способ цементирования скважин

Формула изобретения

СПОСОБ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН, включающий спуск обсадной колонны, закачку цемента, ожидание затвердевания цемента и создание в верхней части колонны расчетного усилия, отличающийся тем, что, с целью повышения герметичности заколонного пространства скважин путем повышения равномерности распределения напряжений в цементном камне, перед закачкой цемента определяют время усадки цементного камня и его величину, а создание расчетного усилия в верхней части колонны осуществляют после закачки цемента, при этом за время ожидания затвердевания цемента производят разгрузку обсадной колонны, за время, равное разнице между окончанием усадки цементного камня на устье скважины и началом усадки цементного камня на забое скважины, и со скоростью, определяемой скоростью усадки цементного камня по всей глубине цементирования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при цементировании обсадных колонн буровых скважин.

Известен способ цементирования скважин, включающий натяжение обсадной колонны и закрепление ее цементным кольцом в таком состоянии [1].

Недостатком данного способа является то, что после разгрузки обсадной колонны на цементное кольцо в последнем возникают напряжения сжатия, наибольшие (по абсолютной величине) вблизи устья скважины и исчезающие к низу колонны. Эти напряжения могут привести к разрушению цементного камня в верхней части колонны.

Наиболее близким к предлагаемому является способ натяжения эксплуатационной колонны, включающий ее спуск, закрепление нижней части колонны относительно стенок скважины и создание в верхней свободной от цемента части колонны расчетного усилия натяжения, причем после закачки цементного раствора производят допуск верхней части колонны на устье скважины [2].

Недостатком данного способа является то, что после разгрузки обсадной колонны на цементное кольцо в последнем возникают напряжения сжатия, что приводит к разрушению цементной крепи, а в процессе твердения усадочных цементов их объем уменьшается. Усадка цементного камня приводит к образованию трещин.

Целью изобретения является повышение герметичности заколонного пространства скважин за счет равномерного распределения напряжений обсадной колонны на формируемый цементный камень.

Достигается это тем, что согласно способу цементирования скважин, включающему спуск обсадной колонны, ее цементирование и создание в верхней части колонны расчетного усилия натяжения, предварительно определяют время усадки тампонажного камня, затем после закачки цемента осуществляют натяжение верхней части обсадной колонны на величину, определяемую в зависимости от усадки цементного камня, и по мере образования цементного камня производят разгрузку обсадной колонны за время, равное разнице между окончанием усадки цементного камня на устье и началом усадки цементного камня на забое скважины, при этом скорость разгрузки обсадной колонны подбирают в зависимости от скорости усадки цементного камня по всей длине скважины.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемый способ цементирования скважин отличается от известного тем, что после спуска обсадной колонны, закачки цементного раствора и натяжения верха обсадной колонны на расчетную величину, равную величине усадки цементного камня (определенную по результатам анализа цементного раствора), производят разгрузку обсадной колонны за время, равное разнице между окончанием усадки цементного камня на устье и началом усадки цементного камня на забое скважины, а скорость разгрузки обсадной колонны подбирается по скорости усадки цементного камня от забоя скважины до ее устья, что является новым. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна". При просмотре аналогичных технических решений, совокупность отличительных признаков, позволяющая достичь цели изобретения, авторами не обнаружена, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения: "существенные отличия".

На фиг. 1 схематично показана обсадная колонна 1 в скважине 2 при создании растягивающей нагрузки 3; на фиг. 2 - схематично показано осуществление способа после окончания затвердения цемента 4.

Способ осуществляется следующим образом. Перед спуском обсадной колонны в скважину проводят предварительный анализ цементного раствора, определяют время схватывания, усадку цементного камня в зависимости от температуры, давления и других факторов (приближенных к пластовым условиям). Производят спуск обсадной колонны и продавку цементного раствора в заколонное пространство. Затем создают усилие натяжения колонны, которое определяют по известной формуле:

Q_н= Q_к- , где Q_н - усилие натяжения, кг;

Q_к - полный вес колонны, кг;

- величина упругой осевой деформации колонны, см;

Е - модуль Юнга, 2,2 х 10⁶;

F - площадь поперечного сечения, см²;

L - глубина спуска колонны, см.

При расчете усилия натяжения обсадной колонны принимаем величину упругой деформации колонны, равную величине усадки цементного камня.

