Совершенствование техники и технологии ремонтно-изоляционных работ в скважинах методом тампонирования
Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение
«Буровая техника»-ВНИИБТ
На правах рукописи
ЯКОВЛЕВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ
РЕМОНТНО-ИЗОЛЯЦИОННЫХ РАБОТ В СКВАЖИНАХ
МЕТОДОМ ТАМПОНИРОВАНИЯ
Специальность 25.00.15 – Технология бурения и освоения скважин
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2006 г.
Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе Научно-Производственное Объединение «Буровая техника»-ВНИИБТ
Научный руководитель: заслуженный работник нефтяной и газовой промышленности Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Ширин-Заде С.А.
Научный консультант: доктор технических наук Оганов Г.С.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, член-корреспондент РАЕН Балденко Д.Ф.
кандидат технических наук Белоконь С.В.
Ведущее предприятие – НГДУ «Лениногорскнефть» ОАО «Татнефть»
Защита состоится « 28 » ноября 2006 г. в 11 час.
на заседании Диссертационного совета (Д.520.027.01) Открытого Акционерного Общества Научно-Производственное Объединение «Буровая техника»-ВНИИБТ по адресу: Москва, ул. Летниковская, д. 7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НПО «Буровая техника» по адресу: Москва, ул. Летниковская, д. 7.
Автореферат разослан « 26 » октября 2006 г.
Ученый секретарь
Диссертационного совета,
кандидат технических наук Г.П. Чайковский
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Основные нефтяные месторождения России вышли на поздние стадии разработки. Разработка таких месторождений сопровождается массовым проведением дорогостоящих и длительных ремонтно-восстановительных работ в скважинах. Одним из основных видов осложнений является потеря герметичности эксплуатационных колонн и заколонной крепи. Потребность в ремонтно-изоляционных работах (РИР) постоянно возрастает и в настоящее время превышает возможности ремонтных служб, в результате этого образовался значительный (более 20% от общего фонда) фонд бездействующих и аварийных скважин.
Потеря герметичности заколонной крепи и эксплуатационной колонны приводит к преждевременному обводнению добываемой нефти и перетокам жидкости между пластами, что в значительной степени усложняет и удорожает процесс эксплуатации месторождения.
Проблеме восстановления герметичности эксплуатационных колонн и заколонного пространства посвящено большое количество теоретических и промысловых исследований, в результате которых предложены и успешно применяются различные средства и методы проведения ремонтно-изоляционных работ. Вместе с тем несмотря на несомненные достижения эффективность этих работ остается невысокой и не превышает 60%, а затраты времени на восстановление герметичности одной скважины достигает в среднем 600-800 и более часов.
Низкая эффективность и высокая затратность ремонтно-изоляционных работ в скважинах, все увеличивающиеся их объемы и усложняющиеся условия их проведения требуют совершенствования методов проведения ремонтно-изоляционных работ.
Цель диссертационной работы. Повышение эффективности ремонтно-изоляционных работ в скважинах за счет совершенствования тампонажных составов, технологии их применения, разработки новых технических средств для проведения РИР.
Основные задачи исследований.
1. Определение основных факторов, обуславливающих низкую эффективность и высокую затратность ремонтно-изоляционных работ тампонированием.
2. Разработка и исследование тампонажно-блокирующих составов на основе водонабухающего полимера (ВНП) для ремонтно-изоляционных работ.
3. Исследование деформационно-силовых и герметизирующих свойств манжетных уплотнителей пакеров осевого сжатия в зависимости от физико-механических свойств резин.
4. Разработка и исследование универсального пакерующего устройства для проведения селективных РИР по комбинированной технологии с закачиванием двух тампонажных составов;
5. Разработка и исследование пакерующих устройств для селективных и поинтервальных обработок скважин в репрессионно-депрессионном режиме;
6. Разработка низкочастотного генератора гидравлических импульсов (гидропульсатора) для кислотных обработок труднопроницаемых объектов.
Научная новизна.
1. Экспериментально установлены и изучены закономерности диффузионно-осмотических процессов водопоглощения, водоотдачи и водообмена в зависимости от концентрации водонабухающих полимеров (ВНП). Установлены способы управления величинами осмотического давления при водопоглощении и водоотделении, а также способы торможения процессов водообмена.
