Крепление скважин

Важным условием надежного разобщения пластов является предупреждение фильтрации пластового флюида через поровое  пространство твердеющего раствора. Для этих целей используются:

• цементно-смолистая композиция (ЦСК) с добавкой смолы ТЭГ-1, обеспечивающих качество цементирования с близкорасположенными водоносными объектами;
• цементно-латексный раствор стабилизированного ПАВ, обладающего повышенным (более чем в 3 раза) сопротивлением к гидравлическому разрыву, пригодным для крепления проницаемых горных пластов и пластов с внутрипластовыми водяными пропластками.

Буферные  жидкости

Для повышения степени  заполнения заколонного пространства тампонажным раствором важен  правильный выбор типа и объема буферной жидкости.

Объем буферной жидкости для эффективной очитки затрубного пространства зависит от времени контакта и определяется как произведение:

 

где S_з.п. – площадь затрубного пространства, м²;

V_в.п. – скорость восходящего потока, м/с (V_в.п. ≥ 1 м/с);

t – время контакта, с (t=420-480 с).

 

Время контакта играет существенную роль в эффективности цементирования. При времени контакта менее 7 мин  в 50 % случае качество цементирования было неудовлетворительным и требовалось  повторное цементирование.

Полноту вытеснения бурового раствора можно существенно увеличить, если в качестве буферной жидкости использовать нефть или дизельное  топливо.

Добавление в буферную жидкость кварцевого песка с фракциями 0,2-0,8 мм в количестве 5-20 % (по массе) приводит к турбулизации потока даже при низких скоростях движения.

Технологические параметры цементирования

Определяющим фактором полноты замещения жидкостей  в затрубном пространстве является - скорость восходящего потока и  режим его течения. Последний  оценивается обобщающим параметром Рейнольдса R_e^*.

Высокая степень вытеснения может быть достигнута и при низких скоростях течения при условии  определенного соотношения реологических  параметров контактирующих жидкостей. Турбулентный режим потока возможен при условии:

где τ₀ – динамическое напряжение сдвига, Па;

 ρ – плотность раствора, г/см³ .

При меньшем значении скорости потока существует струйный режим.

Существенное значение на степень вытеснения играет эксцентричность  колонн, в наклонной под углом 30˚ скважине даже при скорости восходящего потока 3 м/с полнота вытеснения не превышает 70 %, а при скорости 0,4-0,7 м/с площадь цементного кольца составляет всего 40%.

Лучшее вытеснение бурового раствора происходит при меньшей  разнице плотностей растворов, но при большей скорости закачивания тампонажного раствора.

Технологическая оснастка

Качество работ значительно  повышается при совместном использовании  центраторов и скребков.

В этом случае число ремонтных  работ снижается с 60 % до 16%.

Если вследствие деформации диаметр центраторов уменьшается до диаметра долота, то эффективность их применения будет незначительна и образование застойных зон предупреждается при коэффициенте кавернозности не превышающим 1,1-1,3. Поэтому, для увеличения степени замещения цементный раствор необходимо прокачивать при высоких скоростях его течения, обеспечивая турбулентный режим.

Для упрощения технологической  оснастки обсадных колонн и повышения  их жесткости предложена конструкция  центратора-турбулизатора, представляющий собой центратор, у которого планки относительно их средней части развернуты во взаимно противоположные стороны, что обеспечивает турбулизацию потока.

На практике число  элементов технологической оснастки не превышает 50, хотя для качественного  цементирования их число должно быть в 2 раза больше.

 

9.8. ТЕХНОЛОГИЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ

 

Технология цементирования складывалась на основе многолетнего практического  опыта и совершенствовалась с  использованием достижений науки и  техники. На современном уровне она  включает систему отработанных норм и правил выполнения цементировочных работ, а также типовые схемы организации процесса цементирования. В каждом конкретном случае технологию цементирования уточняют в зависимости от конструкции и состояния ствола скважины, протяженности цементируемого интервала, горно-геологических условий, уровня оснащенности техническими средствами и опыта проведения цементировочных работ в данном районе.

