Способ крепления скважин шадрина л. н.

(51) ИСАНИЕ ОБР ЕНИ сится к бурению скваользовано, в частнотировании обсадных ажины, лонны, едства ющим нны и восстао пролнения качивая с помощьюважин, включай колонныенней поверха, плотностьости бурово ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН ШАДРИНА Л,Н.(57) Изобретение может быть эффективноиспользовано на скважинах, пробуренных врайонах распространения многолетних криолитозон. Способ предусматривает спуск вскважину секционной обсадной колонны иперед цементированием формирование наее поверхности средства повышения плавучести, Эти операции осуществляют путемнамораживания на внутренней поверхностикаждой наращиваемой секции равномерноИзобретение атножин и может быть испсти, при спуске и цеменколонн,Известен способ крепления скввключающий спуск в нее обсадной коформирование на ее поверхности срповышения плавучести с последуцементированием обсадной колоудалением указанного средства дляновления объема внутриколонногстранства, необходимого для выпопоследующих работ по бурению и занию скважины,Этот способ реализуетстройства для крепления скщего секции обсаднозакрепленным на их внутрсти элементом из материалторого меньше плотн го ледяного покрытия. Последнее можно намораживать путем заполнения водой неподвижной герметично закрытой наращиваемой секции обсадной колонны с последующим удалением из нее избыточного количества воды в объеме, равном объему промывочного канала, Намораживание можно производить также перед:пуском наращиваемой секции колонны путем заполнения герметично закрытой секции водой в заданном объеме с последующим вращением и охлаждением ее. Кроме того, ледяное покрытие можно получить путем размещения в секциях колонны лед ных трубчатых вкладышей с последующим заполнением зазоров между ними и стенкой колонны водой и продувкой через нее охлажденного воздуха, 3 з.п. ф-лы, 14 ил,раствора, заполняющего скважину Междч торцами секций устанавливают кольцевую прокладку, изготовленную из того же материала, что и названный облегчающий эле- (р мент, В результате целенаправленно снижается приведенная плотност. компоновки обсадной колонны и повыи;ется ее плавучесть,После цементирования обсадной колонны и формирования цементного кольца в затрубном (заколон ном) пространстве скважины облегчающий элемент при необходи-ъ мости удаляют с внутренней поверхности секций, например, при помощи бурового долота, либо растворением химикалиями, инертными по отношению к метал у обсадных труб,Для изготовления облегчающего элемента можно использовать большуо гамму материалов - отверждаемых, гидратируе1765362 иг рректор С.Пекарь акто аказ 3362 Тираж Под ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и 113035, Москва, Ж, Раушская набСоставитель Л,ШадринТехред М.Моргентал писноеоткрытиям при ГКНТ СССРмых или термоспекаемых смесей, имеющихнизкую плотность (например, в 1,5-2 разаниже плотности воды), способных сохранять этот показатель при воздействии большого гидростатического давления. К числу 5легких ингредиентов таких смесей относятся полые стеклянные, керамические, углеродные и полимерные микросферическиенаполнители пластмасс, имеющие контролируемые размеры (25 - 75 мкм) и низкую 10плотность (100 - 700 кг/мз). На основе смесей этих наполнителей с полиэфирными иэпокеидными смолами, а также с полиуретановыми композициями за рубежом получают так называемые синтактические 15пенопласты, которые значительно прочнееобычных пенопластов и находят широкоеприменение в производстве глубоководныхаппаратов. Они могут выдерживать гидростатическое давление до 1000 кгс/см 2. 20Отечественные аналоги синтактических пенопластов - сферопластики пока чтоочень дороги(12,8 - 15,9 руб/кг). Это препятствует использованию названных композиционных материалов в конструкции 25облегчающего элемента устройства длякрепления скважин, В этом можно убедиться на следующем примере, Допустим, чтодля устранения возникшего при спуске обсадной колонны дефицита грузоподъемности буровой вышки, равного 1 т, применилиобсадные трубы с внутренним покрытиемиз сферопластика ЭДС - 7 А, имеющего плотность 680 кг/м и оптовую цену 14 руб/кг.