2. Экспериментально установлена и математически выражена зависимость величин контактного давления на стенки скважины уплотнительных манжет при их осевом сжатии от деформационно-прочностных параметров резины;
3. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены граничные условия режима самоуплотнения при работе уплотнительных манжет осевого сжатия взависимости от деформационно-прочностных параметров резины;
4. На основе полученных результатов исследований научно обоснована и разработана технология приготовления тампонажных составов на основе ВНП с увеличенными сроками структурирования и повышенными тампонирующими свойствами.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
1. Разработан новый тампонажный состав на основе ВНП для проведения изоляционных работ, обладающий повышенной изолирующей способностью и регулируемыми сроками структурирования;
2. Разработан новый блокирующий состав на основе водонабухающего
полимера для временного отсечения пластов, обладающий повышенной несущей способностью и регулируемыми сроками структурирования;
3. Разработано на уровне изобретения пакерное оборудование для проведения ремонтно-изоляционных работ по комбинированной технологии с последовательным закачиванием двух тампонажных составов;
4. Разработано на уровне изобретения пакерное оборудование для проведения поинтервальных и селективных гидравлических исследований скважин методом снижения уровня жидкости;
5. Усовершенствована на уровне изобретения конструкция низкочастотного генератора гидравлических импульсов (гидропульсатора) для проведения в гидродинамическом режиме кислотных обработок изолируемых объектов для повышения их приемистости;
6. Технология проведения кислотных обработок с применением гидропульсатора вошла во «Временную инструкцию по применению скважинного гидропульсатора УГП-88» (2004 г.), утвержденную Генеральным директором ОАО НПО «Буровая техника». Начато промышленное изготовление гидропульсаторов и их внедрение в производство;
7. Технология установки отсекающих мостов из блокирующих составов и методика оценки результатов РИР в нефтедобывающих скважинах методом снижения уровня вошли в применяемую в ОАО «Татнефть» «Временную инструкцию на технологию установки отсекающих мостов с применением пласт-геля на основе ВНП» (2006 г.), утвержденную Главным инженером ОАО «Татнефть».
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались на:
- 57-ой межвузовской студенческой научной конференции «Нефть и газ - 2003», РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, М, 2003г.;
- 5-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, М, 2003г.;
- 58-ой межвузовской студенческой научной конференции «Нефть и газ - 2004», РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, М, 2004г.;
- Ученом совете ОАО НПО «Буровая техника»-ВНИИБТ, М, 2006 г.
Публикации. Основное содержание работы изложено в 10 печатных публикациях, в т.ч. 8 научных статьях и 2 патентах на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов, списка литературы (из 132 наименований) и приложений. Работа изложена на 126 страницах, содержит 12 таблиц и 38 рисунков.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность за практическую помощь и поддержку при работе над диссертацией научному руководителю д.т.н., проф. Ширин-Заде С.А. и научному консультанту д.т.н. Оганову Г.С.. Автор признателен и благодарен за оказанную помощь и сотрудничество при выполнении работы д.т.н., проф. Гусману А.М., к.т.н. Курочкину Б.М., д.т.н., проф. Соколовскому Э.В.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены положения, выносимые на защиту.
В первом разделе на основе изучения научных работ и промысловых данных рассмотрены основные причины нарушения эксплуатационных колонн и заколонной крепи, применяемых средств и методов проведения ремонтно-изоляционных работ.
Данной проблеме посвящены труды А.И. Булатова, Р.Г. Габдуллина, А.А. Гайворонского, К.М. Гарифова, Р.Р. Кадырова, М.Л. Кисельмана, А.И. Крейтера, В.И. Крылова, Б.М. Курочкина, В.Д. Малеванского, А.А. Цыбина, С.А. Рябоконя, В.В. Торопынина, В.Г. Цейтлина и др.
По характерным особенностям образования водопроницаемые каналы в заколонной крепи по форме поперечного сечения можно разделить на следующие основные типы:
- объемные полости в цементном камне;
- трещины в цементном камне;
- контактные зазоры между цементным кольцом и обсадной трубой.
Из анализа основных причин образования водопроницаемых каналов в заколонной крепи следует, что при применяемых технологиях крепления и освоения скважин образование этих каналов практически неизбежно.
Рассмотрены применяемые способы проведения ремонтно-изоляционных работ. Герметичность обсадных колонн восстанавливают путем создания против сквозных нарушений обсадных труб изоляционных барьеров. Эти барьеры могут быть созданы как внутри труб, так и в затрубном пространстве.
Показаны основные недостатки способов восстановления герметичности колонн устройствами и способами, уменьшающими внутренний диаметр колонны.
