ЦЕМЕНТИРОВАНИЕ БУРОВЫХ СКВАЖИН (2003 год) - часть 9

ГЛАВА V

СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ. ТРЕБОВАНИЯ К НИМ И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ

Предел прочности цементного (тампонажного) камня обусловлен способностью сопротивляться создаваемым на него нагрузкам. Наиболее характерные нагрузки на цементный камень в заколонном пространстве возникают, в основном» в следующих случаях:

- при растяжении и сжатии обсадных колонн под действием резких температурных изменений в скважине;

- от ударов бурового инструмента о башмак кондуктора или промежуточной колонны в процессе бурения роторным способом;

- от выстрелов, произведенных перфораторами при вторичном вскрытии продуктивных пластов и т.д.

Повышенные требования к прочности цементного камня предъявляют при цементировании обсадных колонн малого диаметра или потайных колонн, где площадь сечения заколонного пространства относительно мала. В процессе освоения или ремонта скважин при вызове притока из флюидосодержащих пластов, залегающих в высокотемпературных интервалах, в результате резких перепадов температур колонна и цементный камень

за ней подвергаются значительному напряжению. Причем камень испытывает напряжение, как на изгиб, так и на сжатие.

При роторном бурении в процессе углубления башмак кондуктора или промежуточной колонны постоянно подвергается ударам, создаваемым бурильным инструментом при вращении или подъеме. При недостаточной прочности цементного камня за башмаком происходит постепенное разрушение цементной оболочки, что приводит к оголению последних 2-3 труб, а затем их отрыв от колонны. При бурении оторванные трубы «ползут» вниз за долотом, что приводит к серьезному осложнению в скважине, вплоть до ее ликвидации по техническим причинам. В связи с этим, при выборе рецептур тампонажных растворов следует учитывать необходимую прочность камня, а также концентричное расположение башмака в стволе скважины.

Для цементирования газовых скважин с аномально высокими пластовыми давлениями (АВПД) обеспечение камню необходимой прочности не достаточно. В этих случаях необходимо уделить внимание его газопроницаемости с целью обеспечения высокой изолирующей способности.

Для достижения этого свойства цементный камень подвергают не только испытаниям на прочность, но и на газопроницаемость.

При выборе рецептуры тампонажного раствора для получения коррозионностойкого камня проводят целую серию специальных испытаний, в процессе которых приготовленный образец выдерживают в среде, соответствующей пластовому флюиду, содержащемуся в цементируемом интервале скважины. Испытания на прочность проводят до и после выдерживания образца в агрессивной среде, продолжительность которого достигает одного года и более.

Для проведения испытаний цементного камня готовят его образцы в специальных стандартных формах. Для испытания камня на изгиб применяют форму ФБС-1, которая имеет следующие характеристики (рис. 100):

Размер образцов - балочек, мм - 40x40x160.

Количество гнезд под балочки, шт. - 3.

Габаритные размеры формы, мм:

- длина - 275;-

- ширина - 190;

- высота - 63.

Масса, кг - 7,5.

Габаритные размеры насадки, мм:

- длина - 220;

- ширина - 184;

- высота - 45.

Масса насадки, кг - 2,8.

Образцы камня готовят в следующем порядке.

Перед заполнением раствором внутреннюю поверхность формы и поддон слегка смазывают машинным маслом или другой густой смазкой.

На собранную форму устанавливают насадку и смазывают снаружи стык между насадкой и формой, которую укрепляют на виброплощадке и заполняют раствором примерно на 1 см. Включают вибрацию. В течение 2 минут все три гнезда формы равномерно заполняют раствором небольшими порциями. Вибрацию продолжают в течение 3 минут, затем выступающую часть раствора над кромками гнезд срезают смоченным водой ножом. Образцы маркируются, и формы с образцами помещают в ванну с гидрозатвором на 24 часа или другой срок, обусловленный программой испытаний. Готовые образцы извлекают из формы и маркируют, указывая номер испытания и его условия (время твердения, температуру и пр.).

