vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ед. консистентности Бедэна, каждые 100 ед. эквивалентны повороту пружины при вращательном моменте 2080 г-см, если использовать прибор с соответствующей калибровкой [З].

Важно, чтобы время загустевания было выбрано больше, чем длительность цементирования, для исключения зацементирования поверхностной обвязки, цементировочной головки, бурильных труб или внутренней части обсадной колонны.

Последствия неудачного цементирования весьма дорогостоящие: необходимо разбурить зацементированную внутреннюю полость обсадной колонны, провести повторное цементирование, которое обычно менее эффективно, чем первое и требует дополнительных затрат времени. Поэтому точный расчет общего времени цементирования должен быть сделан до самой операции. Время загустевания должно быть равно общему времени цементирования плюс гарантированный запас, например 1 ч или 30 мин.

Таким образом, время загустевания равно времени, в течение которого цементный раствор находится в прокачиваемом состоянии, что можно определить уравнением

Тз= Тсм+ Тп+Тв+Тп.п. +Тзап,

где Тп, Тсм Тв, Тп.п, Тзап—время соответственно смешивания, приготовления, вытеснения,

прохождения пробки и запасное. Время на смешение цемента с водой и добавками

Тсм=υ с.ц/ υсм

где Vс.ц—объем сухого цемента, мешок; υ см—скорость смешения, мешок/мин.

Время Тп необходимо для приготовления цементного раствора на поверхности, когда измеряют параметры раствора. Обычно это время мало и может быть включено как часть во время смешивания.

Во время смешивания цементный раствор одновременно закачивают в обсадную колонну, пока не затворят весь объем сухого цемента. Время Тв требуется для вытеснения цемента с помощью бурового раствора из внутренней полости обсадной колонны в кольцевое пространство. Это время зависит от объ-

ема обсадной колонны и скорости вытеснения, которая равна подаче насоса, т. е.

Тв= υж.в./ υв.

где Vж. в—объем жидкости для вытеснения верхней пробки; Vв — скорость вытеснения.

При этом из объема вытесняемого цементного раствора исключается объем цементного стакана в колонне.

Запасное время обычно принимают от 30 мин до 1 ч. Время загустевания можно увеличить или уменьшить добавлением специальных реагентов.

1. Ускорители схватывания. Реагенты-ускорители добавляют для уменьшения времени загустевания

цементного раствора, т. е. ускорители используют для ускорения структурообразования, чтобы раствор приобрел необходимую прочность на сжатие (обычно 3,5 МПа) в более короткое время.

Наиболее часто в нефтяной промышленности применяют ускоритель хлорид кальция (CaCl2). Реже используют ускоритель NaCl. Эти соли ускоряют схватывание цементного раствора за счет увеличения

ионного содержания водной фазы. В результате основные компоненты цемента C3S, C2S и С3А

быстрее гидратируют и освобождают гидроксид кальция. Затем быстро формируются гидраты силиката кальция, что обеспечивает быстрый рост прочности в ранний период твердения цемента. Быстросхватывающиеся цементные растворы применяют для цементирования кондукторов и направлений, когда время ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) должно быть минимальным.

2. Замедлители схватывания. Эти реагенты добавляют для удлинения срока схватывания

цементного раствора, чтобы обеспечить время, достаточное для правильной доставки раствора в нужное место [II]. Большинство замедлителей —органического происхождения и поставляются в форме порошка или жидкости. Используют следующие замедлители: а) лигносульфонаты; б) производные целлюлозы; в) производные Сахаров и органические соединения.

ПЛОТНОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА

Плотность сухого цемента составляет 3140 кг/м3, воды— 1000 кг/м3. Плотность смеси цемента и

воды (иногда называемой плотностью чистого цементного раствора) можно установить следующим образом:

Если 100 кг цемента смешивают с 50 л воды, то плотность цементного раствора определяется из соотношения

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

где объем 100 кг цемента— (100/3140) м3; масса 50 л воды— 1000 • 50 • 10-3 кг; плотность цемента и воды—3140 и 100 кг/м3 соответственно.

Большая плотность может быть получена путем уменьшения объема воды затворения или добавлением материалов с высокой плотностью. Низкая плотность раствора иногда требуется для уменьшения опасности поглощения, которое может быть вызвано избыточным гидростатическим давлением столба цементного раствора. Раствор низкой плотности готовят путем добавления добавок с малой плотностью. Цементный раствор без добавок называется чистым цементным раствором.

Для уменьшения и увеличения плотности цементного раствора существуют различные добавки.

