Цементирование скважин. Приготовление тампонажных растворов
Цель цементирования – вытеснить буровой раствор тампонажным из затрубного пространства скважины и поднять последний на заданную высоту. В результате этого предотвращается возможность движения любой жидкости или газа из одного пласта в другой через заколонное пространство, обеспечивается длительная изоляция продуктивных объектов от посторонних вод, укрепляются неустойчивые, склонные к обвалам и осыпям породы, обсадная колонна предохраняется от коррозии пластовыми водами и повышается ее несущая способность.
Процесс цементирования скважин состоит из следующих основных работ:
— приготовление тампонажного (цементного) раствора;
— закачка тампонажного раствора в скважину;
— подача тампонажного раствора в затрубное пространство;
-ожидание затвердения закачанного материала (цемента) – ОЗЦ;
— проверка качества цементировочных работ.
Важность качественного цементирования обусловлена тем, что это заключительный этап строительства скважин, поэтому неудачи при его выполнении могут свести к минимуму ожидаемый эффект, стать причиной неправильной оценки перспективности разведываемых площадей, появления «новых» залежей нефти и, особенно, газа в коллекторах, перетоков флюидов, газопроявлений и т. д. Стоимость скважин, особенно глубоких, высока, а ущерб от некачественного их крепления может быть еще большим. Процесс цементирования скважин – операция необратимая, ремонт и восстановление их связаны со значительными затратами средств и времени.
Цементный раствор поступает в заколонное пространство, замещая находящийся там буровой раствор, и затвердевает в камень.
Назначение и функции, выполняемые цементным камнем:
1. Разобщение пластов, их изоляции, т. е. образование в стволе безусадочного тампона, внутреннюю часть которого составляет колонна обсадных труб. Важным условием является равномерная толщина цементного камня со всех сторон. Толщина цементного кольца не определяет качества разобщения пластов, однако влияет на формирование цементного камня или предопределяет его отсутствие.
2. Удержание обсадной колонны (ОК) от всевозможных перемещений; проседания под действием собственного веса, температурных деформаций, деформаций вследствие возникновения перепадов давления в колонне,
Ударных нагрузок, вращений и т. д.
3. Защита ОК от действия коррозионной среды.
4. Повышение работоспособности ОК с увеличением сопротивляемости повышенным внешнему и внутреннему давлениям. Естественно, цементное кольцо должно быть сплошным и иметь при этом определенную физико-механическую характеристику.
5. Сплошное цементное кольцо, приобретая в процессе формирования камня способность к адгезии (цементный камень сцепляется с металлом труб, образуя интерметаллический слой), создает предпосылки к еще большему повышению сопротивляемости высоким внешним и внутренним давлениям.
Эксплуатация скважин требует устойчивой работы крепи, что обеспечивается формированием цементного камня вдоль ствола и заполнением им всего заколонного пространства, соответствием свойств камня (и всей крепи) требованиям, обусловленным внешними воздействиями (нагрузки, коррозия и т. д.). Количественно оценить все факторы сложно, что объясняется скудностью исследовательского материала, сложностью моделирования процессов и сложностью получения достоверных результатов. Основные трудности при этом заключаются в отсутствии информации (почти полное) об условиях, в которых предстоит формироваться цементному камню, и о свойствах материала, который образуется в скважине в результате замещения им бурового раствора.
Контроль качества крепи скважины
Ø Правильный подбор рецептуры ТР и исходных материалов.
Ø Рациональная организация процесса цементирования.
Ø Контроль технологических параметров.
Ø Высота подъема ТР в затрубном пространстве.
Ø Полнота замещения ПЖ тампонажным раствором в зацементированном интервале.
Ø Равномерность распределения цементного камня в затрубном пространстве.
Ø Сцепление цементного камня с ОК и стенкой скважины.
Ø Герметичность зацементированной ОК и затрубного пространства.
Тампонажный раствор (ТР)
Раствор, получаемый после затворения тампонажного цемента водой (или другой жидкостью), обработанной хим. реагентами (или без них) для повышения качества раствора и камня или облегчения проведения технологического процесса, называют Тампонажным.
