Способ цементирования скважин

ОП ИСАНИЕ ИЗОВРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик(22) За с присо лено 12.09,7 инением за 21639/22-0 3В 33/14 комитет явки Но -арственный СССР елам изобр н открыт23) Приоритет етенийий Опубликова летень Йо 19 я 2 3.0 5.8 1(71) Заявитель 54) СПОСОБ ЦЕМЕНТИРОВА КВАЗИ нодобы- ромышвано5 иболее близким техявляется способ цеин путем подачи тас добавками в зат ическим решеентирования понажнойт 25 убное простльзуют хине или за- цемен 3 Изобретение относится к гор вающей и нефтегазодобывающей п ленности и может быть испольэо при цементировании скважинИзвестен способ цементировани скважин, заключающийся в том, что в спущенные в скважину обсадные тру.бы через цементировочную головку. заканчивают цементный раствор, который вытесняет находящийся в трубах глинистых раствор, поднимается в затруб ном пространстве на заданную высо.ту 11 .Недостатком этого способа являетс то, что обычно при цементировании скважин обсадные колонны полностью разгружают на забой и цементируют на весу, при этом, если колонна прих вачена, качество цементирования снижается. нием мскв аж мсмеси рранство.В качестве добавок испАические реагенты, ускоряющмедляющие процесс тверденита 2 . Однако введение химических реагентов ухудшает физико-механические и химические свойства тампонажного раст вора, требуются дополнительные меры по обеспечению стабильности свойств раствора, предотвращению взаимодействия химических реагентов с материалами труб и насосно-компрессорного оборудования.Цель изобретения - повыаения качества цементирования и обеспечения воэможности управления процессом твер дения тампонажной смеси.Поставленная цель достигается тем, что в качестве добавок используют плавкие материалы, размещенные в герметичных капсулах и имеющие температуру плавления в диапазоне забойной температуры, причем подачу тампонажной смеси в затрубное пространство ведут в течение времени кристаллизации добавок.При этом используетсясвойство материалов .при .плавлении поглощать некоторое количество тепла, а при твердении отдавать в окружающее пространство ранее пОглощенное теплоВ зависимости от геотермического градиента и температуры горной породы в интервале цементиронания, могут быть использова 832062ны материалы с температурами плавления от десятков до сотен градусов.Например, в диапазоне температур до100 С наиболее подходящими являютсянекоторые кристаллогидраты;. кристаллогидрат фосфорнокислого натрия,кристаллогидрат азотнокислого никеля(с температурой плавления около 85 фТакже могут быть использованы следующие материалы: ТаС 1 (сд, =216 С, теплота плавления дН,4 в М 6 Г 10.ЗОООС, т.е, до температуры в скважинах глубиной 5-7 км может быть подобрано теплоаккумулирующее веществоили группа веществ с высокими значениями теплоты плавления, с помощьюкоторых возможно создание равномерного температурного поля в затрубномпространстве по высоте скважины. Эффект выравнивания температурногополя достигается за счет того, чтотеплоаккумулирующее вещество, находящееся под оболочкой капсулы, расплавляется в нижней части скважины,поглощает при этом часть тепла.из горной породЫ и затем, при затвердении,в верхней части скважины зто поглощенное тепло выделяется в окружающее пространство, т.е. в объем цементногораствора. В нижней части скважины,где более высокое значение температуры, количество капсул может быть минимальным (или их вообще не вводят впорцию цемента для забойной части),а в верхней части скважины - максимально допустимое. Таким образом призатнерденании цементного раствора по 4высоте скважины, в нем обеспечивается тепловыделение из капсул в результате того, что при затвердеваниитеплоаккумулирующего вещества из него выделяется теплота кристаллизации 50равная теплоте плавления. Поэтомуобеспечивается равномерное тепловыделение и прогрев цементного раствора по высоте цементирования, так какв забойной части теплота кристаллизации минимальная, а вдоль по высотескважины количество теплоты кристаллизации увеличйвается, так как количество капсул возрастает обратно про.порционально уменьшению температурыв скважине от забоя к поверхности, 40Такой же эффект может быть достигнути на счет того, что в верхней частискважины располаГаются более крупныекапсулы и, следовательно, обеспечивающее большее выделение тепла, чем мелкие капсулы, расположенные в нижней части скважины. Аналогично и при размещении металлотеплопровод 1 ных капсул в верхней части скважины они обеспечцвают тепловыделение более длительно, чем высокотеплопроводные капсулы, размещенные.