RU2778361C1 - Method for cementing the casing string of a borehole - Google Patents

Method for cementing the casing string of a borehole Download PDF

Info

Publication number
RU2778361C1
RU2778361C1 RU2021118156A RU2021118156A RU2778361C1 RU 2778361 C1 RU2778361 C1 RU 2778361C1 RU 2021118156 A RU2021118156 A RU 2021118156A RU 2021118156 A RU2021118156 A RU 2021118156A RU 2778361 C1 RU2778361 C1 RU 2778361C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cement
casing
casing string
cementing
cement slurry
Prior art date
Application number
RU2021118156A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Михайлович Лихушин
Ольга Александровна Ковалевская
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - Газпром ВНИИГАЗ"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - Газпром ВНИИГАЗ" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - Газпром ВНИИГАЗ"
Application granted granted Critical
Publication of RU2778361C1 publication Critical patent/RU2778361C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: petroleum industry.
SUBSTANCE: invention relates to the field of drilling petroleum and gas boreholes and can be used in cementing casing strings in the steady-state mode. Casing strings are cemented with a shut-in wellhead in the steady-state mode. Before tempering the cement, the annular preventer (PUG) is closed, the hydraulic valve in the working flow line is opened, a cementing unit is connected to the valve block in order to control the volume of the solution exiting the borehole. The back pressure required to ensure the steady-state mode is created in the behind-the-casing space at the wellhead by means of a throttle valve. The back pressure value depending on the position of the lower boundary of the cement solution in the borehole is determined by calculation, with account for the depth of descent of the casing string and the distance from the wellhead to the moving lower interface between the cement solution and the drilling mud in the casing string, respectively, the height of the cement solution column in the casing string at the end of pumping, corresponding to the volume required to cement the casing string; for the injection pressure and back pressure at the wellhead, respectively; the densities of the cement solution and the drilling mud, respectively; the coefficients of hydraulic resistances in the movement of the cement solution and the drilling mud in the casing string and the drilling mud and the cement solution in the annular behind-the-casing space; the speed of the cement solution or drilling mud in the casing string; the diameters of the borehole, the outer and inner casing string.
EFFECT: increase in the quality of cementing and increase in the effectiveness thereof due to the reduction in the borehole construction cost caused by preventing the occurrence of complications and the cost of elimination thereof.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к технологии цементирования обсадных колонн и может быть использовано при цементировании обсадных колонн в установившемся режиме.The invention relates to the field of drilling oil and gas wells, and in particular to the technology of cementing casing strings and can be used when cementing casing strings in a steady state.

Известен способ цементирования скважины путем закачивания через цементировочную головку тампонажной и продавочной жидкостей, отделяемых разделительной пробкой (см. Соловьев Е.М. Заканчивание скважин. - М.: Недра, 1989 стр. 165-173). Автор утверждает, что для того чтобы при закачке тампонажного раствора в обсадную колонну не происходило снижение его уровня, и не возникал вакуум в кольцевом заколонном пространстве, при выходе промывочной жидкости (бурового раствора) из скважины нужно поддерживать соответствующее противодавление, при этом величину противодавления он предлагает рассчитывать исходя из давления на момент конца закачки цементного раствора. Критерием отсутствия вакуума на устье, по мнению автора, должно быть наличие давления нагнетания цементного раствора. Для того чтобы избежать возможного поглощения, предлагается регулировать скорость восходящего потока, то есть в любой момент цементирования скорость в кольцевом заколонном пространстве должна быть меньше предельной скорости, при которой сумма статического и гидродинамического давления меньше давления поглощения. Однако автор не раскрывает методику контроля и регулирования скорости восходящего потока.A known method of cementing wells by pumping through the cementing head plugging and squeezing fluids separated by a separating plug (see E. M. Solovyov Completion of wells. - M.: Nedra, 1989 pp. 165-173). The author argues that in order to prevent a decrease in the level of the cement slurry during pumping into the casing string and a vacuum does not occur in the annular annular space, when the drilling fluid (drilling mud) leaves the well, it is necessary to maintain an appropriate backpressure, while the value of the backpressure he proposes calculated based on the pressure at the end of the cement slurry injection. According to the author, the criterion for the absence of vacuum at the wellhead should be the presence of cement slurry injection pressure. In order to avoid possible lost circulation, it is proposed to control the upward flow rate, i.e. at any moment of cementing, the velocity in the annular annulus should be less than the limiting velocity at which the sum of static and hydrodynamic pressure is less than the absorption pressure. However, the author does not disclose the method of control and regulation of the upstream speed.

Недостатком упомянутого выше технического решения является низкое качество цементирования из-за невозможности предотвращения возникающих осложнений.The disadvantage of the above technical solution is the low quality of cementing due to the inability to prevent complications that arise.

Наиболее близким аналогом к предложенному способу (прототипом) является способ цементирования обсадной колонны (патент RU №2199649 Е21В 33/14), включающий закачку цементного раствора в обсадную колонну, сброс разделительной пробки, закачку промывочной жидкости и продавливание цементного раствора в заколонное пространство, причем перед процессом закачки цементного раствора рассчитывают минимальную величину объемного расхода закачки цементного раствора. В данном способе разрыв сплошности цементного раствора во время его движения в обсадной колонне в нисходящем потоке предлагается предотвратить путем интенсификации закачки, то есть скорость закачки цементного раствора и продавочной жидкости (объемной скорости) должна быть больше скорости его падения (интенсивности перетока). При этом интенсивность перетока и скорость закачки определяется аналитически - расчетным путем.The closest analogue to the proposed method (prototype) is a method of cementing the casing string (patent RU No. 2199649 E21B 33/14), including the injection of a cement slurry into the casing string, the discharge of a separating plug, by the cement slurry injection process, the minimum value of the cement slurry injection volumetric flow rate is calculated. In this method, breaking the continuity of the cement slurry during its movement in the casing string in a downward flow is proposed to be prevented by intensifying the injection, that is, the injection rate of the cement slurry and the displacement fluid (volumetric velocity) should be greater than the rate of its fall (flow rate). At the same time, the intensity of the flow and the injection rate are determined analytically - by calculation.

