способ крепления скважины обсадной колонной

Формула изобретения

СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ ОБСАДНОЙ КОЛОННОЙ, включающий спуск колонны в скважину, ее цементирование, закрепление обсадной колонны относительно стенок скважины и подвеску верхней части колонны на устьевом оборудовании с расчетным усилием, отличающийся тем, что закрепление обсадной колонны производят в два этапа - нижнюю ее часть закрепляют в период начала схватывания, а верхнюю часть - в период после начала схватывания цементного раствора, но не позднее 2/3 периода схватывания, при этом подвеску верхней части обсадной колонны производят в этот же период.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бурению глубоких скважин, а именно к способам крепления скважин эксплуатационными колоннами.

Известен способ крепления скважины эксплуатационной колонной, включающий спуск колонны в скважину, ее цементирование, закрепление обсадной колонны относительно стенок скважины и подвеску верхней части на устьевом оборудовании с расчетным усилием [1]

Данный способ имеет ограниченное применение; только при наличии свободной верхней части обсадной колоны, т.е. когда цементный раствор не поднят до устья скважины. Однако нормативные документы по охране недр и правила безопасности требуют подъема цементного раствора до устья скважины.

Большим недостатком способа является то, что натяжение колонны производят сразу по окончании закачивания цементного раствора. Так как обсадная колонна в этот момент еще не прихвачена (так как это время относится к периоду начала схватывания), то в момент посадки колонны на устьевое оборудование она будет опущена под собственным весом. Это приведет к тому, что обсадная колонна будет испытывать повышенные напряжения растяжения, особенно на глубоких скважинах.

Известен и другой способ крепления скважины эксплуатационной колонной, включающий спуск колонны в скважину, ее цементирование, закрепление обсадной колонны относительно стенок скважины и подвеску верхней части колонны на устьевом оборудовании с расчетным усилием [2]

В данном способе натяжение производят после окончания ОЗЦ.

Данный способ имеет следующие недостатки.

Так как в подавляющем большинстве случаев буровая вышка не отцентрирована относительно устья скважины на какую-то величину, а цементное кольцо в приустьевой части к этому моменту уже затвердело, то произвести подвеску верхней части обсадной колонны невозможно. Поэтому после демонтажа колонну после ОЗЦ приходится разгружать полностью, чтобы демонтировать приустьевое оборудование, установленное на кондукторе. Так как обсадные колонны не отцентрированы друг относительно друга, то приходится на значительную глубину разрушать цементное кольцо, чтобы можно было отцентрировать обсадные колонны и посадить в отцентрированное кольцо клинья и под натяжкой посадить спущенную колонну. В момент разгрузки колонны на цементный камень передается вся нагрузка от ее веса. Это приводит к частичному разрушению цементного камня в верхней части и образованию свободного пространства. В момент разгрузки, особенно при наличии незацементированной части затрубного пространства вверху, может произойти потеря герметичности резьбовых соединений обсадной колонны, а иногда даже и смятие ее.

При наличии незацементированного пространства в верхней части названные недостатки усиливаются.

Целью изобретения является повышение качества крепления скважины за счет обеспечения повышенной герметичности межколонного пространства.

Цель достигается тем, что в известном способе крепления скважины обсадной колонной, включающем спуск в скважину колонны, ее цементирование, закрепление обсадной колонны относительно стенок скважины и подвеску верхней части колонны на устьевом оборудовании с расчетным усилием, закрепление обсадной колонны производят в два этапа: нижнюю ее часть закрепляют в период начала схватывания цементного раствора, а верхнюю часть после начала схватывания цементного раствора, но не позднее 2/3 периода схватывания, причем подвеску верхней части производят в этот же период.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Вначале производят бурение скважины на глубину спуска обсадной колонны. После подготовки ствола скважины производят спуск и цементирование обсадной колонны с подъемом цементного раствора до устья скважины. Перед спуском обсадной колонны на скважину завозят центраторы жесткого типа и они устанавливаются на 1-2 верхние обсадные трубы при допуске последней в скважину. После закачки цементного раствора в заколонное пространство скважину оставляют на ОЗЦ при подвешенной под собственным весом обсадной колонне. В период до начала схватывания цементного раствора происходит прихват обсадной колонны к стенкам cкважины. Наличие центраторов на верхних обсадных трубах даже при отсутствии центра буровой вышки относительно устья скважины (и ротора и ранее спущенной обсадной колонны) позволяет автоматически центрироваться обсадным колоннам друг относительно друга.

После начала схватывания, но не позднее 2/3 периода схватывания цементного раствора, обсадную колонну подвешивают с помощью клиньев или фланца на устьевое оборудование.

