Successful application of PROMILL technology for oil well isolation in Kazakhstan

Full Text

Введение

Как известно, на целостность и герметичность цементного моста (далее – ЦМ) и цементного камня (далее – ЦК) за- и межколонных пространств нефтяных и газовых скважин влияют следующие факторы:

• усадочная деформация и деструкция (нестабильность) ЦК во времени;
• расширения и сжатия эксплуатационной колонны (далее – ЭК) и ЦК из-за циклических изменений давления и температуры при эксплуатации скважины;
• динамические воздействия при спуско-подъёмных операциях (далее – СПО) во время подземного и капитального ремонтов (далее – ПРС и КРС соответственно);
• расширения обсадной колонны (далее – ОК) и сжатия цемента при опрессовках;
• перфорации, создающие ударные нагрузки на ЭК.

Естественно, что негерметичность ЦК может усиливаться из-за плохого качества первичного цементирования скважин, а именно из-за наличия глинистой корки между стенками скважин и ЦК, которая присуща всем месторождениям. Толстая глинистая корка на стенках скважины мешает хорошему сцеплению цемента с породой, а пластовый флюид (далее – ПФ) и водогазовая смесь (далее – ВГС) проникают в цемент в процессе его схватывания. Образуются водные и газовые языки, нарушается сцепление цемента с ЭК при циклическом нагружении. В период критической гидратации обычный цементный раствор теряет способность передавать гидростатическое давление на пласт. Когда это происходит, ПФ и ВГС свободно мигрируют в цемент и образуют каналы для дальнейшего поступления ПФ и ВГС. Также на качество герметизации заколонного пространства отрицательно влияют седиментация и контракция цементного раствора, неполное вытеснение бурового раствора и другие факторы.

Отслоения ЦМ и ЦК от ЭК и разрушение цемента за колонной приводят к появлению изолированных пустот (трещины, зазоры, каверны), на которых со временем начинают скапливаться в ПФ и/или ВГС. С течением времени такие трещины и зазоры превращаются в каналы для циркуляции заколонного перетока преимущественно по контакту ОК с ЦК (металл – цемент) и по контакту ЦК со стенкой скважины (рис. 1) [1, 2].

Рисунок 1. Виды разрушения цементного моста и камня за колонной

Figure 1. Cement plug and cement fill failure modes

В результате негерметичности зацементированного заколонного пространства при сформированном ЦК из водоносных и промытых зон сильно обводнённых пластов нагнетаемая и контурная вода может прорываться в продуктивный пласт. Кроме того, заколонный переток солёных вод и рассолов агрессивно воздействуют на металл, что становится причиной сквозных коррозионных отверстий в ЭК. Также ВГС может поступать в ствол скважины из-за нарушения герметичности ЭК (в основном муфтовых соединений) и в результате разрушения ЦМ.

Таким образом, неудовлетворительное техническое состояние скважин из-за нарушения сцепления цемента с ЭК и потери герметичности ОК и заколонного пространства снижают поступление ПФ из продуктивного пласта и увеличивают общую обводнённость добываемой продукции (увеличивают объёмы воды, попутно добываемой и закачиваемой системой поддержания пластового давления (далее – ППД)), что является одной из причин, способствующих выходу скважин из действующего фонда.

Обводнённость скважин, наряду с производительностью, является одним из важнейших показателей, определяющих величину прямых затрат на добычу нефти, поэтому для снижения обводнённости добываемой продукции и интенсификации добычи нефти, а также продления срока службы скважин требуется проведение ремонтно-изоляционных работ (далее – РИР) или применение технологий ограничения водопритоков (далее – ОВП), таких как: перфорация специальных отверстий на ЭК с последующей закачкой тампонирующего изоляционного состава (микроцементы, полимерные материалы, затвердевающие составы, синтетические смолы и др.); закачивание селективных и неселективных материалов (гелеобразующие, осадкообразующие реагенты, гидрофобизаторы и пенные системы); использование двухпакерной системы; установка металлических, гофрированных, полимерных, извлекаемых пластырей или заплаток; спуск дополнительной ЭК. Причём особую актуальность приобретает эффективность РИР на скважинах, нацеленных на доизвлечение остаточных запасов уже разрабатываемых месторождений, так как они имеют обустройство и технически могут эксплуатироваться. Кроме того, стоимость РИР кратно ниже бурения новых скважин.

