автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Методы диагностики и ликвидации межколонных флюидопроявлений при строительстве скважин на месторождениях и ПХГ

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ГАЗПРОМ "

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ (ОАО '' СЕВКАВНИПИГАЗ'')

На правах рукописи

ТЕНН РУДОЛЬФ АЛЬФРЕДОВИЧ

МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ И ЛИКВИДАЦИИ МЕЖКОЛОННЫХ ФЛЮИДОПРОЯВЛЕНИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СКВАЖИН НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ И ПХГ

Специальность: 05.15.10 "Бурение скважин"

Диссертационная работа

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАЕН, академик АГН РФ K.M. Тагиров

Ставрополь - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

В в ед е н и е................................... 8

1.Состояние изученности проблемы и задачи исследования... 16

1.1.Причины возникновения межколонных флюидопроявле-

ний в газовых скважинах................................................... 17

1.2.Существующие методы предупреждения и ликвидации межколонных флюидопроявлений..................................... 26

1.3. Изученность вопроса диагностирования межколонных флюидопроявлений............................................................ 39

1.4.Определение цели и постановка задач исследования......... 45

2. Разработка комплексной технологии диагностики

межколонных флюидопроявлений ................................... 49

2.1.Методика газодинамических исследований межколонного пространства скважин........................................ 50

2.1.1. Анализ динамики межколонного давления............ 50

2.1 ^.Диагностирование связи межколонного и затруб-

ного пространств.................................................... 53

2.1.3. Изучение влияния температурных изменений в скважине на межколонное давление....................... 56

2.1.4. Определение основных параметров, характеризующих межколонное пространство скважины...... 62

2.1.4.1 .Разработка необходимых технических средств... 62

2.1.4.1.1.Сепаратор СГК-1.................................... 64

2.1.4.1.2.Штуцирующее устройство........................ 67

2.1.4.2.Измерение дебита постоянного притока и определение пустотного объема МКП скважины....... 69

2.1.5.Интерпретация кривых восстановления межколонного давления......................................................... 71

2.1.6.Диагностирование приустьевых газоперетоков........ 76

2.2. Исследование кольцевого пространства скважин.......... 81

2.2.1 .Определение проводимости кольцевого

пространства........................................................... 81

2.2.2. Прогнозирование условий возможных газоперетоков по цементному кольцу.................................. 84

2.2.3. Диагностирующие признаки по результатам физико-химических исследований флюидов......... 87

2.2.4. Влияние кислых компонентов межколонного

флюида на состояние каналов цементного кольца... 98

2.3.Контроль за состоянием скважины с межколонными

флюидопроявлениями....................................................... 103

2.3.1.Оценка герметичности скважин............................... 103

2.3.2.Критерии использования скважин с межколонными давлениями............................................. 106

2.3.3. Классификация скважин с межколонными флюидопроявлениями по степени надежности............ 108

2.4.Вывод ы............................................................................ 109

3.Разработка технико-технологических решений по

ликвидации межколонных флюидопроявлений................ 113

3.1. Технология ликвидации межколонных проявлений с

использованием пенных систем....................................... 113

3.1.1. Малогабаритный эжектор............................................................................113

3.1.2. Технология ликвидации межколонных давлений.... 117

3.2.Повторная герметизация резьбовых соединений эксплуатационной колонны....................................................................................................................120

3.2.1. Стенд для исследования герметиков..............................................122

3.2.2.Испытание новых герметизирующих составов ................126

3.2.3.Рекомендации по герметизации резьбовых соединений эксплуатационной колонны....................................................128

3.3.Разработка технологии восстановления герметичности цементного кольца с использованием гидропескоструйной перфорации....................................................................................................................131

3.3.1. Компоновка для гидропескоструйной перфорации..........................................................................................................................134

3.3.2.Рекомендации по подбору и приготовлению составов для восстановления герметичности цементного кольца..................................................................................................138

3.3.3. Методика проведения работ......................................................................140

3.4.Вывод ы........................................................................................................................................................143

4. Опытно-промышленные испытания........................................................................145

3 а к л ю ч е н и е..............................................................157

Список использованных источников..............................................................................161

