Цементирование обсадных колонн
Одним из наиболее важных процессов при разработке скважины для добычи нефти является цементирование обсадных колонн. Под этим процессом подразумевают заполнение определенного отрезка специальным раствором, который приготавливается на основе связующего вещества (чаще всего используется цемент, давший название процедуре). Вяжущий состав после затвердевания приобретает прочную структуру, надежно фиксирующую требуемый интервал обсадной колонны.
Цементирование обсадных колонн может проводиться разными способами, выбор которых осуществляется, исходя из цели и условий. Чаще всего процедура необходима в рамках следующих работ:
- Изоляция отдельных пластов породы друг от друга при их вскрытии в ходе бурения скважины.
- Подготовка и установка мостов, которые должны изолировать низ скважины.
- Фиксация обсадных колонн в висячем положении и изоляция места за ними.
- Изолирование пластов, обладающих поглотительной функцией.
- Защита обсадной колонны от коррозийных процессов, которые начинаются при наличии в пространстве агрессивных составов и газов.
Что такое цементирование обсадных колонн скважины
Процедура цементирования осуществляется в несколько этапов и включает 5 ключевых работ. К ним относится создание раствора для тампонажа, закачка смеси в скважину, подача состава в пространство за колоннами, прерывающий интервал, во время которого состав застывает, и проверка готового результата на предмет качества. Сам процесс также может осуществляться разными методами, которые отличаются особенностями подачи цементной смеси в пространство за обсадной колонной и применяемой техникой.
Заливка цементного раствора в область за колонной может осуществляться двумя методами:
- Раствор помещается в саму обсадную колонну, после чего проходит ее по длине до башмака, откуда заливается в промежуток за трубами, а затем заполняет его снизу. Данный процесс называется прямым цементированием, будучи определенным аналогично процедуре промывки скважинного ствола для нефтедобычи.
- Раствор для тампонажных работ подается непосредственно в пространство за колонной, после чего заполняет место сверху. Этот вид подачи смеси называется обратным цементированием.
Выбор оборудования осуществляется в соответствии с определенным способом и технологией.
Способы цементирования обсадных колонн
Наиболее частыми методами, применяемыми для цементирования этих элементов в скважине, являются следующие виды:
- Обработка в один цикл с 2 пробками. Этот способ известен с 1905 года и заключается в следующем: после окончания подготовки в колонну помещается специальная, оснащенная каналом пробка. Сверху на трубу устанавливается головка для цементирования, после чего заливается раствор для тампонажа. Когда он полностью заполняет пространство, пробка, расположенная сверху, высвобождается, после чего в колонну осуществляют подачу вещества для промывки, и под ее избыточным давлением пробка продавливает вниз раствор цемента. Из-за высокого веса раствор выталкивает более легкую жидкость для промывки. По достижении нижней пробкой низа показатели давления становятся повышенными, диафрагма перекрытия в ней разрушается, а раствор устремляется в пространство за трубой.
- Обработка обсадной колонны в два цикла. Способ подразумевает последовательную процедуру обработки двух интервалов (сверху и снизу). Метод более удобен тем, что дает возможность уменьшить пластовое давление, если уровень поднятия смеси слишком высок, снизить процент загрязнения смеси, которое может произойти при соединении с жидкостью для промывки, не допустить термического влияния на качество цемента. Метод обработки двухциклового типа может проводиться по двум алгоритмам: согласно первому, заливка проводится за нижней пробкой, а по второму циркуляция раствора для бурения начинается заново после открытия муфты, а раствор для тампонажа подается внутрь по истечении времени, требуемого для затвердевания уже залитой смеси.
- Манжетный метод. Он используется в случае, если требуется предотвратить загрязнение продуктивного слоя цементом, обладающего низким уровнем давления. Метод подразумевает установку муфты с отверстиями напротив нижней точки отрезка колонны, чтобы через нее был пропущен раствор в пространство за обсадной трубой. В ходе заливки манжета расправляется и закрывает трубу так, что раствор только продвигается наверх, а ниже уровня муфты ставится клапан, закрывающий доступ в расположенный ниже сегмент.
