способ предотвращения смятия обсадной колонны в период длительного простоя скважины в зоне многолетнемерзлых пород

Формула изобретения

СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ СМЯТИЯ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ В ПЕРИОД ДЛИТЕЛЬНОГО ПРОСТОЯ СКВАЖИНЫ В ЗОНЕ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД, включающий образование канала вдоль стенок обсадной колонны путем ее нагрева и сброс избытка жидкости из каверны по образованному каналу, последовательное замораживание каверны снизу вверх, поддержание в растепленном состоянии канала выше замораживаемой каверны, отличающийся тем, что нагрев обсадной колонны осуществляют в нижней части каждого из опасных участков путем размещения во внутритрубном пространстве смеси, выделяющей теплоту при экзотермической реакции взаимодействия компонентов, а последовательное замораживание каверн осуществляют путем размещения в остальном внутритрубном пространстве смеси, поглощающей теплоту при эндотермической реакции взаимодействия компонентов смеси, при этом в зависимости от температуры многолетнемерзлых пород и от расположения каверн по глубине регулируют количество и скорость выделения и поглощения тепла путем изменения вещественного состава смеси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для использования при строительстве нефтяных и газовых скважин в районах распространения многолетнемерзлых пород.

В скважинах, построенных в районах распространения многолетнемерзлых пород (ММП), при остановках происходит обратное восстановление растепленных мерзлых пород.

При остановках работ в скважине замерзание жидкостей обычно начинается от устья скважины, что приводит к промерзанию заколонного пространства и образованию замкнутых полостей, ограниченных ледяными перемычками. Если в заколонном пространстве имеются замерзающие жидкости, то при промерзании они увеличиваются в объеме, в результате чего возникают значительные давления, приводящие к смятию обсадных колонн. Если внутритрубное пространство заполняют незамерзающей жидкостью, например дизтопливом, то вследствие интенсивных конвекционных потоков промерзание за колоннами ускоряется и безопасный период простоя скважины сокращается, а при заполнении замерзающей жидкостью (глинистым раствором) происходит возникновение ледяной пробки на устье. Дальнейшее снижение температуры приводит к увеличению мощности пробки и повышению под ней давления внутри трубы. Возникшее давление может привести к нарушению герметичности колонны, причем это нарушение может произойти и на участке колонны, расположенной ниже интервала ММП.

Известен способ предотвращения смятия обсадной колонны в зоне многолетнемерзлых пород, включающий перепуск избытка жидкости из промерзающей каверны в обсадную колонну [1]

Недостатки способа сложность конструкции обсадных труб и необходимость бурения скважины увеличенного диаметра (из-за наличия кожухов на обсадной колонне).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ предотвращения смятия обсадных колонн в зоне многолетнемерзлых пород, включающий образование канала вдоль стенок обсадной колонны путем ее нагрева и сброс избытка жидкости из каверны по образованному каналу. Каверны последовательно замораживают снизу вверх, поддерживая в растепленном состоянии канал выше замораживаемой каверны, а нагрев обсадной колонны осуществляют путем циркуляции внутри ее подогретой жидкости [2]

Недостатками известного способа являются необходимость длительной циркуляции подогретой жидкости через спущенные в скважину трубы, дополнительный спуск датчиков температуры для контроля за моментом промерзания каверн, длительность процесса направленного розмерзания водосодержащих масс в заколонном пространстве, что требует содержать рабочую бригаду на буровой для проведения работ и контроля.

Таким образом возникла задача разработать более простой способ предотвращения смятия обсадной колонны в период длительного простоя, обеспечивающий надежность и повышающий прочность крепи скважины.

Цель изобретения упрощение способа, повышение прочности и надежности крепи скважины.

Это цель достигается тем, что в способе предотвращения смятия обсадной колонны в зоне многолетнемерзлых пород, включающем образование канала вдоль стенок обсадной колонны путем ее нагрева и сброс избытка жидкости из каверны по образованному каналу, последовательное замораживание каверны снизу вверх, поддержание в растепленном состоянии канала выше замораживаемой каверны осуществляют смесью, выделяющей теплоту при экзотермической реакции, а замораживание каверны смесью, поглощающей теплоту при эндотермической реакции взаимодействия компонентов. Количество и скорость выделения и поглощения теплоты реакции смесей регулируют изменением их вещественного состава в зависимости от расположения каверн по глубине и температуры многолетнемерзлых пород.

На чертеже показана схема осуществления способа.