В то же время существующие в настоящее время технологии РИР и ОВП, в частности, использование дисперсных тампонажных составов на основе цемента, обладают низкой эффективностью. Этим составам свойственны невысокая седиментационная устойчивость и высокая вязкость; они легко разделяются на фазы, взаимодействуют с пластовыми жидкостями, газами и горными породами с ухудшением своих характеристик.

Многократное повторение тампонирования скважин с нарушениями эксплуатационных колонн до достижения герметичности даже с учётом доступности, низкой цены и простоты использования во многих случаях делает применение минеральных тампонажных материалов экономически нецелесообразным.

Наличие каналов в зацементированном межколонном пространстве крепи скважин является также ключевой причиной межколонных проявлений в нефтегазовых скважинах. Наличие высокого межколонного давления (далее – МКД), обусловленного заколонными перетоками ПФ и ВГС с дальнейшим их прорывом к устью скважины, может привести к осложнению, имеющему широкое распространение в мировой практике эксплуатации скважин, – угрозе разгерметизации устьевого оборудования и нарушению целостности ОК, что, в свою очередь, может привести к грифонообразованию, неуправляемому фонтану, возникновению техногенных залежей. Особую актуальность проблема МКД приобретает на месторождениях с высоким газовым фактором, ПФ которых содержит агрессивный и токсичный сероводород. Причём потенциально опасным можно считать МКД на любых скважинах, находящихся в эксплуатации, консервации, а также наблюдательных, нагнетательных или ликвидированных.

Не менее серьезной проблемой, влияющей на косвенные затраты добычи нефти и газа, является физическая ликвидация скважин (далее – ФЛС). Согласно Правилам ликвидации и консервации объектов недропользования¹, ФЛС должна обеспечить надёжную изоляцию газонефтеводяных пластов друг от друга и от дневной поверхности, предупреждающую перетоки как по внутреннему пространству ЭК, так и по заколонным и межколонным пространствам, а также грифонообразование вокруг устья скважины.

При ФЛС установка цементных мостов внутри ЭК является не только обязательной процедурой, но в ряде случаев и основным способом обеспечения изоляции скважины от внешней среды. Однако мировая практика показывает, что при ФЛС установка ЦМ внутри ЭК без её вырезания на дефектных участках ЭК и заколонного пространства недостаточно эффективна, т.к. заколонный переток ВГС сквозь нарушения ЦК, особенно на контакте «металл – цемент», может происходить и после ФЛС на протяжении многих лет. Под действием газа и минерализованных пластовых вод происходят разрушение ЦМ и заколонного ЦК, коррозия ОК и устьевого оборудования. Перетоки как по внутреннему пространству ЭК, так и по заколонным и межколонным пространствам может привести к грифонообразованию вокруг устья скважины. Переликвидация негерметичности на уже ликвидированной скважине возможна через десятки лет после прекращения её функционирования. Особенно это касается скважин 1-й и 2-й категорий опасности: сероводородсодержащие скважины и скважины с аномально высоким пластовым давлением, а также скважины с повышенным пластовым давлением и газовые скважины.

Материалы и методы

Для надёжной ликвидации скважин, устранения высокого МКД и проведения РИР на скважинах с неудовлетворительным техническим состоянием компания Wellbore Integrity Solutions² (далее – WIS) предлагает прогрессивную технологию на основе ProMILL™ (Trip-saving milling and underreaming system – система фрезерования и расширения за один рейс) [2, 3].

Система фрезерования и расширения ProMILL включает в себя узел мостовой пробки (Optional Bridge Plug), коническую фрезу (Taper Mill), секцию фреза (Section Mill) и расширитель с высоким передаточным числом (PMUR – ProMILL Underreamer) в одном решении (рис. 2).