Для других видов испытаний цементного камня на прочность готовят образцы соответствующих размеров в формах, подобных описанной выше, и в таком же порядке.

ИСПЫТАНИЕ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ НА ИЗГИБ

Для проведения этих испытаний чаще всего применяют разрывные машины рычажного типа Наиболее удобной считают разрывную машину Михаэлиса (рис. 101).

ИСПЫТАНИЕ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ НА СЖАТИЕ

Прочность цементного камня на сжатие определяют с помощью специального гидравлического пресса типа ПСУ-10, который состоит из двух агрегатов: механизма, разрушающего образец (собственно - пресс) (рис. 102) и пульта управления (рис. 103). Сам пресс представляет собой силовой агрегат, смонтированный на раме с двумя колоннами. Между ними расположен рабочий цилиндр 2 с плунжерами 3. Под действием давления масла в цилиндре плунжер перемещается вверх. Ход плунжера -50 мм. Остальные подвижные части пресса перемещаются вниз под силой собственной массы. Нижняя и верхняя части подвижного механизма снабжены плитами 5 и 8, между которыми располагают образец для испытания. Расстояние между плитами регулируют вращением маховика 11.

На пульте управления включают насосную установку и головку для измерения прилагаемой силы. Насосная установка служит для передачи масла в цилиндр пресса с целью перемещения плунжера. Управление процессом испытания производится с помощью регулятора скорости нагружения и сброса, рукоятки которых размещены на щите.

Определение величины нагрузки осуществляется силоизме-рителем, снабженным показывающим прибором, шкала которого имеет две стрелки. Рабочая стрелка показывает нагрузку, нарастающую по ходу испытания. Для отсчета передаваемой нагрузки, действующей на испытываемый образец, служит контрольная стрелка. Шкала нагрузок - поворотная, что дает возможность устанавливать рабочую стрелку на нуль.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ

Для определения газопроницаемости цементного камня в основном используют приборы и методы, применяемые для газопроницаемости кернов-образцов породы из скважин. Образцы цементного камня, подлежащие испытанию, готовят с учетом условий цементирования. Для проведения испытаний чаще прочих используют установку ГК-5 (рис. 104), состоящую из зажима для заделки образца, хлорвиниловой трубки для просушивания газа (воздуха), жидкостного манометра 1 типа МЖ-10 для измерения давления под образцом, мерной колбы СР-1 для измерения расхода газа при движении через образец и определения давления на выходе из образца, узла редуктора 15 и 16, воздушного баллона с вентилем 17.

Для испытания образец обрабатывают, придавая ему форму цилиндра с оттарированными поверхностями. Закрывают вентиль 13 редуктора, открывают вентиль 15 кислородного редуктора и пускают газ, давление которого фиксируют на манометре 16. При закрытом вентиле 13 открывают вентиль 15 и устанавливают на манометре низкого давления 14 давление в пределах 0,10-0,12 МПа.

Образец 10 высушивают и измеряют, после чего вставляют в резиновую обойму-муфту 11 и помещают в стальной стакан 9 с донышком в виде сетки и устанавливают на струбцину 7, которую закрывают головкой 12 и зажимают вентиль 8.

При открытом кране 2 подкрашенная вода из сосуда 3 перетекает в мерную колбу 5 до верхней отметки. Открывают слегка вентиль 13 и пропускают воздух (азот) через образец и по манометру 1 устанавливают перепад давления 0,4 МПа. Одновременно открывают кран 2 и закрывают кран 4. При этом наблюдается снижение уровня жидкости в колбе. При прохождении мениска жидкости через верхнюю отметку колбы 5 включают секундомер и наблюдают за уровнем жидкости в трубе индикаторного устройства 6, который должен совпадать с общим уровнем жидкости в этом устройстве и регулируется краном 4. При прохождении мениска жидкости через нижнюю отметку колбы останавливают секундомер, открывают кран 2, и закрывают кран 4; отсчитывают время движения жидкости в колбе 5 от верхней отметки к нижней. Результаты записывают. В процессе опыта отмечают давление и температуру и записывают их значения в журнале. Из таблицы по температуре и давлению находят значения L. Затем вычисляют dcp и lcp/dср,. Значение L= Цр/сЦ, делят на время движения жидкости в колбе 5 между верхней и нижней отметками, и получают проницаемость образца цементного камня в мкн2.

