальный режим обработки тампонажного раствора, что позволяет исключить нефтегазопроявления и повысить качество цементирования скважин. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию существенных отличий.

Акустическая обработка тампонажного раствора после его закачивания в затрубное пространство позволяет направленно и комплексно влиять на факторы, определяющие качество цементирования скважин. Акустическое воздействие устраняет процесс "зависания" тампонажного раствора за счет разрушения его коагуляционной структуры, при этом прочность структуры раствора снижается до минимальной и давление столба раствора восстанавливается до величины близкой к первоначальной. Это позволяет поддерживать давление столба раствора на определенном уровне, что исключает нефтегазопроявления и повышает прочность контактных зон тампонажного камня, т.к. давление в зоне контакта положительным образом влияет на указанные характеристики [1].

При акустической обработке тампонажного раствора повышаются прочностные характеристики и герметичность тампонажного камня и его контактных зон, повышается седиментационная устойчивость и уменьшаются сроки схватывания тампонажного раствора, снижаются отрицательные последствия контракционных явлений, что в конечном итоге, приводит к повышению качества цементирования скважин.

Применение акустического воздействия для обработки тампонажного раствора в скважине имеет особенности, которые сдерживают внедрение этого способа в практику строительства скважин. К ним следует отнести следующие.

Это влияние многослойной среды и, в первую очередь, обсадной колонны на прохождение акустического сигнала от источника воздействия к тампонажному раствору. Результаты выполненных нами расчетов приведены в виде графиков на фиг. 1. На фиг. 1а показана зависимость амплитуды колебаний () , а на фиг. 1б - зависимость амплитуды акустического давления у наружной поверхности обсадной трубы (Р) от угловой частоты (w) возмущающего сигнала. Максимальные интенсивности, создаваемые источниками гармонического сигнала, согласно [2] следующие: для пьезокерамических излучателей они достигают 1,5 10 Вт/м, для магнитострикционных - 10 Вт/м, что соответствует акустическим давлениям в воде или глинистом растворе, которые используются в качестве продавочных жидкостей при цементировании скважин, соответственно, P = 0,22 МПа и P = 0,55. Графики 1 на фиг. 1 соответствуют акустическому давлению возмущающего сигнала P = 0,55 МПа, а графики 2-Р=0,2 МПа. Из полученных графиков видно, что даже при частоте возмущающего сигнала близкого к частоте собственных колебаний обсадной трубы, т.е. в резонансном режиме амплитуда сигнала создаваемого источников снижается в 4 раза. При отклонении частоты от резонансной в 2 раза, ослабление амплитуды сигнала уже составляет больше 20 раз.

Далее, это ограниченность создаваемых источниками акустической энергии и ее интенсивности, обусловленных их массогабаритными характеристиками применительно к диаметру обсадных труб и кривизне ствола скважины, пропускной способностью канала передачи энергии от источника питания на устье скважины к излучателю, зависимостью эффективности работы источника воздействия от скважинных условий, например, от "угнетающего" действия гидростатического давления и т.д.

И наконец, ограниченность времени обработки тампонажного раствора, обусловленной затратами на закачивание раствора в затрубное пространство скважины, необходимостью обработки всего интервала расположения раствора за колонной для создания надежного и долговечного канала для подачи нефти и газа от продуктивных пластов к устью скважины. В связи с этим необходимо знать предельное время приложения акустического воздействия к тампонажному раствору от начала цементирования.

Это связано с тем, что приложение акустического воздействия к раствору дает положительный эффект на начальных стадиях формирования структуры тампонажного раствора (камня), на других же имеет отрицательный эффект. Таким образом знание предельного времени приложения воздействия к раствору позволяет максимально приблизить к нему время обработки и этим самым достигнуть наибольшую акустическую энергию создаваемую источником для условий скважин, которая положительным образом влияет на качество разобщаемой системы. Кроме того, известно, что существует оптимальное время акустической обработки тампонажного раствора, эффективность которой в несколько раз выше по отношению к обработке сразу после затворения раствора. Это время взято нами в качестве предельного времени обработки раствора. Для нормальных условий это время известно. Нам же необходимо знать это время для условий скважин, где оно зависит, главным образом, от температуры, которая увеличивается с глубиной, а также от седиментационных процессов, проницаемости пластов и т.д. Учитывая, что предлагаемый способ применяется в сочетании с подготовкой ствола скважины волновой гидродинамической кольматацией, можно говорить только о температуре, как факторе, определяющим названное время. Это время нами определено для условий скважин и показано оно на фиг. 2 кривой 2, где приведена схема работы электрогидроимпульсного устройства.