Рисунок 2. Система ProMILL

Figure 2. ProMILL system

Система ProMILL – это технология фрезерования ЭК и заколонного ЦК до породы с последующей очисткой ствола скважины и установки надёжного бетонного барьера (тампонажного раствора с необходимыми реологическими свойствами) от породы к породе. ProMILL объединяет несколько операций в один спуск для максимальной эффективности работы.

Секция фреза (Section Mill) предназначена для сплошного фрезерования участка ЭК по всему диаметру в любом интервале ствола скважины, а расширитель PMUR служит для очистки (разрушения и удаления) ЦК за колонной (рис. 3, табл. 1).

Рисунок 3. Система ProMILL

Figure 3. ProMILL system

Таблица 1. Спецификация системы ProMill

Table 1. ProMill System Specifications

Таким образом система ProMILL устраняет все потенциальные пути утечки ПФ и ВГС, включая каналы, микротрещины и глинистые корки, подготавливая чистое основание для бетонного барьера (рис. 4).

Рисунок 4. Установка цементного моста на готовом месте скважины

Figure 4. Cement plug set in place at the wellbore

После разбуривания бетонного барьера можно, например, установить металлические заплатки, расширяемые на скважине при помощи раздуваемого пакера, или спустить фильтр для эксплуатации неустойчивых по литологии продуктивных горизонтов (после отсечения водопритока). В качестве альтернативы тампонажным составам на основе цемента могут быть использованы специальные затвердевающие составы, синтетические смолы и др. [4, 5].

Компанией WIS также успешно применяется инновационное эффективное решение ProMILL Duo™ (Dual casing section milling system – система фрезерования через две колонны), которое позволяет фрезеровать сразу две ОК (рис. 5) [2, 3].

Рисунок 5. Система ProMILL Duo

Figure 5. ProMILL Duo system

ProMILL Duo включает в себя узел мостовой пробки (Bridge Plug), коническую фрезу (Taper Mill), модуль активной стабилизации (Active Stabilization Module), секцию фреза с высоким коэффициентом расширения (High Expansion Ratio Section Mill) и расширитель Underreamer (PMUR). Высокая степень расширения секции фреза ProMILL Duo позволяет ей проходить через внутреннюю ОК во втянутом состоянии и при срабатывании раскрываться на больший диаметр для фрезерования наружной ОК с муфтой. Модуль активной стабилизации оптимизирует динамические характеристики и сводит к минимуму вибрацию конструкции низа бурильной колонны (далее – КНБК). Расширение скважины для создания барьера «порода к породе» осуществляется с помощью PMUR (рис. 6).

Рисунок 6. Система ProMILL Duo

Figure 6. ProMILL Duo system

а) фрез с увеличенным выходом и гидравлический стабилизатор / Extended output cutters and hydraulic stabilizer ; б) барьер от породы к породе с помощью PMUR / Rock-to-rock barrier using PMUR

Фрез с увеличенным выходом и гидравлический стабилизатор обеспечивают эффективную систему фрезерования через двойную колонну. Создание барьера от породы к породе обеспечивается с помощью PMUR.

The extended reach Section Mill and hydraulic Stabilizer provides an efficient milling system in dual casing abandonment applications. A rock-to-rock barrier is enabled by using the PMUR.

Выдвижение в рабочее положение лопастей ProMILL (ProMILL Duo) с режуще-фрезерными элементами WavEdge и TruEdge, армированных высококачественным композиционным материалом, осуществляется под действием перепада давления жидкости в корпусе фреза. Элементы WavEdge и TruEdge являются результатом детального научно-исследовательского проекта, лабораторных и полевых испытаний и обеспечивают долговечность, высокую скорость фрезерования, превосходные качества очистки ствола скважины и возможность эффективного выполнения фрезерования через двойную ОК. В комплект входит обратный клапан, предотвращающий забивание шламом инструмента во время СПО.