СВЯЗЬ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ С ПОВЕРХНОСТЯМИ ОБСАДНЫХ ТРУБ И ГОРНОЙ ПОРОДЫ

Свойство цементного камня, обеспечивающее надежную связь с контактирующими с ним поверхностями, называют адгезией. Это свойство делят на два вида: механическую связь и гидравлическую.

Достаточная прочность механической связи цементного камня, как и его сопротивление изгибу, необходимы для предотвращения деформации и растяжения зацементированной обсадной колонны при изменении в ней температурного режима, а также при проведении различных операций, с созданием осевых нагрузок на колонну. Эти требования предъявляются также к цементному камню, заполняющему кольцевое пространство в зоне башмака кондуктора и промежуточной колонны.

Гидравлическая связь, обеспечивающая необходимое сопротивление цементного камня перетокам флюида между стенками обсадных труб и поверхностью горных пород, имеет важное значение для повышения изолирующей способности цементной оболочки в заколонном пространстве.

Испытания на прочность механической связи проводят различными способами. По методу, разработанному в НПО «Бурение», испытания осуществляют в следующем порядке.

Готовят 12 образцов цементного камня в формочках, представляющих собой усеченный конус с размерами:

- высота - 60 мм;

- внешний диаметр - 60 мм;

- внутренний диаметр сверху - 51мм;

- внутренний диаметр снизу - 55 мм.

Формочки заполняют пробой цементного раствора и помещают в ванну, заполненную водой. Температуру воды устанавливают в зависимости от условий скважины, принимая ее среднее значение. Время твердения выбирают в зависимости от сроков предполагаемой работы в скважине. Обычно сроки твердения устанавливают в пределах 24-72 часа. После этого образцы извлекают из ванны и охлаждают при температуре окружающей среды, примерно 20-22 °С. Каждый подготовленный к испытанию образец устанавливают под плунжер пресса, используя между ним и образцом специальную надставку для выпрессовки образца из формочки. Включают пресс и создают нагрузку, фиксируя ее контрольной стрелкой. Величины страгивающих нагрузок при испытании каждого образца складывают и определяют среднее значение. В зависимости от выбранных рецептур тампонажных растворов, приготовленных для образцов, страгивающие нагрузки обычно бывают в пределах 13-45 кН. Внутренняя поверхность формочки составляет 100 см2. При этом удельная сила сцепления составляет 130-450 г/см2.

В зарубежной практике цементирования скважин (например, фирмой Wetherford) проводят испытания на механическую прочность связи цементного камня не только с поверхностью обсадных труб, но и со стенками скважины. На рис. 105 схематично показана структура испытываемого образца и направление действующего на него усилия. Результаты этих испытаний оценивают тем же методом.

Для достижения надежной механической связи цементного камня с окружающими его поверхностями, кроме обеспечения камню соответствующих свойств, необходимо выполнение, ряда требований, в основном, заключающихся в следующем:

- применение специальных буферных жидкостей с высокой моющей способностью перед цементированием скважин, заполненных буровым раствором на углеводородной основе или с другими составами, которые способствуют образованию устойчивой пленки на поверхностях в заколонном пространстве;

- очищение поверхности обсадных труб от заводского лака или краски (при повышенных требованиях к контакту: цементный камень - поверхность труб);

~ удаление со стенок скважины рыхлой глинистой корки.

Кроме перечисленных, необходимо выполнение других общих требований, направленных на обеспечение качественного цементирования обсадных колонн в любых условиях.

Для надежного разобщения пластов не менее важна прочность и гидравлической связи цементного камня с породой.

