автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Разработка техники и технологии цементирования скважин в условиях многопластовых залежей при наличии зон поглощения (на примере месторождений Мангышлака)

ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ БУРОВОЙ ТЕХНИКИ

(ВНИИБТ)

На правах рукописи УДК 622.245

НАЗАРОВ Геннадий Константинович

РАЗРАБОТКА ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН В УСЛОВИЯХ МНОГОПЛАСТОВЫХ ЗАЛЕЖЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ ЗОН ПОГЛОЩЕНИЙ

(на примере месторождений Мангышлака)

Специальность 05.15.10 — Бурение скважин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени • кандидата технических наук

Москва — 1Й94

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте буровой техники (ВНИИБТ).

доктор технических наук, профессор |А. А. ГАИВОРОНСКИИ

Ведущее предприятие—Главное управление по комплексному освоению Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения Государственной Холдинговой компании «Казахгаз».

Защита диссертации состоится 30 июня 1994 г. в 10 часов на заседании специализированного Совета Д.104.03.01 Всероссийского научно-исследовательского института буровой техники по адресу: 117957, г. Москва, В-49, Ленинский проспект, д. 6, ВНИИБТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИБТ. Автореферат разослан « » мая 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета,

кандидат технических наук А. И. ЛИТВИНОВ

Научные руководители:

доктор технических наук, с. н.с.

Ю. 3. ЦЫРИН

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В. И. КРБ1ЛОВ

кандидат технических наук, с. н.с. Б. М. КУРОЧК.ИН

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность проблемы. В обсей проблеме регения задач по улучшению качества и эффективности крепленая нефтяных 2 газовых скважин особо важное место занимает проблема высоты г.одъ<з:.:а там-понажяого раствора и качества разобщения пластов. Эти факторы, в основном, определяют долговечность и продуктивность скважины.

Сложные геолого-техническиэ условия многоаластовых мссторчЕ-дений Мангышлака,как и многих других, в различных нефтяных и газовых регионах,отличаются наличием зон поглощений и не позволяют обеспечить по общепринятой технологии необходимуп высоту подъема тампонажного раствора и получить надежное качество.разобщения пластов; Решение »той проблемы проведением изоляционных работ дорого ж не всегда аффективно,а при использовании облегченных растворов,или при ^проведении так называемых "встречных заливок" и др., необходимый результат не достигается и,в конечном итоге, гаеот место низкое качество строительства скважины.

Отсутствие цементного кольца приводит к коррозионному разрушению обсадной колонны из-за её взаимодействия с агрессивными пластовыми водами,а также к нефтегазопроявлвниям.флюидоперетокам и обводненности продуктивных пластов. На ликвидацию указанных нарушений требуются огромные средства при ремонтно-изоляционных работах.Из-за простоев скважин в ремонте,особенно нагнетательных, наблюдается неравномерность выработки нефти и газа,снижается дебит добывающих .скважин,а в ряде случаев, возникает необходимость йх ликвидации.

Зарубежный и отечественный опыт показал,что аффективным средством для обеспечения высоты подъема тампонажного раствора является технология ступенчатого цементирования с использованием раз-

-л-

лгчнкх конструкций цементировочных устройств,а для надежного разсбцения пластов — пртаенеквэ заколонных гидравлических паке-рсв. Однако,б зарубежной с отечественной практике все применяемые при ступенчатом цементировании технические средства обладают одним обща; и существенна.! недостатком: по окончании цементирована. а 031' тръбувт проведения внутрисловного разбуривания управлявшее резиномэтаялическпх,цельнометаллических "бомбовых" пробок, итулок,седел и цементных стаканов, что отрицательно влияет на . крекъ сквахшш и требует больших затрат средств я времени.Поато-спрокого распространения.этот способ получить не ыоЕет.

Актуальной проблеиоЗ является разработка новых современных технических средств, исклечаюпзгх указанное недостатки процесса крепления скважины,а таете детальная проработка вопросов технологи применения этих »средств.

Исследования л разработка выполнены автором диссертационной работы с учетом гзолого-техническкх особенностей многопластовых «есторождеккЗ Мактызаака,которыми,в основном,характеризуются предполагаемые условия использования разработанных технгко-техно-логаческих средств на месторождение различных нефтегазовых регионов стран СНГ.

Лель "работы. Повышение качества цзиензкроаэная и. эффективности эксплуатации скваззш в условиях нкогошгастовых залехей..при наличии зон логлосешй.на основе исследований,разработки и внедрения новых гидромеханических пакерувщих технических средств,не требующих, внутриколонного разбурнЕания.и технологических вариантов жх применения в промысленности.

Основные задачи Работы.

I. Анализ современного состояния техники и технологии крепления скважин и обоснование актуальности проблемы разработки функ-

ционально новых технико-технологических средств,исключающих внут-риколонное разбуривакие.

2. Разработка и изготовление экспериментального стендового оборудования для исследования а испытания гидромеханических пакерных узлов и цементировочных устройств для решения поставленной цели.

3. Проведение теоретических и экспериментальных исследований по определению пакерующих и герметизирующих возможностей уплотнителей гидромеханических пакерных узлов.

4. Разработка рациональных конструкций гидромеханических пакерных узлов с повышенными коэффициентами пакеровки и для условий неконцентричного размещения устройства в стволе скважины или некруглого поперечного сечения ствола.

5. Разработка,испытание и создание новых гидромеханических пакерных цеыентировочннх устройств для ступенчатого цементирова -нил сквахин типа УСЦН.а также устройств для разобщения пластов и герметизации эаколонного пространства типа УОРП и УГЗП.

6. Исследование и выбор управляющих агентов- вязкоупрутого оостава и шаровых запорных элементов для управления технологическим процессом к работой устройства той цементировании скважины.

7. Исследование и испытание технологических особенностей и внедрение в промышленность принципиально новой технологии ступен-г-1того цементирования скважин о применением гидромеханических цементировочных устройств типа УСЩ, УОРП н УГЗП.

Методы решения поставленных задач.