- Обратное цементирование. При данном методе раствор заливается сразу в пространство за обсадной колонной, а раствор для бурения, который находился там, попадает в трубы и по ним поступает на поверхность земли. Данный способ цементирования достаточно сложен с технической точки зрения.
Технология цементирования обсадных колонн
Технология, по которой осуществляются процессы, формировалась в течение многих лет и в настоящее время продолжает подвергаться модернизации и изменениям. Сегодня она включает ряд опробованных на практике норм, проводится по определенным правилам. В конкретных случаях технологию следует уточнять; это зависит от конструкции ствола, технического состояния скважины, длины отрезка для цементирования, геологических особенностей местности, степень технической подготовки и других факторов.
Использующаяся технология должна создавать условия для следующих процессов:
- Цементирование отрезка колонны по всей длине.
- Полноценное замещение вещества для промывки раствором для тампонажных работ по длине выбранного отрезка.
- Защита смеси от загрязнений, в том числе попадания жидкости, которая используется при промывке.
- Создание цементной твердой основы высокой прочности, хорошо сцепленной со стенками ствола и трубами.
В ходе разработки выбирается подходящий материал для тампонажной смеси, которая готовится по специальному рецепту, определяется способ заливки и продавливания, общую длительность работы и отдельных процедур.
Цементирование скважин
Источник
Цементирование обсадных колонн, способы цементирования
Цементированием называют процесс заполнения заданного интервала раствором вяжущих материалов (например цемента), который в состоянии покоя превращается в прочный непроницаемый камень.
Цементирование применяют для изоляции друг от друга проницаемых пластов, вскрытых скважиной; установки цементных мостов, изолирующих нижнюю часть ствола скважины (например при забуривании нового ствола); удерживания в подвешенном состоянии обсадной колонны и герметизации заколонного пространства; изоляции поглощающих пластов, вскрытых скважиной в процессе бурения; защиты обсадных труб от коррозии агрессивными пластовыми жидкостями и газами и др.
Цементирование включает пять основных видов работ: приготовление тампонажного раствора, закачку его в скважину, подачу тампонажного раствора в затрубное пространство, ожидание затвердения закачанного материала и проверку качества цементировочных работ. Оно проводится по заранее составленной программе, обоснованной техническим расчетом.
Существует несколько способов цементирования. Они различаются схемой подачи тампонажного раствора в затрубное пространство и особенностями используемых приспособлений. Возможны два варианта подачи тампонажного раствора в затрубное пространство: раствор, закачанный внутрь цементируемой обсадной колонны, проходит по ней до башмака и затем поступает в затрубное пространство, распространяясь снизу вверх (по аналогии с промывкой называется цементированием по прямой схеме); тампонажный раствор с поверхности подают в затрубное пространство, по которому он перемещается вниз (цементирование по обратной схеме).
В промышленных масштабах применяют способы цементирования по прямой схеме. Если через башмак обсадной колонны в затрубное пространство продавливают весь тампонажный раствор, способ называется одноступенчатым (одноцикловым) цементированием. Если обсадная колонна на разных уровнях оснащена дополнительными приспособлениями (заливочными муфтами), позволяющими подавать тампонажный раствор в затрубное пространство поинтервально на разной глубине, способ цементирования называется многоступенчатым (многоцикловым). Простейший и наиболее распространенный способ – цементирование в две ступени (двухступенчатое). Иногда возникает необходимость не допустить проникновения тампонажного раствора в нижнюю часть обсадной колонны, расположенную в интервале продуктивного пласта, тогда этот интервал в затрубном пространстве изолируется манжетой, установленной на обсадной колонне, и сам способ цементирования называется манжетным. Выделяются также способы цементирования потайных колонн и секций, поскольку тампонажный раствор в этом случае закачивают по бурильной колонне, на которой спускают секцию или потайную колонну.
