способ ступенчатого цементирования скважины в условиях аномально низких пластовых давлений в зоне поглощения

Формула изобретения

1. Способ ступенчатого цементирования скважины в условиях аномально низких пластовых давлений в зоне поглощения, включающий установку муфты ступенчатого цементирования над кровлей поглощающего пласта, закачку буферной жидкости, порции неаэрированного цементного раствора, продавливание цементного раствора продавочной жидкостью, причем при продавливании цементного раствора закачивают в заколонное пространство флюид пониженной плотности, отличающийся тем, что после установки муфты ступенчатого цементирования монтируют цементировочную головку с нижней и верхней разделительными пробками и запорным элементом, после закачки буферной жидкости цементируют нижнюю часть эксплуатационной обсадной колонны выше зоны поглощения путем спуска нижней разделительной пробки, цементный раствор продавливают продавочной жидкостью с верхней разделительной пробкой, после чего сбрасывают запорный элемент с последующим вымыванием излишков цементного раствора и после его затвердевания цементируют верхнюю часть эксплуатационной колонны через муфту ступенчатого цементирования, причем порцию неаэрированного цементного раствора закачивают в объеме, обеспечивающем заполнение заколонного пространства в интервале от подошвы поглощающего пласта до муфты ступенчатого цементирования, последующую дополнительную порцию цементного раствора в объеме, обеспечивающем заполнение заколонного пространства от башмака эксплуатационной обсадной колонны до подошвы поглощающего пласта, аэрируют в период закачивания, повышая степень аэрации в пределе, рассчитываемом по формулам





где _{цp min} - минимальная степень аэрации закачиваемого цементного раствора на устье скважины;

_{цp max} - максимальная степень аэрации закачиваемого цементного раствора на устье скважины;

_цр - плотность неаэрированного цементного раствора, кг/м³;

₀ - минимально необходимая плотность аэрированного цементного раствора в скважине, кг/м³, определяемая по формуле



где Р_пл - пластовое давление, МПа;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

_p - плотность промывочной жидкости за эксплуатационной обсадной колонной выше муфты ступенчатого цементирования, кг/м³;

Н - глубина установки муфты ступенчатого цементирования, м;

Н_п - уровень подошвы поглощающего пласта, м;

L - глубина спуска цементируемой эксплуатационной обсадной колонны, м;

К- коэффициент растворимости воздуха в жидкости при атмосферном давлении;

Р₀ - атмосферное давление, МПа;

Z, Z₀ - коэффициенты сверхсжимаемости газа в интервале от башмака эксплуатационной обсадной колонны до подошвы поглощающего пласта и при атмосферном давлении соответственно;

Т, Т₀ - максимальная температура в интервале от башмака эксплуатационной обсадной колонны до подошвы поглощающего пласта и на устье скважины соответственно. К;

_в - плотность воздуха при атмосферном давлении, кг/м³,

обеспечивая постоянство минимально необходимой плотности, а при продавливании цементного раствора фиксируют момент его выхода в заколонное пространство, причем в качестве флюида пониженной плотности используют двухфазную пену со степенью аэрации, рассчитываемой по формуле



где _п - степень аэрации двухфазной пены;

_пож - плотность пенообразующей жидкости, кг/м³;

_п - плотность двухфазной пены, кг/м³, определяемая по формуле



где Р_ж - гидростатическое давление сборного столба технологических жидкостей над поглощающим пластом, МПа;

Р_у- устьевое давление, поддерживаемое в процессе продавливания всего объема цементного раствора, МПа,

и расходом, определяемым из неравенства



где Q_n - расход двухфазной пены, м³/с;

V_пож - объем пенообразующей жидкости, обеспечивающий после аэрации заполнение заколонного пространства от подошвы поглощающего пласта до устья скважины, м³;

V_np - объем продавочной жидкости, обеспечивающий заполнение заколонного пространства цементным раствором в интервале от подошвы поглощающего пласта до забоя скважины, м³;

Q_ц - расход цементного раствора, обеспечиваемый суммарной подачей насосов цементировочных агрегатов при продавливании цементного раствора за эксплуатационную обсадную колонну, м³/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве неаэрированного цементного раствора используют следующий состав, маc.ч.:

Тампонажный портландцемент - 100

Суперпластификатор С-3 - 0,9-1,5

Поливиниловый спирт - 0,5-1,0

Сульфонол НП-3 - 0,4-1,0

Вода - 35

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве двухфазной пены используют пенообразующую жидкость следующего состава, маc.ч.:

Водный раствор хлорида кальция, = 1120кг/м³ - 100

Лигносульфонат технический ЛСТП-1 - 0,7-1,0е

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин.