зДля ликвидации этого дефицита при спуске 35обсадной колонны в скважину, выполненную бузоовым раствором плотностью1300 кг/м, суммарный объем и массатакого облегчающего внутреннего покрытия обсадных труб достигнут соответственно 1,613 м и 1,097 т, Для приобретениязтакой массы композиционного материалапотребовалось бы заплатить поставщику15355 руб,В реальной практике крепления скважин цельными обсадными колоннами (в томчисле кондукторами и промежуточными об садными колоннами большого диаметра ивеса) дефициты грузоподъемности буровойвышки (вышечно-лебедочного комплекса), 50либо несущей способности самой обсаднойколонны (по критериям предельно допустимых растягивающей и страгивающей нагру, зок), зачастую достигают ста и более тонн,Для покрытия такого дефицита за счет применения на обсадных трубах внутреннегопокрытия из сферопластика типа ЭДС - 7 Апотребовалось бы закупить его, как мини- .мум (при дефиците, равном 100 т) на1535500 руб, что, естественно, неприемлемо по экономическим соображениям. Поэтому возникла необходимость изыскать и использовать для создания временного внутреннего покрытия обсадных труб недефицитные местные материалы, которые, в частности, можно использовать при указан- . ных специфических геотермальных условиях крепления низкотемпературных скважин,Речь идет о креплении стволов скважин кондуктором или промежуточной обсадной колонной при осуществлении буровых работ в районах распространения многолетних криолитозон (занимающих около половины территории СССР), где верхний слой земной коры, характеризующийся устойчивой в течение многих лет отрицательной или нулевой температурой, обеспечивающей круглогодичное и длительное (не менее двух лет подряд) сохранение подземного льда.Многолетняя криолитозона включает (сверху) вниз многолетне-мерзлые горные породы, подземные ледяные тела, образующие в совокупности так называемую мерзлую зону литосферы, и нижнюю зону, к которой приурочены морозные горные породы и непромерзающие горизонты сильно минерализованных подземных вод. Верхняя граница многолетней криолитозоны проходит по поверхности раздела лед - горные породы (в субгляциальных условиях) либо по подошве сезонно-талого или прогретого выше 0 С слоя пород.Нижняя граница названной зоны проходит по нулевой геоизотерме (О С), глубина залегания которой от поверхности земли колеблется от нескольких метров в умеренных широтах (на границах областей распространения многолетнемерзлых или охлажденных горных пород) до нескольких километров в высоких широтах (до 1,5 км в субарктических районах).Особенность крепления ствола скважины, пересекающего криолитозону и примыкающую к ней снизу часть низкотемпературного разреза состоит в том, что во время спуска и цементирования обсадной колонны, так же как и во время ожидания затвердения цемента (ОЗЦ), в заколонном пространстве скважины длительное время поддерживается стабильно низкая положительная температура (до плюс 5 - плюс010 С). При таких условиях существенно замедляется теплообмен между внутрискважинной средой (в том числе элементами конструкций обсадной колонны) и вскрытыми скважиной холодными окружающими породами.Целью изобретения является повышение эффективности крепления скважины, пробуренной в районах распространения многолетних криолитозон, Под повышением эффективности этих работ понимается целая система позитивных результатов; достижение высокого качества, в том числе, цельности и конструкционной прочности крепи, герметичности разобщения пластов при цементировании цельной обсадной колонны, сокращение расходов материальных ресурсов, затрат календарного времени, трудозатрат и денежных средств,Поставленная цель достигается тем, что при использовании способа крепления скважин в районах распространения многолетних криолитозон, включающего спуск в нее крепи, во время которого осуществляется формирование средства повышения плавучести обсадной колонны, путем намораживания на внутренней поверхности каждой наращиваемой секции ее равномерного ледяного покрытия.При этом в состав совокупности существенных отличительных признаков входят следующие предложенные процедуры намораживания на внутренней поверхности наращиваемой секции обсадной колонны равномерного ледяного покрытия: намораживание производят путем заполнения водой неподвижной герметично закрытой обсадной колонны., и последующего удаления из нее избыточного количества воды в объеме, равном объему промывочного канала; намораживание производят перед спуском наращиваемой секции обсадной колонны в скважину путем заполнения герметично закрытой секции водой в заданном объеме с последующим вращением и охлаждением ее; намораживание производят путем размещения в наращиваемой секции обсадной колонны ледяных трубчатых вкладышей с последующим заполнением зазоров между ними и стенкой колонны водой и продувкой через нее охлажденного воздуха,На фиг.1 изображена наращиваемая секция обсадной колонны 1 с муфтой 2 со сплошным равномерным внутренним