Обсуждение

По сравнению с существующими способами РИР, ликвидации скважин и МКД система ProMILL (ProMILL Duo) имеет следующие преимущества:

• бетонный барьер обеспечивает надёжную изоляцию от породы к породе, т.е. устраняет пути миграции и перетоки ВГС в заколонном пространстве и цементном стакане в области забоя, а также потери герметичности ОК;
• выполнение операций за один рейс сокращает время проведения работ (экономит время работы станка КРС и обеспечивает высокую производительность);
• обеспечивает эффективную изоляцию продуктивного пласта от жидкости и газа других пластов (когда пластовые воды непосредственно подстилают продуктивный горизонт) от проницаемых пород и дневной поверхности, а также нижележащих горизонтов в случае зарезки бокового ствола (далее – ЗБС);
• предотвращает переток пластовых и закачиваемых жидкостей из пласта в пласт или в водоносный пласт и выхода их на поверхность, когда необходимость проведения работ в первую очередь диктуется требованиями охраны недр и окружающей среды;
• позволяет отключить выработанные интервалы пласта или определённые пласты, если одновременно ведётся добыча из нескольких пластов;
• обеспечивает изоляцию нижележащих горизонтов в нагнетательных скважинах с целью организации ППД в необходимый пласт;
• повышает надёжность ликвидации скважин (достигается 100% успешность);
• достигается высокая эффективность ликвидации МКД;
• незаменим в сложных случаях, когда другие способы РИР оказываются бессильными решить проблемы восстановления целостности и герметичности ЭК и ЦК, устранения заколонного перетока жидкости, или же экономический расчёт показывает их неэффективность;
• увеличивается межремонтный период работы скважин и исключаются затраты на многократные РИР.

Работы с применением системы ProMILL в каждом отдельном случае проводится с учётом многих показателей: геолого-физических особенностей продуктивного пласта или пластаобводнителя, протяжённости участка, наклона скважины, гидродинамических условий, существующего опыта проведения РИР на данном месторождении, оснащённости техникой и материалами КРС компании и т.д. Повысить эффект от использования технологий ProMILL можно путём применения комплексного подхода к проведению работ при подборе скважин-кандидатов. Проектирование и выполнение работ осуществляются высококвалифицированными специалистами WIS, имеющими многолетний практический опыт проведения соответствующих работ.

Рисунок 7. Схема фрезерования и расширения окна

Figure 7. Section Milled & Underreamed window schematic

Заключение

В 2024 г. впервые в Казахстане успешно была проведена работа по ликвидации нефтяной скважины с надёжным устранением негерметичности межколонного пространства путём установки ЦМ. Для выполнения данной работы компания WIS использовала систему ProMILL, позволяющую выполнить все операции за один рейс, объединяющую секцию фреза 5500 K-Mill с ножами, оснащёнными передовой технологией TruEdge™, и 5500 High-Ratio Underreamer (далее – HRU) со специально разработанными скребками, армированными высококачественным композиционным материалом [6].

Предварительно был проведён комплексный гидравлический анализ для определения оптимальных параметров потока промывочной жидкости для эффективной работы инструмента и улучшенного удаления стружки и шлама для каждого этапа выполнения ProMILL, включая вырезку, фрезерование и расширение HRU.

На этапе фрезерования был успешно отфрезерован участок длиной 20,9 м высокопрочной, устойчивой к сероводороду обсадной колонны диаметром 7” (177,8 мм) со средней скоростью проходки 0,31 м/ч. После активации расширителя с высоким передаточным числом HRU общий интервал фрезерования и удаления ЦК внутри ОК 95/8” достиг 19,8 м – и всё это за один рейс. Износ ножей K-Mill составил 16%, что подчеркивает исключительную долговечность запатентованной технологии пластин TruEdge от WIS даже после 67,3 ч непрерывного фрезерования.

Дополнительно

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: Ермеков М. – сбор материалов и написание статьи, анализ результатов обзора и полученных данных, структурирование материала; Мустафин Т. – проверка и редактирование глав материала, методы и заключение, администрирование и курирование проекта.

Additional information

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. The greatest contribution is distributed as follows: Milat Yermekov – collecting materials and writing the article, analysing of the review results and the received data, structuring the material; Timur Mustafin – checking and editing the chapter of materials, methods and conclusion, administering and curating of the project.