В связи с отсутствием источников воздействия, которые бы могли одновременно создавать акустическое поле в растворе в течение некоторого времени, необходимо также знать графики времени набора структурой раствора прочности в каждой точке расположения раствора за колонной по глубине скважины, при которой давление столба снижается до пластового. Такой график нами определен и показан на фиг. 2 кривой 3. График времени снижения давления столба раствора до пластового 3 качественно совпадает с графиком оптимального времени акустической обработки раствора 2, но по времени он наступает несколько раньше. Для того и другого характерно увеличение времени от забоя к устью скважины. График 4 на фиг. 2 определяет время снижения давления столба раствора до пластового после спуска источника воздействия, график 5 - после полной обработки раствора. Полученные графики послужили основой для разработки схемы работы источника воздействия, позволяющей с учетом особенностей процесса обработки раствора в период ОЗЦ, оптимально использовать акустическое воздействие. График 1 на фиг. 2 показывает схему работы источника воздействия в скважине при акустической обработке тампонажного раствора.

Из фиг. 2 видно, что скорость движения источника воздействия при спуске, при условии достижения им забоя ко времени падения давления столба раствора до пластового, должна быть значительной и составляет она около 0,8 м/с. При такой скорости времени приложения воздействия к раствору ограничено, но при этом должно обеспечиваться разрушение структуры раствора с целью устранения "зависания" тампонажного раствора.

В связи с этим нами были проведены экспериментальные исследования по изучению разрушения структуры тампонажного раствора акустическим воздействием. На фиг. 2 приведена зависимость скорости звука (с) от продолжительности приложения воздействия (t). Скорость звука здесь характеризует прочность структуры раствора. Ее максимальное значение соответствует прочности структуры раствора, при которой давление столба раствора ниже на 25% его начальной величины и близко к пластовому. А минимальная величина соответствует минимальной прочности структуры раствора, при которой давление столба раствора близко к его начальной величине. График 1 характеризует названную зависимость при приложении к обсадной колонне акустического сигнала гармонической формы с P = 0,22 МПа, а график 2 - с P = 0,55 МПа. На фиг. 4 приведена зависимость амплитуды начальной волны давления затухающих колебаний в растворе (Р), при которой происходит максимальное разрушение структуры раствора, от времени приложения (t) одиночного импульса создающего эти колебания. Максимальное время приложения импульсного воздействия равно времени, при котором первоначальное давление столба снижается на 25% и близко к пластовому. Из фиг. 4 следует, что максимальная степень разрушения структуры раствора может быть достигнута мгновенно при воздействии на колонну одиночным импульсом, создающим затухающие колебания в тампонажном растворе с начальной амплитудой давления 0,8 Мпа. При том акустическая энергия затраченная на разрушение в 2,5 раза меньше, чем при воздействии акустическим сигналом гармонической формы. Таким образом, для устранения зависания тампонажного раствора для глубоких скважин, где ограничено время воздействия и величина энергии излучающего устройства, предпочтительным является применение источников импульсного воздействия. Полученные результаты подтверждают данные литературы, посвященные разрушению различных тел при акустическом воздействии. Из анализа этой литературы следует, что скорость нарастания создаваемых деформаций может оказывать значительное влияние на возникающие в телах напряжения. Так при скоростях нарастания, создаваемых деформаций значительно, меньших скорости релаксации, тела обладают свойствами жидкости, а при противоположной ситуации, то же тело обладает свойствами твердого тела (хрупкое разрушение). Это объясняется различной степенью релаксации упругих напряжений при разных скоростях нарастания создаваемых деформаций. В связи с этим для повышения эффективности разрушения рекомендуется деформировать тела со скоростью большей скорости их релаксации. Скорость деформации зависит от длительности фронта нарастания давления и его амплитуды. Длительность фронта давления определяет частоты сигнала воздействия, которая должна быть близкой к частоте собственных колебаний обсадной колонны, изменять ее нельзя из-за рассогласования частот. Скорость деформации в этом случае может быть повышена за счет увеличения амплитуды давления. Амплитуда давлений создаваемых существующими источниками акустических сигналов гармонической формы пригодных для работы в скважине, как уже говорилось, ограничено величиной 0,55 МПа. Большая амплитуда давления, при ограничении потребляемой источником воздействия мощности, может быть достигнута в устройствах с накоплением энергии во времени и последующим ее излучением за короткий промежуток, т.е. созданием мощных одиночных импульсов давления. Верхний предел начальной амплитуды давления ограничивается величиной 2,0 МПа. При давлениях выше этой величины акустические воздействие, согласно [3], декольматирует и разрушает приствольную часть ствола скважины.

