Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Свойства тампонажных растворов зависят от состава исходных ком­понентов, их соотношений, режима перемешивания и температуры. Для правильного выбора состава тампонажных смесей применяют ряд параметров для оценки их свойств.

Рис. 10.1. Конус А3НИИ для определения растекае — мости цементных растворов

Состав цементных растворов характери­зуется водоцементным отношением, которое влияет на их свойства. Водоцементное отно­шение (В/Ц) показывает отношение массо­вого количества воды к массовому количе­ству цемента и для нормальных цементных растворов находится в пределах 0,4—0,6.

Растекаемость тампонажного раствора определяется с помощью конуса А3НИИ (рис. 10.1). Прибор состоит из формы-ко — нуса 1 и измерительного столика 2 с уста­новочными винтами 3. Форма-конус имеет внутренние диаметры верхнего основания 37 мм, нижнего — 70 мм, высоту — 60 мм.

Измерительный столик — это плита, снаб­женная шкалой, которая представляет собой концентрические окружности с минимальным диаметром 70 мм и максимальным — не ме­нее 250 мм. Цена деления шкалы 5 мм. Сто­лик должен быть покрыт диском из стекла.

Растекаемость определяют следующим образом. Измерительный сто­лик устанавливают в горизонтальное положение с помощью устано­вочных винтов 3 и шарика-уровня в центре столика. Форма-конус ус­танавливается на стекле в центре измерительного столика таким об­разом, чтобы внутренняя окружность формы совпадала с начальной окружностью шкалы столика. Внутреннюю поверхность конуса и стек­ло перед испытанием протирают влажной тканью. Смесь готовят в ме­шалке, время перемешивания — 3 мин. Цементным раствором запол­няют форму-конус до верхнего торца. Интервал времени от момента окончания перемешивания до момента заполнения конуса не должно быть более 5 с. Затем конус плавно поднимают в вертикальном по­ложении. Диаметр расплыва цементного теста измеряют во взаимно перпендикулярных направлениях. Среднее значение из результатов двух измерений принимают за растекаемость. Растекае­мость нормальных растворов должна быть не менее 180 мм и не более 200 мм.

Рис. 10.2. Пикнометр: 1 — пробка; 2 — стакан

Плотность определяют с помощью лаборатор­ных весов общего назначения и пикнометра объе­мом 100 ±0,5 см3 (рис. 10.2).

Вначале определяют массу чистого сухого пик­нометра с погрешностью до 1 г. По окончании перемешивания цементного теста заполняют им пикнометр и закрывают его крышкой, при этом цементное тесто должно заполнить канал в крыш­ке пикнометра. Избыток теста, выступивший из отверстия в крышке, удаляют влажной тканью. Определяют массу пикнометра, заполненного це­ментным тестом, с погрешностью до 1 г. Плотность цементного тес­та рц р (г/см3) вычисляют с округлением до 0,01 г/см3 по формуле

Ри. р=(^2 — Щ)/У, (10.1)

где т2 и /и, — масса пустого пикнометра и заполненного цементным тестом, г; V— объем пикнометра, см3.

Водоотделение характеризует седиментационную устойчивость це­ментного раствора. Данный параметр определяют с помощью ци­линдра объемом 250 см3. Цементный раствор заливают в мерный цилиндр до отметки 250 см3 и оставляют в покое на 3 ч при темпе­ратуре 20 ± 3 °С. Через 3 ч определяют объем отделившейся воды,

находящейся в верхней части цилиндра.

Коэффициент водоотделения (%) рассчитывают по формуле

Кв=^~^т, (10.2)

где К, и К2 — первоначальный объем и объем осевшего в нижнюю часть цилиндра цементного раствора, см3.

Считается, что раствор обладает достаточной седиментационной устойчивостью, если Кв< 2,5%.

Сроки схватывания определяют прибором Вика (рис. 10.3), состоящим из круглого металлическо­го стержня 4, свободно перемещающегося в вертикальной обойме 5 станины 1. Для закрепления стержня на необходимой высоте служит зажим 2.

В нижнюю часть стержня 4 ввинчивают стальную иглу 6 диаметром 1,1 мм и длиной 50 мм. На кронштейне станины укреплена шкала 3. В ком­плект прибора входит кольцо 7 с подставкой 8.

Перед началом испытаний проверяют свободное перемещение стержня 4, а также нулевое показа­ние, чистоту поверхности и отсутствие искривле­ния иглы. Кольцо прибора Вика и подставку к не­му предварительно смазывают машинным маслом любой марки и устанавливают кольцо на подставку. Цементное тесто заливают в кольцо прибора до края и выравнивают поверхность теста. Иглу прибора 6 доводят до края и выравнивают поверхность теста, за­тем доводят ее до соприкосновения с поверхностью цементного теста.