Применяемая технология должна обеспечить:

• цементирование предусмотренного интервала по всей его протяженности;
• полное замещение промывочной жидкости тампонажным раствором в пределах цементируемого интервала;
• предохранение тампонажного раствора от попадания в него промывочной жидкости;
• получение цементного камня с необходимыми механическими свойствами, с высокой стойкостью и низкой проницаемостью; обеспечение хорошего сцепления цементного камня с обсадной колонной и стенками скважины.

При разработке технологии цементирования для конкретных условий  прежде всего подбирают такой  способ который должен обеспечить подъем тампонажного раствора на заданную высоту, заполнение им всего предусмотренного интервала (а если есть необходимость, то и защиту некоторого интервала от проникновения тампонажного раствора), предохранение тампонажного раствора от попадания в него промывочной жидкости при движении по обсадной колонне.

Наиболее полное замещение  промывочной жидкости происходит при  турбулентном режиме (98%), худшие показатели (42%) дает струйный режим.

Для наиболее полного  замещения промывочной жидкости рекомендуется ряд мероприятий:

• тщательное регулирование реологических свойств промывочной жидкости, заполняющей скважину перед цементированием, с целью снижения вязкости и статического напряжения сдвига до минимально допустимых значений;
• нагнетание тампонажного раствора в затрубное пространство со скоростями течения, обеспечивающими турбулентный режим;
• применение соответствующих буферных жидкостей на разделе промывочной жидкости и тампонажного раствора;
• расхаживание или вращение обсадной колонны при подаче тампонажного раствора в затрубное пространство;
• применение полного комплекса технологической оснастки обсадной колонны.

При разработке технологии подбирают тампонажный материал, рецептуру и свойства тампонажного раствора, определяют режим закачки  и продавки тампонажного раствора, суммарную продолжительность цементировочных работ и промежуток времени, необходимый для формирования в затрубном пространстве цементного камня с достаточной прочностью, позволяющей возобновить работы в скважине.

Одноцикловое цементирование с двумя пробками

Способ одноциклового  цементирования с двумя пробками (рис. 9.1.) был предложен в 1905 г. бакинским инженером А. А. Богушевским.

По этому способу  после завершения подготовительных работ в колонну вводят нижнюю пробку с проходным каналом, временно перекрытым диафрагмой.

На верхний конец  колонны навинчивают цементировочную  головку и приступают к закачке  тампонажного раствора, который тут  же приготавливают в смесительной установке. Когда весь расчетный объем цементного раствора закачан в скважину, освобождают верхнюю пробку, которая до этого удерживалась в цементировочной головке шпильками. Начиная с этого момента в обсадную колонну подают продавочную жидкость, под давлением которой верхняя пробка гонит вниз столб цементного раствора. Вследствие своей более высокой плотности цементный раствор под собственным весом вытесняет промывочную жидкость, что отмечается по падению давления на цементировочной головке.

Как только нижняя пробка достигнет упорного кольца, давление над ней повысится и под его воздействием диафрагма, перекрывающая канал в нижней пробке, разрушится; при этом наблюдается повышение давления на 4 - 5 МПа. После разрушения диафрагмы раствору открывается путь в затрубное пространство.

Объем продавочной жидкости, закачанной в скважину, непрерывно контролируют. Когда до окончания продавки остается 1 - 2 м³ продавочной жидкости, интенсивность подачи резко снижают. Закачку прекращают, как только обе пробки (верхняя и нижняя) войдут в контакт; этот момент отмечается по резкому повышению давления на цементировочной головке. В обсадной колонне под упорным кольцом остается некоторое количество раствора, образующего стакан высотой 15 - 20 м. Если колонна оснащена обратным клапаном, можно приоткрыть краны на цементировочной головке и снизить давление.

Двухступенчатое (двухцикловое) цементирование

Двухступенчатым цементированием  называется раздельное последовательное цементирование двух интервалов в стволе скважины (нижнего и верхнего).

Этот способ по сравнению  с предыдущим имеет ряд преимуществ. В частности он позволяет:

• снизить гидростатическое давление на пласт при высоких уровнях подъема цемента,
• существенно увеличить высоту подъема цементного раствора в затрубном пространстве без значительного роста давления нагнетания,
• уменьшить загрязнение цементного раствора от смешения его с промывочной жидкостью в затрубном пространстве,
• избежать воздействия высоких температур на свойства цементного раствора, используемого в верхнем интервале, что, в свою очередь, позволяет более правильно подбирать цементный раствор по условиям цементируемого интервала.