Зарубежными специалистами установлено, что прочность этой связи зависит от состояния контакта между камнем и породой. При испытании гидравлическая связь определялась созданием давления на цементный камень через патрубок, подведенный к центру керна (рис. 106.). При наличии глинистой корки между цементным камнем и породой при всех исследованных случаях прочность связи была незначительной или отсутствовала вовсе.

Различными исследователями прочность гидравлической связи определялась по-разному. В частности, проводились исследования, при которых давление прикладывалось к наружной поверхности зацементированных обсадных труб, вызывая уменьшение их диаметра и смещение их от оси. При этом образовывались кольцевые микрозазоры, способствующие перетоку флюидов. В другом случае, давление создавалось внутри колонны, вызывая увеличение наружного диаметра труб. При этом создавались усилия, не превышающие предела прочности цементного камня на сжатие. Наличие связи или ее нарушение определялось с помощью геофизических исследований.
Потеря связи цементного камня с поверхностью колонны, часто происходит в результате о прессовочных работ, проводимых с обсадной колонной после ее цементирования.

Другим нежелательным, а порой и опасным моментом, способствующим образованию кольцевых микрозазоров в заколонном пространстве, является наличие высокого давления в колонне, оставленного в ней после момента «стоп» в конце цементирования, и действующего на колонну до начала схватывания и твердения цементного раствора.

Кроме перечисленных мероприятий, направленных на обеспечение прочности связи цементного камня, необходимо выполнять следующие требования:

- опрессовку обсадной колонны производить до начала за-густевания цементного раствора в заколонном пространстве (целесообразность этого метода доказала практика цементирования скважин на площадях Татарстана);

- после получения сигнала «стоп» в конце процесса цементирования сброс давления на устье колонны осуществлять в обязательном порядке.

Исключениями могут быть случаи негерметичности обратных клапанов в обсадной колонне, при этом следует снизить давление в колонне до гидростатического.

ГЛАВА VI
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН
ЦЕМЕНТИРОВОЧНЫЕ ГОЛОВКИ

Цементировочные головки являются специальным устройством для подачи рабочих жидкостей в обсадную колонну при цементировании скважины (рис. 107,108,109,110).

Кроме того, цементировочную головку используют для нагнетания бурового раствора при промывке скважины после спуска обсадной колонны при следующих условиях:

• отсутствие угрозы размыва крана на головке от прокачивания бурового раствора с абразивными свойствами;

• соответствие высоты цементировочной головки длине штропов при необходимости расхаживания обсадной колотил.

Цементировочные головки изготавливают различными по устройству в зависимости от конкретных условий применения на скважине при цементировании.

Основные требования к цементировочным головкам заключаются в следующем:

• соответствие давлению, на которое рассчитаны обсадные трубы самой высокой прочности;

• высота цементировочной головки должна быть достаточной для помещения в ней верхней разделительной пробки и снабжена стопорным устройством для надежной ее фиксации;

• размеры пробки и расположение на головке оснастки должны позволять применение штропов стандартной длины для осуществления расхаживания обсадной колонны;

• внутренний диаметр цементировочной головки должен соответствовать внутреннему диаметру обсадных труб с наибольшей толщиной стенок;

• отводы на головке для подсоединения кранов должны быть рассчитаны на прочность от ударных нагрузок, создаваемых пульсацией напорного трубопровода от цементировочных агрегатов (насосных установок);

• для использования цементировочной головки при промывке скважины буровым раствором с абразивными свойствами необходимо установить на ней дополнительно кран высокого давления, снабдив его заглушкой на случай промывки буровым раствором;

• цементировочная головка в обязательном порядке должна быть укомплектована сменным переводником под обсадные трубы с соответствующим видом резьбы.

Для сложных условий цементирования скважин применяют цементировочные головки специального назначения.

При ограниченном промежутке времени между окончанием промывки скважины после спуска обсадной колонны и началом ее цементирования, а также при необходимости применения нижней разделительной пробки используют двухярусную цементировочную головку (рис. 111). В нее помещают обе пробки до установки цементировочной головки на обсадную колонну, тем самым сокращают время на пуск нижней пробки, которую обычно пускают после нагнетания буферной жидкости через головку, открыв крышку. Затем устанавливают верхнюю пробку, закрывают крышку, на что уходит достаточно много времени.

