Установка цементных мостов. Особенности выбора рецептуры и приготовления тампонажного раствора для установки мостов.

Одна из серьезных разновидностей технологии процесса це­ментирования — установка цементных мостов различного на­значения. Повышение качества цементных мостов и эффективности их работы — неотъемлемая часть совершенствования процессов бу­рения, заканчивания и эксплуатации скважин. Качеством мос­тов, их долговечностью определяется также надежность охра­ны недр окружающей среды. Вместе с тем промысловые дан­ные свидетельствуют, что часто отмечаются случаи установки низкопрочных и негерметичных мостов, преждевременного схватывания цементного раствора, прихвата колонных труб и т.д. Эти осложнения обусловлены не только и не столько свойст­вами применяемых тампонажных материалов, сколько специ­фикой самих работ при установке мостов.

В глубоких высокотемпературных скважинах при проведе­нии указанных работ довольно часто происходят аварии, свя­занные с интенсивным загустеванием и схватыванием смеси глинистого и цементного растворов. В некоторых случаях мос­ты оказываются негерметичными или недостаточно прочными. Успешная установка мостов зависит от многих природных и технических факторов, обусловливающих особенности форми­рования цементного камня, а также контакт и "сцепление" его с горными породами и металлом труб. Поэтому оценка несущей способности моста как инженерного сооружения и изучение условий, существующих в скважине, обязательны при прове­дении этих работ.

Цель установки мостов - получение устойчивого водогазонефтенепроницаемого стакана цементного камня определенной прочности для перехода на вышележащий горизонт, забуривания нового ствола, укрепления неустойчивой и кавернозной ча­сти ствола скважины, опробования горизонта с помощью испы­тателя пластов, капитального ремонта и консервации или лик­видации скважин.

По характеру действующих нагрузок можно выделить две категории мостов:

1) испытывающих давление жидкости или газа и 2) испытывающих нагрузку от веса инструмента во время забуривания второго ствола, применения испытателя пластов или в других случаях (мосты, этой категории, должны помимо газоводонепроницаемости обладать весьма высокой механичес­кой прочностью).

Анализ промысловых данных показывает, что на мосты мо­гут создаваться давления до 85 МПа, осевые нагрузки до 2100 кН и возникают напряжения сдвига на 1 м длины моста до 30 МПа. Такие значительные нагрузки возникают при опробо­вании скважин с помощью испытателей пластов и при других видах работ.

Несущая способность цементных мостов в значительной мере зависит от их высоты, наличия (или отсутствия) и состояния глинистой корки или остатков бурового раствора на колонне. При удалении рыхлой части глинистой корки напряжение сдвига составляет 0,15-0,2 МПа. В этом случае даже при воз­никновении максимальных нагрузок достаточна высота моста 18-25 м. Наличие на стенках колонны слоя бурового (глинис­того) раствора толщиной 1-2 мм приводит к уменьшению на­пряжения сдвига и к увеличению необходимой высоты до180-250 м. В связи с этим высоту моста следует рассчитывать по формуле Нм ≥ Но – Qм/пDc [τм] (1) где Н₀ - глубина установки нижней части моста; Q_M - осевая нагрузка на мост, обусловливаемая перепадом давления и раз­грузкой колонны труб или испытателя пластов; Dс - диаметр скважины; [τм] - удельная несущая способность моста, значе­ния которой определяются 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 с напряжением сдвига 6,8-4,6 МПа, толщиной 3-12 мм градиент давления прорыва воды составляет соответственно 1,8 и 0,6 МПа на 1 м. При отсутствии корки прорыв воды происходит при градиенте давления более 7,0 МПа на 1 м.

Следовательно, герметичность моста в значительной мере зависит также от условий и способа его установки. В связи с этим высоту цементного моста следует также определять и из выражения

Нм ≥ Но – Рм/[∆р] (2) где Рм - максимальная величина перепада давлений, 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, от применяемых тампонажных материалов. Из значений высоты цементных мостов, определенных по формулам (1) и (2), выбирают большее.

Установка моста имеет много общего с процессом цементиро­вания колонн и обладает особенностями, которые сводятся к следующему:

1) используется малое количество тампонажных материа­лов;

2) нижняя часть заливочных труб ничем не оборудуется, стоп-кольцо не устанавливается;

3) не применяются резиновые разделительные пробки;

4) во многих случаях производится обратная промывка скважин для "срезки" кровли моста;

5) мост ничем не ограничен снизу и может растекаться под действием разности плотностей цементного и бурового раство­ров.

Установка моста - простая по замыслу и способу проведения операция, которая в глубоких скважинах существенно ослож­няется под действием таких факторов, как температура, давле­ние, газоводонефтепроявления и др. Немаловажное значение имеют также длина, диаметр и конфигурация заливочных труб, реологические свойства цементного и бурового растворов, чистота ствола скважины и режимы движения нисходящего и восходящего потоков. На установку моста в не обсаженной части скважины значительное влияние оказывает кавернозность ствола.

