автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Разработка технико-технологических средств для оперативного улучшения изоляции пластов при креплении скважин

1 л и ^ ^

МИНИСТЕРСТВО НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСШ .ИНСТИТУТ БУРОВОЙ

Дудаладов Анатолий Константинович

РАЗРАБОТКА ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО УЛУЧШЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ПЛАСТОВ ПРИ КРЕПЛЕНИИ СКВАЖИН

Специальность 05.15.10 Бурение скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТЕХНИКИ /ВНИИБТ/

ЗДК 622.248 На правах рукописи

Москва 1591

Работа выполнена во Всесоюзном ордена Трудового Красного Знамени, научно-исследовательском институте буровой техники ' (ВНИИБТ).

Научный руководитель: кацдидат технических наук, с.н.с.

Ю.З.Цырин

Официальные оппоненты: доктор технических наук,профессор

В.И.Крылов, кандидат технических наук И.А.Ведищев

Ведущее предприятие - производственное объединение

"Сургутнефтегаз"

Защита диссертации состоится " // " Ко^б?*? 199/г. в час. на заседании специализированного совета Д.104.03.01 Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института буровой техники по адресу:

1Г?049, Москва В-49, Ленинский проспект,6. С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке ВНИИБТ. Авшореферат разослан " (Г " я^р 199/г. Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю совета.

- Ученый секретарь . специализированного совета

А.И.Литвинов

Т." ••

■ .¡'-С'-

о '

"р'СГ'И'

•'•7" »

т^итгдии

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Интенсивное обводнепиз добывающих сква-5пн целого ряда месторождений нефтегазодобывающих регионов страны, црезде всего Западной Сибзрп, связано не только с особенностям их геологического строения и методов разработки,но и качеством строп -гелъства сква-шн. Заколоннне проявления 2 перетоки остаются одной из главных причин больших материальных затрат на строительство и эксплуатацию скваяин.

Ваяным резервом в этой области является разработка и применение новых технических средств для улучшения качества разобщения плас -тов.что позволяет не только повысить производительность скважин, уменьшить количество их ремонтов,но и сократить капитальные влояе -ния на строительство дополнительных сооружений для обезвоживания нефти,т.е. решает в комплексе весьма актуальную проблему обеспечения роста добычи нефти и газа при снижении их себестоимости.

Зарубежный и отечественный опыт последних лет показал эффек -тивность применения при креплении скважин заколонных гидравлических проходных пакеров,позволяющих в значительной степени влиять на изолирующую способность крепи. Все большее внимание исследователей в СССР и за рубежом привлекают специальные технические средства, позволяющие при минимальных затратах создавать в определенных,заранее заданных малых интервалах затрубного пространства высокопроч -ные перемычки,выдерживающие значительные перепады давления мезду разобщаемыми зонами.

Рассмотрение и анализ результатов разработки и использования в промышленности указанных технических средств.показывает,что. ак -туальна и необходима дальнейшая,более детальная и глубокая прора -ботка вопросов оперативного улучшения изоляции пластов при креп-

ленЕЕ скважин.

Цель паботы. Исследование и разработка технологии и техниче ких средств,обеспечивав .;дх оперативное регулирование свойств лаке них и тампонажных перемычек в заданных зонах затрубного простраг: ства после окончания процесса цементирования скважины.

Основные задачи •работы.

Исследование и обоснование основных принципов оперативного улучшения изоляции пластов при креплении скважин.

Исследование факторов,влияющих на герметичность контакта уш кителыюго элемента гидравлического пакера со стенкой скважины.

Разработка и исследование многократно регулируемого заколош го гидравлического проходного пакера.

Разработка специального инструмента для формирования з зако; ном пространстве скважин "поясов" материала с улучшенными гермета .рующими свойствами и рукавно-цет.:ентных перемычек.

Разработка,промышленные испытания и внедрение усовершенстзо! ной технологии разобщения пластов заколонными гидравлическими прс ходными пакерами.

Методы решения поставленных задач.

Поставленные задачи решались путем:

- лабораторно-стендовых исследований(с использованием как ориги нальных.^ак и известных методов и оборудования) по созданию новю технико-технологических средств; обобщения результатов исследова ний;

- промысловых исследований влияния заколонного гидравлического пакера на обводненность добываемой продукции в различных геолого технических условиях по результатам эксплуатации полных совокутш тей скважин, пробуренных на конкретные эксплуатационные объекты( использованием автоматизированной системы сбора данных и обрабои резулвтатов на персональном компьютере типа IBM/AT);

• анализа и обобщения известных и разработки на уровне изобретений ювых технико-технологических решений, реализующих цель работы.

Научная новизна.

Принципиально раскрыта общая динамика изменений давления внутри уплотнительного элемента пакера и в смежных зонах затрубного про-¡транства скважины в процессе формирования структуры кольца цемент-юго камня.

Выявлены и изучены особенности ограничения водопритока в сква-шны при установке заколонного пакера.

Определены закономерности уменьшения начального контактного явления заколонного гидравлического пакера на стенку скважины под ¡ействием различных геолого-технических факторов с учетом конструктивных особенностей (жесткости) уплотнительного рукава.

Предложен и обоснован критерий герметизирующей способности па-

сера.

Определены методические возможности выполнения допакеровки 5кважин для сохранения герметичности пакерных перемычек в заколон-1ом пространстве.

На основе стендовых исследований разработаны функциональные и сонструктивные принципы клапанной системы заколонного гидравлического пакера, регулируемого при освоении и эксплуатации скважины.

Определены и классифицировании основные технологические принципа повышения эффективности применения заколонных пакеров и специн-:трумента для разобщения пластов.

На основе скважинных исследований разработана методика геофи-шческого контроля за срабатыванием заколонного гидравлического па-сера после его установки в стволе скважины.

Практическая ценность.

Разработаны необходимые технические решения на уровне изобрете-шй для осуществления технологических принципов оперативного регули-

ровашш свойств разобщающих перемычек в заданных зонах заколонного пространства скважины.

