RU2765934C1 - Method and device for lowering and cementing casing strings - Google Patents

Abstract

FIELD: construction; drilling of soil or rocks.

SUBSTANCE: group of inventions relates to the field of construction and soil drilling, namely to methods and devices intended for lowering and installation of casing strings in wells. Method of lowering and cementing of casing strings includes preparation of well, lowering of casing string into it, removal of drilling mud from annular space and pumping of grouting solution into tubular cavity and its subsequent pushing into annular space of well. At the end of lowering into the well of the casing string, cementing of the casing string is started without disconnection from the lowering tool with a power drive. At the stages of drilling mud removal from annular space, filling of the well shaft with grouting solution with its subsequent forcing into annular space and at the stage of grouting solution setting, the casing string is subjected to reciprocation and rotation.

EFFECT: higher quality of casing cementing and longevity of well casing.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области строительства и бурению грунта, а именно к способам и устройствам, предназначенным для спуска и установки обсадных колонн в скважинах [E21B7/20, E21B7/24, E21B33/14].The invention relates to the field of construction and drilling of soil, and in particular to methods and devices designed for lowering and installing casing strings in wells [E21B7/20, E21B7/24, E21B33/14].

Известно ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ СПУСКА ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ С МУФТОЙ ЗАЖИМА ВЕРХНЕГО ПРИВОДА БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ [CN204040906 (U), опубл.: 24.12.2014], содержащее центральную трубу, снабженную вращающейся уплотнительной соединительной пластиной, подвесным опорным основанием, главным гидроцилиндром и корпусом головки ключа, последовательно сверху вниз, под клещевым корпусом головки расположен элеватор корпуса, на нижнем конце опорного основания смонтировано кольцо, жестко соединенное с нижней торцевой поверхностью корпуса подвесного, нижний конец кольца соединен с подъемником обсадной колонны, а на поверхности подвесного кольца расположен гидроцилиндр наклона подвесного кольца.A DEVICE FOR DRIVING A CASING WITH A CLAMP OF THE TOP DRIVE OF DRILLING EQUIPMENT [CN204040906 (U), publ.: 24.12.2014], containing a central pipe equipped with a rotating sealing connecting plate, a suspended support base, a main hydraulic cylinder and a tong head housing, sequentially from above down, under the tong body of the head, there is a body elevator, at the lower end of the support base there is a ring rigidly connected to the lower end surface of the hanger body, the lower end of the ring is connected to the casing lift, and on the surface of the hanger ring there is a hydraulic cylinder for tilting the hanger ring.

Также известна СИСТЕМА СПУСКА ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ И БУРЕНИЯ [CA2677247 (A1), опубл.: 16.09.2004], содержащая корпус, соединяемый с верхним приводом; одну или несколько планок, соединенных с корпусом, одна или несколько планок могут приводиться в действие для зацепления трубчатого элемента; и первый зацепляющий элемент, расположенный на одной или нескольких накладках, при этом первая зацепляющая деталь имеет первую высоту, проходящую от поверхности одной или нескольких накладок; и второй зацепляющий элемент, расположенный на одной или нескольких накладках, причем второй зацепляющий элемент имеет вторую высоту, проходящую от поверхности.Also known is a CASING AND DRILLING SYSTEM [CA2677247 (A1), publ.: 09/16/2004], comprising a housing connected to a top drive; one or more straps connected to the body, one or more straps can be actuated to engage the tubular element; and the first engaging element located on one or more linings, while the first engaging part has a first height extending from the surface of one or more linings; and a second engaging element disposed on one or more pads, wherein the second engaging element has a second height extending from the surface.