Подвеска происходит следующим образом. Сверху в кольцевой зазор спускают клинья для подвески обсадной колонны. Если клинья доходят до колонной головки, то производят сразу подвеску колонны. Но в подавляющем большинстве клинья не доходят (из-за несоосности устьевого оборудования относительно опущенной колонны и малой величины кольцевого зазора). Поэтому установку клиньев производят следующим образом. Открепляют устьевое оборудование и талевой системой приподнимают его над колонным фланцем не высоту, удобную для работы на устье (но не меньше высоты клиньев). Поворачивая устьевое оборудование относительно спущенной обсадной колонны, добиваются, чтобы клинья свободно опустились вниз до колонной головки. После этого обсадную колонну, находящуюся в натянутом состоянии под собственным весом, опускают на клинья так, чтобы колонна после подвески ее в колонной головке была натянута с расчетным натяжением. В момент разгрузки верхней части колонны в цементном растворе происходит следующее.

В этом период (после начала схватывания, но не позднее 2/3 периода схватывания цементного раствора) в нем уже есть каркас, который удерживает обсадную колонну с некоторым усилием. В цементном растворе в этот период еще есть жидкая фаза, которая при малейшей деформации имеющегося каркаса заполняет зоны его разрушения. В последующем на этом месте жидкая фаза превращается в каркас и цементный камень, аналогичный цементному камню из неразрушенного каркаса. При подвесе верхней части обсадной колонны в этот период в момент разгрузки веса ее разгруженная часть передается на цементный каркас. Так как цементный каркас еще непрочный в этот период, то часть его (особенно в веpхней зоне) под этой нагрузкой разрушается. В последующем жидкая фаза, имеющаяся еще в цементном растворе, заполняет разрушенный объем, и до конца периода схватывания вся эта масса образует каркас и схватывается по всему объему, превращаясь в цементный камень. В результате верхняя часть обсадной колонны находится в очень благоприятных условиях: вся верхняя часть остается зацементированной на всю высоту и одновременно натянутой с расчетным усилием (без осевой перегрузки).

П р и м е р. Способ крепления применили при строительстве газовой скважины глубиной 5000 м. Данные по скважине: экс- плуатационная колонна диаметром 146 мм спускается одной секцией на всю глубину, перепад температур на устье скважины при добыче газа 30^оС, толщина стенки труб в верхней части обсадной колонны 10 мм.

Данные по цементному раствору: начало схватывания 2 ч 30 мин, конец схватывания 3 ч 45 мин.

До начала спуска обсадной колонны определили натяжение верхней части при разгрузке на устьевое оборудование.

Расчет натяжения верхней части обсадной колонны.

Так как верхняя часть испытывает повышенные нагрузки от температурных воздействий, то расчет производят по известной формуле (1):

P_t x E x F x T x 10^-3 (1) где коэффициент линейного расширения;

Е модуль упругости, Н/м²;

F площадь поперечного сечения верхней трубы обсадной колонны, м²;

Т величина (амплитуда) нагрева, ^оС.

Подставив все данные в формулу (1), получим Р_t 27,5 тс.

После названных расчетов спустили и зацементировали названную обсадную колонну. По истечении 3 ч 20 мин с начала приготовления цементного раствора произвели подвеску верхней части обсадной колонны в колонной головке. Пpи этом верхние две трубы обсадной колонны пустили с центраторами. Пpи подвеске вес колонны снизили с 167,5 тc (в воздухе) до 27,5 тс. При этом верх колонны просел на 50 см. Определим, на какую глубину просела колонна, т.е. на какую глубину был разрушен цементный каркас. Определим по известной формуле Гука:

L l, (2) где Е модуль Юнга, равный 10⁶ кгс/см²;

F площадь поперечного сечения, см²;

Р_р -величина разгрузки, кгс;

l величина просадки обсадной колонны, см.

После подстановки в формулу (2) получим L 400 м. Таким образом, на момент подвешивания верхней части колонны в колонной головке 4600 и ее было уже закреплено в скважине. Каркас цементного раствора в заколонном пространстве в момент разгрузки колонны был разрушен только на глубину 400 м. В последующем при проведении АКЦ цементное кольцо в этом месте было определено как качественное.

Внедрение предлагаемого способа крепления повысит качество его за счет повышения качества цементного кольца в заколонном пространстве (предотвращения его разрушения, улучшения связи цементного кольца с обсадными трубами), обеспечения герметичности резьбовых соединений обсадных труб верхней части колонны, улучшения условий работы труб верхней части обсадной колонны (по известному способу трубы в зацементированной части верхней зоны обсадной колонны после подвески ее остаются натянутыми под всем весом колонны). Технология способа проста и не требует переподготовки персонала. Способ позволяет ускорить работы по креплению, так как не нужно ждать окончания ОЗЦ (а при эксплуатационных ОЗЦ не менее 24 ч, как правило), а колонну подвешивают не позднее 2/3 периода схватывания цементного раствора (в примере через 3 ч 20 мин).