Выполнены проектно-конструкторские и опытно-промышленные работы по созданию размерного ряда заколонных проходных гидравлических пакеров,регулируемых при освоении и эксплуатации скважин и не тлеющих аналогов за рубеноы.

В процессе промысловых испытаний и опытно-промышленного применения созданного пакера доказана его существенная эффективность по сравнению с серийно выпускаемы?,та заколонными проходными гидравличес кими пакерами типа ПШ при разобщении пластов.

На основе сквакинных экспериментов отработана технология при -менения заколонного гидравлического пакера,регулируемого при освоении и эксплуатации скважины.

Предложен порядок экономического стимулирования применения спе цианъных технических средств,повышающих качество скважин при их стр ительстве.

Результаты работы отражены в приказах по объединениям "Ноябрьскнефтегаз ", "Сургутнефтегаз " и ''Нижневартовскнефтегаз" "О .дальнейшем повышешш эффективности использования заколонных пакеров" и утвержденных технологических регламентах ряда объединений Западной Си бири.

Реализация работы в промышленности.

В 0П0 "Карпатнефтемаш" внедрены в серийное производство шесть тшго-размеров разработанных пакеров типа ПГПМ,

В I988-I9S0 г.г. применено более 500 пакеров типа ПГПМ■в объединениях Западной Сибири. ,

Экономическая эффективность от применения пакеров типа ПГПМ зависит от конкретных геолого-технических условий.В объединении "Ноябрьскнефтегаз",где осуществляется массовое применение заколонных гидравлических пакеров в наиболее сложных геолого-технических условиях, годовой экономический эффект на I пакер составил 7,6 тыс.

рублей, а средний экономический эффект по отрасли - 3,8 тыс.руб.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы должены и обсуждены на встрече работников Мингазпрома "Основные направления в развитии техники и технологии крепления газовых скважин'Чг.Москва,ВдДА, 1Ыз4г.},на конференции молодых, ученых и специалистов ВНИИЬТ(г.Москва, 5г.),на совместных семинарах ВНИИЬТ и комбината "Нефть и газ"(гЛ'омерн,1'дР,Г^ЬЬ,1^ЬУг.г.),на семинаре "Состояние и совер-неиствование цементирования сквакин?(г.Киев,ШУ?г.) ,на отраслевых координационных совещаниях по креплению скважин(г.Краснодар,, ХЬЪЬг.г.),на семинаре "Проблемы совершенствования конструкций глубоких разведочных скважн на нефть и газ" (г.КиевДЬЬЬг.) ,на семинаре "Совершенствование крепления скважин и качества разобщения продуктивных пластов"(г.Сургут,),на Всесоюзном совещании по проблеме "Создание,совершенствование,производство и испольяо-вание пакеров, обеспечивающих повышение производительности нефтяных и газовых скважин и охрану недр'Чг.Калуш.ГЛОг.).

Публикация работы.

Основное содержание работы изложено в 1о печатных работах,в том числе в одном руководящем документе, 5 авторских свидетельствах СССР на изобретение, одном зарубежном патенте и Ь статьях.

аакеры типа ПГи.. экспонировались на.В/]ДА, авторы награждены серебрянными медалями."

Объем работы.

диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, насчитывающвго 141 нименовакие и У приложений.

Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит Ы рисунок, таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ . Во введении обоснована актуальность выбранной теш диссертации,, сформулирована цель .основные задачи и новизна работы..

Первая глава, посвящена анализу современного состояния и воз -мощностей совершенствования изоляции пластов при креплении скважин.

Рассмотрены работы советских и зарубежных специалистов,направленные на решение этой проблемы: А.И.Булатова.А.А.Гайворонского, 'Н..И.Титкова,В.И.Крылова,В.С.Данюшевского,М.О.Ашрофьяна,И.Г.Юсупова, Н.С.Дона,Е.М.0оловьева,Ю.З.Цырина,В.И.Ванифатьева,Д.Смита,Д.Лайнса, В.Мунка и др.

На основании анализа промысловых и литературных данных рассмотрены причины заколонных перетоков, связанные с .тремя зонами аатруб-ного пространства сквакины: контакта цементного кольца с обсадной колонной,непосредственно цементного кольца и контакта "цементное кольцо- стенка скваяшш". Каждая из этих трех зон и их герметичности подвержены влиянию.большого количества геолого-технических факторов

Отмечено,что в мировой практике развивается избирательный метод изоляции пластов при креплении скважин,предусматривающий подбор к каедой зоне затрубного пространства наиболее оптимальных технологических приемов,органически входящих в единый процесс крепления скватан. -

Рассмотрены функциональные особенности различных технических средств для оперативного улучшения разобщения пластов в заданных ин тервалах ствола скважины.

Показано,что единственной зоной межпласт овог'о перетока в ин -тервале установки заколонного пакера,является зона контакта его уп-лотнительного элемента со стенкой сква-хины.

На .основании теоретических положений и представлений,используемых в герпетологии,рассмотрены' факторы, влияющие на ..формирование

и герметичность контакта пакера со стенкой скважины.Проанализиро -ваны различные конструкции отечественных и зарубежных заколонных пакеров.Приведена классификация заколонных пакеров по типу деформации уплотнительного элемента.

Основной технической концепцией зарубежных фирм в совершенствовании пакершк технологий является обеспечение начального высокого давления пакеровкп скважины,т.е. высокого контактного давления между пакером и стенкой скважины и таким образом обеспечение его герметизирующей способности.

Однако,такой подход,во-первых, прредъявляет дополнительные тре-ЗованияГобсадной колонне,а также технологии крепления скважины в це-пом.Во-вторых, что более важно,он не решает проблемы релаксации напряжений и ослабления герметичности контакта "уплотнительный эле -мент-стенка скважины" во времени.

В известных к настоящему времени исследованиях отсутствует комплексное рассмотрение возможности оперативного улучшения изоляции пластов при креплении скважин. Диссертационная работа посвящена изучению этих возможностей на основе регулирования герметизирующей способности заколонных гидравлических пакеров и создания специального инструмента для разобщения пластов.

