технология бурения 3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При разнице в плотностях бурового и тампонажного растворов более 300 кг/м3 для оценки характера распределения цементного камня за колонной, изменения его плотности, а также эксцентриситета колонны рекомендуется применять радиоактивные цементомеры ЦМТУ-1 и СГДГ-2.

Для определения состояния контакта цементного камня с колонной и породой следует применять акустические цементомеры АКЦ-1 или AKЦ-2.

Вцелях получения наибольшей информации о качестве цементирования скважин рекомендуется проводить комплексные исследования термометрией, акустическим и радиоактивным цементомерами до и после вскрытия продуктивных пластов перфорацией.

Герметичность обсадных колонн проверяют на действие внутреннего и наружного избыточного давления [19].

Во время испытания на внутреннее избыточное давление обсадная колонна опрессовывается. Для этого продавочную жидкость в колонне заменяют водой и создают на устье давление не менее чем на 10 % превышающее максимальное ожидаемое давление в период опробования или эксплуатации скважины. В любом случае давление опрессовки должно быть не ниже нормативного.

Внекоторых случаях обсадную колонну целесообразно опрессовывать по секциям, отделяя ее от нижерасположенных при помощи пакера.

Колонна считается герметичной, если после замены продавочной жидкости водой не наблюдается перелива жидкости и выделения газа на устье

иесли в период выдерживания колонны под опрессовочным давлением

Ропр > 7 МПа в течение 30 мин давление не снижается более чем на 0,5 МПа или при Ропр ≤ 7 МПа не более 0,3 МПа. Контроль начинают вести через 5 минут после создания заданного давления.

Герметичность колонны в скважинах, в которых давление на устье в период эксплуатации и освоения не превышает атмосферного, проверяют на наружное избыточное давление, называемого методом снижения уровня жидкости. Для этого внутри обсадной колонны снижается уровень жидкости на 20–50м ниже того, при котором предполагается вызывать приток пластовой жидкости. Глубина снижения уровня не должна превышать величины, при которой избыточное наружное давление может привести к смятию колонны, но глубина снижения уровня должна быть не ниже нормативного значения, зависящего от глубины скважины.

Глубина скважины, м	500	500-1000	1000-1500	1500-2000	2000
Наименьшая нормативная глубина	400	500	650	800	1000
снижения уровня, м

Колонну считают герметичной, если за 8 часов наблюдения уровень жидкости в ней не поднимется более определённых значений.

287

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

	Диаметр		Нормативное значение подъема уровня жидкости
		в обсадной колонне, м при глубине снижения уровня, м
	колонны, мм
		<400		400-600	600-800	800-1000	>1000
	114-219	0,80		1,10	1,40	1,70	2,00
	219	0,50		0,80	1,10	1,30	1,50

Если колонна спущена в несколько приемов, ее герметичность обычно проверяют после затвердевания тампонажного раствора гидравлической опрессовкой сначала верхнего участка, затем следующих. Если один из них оказывается не герметичным, устраняют обнаруженные дефекты, и повторно опрессовывают, и лишь затем проверяют герметичность следующего участка.

В газовых скважинах герметичность устьевой части дополнительно проверяют опрессовкой воздухом. Для этого в обсадную колонну спускают НКТ, межколонное пространство герметизируют при помощи превентора или фонтанной арматуры, восстанавливают обратную промывку водой, в которую нагнетают воздух. После того, как давление нагнетания достигнет максимума, задвижку на устье межколонного пространства закрывают, и в НКТ цементировочным насосом закачивают воду до тех пор, пока давление сжатого воздуха в межколонном пространстве не достигнет заданного давления.

Если на кондукторе или промежуточной колонне должен устанавливаться превентор, то его также опрессовывают. При этом необходимо чтобы башмак колонны находился в интервале непроницаемых пород.

17.7. Расчет параметров процесса цементирования

Способ цементирования зависит от геологических условий разбуриваемой площади, высоты подъема тампонажного раствора, опасности возникновения газопроявлений, наличия необходимого количества цементировочной техники, технологической оснастки и т.д. Можно выбрать прямой (одноступенчатый, многоступенчатый, с разрывом во времени, без разрыва во времени), обратный, метод встречных заливок и др.

