способ беструбного крепления скважин и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ беструбного крепления скважин, включающий нанесение на стенки скважины шаблоном-экструдером слоя тампонирующего состава, вытекающего через выходное отверстие устройства в скважину при его подъеме, отличающийся тем, что тампонирующий состав непрерывно подают с устья скважины в объеме, достаточном для перекрытия требуемого интервала через колонну труб либо шланги высокого давления, используемые в качестве грузонесущего элемента и соединенные с насосным агрегатом, установленным на поверхности земли, при этом на трубах либо шлангах установлены датчики, измеряющие температуру, давление и расстояние от шаблона-экструдера до стенки скважины, при этом в процессе подъема шаблона-экструдера стенки скважины очищают от фильтрационной корки, а шаблон-экструдер размещается по центру скважины активными центраторами, а вытесняемый буровой раствор, находящийся над шаблоном-экструдером перетекает под экструдер.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве отверждаемого тампонирующего состава используется одно- или многокомпонентное полимерное или минеральное вяжущее.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе формирования крепь может армироваться жгутами из стекловолокна или углеволокна по заранее рассчитанной геометрии или в хаотичном наполнении.

4. Устройство для реализации беструбного крепления скважин, включающее цилиндрический уплотнитель тампонирующего раствора-экструдера, жестко закрепленный на грузонесущем элементе, снабженный отверстиями для выхода тампонирующего состава, конусообразным наконечником, отличающееся тем, что в качестве грузонесущего элемента используются трубы или шланги высокого давления, отверстия для выхода тампонирующего состава размещены на конусообразном наконечнике, над которым установлены щетки для очистки стенок скважины от фильтрационной корки, внутри устройства размещен канал для перепускания жидкости, находящейся в скважине над устройством, под него в процессе подъема, кроме того, внутри устройства размещен насос, регулирующий компоненты тампонирующего состава и их подачу, и контроллер, который управляет работой насоса и активными центраторами, расположенными на корпусе устройства, кроме того, на корпусе устройства установлены датчики, определяющие расстояние от экструдера до стенок скважины и передающие полученную информацию на контроллер.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли, конкретно к технологиям создания крепи скважины, применяемым при строительстве нефтяных и газовых скважин.

В настоящее время наиболее распространенным способом создания крепи нефтяных и газовых скважин после прохождения определенного интервала бурением является спуск осадной колонны в скважину и заполнение пространства между обсадной колонной и стенкой скважины тампонирующим материалом, который после затвердевания превращается в цементный камень (Соловьев Е.М. Заканчивание скважин. М., Недра, 1979. Стр. 169, 170-175, 211-214, 235-236, 263-264). Данный способ крепления имеет несколько разновидностей, но полученное цементное кольцо не всегда имеет необходимую прочность и долговечность.

Известен также способ нецементируемого крепления скважин (Патент РФ 2139413, Е21В 33/14, «Способ строительства скважин»), когда после спуска обсадной колонны часть пространства между обсадной колонной и стенкой скважины заполняют стабильной высоковязкой системой, предупреждающей проявления пластовых флюидов в скважину. Недостатком данного способа является его низкая эффективность.

Известен способ беструбного крепления скважин за счет упрочнения стенок скважины за счет формирования в ней кольматационного экрана (Авторское свидетельство № 1598510, Е21В 43/32, «Способ формирования кольматационного слоя в стенке скважины»).

Недостатком указанного способа является недолговечность крепи (экрана), т.е. создаваемый экран является способом временного крепления скважин, который должен обеспечить устойчивость стенок скважины, например, на период спуска и последующего цементирования обсадных колонн.

Известен способ беструбного электротермического крепления скважин и устройство для его осуществления (Патент РФ 2057901, Е21В 33/138 «Способ электротермического крепления ствола скважины и устройство для его осуществления»), основанный на плавлении легкоплавких тампонажных материалов.