ледяным покрытием 3; на фиг,2 - компоновка обсадной колонны из секций 1 с ледяным покрытием 3, снабженная направляющим башмаком 4 и промывочной головкой 6, Колонна спущена в скважину, заполненную буровым раствором 5; на фиг.3 - та же обсадная колонна в позиции после затвердения цементного камня 8 в затрубном пространстве, Через промывочную колонну 7, собранную из насосно-компрессорных труб, во врутриколонное пространство подается теплоноситель(техническая вода, бу 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ровой раствор) для ускорения освобождения обсадных труб от внутреннего ледяного покрытия; на фиг,4 - 6 - схема осуществления намораживания слоя льда на внутренней поверхности наращиваемой секции обсадной колонны с таким расчетом, что в центре этой трубной секции остается сквозной промывочный канал; на фиг.4 - наращиваемая секция 1 обсадной колонны в позиции, когда она закрыта сверху проточной муфтовой пробкой 9 с краном 10, а снизу - проточной ниппельной пробкой 11 с краном 12; внутритрубное просгранство заполнено водой 13, на фиг,5 - ,наращиваемая секция 1 с муфтой 2 в позиции, когда после формирования слоя льда 3 заданной толщины открытием кранов 10 и 12 осуществляется слив расчетного объема воды, оставшейся в коаксиальном центре трубной секции, благодаря чему образуется сплошной промывочный канал; на фиг.6 - наращиваемая секция 1 с муфтой 2, футерованная слоем льда 3 после отвинчивания пробок; на фиг.7 - 9 - стадии процесса намораживания ледяной внутренней футеровки из залитого во внутритрубное пространство расчетного объема воды при вращении горизонтально размещенной герметично закрытой наращиваемой секции обсадной колонны; наращиваемая секция 1 с муфтой 2 в позиции перед вращением ее, когда вода 13 залита во внутритрубное пространство, пробка 9 ввернута, пробка 11 навернута до упора, а краны 10 и 12 закрыты; на фиг,8 - наращиваемая секция 1 с муфтой 2 в позиции по окончанию вращения с одновременным охлаждением ее, вся залитая в трубную секцию вода "наморозилась" на ее вну реннюю стенку в виде равномерного ледяного слоя 3; на фиг,9 - наращиваемая секций 1,с муфтой 2, футерованная ледяным слоем 3 после отвинчивания пробок; на фиг,10-12 - стадии процесса изготовления ледяной внутренней футеровки посредством "вмораживания" в наращиваемую секци: обсадной колонны ледяных вкладышей 11 и 15; на фиг.10 - наращиваемая секция 1 с муфтой 2 в позиции, когда в трубу, частичнс заполненную ледяными вкладышами 14, вводится очередной, например, последний вкладыш 15; на фиг,11 - наращиваемая секция 1 с муфтой 2 в позиции, когда после ввода ледяных вкладышей 14 и 15, нри закры. том кране 12, внутоитрубное пространство заполняется водой; на фиг.12 наращиваемая секция 1 с муфтойв позиции, когда при открытом кране 12 охлажденная вода сливается из внутритрубного пространства; на фиг.13 - наращиваемая секция 1 с муфтой 2 в позицил, когда1765362сразу же после слива воды из внутритрубно- обсадной колонны ледяных трубчатых вклаго пространства в него подается охлажден- дышей длиной 1 - 3 м. Наружный диаметрный воздух, благодаря чему происходит вкладыша на 1-2 мм меньше внутреннего"вмораживание" ледяных вкладышей с об- диаметра подлежащих футеровке труб.разованием сплошного внутреннего ледя Внутренний диаметр вкладыша равен поного слоя 3; на фиг,14 - наращиваемая требному диаметру сквозного канала восекция 1 с муфтой 2, футерованная ледяным внутренней футеровке наращиваемой секслоем 3, после отвинчивания муфтовой и ции обсадной колонны.ниппельной про 5 ок. В охлажденную "сухую" трубную секИзобретение осуществляется следую цию вводятледяные вкладыши один за друщим образом, гим до заполнения ими секции на всю ееСогласно изобретению формирование длину- от свободного "нижнего" конца нипсредства повышения плавучести обсадной пеля до конца "верхнего" ниппеля, ввернуколонны осуществляют путем наморажива- того в муфту. Вслед за этим торцы ледяныхния на внутренней поверхности каждой на вкладышей фиксируются с помощью муфторащиваемой секции ее равномерного вой пробки(ввинченной вмуфту) и ниппельледяного покрытия. При интенсивном отво- ной пробки (навинченной на ниппельде тепла (например, при поддержании тем- наращиваемой секции),пературы окружающей среды порядка Муфтоваяиниппельнаяпробкипротачминус 10 - минус 20 С) из воды, залитой в 20 ные, снабжены быстросъемными крепежныполостьнаращиваемойсекцииобсаднойко- ми устройствами для соединения слонны, на ее внутренней поверхности - ох- циркуляционной системой, по которой можлаждаемой подложке сформируется но попеременно прокачивать воду и воздух.