Расчет процесса цементирования делится на следующие этапы:

-обоснование необходимой плотности тампонажного раствора;

-определение вида и потребного количества материалов (цемента, модифицирующих добавок, реагентов, воды для приготовления тампонажных растворов);

-обоснование вида и определение объемов продавочной и буферной жидкостей;

-расчет необходимого количества цементировочной техники по видам;

-обоснование схемы расстановки цементировочной техники;

-определение режимов работы цементировочной техники (расчет процесса закачивания и продавливания тампонажного раствора);

-определение планируемого времени цементирования, корректировка рецептуры тампонажного раствора.

288

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

17.7.1. Обоснование плотности тампонажных материалов

Плотность тампонажного раствора определяется из условий недопущения гидроразрыва наиболее «слабого» пласта в процессе цементирования Ркп ≤ Ргр, с учетом того, что интервал продуктивного горизонта должен быть зацементирован тампонажным материалом без облегчающих добавок.

При этом: Ргр – давление гидроразрыва наиболее слабого пласта (определяется по графику совмещенных индексов давлений); Ркп – ожидаемое давление в кольцевом пространстве против «слабого» пласта на момент окончания цементирования.

Ркп = Рскп + Ргд + Рукп ,

(17.48)

где Рскп – гидростатическое давление составного столба жидкостей в кольцевом пространстве против «слабого» пласта на момент окончания цементирования; Ргд – гидродинамическое давление в кольцевом пространстве против «слабого» пласта; Рукп – противодавление на устье скважины в кольцевом пространстве (задается в зависимости от принятой технологии цементирования для исключения разрыва сплошности потока цементного раствора в процессе его закачки при цементировании).

Поскольку гидродинамическое давление зависит от плотности тампонажного раствора и его реологических характеристик, а последний в свою очередь определяется плотностью, то решение данной задачи целесообразно производить методом последовательных приближений. Для этого задается верхняя и нижняя границы возможных вариаций плотности тампонажного раствора.

ρцрн = ρпж + 200
в		Ргр − ρпж.g.h	,	(17.49)
ρцр	=
		g(Lсл − h)

где ρ пж – плотность промывочной жидкости, применяемой при вскрытии продуктивного горизонта, кг/м3; Lсл – глубина залегания подошвы наиболее

«слабого» пласта, м; h – уровень тампонажного раствора от устья, м. Плотность тампонажного раствора выбирается в пределах установлен-

ных границ ρ цр н ≤ ρ цр ≤ ρ црв и на момент окончания цементирования

проверяется условие Ркп ≤ Ргр. При этом следует учитывать, что чем меньше плотность тампонажного раствора, тем, как правило, хуже качество образующегося цементного камня (ниже прочность и коррозионная стойкость, выше проницаемость и т.д.) В случае отсутствия достаточно

289

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

больших каверн (Dc ≤ 1,15*Dд) и концентричного расположения труб в скважине процесс продавливания рекомендуется осуществлять при пробковом режиме движения жидкостей в кольцевом пространстве, а при значительной кавернозности (Dc > 1,15*Dд) – при турбулентном. Пробковый режим движения жидкостей обеспечивается при скорости потока

ω кп ≤ω кр , а турбулентный при ω кп ≥ ω кр . При невыполнении условия Ркп≤

Ргр расчетную плотность тампонажного раствора понижают на 100 кг/м3 и вычисления повторяют.

Следует учитывать, что если не оговорены специальные условия, интервал продуктивного пласта и зона не менее чем на 300–500м выше должна цементироваться цементным раствором нормальной плотности

(1800–1900 кг/м3).

17.7.2. Обоснование потребного объема материалов

Потребный объем тампонажных растворов для заполнения кольцевого пространства

V = 0,785(Dc 2 − D 2 )l о

(17.50)

и обсадной колонны ниже кольца «стоп»

Vтрк = 0,785 Dв

2 (L − Lстоп ) ,

(17.51)

где l – длина столба тампонажного раствора в кольцевом пространстве (по стволу скважины), м; Dc – диаметр скважины (с учетом коэффициента кавернозности) или внутренний диаметр предыдущей обсадной колонны; Dв – внутренний диаметр обсадной колонны, м; Lстоп – глубина располо-

жения кольца «стоп», м.

В случае применения тампонажных растворов различной плотности рассчитывается объем каждого типа раствора.

