ЦЕМЕНТИРОВАНИЕ БУРОВЫХ СКВАЖИН (2003 год) - часть 2

МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НЕОБХОДИМОЙ СВЯЗИ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ В ЗАКОЛОННОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Для обеспечения надежной связи цементного камня с поверхностью обсадной колонны необходимо выполнение следующих условий:

• удаление с поверхности обсадных труб смазки, а в отдельных случаях и покраски перед спуском их в скважину;

• снятие избыточного перепада внутреннего давления в обсадной колонне, создаваемого для определения «Стоп» в конце цементирования;

• испытание на герметичность резьбовых соединений обсадной колонны до момента схватывания тампонажного раствора;

• обеспечение достаточной силы сцепления цементного камня с обсадной колонной по контактирующей поверхности.

По результатам многочисленных испытаний, проведенных по специальной методике, удельные силы сцепления цементного камня с колонной в зависимости от свойств тампонажных растворов, находятся в пределах 130-450 г/см2. Сила сцепления, действующая на всю площадь контакта цементного камня с поверхностью колонны (Рс), с учетом результатов акустической цемен-тометрии (АКЦ) определяется из соотношения:

ВЫБОР РЕЖИМА ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ

Режим цементирования, обеспечивающий наибольшую степень равномерного заполнения заколонного пространства тампо-нажным раствором, определяется величиной соответствующей подачи цементировочных насосов на каждом этапе цементировочной операции.

Технологический процесс цементирования состоит, в основном, из следующих четырех этапов, связанных с нагнетанием рабочих жидкостей в скважину:

• приготовление и нагнетание тампонажного раствора в колонну до начала заполнения им заколонного пространства;

• нагнетание тампонажного раствора в колонну с момента начала заполнения им заколонного пространства, что происходит при условии:

Кроме основных, существуют переходные стадии режимов этих потоков. Наиболее эффективным, способствующим максимальному заполнению заколонного пространства тампонажным раствором, является турбулентный режим. Критерием этого режима является соответствующее число Рейнольдса, которое достигается, в основном, высоким значением подачи насосов, обеспечивающим необходимую скорость восходящего потока.

Большое влияние при получении турбулентного режима имеют реологические свойства тампонажного раствора.

Образование турбулентного режима в заколонном пространстве при цементировании представляет особую сложность, а в ряде случаев - недостижимо.

Сложность, главным образом, заключается в потребности большого числа насосных установок с соответствующей гидравлической мощностью. Кроме того, препятствием в получении такого режима является развитие гидродинамического давления за колонной до недопустимых значений. Регламентирующим условием в данном случае является

По результатам многочисленных исследований и наблюдений для получения структурного (пробкового) режима скорость

восходящего потока за колонной должна быть в пределах 0,15-0,45 м/с в зависимости от свойств растворов.

Расхаживание обсадной колонны в процессе цементирования изменяет режимы течения жидкостей в заколонном пространстве. При подъеме колонны в забойной зоне образуется пространство, при заполнении которого скорость восходящего потока снижается. При этом соответственно уменьшается гидродинамическое давление в заколонном пространстве. При погружении колонны в процессе расхаживания значения этой скорости и давления возрастают. В связи с этим, при выборе режимов расхаживания необходимо учитывать допустимую скорость погружения колонны.

С одной стороны, увеличение скорости восходящего потока при расхаживании колонны способствует достижению турбулентности в заколонном пространстве, с другой - повышение давления в нем создает угрозу гидроразрыва или поглощения.

График на рис. 11, построенный по данным фирмы Weatherford (США), дает представление об изменении режимов течения рабочих жидкостей в заколонном пространстве при расхаживании обсадной колонны.

Степень заполнения заколонного пространства тампонажным раствором зависит от многих факторов, действующих независимо и совместно. Установить их корреляционную зависимость практически не представляется возможным.

Тем не менее, исследования в этом направлении продолжаются. Одним из результатов таких исследований являются данные, полученные американскими специалистами, (приведены в табл. 5).