Поставленные задачи решались путем:

- создания новых технических средств и методических приемов экспериментальных исследований;

- математического моделирования,планирования экспериментов,разра-

2-7 и ■

ботки алгоритма раочета к составления программы для ПЭВМ;

- аналитических,лабораторных,стендовых исследований,скважлнных »кспериыентов ж опытно-промышленных работ;

- анализа и обобщения известных и разработки на уровне изобретений новых технико-технологических решений,реализующих цель работы;

- использования геофизических методов исследования технического состояния скважин.

йздчрая ровера.

1. Впервые в мировой практике предложен новый принцип управления технологическим процессом ступенчатого цементирования скважины без применения специальных пробок,втулок и седел,перекрывавших внутренний канал колонны,что позволило исключить внутрисловное разбуривание по окончании процесса цементирования.

2. Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность применения гидромеханических пахерущкх устройств,основанных на принципе радиального распора уплотнительной манжеты.в условиях обсаженного и открытого ствола скважины.

3. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований определены функциональные н конструктивные Пришвины создания гидромеханических пакеруших устройств для условий перекрытия и герметизации стволов скважин в зовах каверн,а тахже при неконцентричной установке устройства или некруглом поперечном сечении ствола.

4. Установлены необходимые условия создания предварительного усилия прижатая уплотнителя к стенке скважины для обеспечения эффекта самоуплотнения,в зависимости от диаметра раскрытия пакерво-го уплотнителя.

5. Определено влияние основных факторов: усилия нажатия на пакерный узел,наличия внутренней обечайки,твердости резины

на контактное давление при взаимодействии гидромеханического уплотнителя со стенкой скважины.

6. На основе проведенных экспериментальных и опытно-промышленных испытаний выявлены и предложены различные технологические варианты применения разработанных гидромеханических цеыентиро -вочных устройств для обеспечения и решения поставленной дели.

7. Определены условия,исключающие образование зоны смешения тампонажного раствора с продавочной жидкостью,при размещении между ними порции вяэкоупругого состава,а также условия, обеспечивающие транспортирование шаровых запорных элементов по обсадной колонне в тсазанной порции.

Практическая ценность.

1. Разработаны и созданы необходимые технико-технологические решения на уровне изобретений для проектирования и практического осуществления различных технологических вариантов применения гидромеханических пакеруэдих цементировочных устройств.

2. Разработана методика управления работой гидромеханического пакерующего устройства,предназначенного для ступенчатого цементирования скважин с применением принципиально новых технологических операций,позволяющих исключить внутриколонное разбурива-пие.

3. На основе результатов выполненных исследований,впервые в отечественной практике осуществлен комплекс проектно-конструк-торских и ипытно- промышленных работ по созданию заколонных гидромеханических пакерующих цементировочных устройств,не имеющих аналогов в мире.

4. На основе проведения экспериментальных работ и промысловых скважинных испытаний,отработаны технологические особенности

и варианты применения гидромеханических пакерующих устройств различного назначения.

-85. Разработана и выдана нормативно-техническая,руководящая, методическая и инструктивная документация.

6. Разработанные и созданные гидромеханические пажерующие устройства типа УДЦС, УЦСО, УСЦН, УОРП и УГЗП включены в технические проекты на строительство нефтяных и газовых скважин.

реализация работы в промытоеяности.

В период с 1977 no 1981 годы серийно изготовлено на ЦБПО и внедрено на глубоких разведочных и эксплуатационных скважинах ПО "Мангшалакнефть" 58 устройств типа УДЦС и 16 устройств типа УЦСО.

В ОПО "Карпатнефтеыаш".начиная с 198бгода, налажено опытно-промышленное, а с 1988года серийное производство устройств для ступенчатого цементирования о гидромеханическим пакером неразбу-риваемого типа УСЦН, которому в 198Sгоду присвоена высшая категория к Государственный Знак качества.

На Опытно-экспериментальном производстве КазНИПКнефть, о 1987года,также налажено производство небольших серий и партий устройств типа УСЦН - 2.'146 х 215.9; УСЦН - 2М.168x215,9; УСЦН -2М.245x295; УОРП - 146; УОНЫ68; УОРП - 194; УГЗП-146; УГЗП-168 и УГЗП-245.

За период с 1987 по настоящее время внедрено более 120 устройств типа УСЦН-2. 146x215,9 и УСЦН-2МЛ68х215,9 в ПО "Мангыш-лаинефть", ПО "Коминефть", ПГО "Ухтанефтегазгеология",П0 "Ставро-польнефтегаз" и др.

За период с Î989 по настоящее время в ПО "Иангшдакнефтт11 я в ПГО "Ухтанефтегазгеология" внедрено более 30 устройств типа УОРП и УГЗП.

Экономическая эффективность от применения одного устройства типа УДЦС составила 8,12 тнс.руб., УЦСО - 26,6 тыс.руб. я

УСЦН,в средней,по отрасли 3,645 тыс.руб.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и одобрены на: Республиканской научно-технической конференции по проблемам бурения скважин на Мангышлаке (г.Шевченко, 1980); Республиканской научно-технической конференции на тему "Особенности геологического строения,бурения и освоения доюрских отложений Мангышлака^г.Шевченко ,1982); Республиканской научно-практической конференции по " Проблемам формирования Мангшшак-ского территориального производственного комплекса"(г.Шевченко, 1983); коллоквиумах в лаборатории конструирования и разработки пакеров ВНШБТ(г.Москва,1980-1983гт.); в школе передового опыта "Ускорение НТП в строительстве скважин",организованной ПО "Ман-гмиахяефть" ( г.Шегчеяко, 1986) ; 17 конференции - дискуссии "Формирование и работа тампонажного камня в скважине"(г.Краснодар, 1987); школе передового опыта,организованной в ИГО "Ухтанефте -газгеология"(г.Ухта, 1989-1991гг.); отраслевых координационных совещаниях по проблемам крепления скважин(г.Краснодар, 1983 -1992гг.); на Всесоюзном совещании по проблеме "Создание,совершенствование, производство и использование пакеров, обеспечивавших повышение производительности нефтяных и газовых скважин и охрану недр"(г.Калуш, 1990); семинаре "Повышение надежности разобщения пластов. Гидравлические пакеры"-(г.Москва, 1993)

Пуботгездз работ**-

Основное содержание работы изложено в 20 печатных работах, получено 10 авторских свидетельств на изобретения, чакжв получай один патент.