Потребное количество материалов (q) для приготовления единицы объема тампонажного раствора необходимой плотности ρтр определяется из уравнения

q =	ρ цр	,	(17.52)
	1+ (В/ Ц)

где В/Ц – водоцементное (водотвердое) отношение; При регламентированных (определенных экспериментально в лабора-

тории) значениях В/Ц, ρж, ρтв количество цемента для приготовления 1 м3 цементного раствора может быть определено из уравнения

290

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

	q =	ρ тв ρ ж
		ρ ж +(В/ Ц) ρ тв .	(17.53а)

Следует помнить, что тампонажные растворы нормальной плотности получают из портландцемента при В/Ц = (0,45–0,50). Для получения утяжеленных или облегченных тампонажных растворов применяют утяжеляющие или облегчающие добавки в количестве 15–40% от массы сухой тампонажной смеси. Утяжеленные тампонажные растворы имеют В/Ц (В/Т) = (0,30–0,45), а облегченные 0,7–1,2. При расчетах по уравнению (17.53) значение ρтв должно учитывать плотность добавок, использованных для регулирования плотности получаемого тампонажного раствора.

Количество материалов для приготовления 1 м3 тампонажного раствора с облегчающими или утяжеляющими добавками можно рассчитать, пользуясь следующей системой уравнений:

qc (1+ В/Т)= ρцр

		1− а		а
	qc		+		+ 10	−3 (В/Т)	= 1	(17.53.б)
				ρ д
		ρ ц

q = qc (1 - а), qд = qc. а,

где qc, q, qд – соответственно, общее количество тампонажного материала и отдельно цемента и добавки; а – доля добавки в тампонажной смеси; ρц, ρд – плотность цемента и добавки; В/Т – водотвердое отношение.

Массовая доля облегчающей или утяжеляющей добавки задается из соображений обеспечения седиментационной устойчивости или прокачиваемости тампонажного раствора и определяется обычно по данным лабораторных испытаний. При использовании в качестве облегчающей добавки глинопорошка его доля в сухой тампонажной смеси не должна превышать 15–20%. В противном случае резко снижаются прочностные характеристики камня и его коррозионная стойкость. Следует иметь в виду, что глина, как облегчающая добавка к цементам, является наихудшей из всех традиционно применяемых материалов.

Общая масса тампонажного материала для приготовления тампонажных растворов

Gтм = Kт . ( qc ) . Vтр ,

(17.54)

где Кт = 1,03 – 1,06 – коэффициент, учитывающий потери цемента при транспортировке и затворении.

Вид тампонажного материала зависит от температуры в скважине, агрессивности пластовых флюидов и выбирается на основе экспериментальных данных.

291

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Количество жидкости для затворения каждого из тампонажных растворов определится из выражения

Gж = Kв . (B/Ц ) . Gтм ,

(17.55)

где Kв = 1,08 – 1,20 – коэффициент, учитывающий потери воды. Количество химических реагентов, используемых при цементировании

для регулирования свойств тампонажных растворов (тампонажного камня) рассчитывается в процентах по отношению к массе сухого тампонажного материала. Как правило, для этого используют результаты лабораторных исследований.

Необходимый объем продавочной жидкости будет равен объему манифольда и внутреннему объему обсадной колонны без цементного стакана.

Vпрод.ж = (Vман. + Vобс.кол - Vцем.ст) . ,

(17.56)

где Vман. – объем манифольда – трубопроводов, связывающих цементировочные агрегаты с цементировочной головкой, м3. Для практических расчетов Vман. ≈ 0,5 м3; – коэффициент, учитывающий сжимаемость продавочной жидкости (принимается 1,02 – 1,04); Vобс.кол – внутренний объем обсадной колонны.

17.7.3. Обоснование технологических параметров процесса закачивания тампонажного раствора

Определяется число смесительных машин для каждого вида тампонажного материала (псм)

псм = Gтм / тнас . Vбунк ,

(17.57)

где тнас – насыпная масса сухой тампонажной смеси, кг/м3; Vбунк – емкость бункера смесительной машины, м3.

Следует помнить, что смесительные машины (2СМН-20, АС-20) имеют транспортную грузоподъемность 8–10 т., тогда как в стационарных условиях их грузоподъемность может составлять 20 т. Это необходимо учитывать при определении числа смесительных машин и планировать, при необходимости, привлечение цементовозов для доставки цемента на буровую.

Тип цементировочного агрегата зависит от выбранных смесительных машин. Например, цементировочные агрегаты ЦА-400 не имеют водяного насоса, поэтому их следует использовать с машинами АС-20, имеющими такой насос. В комплекте цементировочных агрегатов ЦА-320 имеется водяной насос для подачи воды в смеситель при затворении тампонажного раствора и эти агрегаты можно использовать в паре со смесителем 2СМН20. Характеристики цементировочных и насосных агрегатов приведены в справочной литературе [13] .