Цементирование скважин является сложной инженерной задачей, требующей пристального внимания на всех этапах строительства скважин. Обеспечение качественного цементирования скважин позволяет резко увеличить долговечность скважин и срок добычи безводной продукции.
Технология цементирования складывалась на основе многолетнего практического опыта и совершенствовалась с использованием достижений науки и техники. На современном уровне она включает систему отработанных норм и правил выполнения цементировочных работ, а также типовые схемы организации процесса цементирования. В каждом конкретном случае технологию цементирования уточняют в зависимости от конструкции и состояния ствола скважины, протяженности цементируемого интервала, горно-геологических условий, уровня оснащенности техническими средствами и опыта проведения цементировочных работ в данном районе.
Применяемая технология должна обеспечить: цементирование предусмотренного интервала по всей его протяженности; полное замещение промывочной жидкости тампонажным раствором в пределах цементируемого интервала; предохранение тампонажного раствора от попадания в него промывочной жидкости; получение цементного камня с необходимыми механическими свойствами, с высокой стойкостью и низкой проницаемостью; обеспечение хорошего сцепления цементного камня с обсадной колонной и стенками скважины.
При разработке технологии цементирования для конкретных условий прежде всего подбирают способ. Он должен обеспечить подъем тампонажного раствора на заданную высоту, заполнение им всего предусмотренного интервала (а если есть необходимость, то и защиту некоторого интервала от проникновения тампонажного раствора), предохранение тампонажного раствора от попадания в него промывочной жидкости при движении по обсадной колонне.
Исследованиями установлено, что наиболее полное замещение промывочной жидкости происходит при турбулентном режиме (98%), худшие показатели (42%) дает структурный режим. Для наиболее полного замещения промывочной жидкости рекомендуется ряд мероприятий:
тщательное регулирование реологических свойств промывочной жидкости, заполняющей скважину перед цементированием, с целью снижения вязкости и статического напряжения сдвига до минимально допустимых значений;
нагнетание тампонажного раствора в затрубное пространство со скоростями течения, обеспечивающими турбулентный режим;
применение соответствующих буферных жидкостей на разделе промывочной жидкости и тампонажного раствора;
расхаживание или вращение обсадной колонны при подаче тампонажного раствора в затрубное пространство;
применение полного комплекса технологической оснастки обсадной колонны.
При разработке технологии подбирают тампонажный материал, рецептуру и свойства тампонажного раствора, определяют режим закачки и продавки тампонажного раствора, суммарную продолжительность цементировочных работ и промежуток времени, необходимый для формирования в затрубном пространстве цементного камня с достаточной прочностью, позволяющей возобновить работы в скважине.
Цементирование обсадной колонны можно представить как цепочку ряда процессов и операций, таких, как: подготовка ствола скважины к цементированию; цементирование затрубного пространства (приготовление и закачка тампонажного раствора в скважину, продавливание цементного раствора в затрубное пространство); ожидание затвердения цемента (ОЗЦ): при цементировании кондуктора ОЗЦ обычно длится 5 – 8 ч, при цементировании промежуточных колонн – 12 – 24 ч; проведение контрольных замеров для определения качества цементирования, испытание обсадной колонны на герметичность, разбуривание цементного стакана в колонне, проверка герметичности изоляции затрубного пространства.
Рассмотрим наиболее распространенные способы цементирования.
Одноцикловое цементирование с двумя пробками
Способ одноциклового цементирования с двумя пробками (рис. 7.1) был предложен в 1905 г. бакинским инженером А. А. Богушевским.
По этому способу после завершения подготовительных работ в колонну вводят нижнюю пробку с проходным каналом, временно перекрытым диафрагмой.
