Допустимые депрессии и внутренние давления в обсадных колоннах

 

Параметры обсадной колонны	Нагрузки, действующие на мост при создании
депрессии, равной допускаемому давлению на смятие^*	внутреннего допускаемого давления^**
диаметр, мм	толщина стенок, мм	марка стали
депрессия, МПа	осевая нагрузка, т	напряжение сдвига при высоте моста 1 м, МПа	внутреннее давление, МПа	осевая нагрузка, т	напряжение сдвига при высоте моста 1 м, МПа
	9,0   9,0   9,0 12,0 9,0 12,0 9,5 12,5 9,0 12,0 9,0 12,0	Д М Д М Д М Д М Д М Д М Д М	40,0 7,4 35,0 62,0 30,0 82,0 23,0 64,0 16,0 42,0 8,5 19,0 5,0 11,0		4,2 1,7 1,0 1,7 0,9 2,4 0,9 2,3 0,8 2,0 0,5 1,2 0,4 0,8	40,0 79,0 36,0 71,0 32,0 85,0 27,0 71,0 22,0 57,0 17,0 44,0 14,0 27,0		1,2 1,8 1,0 1,9 1,0 2,5 1,0 2,6 1,1 2,8 1,0 2,7 1,1 2,0

^* Коэффициент запаса прочности на смятие 1,3.

^** Коэффициент запаса прочности на разрыв под воздействием внутреннего давления 1,5.

 

Несущая способность цементных мостов в значительной мере зависит от их высоты, а также от наличия, состояния и толщины слоя глинистого раствора на колонне и фильтрационной корки на стенке скважин. Если удалена рыхлая часть глинистой корки, напряжение сдвига в начальный момент составляет 0,15 - 0,2 МПа. В этом случае даже при возникновении максимальных нагрузок достаточна высота моста 10 - 20 м. Наличие же на стенках колонны слоя глинистого раствора толщиной 1 - 2 мм приводит к уменьшению напряжения сдвига до 0,01 - 0,02 МПа и увеличению необходимой высоты моста до 180 - 250 м. В связи с этим высоту моста Н_м следует рассчитывать по формуле:

 

(4.1)

 

где Q_м - ожидаемая суммарная осевая нагрузка на мост;

D_с - диаметр скважины;

[t_м] - удельная несущая способность моста, величина которой определяется как адгезионными свойствами тампонажного материала, так и способом установки моста.

Герметичность моста также зависит от его высоты и состояния поверхности контакта, так как давление, при котором происходит прорыв воды, прямо пропорционально длине и обратно пропорционально толщине корки. При наличии между обсадной колонной и цементным камнем глинистой корки толщиной 3 - 12 мм градиент давления прорыва воды составляет соответственно 1,8 - 0,6 МПа на 1 м. При наличии на корке пленки нефти давление резко уменьшается. При отсутствии корки между стенкой трубы и цементным камнем прорыв воды происходи при градиенте давления свыше 7 МПа/м. Следовательно, герметичность моста в значительной мере зависит также от условий и способа его установки. Корка при твердении цементного раствора обезвоживается, появляются в ней трещины.

В связи с этим высоту цементного моста следует корректировать, используя следующую формулу:

 

(4.2)

 

где Р_м - максимальная величина перепада давления, действующего на мост при его эксплуатации;

[∆Р] - допустимый градиент давления прорыва флюида по зоне контакта моста со стенкой скважины; эту величину также определяют в основном в зависимости от способа установки моста и применяемых тампонажных материалов.

Из значений высоты цементных мостов, определенных по формулам (4.1) и (4.2), выбирают большее.

Ориентировочные значения [t_м] и [∆Р] при установке мостов чрез заливочную колонну с применением раствора из портландцемента в зависимости от технологии установки приведены в табл. 4.2.

 

Таблица 4.2

 

Ориентировочные значения [t_м] и [∆Р] при установке мостов

Условия и технологические мероприятия по установке моста	[tм], МПа/м	[∆Р], МПа
В обсаженной скважине С применением скребков и моющих буферных жидкостей С применением моющих буферных жидкостей Без скребков и буферных жидкостей   В необсаженной скважине С применением скребков и моющих буферных жидкостей С применением абразивных буферных жидкостей С применением неабразивных буферных жидкостей Без буферных жидкостей	0,5	0,5 0,05     0,5 0,2 0,05 0,01

Цементные мосты должны быть достаточно прочными. Практика работ показывает, что, если при испытании на прочность мост не разрушается при создании на него удельной осевой нагрузки 3 - 6 МПа и одновременной промывке, то его прочностные свойства удовлетворяют условиям как забуривания нового ствола, так и нагружения от силы тяжести колонны труб или испытателя пластов.