Облегчающие добавки

Все облегчающие добавки приводят к снижению прочности схватившегося цемента по сравнению с чистым цементным раствором. Необходимо понимать, что основной реагент-понизи-тель плотности—

вода, а также другие материалы (бентонит и т. д.) помогают связать добавочное количество воды и тем самым облегчить раствор.

Применяют следующие облегчающие добавки.

Бентонитовая глина. Эту глину, имеющую плотность 2650 кг/м3, широко используют как добавку

для снижения плотности цементного раствора главным образом вследствие ее свойства связывать большое количество воды. Для цемента класса G плотность может быть снижена от 1890 до 1510 кг/м3

путем добавления 12 % бентонитовой глины.

Диатомовая глина. Добавление этого материала также приводит к снижению плотности цементного раствора за счет увеличения количества связываемой воды. Диатомовые материалы характеризуются высокой площадью поверхности.

Гильсонит. Это легкий, инертный материал асфальтового типа, имеющий низкую плотность — 1070 кг/м3, который при смешивании с цементом снижает плотность смеси. Благодаря своим

закупоривающим свойствам этот материал также используется для борьбы с поглощением. Характерная особенность гильсонита—увеличивать объем, а не массу цементного раствора.

Пуццолан. Это кремнистый материал вулканического происхождения с плотностью 2500 кг/м3. При

смешивании этого материала с портландцементом в отношении 50:50 и добавлении 2 % бентонитовой глины получают цементный раствор с плотностью 1600 кг/м3. Пуццолан связывает больше воды, чем

цемент, таким образом снижая конечную плотность раствора. Это приводит к экономии затрат, так как пуццолан дешевле цемента. Пуццолан имеет преимущества — он может peal продать с гидроксидом кальция, создавая цементный камень, стойкий к выщелачиванию. Следует учитывать, что гид-роксид

кальция — основной продукт реакции между водой и компонентами цемента.

Утяжеляющие добавки

Утяжеляющие добавки бывают следующих видов: барит—имеет плотность 4250 кг/м3; ильменит—оксид железа и титания плотностью 4600 кг/м3;

гематит—имеет плотность 5020 кг/м3 и обычно предпочтительнее ильменита из-за своей низкой

поглощающей способности и менее вредного влияния на другие свойства цементного раствора. Добавление гематита обеспечивает цементному камню высокую прочность на сжатие.

ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТА

Прочность цемента определяется как прочность схватившегося цементного раствора на растяжение и сжатие. Прочность на сжатие—это наиболее широко используемый параметр для количественного определения прочности цемента. Цемент, имеющий прочность на сжатие 3,5 МПа, обычно считается применимым для большинства операций. Прочность на сжатие зависит от содержания воды в растворе и времени выдержки.

До спуска обсадной колонны образец предложенной цементной смеси смешивают с водой при лабораторных условиях, соответствующих ожидаемым скважинным температуре и давлению. Цементный раствор наливают в емкость соответствующего объема и оставляют для твердения на определенный период времени. Затем кубики схватившегося раствора разрушают в испытательной машине для определения прочности на сжатие образцов. За величину прочности на сжатие схватив-

шегося цемента принимают среднее значение прочности четырех или пяти образцов.

Прочность цемента можно также устанавливать способом разрыва кольца [4]. Цементное кольцо в измерительном приборе (рис. 11.2) нагружают аксиально через внутреннюю оболочку, имитирующую обсадную колонну, пока цементный камень не даст трещины. Отношение разрушающей нагрузки к площади поверхности между цементом и трубой дает значение прочности цементного кольца на разрыв

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

(касательные напряжения) [4]. Значение этого параметра повышается с увеличением прочности на сжатие или растяжение, но значительно уменьшается, если поверхность трубы смочена буровым рас-

твором [4].

Рис. 11.2. Прибор для определения прочности цемента способом разрыва кольца.

1 — обсадные трубы; 3 — цемент; 3 — контейнер

Несущая способность (Н) цементной оболочки (или разрушающая нагрузка) может быть определена из следующего уравнения:

где 5с—прочность на сжатие цементного камня, МПа; d— наружный диаметр

обсадной колонны, м; Н—высота цементного столба (кольца), м.

Пример 11.1. Определить высоту цементного столба, который необходимо поместить вокруг обсадной колонны длиной 2743 м и диаметром 244,5 мм, чтобы выдержать нагрузку 9,07-Ю6 Н.

Считаем, что прочность на сжатие цементного камня 3,515 МПа. Решение. По формуле (11.1) находим

Н - 9,07.10в/(80250•3,515-0,2445) = 131 м.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНАСТКА ОБСАДНЫХ КОЛОНН

При цементировании обсадных колонн используют следующее оборудование: колонные (направляющие) башмаки, обратные клапаны, муфты ступенчатого цементирования (дифференциальные клапаны), центраторы и скребки, цементировочные пробки.