Анализ существующего технического уровня показал следующее:

известен способ ступенчатого цементирования скважины в зоне поглощения, по которому последнюю изолируют цементированием нижней ступени по традиционной технологии: муфту ступенчатого цементирования (МСЦ) устанавливают над поглощающим пластом, а неаэрированный цементный раствор нагнетают до места установки муфты (см. а.с. 926240 от 9.06.80 г. по кл. Е 21 В 33/14, опубл. в ОБ 17, 1982г.).

Недостаток известного способа заключается в неэффективности процесса цементирования:

- большая вероятность поглощения цементного раствора ниже МСЦ, приводящая к нарушению сплошности цементного кольца;

- появление заколонных газоперетоков, возникающих в период ожидания затвердевания цементного раствора (ОЗЦ) при снижении активного давления на пласт цементным раствором;

в качестве прототипа нами взят способ ступенчатого цементирования скважины в условиях аномально низких пластовых давлений в зоне поглощения, по которому устанавливают МСЦ над кровлей поглощающего пласта, закачивают буферную жидкость, порцию неаэрированного цементного раствора, продавливают цементный раствор продавочной жидкостью, причем при продавливании цементного раствора закачивают в заколонное пространство флюид пониженной плотности - техническую воду (см. Диссертацию в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук "Повышение надежности технологических процессов и качества заканчивания скважин", соискатель: Гноевых А.Н., 15.05.2000 г., местонахождение - библиотека ОАО НПО "Бурение", г. Краснодар, ул. Мира, 34, с. 44, 45. прилагается к заявочным материалам).

Недостаток известного способа заключается в неэффективности процесса цементирования:

- создают противодавление с помощью технической воды, что приводит к резкому увеличению зоны смешивания цементного раствора с последней, увеличивает вероятность поглощения, не обеспечивает кольматацию поглощающего пласта и снижает качество образовавшегося цементного кольца;

- получают недоподъем цементного раствора до МСЦ, что приводит к нарушению сплошности цементного кольца и повышает вероятность возникновения межколонных перетоков пластовых флюидов;

- применение неаэрированного цементного раствора не обеспечивает безусадочность цементного камня, что не исключает газонефтеперетоки в период ОЗЦ.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему:

повышается эффективность процесса цементирования за счет:

- создания противодавления в момент выхода цементного раствора в заколонное пространство меньшим объемом флюида пониженной плотности (пены) с одновременным кольматированием зон поглощения;

- снижение вероятности образования гидроударов в скважине, приводящих к разрыву сплошности цементного кольца и гидроразрыву поглощающего пласта;

- создание противодавления пластовому давлению в период ОЗЦ в нижней части обсадной колонны за счет порового давления газа аэрированного цементного раствора;

- обеспечение качества цементного кольца в интервале размещения аэрированного цементного раствора, обусловленного отсутствием его деаэрации, и получение безусадочного цементного камня.

Технический результат достигается тем, что в способе ступенчатого цементирования скважины в условиях аномально низких пластовых давлений в зоне поглощения, включающем установку муфты ступенчатого цементирования над кровлей поглощающего пласта, закачку буферной жидкости, порции неаэрированного цементного раствора, продавливание цементного раствора продавочной жидкостью, причем при продавливании цементного раствора закачивают в заколонное пространство флюид пониженной плотности, после установки муфты ступенчатого цементирования монтируют цементировочную головку с нижней и верхней разделительными пробками и запорным элементом, после закачки буферной жидкости цементируют нижнюю часть эксплуатационной обсадной колонны выше зоны поглощения путем спуска нижней разделительной пробки, цементный раствор продавливают продавочной жидкостью с верхней разделительной пробкой, после чего сбрасывают запорный элемент с последующим вымыванием излишков цементного раствора и после его затвердевания цементируют верхнюю часть эксплуатационной колонны через муфту ступенчатого цементирования, причем порцию неаэрированного цементного раствора закачивают в объеме, обеспечивающем заполнение заколонного пространства в интервале от подошвы поглощающего пласта до муфты ступенчатого цементирования, последующую дополнительную порцию цементного раствора в объеме, обеспечивающем заполнение заколонного пространства от башмака эксплуатационной обсадной колонны до подошвы поглощающего пласта, аэрируют в период закачивания, повышая степень аэрации в пределе, рассчитываемом по формулам