ТР применяют для разобщения пластов в различных геолого-технических условиях:от 15 до 2500С и от 1,5 до 250 МПа в каналах заколонного пространстваразмером от неск. мм до 0,5 м, в каналах длинной от неск. сот и до неск. тысяч метров при наличии разнообразных пород в разрезе скв.
В таких условиях, используя цементный раствор лишь одного типа нельзя обеспечить герметичность заколонного пространства. Нужен ряда растворов, изготавляемых из разных цементов и обрабатываемых хим. реагентами, при использовании разл. схем приготовления.
Тампонажные цементы. из кот. изготовляют ТР Классифицируются по след. признакам:
· вещественный состав: 1)без добавок, 2) с добавками
· температура применения: 1)для низких t0(ниже +15), 2) для норм. t0 (от +15 до +50), 3)для умеренных t0 (от +50 до +100), 4) для повышенных t0 (от +100 до +150), 5)для высоких t0 (+150-250) 6)для сверхвысоких t0 (выше +250), 7) для циклически меняющихся t0
· плотность ТР,(кг/м3): 1) легкие (ниже 1400), 2) облегченные (1400-1650), 3) нормальные (1650-1950), 4) утяжеленные (1950-2300), 5) тяжелые (выше 3000)
· устойчивость тамп. камня к воздействию агрессивных пластовых вод, линейным деформациям тамп. камня при твердении.
-устойчивые к хлоркальциево-натриевым водам
-устойчивые к кислым (углексислым, сероводородным) водам
-устойчивые к магнезиальным водам
— устойчивые к полимерным водам
· Также применяют ТР, в которых в качестве жидкости затворения применяют воду с солями (до насыщения),Тр на нефтяной основе, аэрированные ТР, быстросхватывающиеся составы для борьбы с поглощением при бурении скважин и др.
Водоцементное отношение- отношение массового кол-ва воды к массовому кол-ву цемента (В:Ц). Для цеметиования скважин прмиеняют ТР с В:Ц от 0,4 до 0,5.
В промысловой практике зачастую возникают условия, когда необходимо готовить тампонажный раствор для цементирования продуктивных и других интервалов в скважинах при ограниченном составе цементировочного оборудования и отсутствии смесительно-осреднительной установки. Сложность выполнения цементировочного процесса в таких случаях заключается в необходимости частого переключения манифольдов, с изменением характера выполняемой каждым агрегатом технологической операции.
Буферная жидкость-Промежуточная жидкость между буровым и ТР, которая способствует повышению качества цементирования скв. И облегчает проведение процесса цем-я. При отсутсвиии буф. жид-ти в зоне смешения бур. р-ра и ТР наблюдается рост давления в 1,4-1,8 раза.
Буферные жидкости деляться на:
-вязкоупругие
-вязкие: низковязкие (большинство буф. жид-тей) и низковязкие
Буф. жидкости классифицируют по их основе:На водяной, на нефтяной, полимерной или на основе других орган. соединений.
Состав буферной жид-ти:
-Однофазные: вода, вода с растворенными материалами, нефть, газ, кислоты (соляная)
-Двухфазные: жидкость + твердые нерастворимые (обычно абразивные) добавки (нефть с песком, вода с цементом)
-Трехфазные: жидкая фаза (вода, нефть)+ газообразная фаза (азот, воздух)+ твердые в-ва (например кварц. песок)
-Многофазные: жидкость, газообразные в-ва, хим. реагенты, твердые в-ва
Применяют следующие виды буф. жидкости: Утяжеленные, аэрированные, комбинированные, эрозионные, незамерзающие, растворы кислот, вода, жид-ти с низким показателем фильтрации, нефть и нефтепродукты, вязкоупругий разделитель.
Выбор буф.Жикости базируется на лаб. проверке, ее совместимостью с буровым раствором и ТР.
Эффект применения буф. жид-тей возрастает с увеличением времени их воздействия на стенки скважины, с увеличением объема закачиваемых жид-тей качество цементирования улучшается.
Цементировочное оборудование
-Цементировочный агрегат (ЦА):для приготовления, закачки и продавливания ТР и др. растворов в скв. и за колонну и вымывания излишков р-ра из скв.; промывки скв. через спущенную колонну ОК; обработки призабойной зоны скв. и др. операций
-Цементно-смесительная машина (СМ): для транспортировки сухих тампонажных материалов и механизированного приготовления ТР.