Существуют условия, когда целесообразно применение трех-ярусной цементировочной головки, например, при ступенчатом цементировании, описанном ранее (рис. 16).

Для осуществления процесса цементирования обсадной колонны с одновременным ее расхаживанием необходимо применение специальной цементировочной головки (рис.7). От обычной она отличается тем, что отводные патрубки на ней, несущие большую нагрузку при расхаживании, соединены в один общий коллектор и нагрузка на них, создаваемая массой гибкого металлического трубопровода, распределяется равномерно на оба патрубка. При этом угроза поломки в местах соединения патрубков с корпусом головки практически исключается. Описанная головка отличается еще и расположением на ней кранов, стопорных устройств и прочей оснастки, которое дает возможность осуществлять подвеску колонны на талевой системе.

Наиболее ответственными элементами цементировочной головки являются краны. Современные отечественные цементировочные головки оснащаются кранами пробкового типа - КП-1 и КП-3, которые рассчитаны на рабочее давление 32 и 40 МПа соответственно (рис. 112).

Кранами КП-1 оснащаются цементировочные головки для промежуточных обсадных колонн и кондукторов диаметром 219 мм и выше. Для колонн диаметром 194 мм и ниже цементировочные головки оснащают кранами КП-3.

На протяжении долгах лет в отечественной практике цементирования скважин многими тампонажными предприятиями («Краснодарнефтегаз», «Грознефть» и др.) применялись цементировочные головки, оснащенные трехходовыми кранами высокого давления (рис. 111). Конструкцию этих кранов разработали в конце 50-х годов специалисты «Краснодарнефтегаза». Преимущество этих кранов над другими заключалось в возможности промывания напорных трубопроводов от остатков цементного раствора без их разъединения. Достаточно было повернуть пробку крана в соответствующее положение и поток жидкости с остатками цементного раствора направлялся через промывочный отвод в емкость для утилизации отходов.

В настоящее время идет подготовка к выпуску трехходовых кранов обновленной конструкции, разработанной ОАО «НПО «Бурение» (рис. 113).

Другим ответственным элементом цементировочной головки является стопорное устройство для фиксации разделительной пробки в головке. Применяют стопорные устройства двух типов: винтовое и поворотное.

Наиболее надежным является винтовое стопорное устройство, которым также оснащают головки в зарубежной практике цементирования.

В последнее время некоторыми тампонажными службами используют цементировочные головки, оснащенные двумя типами стопорных устройств. Основным, фиксирующим пробку, является винтовое, а поворотное используется как сигнальное устройство, свидетельствующее о том, что пробка освобождена и пущена в колонну.

РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ПРОБКИ

Основным назначением разделительных пробок является предотвращение смешивания тампонажного раствора с буровым на их контактах при движении в обсадной колонне. При одноцикловом способе цементирования применяют две пробки, различных конструкций -нижнюю и верхнюю (рис. 114).

Нижнюю пробку применяют для разделения растворов на их нижнем контакте, верхнюю - для предотвращения смешивания тампонажного раствора с продавочной жидкостью.

Основные требования к устройству разделительных пробок заключаются в следующем:

• пробки должны обладать достаточной уплотняющей способностью, предотвращающей переток растворов из над пробочного в подпробочное пространство и образование пленки из тампонажного растворов на стенках обсадных труб;

• диаметр пробки должен соответствовать внутреннему диаметру цементировочной головки для свободного ее погружения в корпус головки;

• крепление чугунного сердечника в резиновой оболочке пробки должно быть надежным и исключать их отслоение при деформации пробки в процессе ее движении в колонне;

• проходное отверстие нижней пробки должно быть достаточным для исключения значительных гидропотерь при прокачивании тампонажного раствора сквозь пробку, остановленную на кольце «стоп»;

• диафрагма, перекрывающая проходное отверстие нижней пробки, должна разрушаться при перепаде давления не более 1,0-1,5 МПа, это дает возможность определять предварительный момент «стоп» и начало заполнения заколонного пространства там-понажным раствором.

