Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

При цементировании скважин важно правильно подобрать цемент соответствующего качества, что в значительной мере зависит от температуры среды.

Рассмотрим отдельные технологические операции процесса разоб­щения пластов с точки зрения влияния их на изменение температуры в скважине [24].

Разделив технологический процесс разобщения пластов на отдельные элементы, можно представить, что он происходит по сле­дующей примерной схеме для скважин средних глубип II «а 3000 м (табл. 44).

Таблица 34

Л’»	Операция	Время, ч	Изменение
п/п	пределы	среднее	температуры
1	Завершение бурения до заданной глубины…………………………………….			Условно
2	Промывка скважины для проведения каротажа и других замеров. . .	6-10	8,0	исходная температура Понижение
3	Подъем инструмента…………………….	5-6	5,5	Повышение
4	Каротаж скважины и другие замеры	4-6	5,0	»
5	Спуск инструмента…………………………	4-5	4,5	*
6	Промывка под спуск обсадной ко­лонны………………………………………………….	10-12	11,0	Понижение
7	Подъем инструмента…………………….	5-6	5,5	Повышение
8	Спуск обсадпой колонны………………	50-60	55,0	»
9	Промывка скважины (через обсадную колонну) ……………………………………	4-6	5,5	Понижение
10	Закачка цементного раавора с после­дующей продавкой его……………….	1,0—1,5	1,25	»
11	Период твердения цементного рас­твора……………………………………………… .	ГО 0 1 го	22,0	Повышение
12	Определение высоты подъема цемент­ного раствора……………………………	2-3	2,5	»
13	Замена инструмента на меньший диа­метр н спуск его в скважину. .	24-48	36,0	»
14	Разбуривание цементного стакана и продолжение бурения ствола мень­шего диаметра…………………………..			Понижение

По этой таблице легко проследить, что только в четырех случаях (2, 6, 9, 10) температура понижается; в остальных же случаях глинистый раствор нагревается. Оперируя предельными значениями времени, можно считать, что если на весь процесс разобщения пластов расходуется от 135,0 до 167,5 ч, то 21—29,5 ч (15,6—17,6%) из них тратится на охлаждение промывочной жидкости, а в течение остальных 114—138 ч (84,4—82,4%) она нагревается. Это, однако, не значит, что температура раствора будет увеличиваться пропор­ционально времени нагревания.

На основе ранее изложенного в первом приближении следует считать, что после прекращения промывки время восстаповлення температуры от t3a до t3 (табл. 38) можно вычислить по зависимости (VIII.1). При более длительном отсутствии промывки изменение температуры будет следовать экспоненциальному закону, который выражается зависимостью (IV.21).

При этом также могут быть использованы данные измерений температуры в различных скважинах. Так, представляют интерес данные температурных замеров, относящихся к моменту проведения каротажа перед цементированием. Эти данные, приведенные в табл. 45, заимствованы из работ Т. Картера, Д. Смита, JI. Леона, В. Эмери [32, 931 и относятся к скважинам, расположенным на Мексиканском побережье и в Калифорнии.

Таблица 45 Месторождение Показатели Мексиканское побережье Кплифорния Глубина, м………………………… 3000 3600 4200 4800 5400 5100 5405 5805 6097 Температура пласта °С Температура при каротаже 110 127 143 160 177 — — — — ° с……………………………… 62 78 97 120 149 144 151 162 168 (ц……………………….. 48 49 46 40 28 —

Не имея достаточно точных данных о характере изменения темпе­ратуры по отдельным этапам, можно тем не менее представить характер кривой, по которой будет изменяться температура в сква­жине в течение всего процесса цементирования. Примерный вид такой кривой показан на рис. 65; она построена в предположении, что для рассматриваемого процесса справедливы зависимости (VII 1.1) и (IV.21).

Рассматривая эту кривую, можно заключить, что ко времени закачки цемента в колонну максимальная возможная температура [5] в скважине будет ориентировочно равна температуре, замеренной

в процессе проведения каротажных работ. Такому понижению тем­пературы после достаточного нагревания скважины за время спуска колонны будет способствовать промывка непосредственно перед закачкой цементного раствора.