Устройства типа 7JHIC экспонировались на ВДНХ СССР и Казахской ССР,авторы награждены бронзовыми медалями и дипломами пер-

вой и второй степени, а устройства типа УСЦН,экспонировались на ВДНХ СССР на международных выставках "Нефть и Гаа - 92", в Москве,"Нефть и Газ - 93",в Алматы,"Товары стран балтик и СНГ" (г.Сан-Франциско,США,I9S3). Автор удостоен серебряных медалей ВДНХ СССР.

Шши&йт-

Диссертация состоит из введения,пяти глав,основных выводов в рекомендаций,списка использованной литературы.насчитывающего 182 наименования и 13 приложений.

Работа изложена на 150 страницах машинописного текста,содержит 52 рисунка,21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации ,сформулированы цель,основные задачи и новизна работы.

Первая глава -работы посвящена анализу а обзору исследований, разработок и практического опыта по предотвращению поглощений, обеспечению высоты подъема тампонажного раствора к качества разобщения пластов при креплении скважин.

Рассмотрены работы многих советских и зарубежных специалистов, направленные на решение этой проблемы: А.И.Булатова,А.А.Гай-воронского, Н. И. Титкова, В.И.Крылова, М.О.Ашрафьяна, А. I. Мирваджан-эаде,Р.Й.Щищенко,Н.Ы.Шарстнева,М.К.Свид-Рза,Б.И.Есьмана,В.С.Даню-вевского,А.А.Мовсумова,С.А.Ширин-Заде,В.Й.Мищивича.Ы.Н.Цавльт сива, Н.Д.Кудигина,А.К.Куксова,Н.С.Дона,Л.Б.Иэмайлова,И.К.Кисель-мана,В.В.Еременко, A.M.Кивима.Д.А.Крылова,В.И.Авилова,Б.М.Куроч-кжна ,В. 3 .Дырява, Р .Ф .Уханова ,И .С.Катаева,Л.X .Фарукшина, А .Ф .Бэлень-хова.В.И.Ванифг ъева,Д.А.Голубева,В.Г.Добрянского,Г.Н.Волошко, К.А.Шишина,Ы.М.Загирова,С.Б.Трусова,Я.М.Раси-Заде,Э,Г.Кистера, К.В.Кларка,П.Н.Паркера,Н.Н.Семпсона ж др.

На основании анализа промысловых и литературных данных показано .что в современной практике цементирования ваколонного пространства скважины используется целый ряд различных способов и технологических приемов,направленных на повышение качества строительства скважин за счет обеспечения высоты подъема тампонажного раствора и надежности разобщения пластов.

Рассмотрены и оценены современные представления о качестве цементирования обсадных колонн, достижение которого,в условиях многоплановых месторождений Мангышлака,при наличии зон поглоще нжй,прежде всего, зависит от высоты подъема тампонажного растворами наличии герметичного цементного кольца за обсадной колонной .

На возникновение поглощений влияют как геологические,так и технологические факторы. Стремление предотвратить осложнения,связаннее с природой поглощения тампонажного раствора и обеспечить необходимую высоту подъема тампонажного раствора,привело к разработке в различных районах своих мероприятий,в зависимости от геологических условий и хозяйственных возможностей.

-Лучшим средством борьбы с поглощением считается его предупреждение, при проводке г подготовке ствола скважины перед цементированием, тогда на требуется проведения сложных изоляционных работ.

Одним из распространенных методов обеспечения высоты подъема является использование различных рецептур облегченных тампо-нажных растворов с наполнителями, применение облегченных цементов,гельцементов, использование ПАВ и аэрированных тампонажннх растворов.

Анализ результатов цементирования скважин с применением аэрированных тампонажных растворов и облегченного цементаОЦГ на

ыесторождегаях Мангышлака показал,что из-за низкой плотности таы-понажные смеси обладают низкой прочностью,высокой проницаемостью, неудовлетворительной коррозионной стойкостью и не обеспечивают надежности крепи скважины. Обсадные колонны,зацементированные в верхней части цементом ОЦГ, особенно в нагнетательных скважинах, преждевременно выходят из строя по причине вегерыетичности.как по резьбовому соединению,так и по телу труб,причем только в тех интервалах, где применен облегченный цемент. В интервалах цементирования обсадной колонны портландцементом,нормальной плотности, случаи негерметичности не наблюдаются.

Расчетами установлено,что в глубоких скважинах Мангышлака даже тампонажные смеси плотностью 1,30 г/см9 не обеспечивают проектной высоты подъема цемента за колонной.

Рассмотрены случаи,когда при спуске обсадных колонн гидродинамическое давление на стенки и забой скважины может быть значительным и вызвать гидроразрыв пластов с последующим поглощением тампонажного раствора.

Имеются известные в практике различные способы,направленные на обеспечение высоты подъема тампонажного раствора,такие как¡обратное цементирование,манжетное,двухстадийное,способ секционного спуска колонн и последовательного цементирования отдельных секций. Показано,что все рассмотренные способы и мероприятия,направленные на решение поставленной цели.имеют отдельные преимущества,во и значительные недостатки.В частности, наиболее существенным недостатком обратного цементирования можно считать,что при закачхе тампонажного раствора в загрубное пространство,сверху вниз, смывается глинистая корка и порода со стенок скважины,которые транспортируются в прервал призабойной зоны,что не может гарантиро -вать надежного качества цементирования продуктивной части скважины.

Рассмотрены многочисленные отечественные и зарубежные разработки в области ступенчатого цементирования скважин.Показаны, в частности, технические решения по создашгю проходных(но требующих внутринолонного разбуривался) устройств для ступенчатого цементирования. Выявлено,что разбуриваемые устройства для ступенчатого цементирования при их недостаточней эксплуатационно'! техно — логичности,доведены до удовлетворительной надежности.В то ле время проходные устройства пока характеризуются чрезмерной сдогнсс-тыз конструкций и,соответственно,низкой надежностью.Поэтому ни одна из разработок по проходным устройствам для ступенчатого цементирования не получила промышленного применения.