в нижней части скважины и тем самым затвердение цемента происходит при более изотермических условиях по глубине .скважины. Поэтому цемейтный раствор застывает более равномерно по всей глубине скважины и более одновременно. Поэтому растягивающие напряжения в колонне минимальные.Размеры капсул выбираются в зависимости от геологических и физических характеристик ствола скважины (градиент температуры, диаметр, вязкость и плотность раствора и ти.), а также определяются пропускной способностью насосного оборудонания и арматуры. Например, если ствол скважины характеризуется сильными поглощениями и сложен пористыми породами, то размер капсул может быть увеличен. Практически капсулы могут иметь размеры в диапазоне 0,1-10 мм. Геометрические формы капсул могут быть различные в виде цилиндрических стержней, сфер, гранул, нитевидных волокон, порошка и т.п. Планкие ядра могут быть получены различными методами, например методами порошковой металлургии 1 помолом в мельницах) или плазменной технологии (когда в струю газа подают материал где он оплавляется, капли принимают округлую форму, а затем охлаждаются и получаются Гранулы). Покрытия на гранулы могут быть нанесены также самыми различными методами. Например, помещают гранулы н раствор электролита и гальваническим путем наносят на гранулы металлическую оболочку, оболочка в этом случае может быть полу" чена из никеля, меди алюминия и других металлов, Такой процесс весьма прост и производителен. Также оболочка может быть нанесена путем осаждения на ядро материала из парогазовой фазы. Кроме того, оболочка может быть получена путем осаждения на ядро слоев н печах кипящего слоя или, например н мешалках содержащих материал ободочки н виде растнора или суспензииОболочка, а зависимости от материала планкого ядра, может быть выполнена иэ металлов, пластмасс, смол (например, кремнийорганических), резины и других материалов. Толщина оболочки определяется прочностью и теплопроводностью капсулы и может составлять от десятков микрон до нескольких миллиметров. В качестве примера можно рассмотреть процесс изготовления капсул содержащих и качестве материала планкого ядра ГеС 1 (1 =304 С). Грануля из ГеС 1 полуТаким образом, недостаток тепла горных пород в верхней части скважины восполняется теплом отобранйым иэ забойной части скважины и транспортируелым вверх с помощью теплоаккумулирующих капсул. Для того, чтобы создать еще более изотермические условия для затвердевания цементного раствора, выравнивание температуры по высоте кольцевого пространства осуществляют путем введения капсул с геометрическими размерами, уменьшакщимися от устья к забою. Самюе большие, а следовательно, и самые теплоемкие капсулы вводят в верхние интервалы, где самая низкая температура. При этом эа счет большей теплоемкости эти капсулы обеспечивают перенос тепла на большее расстояние, чем мелкие капсулы и тем салым обеспечивается более равномерный прогрев цемент. ного раствора по всей высоте скважины. Также, с целью обеспечения повышенной иэотермичности по высоте в кольцевом пространстве, капсулы могут быть изготовлены иэ материалов с различной теплопроводностью и теплоаккумулирующей способностью. Так, в верхнюю часть скважины могут быть закачены капсулы с оболочкой выполненной из какого-либо теплоизоляциончают в шаровой мельнице. Затем, после очистки поверхности гранул, их помещают в раствор содержащий соль, никеля в раствор хлористого никеля),гипофосфит натрия и уксуснокислыйнатрий, осуществляют процесс химического восстановления и получают покрытия из никеля на гранулах из ГеС.Такие капсулы могут быть примененыпри цементировании скважин с высокойзабойной температурой (310 ОС и более)На фиг. 1 изображена зацементированная скважина, продольное сечение;на. фиг, 2 - графики зависимости распределения геотермической температуры в скважине, количества капсул повысоте кольцевого пространства и температуры цементного раствора по высоте кольцевого пространства.Продавочной жидкостью 1 заполняется обсадная колонка 2, которая сни-зу ограничена цементировочной пробкой 3. В кольцевое пространство, заполненное цементным раствором, вводятся капсулы 4.На графике (фиг. 2 ) показаны распределения геотермической темпера- стуры 5, количества капсул б и температуры цементного раствора 7, содержащего капсулы.