где _{цp min} - минимальная степень аэрации закачиваемого цементного раствора на устье скважины;

_{цp max} - максимальная степень аэрации закачиваемого цементного раствора на устье скважины;

_цр - плотность неаэрированного цементного раствора, кг/м³;

_o - минимально необходимая плотность аэрированного цементного раствора в скважине, кг/м³, определяемая по формуле



где Р_пл - пластовое давление, МПа;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

_p - плотность промывочной жидкости за эксплуатационной обсадной колонной выше муфты ступенчатого цементирования, кг/м³;

Н - глубина установки муфты ступенчатого цементирования, м;

Н_п - уровень подошвы поглощающего пласта, м;

L - глубина спуска цементируемой эксплуатационной обсадной колонны, м;

К - коэффициент растворимости воздуха в жидкости при атмосферном давлении;

P₀ - атмосферное давление, МПа;

Z, Z₀ - коэффициенты сверхсжимаемости газа в интервале от башмака эксплуатационной обсадной колонны до подошвы поглощающего пласта и при атмосферном давлении соответственно;

Т, Т₀ - максимальная температура в интервале от башмака эксплуатационной обсадной колонны до подошвы поглощающего пласта и на устье скважины соответственно, К;

_в - плотность воздуха при атмосферном давлении, кг/м³,

обеспечивая постоянство минимально необходимой плотности, а при продавливании цементного раствора фиксируют момент его выхода в заколонное пространство, причем в качестве флюида пониженной плотности используют двухфазную пену со степенью аэрации, рассчитываемой по формуле



где _п - степень аэрации двухфазной пены;

_пож - плотность пенообразующей жидкости, кг/м³;

_п - плотность двухфазной пены, кг/м³, определяемая по формуле



где Р_ж - гидростатическое давление сборного столба технологических жидкостей над поглощающим пластом, МПа;

Р_у - устьевое давление, поддерживаемое в процессе продавливания всего объема цементного раствора, МПа,

и расходом, определяемым из неравенства



V_пож - объем пенообразующей жидкости, обеспечивающий после аэрации заполнение заколонного пространства от подошвы поглощающего пласта до устья скважины, м³;

V_пp - объем продавочной жидкости, обеспечивающий заполнение заколонного пространства цементным раствором в интервале от подошвы поглощающего пласта до забоя скважины, м³;

Q_ц - расход цементного раствора, обеспечиваемый суммарной подачей насосов цементировочных агрегатов при продавливании цементного раствора за эксплуатационную обсадную колонну, м³/с.

В качестве неаэрированного цементного раствора используют следующий состав, мас.ч.:

Тампонажный портландцемент - 100

Суперпластификатор марки С-3 - 0,9-1,5

Поливиниловый спирт - 0,5-1,0

Сульфонол НП-3 - 0,4-1,0

Вода - 35

В качестве двухфазной пены используют пенообразующую жидкость следующего состава, мас.ч.:

Водный раствор хлорида кальция,

=1120кг/м³ - 100

Лигносульфонат технический ЛСТП-1 - 0,7-1,0

Заявляемый объем неаэрированного цементного раствора способствует пригрузу аэрированного цементного раствора, предотвращая его деаэрацию.

Заявляемый объем аэрированного цементного раствора выбран из условия полного заполнения заколонного пространства и обеспечения сплошности цементного кольца.

Наличие порового давления в аэрированном цементном растворе обеспечивает получение безусадочного цементного камня, а также качественный герметичный контакт цементного камня со стенками скважины и эксплуатационной обсадной колонны.