Недостатком данного способа является отсутствие контроля за движением цементного раствора, как в обсадной колонне, так и в заколонном пространстве. Кроме того, интенсификация потока цементного раствора в обсадной колонне вызовет пропорциональное увеличение скорости восходящего потока бурового раствора в кольцевом заколонном пространстве, что неизбежно спровоцирует обрушение неустойчивых пород, и как следствие, приведет к большим затратам времени и материалов на проведение исправительного цементирования.The disadvantage of this method is the lack of control over the movement of the cement slurry, both in the casing string and in the annulus. In addition, the intensification of the flow of cement slurry in the casing will cause a proportional increase in the velocity of the upward flow of drilling fluid in the annulus, which will inevitably provoke the collapse of unstable rocks, and as a result, will lead to a large expenditure of time and materials for corrective cementing.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка эффективного способа цементирования обсадной колонны скважины в установившемся режиме, который обеспечит качественное заполнение заколонного пространства с формированием сплошной цементной оболочки, исключающим обрушение неустойчивых пород и возникновение других осложнений.The task to be solved by the present invention is to develop an effective method for cementing the well casing string in steady state, which will provide high-quality filling of the annular space with the formation of a continuous cement shell, excluding the collapse of unstable rocks and the occurrence of other complications.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение качества цементирования и повышение его эффективности за счет сокращения затрат на строительство скважины путем предупреждения возникновения осложнений и затрат на их ликвидацию.The technical result, to which the present invention is directed, is to improve the quality of cementing and increase its efficiency by reducing the cost of well construction by preventing the occurrence of complications and the cost of their elimination.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе цементирования обсадной колонны скважины в установившемся режиме, который включает герметизацию кольцевого заколонного пространства превентором, соединение выкидной линии кольцевого заколонного пространства через дроссель с мерной емкостью, предназначенной для контроля объема выходящего из скважины бурового раствора, закачку цементного раствора в обсадную колонну, контроль давления в мерной емкости в течение упомянутой закачки цементного раствора, при падении давления в мерной емкости до нуля, создают с помощью дросселя в кольцевом заколонном пространстве противодавление, обеспечивающее движение цементного и бурового растворов с постоянной скоростью в установившемся режиме, при этом расчет величины упомянутого противодавления, обеспечивающего движение цементного и бурового растворов с постоянной скоростью в установившемся режиме в кольцевом заколонном пространстве осуществляют по формуле:The specified technical result is achieved due to the fact that in the method of cementing the well casing string in steady state, which includes sealing the annular annular space with a preventer, connecting the flow line of the annular annular space through a throttle with a measuring tank designed to control the volume of drilling fluid leaving the well, pumping cement slurry into the casing string, control of the pressure in the measuring tank during the said injection of cement slurry, when the pressure in the measuring tank drops to zero, a counterpressure is created using a throttle in the annular annular space, which ensures the movement of cement and drilling slurries at a constant speed in a steady state, at the same time, the calculation of the value of the mentioned back pressure, which ensures the movement of cement and drilling fluids at a constant speed in the steady state in the annular annular space, is carried out according to the formula:

для

Figure 00000001
for
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

для

Figure 00000003
for
Figure 00000003

Figure 00000004
где
Figure 00000004
where

Figure 00000005
- глубина спуска обсадной колонны и расстояние от устья скважины до движущейся нижней границы раздела между цементным и буровым растворами в обсадной колонне, соответственно;
Figure 00000005
- the depth of the casing string and the distance from the wellhead to the moving lower interface between the cement and drilling fluids in the casing string, respectively;

h0 - высота столба цементного раствора в обсадной колонне в момент окончания закачки, соответствующая объему, необходимому для цементирования обсадной колонны;h 0 is the height of the cement slurry column in the casing at the moment of completion of injection, corresponding to the volume required for cementing the casing;

Рн и Ру - давление нагнетания и противодавление на устье скважины, соответственно;P n and P y - injection pressure and back pressure at the wellhead, respectively;

ρц и ρр - плотности цементного и бурового растворов, соответственно;ρ c and ρ p - density of cement and drilling fluids, respectively;

λцт, λрт и λрк, λцк - коэффициенты гидравлических сопротивлений при движении цементного раствора и бурового раствора в обсадной колонне, и бурового раствора и цементного раствора в кольцевом заколонном пространстве, соответственно;λ ct , λ rt and λ rk , λ ck - coefficients of hydraulic resistance during the movement of cement slurry and drilling fluid in the casing, and drilling fluid and cement slurry in the annular annulus, respectively;

v - скорость движения цементного или бурового раствора в обсадной колонне;v - the speed of movement of cement or drilling fluid in the casing;

dc, dн и db - диаметры: скважины, наружный и внутренний обсадной колонны, соответственно;d c , d n and d b - diameters: wells, outer and inner casing, respectively;

g - ускорение свободного падения.g is the free fall acceleration.