Во второй главе рассмотрены промысловые и стендовые исследования пакерных перемыче в затрубном пространстве скважины.

На основе отечественных исследований,в частности,выполненных с нашим участием и с учетом данных фирмы ГлМ ¡МТьКНДЮМЬ/США/ принципиально раскрыта общая динамика изменения давлений в надпа -керной и подпакерной зонах аатрубного пространства скважины и внутри уплотнительного элемента пакера в процессе формирования структуры цементного кольца ;рис.1)

Особенности измененгя давления внутри уплотнительного элемента обусловлены следующими явлениями.

А,Б,С-соответственно измене ние давления внутри уплотш: тельного элемента пакера. е надпакерной и подпакернол з нах затрубного пространства В-пластовое давление;

Т7,Та,Тз-ооответственно вре мя проведения пакеровки ске жины, начала и окончания сз тавашш тампонажного раствс 1-тампонажный раствор нахо; ся в жидком состоянии;

7

В

,лР3-ветчины контакт ных давлений, создаваемых

11-гелеобразное состояние тампонажного раствора;

Т,

уплотнительным элементом пе кера на стенку скванкны.

Рис.1 Общая динамика изменении давления внутри уплотнитель-ного элемента пакера и в смежных зонах затрубного прос ранства скважины в процессе формирования структуры ко; ца цементного камня.

При пакеровке скважины происходит некоторая начальная дефо^ ция пристенного гидратированногс слоя глинистой породы, которая определяется начальным контактным давлением & см. рис.1) .завис* цим от избыточного давления Рвн>0»созданного внутри уплотнитель! го элемента пакера (начального давления пакеровки),и .других усл< вин установки пакера. При этом часть деформации - остаточная.

После проведения пакеровки в подпакернол зоне происходит быстрое снижение давления и виравниванне его со значением пласте го давления(см.рис1.кривая С).Б надпакерной пространстве снижен? давления(см.рис.1,криваяБ),в основном, происходит в период от ш ла до окончания схватывания тампонажного раствора(Т^-Т^).В связ! возрастающей разностью значений давления в затрубном пространст1 в наднакернойСР^) и подпакернол(Рс) зонах уплотнктельньй элемент кера испытывает увеличивающийся перепад давления. По той не при1 имеет место неравномерное нагружение пристенного слоя глинистой роды,контактирующей с пакером по длине уплотнительного элемента

оответственно,-развивается дополнительная деформация этого слоя, ключающая и дополнительную остаточную деформацию.По мере уменыне-ля "активного" гидростатического давления столба тампонажного раст-юра( период Т^-!^) над дак'ером происходит некоторое объемное расши-»ение уплотнительного элемента с соответствующим умвныаением в нем ;авления,т.к. по данным проф.Булатова А.И., "Поровое давление в там-юнажном растворе снимется быстрей,чем скелет формирующегося це -гентного камня сможет воспринимать дополнительную нагрузку". При 1том накопленная остаточная деформация стенки скважины приводит к [ополнительному уменьшению внутреннего давления в уплотнительном ¡лементе пакера, определяемому увеличением диаметра ствола скважи-ш по сравнен!® с его величиной при пакеровке,т.е. некоторым нара-циванием объема рабочей полости уплотнительного элемента пакера в ломент Тд по отношению к моменту Т|. В результате контактное давление й Рд между пакером и стенкой скважины становится меньше,чем & Р|,т.е. герметизирующая способность пакера уменьшается.

Для качественной и количественной оценки герметизирующих свойств уплотнительного элемента пакера нами разработана методика стендовых и промысловых исследований.

Промысловые исследования были построены по принципу планируемого пассивного эксперимента( наблюдений за поведением объекта -испытуемого пакера - т промышленных скважтнах) и проводились в различных геолого-технических условиях - на семи месторождениях Западной Сибири.

Сбор и анализ данных выполнялись с использованием системы АСУ и персональной ЭВМ.

Основным критерием оценки применявшейся технологии были данные об освоении и начальном этапе эксплуатации скважин. Техническое состояние скважины оценивалось по данным геофизических исследований.

Анализ распределения скважин по степени обводненности в пер -

вые 6 месяцев эксплуатации показывает,что доля(относительное коли -чество) обводненных скважин в группе без пакеров превышает долю таких скважин в группе с пакерами в 3-12 раз.При этом в период 2-5 месяцев доля обводненных скважин в группе без пакеров практически стабилизируется, а доля таких скважин в группе с пакерами приобретает тенденцию к увелнчениюСкроме скважин с содержанием воды в продукции более 50$) .Изучение динамики обводненности скважин Суторминского месторождения за более длительный периодСдо 24 месяцев) показал,что ■в пакерной группе" доля безводных скважин постоянно превышает долю безводных скважин в беспакерной группе,однако имеет место более интенсивное снижение доли таких скважин в первой группе на протяжении 2-х лет их эксплуатации.Выявленная динамика обводнения пакерных; и беспакерных скважин свидетельствует об уменьшении герметизирующей способности пакеров ПГП. Таким образом,показана практическая значимость уменьшения напряженности контакта уплотнительного элемента пакера со стенкой скважины и необходимости его регулирования в процессе освоения и эксплуатации скважины.

Оценка влияния конструктивных и технологических факторов на гер метизирующую способность пакера производилась в стендовых условиях.

Стендовые исследования выполнялись на специально разработанной нами стендовой установке по испытанию устройств для разобщения плас-тов(СУРП)^Установка предназначена для исследования натурных образцов технических средств,позволяющих создать в затрубном пространстве скважины высокопрочные герметичные перемычки,включает 6 испытательных камер,насосную группу,пульт управления,соответствующую гидравлическую обвязку и вспомогательное оборудование.Кроме того,в состав установки входит устройство для исследования контакта уплотнительно-. го элемента со стенкой скважины,позволяющее изучать деформацию гид -ратированной пристенной зоны горных пород на контакте с пакером и герметичность этого контакта.