Величину усадки цементного камня определяют лабораторными испытаниями цементного раствора по известным методикам (например, по методике ВНИКРнефть).

По мере схватывания цементного раствора и образования цементного камня постоянно производят разгрузку обсадной колонны, которая выполняется при помощи талевой системы буровой установки.

Контроль уменьшения величины натяжения колонны производят по индикатору веса (например ГИВ - 6). Разгрузку обсадной колонны выполняют за время, равное разнице между окончанием и началом усадки цементного камня, таким образом, чтобы к концу усадки цементного камня величина натяжения колонны была бы равна "нулю". В то же время скорость разгрузки обсадной колонны должна кооректироваться в зависимости от температурных условий в скважине и характеристик тампонажного раствора. Известно (1, стр. 149-151), что на забое скважины из-за большей температуры и давления скорость твердения и усадки цементного камня выше, чем на устье. Поэтому при осуществлении способа определяют зависимость усадки цементного камня от времени для соответствующей температуры, по стволу скважины и по скорости усадки пропорционально разгружают обсадную колонну. Таким образом достигается равномерная разгрузка обсадной колонны и предотвращается возникновение опасных напряжений в цементном камне, особенно на участках муфтовых соединений.

Предлагаемый способ осуществляют в скважине, диаметр эксплуатационной колонны которой равен 168 мм; глубина спуска эксплуатационной колонны 3000 м; полный вес колонны равен 123,6 т; высота подъема цемента за колонной до устья. По материалам геофизических исследований определяют состав пород, слагающих разрез скважин, их характеристику, температуру. Затем производят лабораторное испытание цементного раствора. Определяют время начала и окончания усадки цементного камня в зависимости от пластовых условий (учитывая температуру, давление и др. факторы). Лабораторные исследования тампонажного раствора проводятся по методике ВНИКРнефть, на установке ВНИКРнефть - для определения собственных напряжений при твердении вяжущих материалов в условиях ограниченных деформаций /1 стр. 169-212/ или на другой установке аналогичного назначения. Общая усадка цементного камня по всему стволу скважины составляет 45 см (при усадке 0,15 мм на 1 м - уточняется лабораторными испытаниями). Для многих глубоких скважин снижение уровня цементного раствора (камня) за обсадной колонной составляет до 1,5 м от устья скважины /1, стр. 164/. Сроки усадки цементного камня при водоцементном отношении 0,5 составили:

начало усадки - 2 ч 40 мин (в пластовых условиях);

конец усадки - 18 ч 40 мин (на устье)

Плотность цементного раствора равна 1,7 г/см³.

Производят спуск обсадной колонны в скважину и продавку цементного раствора в заколонное пространство. Затем на устье скважины создают расчетное усилие натяжения обсадной колонны, равное:

Q_н= 123500 - = 53710 кг, которое удерживают до начала схватывания цементного раствора за обсадной колонной на забое скважины. Затем (через 2 ч 40 мин) начинают постоянно разгружать обсадную колонну на забой скважины с такой скоростью, чтобы к концу срока схватывания цементного раствора (18 ч 40 мин) полностью разгрузить колонну (снизить вес колонны до нуля - по ГИВ-6). Таким образом, время разгрузки определяется от начала усадки цементного камня на забое скважины до ее окончания на устье, т.е. в течение шестнадцати часов вес колонны уменьшается с 53710 кг до "нуля".

С этой целью определяется скорость усадки цементного камня во времени при соответствующих температурах по стволу скважины. По полученной зависимости определяем скорость разгрузки обсадной колонны с которой производят уменьшение веса колонны (по индикатору веса). Таким образом достигается одновременное движение цемента и трубы при снижении уровня цементного раствора.

Результаты определения скорости усадки портландцемента при температурах от 20 до 110^оС по лабораторным исследованиям приведены в таблице.

Отсюда определяется распределение усилия натяжения на каждый час усадки цемента. Нагрузка на 1 мм усадки равна 53710 кг : 45 мм=1193,6 кг. Следовательно, на конце первого часа нагрузка должна быть равной 53710-(1193,6 х 14,7)= 36164 об; на конец второго часа - 36164-(1193,6 х x7,3)=27451 и т.п. Расчетные показания по индикатору веса на конец каждого часа приведены в таблице.

Использование предлагаемого способа цементирования скважин позволит повысить качество крепления скважин, сократить добавки хим. реагентов, повышающих качество сцепления цемента с колонной.