Наиболее рациональными способами восстановления герметичности колонн и заколонной крепи являются тампонажные работы как наиболее эффективно сохраняющие проектные параметры скважин и возможность их нормальной дальнейшей эксплуатации, в том числе ремонтоспособность.
Рассмотрены методы поиска мест негерметичности эксплуатационных колонн. Показано, что геофизические методы являются косвенными и имеют ряд недостатков, снижающих точность поиска нарушений при наличии в скважине нескольких проницаемых объектов. Наиболее надежным и информативным в этих условиях методом является поинтервальная опрессовка колонны с помощью пакерующих устройств, в том числе со сдвоенными уплотнительными узлами.
Вместе с тем показано, что не все нарушения однозначно фиксируются опрессовкой. В промысловой практике встречаются (до 25-30% всех изолируемых нарушений) нарушения с односторонней пропускной способностью, которые характеризуются практическим отсутствием приемистости при опрессовке и возникновением притока при снижении уровня жидкости в скважине. При эксплуатации нефтедобывающих скважин в режиме депрессии на пласт такие нарушения являются источником обводнения добываемой продукции, а их поиск методом поинтервальных опрессовок и изоляция тампонированием вызывает большие трудности.
Второй раздел посвящен обоснованию наиболее актуальных направлений совершенствования технологии и повышения эффективности ремонтно-изоляционных работ в скважинах методом тампонирования.
Проведен анализ эффективности применяемых тампонажных материалов. Установлены основные факторы, обуславливающие низкую эффективность применения тех или иных тампонажных составов.
К настоящему времени разработано большое количество тампонажных составов с различными свойствами и физико-химическими принципами образования водоизоляционной массы: отверждаемые, гелеобразующие, набухающие, осадкообразующие, эмульгирующие и др. Несмотря на множество рецептур, большинство из них не нашло широкого практического применения по ряду причин: невысокая эффективность, высокая стоимость, сложность технологии проведения РИР, сложность обеспечения стабильных технологических свойств, наличие токсичных ингредиентов. Применение большинства разработанных тампонажных составов носит локально-экспериментальный характер, а основным повсеместно применяемым тампонажным материалом остается цемент, которому по совокупному показателю, включающему стоимость, доступность, технологичность, долговечность, эффективность, экологичность и др., равноценной замены пока нет. Эффективность ремонтно-изоляционных работ в скважинах в большинстве случаев не превышает 50-60%.
Показано, что низкая эффективность цементных заливок при изоляции высокоприемистых объектов связана с внутрипластовыми перетоками цементного раствора за счет большой разности плотностей между цементным раствором и пластовым флюидом.
На основе критического анализа известной классификации технологических приемов изоляции зон поглощения в открытом стволе при бурении, в основу которой положены способы предотвращения внутрипластовых перетоков тампонажных составов, определены рациональные способы ремонтно-изоляционных работ с учетом особенностей проведения таких работ в обсаженной скважине. В качестве наиболее оптимальной рекомендуется комбинированная технология, при которой перед закачкой цементного раствора в пласт закачивают вспомогательный структурирующийся во времени тампонажный состав для предотвращения внутрипластовых перетоков, после структурирования которого за колонну закачивается цементный раствор, образующий заколонную крепь. Обоснована перспективность применения в качестве материала для приготовления вспомогательного тампонажного состава водонабухающего полимера (ВНП) на основе полиакриламида марки АК-639 как наиболее технологичного, экономичного и экологически безопасного материала.
Обоснована возможность усовершенствования технологии установки отсекающих мостов при проведении РИР с целью сокращения затрат времени путем замены в ряде случаев серийной технологии, включающей намыв песка с последующей установкой цементного моста, на установку в интервале перфорации отсекающего моста из высокоструктурированного нетвердеющего блокирующего состава. Показана перспективность разработки такого состава на основе ВНП.
Рассмотрены проблемы РИР, связанные с изоляцией нарушений с односторонней проницаемостью. На основе анализа работ Гайворонского А.А., Цыбина А.А. и других авторов обосновано, что такие нарушения приурочены к контактно-щелевым кольцевым каналам, образовавшимся в результате деформации обсадных колонн под действием избыточного внутреннего давления в период формирования цементного камня за колонной. При возникновении в зоне такого щелевого канала сквозного нарушения колонны образуется своего рода обратный клапан (ниппель), запирающий жидкость в колонне при повышении давления за счет повторной деформации колонны, и пропускающий пластовую жидкость внутрь колонны из затрубного пространства при понижении давления в колонне. С точки зрения ремонтоспособности такие нарушения имеют следующие особенности:
- надежное определение местоположения такого нарушения гидравлическим методом возможно только в режиме депрессии;
- тампонирование таких нарушений практически невозможно без предварительной кислотной обработки для обеспечения приемистости нарушения;
- кислотная обработка затруднена из-за отсутствия приемистости нарушения.