При определении режимов цементирования необходимо включать расчет так называемого контактного времени, которое представляет собой время контактирования стенок скважины в интервале залегания продуктивного пласта с тампонажным раствором при движении его в заколонном пространстве в турбулентном режиме. Как правило, контактное время выбирают равным 10 мин.

Таблица 5 Результат исследований степени вытеснения бурового раствора тампонажным при цементировании в различных условиях

БУФЕРНЫЕ ЖИДКОСТИ. НАЗНАЧЕНИЕ И СВОЙСТВА

Основным назначением буферных жидкостей является достижение следующих целей:

• предотвращение образования смесей тампонажного и бурового растворов на их контактах в заколонном пространстве;

• удаление углеводородной и других по составу пленок, препятствующих прочной связи цементного камня с поверхностями обсадной колонны и стенок скважины;

• очистка каверн, желобов и участков искривленных и горизонтальных стволов скважины от шлама.

По свойствам и назначению буферные жидкости делятся на:

■ низковязкие;

■ структурные;

■ вязкоупругие;

■ аэрированные;

■ эрозионные;

■ • водные растворы солей;

• растворы кислот;

■ комбинированные.

Перечисленные буферные жидкости выбирают и применяют в зависимости от состояния ствола скважины, ее геологического разреза и условий цементирования. При выборе буферной жидкости необходимо учитывать ее плотность и объем, способных привести (как правило) к изменению гидростатического давления в заколонном пространстве.

В связи, с этим объем буферной жидкости должен быть ограничен. Для достижения ожидаемого эффекта от применения бу-ферной жидкости ее объем должен обеспечивать протяженность интервала заполнения заколонного пространства, составляющего 150-200 м. При этом снижение гидростатического давления в нем должно быть в пределах допустимого, для чего объем буферной жидкости определяют по формуле

Для этой цели кроме нижней разделительной пробки, разделяющей тампонажный раствор с буферной жидкостью, необходимо применение еще одной нижней пробки для разделения буферной жидкости с вытесняемым буровым раствором.

При использовании технической воды и других моющих буферных жидкостей в применении двух нижних разделительных пробок нет необходимости.

Основные сведения о составах буферных жидкостей даются в табл. 6.

Таблица 6 Основные сведения о буферных жидкостях

ГЛАВА 2
СПОСОБЫ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН

Способы цементирования обсадных колонн выбирают в зависимости от геолого-технических условий строительства скважин, а также в соответствии с требованиями, выполнение которых обеспечивает надежность их крепления.

СПОСОБ СПЛОШНОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ

Наиболее распространенным является способ сплошного цементирования, предложенный А.А. Перкинсоном в 1910 г., с применением двух разделительных пробок, ограничивающих столб цементного раствора при движении его в обсадной колонне.

В отечественной практике цементирования скважин применением нижней разделительной пробки часто пренебрегают, что

иногда приводит к серьезным осложнениям в скважине. Главным образом эти осложнения вызваны «оголением» башмака колонны,(которое происходит по следующей причине.

В процессе цементирования при движении тампонажного раствора в колонне на стенках труб остается несмываемая пленка бурового раствора, толщина которой зависит от его свойств, главным образом липкости, и достигает иногда 1 мм и более. При отсутствии нижней разделительной пробки, цель применения которой заключается в удалении этой пленки, образованный на стенках труб слой бурового раствора снимается верхней разделительной пробкой и в виде пачки смеси бурового раствора с цементным накапливается под пробкой (рис. 13). Объем такой пачки зависит от толщины пленки бурового раствора и глубины спуска колонны. Иногда этот объем превышает объем пространства в зумпфе, то есть ниже кольца «стоп». В этом случае в конце цементирования пачка из этой смеси вытесняется за колонну, удаляя цементный раствор. Часть ответственного интервала остается не зацементированным. При цементировании эксплуатационной колонны «оголенной» остается часть продуктивного пласта с угрозой межпластовых перетоков. У промежуточных колонн отсутствие прочного цементного камня за башмаком часто приводит к тому, что в процессе бурения роторным способом при вращении бурильных труб и ударах ими о незацементированный башмак отбиваются 2-3 нижние трубы, которые «ползут» вслед за долотом.

