Методы повышения надежности изоляции разобщаемых зон в наклонно-направленных скважинах

Актуальность темы

.

Обвальное сокращение добычи нефти, особенно в регионах Среднего Приобья — это реальность, с которой надо считаться в настоящее время. Длительный и чисто коммерческий период разработок данных месторождений закончился. Сегодня целесообразно внедрение новых технологий и новой техники особенно для Самотлорского месторождения, где обводненность эксплуатационных скважин составляет более 90%.

Важность этой задачи особенно актуальна при решении вопросов, связанных с обеспечением надежной изоляции разобщаемых зон с наименьшими затратами средств при проведении ремонтно-изоляционных работ в период заканчивания и эксплуатации наклонных скважин на сложно построенных месторождениях Среднего Приобья, а также при проведении подземных работ (освоение нагнетательных скважин под закачку воды, обработка призабойной зоны и т. д.).

Проведенный анализ динамики ремонтно-изоляционных работ в скважинах указанного региона показал объективную закономерность увеличения числа ремонтно-изоляционных работ в связи с общим увеличением фонда наклонных эксплуатационных и нагнетательных скважин, старением этого фонда, отсутствием в отрасли надежных пакерующих устройств, обеспечивающих изоляцию разобщаемых зон в обсадных колоннах при эксплуатации этих скважин, отсутствие надежных внутриколонных отсекающих устройств, обеспечивающих отсечение пластового флюида при проведении устьевых и внутрискважинных работ без глушения скважин, т.к. глушение скважин приводит к длительному выводу скважины из эксплуатации, а также снижению начальных дебитов скважины, а также отсутствие внутриколонных отсекающих устройств с возможностью обеспечения свободного внутреннего проходного канала для проведения ремонтных работ в зоне продуктивного пласта и обеспечения пропуска геофизических приборов. Применение съемной пакер-пробки позволяет избежать установки цементных мостов, повысить надежность ремонтных работ в скважине в период замены устьевого противовыбросового оборудования (ПВО) на устье. Цель работы.

В настоящее время на месторождениях Среднего Приобья применяют внутриколонные пакерующие устройства типа: ПВМ, ПВ-ЯГМ (Б-76), ПРК, 1Щ-ЯГ, ПРО-ЯМОЗ, ПРО-ЯДЖ-О, ПРО-ЯДЖ, П-ЯДЖ, П-ЯМГ, ГТ-ЯМО, а также внутриколонные отсекающие устройства ИРТ.500.102 и др. Основные недостатки всех вышеуказанных внутриколонных устройств, проанализированные в результате их использования в наклонных глубоких скважинах на месторождениях Среднего Приобья, заключаются в следующем:

— успешность спуска составляет не более 80%;

— успешность установки изолирующих, отсекающих устройств составляет не более 75%;

— после 2−3 лет эксплуатации скважины, в который установлены изолирующие, отсекающие устройства, съем и извлечение последних из скважины сопряжено со значительными осложнениями в виде прихвата колонны насосно-компрессорных труб;

— отсутствие съемных, извлекаемых пакер-пробок;

— необходимость разбуривания пакер-пробок после проведения технологических операций;

— низкая надежность работы внутриколонных отсекающих устройств;

— невозможность обеспечения свободного внутреннего проходного канала отсекающего устройства, для прохода колонны лифтовых труб при проведении различного рода ремонтных работ, а также допуска геофизических приборов;

На основании теоретических и экспериментальных исследований перед нами стояла задача провести научно-исследовательскую работу и разработать: гидравлические изолирующие, отсекающие устройства, предназначенные для надежной изоляции и разобщения пластов при проведении различных подземных и ремонтно-изоляционных работ в период заканчивания и эксплуатации нагнетательных и эксплуатационных скважин, а также внутриколонные отсекающие устройства для проведения ремонтных работ без глушения скважин.

Основные задачи исследования.