сплошной слой льда плотностью около 920 кг/м", Сначала через наполненную ледянымиВнутренний диаметр ледяного покры вкладышами наращиваемую секцию прокатия, равный потребному диаметру промы- чивается вода, имеющая температуру, близвочного канала внутри футерованной кую к 0 С, Вода заполняет все радиальныеописанным способом наращиваемой сек- зазоры, оставшиеся между внутреннейции обсадной колонны, контролируется в стенкой трубной секции и ледяными вклапроцессе намораживания льда интенсивно дышами, а также и зазоры между торцамистью и продолжительностью процесса отво- вкладышей, Поскольку и вкладыши и самада тепла от тоубной секции, наращиваемая секция изначально имеютПо истечении установочного времени отрицательную температуру, вода в упомянамораживания внутреннего ледяного по- нутых узких зазорах почти мгновенно закрытия вода, не застывшая в средней части 35 мерзает.наращиваемой секции обсадной колонны, Вода, не успевшая замерзнуть в коаксисливается, В результате этого в наращивае- ально средней части наращиваемой секциимой секции создается сквозной канал для (в ее сквозном промывочном канале), сливапрокачки через нее технологических жидко- ется, и в трубную секцию немедленно подастей, используемых при промывке и цемен ется поток холодного воздуха, имеющеготировании скважины, а также для спуска температуру минус 10 - минус 20 С. В ревнутри футерованной льдом обсадной ко- зультате снижения температуры ледяныелонны трубных колонн меньшего диаметра, вкладыши окончательно вмораживаются вскважинных инструментов и приборов,наращиваемую секцию обсадной колонны.Согласно предложенному альтерна Рассмотрим практический пример растивному способу намораживание ледяно- чета подвески обсадной колонны, опущенго покрытия производят перед спуском ной в скважину, заполненную буровымнаращиваемой секции обсадной колонны в раствором, на основе предложенного споскважину путем заполнения герметично за- саба крепления скважин,крытой секции водой в заданном расчетном 50 Для устранения дефния де рицита прочностиобъеме с последующим вращением и охлаж- обсадной колонныанны на растяжение или страдением ее, Вся залитая в трубную секцию гивающую нагрузку резьбовых соединенийвода намораживается на ее внутреннюю верхних труб либо дефицита несущей спостенку в виде равномерного ледяного по- собности какого-либо из элементов грузонекрытия, причем в центральной части секции 55 сущей системы наземного оборудования и"остается" сквозной промывочный канал за- спускового инструмента (б овданного диамет а.тра. кронблока, талевого блока, крюка, штропов,Наконец, согласно другому предложен-элеваторов), равного 1 т при спуске обсадажину, заполненную бномуспособунамораживание проводятпу- ной колонны в скважин, бтем размещения в наращиваемой секции ровым раствором плотностью 1300 кг/мобъем и масса внутреннего ледяного покрытия обсадзных труб достигнут соответственно 2,63 м и 2,42 т,Допустим, что при строительстве разведочной скважины (либо горной выработки 5иного назначения) в криолитозоне, простирающейся до отметки 1450 м, требуется спустить на эту глубину и зацементироватьпромежуточную обсадную колонну, собранную из труб диаметром 508 мм с толщиной 10стенки 11 мм, изготовленных из стали марки"Д" (для краткости, из труб 508 х 11 "Д").Благодаря подбору плотностей бурового раствора, цементного раствора и продавочной жидкости, а также оптимизации 15режимов их закачки и продавки, фактические снимающие нагрузки, действующие наобсадные трубы во время операции цементирования и в течение последующей работыобсадной колонны в конструкции скважины, 20не превысят предельно допустимые показатели.Теоретическая масса 1 м обсадной колонны 508 х 11 "Д" в воздухе равна 139,2 кг,Вес 1 м этой колонны с учетом облегчения в 25буровом растворе плотностью 1300 кг/мравна 116,15 кг,Страгивающая нагрузка резьбовогосоединения этих обсадных труб (ГОСТ632 - 64), рассчитанная по формуле Яковлева-Шумилова (для труб с нормальной резьбой) равна 355,87 т.Для спуска названной обсадной колонны в скважину при указанных геолого-технических условиях используется буровая 35установка Уралмаш 4 Э, включающая вышку ВБ - 53 - 320 (грузоподъемностью 320 т),оснащенную кронблоком УКБ - Б(грузоподъемностью 270 т) и талевым блокомУТБК - 225 (грузоподъемностью 225 т). 40В качестве спускового инструмента используются штропы грузоподъемностью200 т и элеваторы грузоподъемностью 125 т.