Минимально необходимая плотность аэрированного цементного раствора - это плотность, обеспечивающая регламентируемое противодавление на продуктивный пласт (в пределах 15-20%).

Изменение степени аэрации в заявляемых пределах обеспечивает постоянство минимально необходимой плотности в интервале цементирования. Выбор степени аэрации аэрированного цементного раствора по величине меньшей расчетной _{цp min} приведет к повышению плотности аэрированного цементного раствора, что вызовет поглощения в продуктивном пласте. Выбор степени аэрации аэрированного цементного раствора по величине, большей расчетной _{цp max}, приведет к понижению плотности аэрированного цементного раствора, что не обеспечит требуемое противодавление на продуктивный пласт.

Момент выхода цементного раствора в заколонное пространство фиксируют расчетным объемом продавочной жидкости, закачанной в скважину.

Необходимость закачивания двухфазной пены в заколонное пространство в момент выхода цементного раствора за эксплуатационную обсадную колонну обусловлено созданием условий для первоочередного поступления пены в зону поглощения, что достигается выбранным режимом закачивания, т.е. расходом двухфазной пены и продавочной жидкости. При расходе, равном или меньшем расчетного, цементный раствор окажется раньше двухфазной пены в зоне поглощения, что вызовет его поглощение и недоподъем до МСЦ.

Два встречных потока в заколонном пространстве: цементный раствор и двухфазная пена обеспечивают продавливание всей жидкости, которая находится между ними в поглощающий пласт. После чего в поглощающий пласт проникает на небольшую глубину пена, заполняя поры поглощающего пласта разной крупности, перекрывает их за счет замкнутых газонаполненных оболочек и упругих сил воздуха. Это препятствует дальнейшему проникновению пены в поглощающий пласт, за счет чего давление поглощения в последнем возрастает в несколько раз, что фиксируется ростом давления в заколонном пространстве на устье скважины при закачивании пены. Этим обусловлен минимальный исходный объем закачиваемой двухфазной пены.

Наличие порового давления в порах поглощающего пласта за счет замкнутых пенных оболочек препятствует поглощению цементного раствора при его прохождении через эту зону при цементировании нижней части эксплуатационной обсадной колонны и позволяет поднять цементный раствор за колонной выше поглощающего пласта до МСЦ.

Следует отметить, что степень аэрации пены подбирают таким образом, чтобы поровое давление пены в поглощающем пласте на период окончания цементирования нижней части эксплуатационной обсадной колонны было меньше, чем суммарное давление за колонной промывочной жидкости, выше МСЦ и цементного раствора, находящегося в интервале от подошвы поглощающего пласта до МСЦ, а также не превышало давление гидроразрыва поглощающего пласта. Благодаря этому воздух из пены, находящийся в поглощающем пласте, не будет проникать через цементный раствор в период ОЗЦ, что предотвратит в нем каналообразование.

Использование аэрированного цементного раствора, а также двухфазной пены обеспечивает снижение вероятности образования гидроударов в скважине за счет упругих свойств используемых составов, что резко сокращает время релаксации появившихся напряжений при прокачивании этих составов в заколонное пространство, а также обеспечивает сплошность цементного кольца и уменьшает вероятность гидроразрыва.

Создание противодавления пластовому в период ОЗЦ в нижней части эксплуатационной обсадной колонны обеспечивается поровым давлением газа аэрированного цементного раствора, т.к. гидравлически активное давление последнего на продуктивный пласт в это время резко снижается. В противном случае вероятно появление межпластовых перетоков.

Выбор состава неаэрированного цементного раствора обусловлен минимальной необходимой водопотребностью и минимальной водоотдачей цементного раствора при условии удовлетворительной пенообразующей способности.

Анализ изобретательского уровня показал следующее: известно, что для получения по всему интервалу глубины скважины одинаковой плотности цементного раствора в исходном растворе необходимо вводить разное количество аэрирующего агента - сначала меньше, а затем больше (см. Теория и практика заканчивания скважин. Под ред. А.И. Булатова, Москва: ОАО "Издательство "Недра", 1998, т. 4 с. 95-96); известен способ тампонирования скважин с помощью последовательного закачивания в скважину негазированного и газированного раствора (см. Монтман Р., Саттон Д., Хармс У., Моди Б. Применение вспененных растворов низкой плотности. - Нефть, газ и нефтехимия: Переводное издание журналов США, 1982, 6, с.9-19);

известен способ тампонирования скважин вспененными растворами с постоянной плотностью по глубине скважины (см. а.с. 1521859 от 6.11.87 г. по кл. Е 21 В 33/13, опубл. в ОБ 42, 1989 г.).