С увеличением объема цементного раствора, закаченного в обсадную колонну, давление на цементировочном агрегате (например, ЦА-320) постепенно снижается до атмосферного, после чего происходит отрыв части столба цементного раствора под действием сил, обусловленных разностью плотностей бурового и цементного растворов. Далее происходит самопроизвольное неконтролируемое увеличение скорости цементного раствора в обсадной колонне, которое в свою очередь вызывает пропорциональное увеличение скорости движения бурового раствора в заколонном пространстве скважины.With an increase in the volume of cement slurry pumped into the casing, the pressure on the cementing unit (for example, TsA-320) gradually decreases to atmospheric pressure, after which a part of the cement slurry column breaks off under the action of forces due to the difference in density of drilling and cement slurries. Then there is a spontaneous uncontrolled increase in the speed of the cement slurry in the casing, which in turn causes a proportional increase in the speed of the drilling fluid in the annular space of the well.

Увеличение скорости движения цементного раствора в обсадной колонне, сопровождающееся соответствующим увеличением скорости восходящего потока бурового раствора в затрубном пространстве, приводит к потере устойчивости глинистых пород, выносу шлама из каверн и возникновению таких осложнений как преждевременное загустевание цементного раствора, ошибки при определении объема продавочной жидкости, увеличение зоны смешивания бурового и цементного раствора. Ликвидации осложнений такого рода требует больших затрат времени и материалов, а иногда приводит к ликвидации скважины.An increase in the velocity of the cement slurry in the casing, accompanied by a corresponding increase in the velocity of the upward flow of the drilling fluid in the annulus, leads to the loss of stability of clay rocks, the removal of cuttings from the caverns and the occurrence of such complications as premature thickening of the cement slurry, errors in determining the volume of the mixing zones of drilling and cement slurry. The elimination of complications of this kind requires a lot of time and materials, and sometimes leads to the abandonment of the well.

Кроме того, на верхней границе раздела цементного и бурового раствора под разделительной пробкой образуется воздушная «пробка» с давлением ниже атмосферного. Расчеты показывают, что для того чтобы догнать убегающий столб цементного раствора, необходимо закачивать его со скоростью более 4 м/с, что технически возможно, но экономически нецелесообразно. Образовавшийся вакуум является причиной затрудненного отворота стопорных штырей при проведении подготовительных работ перед пуском разделительной пробки, до такой степени, что приходиться открывать кран на цементировочной головке для компенсации давления. Так как столб цементного раствора в рассматриваемом случае перемещается при максимальных критических скоростях, то образующаяся воздушная пробка займет значительный первоначальный объем. Этот объем не уменьшится до тех пор, пока столб цементного раствора не переместится в заколонное пространство и не уравновесит давление в обсадной колонне. Конечный объем воздушной пробки будет зависеть от давления, образующегося в колонне в момент посадки разделительной пробки в опорное кольцо (кольцо-«стоп») после вытеснения всего столба цементного раствора в заколонное пространство.In addition, at the upper boundary of the interface between the cement and drilling mud, an air “plug” with a pressure below atmospheric is formed under the separating plug. Calculations show that in order to catch up with the escaping column of cement mortar, it is necessary to pump it at a speed of more than 4 m/s, which is technically possible, but not economically feasible. The resulting vacuum causes the locking pins to be difficult to retract during the preparatory work before starting the separating plug, to the extent that the cock on the cementing head has to be opened to compensate for the pressure. Since the column of cement slurry in this case moves at maximum critical speeds, the resulting air lock will occupy a significant initial volume. This volume will not decrease until the slurry column moves into the annulus and equalizes the pressure in the casing string. The final volume of the air plug will depend on the pressure formed in the string at the moment the separation plug is seated in the support ring (stop ring) after the entire column of cement slurry has been forced into the annulus.

Расчеты и практика показывают, что воздушная пробка даже в конечном сжатом состоянии может занимать существенный объем, что усложнит при цементировании неглубоких скважин, а также скважин, где существует опасность поглощения цементного раствора, определение момента «стоп» и может привести к оголению башмака колонны.Calculations and practice show that the air plug, even in the final compressed state, can occupy a significant volume, which will complicate when cementing shallow wells, as well as wells where there is a danger of cement slurry absorption, determining the “stop” moment and can lead to exposure of the column shoe.

В предлагаемом способе цементирования обсадной колонны скважины путем контроля и регулирования противодавления в заколонном пространстве на устье скважины на протяжении всего процесса обеспечивается необходимая постоянная скорость движения цементного и бурового растворов, то есть установившийся режим. Буровой раствор, как правило, используют в качестве продавочной жидкости.In the proposed method of well casing cementing, by controlling and adjusting the back pressure in the annular space at the wellhead, the necessary constant speed of movement of cement and drilling fluids, that is, a steady state, is ensured throughout the entire process. The drilling fluid is generally used as the displacement fluid.