Переменными условиями при проведении стендовых исследований на-'урных образцов уплотнительных элементов пакеров являлись коэффици-!НТ пакеровки Кц , начальное давление пакеровки Рвн^,конструктивнее особенности уплотнительного элемента( наружный диаметр уплотни-■ельного рукава,материал его силовых слоев).

В процессе стендовых работ изучалось влияние следующих факто -job на созданное при пакеровке скважины контактное давление пакера и её стенку:

О общего изменения объема рабочей полости уплотнительного элемен -та(обусловленного совокупным влиянием возвратных перемещений подвижных элементов клапанного узла и других частных факторов); i) вязкопластической деформации пристенного слоя гвдратированной глинистой породы,контактирующей с уплотнительным элементом пакера;

:) вязкоупругой деформации различных уплотнительных элементов гад -1авлических пакеров после их расщирения( в процессе достижения в

эластичных слоях равновесного напряжения); О диффузионных и капельных утечек жидкости из полости рукавного элемента через уплотнителъные системы в клапанном узле и концевой обжимной арматуре; ,) остаточной деформации концевой обжимной арматуры и системы торцевой защиты ушил „ительного.элемента пакера( разгальцоЕка концевых зон,обращенных к середине рукава) при выдерживании значительных перепадов давления.

Путем обработки экспериментальных данных на персональном компьютере IBM/AT с использованием стандартного пакета прикладных про-рамм построены кривые-зависимостей величины давления внутри уплот-ительного элемента (Рвн) от изменений объема его рабочей полости V' ).Апроксимация полученных графических зависимостей проводилась етодом наименьших квадратов с использованием программы "£игека"..

Установлено,что в пределах изменения V" от 0 до 570 см3 зависимость Рвн от V' описывается математическим выражением:

при значении максимального отклонения ( систематической ошибки)

п =0,94643259. Проведены расчеш эмпирических коэффициентов А,

В и С. При увеличении начального давления пакеровки с РШо=2,0 Ша

до Р =12,0 Ша,например, для резинотканевого рукава наружным дие о

метром 184 мм с одним парным силовым слоем, значения коэффициентов

с

соответственно увеличиваются: при Рвн =2,0 Ша А= 0,6.10 ; В= 5.1.10"3 и С= 1,89; при Рвд = 12,0 Ша А= 2,5.Ю~5 ; В=30,9'.Ю" и С= 11,84. Установлено,что чувствительность внутреннего давления Рвн к изменению V уменьшается с увеличением коэффициента паке-ровки Кд, уменьшением жесткости уялотнительного элемента и начального давления пакеровки.

На примере исследований пакера ПГП-146 при Кц = 1,44 и РВНо= = 6,0 Ша выполнена сравнительная количественная оценка влияния основных факторов на изменение объема V рабочей полости уплотни-тельного элемента, С использованием полученных зависимосте!

Р^н от V' определено,что через год эксплуатации данного пакера в режиме максимального перепада давления между разобщаемыми им зонами Рвн может составить 2,7 Ша, т.е. снизиться на 54$. При этом более 10% потери начального давления обусловлено конструктивными, т.е. управляемыми, факторами.

На основе стендовых исследований и теоретических представлений о работе рукавного уплотнителя как элемента с двумя последовательно установленными демпфирующими мембранами предложен критерий герм( тизирующей способности пакера

Л = Кс V

Переменными условиями при проведении стендовых исследований на-"урных образцов уплотнительных элементов пакеров являлись коэффици-!НТ пакеровки К^ , начальное давление пакеровки Рвн .конструктивна особенности уплотнительного элемента( наружный диаметр уплотни-■ельного рукава,материал его силовых слоев).

В процессе стендовых работ изучалось влияние следующих факто -юв на созданное при пакеровке скважины контактное давление пакера ;а её стенку:

.) общего изменения объема рабочей полости уплотнительного элемен -та(обусловленного совокупным влиянием возвратных перемещений подвижных элементов клапанного узла и других частных факторов); ) вязкопластической деформации пристенного слоя гидратированной глинистой породы,контактирующей с уплотнительным элементом паке-ра;

) вязкоупругой деформации различных уплотнительных элементов гид -авлических пакеров после их расширения( в процессе достижения в

эластичных слоях разновесного напряжения); ) диффузионных и капельных утечек жидкости из полости рукавного элемента через уплотнителъные системы в клапанном узле и концевой обжимной арматуре; ) остаточной деформации концевой обжимной арматуры и системы торцевой защиты уплотнительного.элемента пакера( раззальцоЕка концевых зон,обращенных к середине рукава) при выдерживании значительных перепадов давления.

Путем обработки экспериментальных данных на персональном компьютере IBM/AT с использованием стандартного пакета прикладных про-рамм построены кривые -зависимостей величины давления внутри уплот-ительного элемента (Рвн) от изменений объема его рабочей полости V" ).Апроксимация полученных графических зависимостей проводилась зтодом наименьших квадратов с использованием программы "£uieka".

Установлено,что в пределах изменения V" от 0 до 570 см3 зависимость Рвн от У' описывается математическим выражением:

Реи-</еп\г ....._/17

■при значении максимального отклонения ( систематической ошибки)

II =0,94643259. Проведены расчевы эмпирических коэффициентов А,

В и С. При увеличении начального давления пакеровки с РВНо=2,0 Ша

до Р =12,0 МПа,например, для резинотканевого рукава наружным диг ино

метром 184 мм с одним парным силовым слоем, значения коэффициентов

с

соответственно увеличиваются: при Рвн = 2,0 Ша А= 0,6.10 ; В= 5,1.1(Г3 и С= 1,89; при РВНо = 12,0 Ша А= 2,5.Ю-5 ; В=Э0,9М0" и С= 11,84. Установлено,что чувствительность внутреннего давления Рвн к изменению V' уменьшается с увеличением коэффициента паке-ровки Кц, уменьшением жесткости уплотнительного элемента и начального давления пакеровки.