Наиболее близким по технической сущности является СПОСОБ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА [RU 2005111493 (A), опубл.: 27.10.2006], включающий подготовку скважины, спуск в нее обсадной колонны, удаление бурового раствора из затрубного пространства путем замещения его буферной жидкостью с последующим замещением буферной жидкости путем закачки тампонажного раствора в трубную полость и последующего его продавливания в затрубное пространство скважины с герметизацией кольцевого пространства между обсадной колонной и стенками ствола скважины, отличающийся тем, что обсадную колонну подвергают вибрационному воздействию с частотой, равной или кратной резонансной частоте обсадной колонны, на этапах удаления бурового раствора из затрубного пространства и замещения его буферной жидкостью, заполнения ствола скважины тампонажным раствором с последующим его продавливанием в затрубное пространство и на этапе схватывания тампонажного раствора, при этом для ускоренного нарастания прочности и быстрого восстановления структурных связей в тампонажном растворе на последнем этапе уменьшают интенсивность вибрационного воздействия.The closest in technical essence is a METHOD FOR CEMENTING OIL AND GAS WELLS AND A DEVICE FOR IMPLEMENTING THE METHOD [RU 2005111493 (A), publ.: 10/27/2006], including well preparation, lowering a casing string into it, removing drilling fluid from the annulus by replacing its buffer liquid, followed by replacement of the buffer fluid by pumping the cement slurry into the tubing cavity and then forcing it into the annulus of the well with sealing the annular space between the casing string and the walls of the wellbore, characterized in that the casing string is subjected to vibration impact with a frequency equal to or a multiple of the resonant frequency casing string, at the stages of removing the drilling fluid from the annulus and replacing it with a buffer fluid, filling the wellbore with cement slurry with its subsequent pushing into the annulus and at the stage of setting the cement slurry, while for accelerated strong increase in strength and rapid restoration of structural bonds in the cement slurry at the last stage reduce the intensity of the vibration impact.

Основной проблемой аналогов и прототипа является проблема создания надежного контакта между цементной оболочкой, стенкой скважины и обсадных труб для предотвращения образования водящих каналов по стволу скважины. Проблема обусловлена тем, что описанные в аналогах и прототипе технологии спуска обсадных колонн предполагают разрыв во времени между окончанием спуска обсадной колонны и ее цементированием, в результате которого осуществляются периодические промывки скважины.The main problem of analogs and prototype is the problem of creating a reliable contact between the cement sheath, the wall of the well and the casing to prevent the formation of leading channels along the wellbore. The problem is due to the fact that the casing string running technologies described in the analogues and the prototype assume a gap in time between the end of the casing string running and its cementing, as a result of which the well is periodically flushed.

Спуск и цементирование обсадных колонн - один из ключевых этапов строительства скважин, направленный на крепление скважины. Данный этап сопряжен с массой трудностей, возникающих как из-за геологических, так и из-за технологических причин. Характерными являются аварии, связанные с прихватом обсадных колонн, их падением, смятием и разрывом, развинчиванием и срывом резьб. При цементировании также часто возникают аварии, вызванные с преждевременным схватыванием тампонажного раствора в обсадной колонне, неподъемом раствора в затрубном пространстве, низким качеством цементирования.Running and cementing casing strings is one of the key stages of well construction aimed at well casing. This stage is associated with a lot of difficulties arising from both geological and technological reasons. Characteristic are accidents associated with sticking of casing strings, their fall, crushing and rupture, unscrewing and stripping of threads. When cementing, accidents also often occur due to premature setting of the cement slurry in the casing string, non-lifting of the slurry in the annulus, and poor quality of cementing.

Типичной проблемой является присутствие в разрезе скважины глинистых пород - содержащиеся в них минералы набухают под воздействием буровых промывочных жидкостей. Набухание глин ведет к осыпям и обвалам, в результате при спуско-подъемных операциях возникают затяжки и посадки, обсадная колонна не доходит до проектной глубины, останавливается и прихватывается.A typical problem is the presence of clay rocks in the well section - the minerals contained in them swell under the influence of drilling fluids. Swelling of clays leads to screes and collapses, as a result, during tripping operations, drags and landings occur, the casing string does not reach the design depth, stops and sticks.