Для достижения поставленной цели необходимо было решать следующие задачи:

— провести анализ состояния работы нагнетательного фонда скважин на месторождениях Среднего Приобья;

— обобщить отечественный и зарубежный опыт по созданию внутри-колонных изолирующих, отсекающих устройств;

— теоретически и экспериментально исследовать возможности повышения работоспособности внутриколонных изолирующих, отсекающих устройств типа ПНЭ, ППСМ, ВИКО с учетом влияния физико-механических параметров скважины, колонны насосно-компрессорных труб и технологических условий эксплуатации скважины;

— предложить защищенные патентами, рациональные конструкции внутриколонных изолирующих, отсекающих устройств и технологии их применения на месторождениях Среднего Приобья;

— разработать научно-техническую конструкторскую документацию, провести стендовые, промысловые приемочные испытания и внедрить на промыслах внутриколонные устройства типа ПНЭ, ППСМ, ВИКО,.

Методы решения поставленных задач.

Поставленные задачи решались нами на основании изучения теоретического материала, научно-исследовательских работ по разработке изолирующих, отсекающих устройств, а также стендовых экспериментальных работ. На основании выше указанного были проведены:

— теоретические исследования по определению напряженно-деформированного состояния системы «насосно-компрессорные трубы — пакер» в условиях воздействия множества факторов, возникающих в скважине и влияющих на работоспособность и функционирование системы в глубоких наклонных скважинах;

— расчеты поверхностных и массовых сил, возникающих в системе «насосно-компрессорные трубы — пакер», влияющих на обеспечение работоспособности изолирующих устройств в глубоких наклонных скважинах;

— на основании теоретических исследований были изготовлены экспериментальные стендовые установки для исследований работоспособности и функционирования внутриколонных изолирующих, отсекающих устройств типа ПНЭ, ВИКО, ПГТСМ, на гарантийный период эксплуатации в скважине;

— на основании и экспериментальных исследований фрикционной работоспособности уплотнительного элемента съемной пакер-пробки ППСМ были определены факторы, положенные в основу проектирования пакер-пробки для работы в открытом стволе;

— новые научно-технические решения, защищенные патентами, были положены за основу при проектировании внутриколонных изолирующих, отсекающих устройств типа ПНЭ, ВИКО, ППСМ для эксплуатации в наклонных глубоких скважинах. Научная новизна.

Научная новизна данной работы заключается в следующем:

— проведены патентные исследования по отечественному и зарубежному фонду изобретений для определения патентной чистоты вновь разрабатываемых изделий;

— сформулированы общие цели и направления исследования повышения надежности, работоспособности внутриколонных изолирующих, отсекающих устройств для изоляции и отсечения разобщаемых зон на основании анализа применения отечественных и зарубежных внутриколонных устройств ;

— теоретически исследована методика напряженного состояния системы «колонна насосно-компрессорных труб-пакер в глубоких наклонных скважинах с учетом влияния давления, температуры, изгиба, поршневого эффекта, потери устойчивости колонны насосно-компрессорных труб;

— теоретически рассчитаны и изготовлены экспериментальные стендовые установки, с целью исследования работоспособности взаимодействия всех элементов изолирующих, отсекающих устройств с учетом влияния различных физических условий функционирования скважины;

— на основании теоретических выводов экспериментально исследована фрикционная работоспособность уплотнительных элементов изолирующих, отсекающих устройств, устанавливаемых в скважине, с учетом влияния множества взаимосвязанных факторов;

— экспериментально проверены теоретические выкладки работоспособности изолирующих, отсекающих устройств типа ПНЭ, ВИКО, ППСМ на заякоревание и обеспечения герметизирующей возможности уплотнительных элементов;

— на базе теоретических и экспериментальных исследований были спроектированы и изготовлены опытные образцы внутриколонных изолирующих, отсекающих устройств типа ПНЭ, ВИКО, ППСМ для надежной изоляции разобщаемых зон при эксплуатации и проведении различных устьевых и подземных ремонтных работ в скважине.