Таким образом, температуру, при которой начинается процесс цементирования, можно принять равной температуре, замеренной в процессе каротажа, и в соответствии с пей подбирать цемент.

Процесс твердения цементного раствора, превращение его в цементный камепь, прочность цементного камня, его пористость, а также степень сцепления с породой зависят не только от типа вяжущего вещества, но и от температуры. Поэтому важно выяснить точные значения температуры, при которой образуется и цементное кольцо.

Рис. 65. Примерное изменение температур на забое бурящейся скважины в про­цессе различных операций, предшествующих цементированию. / — промывка для проведения каротажа; II — подъем инструмента, наротаж, спуск инстру­мента; III — промывка для спуска обсадной колонны; IV — подъем инструмента, спуск обсадной колонны; V— промывка перед заливкой; V/ — закачка цемента; VII— затверде­ние цемента; VIII — замер высоты подъема цемента и спуск бурильных труб; IX — про­мывка н бурение цементного стакана.

При этом следует учитывать, что во время твердения цементного раствора температура будет повышаться не только вследствие непо­средственного влияния пластовой температуры, но и в результате экзотермической реакции, которой сопровождается схватывание цементного раствора. Выделяемое при этом тепло идет на повышение температуры того интервала, где находится цементный раствор.

Количество тепла, выделяемое при твердении различных цемент­ных растворов, неодинаково; оно зависит как от химического состава

W

цемента, так и от водо-цементного отношения —.

Тампонажные портланд-цементы с отношением — = 0,4 -5- 0,5

выделяют максимум тепла через 10—13 ч после приготовления рас­твора. При этом в зависимости от состава цемента может выделиться от 1,5 до 5 ккал тепла при схватывании 1 кг цемента.

О происходящих при этом температурных изменениях можно судить по приводимой на рис. 66 диаграмме, на которой предста­влены кривые температур, наблюдающихся при адиабатическом твер­дении различных цементов. Указанные кривые получены на основе опытов Дорша, проведенных им в одинаковых для всех цементов условиях.

Зная общее количество тепла gCI, выделяемое 1 кг цемента во время схватывания, и предполагая, что процесс протекает мгновенно, можно найти прирост температуры твердеющего цементного рас­твора Д tez по формуле

(XII)

Ц

где са — теплоемкость цементного раствора.

Время, v Рпс. 66. Подъем температуры прп твердении различных цементов (по Доршу).

Вывести уравнепие нагревания и остывания цементного кольца в затрубном пространстве и цементного раствора в колонне очень трудно. На этот ироцесс оказывают влияние многие факторы. Точ­ное решение данной задачи прак­тически невозможно, поэтому при­нимается ряд допущений. Один из вариантов такого приближенного решения задачи приводится

В. И. Дахновым и Д. И. Дьяко­новым.

Однако С. А. Ширинзадо [891 считает, что решение, предлага­емое в работе В. И. Дахнова и Д. И. Дьяконова, имеет ряд недо­статков:

1 — глиноземистый цемент, 2 — быстро твердеющий цемент; з — обыкновенный иортланд-цемент; 4 — желеэо-портланд-це — мент; 5 — доменный цемент.

а) в формулах не учитывается исходная температура цементного раствора на поверхности i0ll;

б) за поверхность теплообмена принимается величина 2nrzdz вместо 2nrdz;

в) полученные зависимости при расчетах дают завышенный ре­зультат и не находят физического объяснения.

Не приводя вывода зависимостей, предложенных С. А. Ширнн — заде [891, покажем их в окончательном виде.

