Способ определения верхней границы герметичного цементного кольца в скважине

Способ определения верхней границы герметичного цементного кольца в скважине

Реферат

 

Изобретение относится к промыслово-геофизическим исследованиям скважин. Цель - повышение достоверности и оперативности определения верхней границы герметичного цементного кольца. На устье скважины осуществляют измерение внешнего и внутреннего радиусов колонны труб, опущенных в скважину. Создают перепад давления жидкости между внутриколонным и заколонным пространствами, вызывающий деформацию колонны труб. На устье скважины регистрируют перепад давления P и объем вытесненной жмдкости V . Исходя из зависимости радиальной деформации колонны от перепада давления и геометрических параметров труб рассчитывают объем жидкости, вытесненной из первой секции труб обсадной колонны известной длины, внешнего радиуса и толщины стенок, сравнивают измеренный V и рассчитанный V_p1 объемы жидкости. Если V<V_p1 , то верхняя граница находится в пределах первой секции. Если V>V_p1 , находят разность V-V_p1 и сравнивают не с рассчитанным объемом жидкости V_p2 , вытесненной из второй секции труб другой толщины стенки. Если V-V_p1<V_p2 , то граница находится в пределах второй секции труб. Если V-V_p1>V_p2 , аналогичным образом осуществляют расчет для третьей секции обсадной колонны и т.д. до тех пор, пока не будет определена верхняя граница герметичного цементного кольца. 1 ил.