На верхний конец колонны навинчивают цементировочную головку и приступают к закачке тампонажного раствора, который тут же приготавливают в смесительной установке. Когда весь расчетный объем цементного раствора закачан в скважину, освобождают верхнюю пробку, которая до этого удерживалась в цементировочной головке шпильками. Начиная с этого момента в обсадную колонну подают продавочную жидкость, под давлением которой верхняя пробка гонит вниз столб цементного раствора. Вследствие своей более высокой плотности цементный раствор под собственным весом вытесняет промывочную жидкость, что отмечается по падению давления на цементировочной головке.
Рисунок 7.1 – Схема этапов выполнения одноциклового цементирования обсадной колонны:
I – начало подачи цементного раствора в скважину; II – подача закачанной порции цементного раствора по обсадной колонне; III – начало продавки в затрубное пространство; IV – окончание продавки; 1 – манометр; 2 – цементировочная головка;
3 – верхняя пробка; 4 – нижняя пробка; 5 – цементируемая обсадная колонна; 6 – стенки скважины; 7 – стоп–кольцо; 8 – продавочная жидкость; 9 – буровой раствор;
10 – цементный раствор
Как только нижняя пробка достигнет упорного кольца, давление над ней повысится и под его воздействием диафрагма, перекрывающая канал в нижней пробке, разрушится; при этом наблюдается повышение давления на 4 – 5 МПа. После разрушения диафрагмы раствору открывается путь в затрубное пространство.
Объем продавочной жидкости, закачанной в скважину, непрерывно контролируют. Когда до окончания продавки остается 1 – 2 м 3 продавочной жидкости, интенсивность подачи резко снижают. Закачку прекращают, как только обе пробки (верхняя и нижняя) войдут в контакт; этот момент отмечается по резкому повышению давления на цементировочной головке. В обсадной колонне под упорным кольцом остается некоторое количество раствора, образующего стакан высотой 15 – 20 м. Если колонна оснащена обратным клапаном, можно приоткрыть краны на цементировочной головке и снизить давление.
Двухступенчатое (двухцикловое) цементирование
Двухступенчатым цементированием называется раздельное последовательное цементирование двух интервалов в стволе скважины (нижнего и верхнего).
Этот способ по сравнению с предыдущим имеет ряд преимуществ. В частности он позволяет: снизить гидростатическое давление на пласт при высоких уровнях подъема цемента, существенно увеличить высоту подъема цементного раствора в затрубном пространстве без значительного роста давления нагнетания; уменьшить загрязнение цементного раствора от смешения его с промывочной жидкостью в затрубном пространстве; избежать воздействия высоких температур на свойства цементного раствора, используемого в верхнем интервале, что, в свою очередь, позволяет более правильно подбирать цементный раствор по условиям цементируемого интервала. Для осуществления двухступенчатого цементирования в обсадной, колонне на уровне, соответствующем низу верхнего интервала, устанавливают специальную заливочную муфту (рис. 7.2).
Подготовку скважины к цементированию ведут тем же путем, что был описан выше. После промывки скважины и установки на колонну цементировочной головки приступают к закачке первой порции цементного раствора, соответствующей цементируемому объему первой ступени. Закачав нужный объем цементного раствора, в колонну вводят верхнюю пробку первой ступени, которая беспрепятственно проходит через заливочную муфту (рис. 7.2, а). Продавочной жидкостью вытесняют раствор в затрубное пространство.
После того как закачали объем продавочной жидкости, равный внутреннему объему обсадной колонны в интервале между заливочной муфтой и упорным кольцом, освобождают находящуюся в цементировочной головке нижнюю пробку второй ступени. Достигнув заливочной муфты, пробка садится во втулку и под давлением смещает ее вниз, открывая сквозные отверстия в муфте (рис. 7.2, б). Сигналом открытия отверстий является резкое падение давления нагнетания.