КОЛОННЫЕ БАШМАКИ

Колонные башмаки предназначены для направления обсадной колонны по стволу скважины. Башмаки изготовлены в виде простой муфты—переводника. Башмаки могут содержать обратный клапан шарового или тарельчатого типа (с заслонкой).

Когда башмак содержит клапанный элемент, то его называют башмаком с обратным клапаном. Такой башмак предотвращает обратный переток цементного раствора в обсадную колонну после вытеснения его в кольцевое пространство.

ОБРАТНЫЕ КЛАПАНЫ

Обратные клапаны обеспечивают движение потока в одном направлении и устанавливаются через одну-две обсадные трубы от башмака. Они выполняют следующие функции:

а) предотвращают самозаполнение обсадной колонны буровым раствором при спуске ее в скважину, тем самым обеспечивая «всплывание» колонны при ее движении вниз, что в конечном счете уменьшает нагрузку на вышку;

б) препятствуют обратному перетоку цементного раствора, вытесненного в кольцевое пространство, в обсадную колонну;

в) служат при необходимости посадочным местом для цементировочных пробок.

МУФТЫ СТУПЕНЧАТОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ (ИЛИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ КОЛОННЫ)

Муфты ступенчатого цементирования (МСЦ) используют при цементировании обсадных колонн большой длины, чтобы предотвратить воздействие избыточного гидростатического давления на слабые пласты. Муфты МСЦ изготовляют из стали той же марки, что и обсадную колонну. Муфта МСЦ снабжена двумя втулками: верхней и нижней, которые удерживаются внутри нее срезными шпильками. В корпусе муфты выполнены боковые сквозные отверстия. Первоначально отверстия закрыты и открываются за счет продавливания нижней втулки вниз с помощью пробки. Отверстия закрываются вновь пуском пробки, которая продавливает верхнюю втулку в соответствующее положение.

СКРЕБКИ И ЦЕНТРАТОРЫ

Одна из основных функций бурового раствора—предотвратить проникновение пластовых флюидов в скважину путем формирования глинистой корки на стенках. Однако глинистая корка препятствует контакту цементного раствора со стенкой скважины, что ухудшает качество цементирования. Скребки используют для удаления корки бурового раствора путем ее механического разрушения вращением или возвратно-поступательным движением скребка на обсадной колонне. Скребки устанавливают на

наружной поверхности обсадной колонны, их число зависит от скважинных условий.

Практический опыт показал, что вытеснение бурового раствора можно значительно улучшить, если центрировать обсадную колонну. Если последняя не отцентрирована в скважине, то цементный раствор не вытесняет буровой раствор по всей площади кольца, а оставляет застойные зоны бурового рас-

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. 11.3. Типичная схема расстановки центраторов и скребков на обсадной колонне:

/ — стоп-кольцо; 2 — центратор; 3 — скребок

Рис. 11.4. Цементировочная пробка [1]:

а — нижняя с резиновой диафрагмой; б — верхняя с алюминиевым сердечником

твора. Центратор представляет собой устройство, центрирующее обсадную колонну в скважине, способствуя таким образом образованию более равномерной цементной оболочки вокруг колонны. Центраторы наиболее эффективны в интервалах ствола скважины, диаметр которых близок к номинальному, и обычно устанавливаются против продуктивных горизонтов. Центраторы производят различных размеров, соответствующих разным размерам скважины и обеспечивающих достаточный зазор для прокачивания флюидов.

Необходимое число центраторов определятся в зависимости от искривления скважины, длин и количества интервалов установки [5]. Там, где качественная

изоляция особенно важна, применяют специальные схемы расстановки на обсадной колонне скребков, центраторов, стоп-колец (рис. 11.3).

При этом типичное расстояние между двумя соседними сторными кольцами составляет 762 мм.

СТОПОРНЫЕ КОЛЬЦА (ИЛИ МУФТЫ)

Стопорные кольца устанавливают на обсадной трубе для ограничения движения скребка или центратора при вращении или расхаживании обсадной колонны.

ЦЕМЕНТИРОВОЧНЫЕ ПРОБКИ

Цементировочные пробки применяют для ограничения загрязнения цементного раствора буровым и разделяют цементный раствор снизу и сверху при движении по обсадной колонне. Пробки изготовляются литыми из алюминия или из резины и легко разбуриваются [I]. Корпус пробки имеет ребристую форму, чтобы удалять с внутренней поверхности обсадной колонны пленку бурового или цементного раствора. Пробки делятся на нижние и верхние.