Прихват часто возникает также из-за плохой организации спуска колонн - в частности, из-за неудовлетворительной промывки, плохой проработки скважины перед спуском без надлежащего учета данных кавернометрии, несоблюдения параметров бурения при прохождении пород с чередующейся твердостью. По факту, это означает, что при бурении в сложных геологических условиях (а к таким сейчас относятся условия бурения до 80% новых скважин) усложняются требования к подготовке спуска обсадных колонн, увеличивается время и сложность операций, растет нагрузка на буровой персонал. В целом это приводит к росту стоимости работ по креплению скважин.Sticking often also occurs due to poor running of strings - in particular, due to poor flushing, poor well development before running without proper consideration of caliper data, non-compliance with drilling parameters when passing rocks with alternating hardness. In fact, this means that when drilling in difficult geological conditions (which now include the drilling conditions of up to 80% of new wells), the requirements for preparing the descent of casing strings become more complicated, the time and complexity of operations increase, and the workload on drilling personnel increases. In general, this leads to an increase in the cost of cementing wells.

Проблемы при цементировании обсадных колонн чреваты в дальнейшем возникновением грифона - прорыв на поверхность газа (флюида), находящегося под избыточным давлением в затрубном пространстве. Такой прорыв связан с появлением в скважине межколонного давления и миграцией флюида через цементный камень. Возникновение грифона означает, что нарушена целостность скважины, что создает массу рисков. В подавляющем большинстве случаев межколонное давление возникает из-за низкого качества цементного камня - то есть плохого цементирования обсадных колонн.Problems during cementing of casing strings are fraught with further occurrence of a griffon - a breakthrough to the surface of a gas (fluid) under excessive pressure in the annulus. Such a breakthrough is associated with the appearance of annular pressure in the well and fluid migration through the cement stone. The appearance of a griffin means that the integrity of the well is broken, which creates a lot of risks. In the vast majority of cases, the annular pressure is due to the poor quality of the cement stone - that is, poor casing cementing.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.The objective of the invention is to eliminate the disadvantages of the prototype.

Технический результат изобретения заключается в повышении качества цементирования обсадных колонн и долговечности крепления скважин.The technical result of the invention is to improve the quality of casing cementing and the durability of well casing.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ спуска и цементирования обсадных колонн, включающий подготовку скважины, спуск в нее обсадной колонны, удаление бурового раствора из затрубного пространства и закачку тампонажного раствора в трубную полость и последующее его продавливание в затрубное пространство скважины, отличающийся тем, что по окончании спуска в скважину обсадной колонны приступают к цементированию обсадной колонны без отсоединения от инструмента спуска с силовым приводом, при этом на этапах удаления бурового раствора из затрубного пространства, заполнения ствола скважины тампонажным раствором с последующим его продавливанием в затрубное пространство и на этапе схватывания тампонажного раствора обсадную колонну подвергают расхаживанию и вращению.The specified technical result is achieved due to the fact that the method of lowering and cementing casing strings, including preparing the well, lowering the casing string into it, removing the drilling fluid from the annulus and pumping the cement slurry into the tubing cavity and then forcing it into the annulus of the well, characterized in that that after running the casing string into the well, cementing the casing string is started without disconnecting from the power-driven running tool, while at the stages of removing the drilling fluid from the annulus, filling the wellbore with cement slurry with its subsequent pushing into the annulus and at the setting stage cement slurry, the casing string is subjected to reciprocation and rotation.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство спуска и цементирования обсадных колонн, содержащее инструмент спуска и обсадную колонну, отличающееся тем, что содержит удлинитель, подсоединенный к инструменту спуска и выполненный для состыковки инструмента спуска с цементировочной головой, цементировочная голова смонтирована к обсадной колонне, при этом цементировочная голова выполнена с возможностью вращения относительно соединенных к ней напорных манифольдов вместе с инструментом спуска, удлинителем и обсадной колонной.The specified technical result is achieved due to the fact that the device for running and cementing casing strings, containing a running tool and a casing string, characterized in that it contains an extension connected to the running tool and made to connect the running tool with the cementing head, the cementing head is mounted to the casing , wherein the cementing head is rotatable relative to the pressure manifolds connected to it together with the running tool, extension and casing string.