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 3,0-6,0 МПа и одновременной промывки, то его прочностные свойства удовлетворяют условиям как забуривания нового ствола, так и нагружения от веса 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 (Н₁) моста должна обеспечить возможность забуривания нового ствола с допусти­мой интенсивностью искривления, а нижняя часть (Н₀) - на­дежную изоляцию старого ствола. Нм=Н1+Но = (2Dс* Rc)^0,5+ Но (3)

где R_c - радиус искривления ствола.

Анализ имеющихся данных показывает, что получение на­дежных мостов в глубоких скважинах зависит от комплекса одновременно действующих факторов, которые могут быть разде­лены на три группы.

Первая группа - природные факторы: температура, давле­ние и геологические условия (кавернозность, трещиноватость, действие агрессивных вод, водо- и газопроявления и поглоще­ния).

Вторая группа - технологические факторы: скорость движе­ния потоков цементного и бурового растворов в трубах и кольце­вом пространстве, реологические свойства растворов, химичес­кий и минералогический состав вяжущего материала, физико-механические свойства цементного раствора и камня, контракционный эффект тампонажного цемента, сжимаемость бурового раствора, неоднородность плотностей, коагуляция бурового раствора при смешении его с цементным (образование высоко­вязких паст), величина кольцевого зазора и эксцентричность расположения труб в скважине, время контакта буферной жид­кости и цементного раствора с глинистой коркой.

Третья группа - субъективные факторы: использование не­приемлемых для данных условий тампонажных материалов; неправильный подбор рецептуры раствора в лаборатории; недо­статочная подготовка ствола скважины и использование бурово­го раствора с высокими значениями вязкости, СНС и водоотда­чи; ошибки при определении количества продавочной жидкос­ти, места расположения заливочного инструмента, дозировки реагентов для затворения цементного раствора на скважине; применение недостаточного числа цементировочных агрегатов; применение недостаточного количества цемента; низкая сте­пень организации процесса установки моста.

Увеличение температуры и давления способствует интен­сивному ускорению всех химических реакций, вызывая быст­рое загустевание (потерю прокачиваемости) и схватывание там­понажных растворов, которые после кратковременных остано­вок циркуляции иногда невозможно продавить.

До настоящего времени основной способ установки цемент­ных мостов - закачивание в скважину цементного раствора в проектный интервал глубин по колонне труб, спущенной до уровня нижней отметки моста с последующим подъемом этой колонны выше зоны цементирования. Как правило, работы про­водят без разделительных пробок и средств контроля за их движением. Процесс контролируют по объему продавочной жидкости, рассчитываемому из условия равенства уровней це­ментного раствора в колонне труб и кольцевом пространстве, а объем цементного раствора принимают равным объему скважи­ны в интервале установки моста. Эффективность способа низка.

Прежде всего следует отметить, что вяжущие материалы, применяемые для цементирования обсадных колонн, пригодны для установки прочных и герметичных мостов. Некачественная установка мостов или вообще их от­сутствие, преждевременное схватывание раствора вяжущих веществ и другие факторы в определенной степени обусловлены неверным подбором рецептуры растворов вяжущих веществ по срокам загустевания (схватывания) или отклонениями от подо­бранной в лаборатории рецептуры, допущенными при приго­товлении раствора вяжущих.

Установлено, что для уменьшения вероятности возникнове­ния осложнений сроки схватывания, а при высоких температу­рах и давлениях сроки загустевания должны превышать про­должительность работ по установке мостов не менее чем на 25 %. В ряде случаев при подборе рецептур растворов вяжущих не учитывают специфики работ по установке мостов, заключаю­щихся в остановке циркуляции для подъема колонны заливоч­ных труб и герметизации устья.

В условиях высоких температур и давления сопротивление сдвигу цементного раствора даже после кратковременных оста­новок (10-20 мин) циркуляции может резко возрасти. Поэтому циркуляцию восстановить не удается и в большинстве случаев колонна заливочных труб оказывается прихваченной. Вследствие этого при подборе рецептуры цементного раство­ра необходимо исследовать динамику его загустевания на кон­систометре (КЦ) по программе, имитирующей процесс уста­новки моста. Время загустевания цементного раствора Тзаг соответствовать условию

Тзаг>Т₁+Т₂+Т₃+1,5(Т₄+Т₅+Т₆)+1,2Т₇ где T₁, Т₂, T₃ - затраты времени соответственно на приготовле­ние, закачивание и продавливание цементного раствора в сква­жину; Т₄, Т₅, Т₆ - затраты времени на подъем колонны зали­вочных труб до места срезки моста, на герметизацию устья и производство подготовительных работ по срезке моста; Т_т - за­траты времени на срезку моста.

По аналогичной программе необходимо исследовать смеси цементного раствора с буровым в соотношении 3:1,1:1 и 1:3 при установке цементных мостов в скважинах с высокими темпера­турой и давлением. Успешность установки цементного моста в значительной степени зависит от точного соблюдения подобранной в лабора­тории рецептуры при приготовлении цементного раствора. Здесь главные условия - выдерживание подобранного содер­жания химических реагентов и.жидкости затворения и водоцементного отношения. Для получения возможно более однородного тампонажного раствора его следует приготовлять с использованием осреднительной емкости.