Указано.что в условиях месторождений Мангышлака применением разбуриваемых устройств для ступенчатого цементирования,как правило, исключается недоподъем ташонажного раствора.

На основе выполненного анализа исследований,разработок и практического опыта,определены цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрен анализ геолого-техническнх условий крепления скважин на месторождениях Мангышлака,показано существенное влияние реологических свойств и параметров растворов на гидравлику процесса цементирования,а также приведены результаты теоретических исследований динамики гидравлического процесса при цементировании скважин.

Отмечено,что важнейшей особенностью месторождений Мангышлака является многопластовое строение его залежей.Нефхегазоносность основных месторождений УзеньцЕетыбай связана с меловыми и юрскими отложе ниями, представляющими собой до 56 проницаемых песчано-алевролитовых пластов,перемежающихся глинистыми перемычками.

Все нефтегазовые залежи,в горизонтах.ограничены контурной водой.В гидрогеологическом отношении в разрезе меловых отложений

4 - 7С2.

выделявтся два водоносных комплекса альб-сеноманский и неокомс-кий. Воды меловых я юрских отложений является агрессивными по отношению к крепи скважины,к обсадной колонне и цементному кольцу я способны подвергать их коррозии. Об этом свидетельствуют многочисленные факты коррозионного нарушения герметичности эксплуатационных колонн.

Против пластов со значительной проницаемостью происходит формирование толстой глинистой корки,что приводит к нарушениям в разобщении пластов после цементирования.

Наличие в разрезе месторождения легко набухающих неустойчивых глин является причиной интенсивных кавернообразований.Наличие высокопрошщаемых горизонтов,склонных к поглощениям и гидроразрывам,является следствием недоподьемов таыпонажных растворов до проектной высоты.Нанболее слабые пласты приурочены к песчаникам средней еры и известнякам ниокома с низкими коэффициентами гидроразрыва пластов(Кп), приведенными по отдельным основным месторождениям Мангышлака в табл.2.

Таблица 2.

Значения Кп для основных месторождений ПО "Мангкстаумунайгаз"

Месторождение Градиент Кп. МПа/м

¡Цризабойная зона 1 Минимальные значения по стволу скважин

Узень 0,0160- 0,0170 0,0155- 0,016

Жетыбай ' 0,0165- 0,0170 0,0145

Асар 0,0170 0,0145

Ракушечное 0,0172- 0,0X85 0,0150- 0,0155

Алатгбе 0,0165- 0,0170 0,0140- 0,0145

Теоретичес. ми исследованиями установлено,что задача по определению оптимального режима проведения процесса цеыентирова-

ния весьма актуальна, особенно для геологических условий месторождений Мангышлака с низкими коэффициентами гидроразрыва пластов. При неправильно подобранных расчетных параметрах, или их ньсоблюдении, могут возникнуть в колонне и эатрубном пространстве чрезмерно большие давления,вызывающие гидроразрыв пласта, поглощение или нарушение целостности и герметичности колонны.

Гидравлическому расчету процессов цемент~рования посвящены работы А.Х.Мирзаджанзаде, А.И.Булатова,Н.М.Шерстнева.Р.И.Щищенко, Б. И. Бсьмана, С. А. Ширин-Заде, Р.Ф. Уханова, Е. 3 .Рабиновича, Н. А .Гу сак ваД.А.Голубева.С.Ю.Гордиенко и др. Однако,предлагаемые в них методики расчета не учитывают всех возможных влияний на процессы и не предусматривают использование современных средств вычислительной техники.Кроме этого,в них содержатся некоторые упрощения и не учитываются нелинейные аффекты - потери на трение внутри колош",в затрубном пространстве,на местные сопротивления,касательные напряжения и др.

Нами.совыестн'" о В.В.Тарасовичем и Й.Д.Литвиннм разработан алгоритм расчета и составлена программа гля ПЭВМ IBM РС/АТ,примв-ненг.ч которых даст возможность увеличить скорость и точность расчета, детально проконтролировать прочесс изменения давления во всех точках обсадной колонны и затрубного пространства,рассчитать параметры процесса,обусловливающие разрыв сплошности столба раствора, оперативно подбирать наиболее эффективные режимы технологического процесса .исключая возможности гидравлического y¿.apa, гидроразрыва пластов и поглощений,а также нарушения целостности обсадной колонны.

Расчетом обеспечивается получение данных о распределении давления в затрубном пространстве скважины а внутри обсадной колонны в зависимости от текущего значения глубины с использованием приведенного коэффициента гидравлического трения,учитывающего местные сопротивления.

Условге сохранения сплошности потока по всей глубине скваги-нк будет соблюдаться,если давление раствора,как внутри обсадных труб,тек к в кольцевом пространстве будет больше или равно давле-шга насыщенных пар02 раствора. При нарушении отмеченного условия столб раствора не выдерживает растяжения и наступает разрыв сплошности потока: столб тампонааного раствора разрывается на устье и каркает двгкенгэ вехз с ускорением.Предложена формула для определения скорости падения оставшейся части таыпонажного раствора на поверхность оторвавшегося столба раствора, которое происходит с формированием ггдраклтгтеского удара,способного вызвать псрораз-рнв пород и нарусенже обсадной колонны.

Показано,что сбое.' условием отсутствия гидроразрыва пород на месторождениях Мангышлака является требование:

где: Р> -давление на забое сквастны;

^ - коэффициент заласа,равный 0,83- 0,67; ряип-давлекяе гкдроразрыва пород на забое скважкны ели в интервале пласта с наименьшим градиентом гздроразрыва.

Введено уточненное условие предотвращения гидроразрыва пород, учитывающее распределение пород по прочности и по глубине скважины. Зто условно позволяет не только более точно прогнозировать гидроразркэ пород,но и установить,на какой глубине возможен гидро-разрьга.