Под установившимся движением в гидродинамике понимается движение, при котором скорость и давление в каждой данной точке пространства, заполненного движущейся жидкостью, остаются все время постоянными (но могут меняться при переходе от одной точки пространства к другой), то есть движение, постоянное во времени, изменяющееся в пространстве, при котором скорость и давление зависят только от координат движущейся жидкой частицы, т.е. от ее положения в пространстве, и не зависят от времени. Таким образом, при установившемся движенииIn hydrodynamics, steady motion is understood as motion in which the speed and pressure at each given point in space filled with a moving fluid remain constant all the time (but can change when moving from one point in space to another), that is, motion that is constant in time, changing in a space in which the velocity and pressure depend only on the coordinates of the moving fluid particle, i.e. from its position in space, and do not depend on time. Thus, with steady motion

υ = f1 (х, у, z)υ \u003d f 1 (x, y, z)

р = f2 (х, у, z)p \u003d f 2 (x, y, z)

Другими словами, при установившемся режиме из скважины выходит ровно столько жидкости, сколько в нее закачали. При этом обеспечивается сплошность потока цементного раствора, отсутствует инерционная составляющая, поскольку равномерное движение происходит без ускорения, гидродинамика минимальна, что сохранит неустойчивые пласты, исключит поглощение и другие осложнения.In other words, in the steady state, exactly as much fluid comes out of the well as was pumped into it. At the same time, the continuity of the flow of cement slurry is ensured, there is no inertial component, since uniform movement occurs without acceleration, hydrodynamics is minimal, which will preserve unstable formations, eliminate absorption and other complications.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показана схема обвязки устья скважины.In FIG. 1 shows a wellhead piping scheme.

На фиг. 2. показана зависимость разности давления нагнетания и противодавления на устье скважины от объема цементного раствора или продавочной жидкости, закачиваемых в колонну.In FIG. 2. shows the dependence of the difference in injection pressure and back pressure at the wellhead on the volume of cement slurry or displacement fluid pumped into the string.

На чертеже элементы обозначены следующими позициями: цементировочная головка 1, превентор универсальный (ПУГ) 2, блок задвижек 3, дроссель 4, мерная емкость 5 цементировочного агрегата, обсадная колонна 6, буровой раствор 7, цементный раствор 8, заколонное пространство 9.In the drawing, the elements are indicated by the following positions: cementing head 1, universal preventer (PUG) 2, valve block 3, throttle 4, measuring tank 5 of the cementing unit, casing 6, drilling fluid 7, cement mortar 8, annulus 9.

Способ цементирования скважин в неустойчивых породах в установившемся режиме осуществляют следующим образом.The method of cementing wells in unstable rocks in steady state is carried out as follows.

В соответствии с предложенным способом в скважине, например, газовой или скважине подземного хранилища газа (ПХГ) цементирование обсадных колонн 6 осуществляют с герметизированным устьем. Герметизацию устья осуществляют превентором универсальным (ПУГ) 2. Перед затворением цемента закрывают универсальный превентор (ПУГ) 2, открывают дроссель 4 в блоке задвижек 3 на рабочей выкидной линии. К блоку задвижек 3 подсоединяют мерную емкость 5 цементировочного агрегата, предназначенную для контроля объема выходящего из скважины бурового раствора 7. Блок задвижек 3 входит в стандартное противовыбросовое оборудование и предназначен для контроля давления и регулирования, в том числе по направлению потока жидкости, выходящей из заколонного пространства на поверхность.In accordance with the proposed method in a well, for example, a gas well or an underground gas storage (UGS) well, casing strings 6 are cemented with a sealed mouth. The sealing of the mouth is carried out with a universal preventer (PUG) 2. Before mixing the cement, the universal preventer (PUG) 2 is closed, the throttle 4 is opened in the valve block 3 on the working flow line. A measuring tank 5 of the cementing unit is connected to the block of valves 3, designed to control the volume of drilling mud 7 coming out of the well. to the surface.

При отсутствии станции контроля цементирования (СКЦ) контроль объема бурового раствора 7, выходящего из заколонного пространства 9 скважины, позволяет получить информацию об объеме закаченного цементного раствора 8, то есть о местоположении нижней его границы в обсадной колонне 6 на текущий момент. Остальную тампонажную технику обвязывают с цементировочной головкой 1 и устанавливают стандартным образом.In the absence of a cementing control station (CCS), monitoring the volume of drilling mud 7 leaving the annulus 9 of the well allows obtaining information about the volume of the injected cement slurry 8, that is, the location of its lower boundary in the casing string 6 at the current moment. The rest of the grouting technique is tied with the cementing head 1 and installed in a standard way.

Необходимое противодавление создают в заколонном пространстве 9 на устье скважины с помощью дросселя 4. В процессе цементирования плавным регулированием степени открытия дросселя 4 на блоке задвижек 3 создают необходимое противодавление в заколонном пространстве 9 в соответствии с расчетом.The necessary backpressure is created in the annular space 9 at the wellhead using a throttle 4. In the process of cementing, the necessary backpressure is created in the annulus 9 in accordance with the calculation by smoothly adjusting the degree of opening of the throttle 4 on the valve block 3.

Сразу после прекращения закачивания расчетного объема цементного раствора 8 дроссель 4 закрывают. Устье скважины полностью герметизируют на время подготовительных работ перед пуском разделительной пробки.Immediately after the cessation of pumping the estimated volume of cement slurry 8, the throttle 4 is closed. The wellhead is completely sealed for the period of preparatory work before starting the separating plug.

Контроль давления нагнетания и давления в заколонном пространстве 9 (на устье скважины) осуществляется в течение всего процесса цементирования. Давление в заколонном пространстве 9 на устье скважины регулируют с момента начала закачки цементного раствора и контролируют при его движении по всей длине обсадной колонны 6. В связи с этим расчет выполняется для каждого положения столба цементного раствора 8 в обсадной колонне 6, то есть расстояния от его верхней границы до устья скважины с интервалом 10 метров. Каждому вычисленному значению соответствует определенный объем цементного раствора 8 (при затворении цемента) или продавочной жидкости (в процессе продавки).The injection pressure and the pressure in the annulus 9 (at the wellhead) are monitored throughout the cementing process. The pressure in the annulus 9 at the wellhead is regulated from the moment the cement slurry is pumped and is controlled as it moves along the entire length of the casing 6. In this regard, the calculation is performed for each position of the cement slurry column 8 in the casing 6, that is, the distance from it the upper boundary to the wellhead with an interval of 10 meters. Each calculated value corresponds to a certain volume of cement slurry 8 (when cement is mixed) or displacement fluid (during displacement).