Практическая значимость Разработанные внутриколонные изолирующие, отсекающие устройства типа ПНЭ, ВИКО, ППСМ, защищенные патентами РФ позволяют:

— поднять успешность спуска, установки, работоспособности пакерующих устройств типа ПНЭ в глубоких наклонных скважинах;

— устанавливать съемную пакер-пробку типа ППСМ взамен цементных мостов, проводить опрессовку устья скважины и установленного на устье противовыбросового оборудования, нужное количество раз переустанавливать пакер-пробку в скважине без подъема на поверхность, что расширит технологический объем ремонтно-изоляционных работ в скважине ;

— при установке клапана-отсекателя типа ВИКО, в эксплуатационной скважине, проводить ремонтные работы на устье при замене противовыбросового оборудования и ремонтноизоляционные работы внутри скважины без глушения т. к, в процессе глушения скважина выводится на длительный период из эксплуатации, а последующий ввод скважины в эксплуатацию не всегда приводит к начальным дебитам.

Общая потребность нефтегазовой отрасли в изолирующих, отсекающих устройствах составляет: -в пакерах типа ПНЭ — 100 шт.;

— в пакер-пробках типа ППСМ -300 шт.;

— в клапанах отсекателях типа ВИКО до 90% эксплуатируемых скважин.

Реализация работы в промышленности.

В 1987 году по договору с Главтюменнефтегазом была начата разработка гидравлического пакерующего устройства типа ПНЭ для повышения надежности изоляции разобщаемых зон в обсадных колоннах.

В 1988 году закончена разработка конструкторской документации на экспериментальный образец пакера типа ПНЭ на типоразмерный ряд для колонн диаметром 140, 146, 168 мм. Данная документация была передана на Опытный завод ВНИИБТ. В течение 1988;1989 годов были изготовлены экспериментальные образцы пакеров ПНЭ-146, ПНЭ-146А, ПНЭ-168. По результатам стендовых испытаний (см. Приложения № 1, 2, 3, 4, 5) пакеры были рекомендованы для проведения промысловых испытаний на месторождениях Среднего Приобья. В течение 1989;1990 годов в НГДУ «Самот-лорнефть» службами Самотлорского УПНП и КРС были установлены экспериментальные и опытные образцы пакеров типа ПНЭ-146, ПНЭ-168 в нагнетательных скважинах (см. Приложения № 8, 9, 10).

В 1990 году по результатам промысловых испытаний была проведена корректировка конструкторской документации на серийный образец пакера типа ПНЭ и передана на серийный завод отрасли ОАО «Карпатнеф-темаш» Ивано-Франковской области. Акт и протокол приемки конструкторской документации (см. Приложение № 6). В августе 1990 года были проведены ведомственные приемочные испытания партии гидравлических ПНЭ в скважинах обсаженных эксплуатационными колоннами диаметром 140, 146, 168 мм. Акт приемки опытной партии пакеров, подписан и.о. Начальника Главтюменнефтегаза А. А. Тюкаловым, протокол (см. Приложение № 11). В период с 1989;1992 год на Самотлорском месторождении ПО «Нижневартовскнефтегаз» было внедрено более 25 пакеров ПНЭ-146, ПНЭ-168, показавших безотказность и надежность при установке и при последующем подъеме их из скважин. Съемная пакер-пробка типа ППСМ -146 была изготовлена и прошла стендовые заводские испытания на Опытном заводе ВНИИБТ г. Котово (см. приложение 12). Вставной извлекаемый клапан отсекатель типа ВИКО прошел стендовые заводские испытания на ФГУП «Стрела» г. Оренбург, для дальнейших исследований устройства типа ВИКО документация передана на «Воронежский механический завод» филиал ФГУП «ГКНПЦ им М.В. Хруничева» Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на коллоквиумах Лаборатории специальной техники и технологии ремонта скважин, техническом совете Управления повышения нефтеотдачи пластов и капитального ремонта скважин УПНП и КРС объединения «Юганскнефтегаз», «Нижневартовскнефтегаз», и «Лангепаснефтегаз», на научно-техническом совещании «Воронежский механический завод» филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева». На Ученом совете ОАО НПО «Буровая техника — ВНИИБТ».

Публикации по работе.

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в т. ч. 2 работы в журналах, рекомендованных-ВАК.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 124 наименований и 12 приложений. Диссертация изложена на 148 страницах, содержит 26 рисунков, 11 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Проведен анализ и обобщен отечественный и зарубежный опыт по созданию, разработке и внедрению отсекающих, изолирующих внутриколонных устройств с учетом влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных условий в различных нефтегазодобывающих предприятиях на месторождениях Среднего Приобья.