Реализация способа приведена на примере скважины глубиной 3000 м осаженной колонной диаметром 146 мм.

Способ осуществляют следующим образом.

В затрубное пространство скважины закачивают расчетный объем тампонажного раствора. Давление столба тампонажного раствора, включающего цементный и гельцементный растворы, должно быть на 25% выше пластового. Пластовое давление на глубине 3000 м составляет 35,8 МПа. Для обеспечения этого условия интервал расположения цементного раствора с плотностью 1820 кг/м составляет 2500-30000 м (500 м) и гельцементного с плотностью 1,55 кг/м 0 - 2500 м (2500 м), а давление столба при таком соотношении составляет 47,85 МПа. После получения момента "Стоп", давление на устье скважины снижают до атмосферного, опрессовывают обратный клапан, и при условии его герметичности, отворачивают цементировочную головку. Время операции не должно превышать 30 мин.

С помощью каротажного подъемника опускают источник воздействия в обсадную колонну. В качестве источника воздействия применяется электрогидроимпульсное устройство, описанное, например, в [4]. Особенность таких устройств перед другими заключается в получении мощных кратковременных импульсов давления при небольшой средней потребляемой мощности за счет накопления энергии в устройстве. Характеристики устройства: зарядное напряжение 30 кВ; емкость накопителя энергии 1,6 мкФ; индуктивность разрядной цепи 4,5 мкГн. Устройство с указанными характеристиками обеспечивает полное разрушение структуры раствора за колонной диаметром 146 мм при скорости его движения 0,8 м/с и менее.

Схема работы источника воздействия приведена на фиг. 2 и представлена графиком 1. Обработку тампонажного раствора начинают при спуске источника воздействия от устья скважины к забою. Скорость движения задается равной 0,8 м/с и она должна обеспечить время достижения источником забоя ко времени снижения давления столба раствора до пластового (на фиг. 2 график 3). Характеристики источника воздействия должны при указанной скорости обеспечивать полное разрушение структуры раствора. Кривая времени снижения столба раствора после спуска устройства сдвигается и на фиг. 2 обозначена цифрой 4 и в нижней части скважины приближается к кривой 2 оптимального времени обработки раствора. При движении источника от забоя, обработка раствора осуществляется ступенчато, в две стадии. На первой стадии задается минимальная скорость движения, которая обеспечивает время приложения воздействия близкое к оптимальному времени приложения воздействия и равна она 0,25 м/с. Такая скорость поддерживается до отметки 2400 м, выше которой раствор набирает прочность структуры, при которой давление столба раствора становится близким к пластовому. С этой отметки выполняется вторая стадия: скорость движения источника увеличивают до величины 0,8 м/с, которая является предельным значением, при котором происходит полное разрушение структуры раствора, при этом интервал с такой скоростью определяется отметкой 1200 м, выше которой снижение давления столба раствора до пластового по времени достаточно для возвращения источника с этой же скоростью к исходной отметке 2400 м и выполнения первой стадии следующей ступени. Первая стадия второй ступеньки выполняется со скоростью 0,3 м/с до отметки 1200 м, вторая стадия этой ступеньки со скоростью 0,8 м/с до отметки 50 м до устья и обратно. И наконец, первая стадия последней ступеньки с отметки 1200 м до отметки 50 м до устья скважины со скоростью 0,2 м/с. За 50 м до устья скважины источник воздействия выключается, поднимается на устье скважины и готовится к транспортному положению.

Акустическое поле в тампонажном растворе создается импульсным воздействием, которое позволяет уменьшить затраты акустической энергии и время для устранения процесса "зависания" тампонажного раствора. При этом максимальная степень разрушения структуры раствора достигается при импульсном воздействии на колонну создающим затухающие колебания в растворе с начальной амплитудой давления 0,8 МПа и более, до 2 МПа.

При увеличении диаметра снижается собственная частота обсадной колонны и амплитуда импульса прикладываемая к колонне. Для приведения в соответствие частотной характеристики и амплитуды импульса давления диаметру обсадной колонны, увеличивается запасаемая в источнике энергия за счет увеличения емкости накопителя, который выполнен в модульном исполнении.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет увеличить время притиводавления на проявляющие пласты и создать оптимальный режим обработки тампонажного раствора в скважине, что приводит к исключению нефтегазопроявлений и повышению качества цементирования скважин. За счет этого сокращаются потери углеводородного сырья, снижаются затраты на ремонтно-восстановительные работы, удлиняется срой службы скважин.