В частности, инструмент спуска с удлинителем к силовому приводу буровой установки, цементировочная голова к удлинителю и обсадная колонна к цементировочной голове соединены через переводники.In particular, the running tool with extension to the power drive of the drilling rig, the cementing head to the extension, and the casing to the cementing head are connected through subs.

В частности, переводники выполнены с возможностью защиты инструмента спуска и силового привода от критического момента вращения.In particular, the subs are designed to protect the running tool and power drive from a critical torque.

На фигуре схематично показано устройство одновременного спуска и цементирования обсадных колонн, на которой обозначено: 1 - верхний силовой привод, 2 - переходный переводник, 3 - инструмент спуска, 4 - патрубок-удлинитель, 5 - переходный переводник, 6 - цементировочная голова, 7 - обсадная колонна, 8 - переводник, 9 - клиновой захват, 10 - скважина.The figure schematically shows a device for simultaneous running and cementing casing strings, which indicates: 1 - top power drive, 2 - adapter sub, 3 - running tool, 4 - extension pipe, 5 - adapter sub, 6 - cementing head, 7 - casing string, 8 - sub, 9 - wedge grip, 10 - well.

Осуществление изобретения.Implementation of the invention.

Устройство одновременного спуска и цементирования обсадных колонн содержит инструмент спуска 3, патрубок удлинитель 4, цементировочную голову 6, переходные переводники 2, 5 и переводник 8.The device for simultaneous running and cementing of casing strings contains a running tool 3, an extension pipe 4, a cementing head 6, adapter subs 2, 5 and a sub 8.

Переводники 2, 5 выполнены с возможностью присоединения устройства одновременного спуска и цементирования колонн к силовому приводу 1, применяемого при бурении скважин и соединения элементов устройства между собой и защиты инструмента спуска 3 и силового привода 1 от критического момента вращения.The subs 2, 5 are made with the possibility of connecting the device for simultaneous running and cementing of the strings to the power drive 1 used in well drilling and connecting the elements of the device to each other and protecting the running tool 3 and the power drive 1 from the critical torque.

Инструмент спуска 3 заведен и зафиксирован внутри патрубка-удлинителя 4, выполненного в виде отрезка обсадной колонны.The running tool 3 is wound up and fixed inside the extension pipe 4, made in the form of a section of the casing string.

С нижнего конца патрубка-удлинителя 4 смонтирован резьбовым соединением переходный переводник 5.From the lower end of the branch pipe-extension 4, a transition sub 5 is mounted with a threaded connection.

К переходному переводнику 5 также резьбовым соединением смонтирована цементировочная голова 6.A cementing head 6 is also threaded to the adapter sub 5.

К цементировочной голове 6 снизу с помощью переводника 8 с быстроразъемным соединителем смонтирована обсадная колонна 7.A casing string 7 is mounted to the cementing head 6 from below using a sub 8 with a quick connector.

Обсадная колонна 7 в скважине 10 разгружена на клиновой захват 9.The casing string 7 in the well 10 is unloaded on the wedge grip 9.

Подготовку устройства спуска и цементирования обсадных колонн осуществляют следующим образом.Preparation of the device for running and cementing casing strings is carried out as follows.

Первоначально к верхнему силовому приводу 1 монтируют переходной переводник 2. К упомянутому переводнику 2 осуществляют монтаж инструмента спуска 3 и производят установку бурильных штроп (на фигурах не показаны), соединяющих силовой привод 1 с элеватором обсадной колонны (на фигурах не показан).Initially, an adapter sub 2 is mounted to the upper power drive 1. The running tool 3 is mounted to the mentioned sub 2 and the drilling slings (not shown in the figures) connecting the power drive 1 to the casing string elevator (not shown in the figures) are installed.

Монтируют к муфте обсадной колонны 7 быстроразъемным соединением переводник 8.A sub 8 is mounted to the casing string coupling 7 with a quick-release connection.