На практике изоляция таких нарушений сводится, как правило, к установке перекрывающих устройств.
Для обеспечения ремонтоспособности скважин с нарушениями «ниппельного» типа методом тампонирования (в том числе при наличии нескольких проницаемых объектов) обоснована перспективность решения двух следующих задач:
- разработка технологии и оборудования для поинтервальных и селективных гидравлических исследований эксплуатационных колонн методом снижения уровня жидкости в скважине;
- разработка технологии и оборудования для проведения кислотной обработки нарушения в гидродинамическом режиме с целью обеспечения приемистости нарушения, необходимой для тампонирования.
Ремонтно-изоляционные работы в зависимости от конкретных условий включают ряд последовательно выполняемых технологических операций: поиск мест негерметичности геофизическими или гидравлическими методами, гидродинамические исследования по определению приемистости нарушений, установка отсекающих мостов или другие мероприятия по отсечению проницаемых объектов друг от друга на период проведения РИР, ОПЗ для обеспечения необходимой приемистости изолируемых объектов, закачивание в изолируемый объект тампонажных составов, разбуривание отсекающих и изоляционных мостов и др. Проведение этих мероприятий обуславливает значительные затраты времени, причем, как следует из анализа промысловых данных, до 50% и более (в зависимости от глубины скважины) общих затрат времени на РИР составляют спуско-подъемные операции (СПО) с НКТ для смены инструмента при смене видов работ. Обоснована перспективность разработки технологий и скважинного оборудования, обеспечивающих возможность выполнения ряда технологических операций РИР за один спуск инструмента с целью снижения объема СПО.
Третий раздел посвящен разработке и исследованиям тампонажных составов на основе водонабухающего полимера (ВНП). ВНП представляет собой частично сшитый полиакриламид марки АК-639, частицы которого, поглощая воду, способны набухать во времени и расширяться в сотни раз, не растворяясь в воде.
Технология применения ВНП при изоляционных работах в скважинах была разработана во ВНИИБТ в лаборатории новых средств и методов борьбы с поглощениями (НСМБП) под руководством к.т.н. Б.М. Курочкина и с начала 80-х годов начато практическое применение ВНП при проведении РИР. К настоящему времени ВНП зарекомендовал себя как многоцелевой материал, отличающийся высокой технологичностью, экономичностью, экологической безопасностью. Вместе с тем при ликвидации нарушений сравнительно высокой проницаемости эффективность применения ВНП снижается. Это связано с тем, что высокая интенсивность набухания ВНП в пресной воде не позволяет приготавливать составы с высоким содержанием полимера во избежание чрезмерного роста структурной прочности смеси в процессе ее закачивания в скважину. На практике концентрацию ВНП в смеси ограничивают в пределах 1,0%, что обуславливает сравнительно невысокие структурно-механические характеристики и тампонажные свойства.
Для повышения эффективности тампонажных составов на основе ВНП автором совместно со специалистами лаборатории НСМБП ВНИИБТ под руководством Б.М. Курочкина проведены исследования, направленные на разработку тампонажных составов с высоким структурно-прочностными свойствами за счет значительного повышения содержания ВНП и снижения интенсивности роста структурной прочности.
Исследованиями установлено, что при сдвиговой деформации водополимерные суспензии на основе ВНП представляют собой вязко-пластичные системы и характеризуются пластической прочностью. Однако в широком диапазоне значений пластической прочности исследования методом конического пластометра сопровождаются значительными погрешностями при определении глубины погружения конуса, обусловленными явлениями ползучести.
Разработан усовершенствованный конический пластометр, повышающий (по сравнению с серийными с постоянной нагрузкой на конус) точность измерений при явлениях ползучести с исследуемой системе. Повышение точности достигается за счет обеспечения фиксированной глубины погружения конуса и регистрации соответствующего этой глубине усилия внедрения конуса в исследуемый материал.
Определение прочностных характеристик суспензий ВНП проводились с использованием разработанного пластометра.