В этом положении стержень закрепляют стопором, потом осво­бождают его, давая игле погружаться в тесто. Первое измерение глу­бины погружения иглы проводят не позднее чем через 1 ч 30 мин после затворения, последующие — через 1 ч 45 мин; 2 ч 15 мин, а в дальнейшем — не реже чем через каждый час. Началом схватывания цементного раствора считают время, прошедшее от начала затворения до момента, когда игла не доходит до подставки на 1—2 мм, концом схватывания — время от начала затворения до момента, когда игла погружается в тесто на глубину от 1 до 3 мм.

Затвердевший цементный камень должен удовлетворять ряду тре­бований:

•/ обладать достаточной механической прочностью;

■/ быть непроницаемым для промывочных жидкостей, пластовых вод и газа;

■/ быть стойким к коррозионному действию пластовых вод;

•/ обладать температурной стойкостью;

сохранять объем при твердении и упрочнении.

Механическая прочность цементного камня проверяется на изгиб и сжатие. Испытание проводят на образцах-балочках с размерами 20 х 20 х 100 мм, изготовленных с помощью форм. Цементное тесто для изготовления образцов приготовляют вручную, для чего 1600 г цемента и 800 г воды перемешивают в течение 3 мин. Тесто заливают в формы и хранят в ванне с водой в течение 48 ч при температуре 22±2°С, затем их испытывают на приборе МИК-100.

Предел прочности (МПа) при изгибе рассчитывается для каждого образца-балочки по формуле

о, = 0,0157», (10.3)

где Р— предельная разрушающая нагрузка, Н.

Полученные четыре половинки балочек после испытания на изгиб испытывают на сжатие с помощью пресса. Для равномерной передачи нагрузки на балочки применяют металлические пластины с размера­ми 20 х 25 мм. Предел прочности на сжатие (МПа) определяют по формуле

осж = 0,0027». (10.4)

Предел прочности на сжатие цементного камня находят как сред­нее значение из трех испытаний образцов.

Пластическая прочность характеризует прочность структуры там — понажной смеси при вязкопластичном ее разрушении. Для определе­ния этого параметра применяют прибор В И Ка, у которого вместо иглы используются конические наконечники, изготовленные из ста­ли, алюминия, органического стекла и текстолита с углом при вер­шине конуса 30, 45, 60 и 90°. В процессе проведения исследований используют конусы, изготовленные из различных материалов с раз­личными углами при вершине конуса так, чтобы глубина погружения конуса (А) в поверхность тампонажной смеси составляла

</!<!#, (10.5)

где Н— высота конуса, мм.

После заполнения кольца тампонажной смесью ее поверхность тщательно выравнивают. Подвижную систему прибора с конусом при­водят в соприкосновение с поверхностью тампонажной смеси и отпус­кают с помощью фиксатора, проверяя глубину погружения конуса по условию (10.5).

После выбора конуса проводят исследование изменения во време­ни значений величины погружения конуса в поверхность тампонаж­ной смеси, для чего периодически через 2 мин отпускают фиксатор

прибора и определяют глубину погружения конуса в каждом новом месте поверхности тампонажной смеси.

Величину пластической прочности (Па) определяют по формуле

Рт = Ка^-, (10.6)

п2

где С—вес подвижной системы, Н; И — глубина погружения конуса, м; Ка — коэффициент, учитывающий конструктивные параметры конуса,

Ка =-С082 ^С1ё^, (10.7)

К II

где а — угол при вершине конуса, град.

Поскольку в тампонажной смеси происходит структурообразова- ние, то глубина погружения конуса должна уменьшаться. Измерение проводят до получения трех одинаковых значений глубины погруже­ния, что свидетельствует об образовании вязкопластической структуры

тампонажной смеси, способной сопротивляться внедрению подвиж­ной системы прибора. Величину пластической прочности, найденной по формуле (10.6) и соответствующей ее одинаковому значению в те­чение трех измерений, называют предельной пластичностью (Ртпр). При достижении этого значения структура тампонажной смеси набирает прочность, и все работы, связанные с перемешиванием или закачива­нием ее в скважину, необходимо прекратить. Время от начала затво — рения тампонажной смеси до получения значения предельной плас­тической прочности называют временем стабилизации структуры тампонажной смеси (7’стаб). Оно должно учитываться при проектирова­нии технологии тампонирования скважины: время тампонирования необходимо находить из условия:

Тгаып<Т„ а6. (10.8)

Для конкретного промывочного насоса и размера бурильных труб, по которым закачивают тампонажную смесь в скважину, можно оп­ределить следующие параметры:

— усилие, развиваемое насосом при прокачивании тампонажной смеси по бурильным трубам, Н:

рн = рт ах^; (10.9)

— усилие, которое необходимо создать для преодоления сцеп­ления тампонажной смеси с внутренней поверхностью бурильных труб, Н:

/’б = впйЬ, (10.10)

где Ртах — максимальное давление насоса, Па; с? — внутренний диа­метр бурильных труб, м; 0 — статическое напряжение сдвига тампо­нажной смеси, Па; Ь — длина бурильных труб, м.