¹ Правила ликвидации и консервации объектов недропользования. Совместный приказ Министра по инвестициям и развитию Республики Казахстан от 27 февраля 2015 года № 200 и Министра энергетики Республики Казахстан от 27 февраля 2015 года № 155. https://adilet.zan.kz/rus/docs/V1500011499.

² Wellbore Integrity Solutions, Houston, USA – общепризнанный мировой лидер по оказанию услуг по улучшению, поддержанию и восстановлению технического состояния целостности скважины с этапа строительства до её ликвидации путём разработки и модификации необходимых для этого технологий, оборудования и инструментов. При этом под целостностью скважины подразумевается безопасная и эффективная добыча ПФ через ствол скважины и предотвращение нежелательного потока флюидов внутри или снаружи ОК.

WIS специализируется на предоставлении широкого набора передовых технологий, оборудования, инструментов и инженерных услуг, направленных на продление жизненного цикла нефтяных, газовых и геотермальных скважин.

После приобретения бизнеса Fishing and Remedial (Red Baron), DRILCO и Thomas Tools у Schlumberger c 2020 г. WIS работает как полностью независимая компания, со штаб-квартирой в г. Хьюстон, США. При этом сделка о передаче бизнеса включала в себя переход интеллектуальной собственности, технологий и торговых марок, а также соответствующие производственные активы, инженерные и научно-исследовательские центры.

WIS сфокусирована на поставку качественных технологий, продукции и услуг, включающих в себя:

• ликвидацию скважин и МКД, а также ремонтно-изоляционные работы с применением эффективной системы ProMILL и инновационной технологии диагностики негерметичности скважин FiberLine Intervention;
• внутрискважинную обработку, очистку и восстановление скважин, в т.ч. путем ЗБС;
• устранение сложных аварий скважин при бурении и КРС (в т.ч. аренда «ловильных корзин»);
• инспекцию (диагностику) и ремонт бурильных труб и НКТ, а также производство инструментов и оборудования в современных производственных цехах, и их аренда;
• оказание инженерных консультационных услуг и другие.

WIS ведёт производственную деятельность в 6 регионах мира (Северная и Латинская Америка, Европа, Западная и Восточная Африка, Россия и Каспийский регион, Ближний Восток, Северная Африка и Индия, Юго-Восточная Азия и Австралия) и в более чем 25 странах.

Филиал компании – Wellbore Integrity Solutions Kazakhstan LLP – имеет сервисные центры в гг. Актау и Аксай с производственными цехами и уникальным оборудованием, где трудятся более 60 казахстанских специалистов с соблюдением всех процедур западных производителей оборудования и инструментов. В настоящее время филиал оказывает услуги таким компаниям, как АО НК «КазМунайГаз», ТОО «Тенгизшевройл», Карачаганак Петролеум Оперейтинг Б.В., North Caspian Operating Company, Шлюмберже Лоджелко ИНК, Korea National Oil Corporation Kazakhstan, Magnetic Oil Ltd., Dunga Operating GmbH и др.

wellboreintegrity.com.

wellboreintegrity.ru

About the authors

M. Yermekov

Author for correspondence.
Email: milbor090@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-1106-2514

Doct. Sc. (Engineering)

T. Mustafin

Email: timur.mustafin@wellboreintegrity.com
ORCID iD: 0009-0003-4105-3328
United States, Houston

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1. Cement plug and cement fill failure modes

Download (82KB)

Indexing metadata

3. Figure 2. ProMILL system

Download (42KB)

Indexing metadata

4. Figure 3. ProMILL system

Download (134KB)

Indexing metadata

5. Figure 4. Cement plug set in place at the wellbore

Download (62KB)

Indexing metadata

6. Figure 5. ProMILL Duo system

Download (58KB)

Indexing metadata

7. Figure 6. ProMILL Duo system

Download (293KB)

Indexing metadata

8. Figure 7. Section Milled & Underreamed window schematic

Download (107KB)

Indexing metadata