С помощью разработанного экспериментального оборудования исследованы закономерности процессов водонабухания, водоотдачи и водообмена в суспензиях ВНП. Установлены зависимости давлений водопоглощения и обезвоживания от концентрации ВНП, при этом при равных концентрациях ВНП давление водоотдачи кратно выше давления водопоглощения. Установлено, что набухание ВНП за счет обезвоживания уже водонасыщенного до определенного уровня ВНП требует значительно больших энергетических затрат, чем при набухании в свободной воде. На этой основе разработан и исследован новый способ приготовления тампонажного состава на основе ВНП, позволяющий замедлить скорость структурирования состава и обеспечивающий возможность повышения содержания ВНП и конечной структурной прочности (рис. 1).
Установлена возможность управления интенсивностью структурообразования тампонажных составов на основе ВНП с помощью гидрофобизирующих ингредиентов. Экспериментальными исследованиями установлено снижение активности миграции воды в водополимерной суспензии ВНП в присутствии гидрофобизирующей жидкости (ГФЖ) на основе силиконатов калия. Определено, что интенсивность роста пластической прочности снижается при увеличении содержания ГФЖ, установлены границы оптимального содержания ГФЖ в воде, при которых
не наблюдается снижение конечной пластической прочности тампонажного состава.
Определена зависимость интенсивности структурообразования и конечной структурной прочности от совместного применении разработанных технологических и рецептурных способов регулирования процессов водопереноса в водополимерных системах на основе ВНП в диапазоне величин пластической прочности 0,1-2,8 кПа.
Установлена зависимость интенсивности структурообразования и конечной структурной прочности тампонажных составов на основе ВНП от температуры в диапазоне 20-950С.
Установлена возможность получения высоких значений пластической прочности (до 40-45 кПа) тампонажных составов на основе ВНП при использовании дисперсного наполнителя (мела). На этой основе совместно с лабораторией НСМБП ВНИИБТ разработан, исследован и применен блокирующий состав для временного отсечения пластов.
Проведены стендовые испытания разработанного блокирующего состава в вертикальной насыпной модели пласта с фракционным составом песка 1,0-1,2 мм и структурообразованием блокирующего состава в непосредственном контакте с насыпным керном. В результате последующих опрессовок установлено, что начальный градиент давления фильтрации блокирующего состава составляет более 14,0 МПа.
Показана эффективность разработанных способов регулирования интенсивности роста структурной прочности тампонажных составов на основе ВНП, что расширяет технологические возможности тампонажных составов и область их применения.
Четвертый раздел посвящен разработке и исследованию технических средств для совершенствования ремонтно-изоляционных работ в скважинах.
Разработан и исследован на стенде гидромеханический пакер ПГМЗ с опорой на стенки скважины для проведения ремонтно-изоляционных работ по комбинированной технологии с использованием двух тампонажных составов. Исходя из назначения пакера сформулированы основные требования к конструкции:
- высокая оперативность и надежность установки;
- быстрый переход с режима нагнетания на промывку и обратно;
- возможность многоразовой переустановки за один спуск.
При проведении исследований определялось минимально необходимое усилие предварительного внедрения плашек между конусом и обсадной трубой, при котором происходит гарантированная посадка конуса на плашки без срывов и сползаний при наращивании усилия на конусе. Исследования проводились при горизонтальном положении пакера и различных состояниях поверхности обсадной трубы. Для изучения влияния антифрикционных загрязнений на надежность посадки конуса на плашки испытания проводились при покрытии обсадной колонны пластичными смазками и специальными пастами различной консистенции с пластической прочностью до 3,2 кПа. Согласно проведенным испытаниям установлено, что воздействие постоянно действующей осевой силы предварительного прижатия плашек к обсадной трубе порядка 45-50 кг обеспечивает надежное заклинивание плашек при последующем нагружении конуса. Выполнение данного условия достигнуто за счет специальной конструкции пружинно-поршневого механизма вывода в рабочее положение и возврата опорных плашек пакера, что обеспечивает предварительное прижатие плашек между конусом и обсадной трубой с осевым усилием 350-400 кг, сохраняющимся после остановки циркуляции. Благодаря такому усилию выведения плашек и их внедрения между конусом и трубой достигается высокая надежность установки пакера на заданной глубине в межпластовых интервалах малой протяженности, в условиях грязевых антифрикционных отложениях на обсадной трубе, а также в наклонных скважинах.