2. Исследовано состояние рабочего фонда эксплуатационных и нагнетательных скважин на месторождениях Западной Сибири. Обобщены факторы, наиболее значительно влияющие на появление негерметичности в эксплуатационных и нагнетательных скважинах с учетом влияния силовых, температурных, временных факторов и условий эксплуатации с рекомендациями повышения качества строительства скважин, грамотного режима эксплуатации, своевременных ремонтно-профилактических мероприятий и контроля за режимом работы скважины.

2. Теоретически исследована и представлена математическая зависимость работы системы «колонна насосно-компрессорных труб — пакер» с учетом влияния множества взаимосвязанных параметров, таких как температура, давление, поршневой эффект, эффект изгиба, влияющих на обеспечение пакером надежной герметичности межтрубного пространства независимо от того газовая это или нефтяная среда при длительном режиме эксплуатации в глубоких наклонных скважинах.

3. Разработана и изготовлена экспериментальная стендовая установка для проведения исследований работоспособности ч уплотнительных элементов по изоляции межтрубного пространства, устанавливаемых в изолирующих, отсекающих устройствах в рабочем диапазоне давлений от 20,0 МПа до 50,0 МПа. Проведены стендовые исследования заякоревающей способности нижнего шлипсового узла пакера ПНЭ в зависимости от начального давления запакеровки и разгрузки колонны насосно-компрессорных труб на пакер, работоспособности верхних и нижних якорей съемной пакер-пробки ППСМ при условии подвески на неё колонны насосно-компрессорных труб с обеспечением опрессовки устья скважины, а также исследована работоспособность шлипсовых узлов отсекающего устройства типа ВИКО, установленного во внутреннем канале обсадной колонны.

4. Проведены стендовые исследования работоспособности уплотнительного элемента рукавного типа с учетом влияния различных внутрискважинных факторов, влияющих на фрикционные характеристики пакер-пробки ППСМ в скважине с учетом площади покрытия абразивным материалом уплотнительного элемента, коэффициентов относительного сцепления с учетом влияния физико-механических свойств различных материалов.

5. Разработана технологическая схема установки пакера типа ПНЭ, спускаемого и устанавливаемого на насосно-компрессорных трубах во внутреннем канале обсадной колонны, с обеспечением защиты колонны от высокого давления в процессе закачки жидкости в пласт с гарантированным обеспечением среднего межремонтного периода эксплуатации пакера в скважине.

6. На основе теоретических и экспериментальных исследований была разработана научно-техническая документация на пакер типа ПНЭ для защиты эксплуатационной колонны при закачке жидкости по насосно-компрессорным трубам в пласт, внутриколонную съемную, извлекаемую пакер-пробку многоразового применения типа ППСМ на рабочее давление 20 МПа, действующее как сверху так и снизу, разработана научно-техническая документация на вставной извлекаемый клапан-отсекатель типа ВИКО, устанавливаемый во внутреннем канале обсадной колонны с обеспечением отсечения перетока пластового флюида из пласта при проведении различного рода ремонтных работ.

7. На Опытном заводе ВНИИБТ «Буровая техника» были изготовлены и прошли приемочные заводские испытания опытные образцы пакеров для защиты эксплуатационной колонны в нагнетательных скважинах типа ПНЭ-146, ПНЭ-168 на рабочее давление 20,0МПа, а также ПНЭ-146А, ПНЭ-168А с высокопрочным уплотнительным элементом на рабочее давление 50,0 МПа. В дальнейшем данные пакера прошли приемочные промысловые испытания на Самотлорском УПНП и КРС г. Нижневартовска с рекомендацией передачи документации на серийный завод «Карпатнефтемаш» г. Калуш Ивано-Франковской области.

8.На Опытном заводе ВНИИБТ «Буровая техника» были изготовлены и прошли заводские испытания опытные образцы сьемной извлекаемой пакер-пробки типа ППСМ-168. По результатам испытаний пакер-пробка была рекомендована к проведению приемочных промысловых испытаний на базе ООО «Мострансгаз» филиала Управления капитального ремонта скважин и специальных работ г. Щелково.