Приложения...............................................................................................................................................178

П. 1. Инструкция по проведению исследований скважин с межколонными флюидопроявлениями на месторождениях и ПХГ..........178

П. 2. Акты внедрения выполненных разработок..............................................................201

Перечень сокращений и условных обозначений

АВПД - аномально высокое пластовое давление;

АНПД - аномально низкое пластовое давление;

АКЦ - акустический каротаж цемента;

БР - буровой раствор;

ВРОВ - водорастворенное органическое вещество;

ВУС - вязкоупругий состав;

ГИС - геофизические исследования скважины;

ДТА - дифференциально-термический анализ;

зтп - затрубное пространство;

КВД - кривая восстановления давления;

КРС - капитальный ремонт скважин;

лет - лигносульфонат технический;

мкд - межколонное давление;

мкп - межколонное пространство;

мкп6х9 - межколонное пространство между 168- и 245-мм

колоннами;

МКП9Х12 - межколонное пространство между 245- и 324-мм

колоннами;

МКФП - межколонное флюидопроявление;

нгкм - нефтегазоконденсатное месторождение;

нкт - насосно-компрессорные трубы;

озц - ожидание затвердевания цемента;

пхг - подземное хранилище газа;

пож - пенообразующая жидкость;

снс - статическое напряжение сдвига;

шт

а

Р

Г

8 Р 8 Л

7]

И

£>Р.к /Р1 К х

п р

1 ат

шт

г.ст

р

ж.з

^зтп р

1 кр

-Рмкп

Ри

/

Р мкп Рп

Рп.Д, р

1 пл р

Рр

Ру

Р тп р

пр

ц.р

р

шт

рН

- степень аэрации пены ;

- тангенс угла наклона прямолинейного участка КВД;

- угол раскрытия форсунки, 0 ;

- величина давления прорыва газа при ОЗЦ, МПа ;

- толщина корпусной стенки штуцера, мм ;

- коэффициент расхода сопла эжектора ;

- пропускная способность резьбового соединения,

о

дм /мин • МПа ;

- диаметр штуцера, мм ;

- диаметр радиальных каналов штуцера, мм ;

- площадь сечения сопла эжектора, мм2 ;

- температурный коэффициент изменения давления ;

о л

- проводимость кольцевого пространства, 10" м /МПа- с;

- давление абсолютное атмосферное, 0,101МПа ;

- гидростатическое давление, МПа ;

- давление жидкости затворения цементного раствора, МПа ;

- давление в затрубном пространстве скважины, МПа ;

- давление критическое, МПа;

- давление в МКП скважины, МПа ;

- давление нагнетания, МПа ;

- начальное давление в МКП перед проведением исследований, МПа ;

- давление газожидкостной смеси на выходе из эжектора, МПа ;

- давление предельно допустимое в МКП, МПа ;

- давление пластовое, МПа ;

- давление приведенное, МПа ;

- рабочее давление ПОЖ на входе в эжектор, МПа ;

- давление устьевое, МПа ;

- давление в трубном пространстве скважины, МПа ;

- давление столба цементного раствора, МПа ;

- давление перед штуцером, МПа ;

- водородный показатель ;

ст

з,

I - дебит скважины перед остановкой, тыс. м /сут ;

о

дп п - дебит постоянного притока газа в МКП скважины, м /ч;

Qэ - расход жидкости эжектором, дм3/с ;

Q - дебит газа или воды через резьбовые соединения,

дм3/мин ;

Я - универсальная газовая постоянная ;

- время восстановления МКД ;

^ - время выпуска газа ;

Т - температура, К ;

7н - температура газа в месте негерметичности, К ;

Т7 - температура газа в пласте, К ;

71 - температура критическая, К ;

- температура приведенная, К;

- температура стандартная, 273 К ;

•2

у - объем выпущенного газа, м ;

у - объем выпущенной жидкости, м3 ;

у - пустотный объем МКП, м3 ;

г - коэффициент сверхсжимаемости газа ;

£ - коэффициент сверхсжимаемости газа в месте негер-

метичности ;

2- пд - коэффициент сверхсжимаемости газа в пластовых

условиях ;

п - относительная плотность газа,

у г '

др - перепад давления, МПа ;

АРМКП - изменение межколонного давления, МПа ;

/\р — превышение давления нагнетания ПОЖ над величи-

ной МКД, МПа.