Данный способ обеспечивает крепление стволов только сухих и неглубоких скважин, доставка же тампонирующих материалов к месту крепления отдельных участков тектонических нарушений, трещиноватостей, изоляции зон поглощений на любой интервал глубокой скважины, заполненной глинистым раствором, невозможна.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ беструбного крепления скважин, включающий нанесение слоя тампонирующего состава на стенки скважины шаблоном-экструдером, вытекающего через выходное отверстие устройства в скважину при его подъеме (Патент RU № 2186936, Е21В 33/213 «Устройство для электротермического крепления ствола скважины»).

Недостатком способа, осуществляемого с помощью устройства-прототипа, является низкая его эффективность, связанная с ограниченным объемом емкости для тампонирующего раствора, не позволяющим формировать крепь большой протяженности, с плохим вытеканием тампонирующего раствора из-за возникновения разрежения в емкости, а также с необходимостью подачи электроэнергии к генератору и необходимостью спуска штанг в скважину для подвески устройства. Кроме того, вытекающий тампонирующий раствор не будет вытеснять промывочную жидкость из каверн, а формирующаяся крепь не будет иметь равномерную толщину.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно возможность получения долговечной, равномерной крепи скважины большой протяженности, вплоть до всей длины скважины, без использования обсадных труб.

Поставленная задача достигается тем, что в способе беструбного крепления скважин, включающем нанесение на стенки скважины шаблоном-экструдером слоя тампонирующего состава, вытекающего через выходное отверстие устройства в скважину при его подъеме, согласно изобретению тампонирующий состав непрерывно подают с устья скважины в объеме, достаточном для перекрытия требуемого интервала через колонну труб либо шланги высокого давления, используемых в качестве грузонесущего элемента и соединенных с насосным агрегатом, установленным на поверхности земли, при этом на трубах либо шлангах установлены датчики, измеряющие температуру, давление и расстояние от шаблона-экструдера до стенки скважины, при этом в процессе подъема шаблона-экструдера стенки скважины очищают от фильтрационной корки, а шаблон-экструдер размещается по центру скважины активными центраторами, а вытесняемый буровой раствор, находящийся над шаблоном-экструдером, перетекает под экструдер.

При этом в качестве отверждаемого тампонирующего состава используется одно- или многокомпонентное полимерное или минеральное вяжущее.

Кроме того, в процессе формирования крепь может армироваться жгутами из стекловолокна или углеволокна по заранее рассчитанной геометрии или в хаотичном наполнении.

Для осуществления способа беструбного крепления скважин предложено устройство (Патент РФ 2057901, Е21В 33/138 «Способ электротермического крепления ствола скважины и устройство для его осуществления»), которое включает в себя тампонирующий тепловой пенетратор, генератор электроэнергии, лебедку, блок-баланс, кабель-трос для подвешивания пенетратора и канализации электроэнергии к тампонирующему пенетратору, штангу с центраторами и кабельный замок.

Данное устройство обеспечивает крепление стволов только сухих и неглубоких скважин, доставка же тампонирующих материалов к месту крепления отдельных участков тектонических нарушений, трещиноватостей, изоляции зон поглощений на любой интервал глубокой скважины, заполненной глинистым раствором, невозможна.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является устройство для крепления ствола скважины, содержащее тампонирующий генератор теплоты и уплотнитель с конусообразным наконечником, жестко закрепленные на штанге, источник электроэнергии, легкоплавкий связующий материал, лебедку, грузонесущий кабель для подвешивания генератора теплоты и канализации электроэнергии (Патент RU № 2186936, Е21В 33/213 «Устройство для электротермического крепления ствола скважины»).