Далее, к месту монтажа подают цементировочную голову 6 с предварительно свинченным к ней сверху переходным переводником 5 и патрубком-удлинителем 4. Цементировочную голову 6, патрубок-удлинитель 4 и переходный переводник 5 в сборе берут на элеватор за патрубок-удлинитель 4, поднимают и скорректировав относительно центра скважины 10, соединяют цементировочную голову 6 к переводнику 8.Further, a cementing head 6 is supplied to the installation site with an adapter sub 5 pre-screwed to it from above and an extension pipe 4. relative to the center of the well 10, the cementing head 6 is connected to the sub 8.

Устройство спуска и цементирования обсадных колонн готово к использованию.The casing running and cementing device is ready for use.

Устройство спуска обсадных колонн используют следующим образом:The casing string lowering device is used as follows:

Спускают в скважину 10 обсадную колонну 7 и разгружают ее на клиновой захват 9.The casing string 7 is lowered into the well 10 and unloaded onto the wedge grip 9.

Подключают к входным патрубкам цементировочной головы 6 источник подачи тампонажного раствора (на фигурах не показан) и приводят во вращение верхний силовой привод 1.A cement slurry supply source (not shown in the figures) is connected to the inlet nozzles of the cementing head 6 and the upper power drive 1 is rotated.

Открывают на цементировочной голове 6 подачу тампонажного раствора внутрь обсадной колонны 7. Тампонажный раствор, под давлением вытесняет буровой раствор сначала из объема обсадной колонны 7, а затем из затрубного пространства, при этом в процессе подачи тампонажного раствора благодаря механической связке верхнего силового привода 1 с обсадной колонной 7 через инструмент спуска 3, удлинитель 4 и цементировочную голову 6, вращение верхнего силового привода 1 передают обсадной колонне 7.Open on the cementing head 6 the supply of cement slurry inside the casing string 7. The cement slurry, under pressure, displaces the drilling fluid first from the volume of the casing string 7, and then from the annulus, while in the process of supplying the cement slurry due to the mechanical connection of the upper power drive 1 with the casing column 7 through the running tool 3, extension 4 and cementing head 6, the rotation of the upper power drive 1 is transmitted to the casing string 7.

Технический результат изобретения - повышение качества цементирования обсадных колонн и долговечности крепления скважин достигается за счет качественного заполнения затрубного пространства тампонажным раствором (в том числе при недостаточной центровке обсадной колонны 7), что резко снижает риск возникновения грифона и в последствии перетоков жидкостей в межколонном пространстве. Применение устройства спуска обсадных колонн с цементировочной головкой 6, вращения и расхаживания обсадных колонн 7 в процессе цементирования скважины 10 позволяет поднимать раствор в зону потока, что обеспечивает более качественную замену бурового раствора в скважине 10 тампонажным. Таким образом снижается риск возникновения "мертвых зон" в затрубном пространстве.The technical result of the invention - improving the quality of cementing casing strings and the durability of well casing is achieved due to the high-quality filling of the annulus with cement slurry (including with insufficient centering of the casing string 7), which dramatically reduces the risk of griffin and, subsequently, fluid flows in the annular space. The use of a casing string lowering device with a cementing head 6, rotation and reciprocation of casing strings 7 in the process of well cementing 10 allows raising the solution into the flow zone, which provides a better replacement of the drilling fluid in the well 10 with cement. This reduces the risk of "dead zones" in the annulus.

В то же время устройство спуска позволяет исключить применение различных башмаков (прорабатывающих, подбуривающих, гидравлических), что существенно снижает затраты на крепление скважины в целом - как временные, так и финансовые и риски аварий и проблем при строительстве скважины.At the same time, the descent device makes it possible to exclude the use of various shoes (working, drilling, hydraulic), which significantly reduces the cost of casing the well as a whole - both temporary and financial, and the risks of accidents and problems during well construction.

Описанный способ спуска и цементажа обсадных колонн реализуется на одном оборудовании, без дополнительного подъема и монтажа цементирующей головы, которая сразу крепится при спуске обсадных колонн.The described method of running and cementing casing strings is implemented on the same equipment, without additional lifting and installation of a cementing head, which is immediately attached when running casing strings.