Введение

Актуальность работы. При анализе приоритетных направлений развития газовой отрасли видно, что "курс на экономическое, социальное и экологически устойчивое развитие, ответственное отношение к окружающей среде, к ресурсам Земли" [1] не просто программная доктрина Газпрома, а вполне осознанная необходимость принятия срочных мер по совершенствованию комплекса природоохранных мероприятий и повышению надежности скважин на месторождениях и подземных хранилищах газа (ПХГ).

Практика показывает, что значительное количество газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин на месторождениях и ПХГ имеют межколонные флюидопроявления. По мере увеличения продолжительности эксплуатации месторождений количество таких скважин, как правило, возрастает. Так, из всех скважин ОАО "Газпром", находящихся в эксплуатации в 1997 г., 25 - 30 %, а по северным месторождениям даже 50 % составляют скважины с межколонными давлениями (МКД) различной интенсивности [2].

Эксплуатация скважин с межколонными флюидопроявле-ниями сопровождается потерями природного газа. Так, фугитив-ные потери при транспорте составляют 0,2 % от суммарной добычи газа по России. Это означает, что только по этой причине в окружающую среду попадает до 2,0 млрд. м3 метана. Поэтому поставленная перед отраслью задача по снижению потерь газа примерно на 30 % является весьма актуальной в настоящее время [3].

Учитывая важность мероприятий по диагностированию и ликвидации межколонных флюидопроявлений работает созданная в

1988 г. на основе приказа Мингазпрома Центральная комиссия по оценке состояния фонда эксплуатационных скважин, разработке мероприятий по ликвидации МКД и повышению надежности крепления, которая в заключительном акте по итогам обследования современного состояния скважин ПХГ ставит несколько задач, в том числе:

- " ... определить порядок ... контроля за процессом утечек газа, регламентировать принятые условия его допустимых потерь..." ;

- " при проведении мероприятий по ликвидации значительных утечек газа ... считать возможным эксплуатацию ПХГ при наличии МКД";

- "... осуществить корректировку действующих регламентирующих и руководящих документов на сооружение и эксплуатацию скважин на ПХГ".

В связи с этим проблема ликвидации межколонных флюидо-проявлений в скважинах является приоритетной не только для буровых предприятий, но и для всех производственных и научных организаций, осуществляющих проектирование и эксплуатацию месторождений или ПХГ.

Предлагаемые в диссертационной работе разработки позволяют еще на начальной стадии развития межколонных флюидо-проявлений при бурении как после крепления каждой колонны, так и при освоении скважин, устанавливать причины их возникновения и оперативно проводить мероприятия по их ликвидации, что в конечном итоге значительно повышает эффективность работы скважин.

Отраслевая актуальность темы диссертации также подтверждается соответствием ее плану НИР ОАО "Газпром" на 19981999гг. (договор с ОАО "СевКавНИПИгаз" № 64 Г/98.99, задание 1 "Разработать технические и технологические решения, направленные на повышение эффективности строительства скважин").

Цель и задачи исследований. Исходя из анализа изученности проблемы, а также опыта диагностики и ликвидации межколонных флюидопроявлений, определены цель и задачи исследований.

Целью данных научных исследований является разработка мероприятий по повышению надежности скважин и охране окружающей среды от загрязнения.

Задачи исследований:

1. Разработать комплексную технологию и необходимое технологическое оборудование для диагностики причин возникновения и контроля за развитием межколонных флюидопроявлений в скважинах.

2. Разработать технико-технологические мероприятия по ликвидации межколонных флюидопроявлений в связи с нарушением герметичности крепи скважин.

Научная новизна. Впервые на основе обобщения результатов промысловых исследований и теоретических изысканий разработана комплексная технология диагностики межколонных флюидопроявлений в скважинах.

Доказана зависимость давления в межколонном пространстве (МКП) от температурных изменений, происходящих в скважине.