На примере исследований пакера ПГП-146 при Кд = 1,44 и РВНо= = 6,0 Ша выполнена сравнительная количественная оценка влияния основных факторов на изменение объема V' рабочей полости уплотнительного элемента, С использованием полученных зависимосте!; Рт,н от V' определено,что через год эксплуатации данного пакера в режиме максимального перепада давления между разобщаемыми им зонами Р н может составить 2,7 Ша, т.е. снизиться на 54$. При этом более 70% потери начального давления обусловлено конструктивными, т.е. управляемыми, факторами.

На основе стендовых исследований и теоретических представление о работе рукавного уплотнителя как элемента с двумя последовательно установленными демпфирующими мембранами предложен критерий герме тизирующей способности пакера

А = Кс V

is.

где: V SffiJriL '; у = £*S>.

с р р

вн0 вн.пр.

Р.— __ и А Р™ - соответственно предельные.давления внутри вн.up• up.

уплотнительного элемента и перепад давления между разобщаемыми пакером зонами ( при которых нарушается герметичность пакерной перемычки) . -

Показатели Кс и 1Г предложены нами в качестве Отдельных характеристик функциональных свойств пакера.В частности,Кс принят как коэффициент самоуплотнения пакера.а ТГ -как коэффициент напряженности контакта уплотнительного элемента пакера со стенкой скважины.

Установлены зависимости ~У от Кд и Ес от РБН для упруго -расширяющихся рукавов' различного исполнения. На основе этих данных может определяться возможность применения резинотканевых и резпно-металлических уплотнительных элементов в конкретных условиях.

Стендовыми исследованиями раскрыто практически значимое отрицательное влияние не герметизирующую способность гидравлического пакера его эксцентричного положения в скважине, неровностей ео стешс: и сокращения длины зоны контакта уплотнительного элемента снепрони -цаемш глинистым прослоем.

В целом исследованиями,изложенными во второй главе,показано,что радикальной технологической возможностью оперативного улучшения изоляции пластов при креплении скважин является проведение профилактической и ремонтной доиакеровки скважины.Возможность допакеровкн обеспечивает крепи скважины принципиально новое качество - много -кратную регулируемость её герметизирующих свойств.

Третья глава ■ посвящена разработке и исследованиям технических средств оперативного улучшения изоляции пластов npi. креплении скважин. На основе выполненных исследований нами разработаны основные технико-технологические принципы разработки и конструирования указанны!' устройств.

У6.

С использованием этин принципов нами в соавторстве создан ряд технических решений на уровне изобретений и выполнен комплекс раб.от по разработке,исследованиям и испытанию новых технических средств. Предложен ряд конструкций принципиально новых малогабаритных клапанных систем для приведения в действие заколонннх пакеров.а также систем защиты пакера от преждевременного срабатывания.Проведены сравнительные стендовые испытания этих конструкций.Показано,что малогабаритный клапанный узел позволяет значительно повысить унификацию пакера, сократить более чем на 25% его материалоемкость,повысить технологичность его изготовления и сборки. Сравнительные испытания нового малогабаритного клапанного узла и клапанного узла пакера ПГП показали, что максимальное значение общего объема диффузионно-капель -ных утечек снижается в 6,5 раз. Потери жидкости при возвратном перемещении подвижных элементов нового клапанного узла составляют 3,5см? :что почти в 20 раз меньше,чем у пакера ПГП-146 и в 37раз меньше,чем у пакера ПГП-168. Это имеет принципиальное значение при разработке заколонных пакеров,особенно на обсадные колонны больших диаметров.

Предложена конструкция клапанного узла пакера для заполнения его уплотнительного элемента тампонажным раствором из затрубного пространства скважины. Изготовлены экспериментальные образцы,которые прошли успешные стендовые испытания.Разработаны технологические варианты поведения операции допакеровки скважины(. см.рис.2).Предложены критерии оценки работоспособности этого узла.Выполнены конструкторские и исследовательские работы по выбору материалов и оптимальных параметров рабочих циклов допакеровки. Приведены результаты разработки и стендовых испытаний комплекса технических средств для формирования в затрубном пространстве "поясов" материала с улучшенными герметизирующими свойствами.В указанный комплекс устройств вошли: заколонный проходной смеситель с выдвижными напорно- всасывающими трубками, заколонный проходной контейнер- нижектор и устройство

к.

где: V = ^

вн0 вн.пр.

Р„тт и Л Ртгт, - соответственно предельные.давления внутри сН«пр* лр»

уплотнительного элемента и перепад давления между разобщаемыми пакером зонами ( при которых нарушается герметичность пакерной перемычки) .

Показатели Кс и ЯГ предложены нами в качестве Отдельных характеристик функциональных свойств пакера.В частности,Кс принят как коэффициент самоуплотнения пакера,а ЯГ -как коэффициент напряженности контакта уплотнительного элемента пакера со стенкой скважины.

Установлены зависимости ~и~ от Кд и Кс от РБН для упруго -расширяющихся рукавов'различного исполнения. На осноЕе этих данных может определяться возможность применения резинотканевых и резкно-металлических уплотнительных элементов в конкретных условиях.

Стендовыми исследованиями раскрыто практически значимое отрицательно е влияние не герметизирующую способность гидравлического пакера его эксцентричного положения в скважине, неровностей ее стеша: и сокращения длины зоны контакта уплотнительного элемента с непрони -цаемым глинистым прослоем.

В целом исследованиями,изложенными во второй главе,показано,что радикальной технологической возможностью оперативного улучшения изоляции пластов при креплении скважин является проведение профилактической и ремонтной допакеровки скважины.Возможность допакеровки обеспечивает крепи скважины принципиально новое качество - много -кратную регулируемость её герметизирующих свойств.

Третья глава ■ посвящена разработке и исследованиям технических средств оперативного улучшения изоляции пластов при креплении скважин. На основе выполненных исследований нами разработаны основные технико-технологические принципы разработки и конструирования указанных устройств.