Формула, позволяющая определять температуру цементного раствора при движении его по колонне, имеет вид:

а за колонной

<-[‘•,■=-"+О-е-“) («,-Vs)-<■+тг1]е‘<1"‘’—

—Tir-Ki+T^4*. (XI.3)

где

2nrk, 2nrk ^

" ~ Улг^,, • — яу (r^—rj)vic »

^иг, — внутренний и наружный радиусы колонны в л; г — радиус скважины в м; к — коэффициент теплопередачи от окружающей среды к цементному раствору в ккал/м3 • ч • °С; и t2 — темпера­тура пород у устья и на забое скважины в град; t — температура цементного раствора на глубине z в град; у — удельный вес цемент­ного раствора в кГЛи3; ve — скорость движения раствора в колонне в м/ч; г, — скорость потока за колонной в м/ч; с — теплоемкость цементного раствора в ккал/кг ■ °С; II — глубина скважины.

Температуру цементного раствора по истечении времени т можно

определить по формуле

t = tl + ^ir1 г-Ч

(XI.4)

Температуру цементного кольца tцв в момепт окончания процесса схваты­вания находят из выражения

‘„« = *1 + ^jr-2~

+ Д<м, (XI.5)

где d — диаметр скважины в м; Д t0 — разность температур пород и раствора в начальный момент времени в °С; а0— температуропроводность среды в м2/ч; Д toy — прирост температуры цемента Рис. 67. Кривые пзменения вследствие экзотермической реакции

температур при движении це — схватывания.

ментного раствора в скважине. ца рИС< 571 заимствованном из ра — 1 —в ко. юннс; г — за колонной; боты [89]. показан характер распре-

з, 4 — через б ч после начала

схватывания цемента; 5 — темпе — ДСЛ6НИЯ ТвМПературЫ ПО СТВОЛу СКВа-

ратура горных пород. жины в различные периоды цементиро­

вания. Расчеты проведены по формулам (XI.2) — (XI.5) с использованием следующих данных: Н = 3000 м; г = 0.135 м; Г] = 0,073 м; rt = 0,061 .и; а0 = 0,5-10"3 м*/ч;

к = 4 ккал/мг ■ ч° • С; с = 0,55 ккал/кГ • °С; у = 1,85 Г 1см3;

= 1 м/сек; vl = 1,5 м/сек; qax = 3 ккал/кГ; t0 = 20° С; tl = 15° С;

= 903 С; т = 6 ч.

По окончании твердения цемента процесс цементирования пре­кращается, продолжается бурение или подготовка скважины к осво­ению.

С точки зрения пзменения теплового состояния скважины послед­нее обстоятельство имеет существенное значение. В первом случае, т. е. когда цементировалась промежуточная колонна, цементный камень в течение остального времени бурения вплоть до сдачи сква­жины в эксплуатацию будет находиться в менее напряженном тепло­вом состоянии, так как внутренние стенки колонны будут омываться

циркулирующим глинистым раствором. В эксплуатационной колонне охлаждающего действия промывочной жидкости не будет, и с мо­мента ввода скважины в эксплуатацию на внутренние стенки колон­ны будет влиять температура нефти, поступающей из пласта.

Все это должно учитываться как при подборе цемента, так и при установлении методики его испытания с учетом изменения темпе­ратуры во времени. Величины температур цементного раствора после схватывания но некоторым скважинам площади Зыря приве­дены в табл. 46.

Таблица 46

Л» скважины	Интервал встречи цемента, м	Примерная темпе­ратура глинистого раствора до цемен­тирования, °С	Приращение температуры после цементирования, °С
среднее	максимальное
	3970	83.5
7	4812	95,0	2,3	3.0
	4100	66,0
8	4729	67,5	1.5	2,3
	3960	68,0
9	4721	77,0	6,0	10,0
	3690	60,0
10	4675	72,0	4,0	8.0
	4046	76.0
И	4701	82.0	5.0	8,0
	3750	64,0
12	4560	70,0	1,0	1.5
	4008	75,0
14	4700	89.0	2,0	4,0
	4004	57,0
19	4797	69,0	6,0	8,0
	3665	75,0
24	4510	83,0	2,5	6.0
	3950	64,0
27	4533	69,0	2,0	5,5
	3968	63.8
28	4475	68,0	4,5	7,0
	3925	63,5
Среднее	4655	76,5	3,35	5,73

Примечание. Приведенная таблица построена по данным обработки термограммы, полученным для определения высоты подъема цемента.

Комментарии запрещены.