Показаны условия предотвращения нарупений устьевого цементировочного оборудования и обсадной колонны при цементировании сква-гзны.

В третьей главе представлены результаты теоретических и ■ экспериментальных исследований натурных гидромеханических пакер-ных узлов а их резиновых уплотнителей.Такке приведены результаты по определении и уточнении оптимальных конструктивных и необхо-

димых технологических функциональных параметров гидромеханических пакерных устройств.Исследования проводились на специально разработанных оригинальных стендах при использовании методе., математического моделирования и планирования экспериментов по априорной информации,с использованием известной методики.

Работоспособность гидромеханического паиерного узла цементировочного устройства,определяется его способностью в раскрытом состоянии выдергивать перепад.давления(дР ) от действующего столба тампонажного раствора над ним в скважине. Эта величина завист от глубины установки устройства.

В соответствии с ожидаемыми геолого-техническими условиями применения разрабатываемых устройств,нами выработаны основные требования,предъявляемые к этим объектам: максимальный перепад давления между разобщаемыми зонами лРмах=20 МПа; коэффициент па-керо'ки.в зависимости от типоразмера устройства,не менее К=1,20+ + 1,28; термостойкость резины уплотнителя пакера в температурном диапазоне 120 -¡- 17Г°С; твердость резины уплотнителя 60-90 единиц по 1W-2 при 20-25°С.

..Из семи отобранных марок резины для уплотнителей пакерных узлов приняты две,наиболее подходящее марки: Ш-ЗВ-4004 по ТУ 38-105-1082-76 и ИРП-129-ia по OCT 26-02-1497-76,прошедшие испытания в автоклаве при Т = 200°С,давлении 70Ша,в среде бурового раствора с добавкой нефти 105! при выдержке 24 ч.

С целью определения максимально возможного коэффициента пакеровки разработана и экспариментально подтверждена ыетоджа расчета максимального наружного диаметра пакерного уплотнителя в рабочем положении.Предложена следующая расчетная формула:

Дн=\/Дк2 + S к V 0,785

где: Дк - максимальный наружный диаметр приводного расширяющего

алемента в зоне контакта с пакернын уплотнителем;

площадь кольцевого сеченая пакерного уплотнителя.

Экспериментальные исследования натурных образцов пакерннх узлов различной конструкции и их резиновых уплотнителей проведены наш на стенда в условиях среды,температуры и давления, приближенных к скважинным. Полученные зависимости хода конуса( /7 ) от усилия его нажатия( 0. ) на покерный узел при испытании в кожухе камеры стенда представлены на рис.1,а функциональные зависимости диаметра раскрытия пакерного узла (Дн) от хода конуса( ^ ),при испытании пакерных узлов без кожуха камеры стенда, представлены на рис.2

К,ни . . ... _____

«О 100 ПО 200 25 а 100 »0 400 450 МЩ 55и «Ю «10 100 О.кН

Рнс.1 Зависимость хода конуса { Ь ) от усилия нажатия( й.) на пахеркый узел в кожухе камеры стенда:

I -пакершй увел с наружной и внутренней обечайками;

2,3 - пахарные узлы без внутренней обечайки с уплотнителем,соответственно, из более и инее твердой резины.

Рио.2 Зависимость диаметра раскрытия пекарного узла(Дн) от хода конуса ( Ь.)при испытании без кожуха камеры стенда:

I- без внутренней обечайки ;

2,3 - с внутренней и наружной обечайками, соответственно с уплотнителями из более и менее твердой резины.

, Проведенные исследования на стенде позволили определить герметизирующие и пакерувдив возможности натурных гидромеханических пакерных узлов одностороннего ж двухстороннего действия при гарантированных диаметрах их раскрытия и соответствующих,в зависимости от типоразмера, коэффициентах пакеровки К= 1,20+ 1,46.

Экспериментальные исследования дали возможность отработать различные варианты конструкций пакерных узлов и сделать выбор рациональных вариантов конструкций, как о односторонним,так и с двухсторонним действием.Пакерныэ узлы одностороннего действия предназначены для таких условий работы при ступенчатом цементировании скважины,когда узел воспринимает гидравлическую нагрузку только с одной стороны,от столба тампонажного раствора. А пакер-ные узлы двухстороннего действия должны применяться,когда пакер-ный узел воспринимает гидравлическую нагрузку с обеих сторон из-за наличия под ним фдювдопроявляющих пластов.

Для условий,когда требуется перекрытие и герметизация стволов скважин в зонах каверн или при неконцентричной установке паке-рующего устройства, или в некругл ом поперечном сечении, нами предложено и разработано в соавторстве, на уровне изобретения,оригинальное пакерувдее устройство с гидромеханическим пакерным узлом.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованиям конструкций гидромеханических пакерных цементировочных устройств и технологии их применения.

Разработанные с нашим участием и под непосредственным нашим ' руководством устройства типа УСЦН, УОШ и УГЗП защищены авторскими правами и являются новым направлением в развитии техники и технологии ступенчатого цементирования и разобщения пластов в скважинах.

■ Устройства типа УСЦН выполнены в двух модификациях: первая, цельная конструкция, объединяющая пакерный и клапанный узлы,и вторая,модульного типа, состоящая из отдельных самостоятельных узлов,соед. сяемых посредством присоединительных резьбовых концов со стандартной резьбой по ТОСТ 632-80. Особенностью конструкций разработанных устройств является то,что в их центральном канале отсутствуют внутренние подвижные элементы - втулки, седла и для управления их работой не требуются падающие(открывающие)и рези-но-металлические( закрывающие) пробки, что исключает внутриколон-ное разбуривание. Функции разделительной пробки между тампонажным раствором и продаврчной жидкостью,на второй и последующих ступенях цементирования,выполняет вязкоупругий состав(В7С),а для управления закрытием циркуляционных отверстий устройства,служат запорные пластмассовые шарики,транспортируемые в среде ВУС.

На рис.3 редставлена конструкция устройства для ступенчатого цементирования скважин с гидромеханическим пакером нераз-буриваеыого типа УСЦН.