С 2019 года реализовано более 15 проектов с использованием технологии спуска и цементирования обсадных колонн с вращением на глубинах до 3927 м. Работы выполнялись в сложных геологических и климатических условиях Крайнего Севера. Результатами работ явилось сокращение времени, затрачиваемого на заворот-отворот промывочного оборудования при промежуточных промывках. При использовании технологии одновременного спуска и цементажа график работ выдерживался четко и с гарантированно качественным результатом, при снижении затрат на крепление скважин.Since 2019, more than 15 projects have been implemented using the technology of running and cementing casing strings with rotation at depths up to 3927 m. The work was carried out in difficult geological and climatic conditions of the Far North. The results of the work was a reduction in the time spent on the turn-around of the flushing equipment during intermediate flushes. When using the technology of simultaneous descent and cementing, the work schedule was kept clearly and with a guaranteed high-quality result, while reducing the cost of well casing.

Применение способа спуска и цементирования обсадных колонн позволило исключить проработку ствола и шаблонирование и обеспечило прохождение обсадных колонн даже в сложных геологических условиях через пласты с чередующейся твердостью, в том числе содержащих глинистые породы.The use of the method of running and cementing casing strings made it possible to eliminate the development of the wellbore and sweeping and ensured the passage of casing strings even in difficult geological conditions through formations with alternating hardness, including those containing clayey rocks.

Claims (4)

1. Способ спуска и цементирования обсадных колонн, включающий подготовку скважины, спуск в нее обсадной колонны, удаление бурового раствора из затрубного пространства и закачку тампонажного раствора в трубную полость и последующее его продавливание в затрубное пространство скважины, отличающийся тем, что по окончании спуска в скважину обсадной колонны приступают к цементированию обсадной колонны без отсоединения от инструмента спуска с силовым приводом, при этом на этапах удаления бурового раствора из затрубного пространства, заполнения ствола скважины тампонажным раствором с последующим его продавливанием в затрубное пространство и на этапе схватывания тампонажного раствора обсадную колонну подвергают расхаживанию и вращению.1. The method of running and cementing casing strings, including preparing the well, lowering the casing string into it, removing the drilling fluid from the annulus and pumping the cement slurry into the tubing cavity and then forcing it into the annulus of the well, characterized in that upon completion of running into the well of the casing string, they start cementing the casing string without disconnecting from the power-driven running tool, while at the stages of removing the drilling fluid from the annulus, filling the wellbore with cement slurry with its subsequent pushing into the annulus and at the stage of setting the cement slurry, the casing string is subjected to reciprocation and rotation. 2. Устройство спуска и цементирования обсадных колонн, содержащее инструмент спуска и обсадную колонну, отличающееся тем, что содержит удлинитель, подсоединенный к инструменту спуска и выполненный для состыковки инструмента спуска с цементировочной головой, цементировочная голова смонтирована к обсадной колонне, при этом цементировочная голова выполнена с возможностью вращения относительно соединенных к ней напорных манифольдов вместе с инструментом спуска, удлинителем и обсадной колонной.2. A device for running and cementing casing strings, containing a running tool and a casing string, characterized in that it contains an extension connected to the running tool and made to connect the running tool with the cementing head, the cementing head is mounted to the casing string, while the cementing head is made with the possibility of rotation relative to the pressure manifolds connected to it, together with the running tool, extension and casing. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что инструмент спуска с удлинителем к силовому приводу буровой установки, цементировочная голова к удлинителю и обсадная колонна к цементировочной голове соединены через переводники.3. The device according to claim 2, characterized in that the running tool with an extension to the power drive of the drilling rig, the cementing head to the extension and the casing to the cementing head are connected through subs. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что переводники выполнены с возможностью защиты инструмента спуска и силового привода от критического момента вращения.4. The device according to claim 3, characterized in that the subs are designed to protect the running tool and the power drive from a critical torque.

Images