Регулирование величины противодавления в заколонном пространстве 9 скважины осуществляется следующим образом.The backpressure in the annular space 9 of the well is controlled as follows.

С момента начала закачки цементного раствора в колонну оператор цементировочного агрегата фиксирует объем поступившего бурового раствора 7 в мерную емкость 5 (например, мерник ЦА-320М), обвязанную с блоком задвижек 3. Поскольку режим движения - установившийся, то количество выходящего из скважины бурового раствора 7 совпадает с количеством закачанного в колонну цементного раствора 8. Информация о количестве выходящего бурового раствора от оператора цементировочного агрегата поступает к технологу, который находится у блока задвижек 3 с установленным на нем манометром. У технолога имеется расчет, выполненный на персональном компьютере. Данный расчет служит приложением к стандартному плану работ.From the moment the cement slurry is pumped into the string, the operator of the cementing unit records the volume of the incoming drilling fluid 7 into a measuring tank 5 (for example, a measuring tank TsA-320M), tied with a block of valves 3. Since the motion mode is steady, the amount of drilling fluid leaving the well 7 coincides with the amount of cement slurry pumped into the string 8. Information about the amount of outgoing drilling fluid from the operator of the cementing unit goes to the technologist, who is located at the valve block 3 with a pressure gauge installed on it. The technologist has a calculation made on a personal computer. This calculation serves as an annex to the standard work plan.

При получении информации о падении давлении до нуля на манометре, который установлен на цементировочной головке 1, то есть давление нагнетания уменьшилось до атмосферного, начинают осуществлять закачку цементного раствора 8 в объеме q', при этом путем регулирования закачки цементного раствора с помощью дросселя 4 создают противодавление в заколонном пространстве. По мере увеличения объема цементного раствора с помощью дросселя 4 увеличивается величина противодавления, которая достигает своего максимума Р у max после закачки всего объема цементного раствора q4 в обсадную колонну. В этот момент пускают цементировочную пробку. На время подготовительных работ к пуску пробки, устье скважины полностью герметизируется (движение бурового раствора по заколонному пространству 9 скважины не происходит).Upon receipt of information about the pressure drop to zero on the pressure gauge, which is installed on the cementing head 1, that is, the discharge pressure has decreased to atmospheric pressure, the cement slurry 8 is pumped in the volume q', while by controlling the injection of the cement slurry with the help of the throttle 4, a back pressure is created in the enclosed space. As the volume of the cement slurry increases with the help of the throttle 4, the value of the backpressure increases, which reaches its maximum P y max after the entire volume of the cement slurry q 4 is pumped into the casing. At this point, the cement plug is started. At the time of preparatory work for the launch of the plug, the wellhead is completely sealed (drilling fluid does not move along the annulus 9 of the well).

В момент пуска цементировочной пробки с помощью дросселя 4 устанавливается давление Ру max, которое поддерживается постоянным до момента достижения цементным раствором башмака колонны.At the moment of starting the cementing plug with the help of the throttle 4, the pressure P y max is set, which is maintained constant until the cement slurry reaches the column shoe.

Выход цементного раствора в заколонное пространство сопровождается уменьшением противодавления, которое после закачки в скважину объема q11 цементного раствора и продавочной жидкости становится равным нулю, то есть регулировочная задвижка и ПУГ полностью открываются. Далее процесс цементирования осуществляется по стандартной технологии.The release of the cement slurry into the annular space is accompanied by a decrease in back pressure, which, after the volume q 11 of the cement slurry and the displacement fluid are pumped into the well, becomes equal to zero, that is, the control valve and the PUG are fully opened. Further, the cementing process is carried out according to standard technology.

Зависимость разности давления нагнетания Рн и давления в заколонном пространстве Ру (противодавление) от объема жидкости, закачанной в колонну q с регулируемым на устье противодавлением приведены на фиг. 2.The dependence of the difference in injection pressure P n and pressure in the annular space P y (back pressure) on the volume of liquid pumped into the column q with adjustable back pressure at the mouth is shown in Fig. 2.

На Фиг. 2 приняты следующие обозначения:On FIG. 2, the following designations are adopted:

Р0 - давление в начале закачки цементного раствора;Р 0 - pressure at the beginning of cement slurry injection;

Рк - давление в конце продавки продавочной жидкостью цементного раствора;P k - pressure at the end of the displacement of the cement mortar by the displacement fluid;

Ру max - максимальное противодавление на устье в заколонном пространстве, равное давлению в конце продавки;P y max - maximum back pressure at the mouth in the annular space, equal to the pressure at the end of the displacement;

уo - высота столба закачиваемого цементного раствора объемом q1, при которой давление нагнетания становится равным нулю, после чего создается регулируемое противодавление в заколонном пространстве; у0 1 - соответствует объему продавочной жидкости q11, после закачки которого необходимо полностью открыть задвижку на заколонном пространстве;y o - the height of the injected cement slurry with a volume q 1 at which the discharge pressure becomes equal to zero, after which an adjustable back pressure is created in the annular space; y 0 1 - corresponds to the volume of displacement fluid q 11 , after pumping which it is necessary to fully open the valve in the annulus;

q11 - общий объем цементного раствора и продавочной жидкости, после закачки которого давление в обсадной колоне и за обсадной колонной выравнивается;q 11 is the total volume of cement slurry and displacement fluid, after which the pressure in the casing string and behind the casing string is equalized;

ho - высота столба цементного раствора после закачки расчетного объема qц цементного раствора;