-Самоходный блок манифольдов (БМ).
-Станция контроля процесса цементирования (СКЦ).
-Осреднительная емкость.
-Цементировочная головка: для обвязки устья скв.
-Трубопроводы и арматура (можно производить прямую и обратную промывки, продавка в пласт ТР через заливочные трубы и кольцевое пространство) для обвязки оборудования.
Основные способы цементирования:
1)Прямое одноступенчатое цементирование.
2)Двухступенчатое цементирование– Это раздельное последовательное цементирование двух интервалов в скважине (сначала нижнего, затем верхнего).
Способ позволяет:
-снизить давление на пласт при высоких уровнях подъема ТР;- увеличить высоту подъема ТР в заколонном пространстве без значительного роста давления нагнетания;- уменьшить смешение ТР с ПЖ в заколонном пространстве;- избежать воздействия высоких температур на ТР, используемый в верхнем интервале (можно оптимизировать выбор ТР).
3) Манжетное цементирование Применяется, когда попадание ТР ниже интервала цементирования нежелательно. Для этого ОК оборудуется манжетой или специальным пакером для манжетного цементирования. ТР нагнетается через перфорированный участок ОК над манжетой (пакером) и не попадает в затрубное пространство ниже манжеты (пакера).
4) Цементирование потайной колонны
Спуск потайной колонны осуществляют на колонне бурильных труб (БК), с которой они соединены разъединителем с левой резьбой.
Используют способ Одноциклового цементирования С одной разделительной пробкой, состоящей из двух частей:
• Проходной (нижней) пробки, имеющей наружный диаметр, соответствующий внутреннему диаметру цементируемых ОТ, которая закрепляется шпильками в разъединителе;
• Упругой пробки малого диаметра (верхняя), которая может свободно проходить по колонне бурильных труб.
Упругую пробку вводят в БК вслед за ТР. Под давлением продавочной жидкости она опускается до проходной пробки и задерживается в ней. Давление возрастает, шпильки срезаются, и обе пробки как одно целое перемещаются вниз. При посадке пробок на упорное кольцо происходит скачок давления нагнетания.
Для промывки БК от остатков ТР в нижнем переводнике разъединителя с помощью шара, сбрасываемого в колонну, открывают проточные отверстия. После ОЗЦ бурильную колонну отсоединяют и поднимают.
5) Установка цементных мостов
Цементный мост — прочная газонефтеводонепроницаемая перемычка, устанавливаемая в скважине с целью перехода на вышележащий объект, забуривания нового ствола, ликвидации проявления и поглощения, укрепления неустойчивой кавернозной части ствола, консервации или ликвидации скважины.
Для установки моста цементный раствор (ЦР) закачивают через БК или колонну НКТ, спущенную до нижней отметки интервала установки моста. Чтобы предотвратить смешивание ЦР с ПЖ используют буферную жидкость, разделительные пробки и т. п. По мере выдавливания ЦР в ствол скважины колонну поднимают и, когда ее нижний конец окажется выше уровня ЦР, промывают по методу обратной циркуляции.
Чтобы ЦР не погружался в ПЖ ниже места установки моста устанавливают разделитель (тампон, пакер и т. п.).
6) Обратное цементирование
Способ заключается в закачивании ТР с поверхности непосредственно в затрубное (межтрубное) пространство и вытеснении находящейся там промывочной жидкости через башмак ОК и по ней на поверхность.
Способ применяют при цементировании ОК, перекрывающих пласты большой мощности, которые подвержены гидроразрыву при небольших перепадах давления, а также при Комбинированном способе цементирования, когда Нижняя часть ствола цементируется по технологии прямой циркуляции, а Верхняя — по технологии обратной циркуляции.
Расчет цементирования скважин
Перед началом цементирования скважины необходимо определить:
1) количество сухого цемента, т;
2) количество воды, потребной для приготовления цементного раствора или нефтепродуктов для нефтецементных растворов, т;
3) количество жидкости, потребной для продавки раствора в пласт, м3;
4) продолжительность процесса цементирования, ч;
5) давление в трубах и в затрубном пространстве в конце продавки раствора, кгс/см2;
6) число и тип цементировочных агрегатов и цементосмесительных машин.