Приравняв (10.9) и (10.10), получим величину критического зна­чения статического напряжения сдвига, Па:

0кр=%^. (10.11)

Величина ©кр не должна превышать Ртпр для того, чтобы обеспе­чить закачивание тампонажной смеси в скважину до наступления ее

структурирования. Поэтому для конкретных условий тампонирова­ния, оцениваемых параметрами Ртш, й, Ь, можно определить предель­ное значение пластической прочности, применяемой тампонажной смеси из условия, Па:

Ртп Р^%^. (Ю.12)

При этом время на проведение тампонажных работ необходимо найти из условия (10.8). Оно не должно превышать время стабили­зации выбранной тампонажной смеси.

Поглощение промывочной жидкости в скважине является наи­более распространенным осложнением в процессе бурения скважин. Поглощением называют гидродинамическое взаимодействие в системе «скважина — пласт», сопровождающееся поступлением бурового или тампонажного растворов из скважины в пласт с интенсивностью, ос­ложняющей дальнейшую проводку скважины. Основные причины поглощения промывочной жидкости заключаются в превышении дав­ления в скважине над пластовым давлением вследствие излишней плотности бурового или тампонажного раствора и больших потерь напора в кольцевом пространстве при бурении или цементировании колонн в высокопроницаемых коллекторах большой емкости силы в интервалах образования трещин гидравлического разрыва пластов.

Главным признаком поглощения промывочный жидкости является то, что расход жидкости на выходе из скважины меньше, чем на входе, и уровень жидкости в приемных емкостях насосов уменьшается. Но этот прямой признак часто может затушевываться, если в скважине наряду с поглощением есть и его проявления. При разбуривании интервалов по­глощения возможны провалы инструмента и увеличение механической скорости, ухудшение выноса шлама, его локальные скопления в стволе скважины с последующим заклиниванием или зависанием инструмента.

Поглощения промывочной жидкости связаны с ее фильтрацией в окружающие породы, в результате чего нарушается режим промыв­ки и затрудняется бурение.

Причинами поглощения промывочной жидкости могут быть как геологические, технологические, так и горно-технические и организа­ционные.

Геологические причины связаны с наличием пор, трещин и ка­верн в горных породах, которые формируют каналы фильтрации про­мывочной жидкости. В зависимости от их размеров меняется интен­сивность поглощения. Раскрытие трещин колеблется от 1 до 100 мм и более. Раскрытие трещин определяет выбор закупоривающих средств, параметров тампонажных смесей и способ ликвидации поглощения. Каверны встречаются в породах, склонных к растворению в воде (кар­бонатные, сульфатные породы, отложения солей). Трещиноватость и закарстованность пород снижаются с увеличением глубины скважины и горного давления. Для определения размеров трещин и каверн, а также интенсивности поглощения необходимо проводить специаль­ные исследования в скважине (каверно — и расходометрию). Ниже приведена классификация горных пород по трещиноватости, закар — стованности и степени водопроницаемости.

Данная классификация позволяет использовать гидрогеологиче­ские данные того или иного района работ для прогнозирования воз­можных поглощений промывочных жидкостей при бурении скважин, что может быть основой для выбора метода предупреждения и лик­видации поглощения.

Коэффициент

Удельное

фильтрации, м/сут водопоглощение, М3/ч

0,01

0,0003

Практически монолитные Весьма слабопроницаемые,

0,0003-0,003

0,01-0,1

слаботрещиноватые и слабоза — карстованные

0,003-0,3

0,1-10

Слабоводопроницаемые, слабо­трещиноватые и слабозакарсто — ванные

Водопроницаемые, трещинова­

тые и закарстованные………………… Сильноводопроницаемые, силь­нотрещиноватые, сильнозакар- стованные……………………………….. Весьма сильноводопроницаемые, весьма сильнотрещиноватые, весьма сильнозакарстованные.	10-30	0,3-0,9
0,9-0,3
30-100
100	3,0

Интенсивность поглощения промывочной жидкости зависит от следующих технологических факторов:

✓ выбора конструкции скважины;

✓ способа промывки;

✓ параметров промывочной жидкости (плотности, вязкости);

✓ скорости потока по стволу скважины и частоты вращения бу­рового снаряда;

У изменения перепада давления на поглощающий пласт.