Рис.А Схема конструкции и

работы гидромеханического пакеруюдего устройства с повышенным коэффициентом пакеров-ки:

а-устройство в исходном положении;

б-частичное раскрытие гидромеханического пакерного узла;

в-полное перекрытие и запаке-ровка кольцевого пространства скважины;

1-ствол; 2-отверстия; 3-кожух; 4-фиксатор; 5-штифт; 6-пор -шень-конус; 7-уплотнительная манжета; &-обечайка внутренняяг 9- уплотнитель пакерного узла; Ю- обечайка наружная.

Принципиальной отличительной особенность» устройств типа УСЩ и технологии их применения является го,что процесс цементирования второй ступени скважины начинается и осуществляется без технологических остановок на открытие циркуляционных отверстий и без использования падающих (бомбовых) пробок. Эта операция осуществляется за счет ступенчатого подъема давления в колонне на расчетную величину,при которой в устройстве срезаются штифты,вначале открывается пакерный узел,а затем шпжуляционные отверстия. Функции разделительной пробки между тамповажным раствором и про-дзвочной жидкостью на второй и последующих ступенях цементирования выполняет вязкоупрупй состав(ВУС),а для управления закрытием циркуляционных отверстий устройства.по окончании процесса цементирования .используются запорные пластмассовые варики,транспорта-

руемые в среде ВУС.

Несмотря на то,что разработанные устройства имеют равнопро-ходной канал с колонной, и сами по себе не требуют разбуривання, вое же существует проблема проседания тампонажного раствора в колонне ниже циркуляционных отверстий устройства,а также образования гельцементных смесей в интервале установки устройства.

На основе разработанной методики нами проведены исследования процессов,происходящих в обсадной колонне во время цементирования и в период ОЗД и решены в соавторстве на уровне изобретений следующие задачи:

- определены возможности и условия разделения тампонажного раствора и лродавочной жидкости с применением необходимого объема ВУС, приготовленного по конкретной рецептуре о требуемой плотностью;

- установлены необходимые условия для нормального ввода в колонну, удержания а транспортирования шаровых запорных элементов в среде ВУС от устья скважины до места установки устройства;

- определены возможности прохождения геофизических приборов после ОЗЦ в интервале установленного устройства;

- выбрана рецептура ВУС и отработана технология его приготовления с необходимой плотностью для различных скважинных условий;

- определены оптимальные размеры и необходимая плотность шаровых запорных элементов,выбран материал для их изготовления;

- определены особенности взаимодействия тампонажного раствора в' контактных зонах с вязкопластичными жидкостями(образования загущенных зон смешения) и установлено влияние реагентов пластификаторов и замедлителей сроков схватывания на это взаимодействие; определена воз зжность предотвращения образования гельцементных перемычек, что позволило проводить по окончании процесса цементирования только спуск,шаблонировку и промывку в колонне,исключив полностью внутри*олояное разбуривание.

В пятой главе освещены результаты промышленных испытаний разработанных гидромеханических пакерных цементировочных устройств, организация их серийного производства и внедрения,анализ результатов внедрения.

Предварительные и приемочные промышленные испытания разработанных устройств проведены на месторождениях Мангышлака.В процессе испытаний устройств были отработаны технологические вариант* и особенности технологии их применения. Предложенные,испытанные и внедренные варианты технологических компоновок обсадной колонны, включающих разработанные нами устройства типа УСЦН и УОРП,представлены на рис.5

Рис.5 Варианты технологических компоновок обсадной колонны:

1-тамнонагный раствор, 2- обсадная колонна, З-УСЦН (УОРП), 4-цементи-рогОЧНаЯ муфта, 5-башмак, 6- цементг-

?овочная пробка, - открытый забой.

-252 результате испытаний установлено,что прв/эвениец разработанных устройств а геолого-техняческих условиях месторождений Мангышлака обеспечивается: достижение проектной высоты подъема тзмпо-нажного раствора в скважинах,при наличии зон поглощений,разд:опальный подбор рецептур таотонажных растворов для разных зон заксдонного пространства( с максимальным ускорением сроков формирования цементного камня в каждой зоне); существенное повышение качества разобщения пластов в строго заданных малых интервалах ствола. •

Положительные результаты испытаний позволили организовать серийное производство и внедрение разработанных устройств.

в процессе организации серийного производства нами выполнены дополнительные стендовые и скважкнные экспериментальные работы в целях уточнения совокупности факторов,влияющих на надежность устройств,а также отработки технологических приемов,обеспечивающих высокое качество изготовления и сборки устройств.Серийное производство организовано в ОГО "Карпатнефтемаш" и на опытно-экспериментальном производстве "КазНЖШнефть".

Наиболее широко реализованы устройства типа УСЦН-2.146x215,9 и УСЦН-2М.168x215,9,которые наши применение в ПО "Мангышлак -нефть", ПО "Коминефть", ПГО "Ухтанефтегазгеологияи,П0 "Ставрополь-нефтегаз",ПО "Краснодарнефтегаз",ПО "КазЮжнефтегаз" и др.

Оценка удельной эффективности внедрения разработанных гидромеханических пакерных цементировочных устройств различного назначения выполнена на примере типовых условий месторождений Мангышлака.Экономический эффект в ценах 1990г. составил не менее 3,6 тыс. руб.на одно устройство и 1,3 млн.руб. на общий обьем внедрения.

основные вывода

I. На основе выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований,разработок и опытно-промышленных работ создан и реализован принципиально новый высокотехнологичный метод

-¡туденчатого цементирования скважин,основанный на применении предложенных в диссертации гидромеханических пакерных цементировочных устройств, устанавливаемых на обсадной колонне над поглощающими пластам* и не требующих внутрихолонного разбуривания.

2. Анализом результатов крепления скважин и расчетами по обеспеченна высоты подъема цемента за обсадной колонной на многопластовых месторождениях Мангышлака показано,что даже таыпонажные смеси,облегченные до плотности 1,30 Г/см3,не обеспечивают достижения проектной высоты их подъема в скважинах глубиной более 1300м.