Для осуществления двухступенчатого цементирования в обсадной, колонне  на уровне, соответствующем низу верхнего интервала, устанавливают специальную  заливочную муфту (рис. 9.2.). Подготовку скважины к цементированию ведут тем же путем, что был описан выше. После промывки скважины и установки на колонну цементировочной головки приступают к закачке первой порции цементного раствора, соответствующей цементируемому объему первой ступени. Закачав нужный объем цементного раствора, в колонну вводят верхнюю пробку первой ступени, которая беспрепятственно проходит через заливочную муфту (рис. 9.2, а). Продавочной жидкостью вытесняют раствор в затрубное пространство.

После закачки объема продавочной жидкости, равного внутреннему объему обсадной колонны в интервале между заливочной муфтой и упорным кольцом, освобождают находящуюся в цементировочной головке нижнюю пробку второй ступени. Достигнув заливочной муфты, пробка садится во втулку и под давлением смещает ее вниз, открывая сквозные отверстия в муфте (рис. 9.8, б). Сигналом открытия отверстий является резкое падение давления нагнетания.

Существуют две разновидности  способа двухступенчатого цементирования. По одной из них тампонажный раствор  для цементирования второй ступени закачивают тотчас за нижней пробкой второй ступени - это так называемый способ непрерывного цементирования. В другом случае после открытия отверстий в заливочной муфте возобновляют циркуляцию бурового раствора, а тампонажный раствор второй ступени подают в скважину спустя некоторое время, например требуемое для схватывания раствора первой порции, - такое цементирование называется двухступенчатым с разрывом.

Этот способ позволяет  повысить качество цементирования нижнего  интервала за счет регулирования гидродинамического давления в затрубном пространстве.

Третью пробку (верхняя  пробка второй ступени) вводят в колонну  после подачи всего расчетного объема раствора для цементирования второй ступени. За третьей пробкой в  скважину нагнетают продавочную жидкость. Эта пробка задерживается в заливочной муфте и под давлением смещает вниз втулку, которая перекрывает отверстия. Резкое повышение давления сигнализирует о завершении цементирования. После этого скважину оставляют в покое для формирования цементного камня.

Манжетный способ цементирования

Манжетный способ цементирования применяют в тех случаях, когда  необходимо предупредить загрязнение  цементным раствором продуктивных горизонтов с низким пластовым давлением  или избежать попадания цементного раствора в зону расположения фильтра. Против нижней отметки интервала цементирования в обсадной колонне устанавливают муфту с проходными отверстиями для пропуска раствора в затрубное пространство и металлической или брезентовой манжетой снаружи (рис. 9.3).

При закачке цементного раствора манжета раскрывается и перекрывает затрубное пространство таким образом, что раствор может проходить только в одном направлении - вверх. Внутри колонны ниже муфты помещают клапан, который перекрывает доступ в нижнюю часть колонны.

 

Цементирование  потайных колонн и секций

Спуск обсадной колонны  секциями, а также потайной колонны  осуществляют на колонне бурильных  труб, с которой они соединены  переводником с левой резьбой. Для  цементирования секций и потайных колонн используют способ одно-циклового цементирования с одной разделительной пробкой. Она состоит из двух частей: проходной пробки, имеющей наружный диаметр, соответствующий внутреннему диаметру цементируемых труб (она закрепляется шпильками на разъединителе нижнего конца бурильной колонны), и упругой пробки малого диаметра, которая свободно может проходить по колонне бурильных труб.

Упругую пробку вводят в  бурильную колонну вслед за тампонажным  раствором, под давлением продавочной  жидкости она опускается до проходной  пробки и задерживается в ней. Под воздействием возрастающего давления шпильки, удерживающие проходную пробку на бурильной колонне, срезаются, и обе пробки как одно целое перемещаются вниз до упорного кольца. Сигналом полного продавливания раствора в затрубное пространство служит повышение давления нагнетания. Для промывки колонны бурильных труб от оставшегося в них цементного раствора в нижнем переводнике с помощью шара, сбрасываемого в колонну, открывают проточные отверстия. Потоком промывочной жидкости остатки цементного раствора вымываются из колонны.