С использованием этин принципов нами в соавторстве создан рдц технических решений на уровне изобретений и выполнен комплекс работ по разработке,исследованиям и испытанию новых технических средств. Предложен ряд конструкций принципиально новых малогабаритных клапанных систем для приведения в действие заколонных пакеров.а также систем защиты пакера от преждевременного срабатывания.Проведены сравнительные стендовые испытания этих конструкций.Показано,что малогабаритный клапанный узел позволяет значительно повысить унификацию пакера, сократить более чем на 25$ его материалоемкость,повысить технологичность его изготовления и сборки. Сравнительные испытания нового малогабаритного клапанного узла и клапанного узла пакера ПГП показали, что максимальное значение общего объема диффузионно-капель -ных утечек снижается в 6,5 раз. Потери жидкости при возвратном перемещении подвижных элементов нового клапанного узла составляют 3,5см? ;что почти в 20 раз меньше,чем у чакера ПГП-146 и в 37раз меньше,чем у пакера ПГП-168. Это имеет принципиальное значение при разработке заколонных пакеров,особенно на обсадные колонны больших диаметров.

Предложена конструкция клапанного узла пакера для заполнения его уплотнительного элемента тампонажным раствором из затрубного . пространства скважины. Изготовлены экспериментальные образцы,которые прошли успешные стендовые испытания.Разработаны технологические варианты поведения операции допакеровки скважины(. см.рис.2) .Предложены критерии оценки работоспособности этого узла.Выполнены конструкторские и исследовательские работы по выбору материалов и оптимальных параметров рабочих циклов допакеровки. Приведены результаты разработки и стендовых испытаний комплекса технических средств для формирования в затрубном пространстве "поясов" материала с улучшенными герметизирующими свойствами.В указанный комплекс устройств вошли: заколонный проходной смеситель с выдвижными напорно- всасывающими трубками, заколонный проходной контейнер- лижектор л устройство

Рис.2 Технологические цели и режимы . допакеровки скважины.

я комбинированно^ комплексного) гидравлического воздействия на' илпонажный раствор. Выполнены стендовые испытания эксперименталь-[х образцов этих устройств.которые показали их работоспособность, ¡пользованием этих устройств наряду с заколонными пакерами с уче-)м многообразия геолого-технических условий может быть значитель-) повышена эффективность технологии оперативного улучшения изоля-ги пластов при креплении скважин.

Четвертая глава посвящена,в. основном, разработке,испытаниям ' внедрению усовершенствованной технологии разобщения пластов зако-шными гидравлическими проходными пакерами.

Разработаны и классифицированы основные технологические принци 1 и варианты использования заколоннкх пакеров и специнструмента ■ разобщения пластов в широком диапазоне геолого-технических ус-.

ловий;Приведены результаты стендовых,и промысловых испытаний разработанных технологических вариантов оперативного улучшения изоляции, пластов.

Для решения задачи получения.достоверной"информации о правильном использовании и функционировании'панера в скважинных условиях, нам в соавторстве разработана методика геофизического контроля за приведением пакера в действие,прошедшая промысловую проверку на месторождениях П.0."Ноябрьскнефтегаза","Сургутнефтегаза","Когалцк-нефтегаза" и других объединений Западной Сибири (рис.3).

.А - зависимость диаметра Т> расширяющегося рукава и коэффициента пакеровки от перемещения и подвижного конца рукава; Б - диаграмма д,5ектомера; В - диаграмма толщиномера; I. - верхний переводник; II - уплотнителькый элемент; III - клапанный узел; 1У - нижний переводник

Рис.3 Контроль за приведением в действие

заколонного проходного гидравлического пакера ППКПГПМ) по диаграммам прибора СГДТ.

Возможность контроля обусловлена выявляемым по диаграммам аппаратуры СГДТ уменьшением плотности среды в затрубном пространстве скважины в зоне уплотнителъиого элемента при условии расширения по-

следнего жидкостью из обсадной колонны.

Обосновано следующее условие срабатывания пакера(см.рис.3):

• 1 > т< -^г. ~ ^л /а " ^ л

На основе стендовых и скважинкых исследований показано,что при

наличии диаграммы СГДТ,выполненной в масштабе 1:50,возможна не только качественная,но и количественная оценка срабатывания пакера с резинометаллическим уплотнительным элементом.При определенном расширении резинометаллического уплотнительного элемента его верхняя часть с обжимкой арматурой соответственно перемещается вниз по корпусу пакера.На диаграмме толщиномера это перемещение хорошо фиксиру-ется( см.рис.3),что позволяет определить увеличение диаметра уплотнительного элемента пакера.

В результате выполненных стендовых и промысловых исследований при нашем участии разработан размерный ряд заколонных гидравлических проходных пакеров типа ПГПМ с малогабаритной клапанной системой для обсадных колонн диаметром 140,146 и 168 км( рис.4).

Пакер типа ПГПМ приводится в действие аналогично пакеру типа ПГЩ рис.5),т.е.сохраняет преимущества этого пакера перед зарубежными аналогами.Для подготовки пакера ПГПМ к срабатыванию снимают избыточное давление в цементировочной головке(операция 6 на рис.5),т.е. используют энергию перепада давления заколонного и :.лутриколокного столбов жидкостей. Затем кратковременно повышают давление в цементировочной головке до величины,необходимой для пакеровки скважины (операции 7,8 на рис.5).

Принципиальной отличительной особенностью пакеров типа ПГПМ от зарубежных и отечественных аналогов является наличие системы ремонтно-профилактической допакеровки,которая позволяет регулировать герметизирующую способность пакера в процессе освоения или подземного ремонта скважины путем дозированного увеличения объема жидкое-

2С

Рис.4 К -нструктизная схема пакера ПГПМ

1-рукавный уплотнитель,

2-клапанная система,

3-рабочая полость рукавного уплотнителя,

4-узел пакеровки, :5-узел донакеровки,

6 и 7-полые срезнне штифты,

8-падамцее, седло,

9 и 10-верхний и нижний переводники,

12-защитный кожух-патрубок.