Нижние пробки (рис. 11.4, а) перемещаются по обсадной колонне перед цементным раствором и удаляют буровой раствор из внутреннего пространства колонны. Нижняя пробка имеет полый центральный сердечник, закрытый диафрагмой, и пускается с устья до закачивания цементного раствора. Первой порцией цементного раствора нижняя пробка продавливается до посадки на обратный клапан или стоп -кольцо, которые установлены в соединении обсадных труб. Посадка пробки отмечается на

поверхности ростом давления нагнетания. Последующий рост давления приведет к разрыву диафрагмы в нижней пробке, позволяя прокачивать цементный раствор через пробку и далее в кольцевое пространство.

Когда полный объем цементного раствора закачан в обсадную колонну, пускается верхняя пробка (рис. 11.4, б) путем ее установки в колонну или освобождением из цементировочной головки за счет отвинчивания соединительных фланцев. Верхняя пробка разделяет цементный и буровой растворы и

удаляет цементный раствор из внутреннего пространства обсадной колонны.

Когда полный объем цементного раствора вытеснен в кольцевое пространство, верхняя пробка доходит до обратного клапана и садится на нижнюю пробку. В этот момент отмечается рост давления нагнетания. Затем давление над пробкой снижается до среднего и до нуля в случае, если нет перетока цементного раствора из кольцевого пространства. Если переток имеет место, то давление поддерживается внутри колонны до того, как цемент будет иметь прочность приблизительно 3,5 МПа.

Положение нижней и верхней пробок в момент посадки показано на рис. 11.5.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. 11 5 Положение пробок в момент посадки [1] / — разрыв диафрагмы, 2,3— верхняя и нижняя пробки, 4 — обратный клапан

Рис 11.6. Стадии перемешивания бурового и цементного растворов

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА

Загрязнение или смешение цементного раствора с буровым оказывает негативное влияние на время схватывания цемента, что в свою очередь ведет к ухудшению свойств схватившегося цемента Обычно загрязнение ведет к уменьшению прочности, а в крайнем случае к образованию непрокачиваемой смеси.

Загрязнение обычно происходит, когда цементный раствор контактирует с буровым при вытеснении последнего в кольцевом пространстве за обсадной колонной. Вследствие разных физических свойств бурового и цементного растворов поверхность раздела между двумя жидкостями нестабильна и изменяется во времени. Как показано на рис. 11. 6, малые объемы цементного раствора 2 отделяются от края основного потока и смешиваются с буровым раствором 2

Степень смешения цементного раствора с буровым в значительной мере зависит от центрирования обсадной колонны в стволе скважины, типа потока и разности плотностей. При эксцентричном расположении обсадной колонны в скважине цементный раствор при вытеснении бурового движется по более широкому участку кольца, в котором сопротивление потоку минимально. В этом случае в кольцевом пространстве могут остаться застойные зоны бурового раствора и впоследствии может возникнуть сообщение между пластами

При большой эксцентричности расположения колонны вращение более эффективно для уменьшения загрязнения цементного раствора, тогда как расхаживание более подходит для хорошо отцентрированной колонны. Расхаживание особенно эффективно, когда перед цементным раствором закачивается водная буферная жидкость.

БУФЕРНАЯ ЖИДКОСТЬ

Загрязнение цементного раствора буровым может быть значительно снижено, если между ними закачивать буферную жидкость. В качестве буферной жидкости наиболее широко применяют воду вследствие малой вязкости, что позволяет создавать турбулентный поток при значительно меньших давлениях нагнетания по сравнению с более вязкими жидкостями Вода также имеет низкую плотность, что помогает ей образовывать каналы в буровом растворе при закачивании, а также разрушать структуру бурового раствора за счет турбулентности потока С водой смешивают реагенты разжижители для снижения вязкости и диспергирования бурового раствора, что способствует более эффективному вытеснению последнего из скважины

Пример 11.2. В скважину диаметром 215,9 мм спущена обсадная колонна диаметром 177,8 мм на глубину 3048 м Плотность бурового раствора pm=1600 KR'U3, воды рв==1000 кг/м3. Рассчитать объем

буферной жидкости для закачивания перед цементным раствором, чтобы снизить гидростатическое давление в кольцевом пространстве на 2,1 МПа

Решение Уменьшение гидростатического давления равно

Максимальное уменьшение гидростатического давления в кольцевом пространстве возникает, когда весь объем воды заполняет кольцевое пространство площадью

Объем 1 м кольцевого пространства составляет 1,178-10-2 м3, поэтому требуемый объем воды