Связанное с этим осложнение в скважине, как правило, устранить не представляется возможным в результате чего скважину ликвидируют по техническим причинам.

СПОСОБ СТУПЕНЧАТОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ

При необходимости подъема тампонажного раствора на большую высоту часто возникают сложности, которые препятствуют осуществлению сплошного цементирования. Эти сложности, главным образом, выражены следующими геологическими и техническими условиями:

• угрозой поглощения тампонажного раствора в цементируемых интервалах с АНПД;

• преждевременным загустеванием и схватыванием тампонажного раствора в скважинах с высокими значениями забойной температуры;

• недопустимо высоким значением рабочего давления в конце цементирования;

• недостаточной гидравлической мощностью насосных установок, находящихся в распоряжении исполнителей работ.

Кроме перечисленных существуют другие условия, в том числе и организационного характера, в которых ступенчатое цементирование является более целесообразным^

В обычных несложных условиях применяют способ с разрывом во времени между цементированием каждой ступени, применяя для открытия циркуляционных отверстий муфты ступенчатого цементирования (МСЦ) падающую пробку-бомбу (рис. 14). В этом случае в течение времени между первой и второй ступенями скважину оставляют без промывки до момента погружения пробки-бомбы в муфту, открытия циркуляционных отверстий и восстановления циркуляции. Это обстоятельство часто становится причиной серьезных осложнений в скважине.

При цементировании наклонно-направленных скважин с отклонением от вертикали более чем 30 градусов или скважин с интенсивным искривлением ствола, применение пробки-бомбы исключает возможность открытия циркуляционных отверстий, так как при погружении в скважину под действием гравитации она зависает на стенке обсадной трубы, не достигая муфты.

Даже при беспрепятственном погружении пробки-бомбы в муфту, которое длится около одного часа, восстановить циркуляцию не всегда возможно.

Основной причиной при этом является загустевание тампо-нажного раствора над муфтой, высота столба которого в соответствии с «Инструкцией по креплению нефтяных и газовых скважин» [9] должна составлять не менее 150 м.

Восстановлению циркуляции в этих случаях иногда способствует эксцентричное расположение муфты в сечении скважины. При этом тампонажный раствор под ней поднят не по всему сечению, а одной стороной, оставляя не зацементированное пространство с другой стороны. Однако, следуя действующим инструкциям, муфту необходимо центрировать, устанавливая пружинные или жесткие центраторы на обсадные трубы над и под ней.

При подъеме тампонажного раствора по всему сечению зако-лонного пространства на высоту 150 м и более, и ожидании открытия циркуляционных отверстий в муфте, которое длится около часа, создается угроза серьезного осложнения. Находясь длительное время без движения, тампонажный раствор теряет свою подвижность вследствие процесса седиментации или загустева-ния. В этом случае после открытия отверстий в муфте МСЦ восстановить циркуляцию в скважине не представляется возможным.

Радикальным решением приведенных выше проблем является замена пробки-бомбы продавочной пробкой, движущейся потоком нагнетаемых жидкостей. Кроме этого, с целью повышения качества цементирования первой ступени можно применить нижнюю пробку с целью предотвращения смешивания вытесняемой из колонны жидкости с тампонажным раствором (рис. 14).

Процесс цементирования первой и второй ступеней можно осуществить непрерывно и с разрывом во времени. В этом случае в отличие от цементирования с пробкой-бомбой открытие циркуляционных отверстий МСЦ осуществляется в процессе момента «стоп» и срезка тампонажного раствора над муфтой происходит до момента потери его подвижности.

При цементировании без разрыва во времени вслед за спуском продавочной пробки, открывающей отверстия МСЦ, закачивают тампонажный раствор второй ступени, затем пробку для закрытия отверстий в муфте и продавочную жидкость второй ступени. Непрерывное цементирование двух ступеней осуществляют в зависимости от условий скважины при достаточном количестве цементировочной техники. При отсутствии необходимости или возможности цементирования таким способом вслед за продавочной пробкой, открывающей отверстия муфты, закачивают буровой раствор для срезки поднявшегося над муфтой тампонажно-го раствора и удаления его из заколонного пространства. В это время ведут подготовку для цементирования второй ступени.