3. На основе проведенных теоретических исследований динамики гидравлического процесса при цементировании скважины,разработан алгоритм расчета и составлена программа для ПЭВМ IBM PC/AT по оперативной оценке параметров процесса цементирования с целью подбора и корректировки плотности тампонажных растворов и расхода жидкостей,закачиваемых в скважину.исходя из условия исключения гидравлического удара в скважине и,соответственно,гидроразрыва пластов и поглощений.

<. Разработаны и изготовлены стенды оригинальной конструкции для исследований гидромеханических пакерных узлов,их резиновых уплотнителей и работоспособности цементировочных пакерных устройств.

■5. Теоретическими и эксперимвнтальшгыи исследованиями определены пакерутацие и герметизирующие возможности уплотнителей гидромеханических пакерных узлов,а также определены и уточнены оптимальные конструктивные параметры гидромеханических пакерных цементировочных устройств, позволяющие использовать эти устройства в различных технологических вариантах цементирования скважин и разобщения пластов.

6. Разработаны рациональные варианты конструкций гидромеханических пакерных узлов одностороннего и двухстороннего действия,

созданы и разработаны на уровне изобретений пакерше цементиро -вочные устройства типа УСЦН.УОРП и УГЗП с принципиально новыми функциональными свойствами,а также технологическиефиемы применения этих устройств.

7. На основе лабораторных и стендовых исследований определены рациональные характеристика и рецептуры управляющих агентов -вязкоупругого состава и запорных элементов, обеспечивающих при цементировании скважины разделение растворов в обсадной колонне

и заданный момент закрытия циркуляционных отверстий устройства ступенчатого цементирования.

8. Проведены с положительными результатами стендовые,эксплуатационные и ведомственные приемочные испытания,организовано серийное производство и внедрение разработанных гидромеханических лакерных цементировочных устройств.

9. Разработаны регламенты на технологию применения устройств типа УСЦН, утвержденные в ПО "Магистаумунайгаз",П0 "Коминефть"

и в НТО "Ухтанефтегеология'*.

10. Разработанные устройства демонстрировались наДДНХ СССР, Казахской ССР.на международных выставках "Нефть и Газ" в Москве

н Алматы в 1992 и 1993гг.,а устройства типа УСЦН и УОШ выставлялись на международной выставке в Сая-Франциско(США) в 1993г.с участием автора.Устройству типа УСЦН присвоен Государственный Знак Качества.

11. Результаты применения разработанных устройств типа УСЦН в ПО "Мангистаумунайгаз",в ИГО "Ухтанефтегеология" и др. показали высокую эффективность при двух- и трехступенчатом цементировании скважин о повсеместным достижением высоты подъема таыпонаж-ного раствора с нормальной плотностью,обеспечивающего высокое качество крепления скважин.Экономический эффект в ценах 1990г.составил не менее 3,6 тыс.руб.на одно устройство и 1,3 млн.руб. на

обпзй объем внедрения.

ОСНОВНОЕ СОдЕРШКЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СВДУЗДКХ РАБОТАХ: •

1. Казаров,Г.К.,СЬя2ш^ К.А..Волошко Г.Н..Федоров В.В.,Булда Ю.Д. Проблема качества цементирования скважин на месторождениях Кангшалака//Т^./КазШ!Ш!нефть.-1979.-Вып.6:Рааведка нефтяных месзго-рождений' Мангышлака.

2. Казаров Г.К.,Шишин К.А.,Волошко Г.Н.и др.О месте установки устройств ступенчатого цементирования в скважинах мвогопласто- . вых месторождений .Мангышлака// Тр./КазШШКнефть.-1979.-Вып.6: РазЕедка нефтяных месторождений Мангышлака.

3. Шиеин К.А..Назаров Г.К..Волоыко Г.Н..Федоров В.В. Основные проблемы и пути совераенствования технологии крепления глубоких скважин ка Мангышлаке // Тезисы докладов республиканской на-учно-теоретич.конфер.по проблемам бурения скважин на Мангышлаке. -Еевчанко.-1260

4. Еишн К.А.,Га£воронсккй А.А..Казаров Г.К. и др.йсследова-ния и разработка рациональных конструкций устройств для ступенчатого цементирования и разобсекия пластов // Тезисы докладов респ. научно-теорет.конфер.до проблемам бурения скважин на Мангышлаке -Сэвченко,- К80.

5. Шииин К.А.,Волошко Г.Н..Казаров Г.К.и др.Опыт ступенчатого цементирования глубоких разведочных скважин в объединении "Ман-гашлакнефть".//Тезисы докл.республ.научно-теорет.конфер. по проблемам бурения скважин на Мангышлаке.-Шевченко.-1980.

6. Казаров Г.К. О современных требованиях,предъявляемых к устройствам ступенчатого цеглентирования скважин.на Мангышлаке.// Тезисы докл.ресггубл.научно-теорет.конфер.по проблемам буренгч сквакин на Мангышлаке.-Севчекко.-19Б0.

7. Казароз Г.К..Федоров З.В..Куренная В.А.,Волошко Г.Н., Гейкаш Г.И.,Баткков К.А. Перспективы развития ступенчатого способа цементирования скважин,буряиихся на отложениях пермотриаса. //Тезисы докладов республ.научно-теорет.кпно."Особенности геологического строения,бурения и освоения доврских отложений Мангышлака.- Шевченко.-1982.

8. Казаров Г.К. .Волозгко Г.Н..Федоров В.В.Пути совершенство-зания технологии ступенчатого цементирования глубоких сквакин на Мангышлаке.//Проблемы формирования Мангывлакского территориально-

производственного комплекса.т.1.-АлмЗ-Ата:АнКаз.ССР.-1983.

9. Назаров Т.К. Устройство для ступенчатого цементирования скважин.-НХИ й 9-84.-Шевченко: ЩШ, 1984.

10. Назаров Г.К. Исследование гидромеханических пакершх узлов цементировочных устройств.// Тр./КазЩПйнефть.-1985.-ВылД2: Оптимизация разработки нефтегазовых залежей.