Figure 00000006
- соответствует объему продавочной жидкости qпp, после закачки которого цементный раствор достигает башмака колонны;h o - the height of the cement slurry column after pumping the estimated volume q c of the cement slurry;
Figure 00000006
- corresponds to the volume of the squeezing liquid q pr , after which the cement slurry reaches the column shoe;

q0 - суммарный объем продавочной жидкости и цементного раствора, используемых при цементировании, (q0=qпp+qц).q 0 - the total volume of the displacement fluid and cement slurry used in cementing, (q 0 =q pp +q c ).

Расчет необходимой величины противодавления производится по формулам:The calculation of the required backpressure value is carried out according to the formulas:

для

Figure 00000007
for
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

при

Figure 00000009
at
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

гдеwhere

Figure 00000011
- глубина спуска обсадной колонны и расстояние от устья скважины до движущейся нижней границы раздела между цементным и буровым растворами в обсадной колонне, соответственно;
Figure 00000011
- the depth of the casing string and the distance from the wellhead to the moving lower interface between the cement and drilling fluids in the casing string, respectively;

h0 - высота столба цементного раствора в обсадной колонне в момент окончания закачки, соответствующая объему, необходимому для цементирования обсадной колонны;h 0 is the height of the cement slurry column in the casing at the moment of completion of injection, corresponding to the volume required for cementing the casing;

Рн и Ру - давление нагнетания и противодавление на устье скважины, соответственно;P n and P y - injection pressure and back pressure at the wellhead, respectively;

ρн и ρр - плотности цементного и бурового растворов, соответственно;ρ n and ρ p - density of cement and drilling fluids, respectively;

λцт, λрт и λрк, λцк - коэффициенты гидравлических сопротивлений при движении цементного раствора и бурового раствора в обсадной колонне, и бурового раствора и цементного раствора в кольцевом заколонном пространстве, соответственно; λct , λ rt and λ rk , λ ck - coefficients of hydraulic resistance during the movement of cement slurry and drilling fluid in the casing, and drilling fluid and cement slurry in the annulus, respectively;

v - скорость движения потока жидкости (цементного или бурового раствора, используемого в качестве продавочной жидкости) в обсадной колонне;v is the speed of the fluid flow (cement or drilling fluid used as a displacement fluid) in the casing string;

dc, dн и db - диаметры: скважины, наружный и внутренний обсадной колонны, соответственно;d c , d n and d b - diameters: wells, outer and inner casing, respectively;

g - ускорение свободного падения.g is the free fall acceleration.

Пример осуществления способа.An example of the implementation of the method.

Эксплуатационная обсадная колонна была спущена на глубину ИЗО метров в ствол скважины диаметром 215,9 мм. Предыдущая колонна диаметром 245 мм была спущена на глубину 950 метров. Бурение осуществлялось с промывкой буровым раствором плотностью 1200 кг/м3, условной вязкостью 35-40 секунд, водоотдачей 8 см3/ за 30 мин., корка 1 мм. В соответствии с проектом и планом работ на крепление планировалось затворить и закачать 15 тонн цемента с его подъемом до 500 м от устья.The production casing was run to a depth of ISO meters in a wellbore with a diameter of 215.9 mm. The previous column with a diameter of 245 mm was lowered to a depth of 950 meters. Drilling was carried out with flushing with a drilling fluid with a density of 1200 kg/m 3 , conditional viscosity 35-40 seconds, water loss 8 cm 3 / 30 min., crust 1 mm. In accordance with the project and the work plan, it was planned to shut and pump 15 tons of cement for fastening with its rise up to 500 m from the mouth.

В качестве дополнения к стандартному плану работ было рассчитано необходимое противодавление в зависимости от глубины нахождения нижней границы цементного раствора, объем которого контролировался с помощью мерной емкости цементировочного агрегата (мерника). Цементирование осуществлялось с устьем скважины, герметизированным с помощью универсального превентора. Превентор был закрыт перед началом работ, дроссель открыт полностью, так как в начале цементирования в соответствии с расчетом противодавление не создается. Приступили к затворению цемента и закачиванию его в обсадную колонну. Давление нагнетания постепенно стало снижаться, а после закачивания 1,25 м3 цементного раствора, что было отмечено в мерной емкости цементировочного агрегата, упало до нуля. С этого момента в заколонном пространстве скважины с помощью дросселя начали поддерживать расчетное противодавление в зависимости от количества закачанного цементного раствора. В диапазоне давлений 0-3,0 МПа давление на дросселе через каждый 1 м3 в среднем повышали на 0,4 МПа. После закачивания планового объема цементного раствора 9,6 м3, дроссель закрыли полностью, движение цементного раствора в обсадной колонне прекратилось. Давление на дросселе составило 3,0 МПа, что соответствовало расчетному. После отворота стопорных винтов цементировочной головки, которые отвернулись без усилий, так как в обсадной колонне вакуума не было, пустили разделительную цементировочную пробку с одновременным открытием дросселя и стравливанием давления до 2,8 МПа.As an addition to the standard work plan, the required backpressure was calculated depending on the depth of the lower boundary of the cement slurry, the volume of which was controlled using a measuring tank of the cementing unit (mernik). Cementing was carried out with the wellhead sealed with a universal preventer. The preventer was closed before the start of work, the throttle is fully open, since at the beginning of cementing, in accordance with the calculation, no back pressure is created. We started mixing cement and pumping it into the casing string. The discharge pressure gradually began to decrease, and after pumping 1.25 m 3 of cement slurry, which was noted in the measuring tank of the cementing unit, dropped to zero. From that moment in the annular space of the well, using a throttle, they began to maintain the calculated back pressure, depending on the amount of injected cement slurry. In the pressure range of 0-3.0 MPa, the pressure at the throttle increased by 0.4 MPa on average every 1 m 3 . After pumping the planned volume of cement slurry 9.6 m 3 , the throttle was closed completely, the movement of the cement slurry in the casing stopped. The pressure on the throttle was 3.0 MPa, which corresponded to the calculated one. After turning off the locking screws of the cementing head, which turned away without effort, since there was no vacuum in the casing string, a separating cementing plug was launched with simultaneous opening of the throttle and releasing pressure to 2.8 MPa.