Недостатком устройства-прототипа является низкая его эффективность, связанная с ограниченным объемом емкости для тампонирующего раствора, не позволяющим формировать крепь большой протяженности, с плохим вытеканием тампонирующего раствора из-за возникновения разрежения в емкости, а также с необходимостью подачи электроэнергии к генератору и необходимостью спуска штанг в скважину для подвески устройства. Кроме того, вытекающий тампонирующий раствор не будет вытеснять промывочную жидкость из каверн, а формирующаяся крепь не будет иметь равномерную толщину.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно возможность получения долговечной, равномерной крепи скважины большой протяженности, вплоть до всей длины скважины, без использования обсадных труб.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для беструбного крепления скважин, включающем цилиндрический уплотнитель тампонирующего раствора - экструдер, жестко закрепленный на грузонесущем элементе, снабженный отверстиями для выхода тампонирующего состава, конусообразным наконечником, согласно изобретению в качестве грузонесущего элемента используются трубы или шланги высокого давления, отверстия для выхода тампонирующего состава размещены на конусообразном наконечнике, над которым установлены щетки для очистки стенок скважины от фильтрационной корки, внутри устройства размещен канал для перепускания жидкости, находящейся в скважине над устройством, под него в процессе подъема, кроме того, внутри устройства размещен насос, регулирующий компоненты тампонирующего состава и их подачу, и контроллер, который управляет работой насоса и активными центраторами, расположенными на корпусе устройства, кроме того, на корпусе устройства установлены датчики, определяющие расстояние от экструдера до стенок скважины и передающие полученную информацию на контроллер.

Сущность изобретения демонстрируется схемой, показанной на чертеже. После окончания бурения в скважину 1 спускается колонна труб, либо шланги высокого давления 2, в нижней части которой устанавливается экструдер 3, которые соединяются между собой с помощью конусообразного наконечника 4, в котором имеются отверстия 5 для выхода тампонирующего материала. Над конусообразным наконечником 4 установлены щетки 6 для удаления фильтрационной корки со стенок скважины. Над конусообразным наконечником 4 устанавливаются датчики температуры и давления 7. Снаружи экструдера размещены активные центраторы 8, которые управляются контроллером 9, размешенным внутри экструдера. В верхней части экструдера устанавливаются датчики 10, фиксирующие расстояние от экструдера до стенки скважины, подающие полученную информацию на контроллер 9. Внутри экструдера размещен насос 11 для подачи компонентов тампонирующего состава, причем подача компонентов и создаваемое насосом давление также управляются контроллером 9. Насосом, находящимся на земной поверхности (на чертеже не показан), через трубы закачивается тампонирующий состав (на чертеже не показан), который затем выдавливается насосом 11 через отверстия 5, и наносится на стенки скважины 1. Расход тампонирующего состава зависит от конфигурации ствола скважины (ее объема), определяемой с помощью датчиков 10, и регулируется контроллером 9. Контроллером 9 также управляются активные центраторы 8, с помощью которых экструдер всегда располагается по центру скважины. При подъеме труб 2 щетки 6 удаляют фильтрационную корку со стенок скважины, что обеспечивает хороший контакт с ними тампонирующего состава. При этом экструдер 3 формирует крепь 12 скважины из тампонирующего состава, выравнивает ее, и затем она отверждается. Через перепускные каналы 13 осуществляется переток вытесненного бурового раствора в сформированное экструдером цилиндрическое пространство скважины.

Свойства тампонирующего состава подбираются таким образом, чтобы он сохранял жидкое состояние, находясь в трубах, и отверждался в течение 0,5-1,0 мин после выхода из экструдера. Состав вяжущего корректируется в постоянном режиме контроллером, на который передается информация о температуре и давлении в интервале, находящемся на несколько метров выше экструдера с датчика температуры и давления 7.

В качестве тампонирующего состава может использоваться либо полимерное, либо минеральное вяжущее, которые могут быть одно- или многокомпонентным. При этом процесс структурообразования должен проходить в короткий период времени, для того чтобы после прохождения экструдера крепь сохраняла свою форму. Для повышения прочности и устойчивости крепи она может армироваться жгутами из стекловолокна или углеволокна по заранее рассчитанной геометрии или в хаотичном наполнении. Этот эффект достигается применением либо многокомпонентных составов, которые после смешения входят в реакцию с образованием структурообразующих компонентов, либо иным способом активации (химическим, термическим, электромагнитным и т.д.).