Выбор пенообразующей жидкости обусловлен получением стабильной пены на период цементирования нижней части эксплуатационной обсадной колонны.

Используют тампонажный портландцемент ПЦТ -II по ГОСТу 1581 -96, суперпластификатор С-3 по ТУ 14-6-55-88, поливиниловый спирт по ТУ 6-05-313-85, сульфонол НП-3 по ТУ 6-01-1001-75, хлорид кальция по ТУ 6-09-4711-81, лигносульфонат технический ЛСТП-1 по ТУ 54-028-00279580-97.

На основании вышеизложенного нами не выявлены технические решения, имеющие в своей основе признаки, совпадающие со всеми отличительньми признаками заявляемого технического решения. Таким образом, последнее не следует явным образом из проанализированного уровня техники, т.е. имеет изобретательский уровень.

Более подробно сущность заявляемого способа описывается следующим примером.

Пример. Цементируют скважину 218 Северо-Ставропольской площади.

Исходные данные:

Глубина скважины 800 м

Диаметр долота П1-215,9С

под эксплуатационную обсадную колонну, D_д - 215,9 мм

Коэффициент кавернозности пород, К_ц - 1,15

Глубина спуска 168-мм эксплуатационной обсадной колонны, L - 800 м

Глубина спуска 245-мм кондуктора, l_k - 250 м

Интервал зоны поглощения - 350-400 м

Глубина установки МСЦ-16,8Р, Н - 300 м

Пластовое давление, Р_пл - 8 МПа

Давление поглощения на уровне подошвы поглощающего пласта, _п - 6 МПа

Плотность неаэрированного цементного раствора, _цр - 1840 кг/м³

Плотность пенообразующей жидкости, _пож - 1080 г/м³

Плотность буферной жидкости - 1000 г/м³

Плотность промывочной жидкости, _p - 1080 кгм³

Температура на устье, Т₀ - 273К

Максимальная температура в интервале от башмака эксплуатационной обсадной колонны до подошвы поглощающего пласта - 315К.

Устанавливают на устье скважины цементировочную головку марки ГУ Ц 140-168400-2 с нижней и верхней разделительными пробками и запорным элементом в виде шара. Закачивают буферную жидкость, представляющую собой техническую воду, содержащую 4 маc.% карбоксиметилцеллюлозы, в объеме 3 м³. Осуществляют цементирование нижней части эксплуатационной обсадной колонны: спускают нижнюю разделительную пробку, закачивают порцию неаэрированного цементного раствора следующего состава, маc.ч.:

Тампонажный портландцемент - 100

Суперпластификатор С-3 - 1,5

Поливиниловый спирт - 0,5

Сульфонол НП-3 - 1,0

Вода - 35

в объеме, V_цp1 определяемом по формуле



где D_c - диаметр скважины, м,

D_c=К_кD_д

D_c=1,15-0,2159=0,2483м, тогда



Расчетный объем обеспечивает заполнение заколонного пространства в интервале от подошвы поглощающего пласта до МСЦ.

Последующую дополнительную порцию неаэрированного цементного раствора аэрируют в период закачивания.

1. Рассчитывают минимально необходимую плотность аэрированного цементного раствора в скважине



2. Для полдержания рассчитанной плотности определяют предел, в котором повышают степень аэрации закачиваемого цементного раствора





3. Рассчитывают объем аэрированного цементного раствора V₀:



где h_с - высота цементного стакана в эксплуатационной обсадной колонне до обратного клапана, равная 15 м;

D_в - внедренный диаметр эксплуатационной обсадной колонны, равный 154 мм.

Расчетный объем обеспечивает заполнение заколонного пространства от башмака эксплуатационной обсадной колонны до подошвы поглощающего пласта.