11. Казаров Г.К. Стенд для испытания гидромеханических пакер-ных узлов цементировочных устройств.-Пяформ.листок о ЮД.й 8S-7.

- Шевчвнко : ЩНШ.1986.

12. Геймаш Г.И.,Казаров Г.К..Гордаенко С.Ю. Новая технология цементирования скважин.//Тр,/КазНКПКнефть.-1987.-Вып.14:Проблемы интенсификации добычи нефти.

13. Казаров Г.К.,Геймаш Г.И.,Волопко Г.Н.,Федоров В.В.Нераз-буриваемое устройство для ступенчатого цементирования скважин типа УСЦН.//Тезисы доклЛУ кокфер.-дискуссии "Формирование и работа тампонаянс '0 камня в скважине."-Краснодар:В1ц1ИКРнефть, 1987.

14. Казаров Г.К..Волошко Г.К..Геймаш Г.И. Исследование,разработка и промышленные испытания УШШ-2.//Тр./КазНИЖнефть.-1988. -Вып.15: Научно-технический прогресс на нефтяных месторождениях Запахяого Казахстана.

15. Казаров Г.К..Гайворонсккй A.A..Ванишатьев В.И.,Чуев И.А., Цырив Ю.З.,Волошко Г.Н.и др. Устройство для ступенчатого цементирования с гидромеханическим пакером яеразбуриваеыого типа УСЦН -

2.146x215,9.//Нефт.хоз-во.- 198".-гё 4.

16. Казаров Г.К..Гайворонский A.A..Федоров В.В.,Ванифатьев В.И.,Цырин Ю.З.а др. Устройство для ступенчатого цементирования скважин типа УСЦН-2.168x215,9.//Нефтяник.-1990.-й 9.

17. Казаров Г.К.,Геймаш Г.И. .Тыртышкый Г.А. .Волошко Г.Н., Устройство для предотвращения мекколонных газопроявлений ж одновременного разобщения пластов(УОРП).//4-я отраслевая хозрасчетная выставка-ярмарка научно-исследовательских и проектно-конструк-торских разработок.Уфа-91: Каталог - И: ВНЙК0ЭНГ,1991.

18. Казаров Г.К.,Геймаш Г.И. .Егоров В.В..Уткелбаев Р.У. Технологические особенности промышленного применения и испытания цементировочных устройств типа УСЦН.//Разработка нефтегазовых месторождений: НТО КазНИПИнефть.-М:В®Ш0ЭНГ,1991.-Вып.З.

19. Казаров Г.К. .Геймаш Г.И. .Гудзловенко 3.Исследование и выбор рецептуры вязкоупругого состава для цементирования обсадных колонн с применением УСЦН и УЦОК.//Разработка нефтегазовых место? рондений :НТС КазНШШнефть.-М:ВНИИ0ЭНГ. 1992.-Вып.2

20. Назаров Т.К.,Литвин И.Д.,Тарасович В.В.Динамика гидравлического процесса при.цементировании скважин.//Разработка нефтегазовых месторождений:НТС КазШШИнефтъM :ВНИК0ЭНГ ,1993.-Выл. I

21. А.с.1027368,СССР.Устройство для ступенчатого цементирования скважин,/Назаров Г.К..Гайворонский A.A.,Федоров В.В..Ванифатьев В.И.,Чуев И.А.,Цырин Ю.З____-опубл.:в Б.И.-1983.-й 25.

22. А.с.1321807.СССР.Способ цементирования скважин и устройство для его осуществления./Геймаш Г.И.,Гордианко С.Ю.,Федоров В.В..Назаров Г.К.,Волошко Г.Н.-опубл.в Б.И.-1987.-;'ё25.

23. A.c. 1487540.СССР.Способ ступенчатого цементирования обсадных колонн./Еременко В..Назаров Г.К.,Геймам Г.И. ...Ванифатьев • В.И.,Цырин Ю.З. Приор.30.08.87,не публикуется. .

24. А.с.1503382.СССР.Способ ступенчатого цементирования обсадных колонн./Волошко Г.Н.»Еременко В.Б.,Назаров Г.К.и др....приор. 30.08.85,не публикуется.

25. А.с.I510428.СССР.Способ ступенчатого цементирования сква-жин./Гейыаш Г.И..Еременко В.В.,Назаров Г.К.и др.,приор.19.03.87, не публикуете^. .

'26. А.с.15Ю429.СССР.Способ ступенчатого цементирования об -садных колонн/Волошко Г.Н..Геймаш Г.И.,Еременко В.В.,Назаров Г.К. и др..приор.27.02.87,не публикуется.

27. A.c. I5I0430.СССР.Муфта ступенчатого цементирования./Гей-маш Г.И.,Куксов А.К..Еременко В.В.,Назаров Г.К.и др.,приор.29.04. 1987,не публикуется.

' 28. A.c.1663972.СССР.Устройство для ступенчатого цементирования обсадной колонны./Казаров Г.К.,Литвин И.Д..Ванифатьев В.И., Цырин Ю.З.и др.,приор.01.12.88,не публикуется.

29. A.c.I69842I.СССР.Пакерующее устройство./Казаров Г.К., Геймаш Г.И..Волошко Г.Н..Домальчук А.А.,Тыртышный Г.А..Литвин И.Д.,Ванифатьев В.Й.,Дырин Ю.З.Деркуш Р.В.-опубл.в Б.И..-1991. - №46.

30. A.c. 1714079.СССР.Гидромеханический пакер./Ванифатьев В.И.,Цырин Ю.З.,..., Назаров Г.К. -опубл.в Б.И.-1992,-й 7.

31. Патент 1758207.РоссиЙская Федерация.Устройство для разобщения пластов./Казаров Г.К..Литвин И.Д.,Геймаш Г.И.,Тыртышный

Г.А.,Волошко Г.Н. .Ванифатьев В.И.. .Цырин Ю.З.- опубл.в Б.И.-I9S2.- Л 32. Каяароё Г К.

Подписано в печ. о ё-м Зак. Тир. ТОО

Тип. «Нефтяник» '