Изобретение относится к промыслово-геофизическим исследованиям и может быть использовано при оценке качества цементирования затрубного пространства обсадных колонн нефтяных и газовых скважин. Цель изобретения - повышение достоверности и оперативности определения верхней границы герметичного цементного кольца. На чертеже показан пример практической реализации способа. Перепад давления жидкости между внутриколонным и заколонным пространствами в скважине вызывает деформацию опущенных в скважину труб в интервале, в котором действует создаваемый перепад давления. Если давление жидкости внутри обсадной колонны создать больше, чем давление жидкости за колонной труб, перепад давления вызовет расширение обсадной колонны и вытеснение жидкости из затрубного пространства, если же создать избыточное давление жидкости за обсадной колонной, перепад давления приведет к сжатию колонны и вытеснению жидкости из обсадной колонны. Задача определения деформации цилиндрического тела носит в науке о сопротивлении материалов название задачи Ламе и в общем виде радиальное перемещение стенки толстостенного цилиндра, каким является обсадная колонна, может быть представлено формулой R = R+ - _zR , (1) где , Е - коэффициент Пуассона и модуль упругости материала колонны труб; Р_вн, Р_вш - внутреннее и внешнее давление на колонну; R_вн, R_вш - внутренний и внешний радиусы колонны; _z - осевое напряжение колонны. Поскольку применяемая конструкция скважины исключает появление у обсадной колонны при действии на нее перепада давления осевых напряжений (отсутствие днища и опорное крепление верхней части колонны к кондуктору), то действие на обсадную колонну перепада давления только изнутри ( Р_вн = Р, Р_вш = 0) вызовет радиальное перемещение наружной стенки колонны (R = R_вш) на величину R = , (2) а действие на обсадную колонну перепада давления только снаружи (Р_вн = 0, Р_вш = Р) вызовет радиальное перемещение внутренней стенки обсадной колонны (R = R_вн) на величину R = . (3) Радиальное перемещение наружной стенки обсадной колонны вызовет вытеснение из затрубного пространства скважины жидкости в объеме V = 2 R_вш R H, (4) радиальное перемещение внутренней стенки обсадной колонны вызовет вытеснение из обсадной колонны жидкости в объеме V = -2 R_вн R H, (5) где Н - длина колонны, на которой происходит вытеснение жидкости. Подставляя в формулу 4 значение R из формулы 2, а в формулу 5 значение R из формулы 3, получим в обоих случаях V = H , (6) откуда длина колонны, на которой происходит вытеснение жидкости, равна H = - . (7) Длина колонны, на которой происходит вытеснение жидкости, соответствует глубине местоположения герметичного цементного кольца, поскольку вытеснение жидкости может осуществляться только из заполненного ею пространства скважины, в котором распространяется создаваемый перепад давления жидкости между внутриколонным и заколонным пространствами, т.е. до верхней границы герметичного цементного кольца. Таким образом, регистрируя одновременно на устье скважины создаваемый перепад давления жидкости между внутриколонным и заколонным пространствами и объем вытесненной за счет деформации колонны жидкости, можно, зная модуль упругости материала обсадной колонны, ее внутренний и наружный радиусы, определить по формуле 7 верхнюю границу герметичного цементного кольца. Для определения верхней границы герметичного цементного кольца в скважине необходимо измерить внешний диаметр и толщину стенки обсадных труб, опускаемых в скважину на устье скважины, либо определить эти значения геофизическими измерениями в колонне приборами типа электромагнитного профилографа ЭПОК-1 или скважинного дефектомера-толщиномера типа СГДТ-3. В случае применения формулы 7 для определения верхней границы герметичного цементного кольца в скважинах, обсаженных колонной труб, соединяемых друг с другом муфтовыми соединениями, необходимо увеличить получаемую длину в К раз, где К - коэффициент, учитывающий увеличение площади поперечного сечения колонны в муфтовом соединении, уменьшающем деформацию колонны в этом сечении. Опытным путем установлено, что коэффициент К может быть принят равным 1,02. На основании изложенного способ может быть осуществлен на скважине следующей последовательностью операций: на устье скважины осуществляют измерение внешнего и внутреннего радиусов колонны труб, опущенных в скважину. В большинстве случаев может быть использовано знание условного диаметра опущенных в скважину труб и стандартных радиометрических измерений толщины стенки труб, проведенных в скважине после ОЗЦ; нагнетая жидкость внутрь обсадной колонны или в затрубное пространство, создают перепад давления жидкости величиной 3-5 МПа между внутриколонным и заколонным пространствами; на устье скважины одновременно регистрируют величину перепада давления Р и объем вытесненной из сопредельного пространства жидкости V; по формуле 6 рассчитывают объем жидкости, вытесненной из первой секции труб обсадной колонны известной длины, внешнего радиуса и толщины стенок; сравнивают измеренный V и расчетный V_рас.1 объемы жидкости. Если V<V_рас.1, то верхняя граница герметичного цементного камня находится в пределах первой секции труб и ее точное местоположение определяют по формуле 7. Если V>V_рас.1, находят разность V - V_рас.1 и сравнивают ее с расчетным объемом жидкости V_рас.2, вытесненной из второй секции труб другой толщины стенки. Если разность V - V_рас.1 < V_рас.2, то граница герметичного цементного камня находится в пределах второй секции труб и ее определяют по формуле 7 для второй секции. Если разность V - V_рас.1 > V_рас.2, аналогичным образом осуществляют расчет для третьей секции обсадной колонны и так далее до тех пор, пока не будет определена верхняя граница герметичного цементного кольца. Проведение необходимых расчетных операций может быть легко автоматизировано при помощи программируемых микрокалькуляторов типа МК52, в оперативную или твердую память которых должны быть заложены значения: посекционно внутренние и внешние радиусы труб обсадной колонны, длина секции, модуль упругости материала труб, измеренные на устье скважины значения перепада давления жидкости между внутриколонным и заколонным пространствами и объема вытесненной жидкости, а также информация об операциях над ними, а через несколько секунд будет получено точное значение местоположения верхней границы герметичного цементного кольца исследуемой скважины. Посекционная компоновка обсадной колонны скважины приведена в таблице и подтверждена фактическими измерениями труб на устье скважины при спуске колонны. Фактическая конструкция скважины. От устья скважины