Цементирование с одновременной посадкой нижней пробки первой ступени на кольцо «стоп» и продавочной пробки в муфту МСЦ для открытия отверстий требует большого внимания и точности объема закачиваемой продавочной жидкости. В случаях закачки лишнего его объема момент «стоп» наступит до погружения верхней пробки в муфту, после чего открыть отверстия не представится возможным. При недокачке объема продавочной жидкости отверстия в МСЦ открываются преждевременно и движение жидкости в зоне^башмака прекращается и остается так называемый цементный «стакан» высотой, соответствующей не-докачанному объему продавочной жидкости.

Практически превышение объема продавочной жидкости над расчетным приводит к более тяжелому осложнению. Наиболее серьезное может возникнуть при использовании нижней пробки, применяемой в комплекте муфт российского стандарта . При использовании нижних пробок, предложенных ОАО «НПО «Бурение» (рис. 15), и снабженных диафрагмой, перекрывающей сквозное отверстие вдоль оси пробки вероятность такой аварийной ситуации исключается.

В этом случае при преждевременной посадке данной пробки под действием перепада давления дельтаР = Рнад-Зпод (где и

Рнад и Рпод - давления в надпробочном и подпробочном пространствах) диафрагма разрушается и сверхрасчетный объем порции продавочной жидкости прокачивается сквозь открывшееся отверстие в пробке.

Это дает возможность гарантированной посадки верхней пробки в муфту и открытия отверстий в ней. Однако, при значительных объемах излишков продавочной жидкости, создается угроза оголения башмака обсадной колонны, что часто также представляет серьезное осложнение.

При осуществлении процесса ступенчатого цементирования без разрыва во времени между ступенями, существенную сложность представляет операция по спуску пробок в цементировочную головку. В отличие от пробки-бомбы - продавочную пробку для открытия отверстий муфты МСЦ пускают до завершения процесса цементирования первой ступени и время на ее пуск в колонну ограничено. В связи с этим, создается необходимость в применении цементировочной головки в виде контейнера, способного вместить и зафиксировать все три цементировочные пробки (кроме нижней, разделяющей тампонажный раствор с буферной жидкостью) (рис. 16). Пуск каждой из них осуществляют без вскрытия цементировочной головки, что значительно упрощает и ускоряет эту операцию

В американской практике этого способа цементирования (фирма Halliburton) две первых пробки, отделяющих столб там-понажного раствора в колонне сверху и с низу, представляют собой более сложное устройство с байпасом в нижней части (рис. 17).

При посадке такой пробки на упор под действием перепада давления манжеты пробки прогибаются вниз, обеспечивая проход жидкости к байпасному устройству и через него в подпро-бочное пространство. На наш взгляд, это связано с риском закупоривания проходного отверстия байпаса обрывками резины в случае отрыва манжеты пробки, что иногда происходит на практике.

СПОСОБ СПУСКА И ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН СЕКЦИЯМИ И ПОТАЙНЫХ КОЛОНН

В зависимости от ряда геолого-техиических условий обсадную колонну спускают и цементируют секциями, как правило -двумя.

Первую секцию (она же представляет собой потайную колонну) спускают на бурильных трубах с помощью специального подвесного устройства (рис. 18), которое состоит из следующих элементов: корпуса 1, верхнего переводника 2, резьбовой втулки 3, тяги 4, сальникового корпуса 5, верхнего полого вала 6, нижнего полого вала 7, нижнего переводника 8, сальниковых узлов (рис. 18 а). В состав сальникового узла 9 входят манжеты 10, опорное кольцо 11, нажимное кольцо 12 и нажимная гайка 13. В корпусе 1 размещен шариковый упорный подшипник 14, несущий нагрузку от массы спускаемой секции. В нижней части корпуса установлена зубчатая соединительная полумуфта 15, взаимодействующая с зубчатой муфтой 16, помещенная в верхней части нижнего полого вала 7. Резьбовая втулка 3 соединена с нижним полым валом 7 с помощью пальцев 17 и способна перемещаться вдоль шлицов. Резьбовая втулка 3 соединена с тягой и с сальниковым корпусом 5, перекрывающим герметично промывочное окно 18. Резьбовая втулка 3 соединена подвижно вдоль шлицов с валом 7 пальцами 17, входящими в шпоночные пазы вала 7. Втулка 3 соединена с тягой 4 и сальниковым корпусом 5, герметично перекрывающим промывочное окно 18, который соединен с сальниковым корпусом 5 винтами 19.