Далее, при постоянном противодавлении закачали 10 м3 продавочной жидкости, что соответствовало достижению нижней границей цементного раствора башмака колонны. Когда цементный раствор начал перемещаться в заколонное пространство, приступили к снижению давления на дросселе. После закачивания еще 2,5 м3 продавочной жидкости, в качестве которой использовали буровой раствор, начался рост давления нагнетания, открыли превентор. Дальнейшее цементирование осуществлялось с ростом давления нагнетания, как и по стандартной технологии. В процессе продавки гидроударов, которые соответствуют обычно моменту достижения буровым раствором верхней границы цеметного раствора, не было. После окончания продавки на определение момента «стоп» было затрачено сверх расчетного объема продавочной жидкости 150 литров бурового раствора, в то время как по стандартной технологии перекачивается до 1,5 м3 продавочной жидкости. При определении качества цементирования методом акустической цементометрии (АКЦ) было отмечено наличие 79% сплошного цементного камня, сплошного + частичного - 10%, в то время как в базовых скважинах сплошного и частичного цементного камня фиксируется не более 40%.Further, 10 m 3 of squeezing fluid was pumped at a constant back pressure, which corresponded to the achievement of the lower boundary of the cement slurry of the column shoe. When the cement slurry began to move into the annulus, we started to reduce the pressure on the throttle. After pumping another 2.5 m 3 of the displacement fluid, which was used as a drilling fluid, the injection pressure began to increase, and the preventer was opened. Further cementing was carried out with an increase in injection pressure, as in standard technology. In the process of squeezing, there were no water hammers, which usually correspond to the moment when the drilling fluid reaches the upper boundary of the cement mortar. After squeezing was completed, 150 liters of drilling fluid were used in excess of the estimated volume of squeezing fluid to determine the “stop” moment, while up to 1.5 m 3 of squeezing fluid is pumped according to standard technology. When determining the quality of cementing by acoustic cement logging (ACC), the presence of 79% of solid cement stone, solid + partial - 10% was noted, while in the base wells of solid and partial cement stone, no more than 40% is recorded.

Заявленный способ цементирования обсадной колонны скважины обеспечивает в неустойчивых породах в установившемся режиме повышение качества цементирования и повышение его эффективности за счет сокращения затрат на строительство скважины путем предупреждения возникновения осложнений и затрат на их ликвидацию.The claimed method of cementing the casing string of a well provides, in unstable rocks in steady state, an increase in the quality of cementing and an increase in its efficiency by reducing the cost of well construction by preventing the occurrence of complications and the cost of their elimination.

Claims (14)

Способ цементирования обсадной колонны скважины в установившемся режиме, включающий герметизацию кольцевого заколонного пространства превентором, соединение выкидной линии кольцевого заколонного пространства через дроссель с мерной емкостью, предназначенной для контроля объема выходящего из скважины бурового раствора, закачку цементного раствора в обсадную колонну, контроль давления в мерной емкости в течение упомянутой закачки цементного раствора, причем при падении давления в мерной емкости до нуля, создают с помощью дросселя в кольцевом заколонном пространстве противодавление, обеспечивающее движение цементного и бурового растворов с постоянной скоростью в установившемся режиме, при этом расчет величины упомянутого противодавления, обеспечивающего движение цементного и бурового растворов с постоянной скоростью в установившемся режиме в кольцевом заколонном пространстве осуществляют по формуле:A method for cementing a well casing in a steady state, including sealing the annular annular space with a preventer, connecting the flow line of the annular annular space through a throttle with a measuring tank designed to control the volume of drilling fluid leaving the well, pumping cement slurry into the casing string, controlling the pressure in the measuring tank during the said injection of cement slurry, and when the pressure in the measuring tank drops to zero, backpressure is created using a throttle in the annular annular space, which ensures the movement of cement and drilling slurries at a constant speed in the steady state, while calculating the value of the said backpressure, which ensures the movement of cement and drilling fluids at a constant speed in steady state in the annular annular space is carried out according to the formula: для
Figure 00000012
for
Figure 00000012
Figure 00000013
Figure 00000013
для
Figure 00000014
for
Figure 00000014
Figure 00000015
Figure 00000015
гдеwhere
Figure 00000016
и у - глубина спуска обсадной колонны и расстояние от устья скважины до движущейся нижней границы раздела между цементным и буровым растворами в обсадной колонне, соответственно;
Figure 00000016
and y are the depth of the casing string and the distance from the wellhead to the moving lower interface between the cement and drilling fluids in the casing string, respectively;
h0 - высота столба цементного раствора в обсадной колонне в момент окончания закачки, соответствующая объему, необходимому для цементирования обсадной колонны;h 0 is the height of the cement slurry column in the casing at the moment of completion of injection, corresponding to the volume required for cementing the casing; Рн и Ру - давление нагнетания и противодавление на устье скважины, соответственно;P n and P y - injection pressure and back pressure at the wellhead, respectively; ρц и ρр - плотности цементного и бурового растворов, соответственно;ρ c and ρ p - density of cement and drilling fluids, respectively; λцт, λрт и λрк, λцк - коэффициенты гидравлических сопротивлений при движении цементного раствора и бурового раствора в обсадной колонне и бурового раствора и цементного раствора в кольцевом заколонном пространстве, соответственно;λ ct , λ rt and λ rk , λ ck - coefficients of hydraulic resistance during the movement of cement slurry and drilling fluid in the casing string and drilling fluid and cement slurry in the annulus, respectively; v - скорость движения цементного или бурового раствора в обсадной колонне;v - the speed of movement of cement or drilling fluid in the casing; dc, dн и db - диаметры: скважины, наружный и внутренний обсадной колонны, соответственно;d c , d n and d b - diameters: wells, outer and inner casing, respectively; g - ускорение свободного падения.g is the free fall acceleration.
RU2021118156A 2021-06-21 Method for cementing the casing string of a borehole RU2778361C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2778361C1 true RU2778361C1 (en) 2022-08-17