Столь же опасен резкий запуск буровых насосов, так как при этом кратковременное действие давления может кратно превышать потери напора в кольцевом канале и привести даже к гидроразрыву пласта. Необходимо предупреждать сальникообразование, ограничи­вать скорость спуска колонны, плавно запускать буровые насосы, перед запуском разрушать структуру раствора путем расхаживания и проворачивания инструмента при низкой скорости.

Исследования проницаемости пластов проводят для установления следующих параметров и характеристик:

•/ границы (мощности) зоны поглощения;

✓ пластового давления;

■/ интенсивности давления;

•/ интенсивности поглощения;

взаимодействия пластов, направления внутри скважинных пе­ретоков;

✓ типа коллектора, размеров и форм каналов; местоположения и размеров сужений и каверн в скважине;

У возможности других осложнений (обвалов, проявлений);

✓ прочности и давления гидроразрыва пород;

У подготовленности ствола скважины к переходу на промывку другим раствором и цементированию колонны.

•" По результатам исследований разрабатывают мероприятия по ликвидации поглощений промывочной жидкости (выбор метода, тех­ники и технологии).

Все методы исследований подразделяют:

—

Рис. 10.4. Схема поинтер — вальной опрессовки ствола скважины: 1 — манометр; 2 — эксплуата­ционная колонна; 3 — пакер; 4 — глубинный манометр. I, //, III— пласты

на метод наблюдений за характером из­менений механической скорости и поведения бурильной колонны и т. д.;

— геофизические методы (кавернометрия, радиоактивный, акустический каротаж, термо­метрия и др.);

— гидродинамический метод, основанный на измерении расхода раствора, перепада давле­ния в системе «скважина — пласт» при доливе, нагнетании раствора в скважину (пласт) или отборе его из пласта.

Для оценки подготовленности скважины к переходу на глинистый раствор или к цемен­тированию колонны производят опрессовку ствола или отдельных интервалов нагнетанием жидкости (воды, глинистого или тампонажного раствора) до контрольного давления. Схема по — интервальной опрессовки скважины приведена на рис. 10.4.

Метод предупреждения поглощений, осно­ванный на уменьшении гидростатического дав­ления столба жидкости в скважине, предусматривает перебуривание горизонтов с высокой проницаемостью при условии равенства давле­ний поглощения и гидростатического. В случае вскрытия поглощаю­щего интервала горных пород происходит понижение уровня жидко­сти в скважине. В этом случае давление поглощения составит, Па:

Рц = Рж&(Н — Аст), (10.13)

где рж — плотность промывочной жидкости, кг/м3; Н— глубина зале­гания кровли поглощающего интервала, м; — расстояние от устья скважины до уровня жидкости в скважине — статический уровень, м.

Условием недопущения поглощения будет

Р^<РП, (10.14)

где Рсм — статическое давление столба газожидкостной смеси, запол­няющей скважину.

Статическое давление смеси на глубине Н можно определить по формуле (6.46), а рассчитав по формуле (10.13) значение давления поглощения, получим равенство по условию (10.14) в виде

Ро + Рж?>Н= рхё(Н-Н„). (10.15)

*- ф

Решение уравнения (10.15) относительно ф позволит найти фор­мулу для определения величины газосодержания газожидкостной смеси для устранения поглощения промывочной жидкости плотностью рж,

находящейся в скважине со статическим уровнем /гст и давлением Р„ на уровне кровли поглощающего горизонта в виде

ф =

Ржё^ст ^0

р0 + ржё^

(10.16)

Используя формулу (6.55) и формулу (10.13), запишем усло­вие (10.14):

Ро + Рсм. ср£Я = Ржё(Н~ Ю-

Решив это уравнение, можно определить зависимость средней плотности ГЖС (кг/м3), находящейся в скважине, в зависимости от основных оперативно определяемых параметров рж, и Н в виде

(10.17)

Для получения ГЖС, обеспечивающей бурение скважины без по­глощения промывочный жидкости, необходимую степень аэрации промывочной жидкости а нужно определять по формуле (6.50) в за­висимости от газосодержания ср по формуле (10.16).

ГЖС должна быть подготовлена на поверхности из промывочной жидкости, используемой для бурения до встречи кровли поглощаю­щего горизонта, путем добавления в нее 0,5—1,5 % ПАВ-пенообразо — вателя и дальнейшего насыщения сжатым воздухом с помощью ком­прессора, имеющего объемный расход воздуха в соответствии с фор­мулой (6.54).

Комментарии запрещены.