Допустимая страгивающая нагрузкарезьбовых соединений обсадных труб 508 х 45х 11 "Д" с учетом коэффициента запаса прочности 1,75, регламентированного общепринятой методикой расчета обсадных колонн,равна 203,4 т,Вес в воздухе 1450 м обсадной колонны, 50собранной из труб 508 х 11 "Д", равен 139,2 хх 1450 = 201,8 т.Запас прочности обсадной колонны покритерию страгивающей нагрузки резьбовых соединений (без учета облегчения ее в 55буровом растворе) равен1,76,355,87201,8Это означает, что по данному критериюпромежуточную обсадную колонну 508 х 11"Д" длиной 1450 м можно спустить в ствол скважины и зацементировать целиком. Однако технически выполнить эту операцию все же невозможно из-за ограниченности грузоподъемности самого слабого элемента приведенной грузонесущей системы - элеватора, рассчитанного на максимальную нагрузку 125 т.Исходя из этой нагрузки и коэффициента запаса прочности элеватора 1,25, максимальная длина 508-мм обсадной колонны, которая может быть спущена в скважину в один прием составит125000 1,25 139,2 Количество секций, на которые следуетразделить 508-мм обсадную колонну, равно1450= 2,02 = 2 секцииДефицит грузонесущей системы по критерию грузоподъемности элеватора составита) без учета влияния облегчения обсадной колонны в буровом растворе201,8 - = 101,8 т1251б) с учетом влияния облегчения обсадной колонны в буровом растворе201 8 (1 1300 ) 125 68 47850 1,25Для устранения дефицита грузоподъемности элеватора при спуске цельной 508-мм обсадной колонны в один прием необходимо разместить на внутренней поверхности обсадных труб ледяное покрытие суммарным объемом2,63 х 68,4 = 179,9 мМасса такого покрытия составит179,9 х = 165,5 т92010001. Рассмотрим вариант равномерногораспределения объема льда на всей длинеобсадной колонны,Объем ледяного покрытия, отнесеннойна 1 м трубы179,9 з 4 =0,124 м= 0,1417 м (141.7 л/м) Приведенная плотность обсадной трубы 508 х 11 "Д", футерованной ледяным по крытием,253,3 х 000 = 1787,6 кг/МЗ 141,7 25 125000 1450 м 1,25 25 З,З (1 - )1787,5 Определим диаметр промывочного канала (бвл) в обсадной трубе 508 х 11 "Д",футерованной ледяным покрытием; бвл = 35 0,1/ 7851 28 м 40трувнутренний диаметр о садной я, отне бы;Чл - объем ледяного покрытиный на 1 м трубы;- длина трубы, равнТолщина ледяного п0,486 - 0,28 0 1032=0,103 мПриведенный расчет демтехнологическую эффективносженного способа крепления низтурных скважин, состоящуюобеспечивается возможность сментирования цельной промеж сен 45 а 1 м.окрытия рав онстрирть прекотемпв том,пуска иуточ ной т о ерачто це- об 20Проверка, Определим длину подвески обсадной колонны 508 х 11 "Д", футерованной равномерным внутренним ледяным покрытием,садной колонны при дефиците грузоподъемности применяемого бурового оборудования, Аналогичную схему расчета обсадной колонны, футерованной ледяным покрытием, можно применить при дефиците прочности на растяжение используемых обсадных труб,Применение способа крепления скважин в обширных районах распространения криолитозон в нашей стране и за рубежом .не потребует больших затрат, так как предложенный материал пониженной плотности всюду имеется в избытке, а энерго- и трудозатраты, связанные с футеровкой наращиваемых секций обсадной колонны внутренним ледяным покрытием, относительно невелики,Формула изобретения 1. Способ крепления скважин, включающий спуск в нее секционной обсадной колонны, формирование на ее поверхности средства повышения плавучести с последующим цементированием обсадной колонны, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности способа крепления скважин, пробуренных в районах распространения многолетних криолитозон, формирование средств повышения плавучести обсадной колонны, осуществляют путем намораживания на внутренней поверхности каждой наращиваемой секции ее равномерного ледяного покрытия.2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что намораживание производят путем заполнения водой неподвижной герметично закрытой наращиваемой секции обсадной колонны и последующего удаления из нее избыточного количества воды в объеме, равном объему промывочного канала,3, Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что намораживание производят перед спуском наращиваемой секции обсадной колонны в скважину путем заполнения герметично закрытой секции водой в заданном объеме с последующим вращением и охлаждением ее.4, Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что намораживание производят путем размещения в наращиваемой секции обсадной колонны ледяных трубчатых вкладышей с последующим заполнением зазоров между ними и стенкой колонны водой и продувкой через нее охлажденного воздуха.