292

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Количество цементировочных агрегатов (ЦА), работающих совместно с конкретной цементосмесительной машиной, определяется производительностью смесителя по тампонажному раствору и суммарной производительностью насосов высокого давления у ЦА, производящих закачку приготовленного раствора в скважину. Эти производительности должны соответствовать друг другу. Производительность смесителя по тампонажному раствору зависит от производительности водяного насоса Qвн и состава тампонажного раствора.

Qсм = Qв / (В/Ц).qc

(17.58)

Примерные производительности смесительных машин показаны в таб-

лице 17.21.

Из таблицы 17.21, например, следует, что при Qв = 13 л/с с каждой смесительной машиной должны работать не менее двух ЦА-320 (максимальная производительность ЦА-320 при втулках 125 мм равна 14 л/с).

Таблица 17.21 Производительность смесительных машин по тампонажному раствору, л/с

	Водоцементное отношение раствора (В/Ц)	Подача водяного насоса (Qв), л/с
		7	13
	0,4 – 0,5	11 – 12	21 – 22
	0,8 – 1,0	8,5 – 9,6	16 – 18

Следует также учитывать, что в процессе цементирования возможны поломки ЦА, поэтому во избежание перерывов в работе при цементировании глубоких скважин стремятся с каждой смесительной машиной обвязывать два ЦА.

Общее количество ЦА зависит от графика работы смесителей. При параллельной (одновременной) работе смесителей в приготовлении и закачке тампонажного раствора участвуют все ЦА. Естественно, что параллельно могут работать смесители, загруженные одним тампонажным материалом.

При последовательной работе смесителей цементировочные агрегаты, затворившие цемент из первого смесителя, во время работы второго смесителя могут подсоединиться к третьему смесителю и участвовать в его работе. Последовательная работа смесителей позволяет сократить количество цементировочных агрегатов, но увеличивает продолжительность цементирования скважины. Вследствие этого, а также из-за сложностей с обвязкой ЦА с двумя смесителями она применяется редко, только при недостатке агрегатов для закачки и продавки тампонажного раствора.

При планировании операции цементирования необходимо определить количество тампонажных материалов по видам загружаемого в каждую цементосмесительную машину, объемы воды, находящиеся в мерных ем-

293

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

костях цементировочных агрегатов, количество химических реагентов, добавляемых в жидкость для каждого вида тампонажного материала. Важно определить схему подачи продавочной жидкости к агрегатам, участвующим в процессе продавки.

Применяемые в настоящее время цементосмесительные машины не обеспечивают постоянной подачи тампонажного материала в воронку смешения, в результате чего не всегда обеспечивается постоянство состава и свойств тампонажного раствора. В связи с этим в процессе приготовления и закачки тампонажного раствора в скважину целесообразно использовать осреднительную емкость. Особенно это важно при последовательной работе смесительных машин. В этом случае ЦА, обвязанные со смесительными машинами, откачивают приготовленный тампонажный раствор в осреднительную емкость, а другие цементировочные (ЦА) или насосные агрегаты (АН) нагнетают тампонажный раствор из нее в скважину. Суммарная производительность насосных агрегатов, откачивающих тампонажный раствор из осреднительной емкости, должна соответствовать производительности смесительных машин, готовящих тампонажный раствор.

Следует учесть, что при больших скоростях закачки тампонажного раствора при параллельной работе смесительных машин давление на цементировочной головке может превысить допустимое давление цементировочных агрегатов из-за чрезмерного роста гидравлических сопротивлений внутри обсадной колонны и кольцевом пространстве.

Для обеспечения непрерывности потока процесс продавливания должен начинаться с производительностью, на которой закачивается закачка цементного раствора в обсадную колонну.

При продавливании тампонажного раствора в заколонное пространство должны выполняться условия:

Ркп ≤ Ргр,	(17.59)
Рцг ≤ [Рнас],	(17.60)

где Рцг = Ргскп – Ргсок + Ргдкп + Ргдок, Ргскп – гидростатическое давление в кольцевом пространстве на уровне забоя скважины; Ргсок – гидростатическое давление в обсадной колонне на уровне забоя скважины; Ргдкп – гидродинамическое давление, обусловленное движением жидкости в кольцевом пространстве; Ргдок – гидродинамическое давление, обусловленное движением жидкости в обсадной колонне; Рцг – давление на цементировочной головке; [Рнас] – допустимое давление, развиваемое насосом цементировочного или насосного агрегата при заданном диаметре втулок.