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1659631A1 (en) * 1989-05-04 1991-06-30 Г. П. Зубов, И. Ф. Попов и М. Ф.Ситников Method of well cementing
RU2086752C1 (en) * 1995-02-15 1997-08-10 Александр Павлович Пермяков Method for back-cementation of casing string in well
RU2199649C2 (en) * 2000-02-08 2003-02-27 Общество с ограниченной ответственностью "Кубаньгазпром" Process of casing string cementing
RU2223386C2 (en) * 2002-04-15 2004-02-10 Закрытое акционерное общество "Октопус" Sealing of pipe and string clearance
US6957702B2 (en) * 2003-04-16 2005-10-25 Halliburton Energy Services, Inc. Cement compositions with improved mechanical properties and methods of cementing in a subterranean formation
RU2342517C2 (en) * 2006-12-20 2008-12-27 Открытое акционерное общество "Северо-Кавказский научно-исследовательский проектный институт природных газов" Открытого акционерного общества "Газпром" (ОАО "СевКавНИПИгаз" ОАО "Газпром") Method of cementing casing pipe of gas well under conditions of permafrost rocks

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1659631A1 (en) * 1989-05-04 1991-06-30 Г. П. Зубов, И. Ф. Попов и М. Ф.Ситников Method of well cementing
RU2086752C1 (en) * 1995-02-15 1997-08-10 Александр Павлович Пермяков Method for back-cementation of casing string in well
RU2199649C2 (en) * 2000-02-08 2003-02-27 Общество с ограниченной ответственностью "Кубаньгазпром" Process of casing string cementing
RU2223386C2 (en) * 2002-04-15 2004-02-10 Закрытое акционерное общество "Октопус" Sealing of pipe and string clearance
US6957702B2 (en) * 2003-04-16 2005-10-25 Halliburton Energy Services, Inc. Cement compositions with improved mechanical properties and methods of cementing in a subterranean formation
RU2342517C2 (en) * 2006-12-20 2008-12-27 Открытое акционерное общество "Северо-Кавказский научно-исследовательский проектный институт природных газов" Открытого акционерного общества "Газпром" (ОАО "СевКавНИПИгаз" ОАО "Газпром") Method of cementing casing pipe of gas well under conditions of permafrost rocks

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106285554B (en) Wellbore pressure control system and method for the stage of cementing the well
US6367566B1 (en) Down hole, hydrodynamic well control, blowout prevention
US2675082A (en) Method for cementing oil and gas wells
CN108240196B (en) Liner cementing method for controlling annular equivalent density of pressure sensitive stratum
CN108915635B (en) Method for preventing gas channeling after cementing of high-pressure gas well tail pipe
EA010193B1 (en) Variable density drilling mud
EP1218621B1 (en) Method and plugging material for reducing formation fluid migration in wells
US3832857A (en) Pressure grouting
CN111247225A (en) Thixotropic cement slurry and filling method for solidified lost circulation
US5484018A (en) Method for accessing bypassed production zones
RU2778361C1 (en) Method for cementing the casing string of a borehole
EA008134B1 (en) Continuous monobore liquid lining system
US2801077A (en) Recovery of lost circulation in a drilling well
RU2615188C1 (en) Well stage cementing method
CN113622865B (en) Tail pipe pressure control well cementation method under packer setting condition
RU2183724C2 (en) Method of recovery of bottom-hole formation zone of gas well
RU2279522C2 (en) Multibranch well construction method
CN114718502A (en) Abandoned well plugging method
CN108798623B (en) Natural gas dilution gas lift process parameter optimization method
RU2131970C1 (en) Method of well killing
RU2067158C1 (en) Method for reverse cementing of casing in well
RU2330933C1 (en) Method of producing formation insulation during cementation of casing pipe
RU2148698C1 (en) Method for opening of productive gas-bearing bed by drilling
RU2814947C1 (en) Hydrodynamic method for checking reliability of isolation of loss zones, carried out before cementing casing strings
RU2728170C1 (en) Cementing method of well