5. Для приготовления данного объема аэрированного цементного раствора требуется неаэрированный раствор в объеме



Так как при атмосферном давлении степень аэрации цементного раствора в рассчитанном пределе изменяется с 25,64 в зоне подошвы поглощающего пласта до 51,36 на забое пропорционально глубине, то закачивают цементный раствор в скважину через аэратор марки УС 20-1.5 по 1,0 м³, добавляя в аэратор соответствующее количество воздуха для получения расчетной степени аэрации. Степень аэрации при атмосферном давлении на каждый м³ неаэрированного цементного раствора повышается на величину 4,51. Расход неаэрированного цементного раствора контролируют при помощи станции контроля за процессом цементирования СКЦ-2М.

Освобождают верхнюю разделительную пробку, поверх которой закачивают порцию продавочной жидкости в объеме



где Н_кл - глубина установки обратного клапана, м;

Н_кл- 785 м,



В качестве продавочной жидкости используют глинистый буровой раствор, на котором проводилось бурение. На момент окончания закачки данной порции продавочной жидкости в скважину сбрасывают шар, предназначенный для перекрытия проходного сечения МСЦ. Фиксируют момент выхода первой порции цементного раствора по объему закачанной продавочной жидкости

V"_пр=V_в-V_цр-V₀,

где V_в - внутренний объем эксплуатационной обсадной колонны, м³;



Следовательно, V"_пр= 14,61-2,62-10,48=1,51 м³, т.е. после закачивания в эксплуатационную обсадную колонну продавочной жидкости в объеме 1,51 м³, что зафиксировано СКЦ-2М, в заколонное пространство начинают подавать двухфазную пену. В момент выхода первой порции цементного раствора в заколонное пространство с устья за обсадную колонну подают двухфазную пену.

1. Для определения плотности двухфазной пены рассчитывают Р_ж



принимают давление на устье в затрубном пространстве, Р_у, равным 2,5 МПа, тогда



2. Рассчитывают степень аэрации двухфазной пены



3. Готовят пенообразующую жидкость следующего состава, маc.ч.:

Водный раствор хлорида кальция, =1120 кг/м³ - 100

Лигносульфонат технический ЛСТП-1 - 1,0

Рассчитывают расход двухфазной пены:

Определяют



где V_зк - объем заколонного пространства от подошвы поглощающего пласта до устья скважины, м³;



где l_k - глубина установки кондуктора, м;

D_вк - внутренний диаметр кондуктора, м;



тогда



Q_n принимают равным 25,6 л/с=0,0256 м³/с, что обеспечивается работой насосов двух цементировочных агрегатов ЗЦА - 400А с диаметром втулок 125 мм на 2-й скорости,



Данный расход способен обеспечить один цементировочный агрегат ЗЦА-400А с диаметром втулок 125 мм на 3-ей скорости подачи. Осуществляют закачивание пены до создания избыточного давления на устье скважины 2,5 МПа и поддерживают его в течение всего продавливания цементного раствора. Резкий рост давления на устье от атмосферного до указанной величины свидетельствуют о создании двухфазной пеной кольматирующего барьера в зоне поглощения. Изменение давления на устье скважины фиксируют манометром.

При достижении верхней разделительной пробки нижней временно приостанавливают закачивание продавочной жидкости до перекрытия шаром проходного сечения МСЦ. При этом прекращают подачу двухфазной пены в заколонное пространство. Создается избыточное давление для открытия промывочных окон МСЦ, через которые вымывают излишки цементного раствора.

Скважину оставляют на 24 часа ОЗЦ.

Осуществляют цементирование верхней части эксплуатационной обсадной колонны прямым способом через МСЦ.

Заканчивают цементный раствор нормальной плотности в объеме



где h_цс - высота цементного стакана в эксплуатационной обсадной колонне на момент окончания цементирования верхней части эксплуатационной обсадной колонны М, тогда



Расчетный объем цементного раствора продавливают за эксплуатационную обсадную колонну продавочной жидкостью. Объем продавочной жидкости пределяют следующим образом:



После чего скважину оставляют на 24 часа ОЗЦ.

Данные геофизических исследований показали отсутствие нарушений сплошности цементного кольца, а в процессе последующей эксплуатации не выявлены межколонные газоперетоки, что свидетельствует об эффективности заявляемой технологии.