Разработана методика расчета количественных параметров совокупного взаимодействия элементов пружинно-поршневого механизма вывода и возврата опорных плашек пакера.
На основе разработанного гидромеханического пакера разработаны пакерные комплексы для селективного проведения РИР, обеспечивающие за один спуск инструмента проведение следующих работ:
- установка ниже изолируемого объекта отсекающей пакер-пробки с последующим проведением РИР по комбинированной технологии с помощью гидромеханического пакера;
- установку отсекающего моста из нетвердеющего блокирующего состава и его опрессовку, установку при необходимости дополнительного цементного отсекающего моста и его опрессовку, проведение РИР по комбинированной технологии.
Разработаны и испытаны на стендах пакерующие устройства для поинтервальных гидравлических исследований состояния эксплуатационной колонны и других технологических операций в репрессионно-депрессионном режимах.
Для обеспечения работы пакерующих устройств в депрессионном режиме разработан гидравлический уплотнительный узел для герметизации затрубного пространства под действием перепада давления, возникающего при снижении уровня жидкости в скважине. При этом решалась задача обеспечения надежной герметизации затрубного пространства в режиме самоуплотнения в условиях ограниченного ресурса создания рабочего перепада давления (в отличие от создания избыточного давления насосами) в пределах давления столба жидкости от статического уровня в скважине до глубины установки пакерующего устройства.
Для решения данной задачи изучены факторы, влияющие на надежность герметизации затрубного пространства уплотнительными манжетами. Исследованию работы уплотнителей манжетного типа посвящены работы А.Ф. Беленькова, Б.Е. Доброскока, Л.А. Карнаухова, А.М. Кизимы, К.И Лошкарева, В.Ш. Локсина, В.И. Масича, Ю.А. Песляка, В.А. Сафина, Б.М. Сучкова, Л.А. Суворова, В.В. Торопынина, А.А. Хасаева и др.
В результате анализа данных литературных источников и сравнения их с экспериментальными и промысловыми данными установлено, что в расчетных формулах, описывающих зависимость возникающего контактного давления от усилия осевого сжатия уплотнительных манжет не в полной мере учитывается влияние физико-механических свойств резины.
В специально построенном стенде проведены исследования влияния твердости резины на контактное давление между боковой поверхностью манжеты и обсадной трубой при осевом сжатии манжеты. Установлено, что с увеличением твердости резины при прочих равных условиях снижается величина передаваемого на обсадную колонну контактного давления, причем это снижение имеет место не только за счет упругого деформирования манжет при заполнении начального зазора, но и при осевом сжатии уже полностью деформированной манжеты в условиях всестороннего сжатия. Введен параметр КСД - коэффициент снижения давления, определяемый как QОС / SМРК (где QОС – осевая сила сжатия манжеты, SМ – площадь поперечного сечения сжатой манжеты, РК – контактное давление боковой поверхности манжеты на обсадную трубу). Установлен характер зависимости коэффициента снижения контактного давления от твердости резины (рис 2).
В результате полученных экспериментальных данных предложена уточненная зависимость контактного давления РК от величины осевых сжимающих нагрузок при работе уплотнительных элементов манжетного типа: РК=(Q0/F+РЖ)/КСД, где: Q0-осевая сила предварительного сжатия манжеты, F-площадь поперечного сечения деформированной манжеты, РЖ-давление запираемой жидкости, КСД-коэффициент снижения давления, зависящий от твердости резины.
Выполнены теоретические и экспериментальные исследования работы манжетных уплотнителей в режиме самоуплотнения, установлены граничные условия режима самоуплотнения, предложена аналитическая зависимость, описывающая условия реализации режима самоуплотнения.
На основе исследования работы уплотнительных элементов из резин различной твердости разработана конструкция комбинированного манжетного уплотнителя с подобранными по форме и твердости манжетами, позволяющая при его общей высокой несущей способности осуществлять первоначальную пакеровку при невысоких осевых усилиях сжатия. Использование данного манжетного уплотнителя в составе разработанного уплотнительного узла обеспечивает опережающее наращивание бокового контактного давления манжет на эксплуатационную колонну в режиме самоуплотнения по мере возрастания давления запираемой жидкости (рис. 3). Проведенные стендовые испытания разработанного уплотнительного узла депрессионного действия подтвердили обеспечение режима самоуплотнения во всем диапазоне давлений запираемой жидкости (до 32,0 МПа) при минимальной величине предварительного осевого сжатия манжет.