Разделительные пробки для ступенчатого способа цементирования, а так же для цементирования потайных колонн, кроме основной функции - разделения растворов, выполняют роль управляющих элементов. Требования к пробкам были упомянуты выше при описании этих способов цементирования.

В соответствии с действующими стандартами разделительные пробки выпускались в соответствии с ТУ 39-208-76 и ТУ 39-1086-85, как пробки продавочные.

В табл. 45 приведен нормальный рад разделительных пробок, выпускаемых в соответствии с указанными ТУ.
Таблица 45

Шифр пробки	Диаметр, мм			Высота Н, мм	Мас са, кг
Шифр пробки	обсадной колонны	пробки D	уплотняе мый	Высота Н, мм	Мас са, кг
ПП-114x146	114-146	136	96-127	227	4
ПП-178x194	178-194	185	154-180	225	4
ПП-219x245	219-245	236	195-230	320	13
ПП-273х299	273-299	285	249-282	380	13
ПП-324х351	324-351	335	301-331	510	25
ПП-407х426	407-426	410	382-406	620	74
ПП-146	146	138	124-133	227	3
ПП-168	168	158	140-154	205	4
ПП-219	219	212	191-206	320	6
ПП-245	245	236	217-229	320	8
ПП-377	377	364	353-359	560	59

ЦЕМЕНТИРОВОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

К этому виду технических средств относятся установки, предназначенные для приготовления, обработки и нагнетания тампонажного раствора в скважину с выполнением технологических требований, обеспечивающие качественное цементирование заколонного пространства.

Описание смесительных и осреднителъных установок, относящихся к техническим средствам этого назначения, изложено выше в главе «Тампонажные материалы», как оборудование для приготовления тампонажных растворов. В настоящей главе они фигурируют как элементы в составе комплексов цементировочного оборудования.

К числу основных элементов данного комплекса оборудования относятся насосные установки с традиционным названием -цементировочные агрегаты. От насосных установок прочего на-значения, применяемых на промыслах, цементировочные агрегаты отличаются наличием в составе установки оборудования для приготовления тампонажного раствора - водоподающим блоком и гидросмесителем с воронкой, а также мерным баком. В последнее время выпускаемые цементировочные агрегаты, к сожалению, не комплектуются гидросмесителями, в основном, по причине применения цемента, затаренного в мягкие контейнеры. Тем не менее использование гидросмесителей с воронкой при установках цементных мостов в скважинах, где требуется применение всего 2,5-3,0 т цемента, было бы целесообразно.

Следует отметить, что зарубежные цементировочные агрегаты, как правило, снабжены такими смесителями, несмотря на широкое применение рециркуляционных мешалок в мировой практике цементирования.

В зависимости от географических и прочих условий цементировочные агрегаты, как и другие установки, предназначенные для цементирования, делятся на два вида: мобильные (самоходные) и стационарные.

Последние, как правило, выполняются в блочном исполнении, позволяющем транспортировать установку поблочно вертолетами на внешней подвеске.

ЦЕМЕНТИРОВОЧНЫЕ НАСОСЫ

К числу основных элементов цементировочного агрегата относится насос высокого давления. В зависимости от полезной (гидравлической) мощности, на которую рассчитан цементировочный агрегат, привод насоса выбирают в двух вариантах: от ходового двигателя несущего автомобиля или индивидуального, установленного на платформе, вмещающей верхнее оборудование агрегата. Как правило, индивидуальный привод устанавливают на агрегатах повышенной мощности.

Цементировочные насосы, применяемые в отечественной практике цементирования, делятся на два основных вида:

от ряда обстоятельств и факторов. Наиболее существенным является степень наполнения рабочего пространства цилиндров вытесняемой жидкостью.

содержание .. 7 8 9 10 ..