Способ осуществляется следукщимобразом.ЗОПеред приготовлением тампонажнойсмеси, как обычно, определяют глубину скважины, забойную и устьевуюстатические температуры, проектнуювысоту подъема тампонахного раствора, номер партии и тип цемента,удельный вес промывочной жидкостии т.п.Забойная температура составляет330 С. Затворяют цементную смесь, которая должна располагаться в верхней. 40части всей высоты подъема. В этупорцию вводят капсулы, содержащиеядро из ГеС 1 З, а оболочку из никеля(или любого другого материала стемпературой плавления и прочностьюобеспечивающих целосность капсулыв условиях забойной температуры идавления). Количество капсул (а следо"вательно и количество тепла, котороепоглощается ядрами капсул при их 50плавлении на забое и вЫделено приих плавлении на забое и .выделено приих эатвердевании в верхней части за"трубного пространства ) определяетсярасчетным путем по эамеренным температурам в скважине. Количество аккумулированного тепла может быть определено по формуле:0 свк =а 1 +0 плгде с - теплоемкость вещества капсу-.лы и оболочки; 60с- забойная температура,устьев ая температура,количество тепла аккумулиройлванное за счет скрытой теплоты плавления материалаядер 5 Исходя из гидравлических размеров в арматуре скважины, заранее выбирают размеры капсул. Например, выбирают капсулы диаметром 1 см. Опре,деляют количество теплоты которое может аккумулировать одна капсула. Затем общее количество теплоты, необходимое для прогрева массы цементного раствора в. кольцевом пространстве, делят на количество теплоты, аккумулируемое одной капсулой и определяют количество капсул, Зная градиент температуры в направлении от забоя к устью скважины, в каждую порцию цементного раствора вводят необходимое количество капсул так, чтобы их количество от забоя к устью скважины Возрастало, Например, в порцию раствора предназначенную для цементирования самого верхнего интервала колонны, вводят гранулы из расчета 1000 шт. на пог.м, а затем ближе к забою, количество вводимых капсул все уменьшают. В забойной части порция раствора вообще может не содержать капсул. Таким образом, в верхнем интервале цементирования при эатвердевании цементирования при эатвердевании цемент-. ного раствора выделяется наибольшее количество тепла,так как там наиболь" ра кристаллизуются и выделяют тепло, а в нижней части скважины, где капсул нет, затвердевание цементного раствора происходит под действием тепла горных пород, то есть без дополни" тельного введения тепла в самом растворе.832062 Составитель Е. МолчаноТехред М. Рейвес орМ. Шароши едакт Шанд о 0 Тираж 627 ИИПИ Государственного по делам изобретений 35, Москва, Ж, РаушЗак одписно омитета СССР открытий кая наб, д. филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная ного материала, например иэ температуростойкой пластмассы. А в ниж, них частях кольцевого пространства могут быть закачены капсулы с оболочкой иэ материалов с высокой теплопроводностью, например из алюминия или меди, В этом случае операция цементирования может быть осуществлена с выдержкой первых порций цементного растворЬ, содержащих теплоизолированные капсулы, на забое в течение времени необходимом для прогрева этих капсул и расплавления их ядер.Затем осуществляют быструю прокачку первых, порций так, чтобы теплота поглощенная ядрами на забое транспортировалась при жидком состоянии ядер, 15 а кристаллизация их происходилапосле прокачки всей массы раствора в кольцевое пространство. При этом обеспечивается равномерный по высоте кольцевого пространства погрев 2 О всего столба цементного раствора.формула изобретенияСпособ цементирования скважин, путем подачи тампонажной смеси с добавнами в затрубное пространство, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения качества цементирования и обеспечения возможности управления процессом твердения тампонажной смеси, в качестве добавок используют плавкие материалы, размещенные в герметичных капсулах и имеющие температуру плавления в диапазоне забойной температуры, причем подачу тампонажной смеси в затрубноепространство ведут в течение временикристаллизации добавок. Источники информации,принятые во внимание при экспертизел1. Мицевич А.И. Справочник инженера по бурению. М., "Недра", 1973, т. 1, с. 395,2. Каморин В.М. Зависимость качества и успешности цементирования тампонажной суспензии. "Нефтяное хозяйство", 1967, 9 б, с. 28-32.