При установке мостов для забуривания нового ствола к ним предъявляется дополнительное требование по высоте. Это обусловлено тем, что прочность верхней части моста Н! должна обеспечить возможность забуривания нового ствола с допустимой интенсивностью искривления, а нижняя часть Н₀ - надежную изоляцию старого ствола.

 

 

где R_с - радиус искривления ствола.

Верхняя часть моста часто бывает непрочная, рыхлая, за счет водоотстоя и смешивания с буровым раствором.

Опыт бурения и эксплуатации скважин показывает, что оптимальная величина интенсивности искривления ствола составляет 1° на 10 м, что соответствует радиусу искривления 573 м. Величину Н₀ определяют из условия 4.1 и 4.2.

В практике установки цементных (и прочих) мостов применяют следующие способы:

- закачку тампонажного раствора в интервал формирования моста при уравновешивании его столбов в заливочных трубах и кольцевом пространстве (балансовый способ);

- закачку тампонажного раствора с применением двух разделительных пробок;

- закачку цементного раствора в интервал установки моста под давлением;

- с использованием разделительного пакера;

- с использованием цементировочной желонки.

При распространенном балансовом способе в колонну заливочных труб, спущенную до глубины, соответствующей подошве моста, после промывки закачивают тампонажный раствор. Высота подъема раствора в кольцевом пространстве производится до расчетной высоты (с учетом объема труб). Затем заливочные трубы поднимают до кровли моста и прямой или обратной промывкой вымывают излишек тампонажного раствора.

Способ установки цементного моста с использованием двух разделительных пробок аналогичен предыдущему. Разнятся они тем, что во втором случае в нижней части заливочной колонны устанавливается пробкодержатель, после чего трубы спускают на расчетную глубину. В процессе закачки цементного раствора нижняя пробка проходит через пробкодержатель. После прокачки цементного раствора через трубы верхняя пробка, движущаяся за ним, садится на пробкодержатель. Возникает скачок давления. Заливочные трубы поднимают до кровли моста, повышают давление в трубах, что приводит к срезанию шпилек пробкодержателя и открыванию циркуляционных отверстий. Прямой или обратной промывкой вымывают излишек тампонажного раствора. Вследствие повышенной точности способа его применяют в глубоких скважинах, хотя он эффективен во всех случаях.

Установка моста с использованием цементировочной желонки для повышения вероятности получения качественного моста предусматривает установку пробки или пакера. Затем с помощью желонки тампонажный раствор «выливается» на них. Точность установки такого моста высока, но качество определяется рядом факторов: некоторые из них исключают возможность формирования значительных по высоте мостов, не всегда обеспечивают достаточную прочность камня и др.

Используют СТС-стреляющие тампонажные снаряды, в которые впрессовывается пробка; снаряд, спущенный на заданную глубину в скважину, выстреливает ее. Увеличенная в диаметре пробка останавливается в колонне, образуя мост. Для повышения его прочности одним из известных способов на нем формируют цементную часть моста.

Основными причинами безуспешной установки мостов в открытом стволе скважины (реже в обсадной колонне) является перемешивание тампонажного (особенно если взято небольшое его количество) и бурового растворов; уменьшение конечного объема тампонажного раствора за счет налипания на стенку заливочной колонны; образование цементного конгломерата, находящегося в буровом растворе (после подъема заливочных труб)г особенно в местах расширения ствола (у каверн). При «успешной» установке моста он может оказаться негерметичным даже в случае правильно подобранной для конкретных условий рецептуры тампонажного раствора; причина – прохождение газа по зазору между собственно цементным камнем и трубами вследствие процесса контракции, т. е. обезвоживания оставшегося бурового раствора между стенкой трубы и цементным камнем и образования в этих местах каналов. А при формировании камня в открытом стволе каналы будут больше.

Осложненные условия (большая – более 4000 м – глубина, высокие температуры и давления, высокие структурно-механические свойства буровых растворов, значительная кавернозность ствола скважины и другие) обязывают более внимательно относиться к каждому звену всего процесса установки мостов: приведению в норму параметров бурового раствора, очистке скважины, подбору рецептуры тампонажного раствора, срокам ОЗЦ и технологически правильному проведению операции.

Мосты могут испытываться опрессовкой, нагрузкой трубами (особенно при забуривании второго ствола), снижением уровня жидкости в скважине, а в ответственных случаях испытателем пластов.