После создания такой крепи в случае инженерной целесообразности возможен спуск обсадной колонны, которая может легко заменяться в случае износа.

Предлагаемое изобретение позволит также использовать полимерные материалы, которые обладают более высокими коэффициентами упругости по сравнению с минеральными вяжущими, более устойчивы к трещинообразованию от перепадов давлений в скважине. К тому же по своей природе полимерные материалы более устойчивы к агрессии пластовых флюидов, в частности к соляной и сероводородной агрессии.

Предлагаемое изобретение позволяет исключить необходимость регулирования плотности тампонажного раствора, а также исключить негативное воздействие сил гравитации при формировании крепи горизонтальных участков скважины.

Предлагаемый способ реализован на лабораторной модели.

Стенки скважины были имитированы из стальной трубы диаметром 219 мм и длиной 25 м, причем 5 м горизонтального участка, 15 м изогнутого и 5 м вертикального. В качестве вяжущего применили тампонажный раствор, приготовленный из тампонажного портландцемента ПЦТ-1-50 с водоцементным отношением (В/Ц), равным 0,5 при температуре 22°С, который имел следующие свойства:

растекаемость по конусу АзНИИ - 24 см;

начало схватывания - 7 час 45 мин;

конец схватывания - 9 час 30 мин;

прокачиваемость - 6 час 05 мин.

В качестве ускорителя схватывания применили жидкое стекло, которое вводилось в тампонажный раствор в нижней части экструдера, в количестве 5-7% от жидкости затворения. В качестве канала подачи раствора применили гибкий армированный шланг высокого давления. Жидкое стекло находилось в камере, закрепленной над экструдером и соединенной с ним через насос-дозатор гибкими шлангами. Расход подающего насоса был постоянным, т.к. сечение скважины, сымитированной трубой, по всей протяженности цементируемого интервала и скорость подъема экструдера были постоянными. После завершения протяжки экструдера на разных участках по всему интервалу были сделаны контрольные вырезы. Эти вырезы показали, что получаются практически равномерные цементные кольца, даже на горизонтальном и изогнутом участках.

Из научно-технической литературы известны технологии создания защитных оболочек на внутренней поверхности магистральных трубопроводов, технологии формирования различных форм бесконечной длины методом экструзии (Гоник А.А. и др. Современные изоляционные покрытия для защиты подземных нефтегазопромысловых сооружений от коррозии. Темат. науч.-техн. обзоры. Сер. «Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности», М. ВНИИОЭНГ, 1973).

Отличиями предлагаемого изобретения от формирования защитной оболочки методом экструзии являются:

- наличие непрерывной подачи вяжущего в необходимом объеме с устья скважины по колонне труб или шлангу высокого давления, позволяющей перекрывать весь требуемый интервал;

- наличие насоса, создающего необходимое давление для вытеснения промывочной жидкости и формирования плотной структуры крепи скважины;

- наличие датчиков сечения скважины, давления и температуры, контроллера, управляющей программы и насоса, позволяющих синхронизировать скорости подъема экструдера и расход вяжущего с целью полного вытеснения промывочной жидкости и замещения ее в кольцевом пространстве вяжущим;

- наличие каналов перетока бурового раствора внутрь пространства крепи, позволяющих сохранять необходимое давление в скважине;

- наличие активных центраторов, управляемых котроллером на основании данных, поступающих с датчиков сечения скважины, позволяющих добиваться правильной ориентации экструдера, с целью максимальной прочности и герметичности получаемой крепи;

- наличие щеток для сдирания фильтрационной корки со стенок скважин.

Из литературы не известны случаи применения метода экструзии при формировании крепи нефтяных и газовых скважин по всему интервалу, перекрываемому обсадной колонной от забоя скважины до устья или выше башмака предыдущей колонны.