ти в уплотнительном элементе.Система приводится в действие повышением дав ленля в центральном проходном канале пакера по заданному режиму(операции 6,10,11 и 12 на рис.5),Режим допаке-ровки определяется планируемы® или фактическими технологическими режимами добычи или закачки в пласт жидкости, а также конструктивными особе! ностями пакера.

Прошсловые (приемочные) испыта -ния вакеров типа ПГПМ проведены на Сэмотлорском.Лянгорском и Суторминс-ком месторождениях.При этом изучали их эксплуатационные показатели в зависимости от следующих геолого-тех • нических факторов: глубины спуска пакера(Г730-2625м).смещения забоя скважины от вертикали(99-774м),давл ния пакеровки скважины(2-5 МПа) и е допакеровки(15-19 МПа),перепада дав ния между разобщаемыми зонами (3-12 МПа). Результаты применения пакеров оценивали по данным геофизических'и следований,результатам освоения и первых месяцев эксплуатации скважиг

Анализ данных применения паке] тша ПГПМ показал,что их установка обеспечивает кратное уменьшение чис ла скважин с заколонными перетокам:

/ г Рлр.х'1 s 1 1 » 9* ^ 1 1 1 г 1 1

Pnp.J /Il 7 !' M / 11 / Il /11 /11 Рпр II /N1 / !! 1 чй 1 1 1 1 1 1 1 1—I*—»—

Фирмы„LYnes' ТипаПГЛ Типа ПГПМ Т

( МоЭель,, Я TS) ■

I,2,3,4,5,6,7,8 - операции по приведению в действие пакеров; 9,10,

II,12 - операции по регулированию пакеров ПГШл; Рпр,РПр к- давление соответственно в процессе продавливания тампонаяного раствора и в момент окончания его продавливания; А,Б,В,Г,Д - диапазоны давлений, используемых для приведения в действие пакеров и для допа-

керовки скважины Рис.5 График изменения давления (Р) на устье скважины от

времени (Т) продавливания ташонажного раствора, операций по приведению в действие пакеров и регуж1розаш:я пакера ПГПМ.

ластовых фшоцдов по сравнению со скважинами,оборудованными пакера-и типа ПГП( в частности,при испытаниях пакеров ПГПМ на Суторминс-:ом месторождении полечено уменьшение в 4,86 раз).

С начала 1990 года 0П0 "Карпатнефтемаш" начало освоение серий-:ого производства пакеров типа ПГПМ.С нашим участием проведена орга-пзационно-методическая работа по опытно-промышленному использова -шю этих пакеров на многих месторождениях Западной Сибири. На осно-ie скважинных экспериментов отработана технология применения пакеров 1ГПМ и составлены инструктивные материалы по их применению в различ-шх геолого-технических условиях.Б ряде производственных объединений зеализованы предложенные нами в соавторстве принципы экономического

стимулирования исполнителей работ по использовашш заколонных гидравлических пакоров.

. За период с 1988 по 1990 гг.применено при креплении скважин более 500 пакеров типа ПГПМ,изготовленных 0П0 "Карпатнефтемаш" и Опытным заводом Б11ИИБТ.

Экономический эффект от применения пакеров составил 1,9 млн. рублей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнен комплекс экспериментальных исследований и разра -боток по созданию техшпю-техкологических основ оперативного регулирования герметизирующей способности пакерных и тампонажных перемычек в заданных малых зонах заколонного пространства скважины за счет различных гидравлических и механических воздействий после окончания процесса её цементирования.

2. На основе анализа практ^и разобщения пластов при крепле -нии скважин предложены совокупность и классификация технологических принципов оперативного регулирования свойств разобщающих перемычек при различных геолого-техкических условиях.

3. Промысловыми исследованиями в горно-геологических условиях Тюменской области(в основном обуславливающих задачи данной работы) определена динамика перехода скважин в обводненную часть фонда при различны: .условиях их крепления и эксплуатации,раскрыты принципиальные особенности влияния серийно выпускаемых заколонных гидравлических пакеров типа ПГП на эту динамику.В частности выявлено,что интенсивность перехода скважин:. с пакерами в обводненную часть фонда стабильно составляет 3-4% в месяц и после четвертого-пятого месяцев эксплуатации скважин начинает превышать асимптотически убывающую интенсивность по всему фонду.

4. На основе лабораторных и стендовых исследований и-анализа современных теоретических представлений выявлены совокупность и осо бенности влияния основных факторов уменьшения начальной напряженное

ти контакта пакера со стенкой скважины.

5. Стендовыми исследованиями определено влияние жесткости уп-. лотнительного рукава и условий пакеровки на герметизирующую способность пакера.На основе этих исследований предложен критерий оценки герметизирующей способности пакера,отражающий возможность самоуплотнения рукава и степень напряженности его контакта со стенкой скважины.

6. Предложен принцип профилактической и ремонтной допакоровки заколонного пространства скважин и определены технологические воз -мощности его реализации.

7. Для реализации принципа'допакоровки разработана на уровне изобретения и исследована в стендовых условиях клапанная система регулируемого при освоении и эксплуатации скважины заколонного гидравлического пакера.Промысловыми исследованиями в сложных условиях разобщения пластов на Суторминском месторождении доказана высокая эффективность принципа допакеровки и разработанной клапанной системы: обеспечено многократное(в 4,8 раза)дополнительное уменьшение доли обводненных скважин по сравнению с сопоставимыми скважинами,оборудованными пакером ПГП.

8. На основе выполненных исследований и разработок спроектирован и внедрен в серийное производство размерный ряд заколонных проходных гидравлических .такеров типа ПГПМ с малогабаритной унифицированной клапанной системой первичной пакеровки и допакероЕки скважины.

9. На основе скважшгных исследований разработана методика геофизического контроля за приведением пакера в действие,обеспечивающая, в частности,количественную оценку расширения уплотнительного рукава.