до глубины 20 м установлено направление 1 с диаметром труб 324 мм и толщиной стенки 10 мм, в котором зацементирован кондуктор 2 из труб диаметром 245 мм, с толщиной стенки 11 мм, опущенный до глубины 473 м. В кондуктор 2 опущена обсадная колонна 3, посекционная компоновка которой приведена в таблице. Пространство между стенками 4 скважины и кондуктором 2 заполнено тампонажным раствором, превратившимся в цементный камень 5. Цементный камень после окончания процессов седиментации, контракции и затвердевания оказался поднят до отметки 260 м. Заколонное пространство над цементным камнем 5 и внутри обсадной колонны 3 заполнены до устья скважины жидкостью 6. Для определения верхней границы герметичного цементного кольца осуществили герметизацию затрубного пространства, а устье скважины оборудовали отводным патрубком 7 для нагнетания жидкости в затрубное пространство и манометром 8 для измерения действующего перепада давления, а также приспособлением для измерения уровня жидкости в обсадной колонне 3, выполненного в виде мерной емкости 9, устанавливаемой на верху обсадной колонны. До начала измерений в обсадной колонне 3 и мерной емкости 9 установили уровень жидкости h₄, затем произвели нагнетание воды в затрубное пространство и создали перепад давления между заколонным и внутриколонным пространствами, который вызвал деформацию обсадной колонны в интервале распространения перепада давления жидкости, радиальное перемещение внутренней стенки колонны и за счет этого вытеснение жидкости из колонны в мерную емкость. Величина созданного нагнетанием жидкости перепада давления между заколонным и внутриколонным пространствами, измеренная при помощи манометра 8, составила Р = 5,0 МПа, а объем вытесненной из обсадной колонны жидкости, измерение которого осуществили при помощи мерной емкости 9 одновременно с измерением давления, составил V = 2,35 л. Для определения верхней границы герметичного цементного кольца по формуле 6 рассчитали объем жидкости V_рас.1, вытесненной из первой секции обсадной колонны длиной Н₁ = 325 мс внешним радиусом труб R= 0,073 м, внутренним радиусом R = 0,063 м (толщина стенок ₁ = 10 мм) V где К - эмпирической коэффициент, равный 1,02; Е - модуль упругости материала обсадных труб, имеющих практически одно и то же значение 2110¹⁰ н/м² для обсадных труб различных групп прочности стали. Поскольку V_рас.1 < V, верхняя граница герметичного цементного кольца лежит ниже первой секции обсадной колонны, поэтому произвели расчет объема жидкости V_рас.2, который мог бы быть вытесненным из второй секции труб обсадной колонны, если бы граница герметичного цементного кольца лежала бы ниже второй секции колонны, доходящей до глубины Н₂ = 810 м и составленной из труб внешним радиусом R = 0,073 м, внутренним радиусом R = 0,064 м (толщина стенки ₂ = 9 мм) V_рас.2= = 2,62 л . Сравнили V_рас.2 = 2,62 л и разность V - V_рас.1 = 0,81 л. Поскольку V_рас.2 > V - V_рас.1, граница герметичного цементного кольца лежит в пределах второй секции обсадной колонны. Точное местоположение границы герметичного цементного кольца определили по формуле На этой же скважине верхняя граница герметичного цементного кольца была определена на глубине 472 м при помощи способа, включающего измерение изменений магнитных свойств обсадной колонны под действием ее деформации за счет создаваемого в скважине перепада давления жидкости между внутриколонным и заколонным пространствами. Расхождение в измерениях 6 м, что составляет 1,2% от измеряемых величин. Измерения перепада давления и объема (или уровня) жидкости на устье скважины могут быть легко автоматизированы, если вместо манометра и мерной емкости применить датчики давления, например тензометрические типа ПДМТ, и датчики уровня, например поплавковые типа ПРМ-2 или звукометрические типа ЭС-50. Использование способа для контpоля герметичности цементного камня в верхних интервалах скважины позволяет существенно повысить производительность исследований, поскольку полностью исключается необходимость проведения скважинных геофизических исследований для решения этой задачи, что позволяет сократить время простоя скважины, ускорить введение ее в эксплуатацию, снизить материальные и трудовые затраты. Более того, в вводимых в эксплуатацию скважинах операция создания перепада давления жидкости между внутриколонным и заколонным пространствами может быть совмещена с обязательной операцией испытания обсадной колонны на герметичность (опрессовка колонны), при которой на устье скважины в колоннах диаметрами 114-146 мм создают избыточное давление 10-12 МПа, что вызывает ее деформацию. Измерив объем жидкости, вытесненной деформированной колонной из затрубного пространства, можно определить верхнюю границу герметичного цементного кольца. В скважинах старого фонда, обсадная колонна в которых не герметична в интервалах перфорации, способ более целесообразно реализовать путем нагнетания жидкости в затрубное пространство скважины и регистрации объема жидкости, вытесняемой из колонны. Существенным преимуществом способа по сравнению с известными является его высокая оперативность, а также возможность реализации в многоколонных конструкциях скважин при решении задачи определения верхней границы герметичного цементного кольца за второй, третьей и так далее колонной, т.е. той задачи, решение которой не осуществляется ни одним из известных скважинных геофизических методов. Поскольку способ не требует разработки специального дорогостоящего оборудования и скважинных приборов, он может быть широко, быстро и эффективно внедрен как способ исследований скважин, решающий одну из наиболее важных задач контроля качества их крепления.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРХНЕЙ ГРАНИЦЫ ГЕРМЕТИЧНОГО ЦЕМЕНТНОГО КОЛЬЦА В СКВАЖИНЕ, включающий создание и регистрацию перепада давления жидкости между внутриколонным и заколонным пространствами, вызывающего деформацию колонны труб, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности и оперативности определения верхней границы герметичного цементного кольца, измеряют на устье скважины объем вытесненной жидкости, определяют внутренний и внешний радиусы труб обсадной колонны, исходя из зависимости радиальной деформации колонны от перепада давления и геометрических параметров труб поинтервально, начиная с устья скважины, рассчитывают суммарный объем вытесненной жидкости, сравнивают его с измеренным объемом жидкости, при этом верхнюю границу герметичного цементного кольца определяют по глубине, на которой совпадают измеренный и рассчитанный объемы вытесненной жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000