С использованием разработанного уплотнительного узла разработаны пакерующие устройства для проведения технологических операций в скважинах в режиме депрессии методом снижения уровня жидкости в скважине, при этом конструктивные исполнения пакерующих устройств предусматривают создание осевого усилия первоначальной пакеровки как гидравлическим способом, так и механическим.
Для проведения селективных исследовательских и ремонтных работ в скважинах с несколькими проницаемыми объектами разработано универсальное двухпакерное устройство (рис. 4). Верхним пакером устройства является разработанный гидромеханический пакер ПГМЗ. Нижним пакером является гидравлический пакер ПГРД, оснащенный двумя гидравлическими узлами (репрессионным и депрессионным), взаимодействующими с одним и тем же уплотнителем, перекрывающий затрубное пространство как при создании в инструменте избыточного давления, так и при снижении уровня жидкости. Между пакерами
располагается клапанный узел двухстороннего действия, обеспечивающий открытие циркуляционных отверстий при обоих режимах, причем перепад давления открытия отверстий для каждого режима устанавливается индивидуально.
Для поинтервальных (от пакера до устья скважины) гидравлических исследований эксплуатационных колонн опрессовкой и снижением уровня жидкости без установки отсекающих мостов разработано пакерующее устройство с опорой на стенки скважины. Благодаря применению в конструкции разработанного уплотнительного узла депрессионного действия пакер не требует для надежной герметизации затрубного пространства в режимах репрессии и депрессии больших осевых усилий (веса инструмента) для предварительной пакеровки и может устанавливаться на малых глубинах (порядка 100 м).
Для обработки низкопроницаемых пластов ВНИИБТ было предложено применять гидропульсаторы на основе винтовой пары. Первые устройства создавались лабораторией НСМБП ВНИИБТ совместно с Пермским филиалом ВНИИБТ. При дальнейшем усовершенствовании устройства автором совместно со специалистами ВНИИБТ (лаборатория НСМБП под руководством Б.М Курочкина) разработан на уровне изобретения генератор гидравлических импульсов (гидропульсатор УГП-88) для повышения эффективности кислотных обработок нарушений с низкой или нулевой приемистостью. Проведенные стендовые испытания прерывателя потока гидропульсатора показали, что принятая конструкция обеспечивает генерирование упругих гидравлических импульсов с амплитудой давления 3,0-5,0 МПа, регулируемой производительностью расхода жидкости через прерыватель в диапазоне 3-7 л/с. Обоснована перспективность дальнейших исследований гидромеханических характеристик гидропульсатора для более эффективного его применения при проведении РИР.
Для проведения комплекса технологических операций РИР с проведением ОПЗ с гидропульсатором разработана компоновка, обеспечивающая последовательное проведения следующих операций за один спуск инструмента:
- размещение кислоты в интервале нарушения;
- продавливание кислоты в затрубное пространство в режиме гидропульсации и последующий дренаж образовавшихся каналов;
- закачивание тампонажных составов в нарушение под давлением с применением пакера;
- вымывание излишков тампонажного состава обратной промывкой.
Пятый раздел посвящен разработке методических рекомендаций по применению выполненных разработок, а также результатам скважинных и опытно-промысловых испытаний разработок.
Разработанные тампонажные и блокирующие составы прошли промысловые испытания на площадях ОАО «Татнефть». Составы применялись при изоляционных работах и установке отсекающих мостов и показали свою высокую эффективность.
Промысловые испытания гидропульсатора были проведены при установлении гидравлической связи скважины с затрубным пространством через перфорированную колонну и непроницаемую заколонную крепь. Предварительные работы по установке кислотных ванн под давлением 12-13 МПа результата не дали. Применение гидропульсатора позволило в короткие сроки обеспечить гидравлическую связь и необходимую приемистость проницаемого объекта. Гидроимпульсы, действующие через нарушение на заколонную крепь, способствуют ее разрушению с образованием сети микротрещин и поступлению в них кислоты. В результате такой обработки создается гидравлическая связь между полостью скважины и затрубным пространством, необходимая для проведения изоляционных работ тампонированием. Первые испытания гидропульсатора в скв. № 63 Озерной площади (ОАО Татнефть) показали его высокую эффективность и перспективность применения при РИР для обеспечения приемистости в полупроницаемых нарушениях.