Соединение подвесного устройства к нижнему элементу устройства стыковочного осуществляют в следующем порядке. В этот элемент ввинчивают переводник с левой резьбой (левый переводник, рис. 19 поз.5), к нижней части которого посредством патрубка 6 крепят на срезных штифтах 8 подвесную пробку со сквозным отверстием. Верхняя часть пробки под отверстием оборудована «седлом» для стыковки верхней пробки 9, спускаемой по бурильным трубам.

Переводники 4 и 5 между собой дополнительно крепят точечной электросваркой. Спуск первой секции обсадной колонны осуществляют на бурильных трубах соответствующего диаметра. Цементирование производят с применением верхней пробки 9, которую помещают в специальную цементировочную головку, навернутую на бурильные трубы, и пускают после нагнетания тампонажного раствора в скважину. Посадку пробки 9 на подвесную пробку 7 контролируют, закачав продавочную жидкость объемом, соответствующим внутреннему пространству колонны бурильных труб. При этом снижают скорость закачки, сводя до минимума гидропотери в колонне

После посадки верхней пробки в подвесную давление возрастает до величины, соответствующей критической нагрузке на стопорные штифты, удерживающие подвесную пробку. Как правило, перепад давления для создания нагрузки для среза штифтов составляет 4,0-6,0 МПа. После среза штифтов сдвоенная пробка продавливается по трубам первой секции обсадной колонны до упора (кольца «стоп» или обратного клапана), что обозначает завершение цементирования первой секции. После этого производят сброс давления, отсоединяют цементировочную головку, а если у нее предусмотрено соединение с трубой ведущей квадратного сечения, то только снимают крышку, освобождая резьбу для присоединения этой трубы, соединив ее с бурильными трубами, приступают к освобождению подвесного устройства от стыковочного устройства первой секции. Для чего вращением бурильных труб вправо открывают промывочные отверстия в подвесном устройстве (рис. 18, поз. 18) и производят срезку части тампонажного раствора, поднятой над первой секцией. Эту операцию с вращением осуществляют периодически до начала схватывания тампонажного раствора. После этого разгружают буровой инструмент и производят отворот левого переводника. Освобожденные от стыковочного устройства бурильные трубы поднимают на поверхность.

Для цементирования второй секции обсадной колонны и стыковки ее с первой, нижнюю трубу второй секции оборудуют специальным направляющим конусом (рис. 20, поз.3) и спецмуф-той (поз. 1). Цементирование осуществляют в обычном порядке с

применением верхней разделительной пробки 5 (рис. 20). В процессе цементирования необходимо расхаживать колонну с амплитудой не менее 1,5 м с целью недопущения ее прихвата, исключающего возможность стыковки. Кроме этого, расхаживание колонны при заполнении заколонного пространства тампонаж-ным раствором будет способствовать лучшему вытеснению бурового раствора, защемленного на суженных участках. После цементирования вторую секцию опускают с заходом стыковочного патрубка 2 в спецмуфту 1. Благодаря коническим поверхностям деталей стыковочного устройства, обозначенных индексом А на рис. 20, обеспечивается герметичность их соединений, которая повышается схватившимся тампонажным раствором.

Более детальное описание операций спуска и цементирования обсадных колонн секциями дается в соответствующих инструкциях. Описанное выше устройство представляет лишь один вариант спуска и цементирования колонн секциями или потайной колонны с подвеской на цементном камне. Существуют и другие варианты как с описанной подвеской, так и с подвеской первой секции (или потайной колонны) на сухарях. Однако порядок цементирования их, как правило, аналогичен.

содержание .. 1 2 3 ..