Технология цементирования двухступенчатым способом

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. 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.

Продавочной жидкостью вытесняют раствор в затрубное пространство. После закачки объема продавочной жидкости, равного 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. 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. 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 смешает вниз втулку, которая перекрывает отверстия.

Резкое повышение давления сигнализирует о завершении цементирования. После этого скважину оставляют в покое для формирования цементного камня.

Манжетное цементирование применяют на месторождениях с низким пластовым давлением или сильно дренированных, подверженных гидроразрыву пластами. На обсадной колонне в нижней части устанавливают манжету (корзину), в интервале крепления которой обсадную колонну перфорируют. Стоп-кольцо устанавливают выше отверстий перфорации. Цементирование проводят обычным технологическим приемом, однако цементный раствор выходит не из-под башмака колонны, а из отверстий в интервале установки корзины. Наличие манжеты не позволяет цементному раствору опускаться ниже места ее установки. Давление на пласт в нижней части скважины остается прежним. Зацементированным остается участок скважины выше манжеты.  

Расчет манжетного цементирования производится так же, как одноступенчатого, только расчетной глубиной спуска колонны является участок от начала перфорированной колонны до устья скважины.  

Для манжетного цементирования и заканчивания скважины с конструкцией открытого типа одинаково технологичны в использовании следующие пакеры: заколонный пакер с циркуляционным клапаном, приводимый в действие посадкой в него падающей пробки; пакер с цементирующей муфтой, приводимый в действие последовательным образованием избыточного давления в обсадной колонне после перекрытия ее башмака разделяющей пробкой или шаром; пакер, приводимый в действие избыточным давлением, с цементирующей муфтой, которая срабатывает от падающей пробки..  

 

Тампонажные растворы

Полноценный цементный камень защищает обсадную колонну от продольной и поперечной деформации, коррозии, изолирует проницаемые пласты и укрепляет стенки ствола скважины. Вероятность качественного цементирования снижается при увеличении интервала цементирования, при возникновении притоков пластового газа и флюидов из проницаемых интервалов и в значительной степени зависит от соответствия свойств тампонажного материала реальной горно-геологической обстановке и от реализованной гидравлической программы цементирования.

Плотность должна обеспечивать:

· недопущение проявления пластового флюида и гидроразрыва пласта.

Реологические свойства должны обеспечивать:

· Подвижность раствора, достаточную для закачки раствора в интервал цементирования;

· Недопущение гидроразрыва пласта при циркуляции;

· Своевременное схватывание раствора.

Водоудерживающие свойства должны обеспечивать:

· Хорошую седиментационную устойчивость суспензии;

· Оптимальную фильтратоотдачу суспензии, для недопущения несвоевременного раннего схватывания;

· Низкую проницаемость суспензии в процессе гидратации.

Цементный камень должен иметь:

· Хорошее сцепление с породой и стенкой обсадной колонны;

· Хорошую долговременную прочность и упругость;

· Низкую проницаемость;

· Безусадочность.

(а) Прочность цемента на сжатие

Прочность на сжатие зависит от содержания воды в растворе, времени выдержки, температуры и давления. Время схватывания цементного раствора может контролироваться химическими присадками.

(б) Время загустевания цементного раствора

Время загустевания цементного раствора — это время в течение которого цементный раствор может прокачиваться в затрубное пространство. Оно определяется в лаборатории для конкретного цемента и равно времени жидкого состояния раствора, которое служит критерием сравнения различных цементов. Таким образом, основным показателем времени загустевания является вязкость.

В общей сложности 2-3 часа достаточно для того, чтобы завершить все операции по цементированию. Общая продолжительность операции цементирования не должна превышать 75 % от времени начала загустевания цементного раствора. Необходимо помнить, что в процессе закачки цементного раствора, возможно, его загрязнение буровым раствором, пластовыми флюидами. Это может значительно отразится на параметрах цементного раствора, в частности на его вязкости. А это в свою очередь повлияет на прокачиваемость.

(в) Плотность цементного раствора

Стандартные плотности цементного раствора могут изменяться для выполнения операций при индивидуальных требованиях (например: пласт с низкой прочностью может не выдержать гидростатическое давление цементного раствора, чья плотность приблизительно равна 1,8 г/см³).

(г) Водоотдача

Процесс усадки цементного раствора — это результат гидратации цемента. За счёт гидратации происходит фильтрация воды в пласт. Количество допускаемой водоотдачи зависит от типа цементирования и состава цементного раствора.

(д) Коррозийная стойкость

Пластовая вода содержит определенные коррозийные элементы, которые могут вызвать повреждение цементного покрытия. Два компонента, которые как правило, содержатся в пластовых водах это сульфат натрия и сульфат магния. Они будут вступать в реакцию с известью, образуя, гидроиды магния и натрия и сульфат кальция. Сульфат кальция реагирует с C₃A и образует сульфоалюминат, который вызывает расширение инарушение целостности цементного камня.

(е) Проницаемость

Однако если во время схватывания, происходит попадание в цемент флюидов (например, проникновение газа), то цементный камень будет иметь более высокие диапазоны проницаемости (5… 10 Дарси).

