Тампонирование обсадных колонн

Для укрепления неустойчивых горных пород, ликвидации поглощений промывочной жидкости, герметизации затрубного пространства обсадной колонны проектом предусматривается тампонирование скважин.

Наблюдательные скважины после проведения работ будут ликвидированы, поэтому нет смысла крепить затрубное пространство цементным раствором. С этой целью будет использоваться глинистый раствор.

Центральную скважину в дальнейшем рационально использовать как эксплуатационную, поэтому её необходимо зацементировать. Эксплуатационная колонна будет цементироваться на интервале 0 – 40 м. Направление цементировать не требуется в виду небольшого интервала и малого давления пород.

При разработке технологии цементирования скважин большое значение имеет правильный подбор сорта цемента, состава и свойств цементного раствора. Выбор сорта цемента зависит главным образом от геологических условий бурения скважин. В практике цементирования скважин разведочного бурения наиболее распространен тампонажный портландцемент для “холодных” скважин (с температурой на глубине цементируемого интервала не выше 50 [17]).

Цементные растворы, превращаемые затем в цементный камень, характеризуются прокачиваемостью (подвижностью или растекаемостью), сроками загустевания и схватывания, прочностью полученного из них цементного камня и так далее. Прокачиваемость цементного раствора по трубам в течение времени, необходимого для процесса цементирования должна составлять не менее 18 см [17]. Цементный раствор должен характеризоваться малой вязкостью и высокой плотностью.

Проектом предусматривается использовать способ одноступенчатого цементирования с двумя разделительными пробками, изготовленными из пластмассы. Такое цементирование производится следующим образом: скважину полностью промывают до полного удаления шлама. Затем в обсадную колонну вставляют нижнюю разделительную пробку. Пробка продавливается к башмаку колонны при нагнетании цементного раствора насосом цементировочного агрегата. После закачивания расчетного количества цементного раствора опускается верхняя разделительная пробка. Сверху закачивается продавочная жидкость.

Нижняя пробка останавливается на упорном кольце выше башмака обсадной колонны. Поскольку закачка жидкости в колонну продолжается, то давление над пробкой возрастает. Под влиянием этого давления диафрагма нижней пробки разрушается, и цементный раствор поступает в затрубное пространство.

В процессе цементирования давление в колонне меняется. Поскольку удельный вес цементного раствора выше удельного веса продавочной жидкости, то по мере заполнения цементным раствором колонны давление в насосе уменьшается. Когда цементный раствор начинает выходить в кольцевое пространство и подниматься к устью, давление в насосе и цементировочной головке вновь возрастает. При посадке верхней пробки на нижнюю происходит скачок давления, что служит сигналом для прекращения закачки продавочной жидкости в обсадную колонну.

Расчет цементирования центральной скважины для интервала 0 – 40 м

Требуется провести расчет цементирования обсадной колонны диаметром D = 325 мм, спущенной в скважину на глубине 40 м. Высота подъема цементного раствора за трубами h_ц = 40 м. Плотность цемента 3200 кг/м³; водоцементное отношение m = 0,5; плотность воды 1000 кг/м³; плотность продавочной жидкости 1250 кг/м³;

Объем тампонажного раствора, необходимый для цементирования заданного интервала скважины:

, (2.39)

где - коэффициент, учитывающий возможное увеличение диаметра скважины и проникновение цементного раствора в пористые породы; - соответственно диаметр скважины и наружный диаметр эксплуатационной колонны, м; - внутренний диаметр эксплуатационной колонны, м; - длина участка цементирования, м; - высота цементного стакана, оставляемого в колонне, м.

.

Масса тампонажного цемента, необходимого для приготовления тампонажного раствора:

, (2.40)

где - коэффициент, учитывающий потери цемента при приготовлении раствора, = 1,05…1,15; - масса цемента в 1 м³ раствора плотностью 3200 кг/м³:

, (2.41)

, (2.42)

- водоцементное число, выражающее соотношение масс воды и сухого цемента в единице объема раствора, = 0,4-0,6:

.

.

Объем воды для приготовления тампонажного раствора:

, (2.43)

.

Объем продавочной жидкости для транспортирования цементного раствора в затрубное пространство:

(2.44)

где - коэффициент запаса продавочной жидкости, учитывающий ее сжимаемость, = 1,03…1,05; - внутренний диаметр колонны, м; - длина скважины по ее оси, м.

.

Продолжительность процесса цементирования находится из уравнения:

, (2.45)

где Q_н - подача насоса, м³/с; t₁ = 600 – 900 сек минимальное время, необходимое на установку верхней пробки [9].

Подача насоса, закачивающего тампонажный раствор в скважину, равна:

, (2.46)

где = 0,1…0,4 м/с – скорость восходящего потока в кольцевом пространстве.

,

.

Минимально необходимый срок начала загустевания цементного раствора:

, (2.47)

где =10-20 минимальный резерв времени, мин.

.

Давление в конце цементирования найдем из уравнения

, (2.48)

где p_г -потери давления на гидравлические сопротивления, МПа; -плотность цементного раствора кг/м³:

. (2.49)

,

.

В качестве оборудования для производства цементных работ принимается цементосмесительная машина с механической системой разгрузки СМ-10 и цементировочный агрегат ЦА-320М, табл. 2.12:

Таблица 2.12

Характеристика цементировочного агрегата ЦА-320М

Скоростьнагнетания	Диаметр втулки
	115(120)
Q, л/с	р, МПа	Q, л/с	р, МПа	Q, л/с	р, МПа
I	1,4		1,7		2,3
II	2,5		3,2		4,3
III	4,8		6,0		8,1
IV	8,6		10,7		14,5

 

По истечению времени, необходимого для затвердевания цементного раствора, проверяют герметичность колонны, а затем затрубного пространства.

При испытании тампонажа выполняют следующие требования и операции:

- Качество тампонажа должно быть последовательно проверено испытанием на герметичность обсадной и фильтровой колонны и на отсутствие притока воды к скважине.

- Для ликвидации течи в трубах следует сделать длительную прокачку чистой водой для промывки образовавшихся каналов, опустить заливочные или бурильные трубы, остановив их выше места повреждения, и закачивать цемент при закрытой головке на устье. Движению цемента ниже места повреждения будет препятствовать спущенная ранее пробка.

- В случае отсутствия течи в трубах, следует считать причиной неудачи негерметичность цемента. Ликвидация неудачного тампонажа при значительном поглощении состоит в длительной прокачке скважины водой, и затем повторение тампонажа. После суточной остановки следует вновь произвести испытание.

- Тампонаж считается удачным, если в течение 8 часов после понижения уровень остается на месте или поднимается менее чем на 1 метр [9].