Установлены особенности восстановления межколонного давления в зависимости от вида нарушения герметичности межколонного пространства и условий миграции газа и выделены четыре наиболее характерных типа КВД.

Получена формула для определения пустотного объема МКП на основе использования величин дебита постоянного притока и объема выпущенного газа.

Предложен аналитический способ оценки проводимости кольцевого пространства скважин.

Установлено, что наличие в межколонном флюиде сероводо-родсодержащих скважин техногенной воды с рН>8 и твердого осадка является диагностирующим признаком разрушения каналов цементного камня под воздействием "кислых" компонентов пластового газа.

Разработаны новые технические устройства:

- совмещенный с прувером сепаратор со штуцирующим устройством (пат. 2011790 РФ, Е21 В 33/03), используемые при исследовании скважин с межколонными флюидопроявлениями;

- малогабаритный пеногенератор для диагностирования приустьевых перетоков с применением пенных систем;

- малогабаритный эжектор, используемый при ликвидации флюидопроявлений из межколонного пространства.

Решена проблема получения гидравлической связи с флюи-допроводящими каналами в кольцевом пространстве скважин и создания газонепроницаемого экрана в интервале проведения гидропескоструйной перфорации с целью ликвидации негерметичности цементного кольца.

Реализация разработок. Результаты проведенных исследований использовались при проведении работ по диагностированию и ликвидации межколонных флюидопроявлений на скважинах Карачаганакского НГКМ, Северо-Ставропольского , Пес-чано-Уметского, Елшано-Курдюмского и Совхозного ПХГ (1989 - 1998 гг.).

Основные выводы и рекомендации были учтены при разработке отраслевой Программы работ по переводу фонда скважин Канчуринского ПХГ на давление нагнетания 14,7 МПа и использованы при проводке скв. 3 Бойчаровской площади (1998 г.).

Фактический материал и личный вклад. При подготовке диссертации использованы как результаты собственных исследований, так и фактические материалы различных производственных организаций отрасли. Изучены и учтены ранее опубликованные работы по данной проблеме и фондовые материалы СевКав-НИПИгаза.

При непосредственном участии автора разработаны новая концепция диагностирования межколонных флюидопроявлений, а также более совершенные методические подходы и технические устройства для их ликвидации. Исследовано более 100 скважин, отобраны и проанализированы десятки проб флюидов из межколонного пространства скважин.

Для обеспечения практического внедрения выполненных разработок:

- переработана (04.04.96 утв. ОАО "Газпром") ранее действующая "Инструкция по определению условий использования на

подземных хранилищах газа скважин, имеющих межколонные давления" [4];

- разработана (25.03.97 утв. ОАО "Газпром") "Инструкция по проведению исследований скважин с межколонными флюидопро-явлениями на месторождениях и ПХГ" [5];

переработаны (04.06.97 утв. ОАО "Газпром") "Методические указания по оценке герметичности скважин ПХГ, имеющих межколонные давления" [6].

Практическая ценность. Использование предложенных технико-технологических решений по исследованию межколонных флюидопроявлений позволяет оперативно установить их причину и определить комплекс необходимых мероприятий по проведению ремонтно-восстановительных работ.

Применение научно-обоснованных критериев использования и классификация скважин с МКД по степени надежности позволяет улучшить организацию контроля за развитием межколонных флюидопроявлений.

Разработка специальных технических устройств (малогабаритных пеногенератора и эжектора) для использования пен значительно расширяет возможности применения предлагаемой комплексной технологии диагностики межколонных флюидопроявлений и мероприятий по их ликвидации.

Созданный в виде модели скважины специальный стенд впервые дает возможность проводить испытания надпакерных жидкостей и изоляционных композиций для повторной герметизации резьбовых соединений эксплуатационной колонны в условиях, максимально приближенных к скважинным.

Разработанная технология восстановления герметичности цементного кольца в интервале гидропескоструйной перфорации позволяет получить разноуровневые горизонтальные перфорационные щели, которые перекрывают цементное кольцо и горную породу (до 0,2м) по всему периметру, не перерезая при этом колонну полностью, что после закачивания изолирующего состава и проведен