Для турбулентного режима движения

		8λ Q	2	N
	Ргдок =			ljm ρ jm ,	(17.61)
		π 2 .Dв	3
				i =1

294

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

где l j т – длина столба i-той жидкости в обсадной колонне, м. Для пробкового режима движения

	4	N	τ о l jт		i
Ргдок =						,	(17.62)
	D		β
	в	i=1		i

где τ оi – динамическое напряжение сдвига i-ой жидкости в обсадной колонне, Па; β i – коэффициент для i-ой жидкости, находящейся в обсадной колонне, и зависящий от критерия Сен-Венана-Ильюшина,

Seni = τ оi .D /η i .ω

(17.63)

где ηi − эффективная вязкость i-ой жидкости, находящейся в обсадной

колонне, Па.с.

Гидравлический расчет цементирования позволяет на момент времени, соответствующий любому объему закачанных жидкостей, определить давление на цементировочной головке (цементировочных агрегатах), на забое, а также против «слабого» пласта. Сопоставляя результаты расчетов с допустимыми давлениями, развиваемыми насосами цементировочных агрегатов [Рнас] и давлениями начала поглощения «слабого» пласта, рассчитывают моменты изменения режимов продавки – перехода на меньшую подачу насосов ЦА или изменения количества ЦА, участвующих в продавке.

Полученные выводы обобщаются, и окончательно устанавливаются режимно-технологические параметры процесса закачки и продавливания цементного раствора.

В соответствии с рассчитанными режимами работы цементировочной техники определяется планируемое время цементирования

		V	б.ж.	n	Viтр	N	Viпр.ж
	Tцем =			+		+		+ (600	900) сек,
		Qб.ж.			Qiз		Qiпр.ж
				i=1		i=1

где Viтр – объем тампонажного раствора, закачанного в скважину при расходе Qi; Viпр.ж – то же для продавочной жидкости; Qб.ж. – расход при закач-

ке буферной жидкости; Vб.ж. – объем буферной жидкости.

Согласно [7] оно не должно превышать 75% от времени прокачиваемости тампонажного раствора.

В случае ступенчатого цементирования расчет процесса цементирования производится аналогично, но отдельно для каждой ступени.

295

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

17.8. Предупреждение и профилактика осложнений и аварий при креплении скважин

17.8.1. Аварии с обсадными колоннами

Поскольку обсадные трубы подвержены действию избыточных давлений и растягивающих нагрузок, то и возникновение аварийных ситуаций, чаще всего, связывается именно с этими напряжениями.

Аварии от избыточного внутреннего давления могут возникать при про-

давке цементного раствора, при опрессовке обсадных колонн, при проведении гидроразрыва, проведении ремонтных работ, из-за нагрева продавочной жидкости в результате выделения тепла цемента в период ОЗЦ, при ликвидации нефтегазопроявлений и т.д. Данный вид аварий более характерен для эксплуатационныхколоннизначительнорежепроисходитсдругимиколоннами.

Основными причинами их возникновения являются:

-заводской брак;

-неправильный расчет и неправильный выбор типоразмеров обсадных колонн.

Профилактическими мерами должны быть:

-проведение опрессовки обсадных труб;

-наличие соответствующей квалификации исполнителей;

-контроль давления на цементирующей головке при ОЗЦ.

Аварии от действия наружного избыточного давления чаще встреча-

ются с промежуточными колоннами, и реже с эксплуатационными. Характерным признаком данного вида аварий является:

-смятие обсадных колонн пластичными солями или глинами;

-смятие обсадных колонн при обратном промерзании многолетнемерзлых пород;

-смятие обсадных колонн при их спуске в скважину;

Проблема устойчивости обсадных колонн является актуальной задачей и обусловлена односторонним течением пластичных солей в крыльях солевых куполов (штоков). Как правило, при бурении скважин в солях образуются каверны, при цементировании которых не всегда удается обеспечить полное замещение бурового раствора тампонажным. Поскольку части обсадной колонны, находящиеся выше и ниже соляного пласта, закреплены цементным камнем, то одностороннее течение соли и давлении соляного массива может привести к потере трубами цилиндрической формы, т.е. возможен переход из цилиндрической формы труб в овальную форму. Следствием этого является резкое снижение сопротивляемости труб наружному избыточному давлению, сопровождающееся смятием труб.

Поэтому повышение качества цементирования, в интервалах пластичных пород, для того, чтобы исключить перемещение обсадных колонн в интервалах каверн, является важнейшим профилактическим мероприятием.

296