К цементным растворам предъявляют следующие основные требования:

· подвижность раствора должна быть такой, чтобы его можно было закачивать в скважину насосами, и она должна сохраняться от момента приготовления раствора (затворения) до окончания процесса продавливания;

· структурообразование раствора, т. е. загустевание и схватывание после продавливания его за обсадную колонну, должно проходить быстро;

· цементный раствор на стадиях загустевания и схватывания и сформировавшийся камень должны быть непроницаемы для воды, нефти и газа;

· цементный камень, образующийся из цементного раствора, должен быть коррозионно- и температуроустойчивым, а его контакты с колонной и стенками скважины не должны нарушаться под действием нагрузок и перепадов давления, возникающих в обсадной колонне при различных технологических операциях.

В настоящее время номенклатура тампонажных цементов на основе портландцемента и шлака содержит:

1. тампонажные портландцемента для «холодных» и «горячих» скважин («холодный» цемент — для скважин с температурой до 50°С, «горячий» — для температур до 100°С, плотность раствора 1,88 г/см³);

2. облегченные цементы для получения растворов плотностью 1,4… 1,6 г/см³ на базе тампонажных портландцементов, а также на основе шлакопесчаной смеси (до температур 90… 140°С), в качестве облегчающих добавок используют глинопорошки или молотые пемзу, трепел, опоку и др.;

3. утяжеленные цементы для получения растворов плотностью не менее 2,15 г/см³ на базе тампонажных портландцементов для температур, соответствующих «холодным» и «горячим» цементам, а также шлакопесчаной смеси для температур 90… 140°С (в качестве утяжеляющих добавок используют магнетит, барит и др.);

4. термостойкие шлакопесчаные цементы для скважин с температурой 90… 140 и 140… 180°С;

5. низкогигроскопические тампонажные цементы, предназначенные для длительного хранения.

Регулируют свойства цементных растворов изменением водоцементного отношения (В:Ц), а также добавлением различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих сроки схватывания и твердения, снижающих вязкость и показатель фильтрации.

В практике бурения в большинстве случаев применяют цементный раствор с В:Ц = 0,4-0,5. Нижний предел В:Ц ограничивается текучестью цементного раствора, верхний предел — снижением прочности цементного камня и удлинением срока схватывания.

К ускорителям относятся хлористые кальций, калий и натрий: жидкое стекло (силикаты натрия и калия): кальцинированная сода: хлористый алюминий. Эти реагенты обеспечивают схватывание цементного раствора при отрицательных температурах и ускоряют схватывание при низких температурах (до 40°С).

Замедляют схватывание цементного раствора также химические реагенты, такие как гидролизованный полиакрилонитрил, карбоксиметилцеллюлоза, полиакриламид., сульфит-спиртовая барда, конденсированная сульфит-спиртовая барда, нитролигнин.

Перечисленные реагенты оказывают комбинированное действие. Все они понижают фильтрацию и одновременно могут увеличивать или уменьшать подвижность цементного раствора.

Цемент на дизельном масле — смесь одного из базовых цементных классов и дизельного масла или керосина и поверхностно-активного вещества. У этих цементов неограниченное время застывания и застывание происходит только при наличии воды. Следовательно, они часто используются для блокирования обводнённых зон, где они абсорбируют и формируют плотный прочный цемент.

Выбор типа сухого цемента по гестатической температуре (по ГОСТ 1581-96)

· 15-50°С — для низких и нормальных температур, индекс 50

· 50-100°С – для умеренных температур, индекс 100

· 100С-150°С – для повышенных температур, индекс 150

Водоотдача раствора. С увеличением температуры концентрация понизителя водоотдачи повышается.

Прочностные характеристики. При повышенных температурах (более 100°С) нужно использовать кварцевую муку для предотвращения разрушения цементного камня под действием высокой температуры.

Буферные жидкости

Буферной жидкостью называется промежуточная жидкость, разделяющая буровой и тампонажный растворы в процессе цементирования. Основное предназначение – предотвращение смешивания, а также повышение степени замещения бурового раствора цементным и очищение стенок скважины.

Универсальных буферных жидкостей нет. Лучшей вытесняющей способностью обладают жидкости более высокой вязкости и плотности, чем у вытесняемой. Для удаления остатков бурового раствора со стенок и каверн она должна обладать высокой вытесняющей способностью и физико-химической активностью.

Требования к буферной жидкости:

· не должна резко ухудшать свойства контактирующих жидкостей;

· вязкость и плотность буферной жидкости должны быть средними между аналогичными параметрами разобщающих жидкостей;

· для разделения растворов на водной основе нельзя применять буферную жидкость на углеводородной основе.

Объем выбирают с расчетом, чтобы не происходило перемешивание БР и ТР. Минимальный объем достаточен, если высота столба буферной жидкости в кольцевом пространстве будет не менее 100-150 м.

Вода, как буферная жидкость, обладает хорошими моющими свойствами. Ее можно применять при цементировании скважин, пробуренных в устойчивых породах, не подверженных набуханию и осыпанию. В воде могут растворять ПАВ – сульфонол, дисольван, а также ССБ, КМЦ, гипан и т.п. ПАВ повышает степень смыва остатков бурового раствора. Полимеры вводят для повышения вязкости.

Для утяжеления применяют водные растворы солей. Однако, вода не пригодна для вытеснения утяжеленных буровых растворов, при вскрытии продуктивных пластов.

Вязко-упругие разделители (ВУР) предназначены для достижения максимального вытеснения. К ним относятся полимерные композиции.

Буферные жидкости на углеводородной основе применяют только при бурении скважин на РУО (растворах на углеводородной основе).