10. Разработан на уровне изобретения и испытан в стендовых условиях заколонный проходной специнструмент для формирования в зако-лонном пространстве скважин "поясов" материала с улучшенными герметизирующими свойствами: контейнер-инжектор,смеситель с выдвижными

напорно-всасывающши трубками, устройство для ког.шлексного'воздействия на тачпонажный раствор.

II. Результаты опытно-промышленного применения пакеров типа ПГПМ на месторождениях Западной Сибири выявили их высокую экономическую эффективность,которая зависит от конкретных геолого-техничес ких условий и в среднем составляет 3,8 тыс.руб.на один пакер в год. В 1988-1990 годах примечено более.500 пакеров на месторождениях Западной Сибири.

ОСНОВНОЕ С0ДЕРЕАШ1Е ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РВОТАХ:

1. Технология крепления скважин с близким расположением нефте водогазоносных горизонтов на Самотлорскоы месторождении.СТО 51.00. 027-86/В.Г.Добрянский,0.И.Рубинштейн,Б.И.Краснов,В.Н.Медяник,Е.М. Левин,Ю.3.Цырин,А.К.Дудаладов,И.С.Катеев/-Тюмень-1986.-7с.

2. Влияние геолого-технических факторов на ограничение водо-щгатокз в скважины при установке заколонного пакера/А.К.Дудаладов, Ю.З.Цырин,В.И.Ванифатьев,Е.Б.Крас:эков/Эксиресс-информация:0течест-венный опыт,Сер."Техника и технология бурения скважин".-1988,-Вып.; с.12-15.

3. Влияние заколонных гидравлических пакеров на обводненност: скважины/А Ji .Дудаладов,Ю.3.Цьфин,В.И.Ванвфатьев,Г.К.Колеганов,Н.В. Говзич/ Нефтяное хозяйство.-1989,-И с54-57.

4. Возможности оперативного улучшения изоляции-пластов при кроплении скватан/А.К.Дудаладов,Ю.З.Цырин,В.И.Ванифатьев/Экспресс-информаци^Отечественный опыт,Сер"Техгожа и технология строительст: скважин на суше и на море",-1989,-Вып.5,с.12-14.

5. Исследование изменения начального контактного давления . заколонкого гидравлического пакера на стенку скважины/А.К.Дудаладов ,Ю.3.Цырин,В.И.Ванифатьев/ Экспресс-информация: Отечественный опыт,Сер."Строительство нефтяных и газовых скважина суше и на мор -1990,-Вып.1,с.31-36.

6. Промысловые испытания заколонных пакеров типа ПГПМ с геофизической корректировкой глубины их установки /А.К.Дудаладов,Е.И. Есин,З.Ш.Ахмадишин,М.А.Беков/ Экспресс-информация: Отечественный опыт,Сер.Строительство нефтяных и газовых скважин на.суше и на море. -1990, -вып. 4, с.26-33.

7. Заколонный пакер,регулируемый при освоении и эксплуатации' скважинД). 3 .Цырин ,В .И .Ванифатьев, А. К .Дудаяадов, С .Н. Силуянов ,Б. А. Вацык/ Нефтяное хозяйство.-2990,-.СТ,с.67-71.

8. Крепление скважин.с пакеровкой и профилактической допаке-ровкой заколонного пространства/А.К,Дудаладов,Я.И.Велик,Ш.X.Сагде-ев,В.Н.Яровенко.В.С.Токарев,М.А.Кудаяров,Е.И.Есин/ Нефтяное хозяйство ,-1990,8,с.67-70.

9. Пакеры и специнструмент для разобщения пластов при креплении скважин Д).3.Цырин,В.И.Ванифатьев,Л.Х.Фарукшин,А.К.Дудаладов, П.АЛуев/ М..ВНКИ0ЭНГ, 1990.

10. Геофизический контроль за приведением в действие заколонпо-го проходного гидравлического пакера Д).З.Цир1:н,Е.А.Поздеев,Я.1!.Бе~ лик,А.К.Дудаладов,В.И.Ванифатьев/ Экспресс-гкфорпация: Отечественный опыт, Сер. Строительство нефтяных и газовых скважин на супе и

на t.:ope, 1991,-вып.2,с. 18-22.

11. A.c. !!> II8S999, СССР "Устройство для тампонирования скважин" /А. К. Дудаладов,В. И.Вашдаатьев ,10.3. Цырин, А.А.Домальчук.В.В.Бон-даренко/ -опубл.Б..И. -IS85,-.'."з 41.

12. A.c..'.! I280II2, СССР "Устройство для цементирования обсадных колонн" /А.К.Дудаяадов, Ю.З.Цырин, В.К.Ванкфатьев.И.С.Катеев, И.В.Пахомов/ -опубл.Б.И.- 1986,- 48.

13. A.c..v 1348502, СССР "Устройство для обработки тампонажно-го раствора в скважине" /А.К.Дудаладов, 10.ЗЛ^грин,В.И.Ванифатьев, А.А.До;.;альчук, В.Л.Богданов/- опубл.Б.И.- 1987,-.0 40.

14. A.c.J." 1395802, СССР "Устройство для заполнения жидкостью уплотнительного элемента гидравлического пакера"/ Ю.З.Цырин, В.И. Ванифатьев,А.К.Дудала .ов,'С.Н.Силуянов/-опубл.Б.И.,-1988,- J.l 18.

15. A.c..1,! I440I20,"СССР "Устройство для приведения в действие уплотнительного элемента пакера" /В.И.Ванифатьев,Ю.З.Цырин, А.К. • Дудаяадов,А.А.Домальчук,В.Л.Богданов,Д.Л.Фокин/ -публикация разрешена письмом Госкомизобретений J5 3780513/24-ЛГ от 10.03.89.

16. Патент ГДР JS 263CG4 AI "Муфта ступенчатого далентирова -ния"Даммер Герд, Гайслер "1рген,Гёриш Клаус,В.И.Ванифатьев, А.К. Дудаладов, Шглиргаль Райнер, Ю.З.Цырин/

Подписано в печ. 30.09.91. Зак. 210. Тир. 100 Ротапринт ВНИИБТ