Существуют две разновидности способа двухступенчатого цементирования. По одной из них тампонажный раствор для цементирования второй ступени закачивают тотчас за нижней пробкой второй ступени — это так называемый способ непрерывного цементирования. В другом случае после открытия отверстий в заливочной муфте возобновляют циркуляцию бурового раствора, а тампонажный раствор второй ступени подают в скважину спустя некоторое время, например требуемое для схватывания раствора первой порции, — такое цементирование называется двухступенчатым с разрывом.
Рисунок 7.2 – Заливочная муфта для ступенчатого цементирования: а — при цементировании первой ступени; б — при цементировании второй ступени; 1 – корпус; 2 – верхнее седло; 3 – верхняя втулка; 4 – заливочные отверстия; 5 – нижнее седло; 6 – нижняя втулка
Этот способ позволяет повысить качество цементирования нижнего интервала за счет регулирования гидродинамического давления в затрубном пространстве.
Третью пробку (верхняя пробка второй ступени) вводят в колонну после подачи всего расчетного объема раствора для цементирования второй ступени. За третьей пробкой в скважину нагнетают продавочную жидкость. Эта пробка задерживается в заливочной муфте и под давлением смещает вниз втулку, которая перекрывает отверстия. Резкое повышение давления сигнализирует о завершении цементирования. После этого скважину оставляют в покое для формирования цементного камня.
Манжетный способ цементирования
Манжетный способ цементирования применяют в тех случаях, когда необходимо предупредить загрязнение цементным раствором продуктивных горизонтов с низким пластовым давлением или избежать попадания цементного раствора в зону расположения фильтра. Против нижней отметки интервала цементирования в обсадной колонне устанавливают муфту с проходными отверстиями для пропуска раствора в затрубное пространство и металлической или брезентовой манжетой снаружи (рис. 7.3).
При закачке цементного раствора манжета раскрывается и перекрывает затрубное пространство таким образом, что раствор может проходить только в одном направлении – вверх. Внутри колонны ниже муфты помещают клапан, который перекрывает доступ в нижнюю часть колонны.
Рисунок 7.3 – Манжета для манжетного цементирования; 1- обсадная труба; 2 — заливочные отверстия; 3 — манжета; 4 — муфта; 5 — клапан
Цементирование потайных колонн и секций
Спуск обсадной колонны секциями, а также потайной колонны осуществляют на колонне бурильных труб, с которой они соединены переводником с левой резьбой. Для цементирования секций и потайных колонн используют способ одноциклового цементирования с одной разделительной пробкой. Она состоит из двух частей: проходной пробки, имеющей наружный диаметр, соответствующий внутреннему диаметру цементируемых труб (она закрепляется шпильками на разъединителе нижнего конца бурильной колонны), и упругой пробки малого диаметра, которая свободно может проходить по колонне бурильных труб.
Упругую пробку вводят в бурильную колонну вслед за тампонажным раствором, под давлением продавочной жидкости она опускается до проходной пробки и задерживается в ней. Под воздействием возрастающего давления шпильки, удерживающие проходную пробку на бурильной колонне, срезаются, и обе пробки как одно целое перемещаются вниз до упорного кольца. Сигналом полного продавливания раствора в затрубное пространство служит повышение давления нагнетания. Для промывки колонны бурильных труб от оставшегося в них цементного раствора в нижнем переводнике с помощью шара, сбрасываемого в колонну, открывают проточные отверстия. Потоком промывочной жидкости остатки цементного раствора вымываются из колонны.
Способ обратного цементирования
Под обратным цементированием понимается такой способ, когда цементный раствор с поверхности закачивают прямо в затрубное пространство, а находящийся там буровой раствор через башмак, поступает в обсадную колонну и по ней выходит на поверхность.
Способ обратного цементирования уже давно привлекает внимание специалистов, однако широкого промышленного применения пока не получил в силу ряда технических трудностей, и в первую очередь сложности контроля момента достижения цементным раствором низа обсадной колонны и надежного обеспечения высокого качества цементирования в этой наиболее ответственной части.
Дата добавления: 2017-09-01 ; просмотров: 8132 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