9.Разработанная научно-техническая документация на размерный ряд вставных, извлекаемых клапанов — отсекателей типа ВИКО-146,ВИКО-168, предназначенных для установки в эксплуатационной скважине для проведения различного рода ремонтных работ без глушения скважины, передана на предприятие изготовитель ФГУП «Стрела» г. Оренбург.

10. Экономический эффект от применения гидравлических пакеров типа ПНЭ, предназначенных для защиты эксплуатационной колонны от гидравлического воздействия, составляет на одну скважину 304 300 руб., экономический эффект от применения клапана — отсекателя ВИКО составляет экономию потери 25% начального дебита нефти в эксплуатационной скважине после каждой операции по глушению скважины соляным раствором, которую необходимо проводить перед началом проведения ремонтных работ в скважине, экономический эффект от применения съемной пакер-пробки ППСМ только при одной операции по опрессовке устья скважины и опрессовке установленного на устье противовыбросового оборудования уменьшает простой эксплуатационной скважины до 5−10дней.

11. По результатам рекламной работы потребность нефтегазовой отрасли в разработанных нами изолирующих, отсекающих устройствах на месторождениях Среднего Приобья составляет:

— в пакерах типа ПНЭ для защиты эксплуатационной колонны от высокого давления 1000 шт. в год;

— в клапанах — отсекателях типа ВИКО, устанавливаемых в эксплуатационных скважинах для проведения ремонтных работ без глушения скважины, до 90% эксплуатируемых скважин;

— в съемной, извлекаемой пакер-пробке типа ППСМ для проведения различного рода ремонтных работ в скважине — 300 шт. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ ВНЕДРЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПАКЕРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ТИПА ПНЭ, НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ СРЕДНЕГО ПРИОБЬЯ.

Пакерующее устройство типа ПНЭ предназначено для надежной изоляции межтрубного пространства при проведении различных подземных работ в период заканчивания и эксплуатации скважин в течение среднего межремонтного периода эксплуатации.

Пакерующее устройство типа ПНЭ предлагается использовать на месторождениях Среднего Приобья при освоении скважин под нагнетание воды с последующей закачкой при давлениях до 20,0 МПа, а также для защиты эксплуатационной колонны от воздействия высокого гидравлического давления до 50,0 МПа при проведении операции по гидроразрыву пласта.

Эксплуатация нагнетательных скважин без пакерующих устройств, предназначенных для изоляции эксплуатационных колонн от гидравлических воздействий в процессе закачки воды, способствует разгерметизации эксплуатационных колонн и, как следствие, снижает эффективность закачки воды в заданные продуктивные пласты, увеличивая затраты на дополнительную закачку значительных объемов воды в скважины через интервалы нарушений в обсадных колоннах.

Кроме того, восстановление герметичности эксплуатационных колонн в нагнетательных скважинах требует также дополнительных затрат на ремонт скважин, а в ряде скважин, где нарушение колонн произошло со смещением ствола обсадной колонны, не удается восстановить герметичность колонн, и скважина подлежит ликвидации.

Ввиду отсутствия методики расчета экономической эффективности от использования пакера для защиты эксплуатационной колонны от гидродинамического воздействия в нагнетательных скважинах, нами принят метод расчета экономической эффективности от внедрения пакерующего устройства типа ПНЭ, который определяется по исключению затраты средств на дополнительную закачку воды в скважины с негерметичными эксплуатационными колоннами при эксплуатации нагнетательных скважин,, где были установлены экспериментальные и опытные образцы гидравлического пакерующего устройства типа ПНЭ (в данной методике расчета мы не учитывали дополнительные затраты на ремонт скважин в результате появления нарушения эксплуатационных колонн от гидравлического воздействия).

Расчет экономического эффекта производится по формуле.

Э = С!-С2 где С] - дополнительные затраты средств от непроизвольной закачки воды в скважине с негерметичными колоннами, руб.;

С2 — удельная стоимость пакерующего устройства типа ПНЭ, отнесенная к одному году его использования в скважине, руб.

Исходные данные для расчета экономической эффективности от использования пакерующего устройства типа ПНЭ приведены в таблице 5.1.