Для предотвращения смятия обсадной колонны 1, расположенной в интервале горных мерзлых пород, при наличии растепленных водосодержащих масс 2 в каверне 3 перед остановкой скважины во внутритрубное пространство колонны помещают в нижней части опасного участка смесь 4, поглощающую теплоту, а выше каверны смесь 5, выделяющую теплоту. Поглощающая теплоту смесь ускоряет замерзание водосодержащих масс в каверне, при этом на наружной поверхности обсадной колонны образуется лед 6, излишки жидкости удаляются через канал 7.

Способ предотвращения смятия колонны в зоне ММП осуществляют следующим образом.

Перед консервацией (остановкой работ) определяют время обратного промерзания (безопасный период) в зависимости от времени теплового воздействия (времени бурения скважин) и температуры ММП, затем определяют прочность крепи консервируемой скважины на наиболее опасных участках возможного смятия колонн.

На основании известных энергетических характеристик веществ выбирают смеси, поглощающие и выделяющие необходимое количество теплоты, для охлаждения или нагрева обсадных колонн.

Исходя из результатов цементирования обсадных колонн, кавернометрии и температуры ММП, определяют интервалы для заполнения смесей.

При остановке работ длительностью больше, чем безопасный период (время, в течение которого в результате обратного промерзания на стенках скважины восстанавливается отрицательная температура), перед началом смерзания в скважину на глубину опасного участка спускают бурильные трубы, через которые во внутриколонное пространство в интервале каверны закачивают поглощающую теплоту смесь. Затем трубы приподнимают до верхней границы каверны и закачивают известными способами тепловыделяющую смесь, поддерживающую канал в растепленном состоянии выше каверны за счет энергии, выделяющейся при реакции компонентов.

Концентрацию компонентов по глубине регулируют в зависимости от удельного тепловыделения смеси и температуры ММП.

На устье скважины располагают смесь с суммарной энергией (количеством теплоты), достаточной для поддержания положительной температуры стенки обсадной колонны на пеpиод промерзания ниже расположенных в кавернозной части жидкостей. Это обеспечивает сброс излишней жидкости через канал, поддерживаемый у стенки при обратном восстановлении отрицательных температур.

Охлаждающая смесь в интервале каверны будет способствовать быстрейшему промерзанию водосодержащих масс в каверне. Когда фронт промерзания достигнет стенок обсадной колонны, то весь избыточный объем промерзающей жидкости будет вытеснен через канал, что не приведет к возникновению опасных давлений в заколонном пространстве.

П р и м е р. Скважина обсажена двумя колоннами. Первая диаметром 324 мм с толщиной стенки 12,4 мм и группой прочности Д, вторая диаметром 219 мм с толщиной стенки 10,2 мм. Межколонное пространство крепи заполнено цементным камнем 8. В заколонном пространстве цементный раствор поднят до отметки 100 м от устья скважины. Геокриологический разрез представлен сильно льдистыми мерзлыми породами, содержащими залежи пластовых льдов. В стволе скважины в интервале 60-100 м имеются каверны, заполненные водосодержащими замерзающими жидкостями. Это создает опасность возникновения сминающих давлений в незацементированной части крепи скважины.

Среднегодовая температура пород на срезе глубиной 10 м изменяется от -4^оС до -7^оС. Нулевая изотерма расположена в интервале 300 м.

Бурение (время теплового воздействия на стенки) скважины осуществлялось в течение 50 сут. По техническим причинам скважину оставляют в покое (консервируют) на один год.

Для осуществления способа определяют прочность крепи в незацементированной части 324 мм обсадной колонны.

Расчеты показывают, что для трубы диаметром 219 мм толщиной стенки 10,2 мм, входящей в составную крепь, напряжения в теле трубы достигают предела текучести при наружном давлении 45,9 МПа, а для трубы 324 мм толщиной стенки 12,4 мм при давлении 53,2 МПа.

Пользуясь формулой Бриджмена-Таммана

Р=1+127t-1,519t²,

подсчитывают максимально возможные давления Р для значений t согласно температуре ММП.

Расчеты показывают, что максимальное давление при замерзании воды в замкнутом пространстве при температуре -4^оС достигает 45,5 МПа, при -7^оС до 81,6 МПа. Опасное для колонны диаметром 219 мм давление 45,9 МПа и выше может возникнуть при температурах -3,8^оС и ниже (температуры мерзлых пород на глубине 100 м).