Испытания гидромеханического пакера ПГМЗ и гидравлического пакера репрессионно-депрессионного действия были проведены в параметрической скважине АО ВНИГНИ. Скважинные испытания подтвердили результаты стендовых испытаний, показали высокую надежность срабатывания и совокупного взаимодействия узлов и механизмов пакеров, высокую надежность герметизации затрубного пространства в длительном режиме.
Ожидаемая технологическая и экономическая эффективность применения предлагаемых разработок при проведении РИР заключается в повышении успешности изоляционных работ, в сохранении проектных параметров (внутреннего диаметра) скважин при изоляции нарушений ниппельного типа, кратном сокращении объема СПО при РИР.
Основные выводы
1. Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, позволивший:
- разработать новые технико-технологических средства для повышения эффективности ремонтно-изоляционных работ в объектах с высокой, а также односторонней проницаемостью;
- разработать эффективные тампонажные и блокирующие составы;
- обеспечивать выполнение технологических операций РИР за один спуск инструмента;
2. Экспериментально установлена и математически выражена закономерность передачи давления на стенки скважины через уплотнительные манжеты при их осевом сжатии в зависимости от твердости резины. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены условия реализации эффекта самоуплотнения при работе уплотнительных манжет осевого сжатия;
3. Установлены и исследованы эффективные технологические и рецептурные способы управления процессами массопереноса в водополимерных суспензиях на основе ВНП;
4. Усовершенствованы тампонажно-блокирующие составы на основе ВНП с широким диапозоном регулируемых технологических свойств, что позволяет их применять в скважинах с высокой приемистостью;
5. Разработан на уровне изобретения универсальный гидромеханический пакер с комплектом навесного оборудования для селективного проведения различных технологических операций РИР за один спуск инструмента;
6. На основе проведенных стендовых и скважинных исследований разработаны на уровне изобретения пакерующие устройства для селективного и поинтервального проведения гидравлических исследований эксплуатационных колонн и других технологических операций в репрессионном и депрессионном режимах;
7. Разработан на уровне изобретения и испытан генератор гидравлических импульсов для обеспечения приемистости нарушений;
8. Испытания предлагаемых разработок в промысловых условиях подтвердили результаты лабораторных и стендовых исследований.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
- Яковлев А.С. «Проблемы разобщения пластов при ремонте скважин» - Тезисы докладов «Нефть и газ - 2003» 57-ой межвузовской студенческой научной конференции, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, М, 2003г.
- Яковлев А.С. «Совершенствование технических средств разобщения пластов при ремонте скважин» - Тезисы докладов «Нефть и газ - 2004» 58-ой межвузовской студенческой научной конференции, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, М, 2004г.
- Яковлев А.С. «Интервальное пакерное устройство репрессионно-депрессионного действия» - Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, М, ВНИИОЭНГ, № 8, 2006 г.
- Слышенков В.А., Яковлев А.С., ЯковлевС.С. «Совершенствование техники и технологии разобщения пластов» - Материалы 5-й научно- технической конферен-ции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», Тезисы докладов, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, М, 2003г.
- Яковлев А.С., Яковлев С.С., Курочкин Б.М. «Совершенствование технологии ремонтно-изоляционных работ с применением водонабухающий полимеров», - Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, М, ВНИИОЭНГ, № 5, 2006 г.
- Яковлев А.С., Яковлев С.С. «Исследование работы манжетных резиновых уплотнителей пакеров» - Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, М, ВНИИОЭНГ, № 7, 2006 г.
- Яковлев А.С., Яковлев С.С., Курочкин Б.М. «Совершенствование технологических свойств тампонажных составов на основе водонабухающих полимеров» - Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, М, ВНИИОЭНГ, № 8, 2006 г.
- Яковлев А.С., Яковлев С.С. «Исследование работы манжетных уплотнителей пакеров в режиме самоуплотнения» - Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, М, ВНИИОЭНГ, № 9, 2006 г.
- Патент № 2231620 (РФ). «Устройство для создания гидравлических импульсов давления в скважине», Яковлев С.С., Курочкин Б.М., Кочнев А.М., Прусова Н.Л., Яковлев А.С., Опубл. Б.И. № 18, 2004 г.
- Положительное решение от 12.07.2006. о выдаче патента по заявке № 2005120046/03(022689) от 29.06.2005. «Интервальное пакерное устройство, гидромеханический пакер и гидравлический пакер репрессионно-депрессионного действия (его варианты)», Соколовский Э.В., Яковлев С.С., Яковлев А.С.
Соискатель А.С. Яковлев