Время обратного промерзания (безопасный период) зависит от продолжительности, интенсивности бурения, температуры многолетнемерзлых пород и вида работ в скважине. По расчету безопасный период остановки (после 50 сут бурения) при температуре ММП -7^оС составляет 4 сут, при минус 4^оС -- до 10 сут.

Таким образом, заполнение внутриколонного пространства смесью проводят не позднее чем через 4 суток после остановки работ, а канал вдоль колонны труб держат в растепленном состоянии длительностью не менее 10 сут.

Для получения смеси, поглощающей теплоту, используют свойство некоторых солей понижать температуру при их смешении с водой. Если пользоваться не водой, а льдом (снегом), то поглощение тепла при их плавлении дает возможность получить еще более низкую температуру. Так при растворении хлористого кальция массой 78,3 кг до 61 кг воды (проведен расчет на 1 погонный метр внутритрубного пространства), взятых при температуре 10^оС, произойдет понижение температуры смеси на 23,2^оС. т.е. получим в скважине отрицательную температуру -13,2^оС, а при смешении со льдом (снегом) температура понижается до криогидратной точки -55^оС. При заполнении этой смесью внутриколонного пространства поглощение тепла ускоряет промерзание каверны в ММП и приводит к образованию мерзлого слоя на стенке колонны крепи скважины, что повышает ее прочность.

В качестве экзотермичной смеси используют цементный раствор, приготовленный с добавкой хлористого кальция. Использование этой смеси позволяет регулировать количество и скорость выделения теплоты путем изменения температуры компонентов, водоцеметного отношения и концентрации хлористого кальция.

Для поддержания канала в растепленном состоянии вдоль наружной стенки обсадной колонны диаметром 324 мм температуру пограничного слоя поддерживают положительной (в течение 10 сут). Это обеспечивается, если внутри колонны будет выделяться больше тепла, чем передаваться горным породам.

По результатам экспериментальных исследований, проводимых в интервалах многолетнемерзлых пород, с температурой от -1 до -7^оС коэффициент теплопотерь в период простоя скважины изменяется от 2 до 15 Вт/м^{2 о}С.

Количество выделенной теплоты (энергии) рассчитывают на элемент крепи высотой 1 м при условии заполнения внутритрубного пространства колонны диаметром 219 мм экзотермической смесью и сравнивают с теплопотерями за определенные промежутки времени. Теплопотери, приходящиеся на элемент крепи, зависят, в основном, от температуры окружающих пород.

Производят расчет тепловыделения цементного раствора плотностью 1840 кг/м³ с добавкой 6% CaCl₂, выделяющего тепло во внутритрубном пространстве колонны диаметром 219 мм и количества оставшейся теплоты на элемент крепи высотой 1 м при различных коэффициентах теплопотерь ( =10; 15 и 20 Вт/м^{2 о}С). Данные расчета приведены в таблице.

Расчеты показывают, что тепловыделение цементного раствора обеспечивает поддержание канала в растепленном состоянии вдоль стенки обсадной колонны при коэффициенте теплопотерь =15 Вт/м^{2 о}С и менее. При 20 Вт/м^{2 о}С отрицательные значения наступают через 8с ут.

На основании проведенных расчетов для осуществления способа внутритрубное пространство в интервале 150-60 м заполняют охлаждающей смесью в объеме 2,8 м³. Расход компонентов составляет 744,7 кг CaCl₂+549 кг воды. В интервале 60 м устье скважины заполняют выделяющим тепло цементным раствором, приготовленным с добавкой 6% CaCl₂. Объем цементного раствора 1,87 м³.

Заполнение внутритрубного пространства этими смесями обеспечило поддержание пограничного слоя вдоль обсадной колонны в растепленном состоянии, перепуск излишек жидкости из кавернозной части затрубного пространства и снижение возникающих давлений до безопасных значений для крепи скважины.

Образование цементного камня внутри колонны повышает прочность крепи в десятки раз, однако можно использовать и другие незатвердевающие экзотермичные смеси, обеспечивающие поддержание положительных температур пограничного слоя вдоль колонны.

Расконсервацию скважины производят обычным способом, если внутритрубное пространство заполнено незатвердевающей смесью. При заполнении цементным раствором образовавшийся камень разбуривают известным способом.

Технико-экономическая эффективность способа заключается в снижении материальных затрат при строительстве скважин в зоне многолетнемерзлых пород, за счет уменьшения количества аварий из-за смятия колонн.